李 偉，劉 立，王豪琦，何思敏

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443000)

目前，隨著全球生態(tài)環(huán)境的改變，新能源發(fā)電早已成為各個(gè)國(guó)家關(guān)注的熱點(diǎn)問題，在新能源發(fā)電領(lǐng)域光伏與風(fēng)電因其對(duì)環(huán)境破壞小，經(jīng)濟(jì)性好而得到了廣泛應(yīng)用。相比于單純的光伏與風(fēng)力發(fā)電，風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)具有較好的相互補(bǔ)償特性，但即使這樣孤立風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)依舊受自然條件限制很大，這就造成了風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)發(fā)電的不確定性與較強(qiáng)隨機(jī)性，而儲(chǔ)能單元可以作為風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的補(bǔ)充電源，在棄風(fēng)棄光時(shí)將電能以化學(xué)能的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，而當(dāng)負(fù)荷高峰期時(shí)，儲(chǔ)能單元可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，減少負(fù)荷缺電率，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以如何規(guī)劃風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)中儲(chǔ)能容量的大小是目前研究的熱點(diǎn)問題之一。

針對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)儲(chǔ)能容量的規(guī)劃問題，早已有很多學(xué)者進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1]提出以新能源滲透率、消納率、負(fù)荷匹配度作為風(fēng)光互補(bǔ)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，并使用分支界定法與Charnes-Cooper方法求解容量配置模型。文獻(xiàn)[2]以風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)跟蹤調(diào)度曲線能力為指標(biāo)，并采用一種變步長(zhǎng)循環(huán)離散方法求解優(yōu)化模型得到最優(yōu)儲(chǔ)能優(yōu)化配置。文獻(xiàn)[3]以綜合成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，運(yùn)用遺傳算法求解容量配置優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[4]考慮風(fēng)光出力的不確定性，建立風(fēng)光出力模型，以系統(tǒng)新能源損失最小為目標(biāo)函數(shù)求解儲(chǔ)能容量配置。文獻(xiàn)[5]應(yīng)用機(jī)會(huì)約束規(guī)劃理論建立了經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型,并提出一種基于隨機(jī)模擬技術(shù)的粒子群優(yōu)化算法對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行方案進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[6-7]通過對(duì)風(fēng)、光、儲(chǔ)系統(tǒng)的建模，并對(duì)其進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，得到了儲(chǔ)能容量的最優(yōu)配置。

以上所述文獻(xiàn)中或就其技術(shù)性指標(biāo)或就其經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行儲(chǔ)能系統(tǒng)的規(guī)劃，未能做到兩者統(tǒng)一，而在實(shí)際工程中儲(chǔ)能系統(tǒng)的建設(shè)需兩者兼顧。本文提出基于兩階段模型的風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)容量配置，系統(tǒng)包含光伏模塊、風(fēng)機(jī)、儲(chǔ)能電池等。其中以負(fù)荷缺電率、新能源棄用率作為第一階段的優(yōu)化目標(biāo)，在保證系統(tǒng)供電可靠性的同時(shí)確定儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化區(qū)間。第二階段以年新能源棄用成本與儲(chǔ)能初始投資年均成本為目標(biāo)函數(shù)確定儲(chǔ)能的最優(yōu)容量。并選取某地實(shí)際風(fēng)光出力數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，證明了所提模型的有效性。

1 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由4部分構(gòu)成：風(fēng)電單元、光伏組件、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和本地負(fù)荷。風(fēng)電、光伏發(fā)電單元和儲(chǔ)能單元通過各自的DC/DC變換器匯總至直流公共母線，再經(jīng)公用的DC/AC逆變器給負(fù)荷供電。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

2.1 負(fù)荷缺電率

負(fù)荷缺電率表示一定時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)發(fā)電功率不能滿足負(fù)荷需求的概率。在評(píng)價(jià)周期T內(nèi)負(fù)荷缺電率可表示為該時(shí)段內(nèi)的負(fù)荷缺電量與負(fù)荷總需求的比率。風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)負(fù)荷缺電率表示方法：

QQD(t)=[PFH(t)-PPV(t)η1-PPW(t)η2]Δt

(1)

式中：PFH(t)為t時(shí)刻系統(tǒng)負(fù)荷需求；PPV(t)η1為t時(shí)刻光伏組件發(fā)出的平均功率；PPW(t)η2為風(fēng)電發(fā)出的平均功率；η1為逆變器C1效率；η2為逆變器C2的效率。

負(fù)荷缺電量QQD(t)一般為正值，定義負(fù)荷缺電率QQDL為

(2)

式中：t0為初始時(shí)刻；n為時(shí)間序列；QQDL的取值范圍為[0-1]，取0時(shí)表面在所求時(shí)間序列范圍內(nèi)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)所發(fā)出的功率滿足負(fù)荷需求，取1時(shí)表明在所求時(shí)間段內(nèi)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)所發(fā)出的功率不能滿足負(fù)荷需求。

2.2 新能源棄用率

新能源棄用率指在時(shí)間T內(nèi)系統(tǒng)棄用的新能源能量與可再生能源發(fā)出總能量的比值，常用作衡量可再生能源消納水平，工程一般取5%～30%之間。風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)新能源棄用率表示方法：

QQY(t)=[PPV(t)η1+PPW(t)η2-PFH(t)]Δt

(3)

新能源棄用量一般為正值，定義新能源棄用率QQYL為

(4)

3 容量配置優(yōu)化方法

3.1 建立儲(chǔ)能功率需求

在考核周期T內(nèi)，設(shè)某一時(shí)刻t時(shí)系統(tǒng)的功率不平衡量為ΔP，則

ΔP(t)=PFH(t)-PPV(t)η1-PPW(t)η2

(5)

式中，ΔP(t)的正負(fù)值具有隨機(jī)性，當(dāng)ΔP(t)>0時(shí)表示儲(chǔ)能需要放電，ΔP(t)<0時(shí)表示儲(chǔ)能需要充電。

在進(jìn)行功率配置時(shí)，需要儲(chǔ)能單元能夠滿足或者吸納所求時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)的最大功率缺額P1，或者最大剩余功率P2，所以儲(chǔ)能的定額功率PED為

(6)

式中，η3為儲(chǔ)能變換器的效率。

3.2 建立儲(chǔ)能容量需求

當(dāng)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的發(fā)電功率小于負(fù)荷時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)向電網(wǎng)釋放的容量ΔE為

ΔE=Δt[PFH(t)-PPV(t)η1-PPW(t)η2]/η4

(7)

式中，η4為儲(chǔ)能系統(tǒng)放電效率。

當(dāng)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的發(fā)電功率大于負(fù)荷時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)從電網(wǎng)吸收的容量ΔE為

ΔE=Δt[PPV(t)η1+PPW(t)η2-PFH(t)]/η5

(8)

式中，η5為儲(chǔ)能系統(tǒng)充電效率。

4 容量配置優(yōu)化方法

本文第一階段模型考慮風(fēng)光出力特性、儲(chǔ)能出力特性等為約束，建立負(fù)荷缺電率、新能源棄用率指標(biāo)。求解儲(chǔ)能容量配置優(yōu)化區(qū)間。第二階段模型綜合考慮新能源棄用年懲罰成本，儲(chǔ)能初始投資年均成本。以新能源棄用年懲罰成本和儲(chǔ)能初始投資年均成本最小為優(yōu)化目標(biāo)求解儲(chǔ)能最優(yōu)容量配置。求解流程如圖2所示，具體求解步驟如下：

圖2 求解流程圖

1)輸入風(fēng)、光、負(fù)荷數(shù)據(jù)等；

2)儲(chǔ)能容量從0開始，選定儲(chǔ)能步長(zhǎng)逐步增加到最大值，確定儲(chǔ)能相關(guān)參數(shù)，具體包括功率、逆變器功率等；

3)設(shè)定負(fù)荷缺電率和新能源棄用率區(qū)間，建立以年度為考核周期的優(yōu)化調(diào)度模型；

4)第一階段，求解步驟2中建立的調(diào)度模型，在給定負(fù)荷缺電率和新能源棄用率區(qū)間前提下求解儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化區(qū)間；

5)第二階段，更新儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化區(qū)間；

6)判斷在當(dāng)前儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化區(qū)間內(nèi)是否存在確定值使目標(biāo)函數(shù)存在最優(yōu)解，否則修改負(fù)荷缺電率和新能源棄用率區(qū)間執(zhí)行步驟4，是則執(zhí)行步驟7；

7)輸出儲(chǔ)能最優(yōu)配置容量，計(jì)算系統(tǒng)總成本費(fèi)用，流程結(jié)束。

4.1 目標(biāo)函數(shù)

本文目標(biāo)函數(shù)為新能源棄用年懲罰成本與儲(chǔ)能初始投資年均成本最小。

minCXT=CEERATEφ+Fqy

(9)

式中：CXT為新能源棄用年懲罰與儲(chǔ)能初始投資年均成本；ERATE為儲(chǔ)能容量；CE為儲(chǔ)能容量單位投資成本；Fqy為新能源棄用懲罰成本；φ為年均成本投資因子。

4.2 約束條件

1)風(fēng)光出力約束

(10)

(11)

式中：Sw表示風(fēng)電的實(shí)際裝機(jī)容量；Sv表示光伏的實(shí)際裝機(jī)容量。

2)負(fù)荷平衡約束

(12)

3)棄風(fēng)棄光約束

(13)

4)電儲(chǔ)能約束

0≤SOCd,t≤Emax

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

5)新能源棄用成本

(19)

6)儲(chǔ)能單元現(xiàn)值因子

(20)

式中：r表示為儲(chǔ)能單元貼現(xiàn)率；n表示儲(chǔ)能單元的壽命。

5 算例分析

本算例采用北方某一典型孤立風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)，系統(tǒng)包括100 MW光伏、100 MW風(fēng)力發(fā)電，考慮到風(fēng)光出力的隨機(jī)性與不確定性，本文以1年8 760 h為考核時(shí)間段，采樣時(shí)間為1 h。風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)選取日負(fù)荷最高作為典型特征曲線如圖3所示，最大負(fù)荷約為105 MW。儲(chǔ)能單元選取目前比較流行的閥控鉛酸電池作為優(yōu)化對(duì)象，根據(jù)典型日數(shù)據(jù)分析及前文所提及的功率需求，本文選取儲(chǔ)能系統(tǒng)最大充放電功率為50 MW。

圖3 風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)典型日特性曲線

根據(jù)第一階段的求解流程可以得到圖4為負(fù)荷缺電率與圖5新能源棄用率隨儲(chǔ)能容量增加的變化特性曲線，可以看出隨著儲(chǔ)能容量的增加負(fù)荷缺電率與新能源棄用率在逐步降低，表現(xiàn)出比較強(qiáng)的耦合關(guān)系。在微網(wǎng)建設(shè)中風(fēng)光發(fā)電都與大電網(wǎng)相連，所以負(fù)荷缺電率并不會(huì)作為電站建設(shè)的重要指標(biāo)，而在孤立風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)中負(fù)荷缺電率可以作為評(píng)價(jià)系統(tǒng)可靠性的重要指標(biāo)。根據(jù)工程實(shí)際新能源棄用率一般低于30%，本文選取0%～15%作為優(yōu)化區(qū)間，對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能配置容量為120～360 MW。負(fù)荷缺電率越低系統(tǒng)穩(wěn)定性越高，本文選取0%～10%為優(yōu)化區(qū)間，對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能配置容量為220～400 MW。根據(jù)第一階段在滿足負(fù)荷缺電率與新能源棄用率的前提下所求得儲(chǔ)能容量區(qū)間為220～360 MW，將其作為邊界條件帶入到第二階段模型中，根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)求取最優(yōu)儲(chǔ)能容量配置。

圖4 負(fù)荷缺電率與儲(chǔ)能容量特性曲線

圖5 新能源棄用率與儲(chǔ)能容量特性曲線

根據(jù)第一階段求得的儲(chǔ)能容量范圍，本文選取幾個(gè)儲(chǔ)能容量結(jié)合典型日負(fù)荷數(shù)據(jù)，其調(diào)度曲線如圖6～圖8所示。在沒有配備儲(chǔ)能單元時(shí)，風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)在能源大發(fā)時(shí)會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的棄風(fēng)棄光現(xiàn)象。隨著儲(chǔ)能容量的增加，儲(chǔ)能吸收部分能量以化學(xué)能的形式存儲(chǔ)起來，減少了棄風(fēng)棄光，當(dāng)儲(chǔ)能容量超過332 MW時(shí)，新能源下降率開始減慢直至不再變化。

圖6 儲(chǔ)能為0 MW時(shí)系統(tǒng)調(diào)度曲線

圖7 儲(chǔ)能為332 MW時(shí)系統(tǒng)調(diào)度曲線

圖8 儲(chǔ)能為360 MW時(shí)系統(tǒng)調(diào)度曲線

第二階段以年新能源棄用懲罰成本和儲(chǔ)能初始投資年均成本最低為目標(biāo)函數(shù)計(jì)算儲(chǔ)能最優(yōu)容量。本文擬采用儲(chǔ)能系統(tǒng)使用年限為20年，儲(chǔ)能容量單位成本為60萬元/MWh。新能源棄用單位懲罰成本為350元/MWh。經(jīng)過第二階段的求解結(jié)果如表1所示。

表1 不同儲(chǔ)能容量系統(tǒng)投資成本情況

當(dāng)儲(chǔ)能容量為332 MW時(shí)，負(fù)荷缺電率與新能源棄用率也基本達(dá)到了最低，系統(tǒng)新能源棄用懲罰成本和儲(chǔ)能初始投資年均成本最低。相比系統(tǒng)未增加儲(chǔ)能時(shí)總成本下降了約1 607.9萬元。由此可以發(fā)現(xiàn)在增加儲(chǔ)能單元后，無論是在系統(tǒng)穩(wěn)定性還是經(jīng)濟(jì)性上都得到了很大的提高。

6 結(jié) 語

本文提出以兩階段優(yōu)化模型的風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)儲(chǔ)能容量配置優(yōu)化方法，以負(fù)荷缺電率與新能源棄用率作為系統(tǒng)可靠性考核指標(biāo)，以年新能源棄用懲罰成本和儲(chǔ)能初始投資年均成本最低作為經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，在兼具技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)找尋風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)最優(yōu)儲(chǔ)能容量。在研究案例中可以發(fā)現(xiàn)，通過合理配置儲(chǔ)能容量可以降低負(fù)荷缺電率增加孤立風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)可以降低15%左右的新能源棄用率。以總投資年均成本衡量系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，通過增加儲(chǔ)能每年大約可以節(jié)約28%的投資成本。綜上研究結(jié)果表明：

1)在滿足負(fù)荷缺電率和新能源棄用率的同時(shí)存在最優(yōu)儲(chǔ)能容量配置，既可以提高風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也可以有效降低系統(tǒng)的投資成本；

2)負(fù)荷缺電率與新能源棄用率隨儲(chǔ)能容量的變化具有一定的耦合關(guān)系，在配置時(shí)需風(fēng)光儲(chǔ)能協(xié)同優(yōu)化。