微電網(wǎng)中儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置
——評《微電網(wǎng)儲能運行控制關鍵技術及應用》

孟垂懿, 鄒全平

(1.沈陽工程學院國際教育學院,遼寧沈陽 110136;2.沈陽工程學院電力學院,遼寧沈陽 110136)

近年來,新能源技術的興起促進了微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)的快速發(fā)展,人們對儲能技術的研究逐漸深入。周金輝等著的《微電網(wǎng)儲能運行控制關鍵技術及應用》一書,聚焦于微電網(wǎng)中儲能系統(tǒng)的控制及關鍵技術研究,首先對各種電池儲能技術的發(fā)展及應用做了簡要介紹,并闡述微電網(wǎng)中儲能系統(tǒng)的重要性;繼而對儲能系統(tǒng)的建模進行了深入探討,給出穩(wěn)態(tài)建模和暫態(tài)建模的方法;然后分析了獨立型和并網(wǎng)型兩類微電網(wǎng)模式的儲能優(yōu)化配置方法,并制定相應的儲能運行策略;接著闡述儲能技術在微電網(wǎng)中的應用,設計了基于多代理系統(tǒng)(MAS)的能量管理系統(tǒng)和利用聯(lián)絡線進行功率控制的優(yōu)化算法,并簡要介紹微電網(wǎng)中的并聯(lián)控制技術及混合儲能技術;最后列舉了幾個微電網(wǎng)儲能工程的實際應用案例。

1 儲能技術簡介

儲能技術是指將電能轉化為其他形式的能量存儲起來,應用時再釋放的技術。隨著科技的發(fā)展,各種儲能方式不斷出現(xiàn),如電化學儲能,包括鉛酸電池、鋰離子電池和液流電池等;機械儲能,包括飛輪儲能、壓縮空氣儲能等;電磁儲能,包括超級電容器、超導磁儲能等。鉛酸電池的應用較廣泛,由于功率上限較低,價格便宜,在低功率等級的領域(照明、通信等)應用中經(jīng)濟效益最高。在大功率應用方面,壓縮空氣儲能發(fā)展較為成熟,最高功率可達兆瓦級,適合大規(guī)模商用。微電網(wǎng)是由各種能量存儲、保護、轉換裝置及相關控制系統(tǒng)組成的分布式發(fā)電系統(tǒng),儲能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中發(fā)揮著重要的作用,可控制微電網(wǎng)中聯(lián)絡線的功率波動范圍,靈活地調(diào)節(jié)輸入輸出功率;還能在微電網(wǎng)處于孤島模式時,控制電壓和頻率的穩(wěn)定,并提供暫態(tài)功率支撐。研究微電網(wǎng)中的儲能技術,顯得尤為重要。

2 微電網(wǎng)中儲能系統(tǒng)的建模分析

在微電網(wǎng)中,儲能系統(tǒng)占據(jù)了重要的位置,其中儲能變流器對儲能系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮起著至關重要的作用。根據(jù)工作原理的差異,儲能變流器可分為單極式和雙極式兩種。單極式儲能變流器主要由交直流濾波器、逆變電路、直流側電路和預充回路等組成,直流電壓范圍相對較窄,體積較小,成本低,控制策略簡單易懂,且轉換效率較高,在鉛酸電池及鋰離子電池中應用較多。雙極式儲能變流器中增加了直流電(DC)/DC電路,用來控制電壓的升降,直流電壓范圍相對較寬,最低可達0 V,但體積略大,成本高昂,控制策略較復雜,轉換效率達不到主流應用的需求。目前來說,應用面較窄,在超級電容器等沒有初始電壓的元件中應用較多。

該書對幾種常見的儲能系統(tǒng)進行建模分析研究。首先,針對3種常見的儲能系統(tǒng)建立穩(wěn)態(tài)分析模型:①在鋰離子電池系統(tǒng)中,建立了電池的充放電約束模型、荷電狀態(tài)(SOC)計算模型和重置周期的計算模型等;②在鉛酸電池系統(tǒng)中,建立了可用容量計算模型、SOC計算模型和剩余容量計算模型等;③在超級電容電池系統(tǒng)中,建立了數(shù)學模型、穩(wěn)態(tài)計算模型等。其次,針對3種常見的儲能系統(tǒng)建立暫態(tài)分析模型:①在鋰離子電池系統(tǒng)中,為了達到最佳的電池瞬態(tài)穩(wěn)定效果,建立了新一代汽車合作伙伴計劃(PNGV)及改進模型、大容量蓄電池系統(tǒng)(LCBS)模型等,為SOC的精確估算提供了極大的幫助;②在鉛酸電池系統(tǒng)中,建立了CIEMAT模型、KiBaM模型等,以實現(xiàn)負荷、能量、電壓和充放電功率等的精確計算;③在超級電容電池系統(tǒng)中,建立了物理結構模型、電氣模型和阻抗模型等,以提高容量、阻抗等的計算精度。

3 微電網(wǎng)中儲能優(yōu)化配置

一般來說,微電網(wǎng)包括獨立型和并網(wǎng)型兩大類。獨立型微電網(wǎng)不與大電網(wǎng)連接,而是利用風力、光伏等方式發(fā)電,能起到保護環(huán)境、提高資源利用率的作用,常用于海島及偏遠地區(qū)。并網(wǎng)型微電網(wǎng)實際與大電網(wǎng)相互連接,儲能功能多樣,能減小電壓電流波動對電網(wǎng)的影響,還能提高微電網(wǎng)的利用率和供電質(zhì)量,適用于城市內(nèi)部。這兩類微電網(wǎng)中的電池儲能系統(tǒng),以鋰離子電池和鉛酸電池為主,在微電網(wǎng)正常運行時,儲能系統(tǒng)和微電網(wǎng)之間會產(chǎn)生功率和能量的流動,因此,SOC、充放電功率、充放電電量和電池壽命周期等參數(shù),能夠體現(xiàn)儲能系統(tǒng)的優(yōu)劣?；诖?該書建立了微電網(wǎng)中儲能系統(tǒng)的模型,研究了上述參數(shù)的關系及精確計算方法。

儲能設備的容量對微電網(wǎng)的運行可靠性和經(jīng)濟性影響很大。如果容量配置達不到完成任務的要求,會影響微電網(wǎng)的正常運行;如果容量配置過大,會增加經(jīng)濟成本。優(yōu)化儲能容量配置,并制定相應的儲能運行策略,可實現(xiàn)經(jīng)濟和社會效益的共贏。目前,科研人員通常從經(jīng)濟、技術和環(huán)保等方面來衡量微電網(wǎng)的性能。經(jīng)濟性指標包括投資、安裝、運行、維護、使用壽命、燃料用量和殘值處理等,以評估微電網(wǎng)的經(jīng)濟效益;技術性指標包括可再生能源的發(fā)電比、丟棄率和失負荷率等,以反映微電網(wǎng)運行性能的好壞;環(huán)保性指標包括CO、CO2等廢氣及固體廢棄物的排放量等,以衡量微電網(wǎng)的環(huán)保性能。在優(yōu)化微電網(wǎng)的配置時,要考慮實際的需求,針對某個指標(通常是經(jīng)濟性)或多個指標(經(jīng)濟性+環(huán)保性/可靠性)進行優(yōu)化。無論是哪種優(yōu)化方式,都需要建立目標函數(shù),再在獨立型微電網(wǎng)中設置安全約束(容量)、運行約束(功率)條件,或在并網(wǎng)型微電網(wǎng)中設置運行約束(功率)、配置約束條件,得到理想狀態(tài)下的優(yōu)化結果。

除了優(yōu)化儲能配置之外,良好的儲能運行策略也會對微電網(wǎng)的運行效果產(chǎn)生重要影響。通常,在獨立型微電網(wǎng)中,固定邏輯規(guī)則運行策略較為常見,即電源按照某種事先設計好的次序按部就班地工作。在并網(wǎng)型微電網(wǎng)中,優(yōu)化運行策略則應用廣泛,該策略能夠全盤考慮全網(wǎng)的運行工況,選擇最合適的目標設計優(yōu)化方案。

4 儲能在微電網(wǎng)優(yōu)化控制中的應用

隨著科技的進步,光伏發(fā)電在西部地區(qū)的應用越來越多,但光伏發(fā)電只能在天氣晴好、陽光明媚的日間進行,不易控制。要在微電網(wǎng)中布置儲能裝置,以充分利用光轉電的能量,減少柴油機的運行時間,保障微電網(wǎng)系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行。目前,在獨立型微電網(wǎng)中,人們建立了光儲水柴系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,電源在區(qū)域上分布范圍較廣,需要密切考慮區(qū)域電壓和頻率對電源間協(xié)調(diào)工作的影響;同時,該系統(tǒng)中的控制器是相互獨立、互不影響的,可實現(xiàn)分布式控制。基于此,針對獨立型微電網(wǎng),該書設計了一種基于MAS的能量管理系統(tǒng),該系統(tǒng)由分布式架構組成,包括預測層、調(diào)度層及控制層。預測層可實現(xiàn)系統(tǒng)功率預測,獲取各種電價信息及用戶信息等;調(diào)度層能根據(jù)電網(wǎng)的運行情況重新分配功率,以滿足實際需求;控制層可在微電網(wǎng)正常運行時調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓,在出現(xiàn)意外時切換控制策略,進行負荷切換和備用功率分配。

根據(jù)能量管理系統(tǒng)組成,該書設計了基于MAS的能量優(yōu)化管理算法,在調(diào)度層中添加虛擬競價機制,使設備代理充分表達意愿,做出合理的決策。針對功率控制偏差的問題,優(yōu)化算法將出現(xiàn)誤差的功率轉移到備用電源上,實現(xiàn)動態(tài)功率分配。為驗證優(yōu)化算法的有效性,該書建立了PXIRTDS仿真系統(tǒng),設置小水電輸出的最小功率為0.5 MW,柴油發(fā)電機輸出的最小功率為0.5 MW,并給出多種突發(fā)事件,以驗證算法效果。提出的算法可進行夜間調(diào)峰,充分利用了過剩的光伏發(fā)電電能,并提高了發(fā)電利用率,減小了功率誤差。

在并網(wǎng)型微電網(wǎng)中,該書提出一種利用聯(lián)絡線進行功率控制的優(yōu)化算法。該算法通過滾動優(yōu)化的方式調(diào)節(jié)充放電功率,并利用預測校正方式優(yōu)化充放電狀態(tài),使經(jīng)濟效益最大化;同時,算法利用控制單元的協(xié)調(diào)工作實現(xiàn)充放電功率的二次分配,以延長儲能系統(tǒng)的使用壽命;最后,算法制定了聯(lián)絡線功率控制策略,對功率平滑、自平衡等進行優(yōu)化控制。通過實際的風光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)建立模型,驗證功率控制優(yōu)化算法的有效性。結果表明,算法抑制功率波動的效果較好,并能根據(jù)電網(wǎng)的負荷情況重新分配功率。

5 微電網(wǎng)中的關鍵技術

在微電網(wǎng)中,儲能變流器以并聯(lián)的方式連接在一起,組成儲能系統(tǒng),實現(xiàn)功能控制。常見的并聯(lián)控制技術包括:①集中控制,即所有的儲能變流器均由中央控制器控制,統(tǒng)一實現(xiàn)幅值、頻率和相位等的同步調(diào)節(jié),操作簡單,可實現(xiàn)良好的均流效果,但如果中央控制器停止工作,會導致整個系統(tǒng)罷工,可靠性并不強;②主從控制,即在每個變流器中均導入同步信號,然后設置一定的邏輯規(guī)則確定主機,當主機出現(xiàn)故障時,重新選定新的主機,但是在主機切換的過程中,系統(tǒng)可能會出現(xiàn)斷電現(xiàn)象,導致可靠性降低;③分布式控制,即各個變流器之間只通過輸出負載線連接,每個變流器可以獨立工作,互不影響,可靠性最高。

由于不同的微電網(wǎng)結構各異,對于儲能系統(tǒng)的要求也有所不同。目前,微電網(wǎng)使用的儲能技術以混合儲能為主。根據(jù)接入方式的不同,混合儲能系統(tǒng)又可以劃分為集中式和分布式兩類。集中式混合儲能是在母線上放置若干個儲能元件以及DC/交流電(AC)變流器,實現(xiàn)電能的輸入和輸出,成本較低,簡單易控制;分布式混合儲能則根據(jù)實際應用場合,按照需求放置儲能元件,然后接入電網(wǎng),靈活方便,容易擴容,但是維護成本較高,控制策略較復雜。

6 微電網(wǎng)儲能工程實際案例

目前,微電網(wǎng)儲能的相關研究成果在實際工程中展開了較為廣泛的應用。該書介紹了南麂島離網(wǎng)型、鹿西島并網(wǎng)型和西藏阿里光儲水等微電網(wǎng)應用工程的建設情況,并根據(jù)各個地區(qū)的水文、氣候、地勢等不同特點,建立符合當?shù)貙嶋H發(fā)展需要的微電網(wǎng)工程,以實現(xiàn)資源、能源的合理利用。

7 結語

《微電網(wǎng)儲能運行控制關鍵技術及應用》一書融合了微電網(wǎng)理論知識和實際應用案例,詳細闡述了微電網(wǎng)的儲能系統(tǒng)建模、配置優(yōu)化、能量管理和關鍵控制技術等相關內(nèi)容,并給出了具有代表性的微電網(wǎng)儲能工程實際案例。該書理論聯(lián)系實際,邏輯清晰,目標明確,可供從事新能源發(fā)電、微電網(wǎng)儲能研究的工程技術人員及相關專業(yè)高校師生參考。

書名:微電網(wǎng)儲能運行控制關鍵技術及應用

作者:周金輝等 編著

ISBN:9787519846602

出版社:中國電力出版社

出版時間:2019-11-01

定價:￥66.00元