孟垂懿, 鄒全平

(1.沈陽(yáng)工程學(xué)院國(guó)際教育學(xué)院,遼寧沈陽(yáng) 110136;2.沈陽(yáng)工程學(xué)院電力學(xué)院,遼寧沈陽(yáng) 110136)

近年來,新能源技術(shù)的興起促進(jìn)了微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的快速發(fā)展,人們對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的研究逐漸深入。周金輝等著的《微電網(wǎng)儲(chǔ)能運(yùn)行控制關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用》一書,聚焦于微電網(wǎng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制及關(guān)鍵技術(shù)研究,首先對(duì)各種電池儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用做了簡(jiǎn)要介紹,并闡述微電網(wǎng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)的重要性;繼而對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的建模進(jìn)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(dú)立型和并網(wǎng)型兩類微電網(wǎng)模式的儲(chǔ)能優(yōu)化配置方法,并制定相應(yīng)的儲(chǔ)能運(yùn)行策略;接著闡述儲(chǔ)能技術(shù)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用,設(shè)計(jì)了基于多代理系統(tǒng)(MAS)的能量管理系統(tǒng)和利用聯(lián)絡(luò)線進(jìn)行功率控制的優(yōu)化算法,并簡(jiǎn)要介紹微電網(wǎng)中的并聯(lián)控制技術(shù)及混合儲(chǔ)能技術(shù);最后列舉了幾個(gè)微電網(wǎng)儲(chǔ)能工程的實(shí)際應(yīng)用案例。

1 儲(chǔ)能技術(shù)簡(jiǎn)介

儲(chǔ)能技術(shù)是指將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量存儲(chǔ)起來,應(yīng)用時(shí)再釋放的技術(shù)。隨著科技的發(fā)展,各種儲(chǔ)能方式不斷出現(xiàn),如電化學(xué)儲(chǔ)能,包括鉛酸電池、鋰離子電池和液流電池等;機(jī)械儲(chǔ)能,包括飛輪儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能等;電磁儲(chǔ)能,包括超級(jí)電容器、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能等。鉛酸電池的應(yīng)用較廣泛,由于功率上限較低,價(jià)格便宜,在低功率等級(jí)的領(lǐng)域(照明、通信等)應(yīng)用中經(jīng)濟(jì)效益最高。在大功率應(yīng)用方面,壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)展較為成熟,最高功率可達(dá)兆瓦級(jí),適合大規(guī)模商用。微電網(wǎng)是由各種能量存儲(chǔ)、保護(hù)、轉(zhuǎn)換裝置及相關(guān)控制系統(tǒng)組成的分布式發(fā)電系統(tǒng),儲(chǔ)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(luò)線的功率波動(dòng)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(shí),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(chǔ)能技術(shù),顯得尤為重要。

2 微電網(wǎng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)的建模分析

在微電網(wǎng)中,儲(chǔ)能系統(tǒng)占據(jù)了重要的位置,其中儲(chǔ)能變流器對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮起著至關(guān)重要的作用。根據(jù)工作原理的差異,儲(chǔ)能變流器可分為單極式和雙極式兩種。單極式儲(chǔ)能變流器主要由交直流濾波器、逆變電路、直流側(cè)電路和預(yù)充回路等組成,直流電壓范圍相對(duì)較窄,體積較小,成本低,控制策略簡(jiǎn)單易懂,且轉(zhuǎn)換效率較高,在鉛酸電池及鋰離子電池中應(yīng)用較多。雙極式儲(chǔ)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(duì)較寬,最低可達(dá)0 V,但體積略大,成本高昂,控制策略較復(fù)雜,轉(zhuǎn)換效率達(dá)不到主流應(yīng)用的需求。目前來說,應(yīng)用面較窄,在超級(jí)電容器等沒有初始電壓的元件中應(yīng)用較多。

該書對(duì)幾種常見的儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行建模分析研究。首先,針對(duì)3種常見的儲(chǔ)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(jì)算模型和重置周期的計(jì)算模型等;②在鉛酸電池系統(tǒng)中,建立了可用容量計(jì)算模型、SOC計(jì)算模型和剩余容量計(jì)算模型等;③在超級(jí)電容電池系統(tǒng)中,建立了數(shù)學(xué)模型、穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型等。其次,針對(duì)3種常見的儲(chǔ)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(dá)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(jì)劃(PNGV)及改進(jìn)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(shí)現(xiàn)負(fù)荷、能量、電壓和充放電功率等的精確計(jì)算;③在超級(jí)電容電池系統(tǒng)中,建立了物理結(jié)構(gòu)模型、電氣模型和阻抗模型等,以提高容量、阻抗等的計(jì)算精度。

3 微電網(wǎng)中儲(chǔ)能優(yōu)化配置

一般來說,微電網(wǎng)包括獨(dú)立型和并網(wǎng)型兩大類。獨(dú)立型微電網(wǎng)不與大電網(wǎng)連接,而是利用風(fēng)力、光伏等方式發(fā)電,能起到保護(hù)環(huán)境、提高資源利用率的作用,常用于海島及偏遠(yuǎn)地區(qū)。并網(wǎng)型微電網(wǎng)實(shí)際與大電網(wǎng)相互連接,儲(chǔ)能功能多樣,能減小電壓電流波動(dòng)對(duì)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(chǔ)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(yùn)行時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)和微電網(wǎng)之間會(huì)產(chǎn)生功率和能量的流動(dòng),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(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)劣?；诖?該書建立了微電網(wǎng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)的模型,研究了上述參數(shù)的關(guān)系及精確計(jì)算方法。

儲(chǔ)能設(shè)備的容量對(duì)微電網(wǎng)的運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性影響很大。如果容量配置達(dá)不到完成任務(wù)的要求,會(huì)影響微電網(wǎng)的正常運(yùn)行;如果容量配置過大,會(huì)增加經(jīng)濟(jì)成本。優(yōu)化儲(chǔ)能容量配置,并制定相應(yīng)的儲(chǔ)能運(yùn)行策略,可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的共贏。目前,科研人員通常從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和環(huán)保等方面來衡量微電網(wǎng)的性能。經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)包括投資、安裝、運(yùn)行、維護(hù)、使用壽命、燃料用量和殘值處理等,以評(píng)估微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益;技術(shù)性指標(biāo)包括可再生能源的發(fā)電比、丟棄率和失負(fù)荷率等,以反映微電網(wǎng)運(yùn)行性能的好壞;環(huán)保性指標(biāo)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(shí),要考慮實(shí)際的需求,針對(duì)某個(gè)指標(biāo)(通常是經(jīng)濟(jì)性)或多個(gè)指標(biāo)(經(jīng)濟(jì)性+環(huán)保性/可靠性)進(jìn)行優(yōu)化。無論是哪種優(yōu)化方式,都需要建立目標(biāo)函數(shù),再在獨(dú)立型微電網(wǎng)中設(shè)置安全約束(容量)、運(yùn)行約束(功率)條件,或在并網(wǎng)型微電網(wǎng)中設(shè)置運(yùn)行約束(功率)、配置約束條件,得到理想狀態(tài)下的優(yōu)化結(jié)果。

除了優(yōu)化儲(chǔ)能配置之外,良好的儲(chǔ)能運(yùn)行策略也會(huì)對(duì)微電網(wǎng)的運(yùn)行效果產(chǎn)生重要影響。通常,在獨(dú)立型微電網(wǎng)中,固定邏輯規(guī)則運(yùn)行策略較為常見,即電源按照某種事先設(shè)計(jì)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(yùn)行策略則應(yīng)用廣泛,該策略能夠全盤考慮全網(wǎng)的運(yùn)行工況,選擇最合適的目標(biāo)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。

4 儲(chǔ)能在微電網(wǎng)優(yōu)化控制中的應(yīng)用

隨著科技的進(jìn)步,光伏發(fā)電在西部地區(qū)的應(yīng)用越來越多,但光伏發(fā)電只能在天氣晴好、陽(yáng)光明媚的日間進(jìn)行,不易控制。要在微電網(wǎng)中布置儲(chǔ)能裝置,以充分利用光轉(zhuǎn)電的能量,減少柴油機(jī)的運(yùn)行時(shí)間,保障微電網(wǎng)系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。目前,在獨(dú)立型微電網(wǎng)中,人們建立了光儲(chǔ)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(duì)電源間協(xié)調(diào)工作的影響;同時(shí),該系統(tǒng)中的控制器是相互獨(dú)立、互不影響的,可實(shí)現(xiàn)分布式控制。基于此,針對(duì)獨(dú)立型微電網(wǎng),該書設(shè)計(jì)了一種基于MAS的能量管理系統(tǒng),該系統(tǒng)由分布式架構(gòu)組成,包括預(yù)測(cè)層、調(diào)度層及控制層。預(yù)測(cè)層可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率預(yù)測(cè),獲取各種電價(jià)信息及用戶信息等;調(diào)度層能根據(jù)電網(wǎng)的運(yùn)行情況重新分配功率,以滿足實(shí)際需求;控制層可在微電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓,在出現(xiàn)意外時(shí)切換控制策略,進(jìn)行負(fù)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(shè)計(jì)了基于MAS的能量?jī)?yōu)化管理算法,在調(diào)度層中添加虛擬競(jìng)價(jià)機(jī)制,使設(shè)備代理充分表達(dá)意愿,做出合理的決策。針對(duì)功率控制偏差的問題,優(yōu)化算法將出現(xiàn)誤差的功率轉(zhuǎn)移到備用電源上,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)功率分配。為驗(yàn)證優(yōu)化算法的有效性,該書建立了PXIRTDS仿真系統(tǒng),設(shè)置小水電輸出的最小功率為0.5 MW,柴油發(fā)電機(jī)輸出的最小功率為0.5 MW,并給出多種突發(fā)事件,以驗(yàn)證算法效果。提出的算法可進(jìn)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(luò)線進(jìn)行功率控制的優(yōu)化算法。該算法通過滾動(dòng)優(yōu)化的方式調(diào)節(jié)充放電功率,并利用預(yù)測(cè)校正方式優(yōu)化充放電狀態(tài),使經(jīng)濟(jì)效益最大化;同時(shí),算法利用控制單元的協(xié)調(diào)工作實(shí)現(xiàn)充放電功率的二次分配,以延長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命;最后,算法制定了聯(lián)絡(luò)線功率控制策略,對(duì)功率平滑、自平衡等進(jìn)行優(yōu)化控制。通過實(shí)際的風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)建立模型,驗(yàn)證功率控制優(yōu)化算法的有效性。結(jié)果表明,算法抑制功率波動(dòng)的效果較好,并能根據(jù)電網(wǎng)的負(fù)荷情況重新分配功率。

5 微電網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)

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

由于不同的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)各異,對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)的要求也有所不同。目前,微電網(wǎng)使用的儲(chǔ)能技術(shù)以混合儲(chǔ)能為主。根據(jù)接入方式的不同,混合儲(chǔ)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(chǔ)能是在母線上放置若干個(gè)儲(chǔ)能元件以及DC/交流電(AC)變流器,實(shí)現(xiàn)電能的輸入和輸出,成本較低,簡(jiǎn)單易控制;分布式混合儲(chǔ)能則根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合,按照需求放置儲(chǔ)能元件,然后接入電網(wǎng),靈活方便,容易擴(kuò)容,但是維護(hù)成本較高,控制策略較復(fù)雜。

6 微電網(wǎng)儲(chǔ)能工程實(shí)際案例

目前,微電網(wǎng)儲(chǔ)能的相關(guān)研究成果在實(shí)際工程中展開了較為廣泛的應(yīng)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(chǔ)水等微電網(wǎng)應(yīng)用工程的建設(shè)情況,并根據(jù)各個(gè)地區(qū)的水文、氣候、地勢(shì)等不同特點(diǎn),建立符合當(dāng)?shù)貙?shí)際發(fā)展需要的微電網(wǎng)工程,以實(shí)現(xiàn)資源、能源的合理利用。

7 結(jié)語(yǔ)

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

書名:微電網(wǎng)儲(chǔ)能運(yùn)行控制關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

作者:周金輝等 編著

ISBN:9787519846602

出版社:中國(guó)電力出版社

出版時(shí)間:2019-11-01

定價(jià):￥66.00元