劉 玲

（中國電建集團江西省電力設(shè)計院有限公司，江西南昌 330096）

0 引言

電動汽車作為清潔環(huán)保的交通工具，受到國家發(fā)展戰(zhàn)略的高度重視和政策扶持，具有廣闊的發(fā)展前景。而電動汽車的發(fā)展離不開充電站基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。國家電網(wǎng)公司提出按照“換電為主，插充為輔，集中充電，統(tǒng)一配送”的模式，打造電動汽車能源供給體系。根據(jù)目前的研究成果，如果對電動汽車完全采用接入電網(wǎng)的充電模式，按我國電力系統(tǒng)當前的一次能源結(jié)構(gòu)，電動汽車的碳排放并不比燃油汽車更低，且電動汽車的大量接入會影響電網(wǎng)的調(diào)峰壓力，不利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。根據(jù)當前的發(fā)展情況，要真正意義上改變電網(wǎng)的能源結(jié)構(gòu)是非常困難的，要實現(xiàn)電動汽車的零排放，通過微電網(wǎng)方式實現(xiàn)電動汽車與可再生能源的集成應(yīng)用是最直接的方式。在特定的應(yīng)用場景下（如海島供電），如果能將電動汽車的發(fā)展需求與風光互補供電系統(tǒng)結(jié)合起來，可以彌補各自的不足。一方面，電動汽車的動力電池可以作為儲能，提高風光互補系統(tǒng)的供電可靠性；另一方面，又能提高電動汽車的清潔能源利用率，有效降低碳排放量。

因此，對充電站微網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)和容量優(yōu)化配置進行研究，不僅符合未來充電站建設(shè)的發(fā)展趨勢，亦有助于新能源的消納和電網(wǎng)的穩(wěn)定安全運行。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

受環(huán)境影響，光伏發(fā)電功率和風機發(fā)電功率具有較大的隨機性、波動性和間歇性，電動汽車的充電也具有較大隨機性，為平滑光伏出力的波動性，為減少充電負荷對電網(wǎng)的沖擊，需要配置合理的光伏電板、風機容量、儲能設(shè)備和變流器容量。當前，對微電網(wǎng)中的分布式新能源的容量優(yōu)化配置已積累了豐富的理論成果。同時隨著對電動汽車充電站的研究越來越多，考慮光伏和充電結(jié)合時光伏陣列與儲能設(shè)備之間的容量問題也有不少研究成果。

文獻[1]為提高獨立光伏供電可靠及利用率，根據(jù)光伏與儲能聯(lián)合運行特點，提出以負荷缺電率和能量溢出比為指標的光儲容量優(yōu)化配置方法。文獻[2]基于Copula理論構(gòu)建混合函數(shù)，對光伏出力與充電負荷相關(guān)性描述，以充電站年運行成本最小建立目標函數(shù)。文獻[3]在考慮電動汽車用電需求的前提下，同時發(fā)揮電動汽車換電模式所具備的儲能能力，以系統(tǒng)投資成本、運行成本和電量不足損失成本綜合最低為目標，并考慮風光系統(tǒng)、充放電機和動力電池的約束條件，構(gòu)造含電動汽車充電站的風光互補系統(tǒng)容量優(yōu)化配置模型。文獻[4]建立基于退役動力電池梯次利用的光伏充電站光儲容量配置模型，以充電站年凈收益最大為目標。文獻[5]考慮光儲聯(lián)合出力與調(diào)度計劃適應(yīng)性，以光儲配置除去常量成本凈收益最優(yōu)為目標建立容量優(yōu)化模型。文獻[6]利用負載缺電率衡量系統(tǒng)可靠性、全壽命周期成本衡量系統(tǒng)經(jīng)濟性，建立以系統(tǒng)容量、儲能電池壽命為約束條件的容量優(yōu)化模型。文獻[7]提出了一種含風光互補系統(tǒng)的直流微網(wǎng)，利用電動汽車動力電池作為輔助儲能，仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)可以穩(wěn)定地為負載供電。

目前針對光伏充電站雖然已經(jīng)有較多對光儲容量優(yōu)化的研究分析，有以負荷缺電率和能量溢出比為指標考慮的、有考慮退役電池梯次利用等，均是在優(yōu)先考慮成本和凈收益最優(yōu)為前提情況下，得到最優(yōu)容量配置，未研究各裝置之間的能量耦合與最優(yōu)容量配置的關(guān)系。

2 交直流微網(wǎng)拓補結(jié)構(gòu)分析

2.1 仿真模型

通過Powerfactory 軟件搭建交直流混合微網(wǎng)模型，并結(jié)合實際工程問題，針對含交直流混合微網(wǎng)拓撲中光伏配置方案，即光伏應(yīng)配置于混合微網(wǎng)的直流側(cè)還是交流側(cè)進行仿真研究，用visio軟件畫出的拓撲圖如圖1，在Powerfactory軟件中搭建的仿真拓撲如圖2。

圖1 Visio拓撲圖

圖2 在DIgSILENT/Powerfactory 搭建的仿真拓撲圖

仿真參數(shù)設(shè)置如表1 所示。在實際工程中，可根據(jù)負荷的用電需求和電能傳輸距離做進一步調(diào)整。

仿真條件設(shè)置如下：1）正式的RMS機電暫態(tài)仿真是從10 s開始。2）PV系統(tǒng)的輸入是一個光伏電站的采集數(shù)據(jù)（即10 s～105 s過程。全天每15 min一個采樣點，共96個點，模擬全天的光伏出力），交流測和直流側(cè)的光伏屬于給定的統(tǒng)一的光照數(shù)據(jù)，但是呈倍數(shù)關(guān)系。3）交流負荷數(shù)據(jù)為某工廠的負荷數(shù)據(jù)（即10 s～105 s過程。全天每15 min一個采樣點，共96個點，模擬全天的負荷波動），直流負荷為給定的一個恒定值。4）交流側(cè)儲能在交流側(cè)光伏出力>交流側(cè)負荷功率時關(guān)閉，暫時未考慮充電過程，直流側(cè)儲能與交流側(cè)相同。

表1 仿真參數(shù)

2.2 仿真結(jié)果分析

當5 MW 的光伏位于直流側(cè)，主要仿真結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 交流側(cè)與直流側(cè)光伏、儲能出力與負荷功率

圖4 交流側(cè)與直流側(cè)電壓和交流側(cè)頻率波動情況

當5 MW 的光伏位于交流側(cè)，主要仿真結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 交流側(cè)與直流側(cè)光伏、儲能出力與負荷功率

圖6 交流側(cè)與直流側(cè)電壓和交流側(cè)頻率波動情況

由仿真結(jié)果可知，在所給仿真參數(shù)下，系統(tǒng)能正常響應(yīng)光伏出力變化以及負荷變化。直流微網(wǎng)的電壓和交流微網(wǎng)的電壓及頻率均未發(fā)生較大波動，證明了該拓撲架構(gòu)設(shè)計的可行性以及電壓等級選取的合理性。此外，在仿真中發(fā)現(xiàn)，當遠期光伏放在交流側(cè)，交流母線在模式切換時刻的頻率波動更小了。如果光伏的工程建設(shè)公司技術(shù)成熟，遠期光伏放在交流側(cè)更恰當。此時無需配備交流和直流母線間大容量的AC-DC 換流器。而且一般光伏廠家在實際操作中都是在交流系統(tǒng)安裝光伏，在相應(yīng)面板串并聯(lián)方案及換流的配套設(shè)備上技術(shù)更為成熟。按照電源與負載接入系統(tǒng)的形式以及交流和直流母線的配置方式，交直流混合微網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)可分為交流耦合型混合微網(wǎng)、直流耦合型混合微網(wǎng)、交直流耦合型混合微網(wǎng)。該仿真選取的混合微網(wǎng)拓撲是交直流耦合型混合微網(wǎng)，如圖7 所示，外部電網(wǎng)接在交流母線側(cè)。該拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：兩側(cè)子微網(wǎng)系統(tǒng)容量均衡，功率流動較少，易于控制。而且由于并網(wǎng)點在交流母線側(cè)，可通過靈活控制并網(wǎng)點開關(guān)，實現(xiàn)混合微網(wǎng)在并網(wǎng)運行與孤島運行兩種狀態(tài)下切換，適用于交流DG（distributed generation）及交流負荷占比重較大，而直流DG 和直流負荷分布較少的場合，目前應(yīng)用較為廣泛。

圖7 交直流混合微網(wǎng)基本拓撲

3 交直流混合充電站的容量優(yōu)化配置研究

3.1 仿真模型

文中通過Homer軟件搭建交直流混合充電站的微網(wǎng)模型，見圖8所示。以凈現(xiàn)成本最小為優(yōu)化目標得到充電站的最優(yōu)容量優(yōu)化配置，并揭示了各裝置之間的耦合關(guān)系，分析耦合關(guān)系對裝置容量的影響，最后通過靈敏度分析法分析購電電價對充電站優(yōu)化規(guī)劃的影響。

該充電站為并網(wǎng)型充電站，主要包括風機、光伏發(fā)電、儲能以及變流器。其中，虛線部分表示容量待優(yōu)化的裝置。

圖8 交直流混合充電站微網(wǎng)模型

3.2 仿真結(jié)果分析

文中對交直流混合充電站進行容量優(yōu)化配置時，在滿足負荷需求的同時，以凈現(xiàn)成本最小為優(yōu)化目標進行規(guī)劃。凈現(xiàn)成本包括各裝置的投資成本、置換成本、運維成本、購電成本以及碳排放成本。文中采用分時電價從電網(wǎng)購電，如表2 所示。交直流混合充電站的運行周期為20年。

表2 分時電價

表3 給出了4 種優(yōu)化方案，按照凈現(xiàn)成本從小到大進行排列。從表中可以得到，方案1 的凈現(xiàn)成本最小，充電站的最優(yōu)容量配置應(yīng)包括光伏、儲能和變流器。對比方案1 和方案2，可以得到方案2 的風機裝機容量很小，這是因為該地區(qū)的風能資源較差且風機投資成本較高，不適宜安裝風機。對比方案1、2、4，可以得到隨著光伏容量的減小，儲能容量一直在增大。這是因為光伏容量減小，儲能需在電價較低時進行充電，以滿足高峰負荷地需求，從而減少購電成本，使得充電站高效經(jīng)濟地運行。同時，從表3 可以得到，方案1 的度電成本最小，隨著電動汽車負荷的增大，方案1的經(jīng)濟優(yōu)勢更加顯著。

4 結(jié)語

1）通過仿真結(jié)果得到遠期光伏放在交流側(cè)，可減小交流母線的在模式切換時刻的頻率波動。結(jié)合實際工程問題得到，若光伏的工程建設(shè)公司技術(shù)成熟，遠期光伏放在交流側(cè)更恰當。因此本研究對交直流混合微網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)規(guī)劃問題有一定的指導性。

2）本研究結(jié)合實際平臺，建立交直流混合充電站的仿真模型，得到了交直流混合充電站的最優(yōu)容量配置方案，并分析了裝置之間的耦合關(guān)系和購電電價對容量優(yōu)化配置的影響。由仿真結(jié)果分析可得可再生能源與負荷會直接影響到容量優(yōu)化配置結(jié)果，因此在充電站的前期規(guī)劃中，應(yīng)實地考察當?shù)氐目稍偕茉磁c電動汽車充電的需求，在滿足供電可靠的條件下，減小前期的投資成本。對于并網(wǎng)型交直流混合充電站，應(yīng)在前期規(guī)劃中與電網(wǎng)協(xié)商購電電價，購電電價也會直接影響到容量優(yōu)化配置的結(jié)果。