建筑集成微電網(wǎng)儲能配置與控制方法研究進(jìn)展*

李玉宏，林 莉,?，許大有，陳維鉛，甘生萍

建筑集成微電網(wǎng)儲能配置與控制方法研究進(jìn)展*

李玉宏1，林 莉1,2?，許大有2，陳維鉛1，甘生萍1

（1. 酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅省太陽能發(fā)電系統(tǒng)工程重點實驗室，甘肅 酒泉 735000； 2. 蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，蘭州 730050）

與建筑集成的微電網(wǎng)，能最大程度消納分布式發(fā)電源能量，同時解決分布式發(fā)電源直接接入配電網(wǎng)所帶來的功率波動性及電能質(zhì)量問題。本文基于分布式電源類型、儲能類型和用戶經(jīng)濟(jì)，闡述建筑微電網(wǎng)在儲能配置與控制方法的研究進(jìn)展。展望建筑集成微電網(wǎng)的未來重點研究方向。

建筑集成微電網(wǎng)；儲能系統(tǒng)；優(yōu)化配置；儲能系統(tǒng)控制

0 引 言

當(dāng)前，能源消耗急劇增加，資源匱乏問題凸顯，使用傳統(tǒng)化石燃料排放了大量的污染物質(zhì)導(dǎo)致生態(tài)日益惡化。城市中的電力消耗也在逐年增加，城市環(huán)保和建筑的綠色節(jié)能得到了廣泛關(guān)注。太陽能發(fā)電及風(fēng)力發(fā)電等可再生新能源以分布式電源形式接入配電網(wǎng)，作為用戶電能補(bǔ)充。如常見的光伏建筑一體化系統(tǒng)（building integrated with photo voltaic, BIPV）工程，應(yīng)用最廣泛。截至2017年底，我國分布式光伏裝機(jī)達(dá)到2 966萬kW，預(yù)計至2020年，國內(nèi)屋頂光伏累計裝機(jī)容量將接近10 GW，至2040年將超過100 GW[1]。大量高滲透率的分布式電源并網(wǎng)運(yùn)行，使傳統(tǒng)的配電網(wǎng)發(fā)展到有源配電網(wǎng)[2]。由于太陽能、風(fēng)能的隨機(jī)性，給傳統(tǒng)的配電網(wǎng)帶來功率波動、潮流分布、電能質(zhì)量以及繼電保護(hù)等方面的諸多不利影響。隨著儲能技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，分布式發(fā)電系統(tǒng)與儲能技術(shù)結(jié)合，借助智能的控制技術(shù)和能量管理技術(shù)，建設(shè)為智能微電網(wǎng)系統(tǒng)。微電網(wǎng)能靈活實現(xiàn)孤島運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行方式，降低對主電網(wǎng)的沖擊[3]。

在工程應(yīng)用領(lǐng)域，國內(nèi)外已有多個微電網(wǎng)示范工程，國內(nèi)典型示范應(yīng)用工程見表1。儲能系統(tǒng)對于配電網(wǎng)起到了調(diào)峰、調(diào)頻、改善電能質(zhì)量的作用。

對于微電網(wǎng)，儲能系統(tǒng)在系統(tǒng)能量管理和微電網(wǎng)系統(tǒng)并離網(wǎng)過程中的無縫切換起著重要的作用。

表1 國內(nèi)典型微電網(wǎng)示范應(yīng)用項目

在理論研究方面，儲能系統(tǒng)在建筑集成微電網(wǎng)中的應(yīng)用研究主要集中在以下幾個方面。首先，根據(jù)建筑特點，分析儲能功能定位，考慮經(jīng)濟(jì)成本對儲能系統(tǒng)配置優(yōu)化，達(dá)到微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的同時保證最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性能[4-5]。其次，根據(jù)不同儲能特點，研究建筑微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)的充放電控制策略，使微電網(wǎng)在并網(wǎng)和離網(wǎng)下獲得合格的電能質(zhì)量[6-7]，并能延長儲能壽命。三是考慮用戶側(cè)需求，對建筑型微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置和能量管理，使得用戶、電網(wǎng)公司、生產(chǎn)管理者的利益達(dá)到最優(yōu)[8]。

相對于大區(qū)域型微電網(wǎng)，建筑集成的微電網(wǎng)應(yīng)用場合為建筑物，考慮安全性能，儲能系統(tǒng)的選用類型相對較少，控制目標(biāo)也有所不同。本文以建筑微電網(wǎng)的分布式電源類型、儲能的功能類型及定位，結(jié)合建筑集成微電網(wǎng)用戶經(jīng)濟(jì)定位，闡述建筑微電網(wǎng)儲能配置與控制方法研究，展望建筑集成微電網(wǎng)的未來重點研究方向。

1 適用于建筑物的儲能技術(shù)

目前的儲能方式及應(yīng)用情況看，以電能轉(zhuǎn)化存儲形態(tài)，可以分為機(jī)械儲能、電氣儲能、電化學(xué)儲能及熱儲能4類[9]。其中機(jī)械儲能中有壓縮空氣和飛輪儲能；電氣儲能形式主要有超級電容儲能；電化學(xué)儲能主要有各種電池儲能，如鉛酸電池、鋰電池和鈉硫電池等；熱儲能主要包含低溫儲能和高溫儲能[10]，其原理是將微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源發(fā)電高峰時段生產(chǎn)的大量剩余電能轉(zhuǎn)化為熱能(冷/暖)形態(tài)長時間儲存，直接滿足建筑內(nèi)部的制冷（暖）需求，達(dá)到降低對高額儲能配置的需求。常見的有冷熱電三聯(lián)供（combined cooling，heating and power, CCHP）以及目前熱點研究的相變材料（phase change material, PCM）儲能[11]。熱儲能一般將電能轉(zhuǎn)化為熱能后直接利用，不再轉(zhuǎn)化電能，是建筑型微電網(wǎng)儲能的特殊形式。各種依托建筑物的微電網(wǎng)常用儲能技術(shù)的特性見表2所示。

儲能技術(shù)按照各自的特性差異，可以分為功率型和能量型。功率型的儲能裝置比功率高，響應(yīng)時間快，適合于抑制短時間大能量波動如并/離網(wǎng)瞬時的能量差。能量型的儲能容量大、可靠性高，便于電能的長期儲存，用于抑制長時間尺度上的功率波動。目前，能量型的儲能裝置如鉛酸電池和鋰電池在建筑型微電網(wǎng)中應(yīng)用最為廣泛。但是，單一的儲能難以滿足微電網(wǎng)的需求，文獻(xiàn)[12]表明多種儲能技術(shù)混合優(yōu)化配置能綜合互補(bǔ)能量型和功率型儲能的特性。相比單一的儲能配置方案更能減緩折舊，減少儲能配置，降低成本，在提高微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和穩(wěn)定性方面都有很大作用。

表2 各種儲能技術(shù)性能比較

2 建筑微電網(wǎng)構(gòu)架及功率波動特點

建筑集成微電網(wǎng)，通過儲能系統(tǒng)和智能能量管理與控制來達(dá)到以下功能：首先是以最大程度消耗分布式電源，減少傳統(tǒng)電能的使用；其次是通過儲能系統(tǒng)的配合，使得建筑物負(fù)荷的電力功率平穩(wěn)，電能質(zhì)量得到提高，尤其是滿足敏感負(fù)荷的需求；最后是在電網(wǎng)故障和停電時，高質(zhì)量地離網(wǎng)運(yùn)行，保障重要負(fù)荷的工作[13]。

典型的建筑集成微電網(wǎng)構(gòu)架如圖1所示。主要包含有分布式發(fā)電源、混合儲能系統(tǒng)、負(fù)荷構(gòu)成。分布式發(fā)電源主要包含有風(fēng)電機(jī)組、光伏發(fā)電系、小型的熱電冷聯(lián)機(jī)組等；混合儲能系統(tǒng)包含有以電化學(xué)儲能電池為主的能量型儲能和功率型儲能系統(tǒng)；負(fù)荷包含建筑的本地負(fù)荷以及可移動性的電動汽車負(fù)荷。

圖1 典型的建筑集成微電網(wǎng)構(gòu)架

3 建筑微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置與控制

3.1 儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置

儲能系統(tǒng)的配置十分依賴于模型、建模方面，建筑型微電網(wǎng)要考慮以下幾個方面：①根據(jù)建筑中分布式發(fā)電源的配置容量考慮儲能系統(tǒng)的功能定位，如以平滑分布式發(fā)電源功率波動、孤島能量支撐、削峰填谷等功能的主次；②盡量提高新能源的利用率，減少購電成本；③考慮儲能系統(tǒng)設(shè)備與建筑集成相關(guān)的安全性能；④考慮儲能設(shè)備的使用壽命、維護(hù)成本、廢棄處理等，盡量減緩電化學(xué)類儲能設(shè)備的折舊率。

儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置主要包括三個步驟。

首先建立儲能系統(tǒng)運(yùn)行的目標(biāo)函數(shù)。由于儲能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中的投入比例大，因此在儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置研究中，將經(jīng)濟(jì)性作為衡量微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)配置優(yōu)化的重要評價指標(biāo)。儲能系統(tǒng)成本包括設(shè)備投入成本、設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本、系統(tǒng)折舊成本等。由于儲能定位和系統(tǒng)不同，沒有統(tǒng)一的目標(biāo)函數(shù)。文獻(xiàn)[14]中儲能系統(tǒng)的作用是為平抑風(fēng)光出力波動，目標(biāo)函數(shù)為全壽命綜合成本最低。指標(biāo)函數(shù)包含初始成本、置換成本、維護(hù)成本、報廢成本、輔助設(shè)備成本及回收殘值。文獻(xiàn)[15]考慮儲能功能定位的混合儲能優(yōu)化配置，指標(biāo)函數(shù)包含投資成本、運(yùn)行成本和報廢成本，其中報廢成本使用貼現(xiàn)率和壽命折算為等效年成本。文獻(xiàn)[8]考慮需求側(cè)響應(yīng)下儲能優(yōu)化配置，目標(biāo)函數(shù)為微電網(wǎng)綜合年凈利潤，主要包含設(shè)備年投入成本、用戶轉(zhuǎn)移負(fù)荷補(bǔ)償、光伏補(bǔ)償和運(yùn)維成本構(gòu)成。

其次考慮約束條件，由于模型不一致，也沒有統(tǒng)一的函數(shù)。約束條件主要有以下幾點。

（1）系統(tǒng)功率平衡約束

（2）儲能充放電約束

（3）分布式發(fā)電源滲透率約束

最后，利用尋優(yōu)智能算法求出最優(yōu)解。求解最優(yōu)解過程實質(zhì)屬于非線性求解過程。在現(xiàn)有研究中，使用最多的是粒子群算法（particle swarm optimization, PSO），基于改進(jìn)的粒子群算法收斂快、精度高、魯棒性好。其次為遺傳算法（genetic algorithm, GA）、入侵雜草算法（invasive weed optimization, IWO）、人工蜂群算法（artificial bee colony algorithm, ABC）。

3.2 儲能系統(tǒng)控制策略

儲能系統(tǒng)控制的關(guān)鍵技術(shù)是對儲能變流器設(shè)備的控制，從而達(dá)到快速平抑微電網(wǎng)功率波動、能量管理和離網(wǎng)下控制電能質(zhì)量等功能。雙向交直流變流器（power conversion system, PCS）一般采用PQ控制模式、下垂（droop）/反下垂控制和v/f控制（恒頻/恒壓控制），分別適用于并網(wǎng)狀態(tài)、并離網(wǎng)切換狀態(tài)和離網(wǎng)狀態(tài)。并網(wǎng)狀態(tài)下，通過PQ控制實現(xiàn)快速的無功和有功功率輸出，實現(xiàn)有功和無功的解耦。離網(wǎng)狀態(tài)下，網(wǎng)側(cè)變流器釆用v/f控制策略，網(wǎng)側(cè)變流器可等效為一個電壓源，控制輸出電壓的幅值和頻率，交流側(cè)采用雙閉環(huán)控制，外環(huán)為電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。并離網(wǎng)切換的控制方面，國內(nèi)外大量理論研究中，主要是關(guān)于下垂控制。文獻(xiàn)[16]采用改進(jìn)下垂控制方法來提高功率分配精度；文獻(xiàn)[17]分析了儲能PCS在交直流混合微電網(wǎng)中的作用，并提出基于儲能PCS的并離網(wǎng)無縫切換控制策略。雙向直流變流器中，大多數(shù)采用經(jīng)典的比例?積分（proportional integral, PI）控制器，但是這種方法只能實現(xiàn)于小范圍的穩(wěn)定。有學(xué)者提出了時間?狀態(tài)最優(yōu)控制的非線性控制方法來解決這個缺陷，結(jié)果顯示性能指標(biāo)提升。

在平抑分布式發(fā)電功率方面，現(xiàn)有的儲能系統(tǒng)控制研究中，常見方法為基于低通（高通）濾波原理的控制方法，其次為基于短期預(yù)測的控制方法、模糊控制方法、滑動平均濾波法、小波分解方法。

3.3 算例分析

選取西部地區(qū)某一單棟建筑為例進(jìn)行分析。建筑層高為5層，建筑面積5 480 m2，中庭采光頂面積為560 m2，建筑方向朝西偏北約24°。根據(jù)建筑特點，在屋面上37°角安裝多晶硅光伏組件47 kWp，中庭采光頂安裝非晶薄膜組件共33.6 kWp，發(fā)電量共計80.6 kWp。建筑內(nèi)典型日的負(fù)荷情況如圖2所示，工作日全年為200 d，寒暑假各40 d，其余為周末計算。

圖2 建筑內(nèi)分期典型日負(fù)荷曲線

建設(shè)初期，典型日內(nèi)光伏功率為68 kW，最大負(fù)荷功率為51 kW，高峰時段為工作日8:00-11:00和15:00-18:00。微網(wǎng)功率曲線如圖3所示。非工作日及假期的平均負(fù)荷功率為20 kW左右。根據(jù)歷年氣象數(shù)據(jù)，全年平均雨雪天20天左右。

儲能最大放電功率ESS,max取100 kW，儲能系統(tǒng)保護(hù)性荷電狀態(tài)SOCmax為95%，最低保護(hù)性荷電狀態(tài)SOCmin為5%。根據(jù)文獻(xiàn)[18]算例，比較鋰電池、鉛酸電池及鈉硫電池，鋰電池能獲得較高投資回報，因此本例采用磷酸鐵鋰電池。該建筑未實行峰谷電價，不考慮儲能系統(tǒng)的套利機(jī)制實現(xiàn)減少購電成本。

儲能的經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)考慮目標(biāo)函數(shù)為加裝用戶滿足約束條件前提下，年綜合效益最高：

式中：為目標(biāo)函數(shù)，a為電池購買價格，b為電池維護(hù)費(fèi)用，為電池壽命，參數(shù)見表3。E為加裝儲能電費(fèi)收益，ESS為儲能容量，為每單位儲能收益電價，為年工作時間。儲能容量約束值：工作日最大值145 kW?h，寒暑假最大值270 kW?h，周末最大值246 kW?h。仿真結(jié)果如圖4所示。用戶的收益影響較大的為儲能設(shè)備成本（價格、循環(huán)壽命），其次是儲能容量和購電成本。單位儲能價格在2 600元以內(nèi)，收益與儲能容量成正比。

表3 儲能系統(tǒng)參數(shù)

圖4 仿真結(jié)果

如果考慮建筑的停電保電社會效益價值，當(dāng)?shù)氐拿吭峦ｋ?次左右，停電時間6 h，最優(yōu)儲能配置容量為193 kW?h。

4 結(jié)論與展望

本文以分布式電源類型、儲能的功能類型及定位，結(jié)合建筑集成微電網(wǎng)用戶經(jīng)濟(jì)定位，對建筑微電網(wǎng)儲能配置與控制方法研究進(jìn)行分析，展望建筑集成微電網(wǎng)的未來重點研究方向。未來依托建筑的微電網(wǎng)的發(fā)展和應(yīng)用，儲能配置與控制設(shè)計需要從以下幾個方面開展工作：

（1）儲能價格是儲能配置重要參數(shù)，多種能源互補(bǔ)及利用用戶側(cè)需求管理調(diào)度都可以減少儲能容量配置使用，從而獲得更高收益。

（2）儲能設(shè)備運(yùn)行維護(hù)與收益相關(guān)，延長儲能設(shè)備壽命可以增加收益。如電池優(yōu)化管理技術(shù)及混合儲能配置。

（3）設(shè)計人員在儲能配置時應(yīng)充分考慮各種因素，結(jié)合工程具體情況整體評估儲能項目的可行性。

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Study on Energy Storage Configuration and Control Method of Building Integrated Micro-Grid

LI Yu-hong1, LIN Li1,2, XU Da-you2, CHEN Wei-qian1, GAN Sheng-pin1

(1. Gansu Key Laboratory of Solar Power Systems Engineering, Jiuquan vocational technical college, Jiuquan 735000, Gansu, China; 2. College of Electrical and Information Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)

In recent years, building integrated micro-grid has attracted extensive attention as it can maximize the energy consumption of distributed generation. At the same time, it solves the power fluctuation and power quality problems caused by the direct access of distributed generation to distribution network. In this paper, the research progress of energy storage configuration and control method of building micro-grid were described based on the distributed generation type, energy storage type and user economic positioning. The key research direction of building integrated micro-grid was prospected.

building integrated micro-grid; energy storage system; optimal configuration; energy storage system control

TK02；TM727

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2020.02.010

2095-560X（2020）02-0151-06

2019-09-06

2019-12-12

甘肅省教育廳項目（2018A-258，2019C-20）；2018年酒泉市科技支撐項目（建筑型微電網(wǎng)孤島模式經(jīng)濟(jì)運(yùn)行研究）

林 莉，E-mail：linlizzz@126.com

李玉宏（1967-），男，副教授，主要從事新能源發(fā)電技術(shù)研究。

林 莉（1985-），女，博士，講師，主要從事微電網(wǎng)優(yōu)化控制研究。