國網(wǎng)青海省電力公司 李吉群

1 引言

分布式發(fā)電能充分整合和高效利用資源，能提高電力轉(zhuǎn)化效率，并保障電力質(zhì)量和可靠性，滿足各類環(huán)境下不同的用電需求。但分布式發(fā)電采用的控制模式涉及的操作較為復(fù)雜，前期投入成本較高，同時(shí)技術(shù)基礎(chǔ)存在的缺陷，導(dǎo)致其并網(wǎng)容易沖擊系統(tǒng)整體電壓，影響電流頻率。對(duì)此，有必要探索光伏儲(chǔ)能電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 光伏儲(chǔ)能電網(wǎng)運(yùn)行模型

通常，光伏儲(chǔ)能電網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展與其前期投入具有密切關(guān)系。對(duì)光伏儲(chǔ)能電網(wǎng)運(yùn)營模式進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃和合理設(shè)計(jì)，可以從整體上減少系統(tǒng)投資，避免頻繁更換使用設(shè)備[1]。為了促進(jìn)光伏電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)最佳的經(jīng)濟(jì)效益，需要對(duì)光伏儲(chǔ)能電網(wǎng)運(yùn)行模型加以優(yōu)化。

2.1 光伏儲(chǔ)能電網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成

光伏儲(chǔ)能電網(wǎng)的系統(tǒng)構(gòu)成主要包括以下功能模塊，分別是發(fā)電功能模塊、配電功能模塊、蓄電功能模塊、負(fù)載模塊、逆變器。其中，發(fā)電功能模塊和蓄電功能模塊均與逆變器保持接通狀態(tài)，再通過導(dǎo)線進(jìn)行連接，并實(shí)施變壓，將電流有效傳輸至配電網(wǎng)絡(luò)。以電網(wǎng)系統(tǒng)為依托，將光伏模塊蓄積的電能向發(fā)電功能模塊以及負(fù)載模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)移，確保電能在電網(wǎng)與蓄電功能模塊之間保持良好的雙向流動(dòng)[2]。系統(tǒng)保持離網(wǎng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，依靠光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能保障公網(wǎng)正常運(yùn)行，并將額外電能儲(chǔ)存在電池組內(nèi)。在室外環(huán)境光照充足的情況下，依靠光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能，結(jié)合電池結(jié)構(gòu)，向負(fù)載模塊供應(yīng)電能，保證負(fù)載設(shè)備的正常運(yùn)行。系統(tǒng)完成與電網(wǎng)的接入后，即由電網(wǎng)對(duì)負(fù)載設(shè)備和電池供應(yīng)電能。當(dāng)用電出現(xiàn)高峰時(shí)，在一定程度上依靠光伏發(fā)電對(duì)配電負(fù)載設(shè)備供應(yīng)電能，據(jù)此增加經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 系統(tǒng)各項(xiàng)組成單元具備的特性

系統(tǒng)組成單元主要包括三部分，如圖1所示。

圖1 光伏儲(chǔ)能電網(wǎng)系統(tǒng)組成單元

電池板的作用在于將其接收的陽光輻射轉(zhuǎn)化為電能，并暫時(shí)對(duì)所轉(zhuǎn)化的電能加以儲(chǔ)存，根據(jù)系統(tǒng)要求，向負(fù)責(zé)發(fā)電的相關(guān)裝置設(shè)備傳輸其儲(chǔ)存的電量。電池板的電能輸出功率主要受兩類因素影響，一是制作材料，二是實(shí)際承受熱量的面積。當(dāng)電池板面對(duì)同等強(qiáng)度的太陽光照時(shí)，其短路電流呈現(xiàn)的數(shù)值基本上不會(huì)發(fā)生變化。如果光照強(qiáng)度增加，其開路電壓受溫度變化的影響，會(huì)出現(xiàn)降低的情況。這表明對(duì)光伏電池而言，光照強(qiáng)度與其輸出功率在一定程度上成正比，即光照越強(qiáng)，電池板實(shí)際輸出功率越大；電池板實(shí)際輸出功率與其表面溫度呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)電池板表面溫度越高時(shí)，電池板實(shí)際輸出功率越低。在太陽輻射對(duì)電池板的影響下，電池板表面溫度一般比環(huán)境溫度高，因此，電池板實(shí)際功率比標(biāo)準(zhǔn)輸出功率要低，可對(duì)電池板實(shí)際輸出功率進(jìn)行計(jì)算：

式中，fpv表示功率降額系數(shù)，是電池板實(shí)際功率與電池板在額定條件下標(biāo)準(zhǔn)功率的比值，該系數(shù)反映灰塵污垢等因素導(dǎo)致電池板輸出功率下降，一般取值為0.9；Ypv表示額定容量，kW；IT表示光照實(shí)際強(qiáng)度，kW/m2；IS表示光照符合標(biāo)準(zhǔn)測試條件的強(qiáng)度，kW/m2；ap表示溫度系數(shù)，%/℃；Tcell,STC表示當(dāng)前表面溫度，℃；Tcell,STC表示標(biāo)準(zhǔn)測試條件下電池板表面溫度，一般取值為25℃。

在光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)中，蓄電池是使用廣泛的儲(chǔ)能單元。蓄電池能在一定程度上對(duì)光伏工作故障加以抑制，還能保障供電系統(tǒng)整體保持穩(wěn)定的輸電能力。逆變器與蓄電池具有類似的組成結(jié)構(gòu)，二者均接入直流電流。通過逆變器，能確保直流電流與交流電流形成良好連接。對(duì)逆變器進(jìn)行配置，要考慮組成結(jié)構(gòu)的具體情況，合理設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)[3]。

3 光伏儲(chǔ)能電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)

以某光伏儲(chǔ)能電網(wǎng)工程為例，探究光伏儲(chǔ)能電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總方案

某建筑實(shí)際承擔(dān)大約65kW 的負(fù)荷，光伏儲(chǔ)能電網(wǎng)在設(shè)計(jì)預(yù)期上大約采用80kWp 的容量?？紤]系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)況，對(duì)之加以細(xì)化，分解成4個(gè)并網(wǎng)單元，這樣一來，每個(gè)并網(wǎng)單元實(shí)際分擔(dān)20kWp 的容量。4個(gè)并網(wǎng)單元分別靠逆變器與0.4kV 交流電網(wǎng)進(jìn)行連接。

3.2 發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 光伏電池陣列設(shè)計(jì)

電網(wǎng)使用的電池為多晶硅材質(zhì)的電池組，一般有250WP 的功率。此類電池組在電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，其形成的共組電壓可達(dá)到29.6V，其開路電壓可達(dá)到37.1V。系統(tǒng)配套的逆變器功率可達(dá)20kW，其MPPT 在工作狀態(tài)下保持大約300～1000V 的電壓。采用串聯(lián)方式設(shè)計(jì)電池組，串聯(lián)的電池塊數(shù)為20塊，對(duì)于每個(gè)逆變器實(shí)際配備的電池串聯(lián)組為4個(gè)，且4個(gè)電池串聯(lián)組保持并列狀態(tài)，實(shí)際需要80塊電池組，能形成大約20kWp的發(fā)電功率。4個(gè)逆變器總共所需電池為320塊。

3.2.2 并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)

系統(tǒng)實(shí)施并網(wǎng)發(fā)電，4臺(tái)逆變器輸出的總功率可達(dá)80kWp。

3.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保障穩(wěn)定的電能供應(yīng)，大樓整體兼用兩種方式確保電能供應(yīng)，分別是儲(chǔ)能方式下的電能供應(yīng)和光伏方式下的電能供應(yīng)[4]。市電供應(yīng)保持正常時(shí)，結(jié)合光伏供電，保障穩(wěn)定的電能供應(yīng)。當(dāng)市電處于斷開狀態(tài)時(shí)，同時(shí)使用儲(chǔ)能供電以及光伏供電。

3.3.1 蓄電池選型、電池串聯(lián)以及并聯(lián)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)實(shí)際承載負(fù)荷量最大可達(dá)65kW。選用蓄電池要考慮其備用時(shí)長和最大電量。對(duì)于10h 的備用時(shí)長，蓄電池最大電量需達(dá)到650kWh。若選用的蓄電池在轉(zhuǎn)化電能方面的系數(shù)是0.7，其大約需消耗930kWh 的電量。以閥控方式進(jìn)行密封的蓄電池，不需要對(duì)之加以額外維護(hù)。每節(jié)蓄電池在電壓上應(yīng)保持為2V，在電量上應(yīng)保持為1500Ah。系統(tǒng)實(shí)際使用的電池?cái)?shù)量達(dá)到310節(jié)。串聯(lián)所有電池，其端口實(shí)際形成高達(dá)620V 的電壓。從總部來看，電池組達(dá)到930kWh 的容量。

3.3.2 儲(chǔ)能變流器選型

對(duì)電能儲(chǔ)存系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，要選用適用高效的儲(chǔ)能變流器。在案例中，選用適用于系統(tǒng)的效率較高的雙向逆變器，據(jù)此完成與光伏發(fā)電、蓄電池電能存儲(chǔ)兩大系統(tǒng)以及交流母線之間的連接。根據(jù)系統(tǒng)容量，將所選用的儲(chǔ)能變流器的實(shí)際容量控制在80kW 左右，將交流輸出的實(shí)際電壓有效控制在400VAC 左右，將直流輸出實(shí)際電壓控制在500V 以上，800V以下。當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際處于離網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，相關(guān)設(shè)備所保持的狀態(tài)為空載，這種情況下，系統(tǒng)為完成充電需要借助儲(chǔ)能變流器，并對(duì)大約20%的容量加以預(yù)留，而儲(chǔ)能變流器實(shí)際保持96kW 左右的容量[5]。

4 系統(tǒng)運(yùn)行說明

4.1 市電正常

當(dāng)市電在正常情況下對(duì)電能進(jìn)行供應(yīng)時(shí)，系統(tǒng)實(shí)際上保持并網(wǎng)的運(yùn)行模式，其運(yùn)行過程包括如下內(nèi)容。第一，檢測開關(guān)上端的實(shí)際電壓，如果得到的檢測數(shù)值未偏離正常范圍，則自動(dòng)完成對(duì)開關(guān)的有效閉合。第二，對(duì)市電運(yùn)行狀態(tài)下電壓實(shí)際情況進(jìn)行檢測，如果得到的檢測數(shù)值未偏離正常范圍，則按照相關(guān)參數(shù)，自動(dòng)完成對(duì)系統(tǒng)的正常開機(jī)，避免其運(yùn)行出現(xiàn)不正常的情況，保證對(duì)負(fù)載模塊進(jìn)行正常的電能供應(yīng)，對(duì)于剩余的電能，則向電網(wǎng)進(jìn)行輸送。第三，并網(wǎng)保持正常運(yùn)行的情況下，正確設(shè)置儲(chǔ)能變流器的狀態(tài)，完成有效充電。

4.2 市電故障

當(dāng)市電出現(xiàn)電能供應(yīng)方面的故障，要及時(shí)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的模式進(jìn)行切換，通常情況下，采用離網(wǎng)模式繼續(xù)保持運(yùn)行，其主要過程包括如下內(nèi)容。第一，準(zhǔn)確檢測市電的實(shí)際情況，判斷是否真正出現(xiàn)斷電情況，如果是則斷開開關(guān)。同時(shí)，將模式切換的操作信號(hào)發(fā)送至儲(chǔ)能變流器中，采用離網(wǎng)模式繼續(xù)保持運(yùn)行。第二，當(dāng)確定故障發(fā)生后，開啟有效的保護(hù)程序，快速停機(jī)。第三，由儲(chǔ)能變流器實(shí)施切換操作，在此基礎(chǔ)上檢測端口電壓，確定故障真實(shí)存在的情況下，先關(guān)機(jī)，再對(duì)系統(tǒng)加以啟動(dòng)，最終完成模式切換。第四，利用光伏逆變器實(shí)施檢測，如果檢測表明PCS 實(shí)際提供的支撐電壓符合相應(yīng)的電能供應(yīng)要求，即自動(dòng)實(shí)施開機(jī)運(yùn)行。

4.3 市電恢復(fù)

當(dāng)市電的電能供應(yīng)恢復(fù)正常后，對(duì)故障狀態(tài)下采用的離網(wǎng)運(yùn)行模式加以切換，恢復(fù)到原來采用的并網(wǎng)運(yùn)行模式。其過程主要包括如下內(nèi)容：第一，對(duì)市電真實(shí)狀態(tài)進(jìn)行檢測，向儲(chǔ)能變流器準(zhǔn)確傳遞檢測獲取的信息，自動(dòng)完成對(duì)開關(guān)的有效閉合。第二，逆變器有效恢復(fù)正常的運(yùn)行狀態(tài)。第三，利用儲(chǔ)能流變器對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行接收，當(dāng)市電確實(shí)恢復(fù)正常后，合理調(diào)整當(dāng)前電壓，并完成模式切換，保持并網(wǎng)狀態(tài)運(yùn)行。當(dāng)通信發(fā)生延遲時(shí)，上述轉(zhuǎn)換過程會(huì)受到一定程度的不良影響。在一段時(shí)間內(nèi)，PCS會(huì)受到?jīng)_擊。當(dāng)PCS 轉(zhuǎn)變系統(tǒng)模式成功后，系統(tǒng)充電隨之恢復(fù)正常，能確保負(fù)載供電保持持續(xù)不間斷。

5 優(yōu)化設(shè)計(jì)模型研究與展望

基于光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)具備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，考慮其組件特性，將優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置為確保微電網(wǎng)消耗最少的運(yùn)行費(fèi)用，綜合考慮電網(wǎng)功率交互、功率平衡、荷電狀態(tài)約束以及蓄電池充放電功率等因素，針對(duì)光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)構(gòu)建優(yōu)化模型。該模型要對(duì)蓄電池形成的折舊成本加以考慮，并對(duì)問題規(guī)模加以有效降低。對(duì)于構(gòu)建的優(yōu)化模型，要基于交叉熵優(yōu)化算法，對(duì)樣本生成和概率分布更新兩種方法進(jìn)行改進(jìn)，獲取模型求解涉及的完整步驟，實(shí)現(xiàn)快速求解。與光伏儲(chǔ)能電網(wǎng)系統(tǒng)形成的運(yùn)行數(shù)據(jù)相結(jié)合，對(duì)所構(gòu)建的模型和相關(guān)算法實(shí)施仿真驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果顯示，能有效降低系統(tǒng)運(yùn)行耗費(fèi)的成本?？紤]用電負(fù)荷以及輸出功率具備的不確定性，對(duì)光伏儲(chǔ)能電網(wǎng)構(gòu)建魯棒優(yōu)化模型，凸顯實(shí)用性，獲取能良好適應(yīng)各類情況的最優(yōu)策略。

通過以交叉熵為基礎(chǔ)的兩階段松弛法，對(duì)所構(gòu)建的優(yōu)化模型實(shí)施求解，通過光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)形成的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)優(yōu)化模型和相關(guān)算法實(shí)施仿真驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果顯示，魯棒優(yōu)化策略對(duì)不確定參數(shù)涉及的可能取值具有良好的適應(yīng)性。

“雨流模型”能對(duì)蓄電池實(shí)際損耗進(jìn)行良好反映，但無法考慮溫度、端電壓以及充放電電流等因素產(chǎn)生的影響?？蛇x用恰當(dāng)模型對(duì)蓄電池形成的折舊成本進(jìn)行計(jì)算，對(duì)蓄電池具備的性能進(jìn)行良好反映，獲取更為實(shí)用的優(yōu)化策略。同時(shí)考慮市電消耗所排放的等效污染，考慮廢棄蓄電池形成的重金屬污染，對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化模型加以構(gòu)建，促進(jìn)系統(tǒng)充分發(fā)揮其環(huán)境效益，還要考慮系統(tǒng)涉及的各類不確定因素，對(duì)光伏儲(chǔ)能電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行調(diào)度實(shí)施魯棒優(yōu)化。對(duì)于復(fù)雜性較強(qiáng)的光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)系統(tǒng)，可遵循事件邏輯，對(duì)調(diào)度優(yōu)化模型加以構(gòu)建，并將滾動(dòng)優(yōu)化機(jī)制引入其中，在出現(xiàn)突發(fā)性事件時(shí)，確保系統(tǒng)對(duì)模型涉及的參數(shù)和各項(xiàng)約束條件實(shí)施動(dòng)態(tài)調(diào)整。在實(shí)施運(yùn)行優(yōu)化的同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)配置加以優(yōu)化，完成對(duì)雙層優(yōu)化模型的構(gòu)建。將給定配置作為依據(jù)，按照生命周期制定各天相應(yīng)的運(yùn)行計(jì)劃，并根據(jù)下層優(yōu)化形成的結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)整體效益加以計(jì)算。

6 結(jié)語

綜上所述，秉持分布式發(fā)電理念構(gòu)建的光伏儲(chǔ)能電網(wǎng)能與配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)良好的并網(wǎng)運(yùn)行，能優(yōu)化調(diào)度和有效控制電能供應(yīng)，進(jìn)而取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)能確保分布式電源穩(wěn)定接入配電網(wǎng)，能促進(jìn)可再生能源提高滲透率。在未來的研究應(yīng)用中，要通過熱電聯(lián)產(chǎn)，為用戶就近提供高效的供熱服務(wù)，對(duì)能源進(jìn)行高效的梯度利用，促進(jìn)對(duì)化石能源的高效利用，并減少環(huán)境污染。對(duì)光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)實(shí)施經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化，要注重加強(qiáng)對(duì)清潔能源的利用，并對(duì)可控微電源出力加以調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)不可控微電源出力的有效跟蹤，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行成本的有效降低。