陳 磊,詹躍東
(1. 昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院,云南 昆明 650500;2. 昆明理工大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站,云南 昆明 650217)
儲(chǔ)能裝置在微網(wǎng)系統(tǒng)中的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析
陳 磊1,2,詹躍東1
(1. 昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院,云南 昆明 650500;2. 昆明理工大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站,云南 昆明 650217)
本文基于風(fēng)、光、柴油機(jī)、蓄電池復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)研究分布式發(fā)電中的能量調(diào)度及優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。本文建立了風(fēng)機(jī)、光伏陣列、柴油機(jī)及蓄電池的數(shù)學(xué)模型,利用該模型可以根據(jù)實(shí)時(shí)的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和風(fēng)速計(jì)算出光伏陣列和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率。本文所采用的能量調(diào)度策略為并網(wǎng)狀態(tài)下最大限度地使用可再生能源。在此調(diào)度策略基礎(chǔ)上,利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法確定柴油機(jī)和蓄電池的輸出功率。最后在 Matlab上通過(guò)算例系統(tǒng)對(duì)本文所研究的問(wèn)題進(jìn)行仿真分析,結(jié)果表明蓄電池在微網(wǎng)中的應(yīng)用可以使系統(tǒng)達(dá)到降低經(jīng)濟(jì)成本、提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的目的。
分布式發(fā)電;微電網(wǎng);蓄電池;動(dòng)態(tài)規(guī)劃法
引入儲(chǔ)能技術(shù)是為了解決新能源消納、增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定性、提高配電系統(tǒng)利用效率。電網(wǎng)中的儲(chǔ)能環(huán)節(jié)可以有效地實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理,消除峰谷差異,平抑負(fù)荷。不僅可以改善系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、參與調(diào)頻調(diào)壓、補(bǔ)償負(fù)載波動(dòng),還能更有效地利用電力設(shè)備、降低電力成本,進(jìn)而促進(jìn)可再生能源的應(yīng)用。
光伏電池機(jī)組的的功率輸出表達(dá)式為:
其中,標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件電池輸出功率為STCP ;光伏電池的實(shí)際輸出功率為PVP ;標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下輻照強(qiáng)度STCG ;實(shí)際輻照強(qiáng)度為INGG ;功率溫度系數(shù)為k;參考溫度為rT;電池板工作溫度為cT[1]。
當(dāng)風(fēng)速很小時(shí),風(fēng)電機(jī)不發(fā)電。達(dá)切入風(fēng)速時(shí),發(fā)電機(jī)開(kāi)始發(fā)電。風(fēng)力愈強(qiáng),輸出功率愈大。至額定風(fēng)速時(shí),風(fēng)電機(jī)輸出其額定功率。隨后輸出功率保持大致相同。當(dāng)風(fēng)速愈發(fā)增大,達(dá)切出風(fēng)速的時(shí),為免受損,風(fēng)電機(jī)剎車,不再輸出功率。則風(fēng)力機(jī)的輸出功率可表示為風(fēng)速的函數(shù):
式中:風(fēng)電機(jī)功率特性曲線參數(shù) k0、k1、k2;切入風(fēng)速vi、額定風(fēng)速vr、切出風(fēng)速vo以及額定功率Pr。
柴油發(fā)電機(jī)是按MG-EMS的指令運(yùn)行,在微網(wǎng)處于孤島運(yùn)行時(shí)或者在微網(wǎng)處于并網(wǎng)向孤島運(yùn)行狀態(tài)過(guò)渡時(shí),將以PV節(jié)點(diǎn)運(yùn)行,而在微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)一般以PQ節(jié)點(diǎn)運(yùn)行。如下為其燃料-功率輸出特性:
其中,同步發(fā)電單元的費(fèi)用系數(shù)為 ai, bi, ci,同步發(fā)電單元的燃料消耗成本為 CF-syn(元),同步發(fā)電單元的出力為
通常來(lái)講,荷電狀態(tài)(SOC)的預(yù)測(cè)是整個(gè)分布式發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)平衡和發(fā)電規(guī)劃的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[2]。輸入蓄電池的能量或者從蓄電池輸出的能量可通過(guò)安培小時(shí)法簡(jiǎn)單計(jì)算出。僅需已知被測(cè)蓄電池的最大容量,即可用此方法來(lái)求取蓄電池的荷電狀態(tài)[3]。
安培小時(shí)法的基本思想為把不同電流下的放電電量等效成標(biāo)準(zhǔn)電流下的放電電量,通過(guò)一個(gè)容量修正系數(shù)得到修正后的等效放電電量公式:式中,iC表示在相同的初始條件下以不同放電電流i放出的電量,IC表示在相同的初始條件下以標(biāo)準(zhǔn)放電電流 I放出的電量錯(cuò)誤!未找到引用源。??紤]溫度的影響(溫度升高,蓄電池放電時(shí)間增加,放出容量增加,反之降低),引入溫度修正系數(shù)tω(設(shè)標(biāo)準(zhǔn)容量 CN為 30℃時(shí)標(biāo)準(zhǔn)放電電流下的最大放電容量):
式中,溫度系數(shù) k是一個(gè)近似常數(shù),通常取0.008。
修正后的等效放電電量公式為:
則蓄電池的剩余容量為:
得蓄電池的荷電狀態(tài)(SOC):
式(9)中i為充放電電流,可按如下方法計(jì)算。設(shè)系統(tǒng)額定電壓為V,負(fù)載需求功率為PLD,或系統(tǒng)剩余功率為Pe,則有,
充電電流chargeI :
本章考慮了微網(wǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行情況,結(jié)合與配電網(wǎng)的交互問(wèn)題,提出了含柴油機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏發(fā)電單元和蓄電池的微網(wǎng),以經(jīng)濟(jì)效益最大目標(biāo)的能量?jī)?yōu)化管理模型和調(diào)度策略。制定如下經(jīng)濟(jì)運(yùn)行原則:
(1)微網(wǎng)與主網(wǎng)功率可自由交換,但優(yōu)先使用微網(wǎng)內(nèi)部電源滿足微網(wǎng)負(fù)荷需求;
(2)風(fēng)電及光伏發(fā)電均在最大功率點(diǎn)追蹤模式[4]下運(yùn)行。
在滿足各種約束條件的基礎(chǔ)上,使用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法求取微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益最大下的各發(fā)電單元出力[5]。
經(jīng)濟(jì)運(yùn)行將微網(wǎng)系統(tǒng)看作一個(gè)整體,不計(jì)向微電網(wǎng)內(nèi)部負(fù)荷售電收益,忽略風(fēng)電、光伏發(fā)電及蓄電池運(yùn)行費(fèi)用,在調(diào)度時(shí)段內(nèi)微電網(wǎng)保證自身負(fù)荷需求的基礎(chǔ)上,以經(jīng)濟(jì)效益最大為目標(biāo),則目標(biāo)函數(shù)為:
式中:在時(shí)段 內(nèi),微電網(wǎng)發(fā)電成本為 Cei;微電網(wǎng)向主網(wǎng)售電或購(gòu)電的費(fèi)用為 Cei;微電網(wǎng)與主網(wǎng)交換功率為 Pexi(微電網(wǎng)輸出功率為正 Pexi,反之為負(fù));售電電價(jià)和購(gòu)電電價(jià)分別為 psi和 pbi;柴油機(jī)耗油量為VMTi;時(shí)長(zhǎng)為Δti;柴油機(jī)發(fā)電成本為CFCi。柴油價(jià)格為 pgas;柴油機(jī)發(fā)電成本為 CFCi。
2.2.1 系統(tǒng)有功功率平衡
式中,t時(shí)刻系統(tǒng)中的總有功負(fù)荷為tLP(kW);可調(diào)度單元t時(shí)刻功率輸出為itP(kW);不可調(diào)度單元t時(shí)刻功率輸出為ftP(kW);d:可調(diào)度單元數(shù)目;q:不可調(diào)度單元數(shù)目[6]。
2.2.2 發(fā)電單元有功功率限制
2.2.3 儲(chǔ)能單元運(yùn)行約束
蓄電池需要滿足荷電狀態(tài)約束:
充電電流約束:
放電電流約束:
調(diào)度周期內(nèi)在負(fù)荷確定的情況下,風(fēng)電、光伏發(fā)電的運(yùn)行方式已相對(duì)固定,所以僅需確定蓄電池的合理運(yùn)行方式。故求解蓄電池的最佳運(yùn)行方式,本文采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法。蓄電池運(yùn)行方式優(yōu)化屬多階段非線性規(guī)劃問(wèn)題,在采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃求解之前,須將蓄電池模型轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)規(guī)劃可操作的方式[7]。
首先將整個(gè)調(diào)度周期均分為N個(gè)時(shí)段,假定每個(gè)時(shí)段內(nèi),電價(jià)、負(fù)荷、電源出力等均恒定不變,其中各時(shí)段依次記為i,i∈{1, 2, …, N}。用N個(gè)時(shí)段表示蓄電池的N個(gè)階段,把剩余電量作為蓄電池各階段的狀態(tài),同時(shí)將各階段所有可能的充放電電流作為備用決策,為模擬蓄電池充放電過(guò)程,先把蓄電池出力變化的連續(xù)過(guò)程離散化,如表1所示。
表1 電池充放電狀態(tài)及相應(yīng)電流Tab.1 Charging and discharging status of battery and corresponding current
其中,蓄電池的額定充電電流為Iar和額定放電電流Ibr,并且假定蓄電池放電電壓等于充電電壓。
使用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法求解,當(dāng)確定在某一階段蓄電池的剩余電量后,經(jīng)由表1選擇任一充放電電流作為該階段決策,即可過(guò)渡到下一階段狀態(tài)。定義在蓄電池不啟動(dòng)情況下微網(wǎng)與主網(wǎng)在時(shí)段 的功率交換量為(當(dāng)微網(wǎng)輸出功率,為正,反之為負(fù))。為了充分利用電價(jià)波動(dòng)來(lái)提高微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益,蓄電池應(yīng)按如下原則運(yùn)行:
為在動(dòng)態(tài)規(guī)劃求解的各階段體現(xiàn)上述原則,則如式(20)制定階段指標(biāo)函數(shù)來(lái)表示時(shí)段 i的虛擬收入,且動(dòng)態(tài)規(guī)劃求解過(guò)程中評(píng)價(jià)指標(biāo)均以虛擬收入體現(xiàn):
式中:期望損失和期望收益分別為 Cdi和Uk為充或放電電壓,恒定不變; Ik為充放電電流,若蓄電池放電,則 Ik為正,反之為負(fù);峰時(shí)段售電電價(jià)為 psmax;時(shí)段i的售電電價(jià)和購(gòu)電電價(jià)分別為psi和pbi;δ為系數(shù),取1~2;時(shí)段i的時(shí)長(zhǎng)為Δti;時(shí)段i的充電效率和放電效率分別為ηai和ηbi。過(guò)程指標(biāo)函數(shù)可如下:
在確定風(fēng)電、光伏、柴油機(jī)運(yùn)行方式的情況下,使用如下三種蓄電池的調(diào)度策略:
(1)蓄電池在整個(gè)調(diào)度周期內(nèi)均不啟動(dòng);
(2)蓄電池在整個(gè)調(diào)度周期內(nèi)均工作于循環(huán)充放電狀態(tài);
(3)蓄電池按如下方法確定其以最佳運(yùn)行方式運(yùn)行:
主要由微電網(wǎng)、柴油機(jī)組、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏陣列組成算例系統(tǒng)發(fā)電單元,蓄電池為儲(chǔ)能單元,如圖1所示。
圖1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Microgrid structure
圖中:風(fēng)機(jī)切入風(fēng)速為2.5 m,額定風(fēng)速為12 m,切出風(fēng)速為25 m;風(fēng)速數(shù)據(jù)采用威布爾分布模擬,形狀參數(shù)為2.2且尺度參數(shù)為8;初始時(shí)刻蓄電池剩余電量(最低允許剩余電量)為18 kW?h;蓄電池額定充電電流為46 A,放電電流為40 A,充放電電壓均取400 V,充放電效率均為87%;輻照強(qiáng)度及溫度采用文獻(xiàn)[8]的數(shù)據(jù);將調(diào)度周期1 d等分為48時(shí)段,其中谷時(shí)段為23:00—07:00,平時(shí)段為07:00—08:00、11:00—17:00和22:00—23:00,峰時(shí)段為08:00—11:00和17:00—22:00。各時(shí)段電價(jià)如表2所示[9]。
表2 售電及購(gòu)電價(jià)格Tab.2 Sale and purchase price of electricity
使用Matlab編程仿真,典型日負(fù)荷數(shù)據(jù)選取如圖2。
圖2 典型日負(fù)荷數(shù)據(jù)Fig.2 Typical day load data
據(jù)圖2可知,典型日負(fù)荷數(shù)據(jù)一直處于比較波動(dòng)的狀態(tài),但是其負(fù)荷的波動(dòng)符合居民用電規(guī)律。在3點(diǎn)至4點(diǎn),負(fù)荷處于低谷,分別在10點(diǎn)至11點(diǎn)與19點(diǎn)至20點(diǎn)時(shí)段負(fù)荷處于高峰。
設(shè)定調(diào)度周期內(nèi)風(fēng)電及光伏發(fā)電置于最大功率點(diǎn)追蹤模式運(yùn)行,則各時(shí)段風(fēng)電、光伏、柴油機(jī)組發(fā)電功率輸出情況如圖3所示。
圖3 分布式電源輸出的功率Fig.3 Output power of distributed power supply
分析圖3可知,通過(guò)分析可得,由于設(shè)置了以微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益最大為目標(biāo)的目標(biāo)函數(shù),風(fēng)光機(jī)組最大化利用自然條件。光伏機(jī)組在0點(diǎn)至7點(diǎn)一直沒(méi)有發(fā)電,在7點(diǎn)至15點(diǎn)光伏機(jī)組輸出功率逐步上升,15點(diǎn)至 19點(diǎn)其輸出功率逐步減小,從 19點(diǎn)至 24點(diǎn)其不輸出。風(fēng)力機(jī)組的輸出功率在0點(diǎn)至24點(diǎn)全時(shí)段內(nèi)一直處于比較頻繁的波動(dòng)狀態(tài)。柴油機(jī)組的出力情況為在0點(diǎn)至8點(diǎn)一直處于穩(wěn)定的發(fā)電狀態(tài),8點(diǎn)至13點(diǎn)左右柴油機(jī)輸出功率逐步減小,13點(diǎn)至18點(diǎn)柴油機(jī)輸出功率逐步增長(zhǎng),18點(diǎn)至24點(diǎn)柴油機(jī)輸出功率處于一個(gè)穩(wěn)定的值。
在上述風(fēng)電、光伏及柴油機(jī)運(yùn)行方式確定的情況下,制定了3種蓄電池的控制策略,在該典型日進(jìn)行算例分析[10-12]。
在采用以上3種不同控制策略時(shí),圖 6為微網(wǎng)與主網(wǎng)間功率交換情況,功率為負(fù)表示微電網(wǎng)輸入功率,功率為正表示微電網(wǎng)輸出功率。
由圖4可知:當(dāng)蓄電池采用控制策略1時(shí),在0點(diǎn)至10點(diǎn)、12點(diǎn)至16點(diǎn),此時(shí)微網(wǎng)與主網(wǎng)之間的交換功率為正,說(shuō)明此時(shí)微電網(wǎng)有多余電能向大電網(wǎng)輸送;而在10點(diǎn)至12點(diǎn)、16點(diǎn)至24點(diǎn),此時(shí)微網(wǎng)與主網(wǎng)之間的交換功率為負(fù),說(shuō)明此時(shí),大電網(wǎng)向微電網(wǎng)輸送功率。
圖4 采用不同控制策略時(shí)微電網(wǎng)與主網(wǎng)交換的功率Fig.4 The power of the microgrid in exchange for different control strategies
當(dāng)蓄電池采用控制策略2時(shí),在0點(diǎn)至12點(diǎn)、17點(diǎn)半至19點(diǎn)半、21點(diǎn)半至23點(diǎn)半,此時(shí)微網(wǎng)與主網(wǎng)之間的交換功率為正,說(shuō)明此時(shí)微電網(wǎng)有多余電能向大電網(wǎng)輸送;而12點(diǎn)至17點(diǎn)、19點(diǎn)半至21點(diǎn)半、23點(diǎn)半至 24點(diǎn),此時(shí)微網(wǎng)與主網(wǎng)之間的交換功率為負(fù),說(shuō)明此時(shí),大電網(wǎng)向微電網(wǎng)輸送功率。
當(dāng)蓄電池采用控制策略3時(shí),在0點(diǎn)至19點(diǎn)半,此時(shí)微網(wǎng)與主網(wǎng)之間的交換功率為正,說(shuō)明此時(shí)微電網(wǎng)有多余電能向大電網(wǎng)輸送;而在 19點(diǎn)半至 24點(diǎn),此時(shí)微網(wǎng)與主網(wǎng)之間的交換功率為負(fù),說(shuō)明此時(shí),大電網(wǎng)向微電網(wǎng)輸送功率。
因此,可以從圖中可以看出,與策略1和2相比,在策略3對(duì)蓄電池的運(yùn)行方式改進(jìn)提升之后,主網(wǎng)與微網(wǎng)之間的交換功率的浮動(dòng)較小,說(shuō)明當(dāng)蓄電池采用策略3可以減小主網(wǎng)與微網(wǎng)之間的功率交換,起到了平衡電能、減小功率波動(dòng)的作用;還可以看出,當(dāng)采用策略 3,一定程度上可減少微電網(wǎng)與主網(wǎng)交換功率為負(fù)的時(shí)段,即減少微電網(wǎng)向主網(wǎng)購(gòu)電的時(shí)段,并降低購(gòu)電量,采用策略3時(shí)蓄電池出力情況如圖5所示。
據(jù)圖5可知,在0點(diǎn)至7點(diǎn),蓄電池的輸出功率為負(fù),處于充電狀態(tài);在7點(diǎn)至15點(diǎn),蓄電池的輸出功率為正,處于放電狀態(tài);在15點(diǎn)至16點(diǎn),蓄電池的輸出功率為負(fù),處于充電狀態(tài);在16點(diǎn)至24點(diǎn),蓄電池的輸出功率為0,一直處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),既不放電也不充電。
圖5 采用策略3時(shí)蓄電池輸出的功率Fig.5 Using strategy 3 battery output power
因?yàn)轱L(fēng)電、光伏及柴油機(jī)運(yùn)行方式已經(jīng)確定,所以在不考慮柴油機(jī)發(fā)電成本的情況下,蓄電池采用策略1、2、3時(shí),微網(wǎng)購(gòu)售電費(fèi)用情況如表3所示。
表3 購(gòu)電和售電費(fèi)用Tab.3 The purchase and sale of electricity costs
通過(guò)表3分析可知,由于策略1采用蓄電池在整個(gè)調(diào)度周期內(nèi)均不啟動(dòng),其購(gòu)電費(fèi)用最高,向主網(wǎng)售電的收益居中,合計(jì)下來(lái)經(jīng)濟(jì)效益居中;策略2蓄電池在整個(gè)調(diào)度周期內(nèi)均工作于循環(huán)充放電狀態(tài),其購(gòu)電費(fèi)用居中,向主網(wǎng)售電的收益最少,合計(jì)下來(lái)經(jīng)濟(jì)效益最少;策略3蓄電池在整個(gè)調(diào)度周期內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度,其購(gòu)電費(fèi)用最少,向主網(wǎng)售電的收益最多,合計(jì)下來(lái)經(jīng)濟(jì)效益最多。因此,采取本文設(shè)置的策略 3,不僅可以購(gòu)電費(fèi)用減少,還可以使得向主網(wǎng)售電費(fèi)用最高,說(shuō)明蓄電池采用策略3可以使得微網(wǎng)的運(yùn)行收益和經(jīng)濟(jì)效益最好。如果制定不當(dāng)?shù)男铍姵剡\(yùn)行方式,與策略1對(duì)比,當(dāng)使用策略2時(shí)反而會(huì)降低微電網(wǎng)收益。
本文在含新能源的并網(wǎng)的運(yùn)行和控制策略研究范疇內(nèi),針對(duì)儲(chǔ)能裝置在微網(wǎng)中的運(yùn)行分析問(wèn)題開(kāi)展研究,主要工作及結(jié)果如下:
(1)本文對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)中常見(jiàn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏發(fā)電機(jī)組和柴油機(jī)組等分布式能源的運(yùn)行特性和工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析,并建立了它們的數(shù)學(xué)模型。
(2)根據(jù)儲(chǔ)能裝置的特性,在微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的情況下,為儲(chǔ)能裝置設(shè)置了三種控制策略。
(3)使用Matlab編程仿真,分析了微電網(wǎng)系統(tǒng)在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),以微網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益最大為目標(biāo)的情況下,儲(chǔ)能裝置基于三種不同的控制策略的出力曲線,研究了儲(chǔ)能裝置在微網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)所能起到的作用。
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The Economic Operation Analysis of Energy Storage Device in Micro-grid
CHEN Lei1,2, ZHAN Yue-dong1
(1. School of Information Engineering and Automation of Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China;2. Kunming University of Science and Technology’s Postgraduate Workstation of Yunnan Power Grid Company, Kunming 650217, China)
In this paper, the scheduling and optimal design of energy in wind-solar-diesel-fuel cell-battery hybrid power generation system will be discussed. The mathematical models of solar array, wind turbine, diesel, battery and fuel cell are presented based on quasi-steady-state theory. By using the models, the output power of solar array and wind turbine are determined corresponding to solar radiation and wind velocity data. The energy scheduling strategy used in this paper is to maximize the use of renewable energy in the grid connected state. On the basis of this scheduling strategy, the output power of the diesel engine and the battery is determined by the dynamic programming method. Finally, on the Matlab through a numerical example system studied in this paper carries on the simulation analysis, the results show that the battery in the micro network application can make the system to reduce the cost and improve the reliability of the system operation.
Distributed generation; Micro-gridl; Energy dispatching strategiesl; Dynamic programming method
TP273+.1
A
10.3969/j.issn.1003-6970.2017.12.024
本文著錄格式:陳磊,詹躍東. 儲(chǔ)能裝置在微網(wǎng)系統(tǒng)中的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析[J]. 軟件,2017,38(12):123-128
陳磊(1993-),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榕渚W(wǎng)自動(dòng)化;詹躍東(1963-),男,教授,主要研究方向?yàn)榉植际诫娫唇尤爰夹g(shù)研究。
陳磊(1993-),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榕渚W(wǎng)自動(dòng)化。