許 健，劉 念，于 雷，雷金勇，張建華

(1.華北電力大學(xué)，北京 102206；2.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510080)

計(jì)及重要負(fù)荷的工業(yè)光伏微電網(wǎng)儲(chǔ)能優(yōu)化配置

許 健1，劉 念1，于 雷1，雷金勇2，張建華1

(1.華北電力大學(xué)，北京 102206；2.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510080)

工業(yè)光伏微電網(wǎng)配置儲(chǔ)能時(shí)需考慮其負(fù)荷特性，在保證供電可靠性的前提下最大化提升光伏利用率。在詳細(xì)分析工業(yè)重要負(fù)荷的運(yùn)行特性和啟動(dòng)沖擊特性基礎(chǔ)上，結(jié)合工業(yè)分時(shí)電價(jià)機(jī)制，給出了適合工業(yè)微電網(wǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電策略。進(jìn)而以光伏利用率最大和年凈利潤(rùn)最大為目標(biāo)，構(gòu)建了工業(yè)光伏微電網(wǎng)的儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置的多目標(biāo)優(yōu)化模型，并采用NSGA-II算法對(duì)所建模型進(jìn)行求解。將優(yōu)化方法應(yīng)用于廣東某實(shí)際工業(yè)光伏微電網(wǎng)中，結(jié)果表明經(jīng)過(guò)優(yōu)化的儲(chǔ)能系統(tǒng)可在離網(wǎng)情況下保證系統(tǒng)中重要負(fù)荷的穩(wěn)定運(yùn)行,在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)促進(jìn)光伏的就地消納。

工業(yè)光伏微電網(wǎng)；重要負(fù)荷；儲(chǔ)能優(yōu)化配置；光伏消納率；多目標(biāo)優(yōu)化

0 引言

工業(yè)用戶(hù)屬于典型的高耗能類(lèi)型負(fù)荷，用電量大，對(duì)供電可靠性要求高。近年來(lái)，隨著光伏產(chǎn)業(yè)政府補(bǔ)貼政策力度的加大和光伏組件價(jià)格的顯著下降，已經(jīng)有越來(lái)越多的投資商將光伏微電網(wǎng)發(fā)電模式引入到工業(yè)領(lǐng)域。光伏微電網(wǎng)模式的普及能夠減輕工業(yè)領(lǐng)域?qū)Y源的依賴(lài)，具有重大的節(jié)能和環(huán)保效益[1-9]。

為了保證工業(yè)微電網(wǎng)的供電可靠性，最大限度利用光伏資源，通常需要為微電網(wǎng)系統(tǒng)配置合適的儲(chǔ)能?，F(xiàn)階段，由于儲(chǔ)能器件價(jià)格昂貴，儲(chǔ)能容量的配置不宜過(guò)大，過(guò)大的儲(chǔ)能容量將顯著增加投資成本；儲(chǔ)能容量的配置也不能過(guò)小，過(guò)小的儲(chǔ)能容量無(wú)法保證系統(tǒng)在離網(wǎng)時(shí)段的穩(wěn)定運(yùn)行，也不利于促進(jìn)光伏的消納。因此，如何合理配置微電網(wǎng)的儲(chǔ)能容量已成為當(dāng)今眾多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。

目前，儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置和優(yōu)化方法主要分為單一儲(chǔ)能配置[10-13]和復(fù)合儲(chǔ)能配置[14-17]兩種應(yīng)用場(chǎng)景。

對(duì)于單一儲(chǔ)能配置，優(yōu)化的方法主要有差額補(bǔ)充法、波動(dòng)平抑分析法和經(jīng)濟(jì)特性?xún)?yōu)化法。文獻(xiàn)[10]和[11]分別提出了采用光伏平均輸出功率和采用離散傅里葉變化方法對(duì)輸出功率進(jìn)行頻譜分析的優(yōu)化配置方法，但兩者僅是平抑光伏波動(dòng)的單目標(biāo)優(yōu)化。文獻(xiàn)[12]研究了離網(wǎng)運(yùn)行微電網(wǎng)多能互補(bǔ)電源容量配置方法，但其優(yōu)化對(duì)象并非儲(chǔ)能，而是整個(gè)微電網(wǎng)。文獻(xiàn)[13]針對(duì)工業(yè)光伏微電網(wǎng)，以降低單位電能成本和投資回收期，提高污染物減排收益為綜合經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)，采用粒子群算法，定量分析了系統(tǒng)運(yùn)行模式、光伏產(chǎn)業(yè)政策和電網(wǎng)電價(jià)對(duì)用戶(hù)收益、系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境性能的影響，但忽略了工業(yè)負(fù)荷中重要負(fù)荷的沖擊特性，未考慮供電可靠性。

對(duì)于復(fù)合儲(chǔ)能配置，文獻(xiàn)[14]針對(duì)微電網(wǎng)群和子微電網(wǎng)的離網(wǎng)運(yùn)行情況，提出了基于最大允許連續(xù)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間和極端條件下系統(tǒng)期望穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間2個(gè)指標(biāo)的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置方法，但忽略了并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)儲(chǔ)能配置對(duì)于提高光伏利用率方面的貢獻(xiàn)。文獻(xiàn)[15-17]根據(jù)能量型與功率型儲(chǔ)能的技術(shù)特點(diǎn)分析不同類(lèi)型儲(chǔ)能在微電網(wǎng)中的適用情形，研究復(fù)合型儲(chǔ)能的互補(bǔ)配置原則：對(duì)于能量型儲(chǔ)能主要考慮微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行要求；對(duì)于功率型儲(chǔ)能，考慮微電網(wǎng)短時(shí)功率支撐、能量緩沖、改善電能質(zhì)量的要求。但這些文獻(xiàn)往往給出了滿(mǎn)足要求的基本配置方案，未對(duì)配置方案進(jìn)行優(yōu)化。

綜上，已有的微電網(wǎng)容量配置方面的研究?jī)H僅單方面關(guān)注微電網(wǎng)(群)并網(wǎng)運(yùn)行或者離網(wǎng)運(yùn)行的情景，也未能充分考慮工業(yè)負(fù)荷本身的負(fù)荷特性，對(duì)于工業(yè)微電網(wǎng)中的水泵、電機(jī)負(fù)荷頻繁啟動(dòng)的沖擊特性缺乏進(jìn)一步的分析。

本文針對(duì)實(shí)際的工業(yè)光伏微電網(wǎng)模型，提出了一種儲(chǔ)能優(yōu)化配置方法，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：

(1) 詳細(xì)分析了工業(yè)負(fù)荷的運(yùn)行特性，結(jié)合工業(yè)分時(shí)電價(jià)情況，制定了適合工業(yè)光伏微電網(wǎng)的儲(chǔ)能充放電控制策略。

(2) 在優(yōu)化配置儲(chǔ)能電池容量和變流器功率時(shí)，綜合考慮工業(yè)光伏微電網(wǎng)并網(wǎng)、離網(wǎng)運(yùn)行場(chǎng)景：離網(wǎng)條件下，考慮微電網(wǎng)達(dá)到期望穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間的能量要求和重要負(fù)荷啟動(dòng)沖擊的功率要求，保證微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性；并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，考慮提高系統(tǒng)中的光伏利用率，增加系統(tǒng)凈收益。

1 工業(yè)光伏微電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)分析

本文所述的工業(yè)光伏微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括光伏電池陣列、光伏 DC/AC逆變器、儲(chǔ)能系統(tǒng)、儲(chǔ)能雙向 AC/DC變流器、重要負(fù)荷、產(chǎn)線負(fù)荷和中央控制器幾部分組成。

圖1 工業(yè)光伏微電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)Fig. 1 Typical structure of industrial PV microgrid system

1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)(PV)由光伏電池陣列和相應(yīng)的DC/AC變流模塊構(gòu)成。一般情況下，根據(jù)日照情況，PV采用最大功率跟蹤點(diǎn)控制模式，從而盡可能提高太陽(yáng)能的利用效果。

1.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)

儲(chǔ)能系統(tǒng)一般由鋰離子電池或鉛酸電池并配備合適的雙向 AC/DC變流器組成。本文將儲(chǔ)能電池中用于滿(mǎn)足離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)期望穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間要求的這部分儲(chǔ)能容量定義為剛性容量(The Rigid Capacity, RC)，用符號(hào)RCQ 表示。將用于促進(jìn)光伏消納對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能容量定義為柔性容量(The Flexible Capacity, FC)，用符號(hào)FCQ 表示。根據(jù)光伏發(fā)電及負(fù)荷情況，儲(chǔ)能系統(tǒng)可處于充電或放電狀態(tài)。

1.3 用電負(fù)荷

工業(yè)微電網(wǎng)中的負(fù)荷可分為產(chǎn)線負(fù)荷和重要負(fù)荷兩類(lèi)。其中，產(chǎn)線負(fù)荷是指主要生產(chǎn)設(shè)備所對(duì)應(yīng)負(fù)荷。除產(chǎn)線設(shè)備外，實(shí)際的工廠里必須安裝相應(yīng)的輔助設(shè)備來(lái)保證整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的安全進(jìn)行，如工廠中的冷卻塔和各類(lèi)服務(wù)器，冷卻塔主要功能是對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的余熱進(jìn)行處理，而服務(wù)器的主要功能是對(duì)生產(chǎn)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，制定下一步生產(chǎn)計(jì)劃。當(dāng)此類(lèi)輔助生產(chǎn)設(shè)備突然斷電時(shí)，如不能及時(shí)恢復(fù)供電，則可能會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的損害。比如冷卻塔突然停電后，會(huì)由于塔內(nèi)溫度過(guò)高而造成爆炸等嚴(yán)重事故，同時(shí)損壞生產(chǎn)線上其他設(shè)備，使得產(chǎn)品報(bào)廢。本文把此類(lèi)因突然停電而造成嚴(yán)重?fù)p失的輔助設(shè)備歸類(lèi)為工業(yè)微電網(wǎng)中的重要負(fù)荷。工業(yè)光伏微電網(wǎng)在轉(zhuǎn)入離網(wǎng)運(yùn)行后，為保證系統(tǒng)有足夠時(shí)間有序關(guān)閉生產(chǎn)線的各類(lèi)設(shè)備，完成冷卻塔降溫等停止生產(chǎn)的安全規(guī)程，要求儲(chǔ)能系統(tǒng)必須能夠滿(mǎn)足此時(shí)的用電電量和用電功率需求。

2 工業(yè)微電網(wǎng)特性分析

現(xiàn)階段，全國(guó)各地對(duì)于自發(fā)自用的分布式光伏微電網(wǎng)是否可將余電上網(wǎng)的政策并未統(tǒng)一，本文將研究對(duì)象設(shè)定為不能向大電網(wǎng)售電的工業(yè)光伏微電網(wǎng)。

如圖2所示，本文所述工業(yè)光伏微電網(wǎng)特性主要包括工業(yè)分時(shí)電價(jià)特性、光伏出力特性和產(chǎn)線負(fù)荷特性三部分。

圖2 工業(yè)光伏微電網(wǎng)特性分析示意圖Fig. 2 Schematic diagram of characteristic analysis for industrial PV microgrid

2.1 工業(yè)分時(shí)電價(jià)特性

工業(yè)負(fù)荷用電量大，且一般執(zhí)行分時(shí)電價(jià)政策，各時(shí)段的電價(jià)差別較大。因此，工業(yè)微電網(wǎng)配置儲(chǔ)能時(shí)，有必要針對(duì)本地區(qū)的工業(yè)分時(shí)電價(jià)政策，制定適合電價(jià)機(jī)制的能量控制策略。廣東某地現(xiàn)行分時(shí)電價(jià)情況如表1所示。

表1 廣東工業(yè)用電峰谷電價(jià)表Table 1 Guangdong industrial TOU power price

根據(jù)上述分時(shí)電價(jià)情況，工業(yè)光伏微電網(wǎng)的投資者可在電價(jià)低谷時(shí)段從電網(wǎng)購(gòu)電為儲(chǔ)能電池充電，將存儲(chǔ)的電能在電價(jià)峰值時(shí)段向負(fù)荷供應(yīng)，以獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 光伏出力特性分析

由圖2可以看出，工業(yè)光伏微電網(wǎng)光伏系統(tǒng)出力具有明顯的單峰分布規(guī)律：12:00~14:00，光伏出力處于一天中最大值時(shí)段，此段時(shí)間內(nèi)，光伏出力大于產(chǎn)線負(fù)荷，可將剩余的光伏出力存入儲(chǔ)能電池中；19:00~22:00，光伏出力為零，可在此段時(shí)間內(nèi)將儲(chǔ)存的電能進(jìn)行釋放，供給負(fù)荷。

2.3 產(chǎn)線負(fù)荷特性分析

工業(yè)負(fù)荷曲線與常規(guī)的居民、商業(yè)負(fù)荷曲線相比存在顯著的差別，這是工業(yè)生產(chǎn)模式及用電特性的不同造成的。以某玻璃廠為例，由于生產(chǎn)工藝技術(shù)要求，要求工廠全年24 h不間斷生產(chǎn)。工業(yè)負(fù)荷僅在工人換班和用餐時(shí)間由于部分生產(chǎn)設(shè)備的關(guān)閉出現(xiàn)三個(gè)明顯的負(fù)荷低谷。日負(fù)荷曲線被分為4段，每段負(fù)荷的波動(dòng)都比較平緩，下午兩點(diǎn)左右為日負(fù)荷最高峰。

2.4 儲(chǔ)能充放電策略

綜合分析上述工業(yè)分時(shí)電價(jià)特性、光伏出力特性以及產(chǎn)線負(fù)荷特性，可得工業(yè)光伏微電網(wǎng)內(nèi)儲(chǔ)能系統(tǒng)每日充放電策略和對(duì)應(yīng)的荷電狀態(tài)(State of Charge, SOC)如表2所示。

表2 儲(chǔ)能電池充放電控制策略Table 2 Control strategy of energy storage battery

表中：M表示儲(chǔ)能電池中僅剩余剛性容量時(shí)對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能電池 S OC值；N表示中午時(shí)段充電結(jié)束后儲(chǔ)能電池SOC值，N取值范圍為M~ SOCmax。

由儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電控制策略可以得到一天內(nèi)不同時(shí)刻電池狀態(tài)特性如圖3所示。

圖3 不同時(shí)刻電池狀態(tài)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of battery SOC

圖3 中，各部分線段的斜率即為本段時(shí)間內(nèi)的儲(chǔ)能電池充放電平均功率。在午間光伏出力較大時(shí)段，充電功率隨著光伏剩余功率的變化而波動(dòng)，因此，其充電過(guò)程在圖3中顯示為曲線，其余時(shí)段儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電功率可根據(jù)需要設(shè)定為常數(shù)。

圖 3所示各時(shí)間段內(nèi)微電網(wǎng)功率平衡關(guān)系如下。

1) 每天 0 :00~8:00為電價(jià)的低谷時(shí)期，可在這段時(shí)間內(nèi)從電網(wǎng)購(gòu)電對(duì)儲(chǔ)能電池的功率缺額進(jìn)行彌補(bǔ)，儲(chǔ)能系統(tǒng) SOC(荷電狀態(tài))變化范圍為M到SOCmax。為了獲得最佳的電池使用狀態(tài)，該時(shí)段內(nèi)儲(chǔ)能電池充電電流可設(shè)定為電池廠家推薦額定電流的1/3)。充電過(guò)程從0點(diǎn)開(kāi)始，至電池SOC達(dá)到結(jié)束。

該段時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)的功率平衡表達(dá)式為

2) 早上9:00起利用儲(chǔ)能電池對(duì)微電網(wǎng)供電，至11:00結(jié)束，儲(chǔ)能系統(tǒng)變化范圍為

則系統(tǒng)的功率平衡方程為

3) 每天11:00~14:00，將光伏發(fā)電對(duì)工廠供電的剩余電能對(duì)儲(chǔ)能進(jìn)行充電，儲(chǔ)能系統(tǒng)變化范圍為M到N。充電過(guò)程從光伏出力大于負(fù)荷需求開(kāi)始，到光伏出力小于負(fù)荷需求結(jié)束。若14:00后光伏出力仍大于負(fù)荷需求，可繼續(xù)給儲(chǔ)能電池充電，直至光伏出力小于負(fù)荷需求或電池達(dá)到結(jié)束。則該段時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)中的功率平衡表達(dá)式為

如遇惡劣天氣，光伏本身出力小于負(fù)荷，則在該時(shí)段不對(duì)儲(chǔ)能進(jìn)行充電，工廠的功率缺額由電網(wǎng)提供。

此時(shí)系統(tǒng)中的功率平衡表達(dá)式為

4) 設(shè)定在每天電價(jià)高峰的 19:00起開(kāi)始進(jìn)行放電，至22:00，根據(jù)該時(shí)段負(fù)荷需求，控制儲(chǔ)能系統(tǒng)放電功率，使得儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC下降至M，放電停止。則系統(tǒng)的功率平衡方程為

2.5 重要負(fù)荷特性分析

由于工業(yè)光伏微電網(wǎng)中的重要負(fù)荷多為水泵、風(fēng)機(jī)等感應(yīng)電機(jī)，這些設(shè)備在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)頻繁地啟停，依據(jù)感應(yīng)電機(jī)本身的電磁特性，其啟動(dòng)電流可達(dá)到額定值4倍以上，啟動(dòng)功率較高，持續(xù)時(shí)間非常短。通常對(duì)于含有重要負(fù)荷的微電網(wǎng)可采取分時(shí)軟啟動(dòng)策略來(lái)進(jìn)行啟動(dòng)。感應(yīng)電機(jī)的啟動(dòng)電流模型如圖4所示。

圖4 感應(yīng)電機(jī)啟動(dòng)電流模型Fig. 4 Soft-started current model of induction motor

3 工業(yè)光伏微電網(wǎng)成本收益分析

3.1 系統(tǒng)的總成本

本文所述的系統(tǒng)年成本C主要包括光伏系統(tǒng)年成本PVC ，儲(chǔ)能系統(tǒng)年成本BC,儲(chǔ)能雙向變流器模塊年成本CC 和由于為儲(chǔ)能充電而帶來(lái)的年購(gòu)電費(fèi)用FC，如式(6)所示。

各項(xiàng)成本計(jì)算公式如下。

3.2 系統(tǒng)的年收益

本文以發(fā)電電價(jià)補(bǔ)貼的方式來(lái)計(jì)算微電網(wǎng)的收益。整個(gè)光伏微電網(wǎng)的日收益主要由兩部分構(gòu)成：光伏發(fā)電的補(bǔ)貼收益因使用光伏帶來(lái)的省電收益。如式(11)所示。

4 多目標(biāo)優(yōu)化配置模型及求解方法

4.1 目標(biāo)函數(shù)

基于上述光伏充電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立各組成單元成本收益的數(shù)學(xué)模型和容量?jī)?yōu)化配置的目標(biāo)函數(shù)。在滿(mǎn)足負(fù)荷用電需求的情況下，設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)如下。

4.2 約束條件

4.2.1微 電網(wǎng)可靠性能量約束

為保證系統(tǒng)在離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)能夠達(dá)到系統(tǒng)期望穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間的要求，并且在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)盡量提高光伏消納的目的，配置的儲(chǔ)能電池總?cè)萘繎?yīng)既包括剛性容量又包括柔性容量據(jù)此可構(gòu)造如式約束。

4.2.2 微電網(wǎng)可靠性功率約束

為了保證離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)中重要負(fù)荷啟動(dòng)成功，儲(chǔ)能變流器的配置應(yīng)能滿(mǎn)足相應(yīng)的啟動(dòng)功率要求。由于感應(yīng)電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間較短，一般在30 s以?xún)?nèi)，通?？膳浜献兞髌鞫虝r(shí)允許過(guò)載功率進(jìn)行配置。

4.2.3 光伏自消納率約束

為了滿(mǎn)足特定的光伏消納率的要求，由式(17)可推導(dǎo)得到需要配置柔性?xún)?chǔ)能的容量應(yīng)滿(mǎn)足如式(19)約束。

4.2.4 儲(chǔ)能電池性能約束

4.3 模型求解

優(yōu)化模型的求解需要計(jì)算系統(tǒng)的投資運(yùn)行成本、年收益和光伏發(fā)電利用率。綜合考慮光伏出力與負(fù)荷需求后確定各決策變量的上、下限。采用NSGA-II算法對(duì)所提模型進(jìn)行求解。算法流程圖如圖5。

5 算例分析

本文選取廣東某個(gè)實(shí)際工業(yè)光伏微電網(wǎng)進(jìn)行儲(chǔ)能容量配置分析。以圖1所示每條0.4 kV交流母線所帶負(fù)荷為一個(gè)獨(dú)立的微電網(wǎng)，為其中一個(gè)微電網(wǎng)進(jìn)行儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置。每個(gè)工業(yè)光伏微電網(wǎng)光伏的裝機(jī)容量為600 kW，光伏逆變器的效率為0.97，微電網(wǎng)在離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)期望穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間為0.5 h。

5.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

根據(jù)車(chē)間生產(chǎn)要求，系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)需為435 kW的系統(tǒng)負(fù)荷持續(xù)供電0.5 h，從而安全停止生產(chǎn)過(guò)程，有序關(guān)閉生產(chǎn)設(shè)備。此外，系統(tǒng)中的重要負(fù)荷啟動(dòng)時(shí)，其啟動(dòng)過(guò)程持續(xù)23 s，最大啟動(dòng)功率為 538 kW。上述微電網(wǎng)的負(fù)荷特性如表 3所示。

圖5 NSGA-II算法求解流程圖Fig. 5 Algorithm flow chart of NSGA-II

表3 微電網(wǎng)負(fù)荷特性Table 3 Load characteristics of the industrial PV microgrid kW

工業(yè)光伏微電網(wǎng)中各組件參數(shù)如表4所示。

表4 微電網(wǎng)各組件參數(shù)[20-21]Table 4 Parameters of the components in the industrial PV microgrid

需要說(shuō)明的是表4中的光伏組件價(jià)格指的是1 kW 光伏電池板和光伏逆變器價(jià)格及施工維護(hù)費(fèi)用總和。儲(chǔ)能電池若采用鋰電池，其使用壽命為3 000次，每年以230個(gè)相似日進(jìn)行計(jì)算，系統(tǒng)運(yùn)行年限m= 20年，因此需要更換3次。儲(chǔ)能系統(tǒng)的總效率取為hE= 0.96 ′ 0.96 ? 0.92。

5.2 儲(chǔ)能配置

5.2.1 剛性容量配置

1) 儲(chǔ)能電池容量配置

系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)需為435 kW的系統(tǒng)負(fù)荷持續(xù)供電0.5 h，可確定儲(chǔ)能系統(tǒng)中剛性容量的配置應(yīng)大于217.5 kWh。進(jìn)一步考慮到儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率 hE= 0.92以及儲(chǔ)能電池放電深度約束( DOD￡ 0.8)，可計(jì)算需要?jiǎng)傂匀萘孔钚≈礠RC.min= 296kWh。

2) 儲(chǔ)能變流器配置

為滿(mǎn)足工業(yè)微電網(wǎng)中感應(yīng)電機(jī)等設(shè)備的啟動(dòng)沖擊要求(最大沖擊功率為538 kW)，考慮雙向變流器的短時(shí)允許過(guò)載系數(shù) k= 1.2，所選儲(chǔ)能雙向變流器的額定功率值 PB3 450kW 。

5.2.2 柔性容量?jī)?yōu)化

由典型日光伏出力與工業(yè)負(fù)荷匹配數(shù)據(jù)可計(jì)算得工業(yè)負(fù)荷對(duì)光伏的自消納率為86.87%，由光伏與負(fù)荷的凈功率數(shù)據(jù)，并考慮微電網(wǎng)各部分組件效率，若將午間剩余的光伏能量完全儲(chǔ)存起來(lái)，則需配置儲(chǔ)能柔性容量為 QFC= 384kWh 。此外，已經(jīng)配置的450 kW儲(chǔ)能變流器功率足夠滿(mǎn)足工廠的峰值負(fù)荷供給，因此不必繼續(xù)增加儲(chǔ)能變流器的功率值。

根據(jù)得到的決策變量范圍，結(jié)合本文提出的容量?jī)?yōu)化配置模型，對(duì)用于促進(jìn)光伏消納部分的柔性容量配置進(jìn)行雙目標(biāo)優(yōu)化，利用NSGA-II算法對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行編程并求解，設(shè)定種群數(shù)量為50，最大迭代次數(shù)為100次，交叉率為0.9，變異率0.1。計(jì)算得到Pareto前沿如圖6所示。

圖6 NSGA-II兩目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果Fig. 6 Optimizing results of double-objective by NSGA-II

由NSGA-II算法搜索得到的Pareto前沿如圖6所示，一定程度上可為折中選取提高凈利潤(rùn)和提高光伏消納率這組對(duì)立的目標(biāo)提供豐富的信息。由優(yōu)化結(jié)果可知，儲(chǔ)能系統(tǒng)中僅包含RC儲(chǔ)能(圖6中光伏消納為86.87%)時(shí)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)年凈利潤(rùn)為0.84萬(wàn)元，繼續(xù)配置FC儲(chǔ)能促進(jìn)光伏消納，由于現(xiàn)在儲(chǔ)能器件價(jià)格昂貴，通過(guò)提高光伏消納帶來(lái)的收益小于對(duì)應(yīng)增加的儲(chǔ)能成本，因此系統(tǒng)的年凈利潤(rùn)繼續(xù)隨著儲(chǔ)能總?cè)萘康脑龃蠖鴾p少，從圖6可知，增加FC儲(chǔ)能使得光伏消納率超過(guò) 92%后，系統(tǒng)將會(huì)虧損。

不同光伏消納率目標(biāo)下所需的儲(chǔ)能容量配置方案和系統(tǒng)凈利潤(rùn)以及電池使用情況如表5所示。

表5 容量?jī)?yōu)化配置方案Table 5 Optimum solutions

并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，該微電網(wǎng)中光伏出力與負(fù)荷的最大凈功率值不超過(guò)250 kW，據(jù)此和不同光伏消納水平下的儲(chǔ)能電池容量估算對(duì)應(yīng)儲(chǔ)能電池的最大充電倍率；在微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，為了保證微電網(wǎng)重要負(fù)荷正常啟動(dòng)，要求儲(chǔ)能系統(tǒng)提供的放電功率達(dá)到538 kW，據(jù)此和不同光伏消納水平下的儲(chǔ)能電池容量估算對(duì)應(yīng)儲(chǔ)能電池最大的放電倍率。由于工業(yè)負(fù)荷供電可靠性相對(duì)較高，整個(gè)微電網(wǎng)在大多數(shù)時(shí)間處在并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，由表 5中結(jié)果并結(jié)合文獻(xiàn)[18]可知，并網(wǎng)時(shí)儲(chǔ)能電池處于健康的放電深度，儲(chǔ)能電池壽命能夠得到較好的保障。

近年來(lái)鋰電池成本和儲(chǔ)能變流器組件價(jià)格一直呈現(xiàn)著下降趨勢(shì)。為此，本文將儲(chǔ)能系統(tǒng)成本下降對(duì)工業(yè)光伏微電網(wǎng)的年凈利潤(rùn)影響進(jìn)行分析，結(jié)果如表6所示。

表6 靈敏度分析結(jié)果Table 6 Summary of the sensitivity analysis

通過(guò)靈敏度分析可以看出，在電價(jià)、光伏組件價(jià)格等其他條件不變的情況下，隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)成本的降低，配置相同容量(相同光伏消納率下)的儲(chǔ)能，系統(tǒng)的年凈利潤(rùn)呈現(xiàn)線性的增長(zhǎng)；另一方面，當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)成本下降到一定程度時(shí)，隨著光伏消納率的提高，系統(tǒng)的年凈利潤(rùn)也呈現(xiàn)出了增長(zhǎng)的趨勢(shì)，這是由于此時(shí)，通過(guò)配置FC儲(chǔ)能促進(jìn)光伏消納帶來(lái)的利潤(rùn)大于對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能安裝成本。經(jīng)過(guò)計(jì)算當(dāng)儲(chǔ)能成本下降約42%時(shí)，系統(tǒng)的凈利潤(rùn)會(huì)隨著儲(chǔ)能容量的增加而增加。

當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)成本下降60%時(shí)，工業(yè)光伏微電網(wǎng)的年凈利潤(rùn)隨系統(tǒng)儲(chǔ)能容量配置的變化關(guān)系如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)年凈利潤(rùn)隨光伏消納率變化關(guān)系Fig. 7 Variation curve of the annual net profit changing with storage capacity

從圖7可以看出，儲(chǔ)能成本下降60%后，隨著光伏消納率的上升，投資者的收益呈階段性增長(zhǎng)。這是因?yàn)?，根?jù)本文提出的充放電策略，在上午9:00~11:00時(shí)段，儲(chǔ)能系統(tǒng)給負(fù)荷供電，但此時(shí)段內(nèi)負(fù)荷的用電量需求(工廠負(fù)荷與光伏出力匹配后)為257 kWh，所需FC為350 kWh，對(duì)應(yīng)的消納率為98.82%，繼續(xù)配置 FC儲(chǔ)能，提高光伏消納率，夜間多儲(chǔ)存的電能只能在早上 8:00~9:00這段時(shí)間內(nèi)釋放，由于兩時(shí)段的電價(jià)分別屬于峰值時(shí)段和平值時(shí)段，因此，系統(tǒng)省電收益不同，所以，圖7中柔性容量達(dá)到350 kWh后，系統(tǒng)年凈利潤(rùn)的增長(zhǎng)率出現(xiàn)了明顯的下降。

6 結(jié)論

本文針對(duì)工業(yè)光伏微電網(wǎng)的儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置問(wèn)題，將所需配置儲(chǔ)能分為剛性容量和柔性容量?jī)刹糠?，首先以保證系統(tǒng)在離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的可靠性為原則配置RC儲(chǔ)能，接著對(duì)促進(jìn)光伏消納的FC儲(chǔ)能進(jìn)行優(yōu)化分析。選取廣東某實(shí)際運(yùn)行的光伏微電網(wǎng)為研究對(duì)象，在分析工業(yè)負(fù)荷運(yùn)行特性和重要負(fù)荷啟動(dòng)沖擊特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合分時(shí)電價(jià)機(jī)制，給出了適合工業(yè)光伏微電網(wǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電運(yùn)行策略，針對(duì)促進(jìn)光伏消納的儲(chǔ)能柔性容量配置，建立了基于年凈利潤(rùn)最大化和光伏消納最大化的雙目標(biāo)優(yōu)化模型。

結(jié)果顯示：現(xiàn)階段，由于儲(chǔ)能系統(tǒng)成本較高，通過(guò)提高光伏消納率而帶來(lái)的收益小于對(duì)應(yīng)增加儲(chǔ)能的成本，因此，工業(yè)光伏微電網(wǎng)的年凈利潤(rùn)隨著光伏消納率的提升而下降，微電網(wǎng)投資者可依據(jù)所得結(jié)果綜合考慮配置儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性與節(jié)能性，最終做出合理選擇。

本文提出的工業(yè)光伏微電網(wǎng)儲(chǔ)能優(yōu)化配置模型充分分析了工業(yè)重要負(fù)荷的啟動(dòng)沖擊特性和整體負(fù)荷的運(yùn)行特性，能夠保證微電網(wǎng)在離網(wǎng)條件下的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)提高微電網(wǎng)在并網(wǎng)條件下的光伏消納率。隨著儲(chǔ)能電池領(lǐng)域的技術(shù)革新和電池成本的進(jìn)一步下降，本文提出的儲(chǔ)能優(yōu)化配置模型將為工業(yè)光伏微電網(wǎng)投資者的投資策略制定提供更加豐富的參考。

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(編輯 葛艷娜)

Optimal allocation of energy storage system of PV microgrid for industries considering important load

XU Jian1, LIU Nian1, YU Lei1, LEI Jinyong2, ZHANG Jianhua1
(1. North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2. Electric Power Research Institute, CSG, Guangzhou 510080, China)

The load characteristics should be considered in allocation of energy storage for industrial PV microgrid. The purposes of the allocation are ensuring the reliability of power supply and improving the photovoltaic utilization. The paper analyzes the operating characteristics and the impact of starting feature of industry sensitive loads in the PV microgrid for industries. In this paper, energy storage system charging and discharging control strategy based on industry time of use electricity price (TOU) mechanism which is applicable to industrial PV microgrid is proposed. Based on the analysis of main issues of the problem, a multi-objective optimization model is proposed and optimization approach based on NSGA-II algorithm is presented to search the optimal solution. The proposed operating strategy and optimization method are then tested on a Guangdong photovoltaic micro-grid. Results demonstrate that the optimized storage system can meet the requirement of expectation of system uptime under extreme conditions when operate autonomously and improve the PV power consumption rate while interconnect to the grid.

This work is supported by National High-tech R & D Program of China (No. 2014AA052001).

industrial PV microgrid; important load; capacity optimal allocation; photovoltaic power consumptive rate; multi-objective optimization

10.7667/PSPC151073

：2016-01-22

許 健(1988-)，男，通信作者，碩士研究生，研究方向?yàn)楣夥㈦娋W(wǎng)儲(chǔ)能優(yōu)化配置；E-mail: xj198800@163.com

劉 念(1981 -)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)樾履茉磁c智能配用電系統(tǒng)、電力信息安全等；

于 雷(1973 -)，男，博士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)評(píng)價(jià)與應(yīng)急、智能配用電與微電網(wǎng)等。

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014AA052001)