孟 明，吳亞帆，蘇亞慧

(華北電力大學電力工程系，河北保定 071003)

0 引 言

風能、太陽能等分布式能源在環(huán)境日益惡化的當今世界中占據著越來越重要的地位。隨著這些可再生能源滲透率的提高，其隨機性、不確定性等負面影響也受到了越來越多的重視。儲能設備對分布式發(fā)電的隨機性、波動性都具有較好的調控能力，在平抑波動、削峰填谷、運行備用等方面發(fā)揮著重要作用[1-4]。因此，為微電網配置合理的儲能系統(tǒng)顯得尤為重要。

儲能設備可分為能量型儲能和功率型儲能，采用功率型儲能和能量型儲能組成的混合儲能系統(tǒng)，可以使其充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，從而提高儲能系統(tǒng)的整體性能[5-6]。

目前，針對儲能容量的優(yōu)化已經有了很多研究成果，其中很大部分是針對風電場并網的儲能容量優(yōu)化研究[7-9]。針對微電網儲能容量的優(yōu)化還存在很多需要改進的問題。文獻[10]針對并網風光發(fā)電系統(tǒng)提出了優(yōu)化蓄電池工作狀態(tài)的能量管理策略，建立了以提高系統(tǒng)經濟性為目標的優(yōu)化模型進行了儲能的優(yōu)化配置。文獻[11]提出了一種基于機會約束規(guī)劃的方法，對含儲能電池和超級電容的混合儲能系統(tǒng)進行了容量優(yōu)化配置。

并網型微電網的接入給電網的規(guī)劃運行帶來了許多新問題，其中包括聯(lián)絡線的使用情況。因為并網型微電網自身具備發(fā)電能力，導致聯(lián)絡線處于低負載率的運行情況，因此，有專家對并網型微電網在規(guī)劃和運行中采用“全備用”的方式提出了質疑。所以在考慮并網型微電網自身經濟效益的同時，還需要關注配電網資產利用情況[12]。目前，考慮微電網聯(lián)絡線利用率的研究還很少。本文通過對聯(lián)絡線功率進行調整來提高聯(lián)絡線利用率，得到的聯(lián)絡線功率優(yōu)化結果可以為大電網的調度部門提供參考，進而提高配電網資產利用情況。

本文采用離散小波變換對微電網中的凈負荷功率進行分解，得到滿足聯(lián)絡線功率波動要求的聯(lián)絡線功率以及蓄電池和超級電容分配到的功率，引入聯(lián)絡線功率平移調整量為優(yōu)化變量，建立了既能提高聯(lián)絡線利用率又能滿足經濟性要求的儲能容量優(yōu)化模型。并采用遺傳算法進行求解。

1 并網型微電網系統(tǒng)

并網型微電網系統(tǒng)由光伏發(fā)電系統(tǒng)，柴油發(fā)電機可控電源，混合儲能系統(tǒng)以及本地負荷通過電力電子器件與直流母線相連，微電網通過聯(lián)絡線與外部大電網連接。光伏系統(tǒng)發(fā)出的功率為PDG，柴油發(fā)電機的功率輸出為PM，本地負荷消耗的有功功率為PL，蓄電池和超級電容器的功率分別為PB和PC，聯(lián)絡線上的功率為Pg。當蓄電池和超級電容放電時功率為正，充電時功率為負，當大電網向微電網輸送電能是Pg為正，微電網向大電網倒送電能時Pg為負。

微電網中由光伏發(fā)電、柴油機發(fā)電和負荷用電產生的不平衡功率為凈負荷PJ，對于并網型微電網產生的凈負荷功率由儲能系統(tǒng)和大電網共同進行補償。

(1)

2 功率分解

2.1 離散小波變換原理及實現(xiàn)

以一天為計算周期，選取典型日凈負荷功率作為樣本數(shù)據，進行采樣分析，采樣點為T。

PJ=PJ(t),t=1,2,…,T

(2)

離散小波變換可以將信號分解為低頻信號和高頻信號，其中低頻信號還可以繼續(xù)進行分解，分解層數(shù)越多，得到的低頻分量波動越小，離散小波變換可表示為

(3)

式中:n為離散小波變換的分解層數(shù),分解層數(shù)決定了聯(lián)絡線功率的波動情況；Dn為凈負荷功率分解得到的第n層低頻分量；Gi為凈負荷功率分解得到的第i層高頻分量。

Dn為得到的波動較小的低頻分量分配給聯(lián)絡線功率Pline；nBC為蓄電池和超級電容的頻率臨界層，從第1層到第nBC層頻率較高的分量分給超級電容器，第nBC+1層到第層n頻率較低的分量分給蓄電池。對凈負荷功率進行頻譜分析選擇合適的頻率臨界層。得到蓄電池和超級電容的分配功率為

(4)

2.2 聯(lián)絡線功率波動要求

聯(lián)絡線功率波動情況在一定程度上可以反映出微電網對大電網的影響，因此需要對聯(lián)絡線功率的波動情況進行分析，從而得到滿足波動要求的聯(lián)絡線功率。表征聯(lián)絡線功率波動情況的主要有兩個評價指標，分別為聯(lián)絡線功率變化率和聯(lián)絡線功率的波動率。聯(lián)絡線功率變化率定義為

(5)

式中:Dg為聯(lián)絡線功率變化率;Pline，max和Pline，min分別為Δt時間間隔內的最大值和最小值。

聯(lián)絡線功率的波動率以聯(lián)絡線功率的標準差來描述聯(lián)絡線功率的波動情況

(6)

聯(lián)絡線變化率適合作為短時功率波動的評價指標，聯(lián)絡線功率的波動率適合作為長時功率波動的評價指標[13]。綜合考慮聯(lián)絡線波動要求，選取合適的分解層數(shù)，得到滿足要求的聯(lián)絡線功率目標。

3 微電網聯(lián)絡線利用率

聯(lián)絡線承擔著并網型微電網與大電網雙向互動的任務，不僅向并網型微電網輸送電能，同時將并網型微電網過剩的電能返送給大電網。微電網聯(lián)絡線利用率定義為在一定周期內，實際輸送的電能(包括微電網向大電網倒送的電能)與聯(lián)絡線最大輸送能力的比值。

(7)

式中:Uline是聯(lián)絡線利用率;Eg-in是大電網向微電網輸送的電量;Eg-out是微電網向大電網倒送的電量;Eline是聯(lián)絡線額定功率下輸送的電量。

(8)

式中:Pline是聯(lián)絡線功率值;Pline，0是聯(lián)絡線額定功率取聯(lián)絡線上輸送功率的最大值。

由離散小波變換得到的聯(lián)絡線功率情況，可以對聯(lián)絡線功率通過向上或向下平移，以便在不改變聯(lián)絡線功率波動的前提下來提高聯(lián)絡線利用率，平移量記為ΔPline。當ΔPline<0時聯(lián)絡線功率整體向上平移|ΔPline|，當ΔPline>0時，聯(lián)絡線功率整體向下平移|ΔPline|。某聯(lián)絡線功率如圖1所示，則隨著功率平移調整量的變化，聯(lián)絡線利用率的變化如圖2所示。每個微電網系統(tǒng)聯(lián)絡線利用率的變化都不相同，因此對不同的微電網都應進行聯(lián)絡線利用率變化的分析。

圖1 聯(lián)絡線功率

圖2 聯(lián)絡線利用率變化曲線

合理地選取ΔPline對聯(lián)絡線利用率有重要影響，因此，將ΔPline作為一個優(yōu)化變量加入到儲能容量優(yōu)化配置的模型中，通過合理地取值實現(xiàn)聯(lián)絡線利用率的提升和系統(tǒng)整體經濟性。可控電源柴油發(fā)電機的輸出功率也要配合聯(lián)絡線功率進行相應的調整。

(9)

式中：Pline,a為調整后的聯(lián)絡線功率;PM0為調整后的柴油發(fā)電機功率。

4 建立優(yōu)化配置模型

建立以聯(lián)絡線功率調整量、蓄電池和超級電容的額定功率、額定容量為優(yōu)化變量的數(shù)學模型，優(yōu)化目標為混合儲能系統(tǒng)年運行成本、聯(lián)絡線利用率以及柴油發(fā)電機發(fā)電成本的變化量所組成的綜合目標,使用遺傳算法對優(yōu)化模型進行求解。

4.1 優(yōu)化目標

由于不同儲能系統(tǒng)的壽命周期各不相同，因此，在計算儲能系統(tǒng)的經濟成本時，需要將儲能系統(tǒng)的投資費用折算成等年值。

(10)

式中:C0為混合儲能的總成本;CB、CC分別為蓄電池和超級電容的購置成本和運行維護成本之和;YB、YC為蓄電池和超級電容的使用壽命;SB、HB、SC、HC分別為蓄電池和超級電容的功率成本系數(shù)和容量成本系數(shù);GB、GC為蓄電池和超級電容的運行維護成本系數(shù)。

蓄電池的使用壽命與工作方式密切相關，主要受蓄電池的放電深度、循環(huán)使用次數(shù)的影響。蓄電池的放電深度越大，循環(huán)壽命越短。蓄電池的放電深度DOD為蓄電池允許的放電量與其標稱容量的百分比。根據蓄電池放電深度與儲能循環(huán)使用壽命的對應關系，可以擬合出其函數(shù)關系為[14]

(11)

式中:Db為蓄電池的基準放電深度;NB(Di)為放電深度為Di時對應的蓄電池使用壽命。由此可得出放電深度為Di時的第i次循環(huán)對應放電深度為基準值時的循環(huán)次數(shù)。

(12)

蓄電池的實際運行年限可得

(13)

式中:Nj(Di)為第j天中第i次循環(huán)對應的等效循環(huán)次數(shù);l為1 d內的充放電次數(shù);p為 1 a內工作運行的天數(shù)。

聯(lián)絡線利用率根據第3節(jié)進行計算，由于調整聯(lián)絡線會影響柴油發(fā)電機的輸出功率，因此在考慮聯(lián)絡線利用率的同時也要考慮柴油發(fā)電機的發(fā)電成本的變化。柴油發(fā)電機的成本計算如下[15]：

CM=kM(f0PMP+f1P)

(14)

式中:kM為單位燃料成本;PMP為柴油發(fā)電機的額定功率;P為其當前輸出功率;f0、f1為燃料相關曲線的系數(shù)。

柴油發(fā)電機經過平移調整后，成本的變化量為

ΔCM=CM0-CM=kMf1ΔPline

(15)

式中:ΔCM為柴油發(fā)電機的成本變化量;CM0為調整后的柴油發(fā)電機發(fā)電成本;CM為調整前的柴油發(fā)電機發(fā)電成本。

綜上，優(yōu)化模型的總目標函數(shù)可表示如下，其中α為聯(lián)絡線利用率的經濟性折算系數(shù)。

minF=min{C0+ΔCM-αUline}

(16)

4.2 約束條件

①柴油發(fā)電機輸出功率的約束

柴油發(fā)電機的輸出功率受柴油機本身的約束，最小為0，最大為其額定功率。

PMmin≤PM≤PMmax

(17)

②聯(lián)絡線功率調整量的上下限約束

聯(lián)絡線功率調整量的取值會影響到其功率以及柴油發(fā)電機的輸出，因此聯(lián)絡線功率的調整量要在滿足聯(lián)絡線功率和柴油發(fā)電機功率要求的基礎上進行選取。

-ΔPline,min≤ΔPline≤ΔPline,max

(18)

③儲能系統(tǒng)約束

儲能系統(tǒng)約束包括儲能任意時刻剩余電量和充放電功率的約束。為保證儲能系統(tǒng)的正常運行，延長儲能系統(tǒng)的壽命，儲能系統(tǒng)任意時刻的剩余電量應滿足一定約束條件。

(19)

儲能系統(tǒng)任意時刻的充放電功率應該不超過其額定功率的值。

(20)

④負荷缺電率約束

負荷缺電率是衡量一個系統(tǒng)可靠性的重要指標，當儲能系統(tǒng)放電時，放電功率不足造成負荷缺電，負荷缺電率為負荷缺電量與負荷實際所需電量之比。當蓄電池和超級電容器的荷電狀態(tài)不能滿足所需放電功率時，需要對蓄電池和超級電容器的放電功率進行調整。

(21)

式中:ηB、ηC分別為蓄電池和超級電容的充放電效率。

蓄電池和超級電容器造成的負荷缺電率分別LB、LC，滿足一定的約束條件來保證系統(tǒng)的安全可靠運行。

(22)

⑤能量損失率約束

當儲能系統(tǒng)充電時，儲能系統(tǒng)充電功率不足時會造成發(fā)電能量的損失，當蓄電池和超級電容器的荷電狀態(tài)不能滿足所需的充電功率時，需要對儲能系統(tǒng)的充電功率進行調整。

(23)

儲能充電功率不足時造成發(fā)電能量的損失，蓄電池和超級電容器造成的能量損失率分別為QB、QC，應滿足一定的約束條件以保證能源的利用率。

(24)

4.3 優(yōu)化模型的求解流程

①根據離散小波變換對凈負荷功率進行分解，得到聯(lián)絡線功率，得到蓄電池和超級電容分配到的功率，確定各儲能的平抑目標，確定儲能額定功率和儲能額定容量的最大值、最小值。

Guarini和Porcile(2016)[12]的研究發(fā)現(xiàn)，眾創(chuàng)空間的發(fā)展模式可以歸納為三種，即聯(lián)合辦公型、投資驅動型和技術平臺型，其中技術平臺型模式可以從產業(yè)鏈出發(fā)打通創(chuàng)新鏈。Capdevila(2018)[13]的研究發(fā)現(xiàn)，從眾創(chuàng)空間的運營特征來看，可分為技術眾創(chuàng)型、產品眾創(chuàng)型、龍頭企業(yè)資源整合型、聯(lián)合項目型等多種模式。賈天明等(2017)[14]認為，眾創(chuàng)空間運營的主流模式包括兩類，一類是創(chuàng)業(yè)社區(qū)模式，將地產與其他創(chuàng)業(yè)元素相融合，通過收取租賃費用來實現(xiàn)贏利；另一類是全面服務模式，依托于產業(yè)資本與金融資本，注重內外部創(chuàng)業(yè)資源互動，提供全面的創(chuàng)業(yè)服務，主要通過服務收入來實現(xiàn)盈利。

②對蓄電池、超級電容的額定功率和額定容量以及聯(lián)絡線功率平移調整量進行初始化。

③計算總適應度函數(shù)值。

④進行選擇、交叉、變異。

⑤重復步驟③和④直到達到收斂條件或設定好的迭代次數(shù)。

⑥多次計算后，綜合選取最優(yōu)變量值。

5 算例分析

以新疆塔城區(qū)的一個光伏發(fā)電的微電網為例進行驗證分析。其中，光伏的容量和柴油發(fā)電機的容量分別為60kW和5kW。以光伏、柴油發(fā)電機的發(fā)電以及用電負荷為依據，采用本文中的優(yōu)化模型進行計算，從而得到混合儲能容量的優(yōu)化配置。新疆地區(qū)由于其獨特的地理位置，光照充足，因此光電資源豐富。采樣時間為1min，冬季某典型日光伏發(fā)電數(shù)據和負荷數(shù)據及可控電源柴油機組的發(fā)電數(shù)據如圖3所示，由式(1)可以得到凈負荷功率曲線如圖4所示。對凈負荷進行離散小波變換，分解層數(shù)為7層，頻率臨界層為4，得到滿足波動要求的聯(lián)絡線功率，以及蓄電池和超級電容的分解功率如圖5所示。由得到的結果可以看出，經離散小波變換后得到的聯(lián)絡線功率波動較小，較儲能平抑之前的波形平滑許多。混合儲能系統(tǒng)中蓄電池和超級電容所分配的功率中，超級電容作為功率型儲能負責頻率較高，波動性較強的分量，而蓄電池作為能量型儲能負責頻率較低的波動分量。

表1 相關費用系數(shù)

圖3 功率數(shù)據

圖4 凈負荷功率

圖5 聯(lián)絡線、蓄電池和超級電容功率

圖6 蓄電池和超級電容剩余電量

6 結 論

針對采用混合儲能系統(tǒng)的并網型微電網，考慮其聯(lián)絡線利用率的同時對其進行混合儲能容量的優(yōu)化。通過離散小波變換對凈負荷功率進行分解。對

表2 優(yōu)化結果

聯(lián)絡線功率的平移調整量對聯(lián)絡線利用率的影響進行了分析。通過對聯(lián)絡線功率的平移調整可以在不改變聯(lián)絡線功率波動的情況下有效提高聯(lián)絡線利用率，從而提高配電網資產利用情況，提升微電網系統(tǒng)的整體經濟性。引入聯(lián)絡線功率調整量為優(yōu)化變量，建立優(yōu)化模型并采用遺傳算法進行求解。在優(yōu)化混合儲能容量的同時，得到對聯(lián)絡線功率和柴油發(fā)電機功率最優(yōu)調整量，達到了經濟成本與聯(lián)絡線利用率綜合目標的最優(yōu)。所得結果可為聯(lián)絡線功率的調度分配和柴油發(fā)電機的輸出提供參考。

以實際算例進行分析，優(yōu)化結果表明：

①通過對聯(lián)絡線功率的調整，提高了聯(lián)絡線的利用率，由調整前的43.08%提高到了49.99%，調整后比調整前相對提高了16%。

②降低了柴油發(fā)電機的發(fā)電成本。柴油發(fā)電機的發(fā)電成本降低了5 808元。微電網系統(tǒng)的整體經濟效益有所提升。

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