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摘要 提出考慮新能源出力的孤島微網儲能配置優(yōu)化方法。考慮新能源出力及孤島微網儲能系統的容量，基于儲能設備的輸出功率，計算儲能配置優(yōu)化參數，并建立目標優(yōu)化函數，計算多目標優(yōu)化函數適應度值，由此求得最優(yōu)配置方案。實驗結果表明：所提方法有利于提高孤島微網系統的能源利用效率，保證供電穩(wěn)定性。
1 孤島微網儲能配置優(yōu)化方法設計
本文選擇較大電池容量進行研究，并考慮到在中電荷儲電設備中，電池組內各單元間的功率交換不受影響，故計算儲能優(yōu)化配置參數時僅考慮鋰離子電池儲能設備，儲能容量根據功率大小可分為10 kW以下的小容量、10~20 kW的中容量和20 kW以上的大容量儲能系統。為了避免鋰離子電池在使用過程中過熱現象的發(fā)生，可采用溫度控制方式對其進行管理。在實際運行過程中，可根據實際情況對鋰離子電池的充電、放電時間進行設定。當充、放電過程中鋰離子電池溫度超過設定溫度值時，控制裝置將進行溫度控制，以保證電池壽命和安全運行。另外，由于鋰離子電池具有較強的記憶功能和儲能特性，故在實際運行過程中可對鋰離子電池的充、放電時間進行設定。
為了保證在系統運行過程中鋰離子電池具有良好的使用性能，需要對鋰離子電池容量進行計算。由于儲能設備容量由儲能系統內各單元能量總和確定，因此可將其轉化為該單元內各單元能量總和。為簡化計算過程，將單位時間內電池充放電功率視為時間常數，系統總能量由儲能系統內各單元能量之和得出。在儲能系統實際輸出功率已知的情況下，累加各單元能量，即
式中：E(i)為微網儲能系統從初始時刻到第i個采樣時刻的能量變化，也就是累計的充放電量的代數和；P(i)為微網儲能系統第i個采樣時刻的輸出功率；D為放電深度；Ts為總能量儲存量。
在確定儲能系統的額定容量后，考察儲能系統運行過程中的荷電狀態(tài)，檢驗儲能系統容量能否滿足要求。以荷電狀態(tài)表征儲能系統的剩余電量水平，從而獲得各個時刻的荷電狀態(tài)，即
式中：S(0)為儲能系統的初始荷電狀態(tài)值；S(i)為第i時刻的儲能系統的荷電狀態(tài)值；Es為儲能系統額定容量。
如果要求儲能系統時刻滿足需求，則其荷電狀態(tài)必須在任意時刻都處于約束范圍內。針對多個參數建立目標函數，具體包括微網儲能系統各單元能量，儲能系統額定容量以及儲能系統運行過程中的荷電狀態(tài)。由于一個參數的優(yōu)化可能會對其他參數產生負面影響，因此在建立多目標優(yōu)化函數時，對多個目標函數進行疊加，獲得單目標函數。在運行約束的作用下，根據單目標函數確定最優(yōu)解，即
式中：m為目標函數的個數；x為在約束條件下，目標函數解的范圍；αi為各個目標函數的權重系數；Smin、Smax分別為儲能系統荷電狀態(tài)最小、最大值；f(x)為單目標函數。
本文選取微網中功率和容量約束進行考慮，在孤島微網中，不同的微源在不同的時間具有不同的出力，因此需要對微網中的功率和容量進行控制。同時，還需要考慮系統中各個微電源的出力約束，保證孤島微網穩(wěn)定運行。由于本文約束較為常用，故不再列舉具體公式。
光伏發(fā)電、風力發(fā)電、燃料電池發(fā)電等可再生能源根據自身出力特性會在負荷用電高峰期間向電網提供電力。負荷用電高峰時段一般是在節(jié)假日或其他非用電高峰期，此時微電網內的負荷處于不平衡狀態(tài)。為了保證微網內各微電源之間能夠合理配置和協調控制，在滿足系統運行約束條件的前提下，本文采用最小成本運行方式，使系統內各微電源可以實現功率和容量優(yōu)化配置，保證孤島微網穩(wěn)定運行。
根據微網儲能充、放電時間響應特性，在設計運行約束時，將微網儲能系統分為功率型和能量型，前者容量比較小，但是響應快；后者容量大，但是響應較慢。為了確定儲能系統的容量約束，引入新能源輸出功率的樣本數據進行頻譜分析，通過頻譜分析結果確定儲能系統的功率變化時間尺度，得到不同頻率成分的能量分布。根據頻譜分析結果，可以確定儲能系統需要應對的功率變化時間尺度。不同頻率成分代表著不同的功率變化速度，通過分析頻譜，可以得到系統中存在的主要功率波動頻率和其占比。
由于儲能系統的充電壽命受放電深度的影響，放電深度越深，充電壽命越短，因此，儲能系統使用過程中需要約束放電深度，但是在優(yōu)化過程中，放電深度并不是越小越好，放電深度過小的情況下，儲備容量受到的限制越大。因此，動態(tài)調整放電深度，可以通過實時監(jiān)測系統負荷需求和儲能系統狀態(tài)，然后根據當前情況調整放電深度。
儲能系統在連續(xù)運行過程中，在平抑新能源出力波動的同時，還需要保證儲能系統自身的荷電狀態(tài)在允許范圍內，也就是在整個樣本周期內，儲能系統運行滿足凈充放電量為0。保證儲能系統在每個周期都能滿足上述約束條件，實現儲能系統循環(huán)連續(xù)運行。在此基礎上，計算儲能優(yōu)化配置參數。
本文采用遺傳算法求取孤島微網儲能配置的最優(yōu)解。
2 實驗研究
本文以3機9母線的微網系統作為案例，并在系統的母線上安裝一個儲能設備。具體結構如圖1所示。設置線路參數如表1所示。
圖1 微網系統仿真結構
Fig.1 Simulation structure of microgrid systems
表1 微網系統線路參數
Table 1 Microgrid system line parameters
將微網儲能單元、用戶負荷作為實驗數據來源，利用計算機軟件模擬用戶用電規(guī)律，在保證微網穩(wěn)定運行的情況下，進行儲能配置優(yōu)化效果的仿真分析。由于實驗以對比分析為主，在實驗中引入2種常見的儲能配置優(yōu)化方法，根據實驗結果對比各個優(yōu)化方法的實際優(yōu)化效果。在能源利用率實驗中，以負荷功率變化作為實驗指標，利用計算機仿真平臺讀取微網系統運行數據，獲得負荷功率數據，在得到負荷功率預測曲線后，采用不同的儲能配置優(yōu)化方法優(yōu)化微網儲能配置，得到負荷預測優(yōu)化曲線，曲線的峰谷差越大說明能源消耗越大，峰谷差越小說明能源利用效率越高。根據負荷預測曲線與負荷預測優(yōu)化曲線的變化分析各個儲能配置優(yōu)化方法的實際性能。各個優(yōu)化方法的實驗結果如圖2所示。由圖2可知，3組實驗結果中，文獻[8]方法和文獻[9]方法的負荷預測優(yōu)化曲線與負荷預測曲線變化的高峰和低谷比較類似，優(yōu)化效果并不理想。而提出的配置優(yōu)化方法實驗結果中，負荷預測優(yōu)化曲線相比負荷預測曲線更加平滑，這是通過配置優(yōu)化起到了削峰填谷的作用，減小了曲線的峰谷差，能源利用效率更高，在實現運行成本最低的情況下，保證了能源不間斷的供給，一定程度上提高了微網運行的經濟性。這是因為提出的配置優(yōu)化方法考慮新能源的實際發(fā)電情況，通過約束孤島微網儲能系統的容量和功率，確保在優(yōu)化過程中充分利用新能源出力，避免了因未考慮新能源特性而導致的配置不理想問題。
圖2 能源利用率實驗對比結果
Fig.2 Comparison results of energy utilization efficiency experiments
考慮新能源出力，將微網置于孤島運行狀態(tài)下，結合新能源出力情況和負荷變化情況，分析各個配置優(yōu)化方法是否能夠滿足負荷供電。由于孤島運行狀態(tài)下，沒有電網供電，為了保證重要負荷的正常運行，在新能源充足的情況下優(yōu)先考慮儲能充電，使其在沒有供電的情況下通過儲能放電滿足一部分負荷運行。以新能源出力曲線與實際負荷曲線的匹配度作為實驗指標，實驗結果如圖3所示。
圖3 實際負荷曲線與新能源出力曲線對比結果
Fig.3 Comparison results of actual load curve and new energy output curve
考慮新能源出力的情況，如果孤島微網儲能系統輸出的負荷曲線與其變化一致，說明能源得到了充分利用，在一定程度上保證孤島運行期間的供電穩(wěn)定。從圖3可以看出，所提方法的實際負荷曲線與新能源出力曲線最為接近，說明兩者之間匹配度高，孤島運行狀態(tài)的新能源發(fā)電利用率得到了提高，其他2組實驗結果顯示的實際負荷曲線與新能源出力曲線變化存在一定差距，說明兩者匹配度比較低。綜合圖2~3的結果可知，提出的考慮新能源出力的孤島微網儲能配置優(yōu)化方法能夠充分利用能源，保證孤島運行期間供電穩(wěn)定，且經濟性優(yōu)于其他常見優(yōu)化方法。
通過評估系統平均中斷頻率指數（system average interruption frequency index，SAIFI）和系統平均中斷持續(xù)時間指數（system average interruption duration index，SAIDI）來驗證不同方法的儲能配置效果，結果如表2所示。從表2可以看出，所提方法在2個指標中均表現最佳，失電率僅為1.1次/年，平均停電持續(xù)時間為15 min/年，顯示出更好的供電可靠性，這表明提出的配置優(yōu)化方法對于提供穩(wěn)定的供電具有重要意義。
表2 可靠性對比結果
Table 2 Reliability comparison results
本文通過比較不同配置方案的總成本大小，確定最優(yōu)的儲能配置方法，結果如表3所示。從表3可知，所提出的配置優(yōu)化方法的總成本最低，為420萬元，購買成本、安裝成本和能耗成本等均較低，意味著該方法的綜合成本較低，經濟性最好。
表3 不同方法的經濟性對比結果
Table 3 Economic comparison results ofdifferent methods
3 結語
本文以孤島微網儲能配置優(yōu)化作為研究重點，在考慮新能源出力的情況下，提出了一種孤島微網中儲能配置優(yōu)化方法，通過多目標聚合的形式建立優(yōu)化目標函數，通過對目標函數的適應度離差值排序，確定了孤島微網儲能配置優(yōu)化的最優(yōu)條件。在方法設計完成后，通過大量對比實驗對優(yōu)化方法展開分析與討論，實驗結果證明了提出的孤島微網中儲能配置優(yōu)化方法具有更好的經濟性。
