王 波

(國網(wǎng)安徽省電力公司檢修公司，安徽 合肥 230061)

一種蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)容量優(yōu)化配置方法

王 波

(國網(wǎng)安徽省電力公司檢修公司，安徽 合肥 230061)

蓄電池儲(chǔ)能單元是獨(dú)立可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中必不可少的環(huán)節(jié)，通過其充放電控制能夠滿足發(fā)電功率與復(fù)合之間的實(shí)時(shí)匹配。蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)成本比較高，在進(jìn)行容量配置時(shí)通常需要綜合考慮系統(tǒng)的指標(biāo)要求與成本關(guān)系，從而盡可能在滿足工作要求的情況下降低儲(chǔ)能單元的成本。提出了一種蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性模型，通過給定工作指標(biāo)的要求利用遺傳算法進(jìn)行儲(chǔ)能系統(tǒng)容量優(yōu)化配置。

蓄電池；可再生能源發(fā)電系統(tǒng)；容量優(yōu)化；遺傳算法

含風(fēng)力、太陽能光伏的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，通常有兩種運(yùn)行模式：孤島運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行。對(duì)于獨(dú)立系統(tǒng)而言，主要是滿足發(fā)電功率與負(fù)荷之間的匹配，最大限度的維持功率平衡。可再生能源系統(tǒng)發(fā)電功率是隨天氣條件變化的，存在很大的隨機(jī)性和波動(dòng)性，因此儲(chǔ)能單元是必不可少的部分。通過儲(chǔ)能單元的充放電控制，能夠最大限度滿足獨(dú)立系統(tǒng)的發(fā)電功率與負(fù)荷功率之間的平衡。由于儲(chǔ)能裝置的成本較高，如何對(duì)其容量、功率進(jìn)行合理配置，不僅會(huì)影響到儲(chǔ)能的工作要求，同時(shí)也會(huì)關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。為此，本文進(jìn)行蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化配置研究，主要是通過對(duì)蓄電池儲(chǔ)能單元和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的數(shù)學(xué)建模，考慮獨(dú)立可再生能源發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能單元工作指標(biāo)要求，探討儲(chǔ)能容量-功率二者的最優(yōu)組合[1-5]。

1 蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性模型

對(duì)于蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)而言，其總成本包括初始投資成本、配套設(shè)施成本、運(yùn)行維護(hù)成本以及更換成本[6-7]。

1.1 電池初始投資成本

初始投資成本主要與容量配置和最大充放電功率配置有關(guān)。假設(shè)容量配置為EESS，最大充放電功率為PESS。則初始投資成本CINI可表示為：

CINI=Ke×EESS+Kp×PESS

(1)

式中Ke——容量成本系數(shù)，＄/MWh；

Kp——功率成本系數(shù)，＄/MW。

1.2 電池配套設(shè)施成本

配套設(shè)施成本CAF主要是儲(chǔ)能工作所需的雙向變流器的投資成本，通常與蓄電池的最大充放電功率有關(guān)，因此可以表示為：

CAF=Kaf×EESS

(2)

式中Kaf——配套設(shè)施成本系數(shù)，＄/MW。

1.3 電池運(yùn)行維護(hù)成本

儲(chǔ)能系統(tǒng)的年運(yùn)行維護(hù)成本COM也與最大充放電功率有關(guān)，可表示為：

COM=KOM×PESS

(3)

式中KOM——年運(yùn)行維護(hù)成本系數(shù)，＄/MW。

1.4 電池更換成本

由于儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命有限，在一定的工程使用周期內(nèi)，通常要進(jìn)行儲(chǔ)能及其相關(guān)配套裝置的更換，因此需要考慮相應(yīng)的更換成本費(fèi)用，并且儲(chǔ)能系統(tǒng)更換成本CREP與工程使用年限內(nèi)的更換次數(shù)NREP有關(guān)，即有：

CREP(Ke×EESS+Kp×PESS)×NREP

(4)

假設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命為LESS，工程使用年限為LPROJ，NREP可按下式計(jì)算：

(5)

式中 INT( )——取整函數(shù)。

因此，整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)工程使用年限中的總成本CSUM為

CSUM=CINI+CAF+COM+CPROJ+CREP

(6)

2 優(yōu)化模型與求解

2.1 獨(dú)立系統(tǒng)儲(chǔ)能優(yōu)化配置模型

獨(dú)立可再生能源發(fā)電系統(tǒng)主要依靠內(nèi)部電源滿足負(fù)荷需求。由于風(fēng)力和光伏發(fā)電功率存在很大的不確定性和波動(dòng)性，通常需要在發(fā)電出口配置一定容量的儲(chǔ)能裝置來協(xié)調(diào)二者的平衡，最大限度地增強(qiáng)它們的匹配性，從而滿足系統(tǒng)供電可靠性的要求。當(dāng)儲(chǔ)能容量配置過小時(shí)，往往難以達(dá)到系統(tǒng)的目標(biāo)要求，而配置過大又會(huì)造成容量的冗余影響系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)來說，通常其最大可充放電功率可達(dá)額定容量的數(shù)倍，但是在實(shí)際運(yùn)行中可能用不到其實(shí)際的最大可充放電功率，如果以儲(chǔ)能系統(tǒng)自身最大可充放電功率來配置逆變器，容量會(huì)很大，勢(shì)必會(huì)增加成本投入。在進(jìn)行儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化配置時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電要求進(jìn)行合理規(guī)劃，尋找最優(yōu)的容量-功率組合，在滿足系統(tǒng)要求的情況下最大化地降低儲(chǔ)能成本[8-10]。

(1)目標(biāo)函數(shù)

min:f(EESS,PESS)

=CIN+CAF+COM+CREP

=(1+NREP)KeEESS+(Kp+KAF+KOMLPROJ+NREPKp)PESS

(7)

(2)約束條件

假設(shè)t時(shí)刻可再生能源系統(tǒng)輸出功率為PRE(t)，負(fù)荷功率為Pload(t)，儲(chǔ)能充放電功率為PESS(t)，大于0表示放電，反之充電。

①電力不足率約束。當(dāng)Pload(t)>PRE(t)，儲(chǔ)能系統(tǒng)放電，如果此時(shí)由于儲(chǔ)能自身能量下限或者放電功率的限制導(dǎo)致放電后仍不能達(dá)到負(fù)荷要求即PESS(t)+PRE(t)

電力不足率LOEP

(8)

電力不足約束

LOEP≤LOEP，max

(9)

式中LOEP，max——根據(jù)系統(tǒng)供電可靠性要求給定的最大電力不足率限定值。

②電力盈余率約束。當(dāng)Pload(t)Pload(t)時(shí)，會(huì)造成電力的盈余，這樣資源不能得到充分利用，因此需要盡可能的降低電力盈余率以防止能量的過度浪費(fèi)。

電力盈余率SOEP

(10)

電力盈余率約束

SOEP≤SOEP，max

(11)

式中 SOEP，max——給定的最大電力盈余率限定值。

因此，對(duì)于獨(dú)立可再生能源發(fā)電系統(tǒng)而言，優(yōu)化的過程就是，在滿足電力盈余率和電力不足率約束條件下，尋找最優(yōu)的EESS-PESS組合，使得儲(chǔ)能系統(tǒng)的總成本最低[10-12]。

2.2 優(yōu)化模型的求解

對(duì)于本文中的優(yōu)化問題，共有兩個(gè)變量EESS和PESS，可以利用遺傳算法進(jìn)行求解，首先需要進(jìn)行適應(yīng)度函數(shù)的選取。

(1)適應(yīng)度函數(shù)的選取?？梢詫⒛繕?biāo)函數(shù)和約束條件進(jìn)行結(jié)合，轉(zhuǎn)化成如下適應(yīng)度函數(shù)：

FFTT=f(EESS，PESS)+α·ABS(LOEP-LOEP，max)+βABS(SOEP-SOEP，max)

(14)

式中 ABS( )——絕對(duì)值函數(shù)；

fFIT1——獨(dú)立系統(tǒng)適應(yīng)度函數(shù)，為了能夠使得最優(yōu)解滿足獨(dú)立系統(tǒng)電力不足率和電力盈余率的要求，這里α，β，γ的取值較大。

(2)求解過程。確定優(yōu)化目標(biāo)以及適應(yīng)度函數(shù)。對(duì)于獨(dú)立系統(tǒng)輸入給定時(shí)間段內(nèi)的可再生能源功率數(shù)據(jù)、負(fù)荷數(shù)據(jù)，通過遺傳算法進(jìn)行最優(yōu)(EESS，PESS)的計(jì)算。獨(dú)立系統(tǒng)儲(chǔ)能優(yōu)化配置的整個(gè)算法流程如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置優(yōu)化算法流程圖

3 算例分析

假設(shè)某獨(dú)立可再生能源發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電功率和負(fù)荷功率如圖2所示，給定電力不足率限定值LOEP，max=0.007，電力盈余率限定值SOEP，max=0.008。根據(jù)獨(dú)立系統(tǒng)儲(chǔ)能優(yōu)化模型求解，優(yōu)化結(jié)果如表1所示。負(fù)荷外功率變化值如圖2所示。電力不足率LOEP與儲(chǔ)能系統(tǒng)容量—功率之間的關(guān)系如圖3所示。電力盈余率SOEP與儲(chǔ)能系統(tǒng)容量—功率之間的關(guān)系如圖4所示。

圖2 獨(dú)立可再生能源發(fā)電系統(tǒng)功率輸出和負(fù)荷功率

圖2 負(fù)荷外功率變化值

圖3 電力不足率LOEP與儲(chǔ)能系統(tǒng)容量—功率之間的關(guān)系

圖4 電力盈余率SOEP與儲(chǔ)能系統(tǒng)容量—功率之間的關(guān)系

容量EESS/MWh功率PESS/MW總成本CSUM/$電力不足率LOEP電力盈余率SOEP27327.16155.24×1060.0070.00776

在沒有配置儲(chǔ)能裝置時(shí)，獨(dú)立可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的LOEP=0.134 574，SOEP=0.130 38。由圖3和圖4可以看出，隨著電池儲(chǔ)能系統(tǒng)容量和功率的增大，電力盈余率SOEP和電力不足率LOEP呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。當(dāng)配置容量為273MWh，最大充放電功率為27.16MW的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)后，系統(tǒng)的LOEP=0.007，SOEP=0.007 76。

從圖3和圖4中可以看出，當(dāng)固定容量EESS=273MWh，在PESS<27.16MW時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置已能達(dá)到平衡系統(tǒng)功率的所需容量，但是由于儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率的限制，儲(chǔ)能系統(tǒng)的功能沒能得到發(fā)揮，隨著功率配置的不斷增加SOEP和LOEP逐漸降低直到27.16MW時(shí)滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)要求；當(dāng)固定功率PESS=27.16MW，在EESS<273MW時(shí)，雖然儲(chǔ)能系統(tǒng)功率配置能夠滿足平衡目標(biāo)外所需功率的要求，但是由于能量的不足同樣會(huì)限制儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)揮作用，隨著容量配置的增加SOEP和SOEP降低直到EESS=273MW時(shí)，能夠完全滿足系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能單元的要求。

在儲(chǔ)能系統(tǒng)功率和容量配置都足夠大時(shí)，SOEP和LOEP可以完全達(dá)到0，但是由于儲(chǔ)能系統(tǒng)成本比較高，這樣會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性差。獨(dú)立系統(tǒng)儲(chǔ)能成本COST，sum與容量—功率之間的關(guān)系如圖5所示。從圖5可以看到，隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量和功率配置的增大，儲(chǔ)能系統(tǒng)成本呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。在系統(tǒng)給定的電力盈余率和電力不足率要求下，EESS=273MWh，PESS=27.16MW時(shí)投資成本最小。

圖5 獨(dú)立系統(tǒng)儲(chǔ)能成本COST，sum與容量—功率之間的關(guān)系

4 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了含風(fēng)力和太陽能光伏電池的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池儲(chǔ)能單元的容量—功率優(yōu)化配置模型，主要是綜合考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的各種投資費(fèi)用，例如初始投資成本、配套設(shè)施成本、運(yùn)行維護(hù)成本以及更換成本?；讵?dú)立可再生能源發(fā)電系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能單元的充放電功能要求，考慮整個(gè)系統(tǒng)的約束條件，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)即儲(chǔ)能系統(tǒng)總投資成本最小的要求，通過遺傳算法能夠準(zhǔn)確計(jì)算最佳的容量-功率組合，這樣就為可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能及其配套裝置的規(guī)劃提供了精確的優(yōu)化計(jì)算方法和可行的參考思路。

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(本文編輯：楊林青)

Optimal Configuration Method for A Battery Storage System Capacity

WANG Bo

(State Grid Anhui Maintenance Company, Hefei 230061, China)

Battery energy storage unit is an essential part of independent renewable generation system. It can meet the real-time match between power generation and load through its charge and discharge control. The battery energy storage system cost is relatively high, so we should usually consider the relationship between system indicator requirements and its cost, and reduce the cost of energy storage unit as far as possible. Therefore, this paper proposes an economical model of energy storage system, which can achieve the capacity optimization of energy storage system under the given work indicators using the genetic algorithms.

storage battery; renewable energy power generation system; capacity optimization; genetic algorithm (GA)

10.11973/dlyny201701016

王 波(1988-)，男，工程師，主要研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)運(yùn)行與控制，新能源發(fā)電技術(shù)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化建模與控制。

TM912

A

2095-1256(2017)01-0068-04

2016-11-13