摘 要：在光伏-儲能微電網(wǎng)中，光伏發(fā)電輸出與負載間的匹配度較低，會降低其電力供應的可靠性。因此，有必要配置一定容量的儲能設備，以保持源荷平衡。本文探討了不同負載配置和應用場景對儲能配置的具體影響，提出了一種儲能容量配置策略。該策略以使微電網(wǎng)運行成本最低為目標，并將網(wǎng)絡中的最小電力波動作為約束條件。為了求解該配置策略，本文采用經(jīng)過改進的粒子群算法來尋找最優(yōu)解。經(jīng)案例驗證，該策略能夠穩(wěn)定支持微電網(wǎng)中的源荷平衡，并提高微電網(wǎng)自身的供電能力。

關鍵詞：光伏儲能；微電網(wǎng)；儲能容量配置；源荷平衡

中圖分類號：TM 61" " " " " " " 文獻標志碼：A

在微電網(wǎng)中電源輸出與負載不匹配的情況下，無法實現(xiàn)發(fā)電與消耗的平衡，也無法保證電力供應的可靠性。儲能在電能中具有緩沖作用，并能進行能量轉(zhuǎn)移，有效解決上述問題。然而，儲能裝置成本高且占地面積大，因此需要合理配置其容量[1]。

目前，微電網(wǎng)中儲能的目標函數(shù)主要基于經(jīng)濟優(yōu)化，包括最大收益、最低成本和最低運行成本。越來越多的專家認為，儲能配置不僅應滿足經(jīng)濟指標，而且必須達到技術標準，例如提升新能源消納能力和微電網(wǎng)的電能質(zhì)量[2]。此外，還有許多方法用于解決容量配置問題，包括粒子群算法、遺傳算法等。盡管國、內(nèi)外關于儲能容量配置的研究已經(jīng)有一定基礎，但是大多集中在風光儲能微電網(wǎng)或風儲微電網(wǎng)。從國家發(fā)改委公布的首批新能源微電網(wǎng)示范項目來看，光伏儲能微電網(wǎng)是光資源豐富而其他新能源不足地區(qū)的主要微電網(wǎng)形式。因此，專門研究光伏儲能微電網(wǎng)的儲能容量具有重要意義[3]。

基于上述情況，本文研究了支持微電網(wǎng)源荷平衡、低運行成本和穩(wěn)定微電網(wǎng)功率波動的儲能容量分配技術。深入分析了負載特性和光伏發(fā)電的不穩(wěn)定性，提出了一種綜合考慮經(jīng)濟性和可靠性的儲能配置策略。

1 儲能容量配置影響因素分析

在微電網(wǎng)配置儲能過程中，需要綜合考慮分布式電源輸出特性、網(wǎng)絡內(nèi)的負載構成以及儲能的不同應用場景[4]。本文主要討論負載配置和不同應用場景對儲能容量配置的影響。

1.1 負載配置的影響分析

大多數(shù)微電網(wǎng)為特定區(qū)域供電，可以對該區(qū)域的負載構成進行定量分析[5]。光伏儲能微電網(wǎng)的負載可以分為白天負載和夜間負載。典型的白天負載包括辦公樓、購物中心等，典型的夜間負載包括基于口述操作的大型用電工廠和只能在夜間進行的某些類型工作。

白天負載與光伏輸出的時間序列高度一致，只需要簡單協(xié)調(diào)即可實現(xiàn)源荷平衡輸出。此時，微電網(wǎng)只需要配置小容量的儲能裝置，夜間負載則與光伏輸出的時間序列相反。當光伏發(fā)電量最大而負載功率最小時，會浪費大量的光伏發(fā)電；當光伏發(fā)電量最小而負載功率最大時，需要從配電網(wǎng)向微電網(wǎng)傳輸大量電力。因此，需要配置大容量的儲能裝置，以儲存白天的多余光伏輸出，用于夜間負載供電。綜上所述，微電網(wǎng)中的不同負載構成將直接影響所需儲能容量的大小。

1.2 不同應用場景的影響分析

儲能在微電網(wǎng)中的主要作用如下所示。1） 提高分布式能源的穩(wěn)定性。微電網(wǎng)利用儲能系統(tǒng)來平滑分布式能源的波動，并穩(wěn)定其輸出，從而提高分布式能源的本地利用率，同時避免將其遠距離傳輸至主電網(wǎng)，以此減輕傳輸壓力并降低電力損失。此外，儲能系統(tǒng)還能保證在夜間或分布式能源進行維護期間為主負載提供持續(xù)的部分電力供應，以有效降低停電情況的發(fā)生概率。2） 提高用戶電力質(zhì)量?？刂苾δ芟到y(tǒng)中的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（PCS）調(diào)整從儲能系統(tǒng)到微電網(wǎng)的有功和無功功率輸出，不僅可以穩(wěn)定電力輸出，解決電壓驟降問題，而且可以控制諧波。3） 峰值調(diào)節(jié)。微電網(wǎng)使用儲能系統(tǒng)在低負載時期儲存分布式能源的多余能量，并在負載需求高峰階段釋放能量，以滿足峰值負載需求，減少發(fā)電機組或變壓器所需容量。4） 短期供電。微電網(wǎng)使用具有儲能模塊的分布式電源支持整個系統(tǒng)的電壓和頻率，使電網(wǎng)能夠短時間運行。

不同的應用場景對儲能裝置的功能要求不同，因此所需儲能容量也不同。短期供電通常需要大容量的儲能裝置，而用于提高分布式發(fā)電穩(wěn)定性、提高電力質(zhì)量和調(diào)節(jié)峰值的儲能配置容量相對較小。

2 能源存儲優(yōu)化配置策略

本文研究的目的是優(yōu)化微電網(wǎng)中的能源分配策略，以實現(xiàn)源荷平衡。在滿足系統(tǒng)負荷需求的前提下，優(yōu)先使用分布式發(fā)電，以減少傳統(tǒng)柴油發(fā)電，并合理使用儲能設備，降低儲能配置容量的影響，提升微電網(wǎng)的運行效率和經(jīng)濟效益。

2.1 改進的粒子群算法

為了更好地求解微電網(wǎng)能源配置，將日運營成本降至最低，本文采用改進的粒子群算法，在粒子更新方法上施加功率平衡和儲能電池等約束，并根據(jù)高斯函數(shù)的分布特性，按照非線性規(guī)律降低慣性權重，逐步優(yōu)化搜索過程。

2.2 約束條件

本文假定微電網(wǎng)沒有出現(xiàn)電力回饋。在此基礎上，除了功率平衡約束和儲能電池約束之外，還增加了功率波動約束，以提高微電網(wǎng)分布式光伏模塊匹配負載的能力。具體約束如下所示。

2.3 解決方案

為了實現(xiàn)源荷平衡，本文采用改進的粒子群算法優(yōu)化微電網(wǎng)的能源分配策略，具體步驟如下所示。

第一，初始化參數(shù)。設定粒子群規(guī)模N、初始化粒子的xid速度vid以及慣性權重ωk。慣性權重通常設置為較大的初始值，以提高全局搜索能力。加速度系數(shù)c1和c2也在該步驟中設定，用于控制局部與全局搜索的平衡。

第二，數(shù)據(jù)輸入。將微電網(wǎng)的能源生產(chǎn)與負荷需求等相關數(shù)據(jù)（光伏發(fā)電、儲能系統(tǒng)和柴油發(fā)電的實時數(shù)據(jù)）輸入系統(tǒng)。這些數(shù)據(jù)用于計算粒子的適應度，從而確定其在搜索空間中的和速度更新。

第三，適應度評估。本文以日運營成本為目標函數(shù)值（適應度值），根據(jù)公式（11）計算每個粒子的日運營成本目標函數(shù)值，并驗證每個粒子是否滿足功率平衡、光伏限制和充放電約束、儲能電池狀態(tài)約束以及功率波動約束，根據(jù)適應度值確定粒子的個體和全局最優(yōu)解。

第四，粒子更新。利用速度更新公式（1），使用當前粒子、個體最優(yōu)解和全局最優(yōu)解來計算粒子的速度，并利用更新公式（3），使用更新后的速度調(diào)整粒子的當前。

第五，權重調(diào)整。利用公式（2）來動態(tài)調(diào)整慣性權重，實現(xiàn)非線性遞減。隨著迭代次數(shù)增加，降低慣性權重，以逐步增強局部搜索能力，從而提高解的精度。

第六，迭代終止。當達到預設的最大迭代次數(shù)或適應度收斂到設定閾值時，算法運行終止。在該時刻，輸出粒子群中表現(xiàn)最優(yōu)的粒子，將其作為微電網(wǎng)能源配置的最優(yōu)方案。

3 實例分析

本文聚焦于一個集成光伏、柴油發(fā)電機、儲能電池和負載的綜合性光伏儲能系統(tǒng)。該系統(tǒng)特點為200kW的光伏裝機容量和240kW的最大負載需求，同時配備最大功率50kW的柴油發(fā)電機和最大150kW的外部電力。比較3種儲能配置策略，評估并提出一種優(yōu)化的儲能配置策略，以提高系統(tǒng)的整體性能和經(jīng)濟效益。儲能優(yōu)化模型參數(shù)設置見表1。

策略一：僅針對微電網(wǎng)最低運行成本的儲能容量分配方案。

策略二：在滿足微電網(wǎng)最低運行成本的前提下，提供150kW的電力，當微電網(wǎng)電力不足時，采用柴油發(fā)電。

策略三：在微電網(wǎng)最低運行成本的前提下，配電網(wǎng)不向微電網(wǎng)輸送電力，使微電網(wǎng)脫網(wǎng)運行。

本文策略：微電網(wǎng)以最低成本運行，同時平滑負載的功率波動的儲能容量分配。

微電網(wǎng)在不同儲能配置方案下的具體運行數(shù)據(jù)見表2。

比較策略一和本文提出的儲能配置策略可以看出，本文策略的儲能容量和波動平均功率顯著低于策略一，而配電網(wǎng)的平均輸出略有增加，表明雖然本文策略在經(jīng)濟性方面有所降低，但是技術指標方面有顯著提升。與傳統(tǒng)的以最低日常運行成本為目標的儲能配置方案相比，本文策略不僅減少了儲能設備的需求，而且通過優(yōu)化功率波動控制，提高了配電網(wǎng)的穩(wěn)定性與運行效率。進一步與策略二進行比較，本文策略的柴油發(fā)電機平均輸出略高于策略二，但是儲能容量和配電網(wǎng)的平均輸出明顯低于策略二，表明本文策略在降低儲能容量需求的同時，具有更高的運行效率和可靠性，凸顯了經(jīng)濟性與技術指標上的綜合優(yōu)勢。在與策略三的比較中，由于策略三的微電網(wǎng)為脫網(wǎng)運行，因此所需儲能容量遠大于并網(wǎng)運行過程中的需求，導致運行成本大幅增加。相比之下，本文策略具有精細的儲能配置，顯著減少了儲能設備的使用量，并有效降低了系統(tǒng)的運行成本，實現(xiàn)了經(jīng)濟性和技術性優(yōu)化。綜上所述，本文策略不僅提升系統(tǒng)效率，而且減輕了日常運營中的經(jīng)濟負擔。

本文策略中的功率波動曲線如圖1所示。功率波動曲線1表示未配置儲能時的功率波動，功率波動曲線2表示配置儲能后的功率波動。即使在光伏輸出與負載匹配的情況下，功率波動幅度依然較大，而合理的儲能配置能夠顯著抑制這些波動。這進一步證明了本文提出的儲能配置策略在實際應用中的優(yōu)越性，它不僅滿足了經(jīng)濟性要求，而且有效地提升了微電網(wǎng)的穩(wěn)定性和運行效率，具有在技術改進和經(jīng)濟效益方面的顯著優(yōu)勢。

4 結論

本文系統(tǒng)探討了光伏儲能微電網(wǎng)的源荷平衡配置技術，得出了關鍵結論。研究表明，儲能容量配置需求與源負荷匹配度密切相關。在高匹配度情況下儲能需求較小，在低匹配度情況下儲能需求較大。本文合理限制配電網(wǎng)輸出，綜合考慮負荷特性、儲能容量等因素，提出了一種基于改進粒子群算法的優(yōu)化配置策略，以最低運行成本為目標，并以功率波動為約束條件，兼顧經(jīng)濟性和穩(wěn)定性。案例驗證表明，該策略有效平滑了源負荷波動，提升了微電網(wǎng)的自給能力，可以為光伏微電網(wǎng)的可持續(xù)運行和能源管理提供有力支持。

參考文獻

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