基于HOMER的微電網儲能初級配置及并網仿真研究

摘 要：要降低可再生能源功率波動給電網安全穩定運行帶來的影響，在微電網中引入復合儲能系統是一種行之有效的解決方案。利用可再生能源互補發電優化建模軟件對微電網中的儲能組件進行初級配置，得到了經濟條件最優下的儲能電池容量，為后續詳細的儲能電池配置提供了基礎。

關鍵詞：可再生能源功率;HOMER;初級配置;儲能電池容量

0??? 引言

可再生能源發電具有波動性和間歇性的特點，所以高比例接入電網會引起電壓和頻率波動等電能質量問題[1-2]。在微電網中接入儲能設備是一種行之有效的解決方案。目前，一種儲能介質很難滿足電網對儲能的多維度和多尺度要求，而由磷酸鐵鋰電池和超級電容器組成的復合儲能系統（Hybrid Energy Storage System，HESS）兼具高能量密度和高功率密度特性[3]，因此，研究基于能量型儲能和功率型儲能的復合儲能的微電網具有極其重要的意義。

可再生能源互補發電優化建模軟件（Hybrid Optimiz-

ation Model for Electric Renewable，HOMER）是用于微電網組件容量初級配置研究的經濟技術分析軟件[4]。HOMER可以對小時級數據進行仿真，時間尺度較大，因此，利用HOMER軟件對微電網中的復合儲能總體容量進行初級配置，就可以得到經濟條件最優下的儲能電池總體容量配置。

1??? 拓撲結構

圖1為一個典型的微電網拓撲結構，該微電網主要包括：磷酸鐵鋰電池和變流器組成的儲能系統、光伏發電系統、風力發電系統以及各種交流負荷。

首先，根據該系統的設計方案在HOMER軟件中搭建仿真模型，依次添加光伏電池（PV）、風力發電機（Generic）、蓄電池（H3000）、交流負荷（Load）以及變流器（Converter）。該微電網并網模式下仿真示意圖如圖2所示。

2??? 基本組件

微電網組件的容量優化配置需要根據所在地的地理位置、氣象條件、電網資料等來確定各組件類型、功率和容量等參數。本文主要從經濟性[5]考慮，相關經濟參數設置如表1所示。

若微電網設計壽命為25年，由表1可知，在微電網壽命周期內僅光伏電池不用置換。除表1所述參數外，其他參數如下：（1）光伏發電的占地面積約為每10 kW占地100 m2，由于工程土地資源限制，允許的光伏發電最大裝機容量為400 kW。仿真中光伏電池發電容量的決策變量設置為0/

50/100/150/200/250/300/350/400 kW。（2）每臺風力發電機的額定容量為10 kW，風力發電機臺數的決策變量設置為0、5、10、15、20。（3）所用電池單體標稱電壓為2 V，標稱容量為3 000 Ah（6 kW·h），SOC限值為30%～100%，但實際使用中電池最大SOC通常為85%。每10個電池單體串聯形成電池組，電池組間采用并聯形式，電池組設置為0、5、10、15、20。（4）設置變流器的整流效率和逆變效率均為95%，變流器容量的決策變量為50/100/150/200 kW。

3??? 可再生能源存量

根據地理位置坐標，從美國宇航局（NASA）的相關網站（https：//power.larc.nasa.gov/）上獲取所需歷史氣象資料。某地區坐標為東經119°60′、北緯32°30′，這里獲取了該地2015—2019年的氣象數據并取月平均值。表2所示為按月統計所得平均太陽輻照度S、清晰度指數k（空氣的清濁程度）以及50 m高度風速數據，由統計結果可知該地太陽能和風能資源較為豐富。

將統計得到的太陽能和風能資源數據輸入到HOMER中相應的Solar resource和Wind resource配置組件中。為了盡可能模擬得到較為準確的出力曲線，在光伏組件中日輻照度敏感值（平均輻照度數值）分別取3.995、4.995和5.995，當日輻照度敏感值取4.995時，太陽能資源分布情況如圖3所示。同理，在風電組件中風速的敏感值（平均風速數值）分別取4.620、5.620和6.620，當風速敏感值取5.620時，風能資源分布情況如圖4所示。

4??? 仿真分析

在微電網并網運行模式下，按照全壽命周期凈現成本最低選擇微電網組件的配置方案，并以儲能容量最大值作為最終的儲能容量設定值。微電網組件配置中，要考慮以下幾個因素：（1）電價，包括購電電價和售電電價（上網電價）;（2）電量交互，包括微電網向大電網購售電電量和功率限制。

圖5（a）所示為并網聯絡線功率為10 kW時，風/光/儲不同配置下總凈現成本與風速及太陽輻照度的相關性;當并網聯絡線功率為20 kW時，相關性保持一致，這里不再圖示。圖5（b）所示為當示范區年平均太陽輻照度以及50 m高度風速分別為5.99 m/s和6.62 m/s時，各組件具體配置情況及各成本組成。

該條件下的風/光/儲等組件最優配置結果如表3所示。該配置結果下，在微電網全壽命周期內，當聯絡線功率為10 kW時系統總凈現成本最低為491 960美元，電池容量選擇為50×6 kW·h。當聯絡線功率為20 kW時，不需要電池儲能，所以本文不再分析討論。各組件經濟參數分布如圖6所示。

圖7所示為12個月內電池SOC平均每小時變化曲線，由曲線可知全年電池SOC變化范圍在本仿真模型所選電池SOC限值范圍30%～100%內，所以可避免出現電池過充、過放現象，但SOC處于高限值的時間段相對較長。

綜合分析微電網孤島運行和并網運行各自得到的最佳儲能容量，取儲能容量最大值可知：當微電網具有孤島和并網兩種運行模式時，得到儲能最佳容量為100×6 kW·h，系統總凈現成本為574 256美元。

5??? 結語

本文分析了影響微電網組件配置的主要因素，選取某地區含有風/光/儲電源的微電網進行分析，得到了儲能容量的初級配置結果。根據所獲得的某地可再生能源存量的經濟技術條件，設定微電網電源優化配置變量、系統性能以及聯絡線交互功率等約束條件，基于HOMER軟件進行全年8 760 h的小時級仿真，在微電網全壽命周期（25年）凈現成本最低的優化指標下，得到滿足設計微電網要求的風/光/儲優化配置組合，并得到了儲能容量的初級配置結果。

[參考文獻]

[1] 李建林，田立亭，來小康.能源互聯網背景下的電力儲能技術展望[J].電力系統自動化，2015，39（23）：15-25.

[2] 孫玉樹，李星，唐西勝，等.應用于微網的多類型儲能多級控制策略[J].高電壓技術，2017，43（1）：181-188.

[3] 蘇浩，張建成，王寧，等.基于分層優化的大容量混合儲能系統能量管理策略[J].高電壓技術，2018，44（4）：1177-1186.

[4] 周天沛，孫偉.風光互補發電系統混合儲能單元的容量優化設計[J].太陽能學報，2015，36（3）：756-762.

[5] 李成，楊秀，張美霞，等.基于成本分析的超級電容器和蓄電池混合儲能優化配置方案[J].電力系統自動化，2013，37（18）：20-24.

收稿日期：2021-07-21

作者簡介：王曉晴（1989—），女，安徽蚌埠人，碩士，工程師，研究方向：設備運維、微電網控制。