探究計(jì)及風(fēng)電與儲(chǔ)能的混合能源系統(tǒng)管理策略

鄭文進(jìn) 胡 斌

（1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 2.杭州鴻晟電力設(shè)計(jì)咨詢有限公司）

0 引言

計(jì)及風(fēng)電與儲(chǔ)能的混合能源系統(tǒng)管理的研究，是提高含風(fēng)電場(chǎng)微電網(wǎng)穩(wěn)定性的重要基礎(chǔ)。隨著新能源技術(shù)的創(chuàng)新升級(jí)，風(fēng)能應(yīng)用率明顯提高。但是在風(fēng)能應(yīng)用期間，其隨機(jī)性特點(diǎn)明顯，因此會(huì)影響到微電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。儲(chǔ)能系統(tǒng)的加入，有效改善了計(jì)及風(fēng)電運(yùn)行下的隨機(jī)性，緩解輸出功率曲線的過度波動(dòng)。混合能源系統(tǒng)的打造，對(duì)微電網(wǎng)削峰填谷的實(shí)現(xiàn)提供了助力，并且能提高微電網(wǎng)的儲(chǔ)能充電能力，在降低發(fā)電功率波動(dòng)的基礎(chǔ)上，改善微電網(wǎng)發(fā)電功率過度消耗的問題，降低微電網(wǎng)運(yùn)行成本，提高微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性，延長(zhǎng)其使用壽命。

1 混合能源系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)運(yùn)行優(yōu)化

1.1 運(yùn)行調(diào)度模型

計(jì)及風(fēng)電與儲(chǔ)能的混合能源系統(tǒng)管理的研究，必須以計(jì)及風(fēng)電與儲(chǔ)能混合能源系統(tǒng)為載體，以明確時(shí)間尺度為基本前提，探索提高混合能源運(yùn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性的有效方法，并積極優(yōu)化微電網(wǎng)能量。長(zhǎng)時(shí)間尺度下運(yùn)行調(diào)度模型的構(gòu)建，應(yīng)結(jié)合微電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)際情況，分別從三個(gè)時(shí)間段進(jìn)行運(yùn)行調(diào)度，即峰、平、谷［1］。時(shí)間段以及混合能源系統(tǒng)運(yùn)行區(qū)間的不同，會(huì)導(dǎo)致能量?jī)?yōu)化策略存在明顯差別。對(duì)混合能源系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度模型目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化，需要能源的加持，以充放電函數(shù)為切入點(diǎn)，時(shí)刻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的荷電狀態(tài)，靈活調(diào)整以保持系統(tǒng)穩(wěn)定性。根據(jù)對(duì)計(jì)及風(fēng)電與儲(chǔ)能混合能源運(yùn)行系統(tǒng)的研究，深層次分析微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)微電網(wǎng)混合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及峰谷特性，構(gòu)建聯(lián)合運(yùn)行調(diào)度模型，以每日24h為周期，將其分為峰、平、谷時(shí)段進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，觀察微電網(wǎng)儲(chǔ)能變化與荷電容量，并靈活調(diào)整能量策略，以此達(dá)到儲(chǔ)能合理分配與充放電功率穩(wěn)定的目的。以下對(duì)計(jì)及風(fēng)電與儲(chǔ)能的混合能源系統(tǒng)調(diào)度模型優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析。

通過混合能源系統(tǒng)調(diào)度模型，對(duì)谷時(shí)段微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)了解，提高對(duì)多余電能的利用與儲(chǔ)備率。對(duì)峰時(shí)段微電網(wǎng)外部售電與蓄電池放電情況進(jìn)行精準(zhǔn)控制，為削峰填谷的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造有利條件。不僅如此，還要有效減少系統(tǒng)運(yùn)行的能源消耗，科學(xué)降低成本，提高計(jì)及風(fēng)電與儲(chǔ)能混合能源系統(tǒng)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性［2］。

調(diào)度模型的構(gòu)建可為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)相關(guān)函數(shù)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)，尤其是充放電函數(shù)，借此科學(xué)調(diào)整荷電狀態(tài)和不理想情況下的充放電功率，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命，保證蓄電池儲(chǔ)存電量充足［3］。與此同時(shí)，為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)提供緊急功率支撐功能，從而有效提高混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

圖 計(jì)及風(fēng)電與儲(chǔ)能混合能源運(yùn)行調(diào)度模型示意圖

在調(diào)度模型構(gòu)建中，設(shè)定風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行功率始終處于最大點(diǎn)，并且能量?jī)?yōu)化必須以儲(chǔ)能系統(tǒng)為主。混合能源系統(tǒng)調(diào)度設(shè)計(jì)模型如圖所示，通過圖可對(duì)混合能源調(diào)度流程有更清晰地了解。圖中當(dāng)前調(diào)度時(shí)段設(shè)定為t；求余運(yùn)算符設(shè)定為%；蓄電池荷電狀態(tài)及允許下限分別為Sbat、Smin；混合能源系統(tǒng)調(diào)度全天總時(shí)段設(shè)定為nT。根據(jù)以上參數(shù)設(shè)定，對(duì)混合能源系統(tǒng)蓄電池狀態(tài)進(jìn)行掌握，并保證峰時(shí)段放電余量充足，谷時(shí)段放電余量合理消耗，借助風(fēng)電出力的增減控制，對(duì)混合能源系統(tǒng)功率進(jìn)行科學(xué)調(diào)整，保證其始終處于穩(wěn)定輸出狀態(tài)。

參考目前國(guó)家電網(wǎng)運(yùn)行要求及調(diào)度周期，要求間隔時(shí)間以15min為準(zhǔn)。借助調(diào)度模型，對(duì)調(diào)度周期所消耗的風(fēng)電出力情況、負(fù)荷需求量等進(jìn)行預(yù)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)混合能源系統(tǒng)的蓄電池能耗情況、荷電狀態(tài)，隨時(shí)對(duì)運(yùn)行調(diào)度策略進(jìn)行調(diào)整。在此基礎(chǔ)上，保持蓄電池充放電功率的穩(wěn)定性，對(duì)外部電網(wǎng)安全性與能耗進(jìn)行有效控制，準(zhǔn)確計(jì)算混合能源系統(tǒng)的交換功率。根據(jù)系統(tǒng)所處時(shí)段不同，對(duì)蓄電池功能進(jìn)行靈活調(diào)整，如在谷時(shí)段期間，蓄電池以充電狀態(tài)為主；平時(shí)段期間，蓄電池以充放電兼顧功能為主；峰時(shí)段期間，蓄電池以放電功能為主。需注意，峰時(shí)段蓄電池雖然以放電為主，但是必須控制在混合系統(tǒng)能源荷電狀態(tài)的允許值之內(nèi)。

1.2 系統(tǒng)能量?jī)?yōu)化

以計(jì)及風(fēng)電與儲(chǔ)能的混合能源系統(tǒng)運(yùn)行模型為載體，風(fēng)電儲(chǔ)能混合能源系統(tǒng)最大運(yùn)行收益為目標(biāo)，全天24h為條件構(gòu)建與之匹配的目標(biāo)函數(shù)，具體如下：

式中，F(xiàn)為混合能源系統(tǒng)的收益函數(shù)；k為系統(tǒng)模型的調(diào)度周期，其取值范圍為1～96；γk為以k周期為準(zhǔn)的混合能源系統(tǒng)電網(wǎng)價(jià)格；分別為以k周期為準(zhǔn)的混合能源系統(tǒng)模型中蓄電池充、放電功率；、分別為以k周期為準(zhǔn)的混合能源系統(tǒng)蓄電池充、放電狀態(tài)；pk為以k周期為準(zhǔn)的混合能源系統(tǒng)蓄電池充放電功率，其數(shù)值為正代表充電，數(shù)值為負(fù)代表放電；CF（pk）為蓄電池運(yùn)行成本；COM（pk）為蓄電池充放電罰函數(shù)；βbat（k）為蓄電池荷電百分?jǐn)?shù)與混合能源系統(tǒng)中荷電理想范圍的差值，其具體表達(dá)式如下：

其中，b1～b5為蓄電池充放電罰函數(shù)定值參數(shù)；pref為恒定功率。

隨著進(jìn)入峰時(shí)段，蓄電池逐漸增加放電量，在此過程中sbat（k）明顯減少，βbat（k）隨之變大。如此一來(lái)，蓄電池荷電狀態(tài)出現(xiàn)波動(dòng)，并適當(dāng)調(diào)整放電功率。進(jìn)入谷時(shí)段后，蓄電池充電情況同樣如此。在峰時(shí)段蓄電池荷電狀態(tài)并未達(dá)到允許下限的情況下，系統(tǒng)對(duì)蓄電池的充電借助恒定功率pref完成［4］。

2 混合能源系統(tǒng)的短時(shí)間運(yùn)行波動(dòng)優(yōu)化

2.1 構(gòu)建功率運(yùn)行波動(dòng)模型

計(jì)及風(fēng)電與儲(chǔ)能的混合能源系統(tǒng)的短時(shí)間功率運(yùn)行波動(dòng)模型構(gòu)建，主要目的是對(duì)風(fēng)電出力穩(wěn)定性進(jìn)行調(diào)整，并科學(xué)抑制波動(dòng)。既可以協(xié)調(diào)風(fēng)電儲(chǔ)能混合能源系統(tǒng)蓄電池與超級(jí)電容的關(guān)系，又可以構(gòu)建微電網(wǎng)功率波動(dòng)模型，實(shí)時(shí)對(duì)混合能源系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)定合理的低通濾波時(shí)間，在此基礎(chǔ)上，科學(xué)完成模型輸入操作，繼而達(dá)到改善功率波動(dòng)的目的［5］。實(shí)時(shí)觀察混合系統(tǒng)荷電狀態(tài)，若其余量并未超出合理區(qū)間，則必須對(duì)風(fēng)電變化率波動(dòng)進(jìn)行預(yù)防，適當(dāng)對(duì)低通濾波時(shí)間系數(shù)τ（t）進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到對(duì)t時(shí)段波動(dòng)的抑制。t時(shí)段目標(biāo)功率設(shè)定及混合系統(tǒng)穩(wěn)定抑制要求Pobj（t）、模型構(gòu)建中混合系統(tǒng)平抑控制的相關(guān)功率Phess（t）及變?yōu)V波系數(shù)λ（t）的公式分別如下：

式中，Pwind（t）為t時(shí)段風(fēng)電出力；Δt為調(diào)度周期時(shí)間長(zhǎng)度；τ（t）為混合能源系統(tǒng)低通濾波時(shí)間系數(shù)，其具體表達(dá)式如下：

式中，Ebat、Esc分別為蓄電池荷電容量、混合能源系統(tǒng)超級(jí)電容荷電容量；Ebat＿max、Ebat＿min分別為蓄電池荷電容量的上限及下限；Esc＿max、Esc＿min分別為超級(jí)電容荷電容量的上限與下限；a1、a2為混合系統(tǒng)變?yōu)V波比例系數(shù)。

風(fēng)電目標(biāo)功率與比例系數(shù)有直接關(guān)系，比例系數(shù)小，則功率變化穩(wěn)定，比例系數(shù)大，則功率變化波動(dòng)大，整體抑制效果受到影響，混合能源系統(tǒng)容量利用率下降。根據(jù)功率運(yùn)行波動(dòng)模型的模擬研究及調(diào)試，得到最佳比例系數(shù)，為0.3。

2.2 混合系統(tǒng)功率的模糊控制優(yōu)化處理

混合能源系統(tǒng)中的蓄電池、超級(jí)電容器的運(yùn)行狀態(tài)及能量消耗等，可以模糊控制為載體，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)況優(yōu)化分配，尤其是混合系統(tǒng)運(yùn)行功率Phess（t）。優(yōu)化分配的主要目的是協(xié)助混合能源系統(tǒng)對(duì)蓄電池余量進(jìn)行有效控制，并可以對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)波動(dòng)進(jìn)行控制，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。混合系統(tǒng)功率模糊控制設(shè)定為t時(shí)刻超級(jí)電容模式，即dsc（t）。在輸入函數(shù)x1（t）中帶入dsc（t），隨后得到混合系統(tǒng)運(yùn)行期間的荷電偏差量dbat（t），將其輸入模糊控制函數(shù)x2（t）中。在已知蓄電池初始荷電Sbat0的基礎(chǔ)上，對(duì)x1（t）、x2（t）進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

隨后在Phess（t）≥0的規(guī)定條件下，得到模糊控制隸屬函數(shù)。此外為對(duì)混合能源系統(tǒng)蓄電池及系統(tǒng)電容充放電功率進(jìn)行有效控制，結(jié)合Psc（t）、Pbat（t）均設(shè)定為t時(shí)刻的條件，去控制系統(tǒng)風(fēng)電出力波動(dòng)，并尋找協(xié)同平抑的方法。具體計(jì)算公式如下：

結(jié)合上述得到的模糊控制隸屬函數(shù)，實(shí)時(shí)應(yīng)用模糊控制算法，根據(jù)輸入情況得到實(shí)時(shí)修正系數(shù)，即η（t），借此得到超級(jí)電容充放電功率與蓄電池充放電功率，具體計(jì)算如下：

結(jié)合上述計(jì)算結(jié)果，適當(dāng)約束混合系統(tǒng)充放電功率。通過混合能源系統(tǒng)模糊控制相關(guān)函數(shù)值發(fā)現(xiàn)，超級(jí)電容功率與功率波動(dòng)控制有直接關(guān)系，并且容量越限與功率平抑存在必然聯(lián)系。系統(tǒng)中的剩余功率與出力均由蓄電池控制，若不能保證蓄電池功率運(yùn)行需求，便會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不平穩(wěn)現(xiàn)象。

3 混合能源系統(tǒng)模擬仿真

對(duì)計(jì)及風(fēng)電與儲(chǔ)能的混合能源系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真。以MATLAB／Simulink軟件進(jìn)行建模，并輸入計(jì)及風(fēng)電與儲(chǔ)能的混合能源相關(guān)數(shù)據(jù)。隨后根據(jù)現(xiàn)實(shí)環(huán)境參數(shù)，針對(duì)系統(tǒng)中的風(fēng)速、負(fù)荷功率進(jìn)行調(diào)整測(cè)試，從而得到能量管理策略的制定依據(jù)參數(shù)，并為混合能源系統(tǒng)管理做好準(zhǔn)備工作。觀察混合能源系統(tǒng)模型運(yùn)行數(shù)值變化，發(fā)現(xiàn)在未調(diào)整的情況下，風(fēng)力發(fā)電波動(dòng)明顯，并且系統(tǒng)運(yùn)行及功率穩(wěn)定性不理想。針對(duì)這種情況，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷功率需求，嚴(yán)格控制風(fēng)電功率，并明確功率期望值。在此基礎(chǔ)上，協(xié)調(diào)負(fù)載功率、系統(tǒng)功率之間的需求，在保證能量平衡的條件下，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行功率波動(dòng)進(jìn)行有效控制。不僅如此，還能夠?qū)ο到y(tǒng)異常情況瞬時(shí)響應(yīng)，既可以有效規(guī)避功率振蕩，又可以保證計(jì)及風(fēng)電與儲(chǔ)能的混合能源系統(tǒng)管理質(zhì)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過對(duì)計(jì)及風(fēng)電與儲(chǔ)能的混合能源系統(tǒng)管理的研究，對(duì)這種混合能源系統(tǒng)有更準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。作為新能源利用的代表，混合能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性始終是關(guān)注的焦點(diǎn)。從長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)運(yùn)行角度對(duì)計(jì)及風(fēng)電與儲(chǔ)能的混合能源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，積極構(gòu)建混合能源運(yùn)行調(diào)度模型，并總結(jié)能量?jī)?yōu)化的策略。從計(jì)及風(fēng)電與儲(chǔ)能的混合能源系統(tǒng)短時(shí)間運(yùn)行波動(dòng)控制角度，構(gòu)建功率運(yùn)行波動(dòng)模型，并總結(jié)混合能源系統(tǒng)功率的模糊控制優(yōu)化處理策略。結(jié)合模型的構(gòu)建及仿真運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)混合能源運(yùn)行調(diào)度模型與功率運(yùn)行波動(dòng)模型的構(gòu)建及優(yōu)化措施對(duì)穩(wěn)定性管理效果明顯，對(duì)計(jì)及風(fēng)電與儲(chǔ)能的混合能源系統(tǒng)管理水平提高有積極意義。