離網(wǎng)型微電網(wǎng)中混合儲能容量優(yōu)化配置

摘" 要：在微電網(wǎng)中，光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電均具有隨機(jī)性，為保證供電的可靠性，需要在系統(tǒng)中配置一定的儲能單元來維持實(shí)時功率的平衡，保證微電網(wǎng)供電的可靠性。該文結(jié)合工程實(shí)際，采用鋰電池和超級電容器混合儲能系統(tǒng)，建立基于儲能系統(tǒng)全壽命周期的目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建能量約束、功率約束和負(fù)荷約束，并用粒子群算法進(jìn)行求解，驗(yàn)證混合儲能系統(tǒng)的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：混合儲能系統(tǒng)；鋰電池；超級電容器；容量優(yōu)化；微電網(wǎng)

中圖分類號：TM727" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）17-0098-04

Abstract： In the micro-grid system， photovoltaic and wind power generation has a certain degree of randomness， in order to improve the reliability of electricity supply of micro-grid， it is necessary to configure a certain energy storage unit in the system to maintain the balance of real-time power and ensure the reliability of micro-grid power supply. In this paper， first of all a hybrid energy storage system by lithium battery and supercapacitor is proposed. And then an objective function based on the whole life cycle of the energy storage system is established， an energy constraint， a power constraint and a load constraint are constructed as well. Finally， the superiority of the hybrid energy storage system is verified by the particle swarm algorithm.

Keywords： hybrid energy storage; lithium battery; supercapacitor; capacity configuration; micro-grid system

在“雙碳”的政策引導(dǎo)下，越來越多的海島、工業(yè)園區(qū)、校園和景區(qū)等采用風(fēng)光互補(bǔ)的微電網(wǎng)發(fā)電模式，在節(jié)能減排的同時，也為相關(guān)單位帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益。但是由于風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電具有隨機(jī)性、不可預(yù)測的特點(diǎn)，發(fā)電具有不穩(wěn)定性，在微電網(wǎng)中配置一定的儲能單元，可以提高微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性、供電可靠性，以及提高綠色能源的利用效率。

目前國內(nèi)外學(xué)者針對并網(wǎng)型微電網(wǎng)混合儲能系統(tǒng)容量優(yōu)化配置有較多的研究，但是離網(wǎng)型混合儲能系統(tǒng)的優(yōu)化研究較少。羅希等在綜合考慮微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性基礎(chǔ)上，針對風(fēng)光儲并網(wǎng)型微電網(wǎng)，提出了基于“氫儲能+蓄電池”的混合儲能系統(tǒng)，在充分闡析微電網(wǎng)中分布式電源、儲能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，從全生命周期成本角度建立微電網(wǎng)混合儲能系統(tǒng)容量優(yōu)化配置模型。鄧?yán)さ炔捎眯铍姵嘏c超級電容構(gòu)成混合儲能系統(tǒng)，采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解對儲能總出力進(jìn)行分解，以配置綜合成本最小為目標(biāo)，構(gòu)建混合儲能容量優(yōu)化配置模型。徐衍會等在綜合考慮電解槽、超級電容的工作特性基礎(chǔ)上，建立了基于超級電容荷電狀態(tài)的混合儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略，提出容量優(yōu)化配置及運(yùn)行控制策略，并以風(fēng)電場2個典型日為例，混合儲能系統(tǒng)可對風(fēng)電輸出功率進(jìn)行功率平抑，有效平抑風(fēng)電功率波動，減少上網(wǎng)功率對電網(wǎng)的擾動。本文結(jié)合工程實(shí)際選擇鋰電池和超級電容器組建混合儲能系統(tǒng)，綜合考慮儲能系統(tǒng)的全壽命周期成本、電量平衡、功率平衡及荷電狀態(tài)建立混合儲能系統(tǒng)的容量優(yōu)化模型，并運(yùn)用改進(jìn)粒子群算法對某一海島離網(wǎng)型微電網(wǎng)實(shí)際案例進(jìn)行容量的優(yōu)化配置。

1 微電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)

1.1 離網(wǎng)型微電網(wǎng)混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

離網(wǎng)型微電網(wǎng)很好地解決了海島、邊防哨所、偏遠(yuǎn)地區(qū)的用電問題。本項(xiàng)目采用光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電組成聯(lián)合分布式發(fā)電系統(tǒng)，采用鋰電池和超級電容器混合儲能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)型微電網(wǎng)內(nèi)部實(shí)時負(fù)荷平衡。

本項(xiàng)目采用基于0.4 kV交流母線的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其典型結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。微電網(wǎng)中光伏發(fā)電單元和風(fēng)力發(fā)電單元通過控制器接入0.4 kV母線，鋰電池和超級電容器通過儲能變流器PCS與母線連接，實(shí)現(xiàn)雙向的充放電過程，負(fù)荷通過斷路器從0.4 kV母線取電，系統(tǒng)預(yù)留遠(yuǎn)期與大電網(wǎng)連接的PCC接口。

圖1" 典型微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

1.2" 分布式光伏發(fā)電單元建模

1.3" 分布式風(fēng)力發(fā)電單元建模

1.4" 鋰電池儲能建模

1.5" 超級電容器建模

2" 混合儲能系統(tǒng)容量優(yōu)化

2.1" 目標(biāo)函數(shù)的確立

2.2" 約束條件的確定

2.2.1" 能量不足的約束

2.2.2" 能量盈余的約束

2.2.3" 功率約束

2.2.4" 荷電狀態(tài)的約束

3 遞減慣性權(quán)重粒子群優(yōu)化算法

4" 算例分析

本文以國內(nèi)某一海島離網(wǎng)型微電網(wǎng)為例，進(jìn)行儲能配置。工程項(xiàng)目的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如下所示。

分布式光伏裝機(jī)容量110 kW（共計(jì)200塊550 Wp單晶硅光伏組件），風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定功率為100 kW，風(fēng)機(jī)高度為24 m。負(fù)荷為計(jì)算機(jī)控制中心負(fù)荷功率10 kW、海水淡化裝置35 kW、照明動力等負(fù)荷為15 kW。其中計(jì)算機(jī)負(fù)荷及照明負(fù)荷24 h連續(xù)運(yùn)行，負(fù)荷大小保持穩(wěn)定。海水淡水裝置每天需要啟停1次，每次啟動時會出現(xiàn)30 s的脈沖，產(chǎn)生很大的峰值功率，為其額定功率的4倍。

鋰電池和超級電容器的主要參數(shù)見表1。

由于工程所在地氣象站無太陽輻射觀測數(shù)據(jù)，現(xiàn)階段采用水文氣象軟件meteonorm7.1中的輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，海島各月太陽能輻射量見表2，得出海島年均太陽能輻射量為6 627.9 MJ/m²。

結(jié)合式（1）、海島的輻照度數(shù)據(jù)及光伏裝機(jī)容量，預(yù)測光伏系統(tǒng)全年的發(fā)電功率如圖1所示。

結(jié)合海島每月的風(fēng)速，通過Weibull 函數(shù)得到離散化風(fēng)速值，結(jié)合式（2）、式（3）和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)，得到風(fēng)電輸出功率如圖2所示。

通過光伏發(fā)電功率預(yù)測、風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電功率預(yù)測與負(fù)荷分析可知，最大的功率缺額出現(xiàn)在1月份，連續(xù)3 d最大的功率缺額為228 kwh；最大的功率盈余出現(xiàn)在4月份，連續(xù)3 d最大的功率盈余為540 kwh。綜合考慮供電的連續(xù)可靠性、避免儲能配置過度，混合儲能系統(tǒng)的總?cè)萘繎?yīng)大于連續(xù)3 d最大的功率缺口，并小于連續(xù)3 d最大的功率盈余。經(jīng)過計(jì)算，容量配置的結(jié)果見表3。

由表3可知，若采用單一儲能鋰電池作為儲能單元，投資成本較高，全壽命周期成本達(dá)206.5萬元，而采用混合儲能全壽命周期成本為144.7萬元，投資減少了30%。采用混合儲能將鋰電池的能量密度優(yōu)勢與超級電容器的功率密度優(yōu)勢相結(jié)合，在滿足電量供應(yīng)的同時，可以及時地平抑沖擊負(fù)荷造成的功率突變，并能在一定程度上減少投資成本，提高工程的經(jīng)濟(jì)性。

5" 結(jié)束語

本文針對離網(wǎng)型微電網(wǎng)，聯(lián)系工程實(shí)際，結(jié)合鋰電池能量密度大和超級電容器功率密度高的充放電特性，采用鋰電池和超級電容器作為混合儲能系統(tǒng)。建立了儲能系統(tǒng)全壽命周期的容量優(yōu)化模型，充分考慮了儲能系統(tǒng)的能量約束、功率約束及荷電狀態(tài)約束，并采用粒子群優(yōu)化算法對一離網(wǎng)型微電網(wǎng)進(jìn)行了儲能的配置優(yōu)化，證明了混合儲能系統(tǒng)的優(yōu)越性，在滿足供電可靠性的前提下，減少了儲能系統(tǒng)全壽命周期的投資成本，對于實(shí)際工程儲能系統(tǒng)的配置具有參考意義。

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