基于源荷儲(chǔ)平衡的光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能容量配置方法研究

微網(wǎng)作為集中式大電網(wǎng)的微縮版本，在分布式能源、應(yīng)對(duì)能源危機(jī)等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但由于光伏等微源功率的間歇性與隨機(jī)性，微網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行受到了極大的挑戰(zhàn)。儲(chǔ)能裝置通過(guò)能量的適時(shí)釋放與動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)，可以有效抑制微源功率波動(dòng)，確保電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，但其成本較高，因此加強(qiáng)微網(wǎng)儲(chǔ)能容量配置優(yōu)化顯得尤為重要。

吳克河為了提高風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電單元并網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)定性，借助遺傳粒子群算法，提出基于額定容量的儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置方法[。陳明提出基于蓄電池和超級(jí)電容元件的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，并闡述了基于改進(jìn)布谷鳥算法的儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置方法，有效降低儲(chǔ)能系統(tǒng)成本。MaG以改進(jìn)粒子群算法為基礎(chǔ)，以經(jīng)濟(jì)效益與能量缺失率為雙目標(biāo)函數(shù)，提出了獨(dú)立風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的多自標(biāo)優(yōu)化配置方法。李明從微電網(wǎng)需求側(cè)管理角度出發(fā)，提出基于柔性負(fù)荷控制和虛擬儲(chǔ)能的容量配置優(yōu)化策略。

以上相關(guān)研究大多聚焦于單一需求響應(yīng)的儲(chǔ)能容量配置，未能綜合源荷儲(chǔ)平衡需求。為此，本文以綜合源荷儲(chǔ)平衡為視角，構(gòu)建雙層兩階段優(yōu)化調(diào)度方法，并以某實(shí)際運(yùn)行光伏微網(wǎng)為算例，驗(yàn)證模型的有效性。

一、源儲(chǔ)特性及計(jì)算方法

（一）源儲(chǔ)特性分析

光伏發(fā)電出力PPV（t）主要由當(dāng)?shù)靥?yáng)輻照度G(t）、環(huán)境溫度 ΔT_a （t）及光伏組件自身特性決定，計(jì)算公式為：

其中， P_STC 為組件標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的額定功率； G （t）為t時(shí)刻斜面或水平面上的實(shí)際太陽(yáng)輻照度（ ?W/m². ）；為光伏組件的功率溫度系數(shù)(%/%)^°C ）； ΔT_c （t）為t時(shí)刻光伏電池實(shí)際工作溫度（ C ）。

（二）源儲(chǔ)計(jì)算方法

源儲(chǔ)計(jì)算主要有平滑光伏出力波動(dòng)、能量時(shí)移等幾個(gè)方面，其中，平滑光伏出力波動(dòng)計(jì)算常采用低通濾波、移動(dòng)平均或指定波動(dòng)率限制，設(shè)期望的平滑后光伏出力為 (t），則儲(chǔ)能需補(bǔ)償?shù)墓β? (t）為：

P_ESS ，smooth (t) Λ=P_PV smooth （t）一 P_PV （t）式

能量時(shí)移可計(jì)算時(shí)移帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益與能量轉(zhuǎn)移量，設(shè) P_PV(t)>P_Load （t）為充電時(shí)段，反之為放電時(shí)段，計(jì)算公式為：

經(jīng)濟(jì)效益通常基于電價(jià)差 ΔC (t） Λ=C_dis (t）-C_ch (t）/ η_rλ 計(jì)算。

二、基于源荷儲(chǔ)平衡的光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能容量配置方法（一）雙層兩階段優(yōu)化調(diào)度的大體思路

在基于源荷儲(chǔ)平衡的光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能容量配置方法中，雙層兩階段優(yōu)化調(diào)度可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能容量合理配置及微網(wǎng)的高效運(yùn)行。

在雙層兩階段優(yōu)化調(diào)度體系中，上層模型側(cè)重于需求端的管理，通過(guò)指導(dǎo)對(duì)用電習(xí)慣進(jìn)行科學(xué)、合理的調(diào)節(jié)，從而對(duì)負(fù)載曲線予以優(yōu)化，為后面的下層優(yōu)化工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在這個(gè)階段，通過(guò)引入激勵(lì)型需求，可達(dá)到源荷儲(chǔ)平衡。

表1典型日負(fù)荷與光伏數(shù)據(jù)

（二）上層模型目標(biāo)函數(shù)及約束條件

選擇激勵(lì)型需求響應(yīng)模型作為上層模型，激勵(lì)型需求響應(yīng)模型目標(biāo)函數(shù)為：

式（4)中， L_SLout (t)、LSLin(t）、 L_befo (t)、L(t)分別為t時(shí)段轉(zhuǎn)出負(fù)荷量、轉(zhuǎn)入負(fù)荷量以及響應(yīng)后、前負(fù)荷量； P_PV （t）為t時(shí)段光伏發(fā)電量；T為調(diào)度周期。

式（5）中， L_out，min?L_out，max 分別為可轉(zhuǎn)出負(fù)荷最大、最小電量; L_in，minl_in，min x分別為可轉(zhuǎn)入負(fù)荷最大、最小電量； L 為總負(fù)荷量；S為轉(zhuǎn)移負(fù)荷比。

約束條件為：

P_PV(t)+P_BESS(t)+P_grid(t)-P_load(t)=0

其中， P_load (t）、 P_grid (t）、 P_BESS (t）、 P_PV （t）分別代表負(fù)荷用電功率、微電網(wǎng)與大電網(wǎng)交換功率、電池充放電功率以及光伏發(fā)電功率。

（三）下層模型目標(biāo)函數(shù)及約束條件

因光儲(chǔ)微網(wǎng)規(guī)劃周期較長(zhǎng)，所以微網(wǎng)總成本按照最小年費(fèi)用法計(jì)算，如下所示：

C_net=C_PV+C_BESS+C_C-C₁R

其中， C_C， （ C_BESS 、 ΔC_PV 分別表示儲(chǔ)能變流器年成本、儲(chǔ)能系統(tǒng)年成本、光伏系統(tǒng)年成本； P_i (t）、ΔP_dr (t）、 P_PV （t）、P（t）分別為微網(wǎng)購(gòu)入電能功率、用戶轉(zhuǎn)移負(fù)荷功率、光伏發(fā)電功率以及光伏上網(wǎng)功率；e e_dr， 、epv、e分別為微網(wǎng)向大電網(wǎng)購(gòu)電電價(jià)、轉(zhuǎn)移負(fù)荷補(bǔ)償、光伏補(bǔ)貼電價(jià)以及光伏網(wǎng)電價(jià)； C_net 為總成本； C₁ 為年收益。下層模型約束條件與式(6）相同。

三、基于源荷儲(chǔ)平衡的光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能容量配置效果（一）峰谷時(shí)段劃分

以某實(shí)際運(yùn)營(yíng)的光伏微網(wǎng)為例，在應(yīng)用基于源荷儲(chǔ)平衡的光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能容量配置方法后，其典型日負(fù)荷與光伏數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所示。由此可見(jiàn)，典型日最大負(fù)荷 Q_min 為116kW，最大負(fù)荷 ΔQ_max 為265kW，峰谷

表2在引入源荷儲(chǔ)平衡下光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能容量配置方法前后結(jié)果對(duì)比

差為149kW，峰谷差 (Q_max-Q_min) ） /Q_max 為 56.23‰

（二）激勵(lì)型需求響應(yīng)算例分析

在基于源荷儲(chǔ)平衡的光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能容量配置下，按照激勵(lì)型需求響應(yīng)模型，得到光伏上網(wǎng)電價(jià)是0.4元/kWh，基本電價(jià)是0.58元 /kWh 。其中，設(shè)置不同的場(chǎng)景，場(chǎng)景1為原始負(fù)荷，場(chǎng)景2為激勵(lì)需求響應(yīng)后負(fù)荷，對(duì)比圖見(jiàn)圖1。

圖1不同場(chǎng)景下負(fù)荷曲線對(duì)比

激勵(lì)型需求響應(yīng)將用電高峰期的負(fù)荷向 9～15 時(shí)峰值時(shí)段予以轉(zhuǎn)換，典型日總負(fù)載為 148kWh ，提高了光伏利用效率。此外，用戶共得到了29.61元補(bǔ)償，通過(guò)使用低成本光伏電力節(jié)省了28.12元電費(fèi)支出，顯著降低了整體購(gòu)電成本。同時(shí)，當(dāng)需求響應(yīng)之后，負(fù)載峰谷差異加大，在13時(shí)形成270kW的新負(fù)載高峰，與原負(fù)荷21時(shí)峰值相比多了 4.60kW 。

（三）運(yùn)行成本效益分析

在引入源荷儲(chǔ)平衡下光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能容量配置方法后，對(duì)運(yùn)行成本效益予以分析，確定引入源荷儲(chǔ)平衡前后的條件相同，得到前后結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2。

根據(jù)表2可知，源荷儲(chǔ)平衡下光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能容量配置方法，可以大大降低用戶購(gòu)電成本，并在一定程度上提高光伏消納能力，且用戶側(cè)響應(yīng)用電方式更為合理，系統(tǒng)運(yùn)行成本得到一定程度的降低。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于源荷儲(chǔ)平衡的光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能容量配置方法，可大大降低購(gòu)電成本，滿足激勵(lì)型需求響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)源荷儲(chǔ)平衡，值得推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳克河，周歡，劉吉臻.大規(guī)模并網(wǎng)型風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電單元容量?jī)?yōu)化配置方法].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2015，36(12):2946-2953.

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[3]MaG，Xu G，ChenY，etal.Multi-objective OptimalConfigurationMethodfora StandaloneWind-solarBatteryHybridPower System[J].IETRenewablePowerGeneration，2017，11(1):194-202.

（作者單位：華能西藏雅魯藏布江水電開發(fā)投資有限公司新能源分公司）