呂 航，柴小亮，徐松曉，趙海東，安佳坤

(1. 國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司保定供電分公司，河北 保定 071051；2. 國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，河北 石家莊 050011)

0 引言

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)通常與終端負(fù)載較為接近,其主要特點(diǎn)是應(yīng)用范圍廣、地理位置限制小、易于維護(hù)及安裝、能量使用率高及占地小等[1]。分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)可連接公共電網(wǎng),二者的功率可互換,該系統(tǒng)中光伏電池陣列所輸出的電能不僅能夠向附近負(fù)載提供,而且能夠提供給公共電網(wǎng),當(dāng)系統(tǒng)的光伏供能低時(shí),能夠經(jīng)由公共電網(wǎng)將電能供應(yīng)給附近負(fù)載[2-4]。此類系統(tǒng)和公共電網(wǎng)之間互換功率時(shí),通常過程較為隨意且不連貫,導(dǎo)致該系統(tǒng)連接公共電網(wǎng)后,其電能質(zhì)量與運(yùn)行控制等方面受到不同程度的干擾[5]。通?？赏ㄟ^為此類系統(tǒng)配備相應(yīng)的儲(chǔ)能容量,令系統(tǒng)的出力更平穩(wěn),公共電網(wǎng)互換功率的波動(dòng)降低,并提升系統(tǒng)與公共電網(wǎng)相連時(shí)功率的可調(diào)度性,以此避免上述干擾情況的發(fā)生,保障系統(tǒng)與電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定[6]。

分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)能容量的關(guān)鍵裝置為儲(chǔ)能電池,其特點(diǎn)是具有調(diào)整電壓與平抑功率等功能[7-8]。儲(chǔ)能電池包含液流電池、鋰電池及鉛酸蓄電池等。其中,液流電池具有較高的容量,但其使用成本相對(duì)較高,且技術(shù)成熟度較低;鋰電池的優(yōu)點(diǎn)是環(huán)保、體積小、能量比與功率比較高,缺點(diǎn)是其成組技術(shù)成熟度稍低;鉛酸蓄電池的優(yōu)點(diǎn)是容量比高,且技術(shù)相對(duì)較為成熟等,其缺點(diǎn)是環(huán)保性差、高溫下使用壽命短[9]。由于各種儲(chǔ)能電池均具備各自的優(yōu)缺點(diǎn),為獲得功率與能量性能的綜合優(yōu)勢(shì),可選取分別在兩方面表現(xiàn)優(yōu)越的超級(jí)電容與蓄電池構(gòu)成混合儲(chǔ)能單元,用于分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng),通過對(duì)其容量的合理規(guī)劃,達(dá)到系統(tǒng)的能量與功率的雙重穩(wěn)定,保障系統(tǒng)與公共電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行[10]。

綜合以上分析,本文研究了一種分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)混合儲(chǔ)能容量自適應(yīng)規(guī)劃方法,降低該系統(tǒng)運(yùn)行中光伏出力的波動(dòng)性,保障系統(tǒng)的平穩(wěn)出力與運(yùn)行。

1 分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)混合儲(chǔ)能容量自適應(yīng)規(guī)劃

1.1 分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of distributed photovoltaic power grid-connected system

該系統(tǒng)主要包括混合儲(chǔ)能單元、光伏電池陣列單元及電能轉(zhuǎn)換器單元等,通過光伏電池陣列單元轉(zhuǎn)化太陽能為電能,并經(jīng)由直流變換器提升該單元的端電壓,直至達(dá)到該系統(tǒng)的直流母線電壓為止,實(shí)現(xiàn)追蹤最高功率點(diǎn)、提升太陽能使用率的目的;混合儲(chǔ)能單元主要由超級(jí)電容與蓄電池以及二者對(duì)應(yīng)的充放電裝置共同構(gòu)成,為達(dá)到支撐負(fù)荷用電、吸收余下光伏發(fā)電功率及平滑入網(wǎng)功率等目的,系統(tǒng)采取相應(yīng)措施對(duì)混合儲(chǔ)能單元的充放電功率實(shí)施控制。分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)同就地負(fù)荷和公共電網(wǎng)的連接是依靠逆變器實(shí)現(xiàn)的,經(jīng)由公共電網(wǎng)購電的方式或者光伏電池陣列單元所輸出的電能均可滿足實(shí)際負(fù)荷需求[11]。分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的能量平衡關(guān)系式為:

(1)

式中:P儲(chǔ)表示混合儲(chǔ)能單元的充放電功率,當(dāng)此值為正時(shí)代表其正在放電,相反則代表其正在充電;P超與P蓄分別表示超級(jí)電容與蓄電池的充放電功率,正負(fù)值所對(duì)應(yīng)的充放電狀態(tài)與P儲(chǔ)相同;P2表示負(fù)荷消耗功率,P′表示光伏電池陣列單元和混合儲(chǔ)能單元二者所輸出的功率總和,P3表示光伏電池陣列單元的輸出功率,P1表示公共電網(wǎng)和分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)所輸出的功率,當(dāng)該值為負(fù)數(shù)時(shí),表示分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)吸收公共電網(wǎng)功率,反之則表示系統(tǒng)將功率輸向公共電網(wǎng)。

1.2 混合儲(chǔ)能單元運(yùn)行過程

混合儲(chǔ)能單元中的蓄電池與超級(jí)電容均經(jīng)由DC/DC變換器連接母線,以母線的實(shí)時(shí)電壓波動(dòng)為依據(jù),由混合儲(chǔ)能單元對(duì)DC/DC變換器的占空比實(shí)施管控,以此實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池和超級(jí)電容充放電電流的管控。由混合儲(chǔ)能單元與光伏電池陣列供應(yīng)的直流電可直接被直流負(fù)載所應(yīng)用,同時(shí)二者也可使用逆變器將電流轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娞峁┙o交流負(fù)載應(yīng)用[12]。分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)混合儲(chǔ)能單元的運(yùn)行方式重點(diǎn)為:① 在光伏功率低于負(fù)載功率的情況下,DC/DC變換器在Boost方式下運(yùn)行,此時(shí)混合儲(chǔ)能單元需通過放電將電能供應(yīng)給負(fù)載,為實(shí)現(xiàn)對(duì)混合儲(chǔ)能單元放電的操控,需對(duì)變換器的占空比實(shí)施調(diào)整;② 在光伏功率高于負(fù)載功率的情況下,DC/DC變換器在Buck的方式下運(yùn)行,混合儲(chǔ)能單元通過母線將多出的電能吸收并存儲(chǔ),此時(shí)為了對(duì)混合儲(chǔ)能單元充電實(shí)施操控,同樣需調(diào)整變換器的占空比?；旌蟽?chǔ)能單元的運(yùn)行過程如圖2所示。

圖2 混合儲(chǔ)能單元運(yùn)行過程Fig.2 Operation process of hybrid energy storage unit

1.3 混合儲(chǔ)能單元容量自適應(yīng)規(guī)劃方法設(shè)計(jì)

通過研究所設(shè)計(jì)的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及混合儲(chǔ)能單元運(yùn)行過程得知,混合儲(chǔ)能單元最高功率是影響系統(tǒng)運(yùn)行及混合儲(chǔ)能單元最高充放電能力的關(guān)鍵。因此,為實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)規(guī)劃系統(tǒng)的混合儲(chǔ)能單元容量,需先獲得系統(tǒng)平穩(wěn)出力狀態(tài)下的混合儲(chǔ)能單元最高功率,并依據(jù)此最高功率計(jì)算出其最高充放電功率作為約束條件之一,構(gòu)建以系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)出力滿足度等為目標(biāo)的混合儲(chǔ)能單元容量自適應(yīng)規(guī)劃模型,達(dá)到自適應(yīng)規(guī)劃分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)混合儲(chǔ)能容量的目的。

1.3.1 混合儲(chǔ)能單元最高功率確定

混合儲(chǔ)能單元的最高充放電能力可通過其最高功率呈現(xiàn),可平抑波動(dòng)區(qū)間由其最高功率決定,另外,其最高功率可直接影響到分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行[13]。因此,為實(shí)現(xiàn)分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的混合儲(chǔ)能單元容量自適應(yīng)規(guī)劃,需確定系統(tǒng)平穩(wěn)出力狀態(tài)下的混合儲(chǔ)能單元功率,通過結(jié)合小波分解與平抑的方式,令系統(tǒng)的出力達(dá)到平穩(wěn)。

經(jīng)由小波分解方法對(duì)分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的日光伏出力過程實(shí)施分解,獲得分解之后的高、低頻波動(dòng)信號(hào)及近似信號(hào)。其中,低頻波動(dòng)信號(hào)是指波動(dòng)幅度高但波動(dòng)次數(shù)少的波動(dòng)信號(hào),通過混合儲(chǔ)能單元中的蓄電池能夠?qū)ζ鋵?shí)施平抑;近似信號(hào)主要為平滑的整體光伏出力趨勢(shì)信號(hào);高頻波動(dòng)信號(hào)是指波動(dòng)幅度小但次數(shù)多的波動(dòng)信號(hào),通過混合儲(chǔ)能單元中的超級(jí)電容能夠?qū)ζ鋵?shí)施平抑。以小波分解后獲取的近似信號(hào)作為混合儲(chǔ)能單元容量自適應(yīng)規(guī)劃方法中此類別天氣下分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的目標(biāo)出力曲線,通過混合儲(chǔ)能單元中的蓄電池與超級(jí)電容分別對(duì)低頻與高頻波動(dòng)信號(hào)實(shí)施平抑,令低頻與高頻波動(dòng)信號(hào)接近近似信號(hào),不僅能夠?qū)⒎植际焦夥l(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)本身的發(fā)電量充分運(yùn)用,而且能夠有效降低混合儲(chǔ)能單元的配置容量,提升分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的出力平穩(wěn)性。分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)光伏出力的混合儲(chǔ)能平抑過程如圖3所示。

圖3 分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)光伏出力的混合儲(chǔ)能平抑 過程Fig.3 Hybrid energy storage flattening process diagram of photovoltaic output of distributed photovoltaic power generation grid connected system

以任意某種類別天氣條件為例,通過小波分解獲得此類別天氣下分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)初始光伏出力的3種分解信號(hào),向系統(tǒng)內(nèi)混合儲(chǔ)能單元的蓄電池發(fā)送低頻波動(dòng)信號(hào)的功率指令Pl,向系統(tǒng)內(nèi)混合儲(chǔ)能單元的超級(jí)電容發(fā)送高頻波動(dòng)信號(hào)的功率指令Ph,經(jīng)由混合儲(chǔ)能單元的蓄電池與超級(jí)電容儲(chǔ)能充放,實(shí)現(xiàn)對(duì)2種頻率出力波動(dòng)的平抑,令所獲得的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)混合儲(chǔ)能單元出力與初始光伏出力的近似信號(hào)接近,達(dá)到提升分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)出力平穩(wěn)性的目的。

在此基礎(chǔ)上,將一年中不同類別天氣的時(shí)間比例作為權(quán)重,對(duì)不同類別天氣下經(jīng)小波分解獲取的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)光伏出力的低頻與高頻波動(dòng)信號(hào)分量實(shí)施統(tǒng)計(jì),獲得2種頻率波動(dòng)信號(hào)分量的概率分布;經(jīng)擬合后得到二者的概率密度曲線,以此獲取各種置信水平下的置信區(qū)間,求取該區(qū)間的邊界絕對(duì)值,所得出的最高邊界絕對(duì)值就是此置信水平下的系統(tǒng)混合儲(chǔ)能單元最高功率Pmax。

1.3.2 混合儲(chǔ)能單元容量自適應(yīng)規(guī)劃模型

構(gòu)建混合儲(chǔ)能單元容量自適應(yīng)規(guī)劃模型的關(guān)鍵在于目標(biāo)函數(shù)的選取與約束條件的設(shè)定,具體如下:

① 目標(biāo)函數(shù)選取

選取出力滿足度與儲(chǔ)能更換次數(shù)作為目標(biāo)函數(shù),其中出力滿足度是指分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)出力達(dá)到目標(biāo)出力的時(shí)間占比[14],其計(jì)算公式為:

(2)

式中:k表示天氣類別數(shù)量,g表示出力滿足度,T表示分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的日均出力時(shí)長(zhǎng)[15-17],φia表示混合儲(chǔ)能單元在第i種天氣類別日下的第amin現(xiàn)實(shí)出力值能否達(dá)到目標(biāo)出力值的判別系數(shù),mi表示光伏發(fā)電在第i種天氣類別日下的分鐘數(shù)。判別系數(shù)φia可表示為:

(3)

(4)

式中:Dj與Bj分別表示第j種儲(chǔ)能設(shè)備的放電深度與更換頻次,Qp表示分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行年限,vi表示第i種天氣的時(shí)間比例,nj與Nj分別表示第j種儲(chǔ)能設(shè)備的整個(gè)生命周期循環(huán)使用次數(shù)與容量,uji表示在第i種天氣下此儲(chǔ)能設(shè)備的整體儲(chǔ)電量。

② 約束條件設(shè)定

自適應(yīng)規(guī)劃模型的約束條件主要有系統(tǒng)的電壓、混合儲(chǔ)能單元的最高容量、充放電功率及能量平衡等約束,其中,混合儲(chǔ)能單元最高容量約束條件可表示為:

Sj(a)≤Nj×Dj,

(5)

式中:Sj表示第amin時(shí)第j種儲(chǔ)能設(shè)備的荷電狀態(tài)。混合儲(chǔ)能單元最高充放電功率可通過1.3.1節(jié)中獲得的混合儲(chǔ)能單元最高功率確定,則此約束條件可表示為:

|Pj|=Pj,max,

(6)

式中:Pj,max與Pj分別表示第j種儲(chǔ)能設(shè)備的最高功率與充放電功率。能量平衡約束條件可表示為:

Fj=μj×Cj,

(7)

式中:Cj與μj分別表示第j種儲(chǔ)能設(shè)備的儲(chǔ)電量與轉(zhuǎn)換效率,Fj表示該儲(chǔ)能設(shè)備的發(fā)電量。系統(tǒng)電壓約束條件可表示為:

Umin

(8)

式中:Umax和Umin分別表示分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的電壓最高值與最低值,U表示系統(tǒng)的實(shí)際電壓。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了避免實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)偶然性,運(yùn)用Matlab軟件對(duì)分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)施模擬,以所模擬的仿真系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。在實(shí)驗(yàn)前選取晴天、雨天及陰天3種具有代表性的天氣類別為例,根據(jù)Matlab軟件,對(duì)晴天、雨天及陰天3種天氣類別下實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)的初始光伏出力與平抑后出力進(jìn)行對(duì)比,然后通過本文方法對(duì)各種天氣類別下實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)混合儲(chǔ)能容量實(shí)施自適應(yīng)規(guī)劃,檢驗(yàn)本文方法的規(guī)劃效果。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,作為實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)混合儲(chǔ)能容量自適應(yīng)規(guī)劃結(jié)果的重要參照數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)過程中,數(shù)據(jù)分析器分別實(shí)時(shí)記錄3種天氣類別對(duì)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)混合儲(chǔ)能容量的自適應(yīng)規(guī)劃過程以及自適應(yīng)規(guī)劃重要數(shù)據(jù),全部獲取各種天氣下高、低頻波動(dòng)信號(hào)及近似信號(hào)后,才可以停止實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,工作人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn),匯總數(shù)據(jù),得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論,整理實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)設(shè)備。由于本文實(shí)驗(yàn)操作排除外界可能存在的干擾因素,因此實(shí)驗(yàn)結(jié)論具有可信度和真實(shí)性。實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)的混合儲(chǔ)能單元中蓄電池與超級(jí)電容的關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)混合儲(chǔ)能單元的蓄電池與超級(jí)電 容參數(shù)

首先,通過本文方法分解各種天氣下實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)的初始光伏出力,將各種天氣下分解后的高、低頻波動(dòng)信號(hào)及近似信號(hào)全部獲取,以晴天天氣類別為例,呈現(xiàn)出該天氣下分解后所獲得的3類信號(hào),如圖4所示。

(a)初始光伏出力

(b)近似信號(hào)

經(jīng)由本文方法對(duì)各種天氣下實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)初始光伏出力分解后所獲得的高、低頻波動(dòng)信號(hào)實(shí)施平抑后,獲得平抑后3種天氣下實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)出力情況,與初始光伏出力實(shí)施對(duì)比,檢驗(yàn)本文方法的平抑效果。3種天氣下實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)的初始光伏出力與平抑后出力對(duì)比情況如圖5所示。

(a)晴天天氣下

(b)雨天天氣下

(c)陰天天氣下

由圖5可以看出,3種天氣下的實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)初始光伏出力經(jīng)本文方法平抑后,基本消除掉了高、低頻波動(dòng),尤其是在晴天和陰天情況下15:00—18:00,使功率由10 MW分別恢復(fù)至30、35 MW,所獲得的平抑后出力曲線較為平滑,由此可見,本文方法可平滑實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)初始光伏出力曲線,減少出力波動(dòng)性,令系統(tǒng)出力更趨于平穩(wěn)。這是因?yàn)楸疚姆椒ㄟx用小波分解法分解不同天氣下,該系統(tǒng)的初始光伏出力為高、低頻波動(dòng)信號(hào)與近似信號(hào),通過混合儲(chǔ)能單元中超級(jí)電容與蓄電池分別平抑高、低頻波動(dòng)信號(hào)至接近近似信號(hào),平穩(wěn)系統(tǒng)出力。

在實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)出力平穩(wěn)的基礎(chǔ)上,繼續(xù)運(yùn)用本文方法對(duì)該系統(tǒng)混合儲(chǔ)能容量實(shí)施自適應(yīng)規(guī)劃。在本文方法的規(guī)劃下令實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)在3種天氣下分別累計(jì)工作168 h,統(tǒng)計(jì)工作后實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)混合儲(chǔ)能的容量、出力滿足度及更換次數(shù),以此檢驗(yàn)本文方法的規(guī)劃效果。本文方法對(duì)3種天氣下實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)混合儲(chǔ)能容量的規(guī)劃結(jié)果如表2所示。

表2 本文方法對(duì)3種天氣下實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)混合儲(chǔ)能容 量的規(guī)劃結(jié)果

分析表2可以得出,在本文方法的規(guī)劃下,實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)在不同天氣下運(yùn)行過程中,混合儲(chǔ)能單元中的蓄電池與超級(jí)電容2種儲(chǔ)能設(shè)備均無需更換,整體出力滿足度均較高,最高可達(dá)89.62%。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明,本文方法的規(guī)劃效果較好,具有較高的實(shí)際應(yīng)用性。這是因?yàn)楸疚姆椒ńY(jié)合最高容量等設(shè)定約束條件,構(gòu)建了以系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)出力滿足度等為目標(biāo)函數(shù)的混合儲(chǔ)能容量規(guī)劃模型。

3 結(jié)束語

針對(duì)一種分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)混合儲(chǔ)能容量自適應(yīng)規(guī)劃方法展開研究,通過分析此類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其混合儲(chǔ)能單元運(yùn)行過程,在穩(wěn)定該系統(tǒng)光伏出力的基礎(chǔ)上,以高出力滿足度與低更換次數(shù)為目標(biāo),設(shè)定相應(yīng)的約束條件,構(gòu)建混合儲(chǔ)能容量自適應(yīng)規(guī)劃模型,完成對(duì)該系統(tǒng)混合儲(chǔ)能單元容量的規(guī)劃。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在本文方法的規(guī)劃下,分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)在不同類別天氣下的出力均達(dá)到平穩(wěn),同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高現(xiàn)實(shí)出力滿足度與儲(chǔ)能設(shè)備的低更換次數(shù)2個(gè)目標(biāo),本文方法的規(guī)劃效果顯著,實(shí)際應(yīng)用價(jià)值較高,能夠用于實(shí)際分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的混合儲(chǔ)能容量規(guī)劃中,以滿足現(xiàn)實(shí)中的基本應(yīng)用需求。