一種孤立微電網(wǎng)混合儲能優(yōu)化配置方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)規(guī)劃技術(shù)，具體涉及一種孤立微電網(wǎng)混合儲能優(yōu)化配置方 法，屬于一種對電力系統(tǒng)的優(yōu)化規(guī)劃技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著能源危機和環(huán)境污染的日益嚴峻，可再生能源在電力能源發(fā)展中受到越來越 多的關(guān)注。隨著風能、太陽能等可再生能源接入電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，其固有的出力間歇性 和隨機性對電網(wǎng)調(diào)度運行帶來了較大困難。為了減少可再生能源接入對電網(wǎng)的沖擊，并改 善可再生能源機組單機接入成本高、可控性差等缺點，微電網(wǎng)應運而生。微電網(wǎng)是一個小型 的可控系統(tǒng)，它將微電源、儲能單元、負荷以及一些可控單元等有機地結(jié)合在一起，向用戶 輸送電能和熱能，可大幅提高可再生能源的滲透率。儲能系統(tǒng)作為微電網(wǎng)必不可少的關(guān)鍵 部分，在微電網(wǎng)中主要負責平滑聯(lián)絡線功率波動、削峰填谷及作為負荷備用等作用，其在微 電網(wǎng)調(diào)度運行、提高可再生能源的接納能力等方面發(fā)揮著不可替代的作用。隨著微電網(wǎng)規(guī) 模的增大和可再生能源滲透率的提高，對大規(guī)模儲能系統(tǒng)容量、充放電功率以及儲能壽命 等技術(shù)性能的要求也越來越嚴格，且大容量儲能系統(tǒng)通常價格昂貴，因此在微電網(wǎng)規(guī)劃設 計中，儲能選型及定容對控制項目投資成本及后期電網(wǎng)調(diào)度運行優(yōu)化顯得尤為重要，有必 要對微電網(wǎng)儲能優(yōu)化配置問題進行專門研究。
[0003] 針對不同儲能技術(shù)的運行特性和經(jīng)濟性特點，國內(nèi)外學者對儲能系統(tǒng)容量優(yōu)化配 置進行了深入的研究?；趦δ芟到y(tǒng)應用場景和承擔功能的不同，可以將儲能系統(tǒng)容量優(yōu) 化分為以下兩方面：
[0004] 第一，儲能系統(tǒng)與間歇性能源配合。目前，國內(nèi)外學者針對儲能系統(tǒng)平滑間歇性電 源出力來進行儲能容量的優(yōu)化配置已取得了一定的研究成果。
[0005] 孫耀杰針對間歇性電源中蓄電池的最優(yōu)容量配置問題，提出了一種基于電池容量 優(yōu)化機會約束規(guī)劃的數(shù)學模型。在對蓄電池容量優(yōu)化過程中，建立了間歇性能源以及用戶 負荷隨機特性的概率模型，將蓄電池容量優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為機會約束規(guī)劃問題，并采用遺傳 算法，結(jié)合隨機模擬技術(shù)對優(yōu)化的數(shù)學模型進行了求解，得到了蓄電池的最優(yōu)容量。
[0006] Yoshimoto ·Κ提出了一種考慮蓄電池荷電狀態(tài)反饋控制的方法，以日本Hokkaido 風電場示范工程為應用模型，證明了該方法在達到預期目標的前提下能降低蓄電池的容 量。
[0007] Teleke · S對上述方法進行了改進，同時考慮到蓄電池的充放電速率、荷電狀態(tài)和 充放電次數(shù)等約束條件，實現(xiàn)了風電場出力小時級別的發(fā)電調(diào)度。
[0008] 第二，儲能系統(tǒng)與微電網(wǎng)配合。憑借儲能系統(tǒng)的雙向充放電特性，能有效的降低微 電網(wǎng)中間歇性能源的波動，平滑聯(lián)絡線功率波動，削峰填谷及作為運行備用等，國內(nèi)外針對 微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置方面的研究取得了一系列的研究成果。
[0009] Chen · S · X利用時序蒙特卡羅法和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡法對風速和光照強度進行了預 測，分別建立了微電網(wǎng)在孤島運行狀態(tài)下的電源調(diào)度模型和并網(wǎng)運行方式下的成本效益模 型，以總成本最低為目標，考慮了功率平衡約束、旋轉(zhuǎn)備用約束以及間歇式電源運行約束， 采用混合線性整數(shù)規(guī)劃的方法進行求解。但是該文獻并沒有考慮儲能系統(tǒng)容量配置對微電 網(wǎng)可靠性的影響。
[0010] 許丹建立了以總成本最低為目標的蓄電池容量優(yōu)化模型，計及了發(fā)電機組運行成 本、啟停機成本以及蓄電池經(jīng)濟折算成本，考慮了功率平衡約束、發(fā)電機組運行約束、蓄電 池運行約束以及網(wǎng)絡約束，對含風機、光伏、等電源的微電網(wǎng)并網(wǎng)運行模式進行建模，采用 混合整數(shù)規(guī)劃的方法進行求解，對不同間歇性能源滲透率和蓄電池經(jīng)濟折算系數(shù)下的蓄電 池最優(yōu)容量配置進行了分析。
[0011] Makarov ·Υ ·ν對風電機組出力和負荷進行預測，以兩者的預測誤差作為儲能系統(tǒng) 需要補償?shù)墓β?，通過傅里葉變換將預測誤差進行了分解，以該微電網(wǎng)調(diào)度運行策略為基 準劃分了四個調(diào)度決策時段，提出了兩種儲能系統(tǒng)容量配置方法并進行了對比，同時還分 析了高滲透率風電并網(wǎng)時的混合儲能的選型方法。
[0012] 上述方法針對平滑功率波動，以提高經(jīng)濟效益或降低投資成本為目標對儲能容量 進行優(yōu)化配置，對推動我國微電網(wǎng)的發(fā)展提供了較好的技術(shù)儲備，但也存在不足：第一，微 電網(wǎng)中不僅含有間歇性能源，還含有隨時間變化的負荷，儲能配置不僅需要平抑間歇性能 源的出力波動，還需要考慮負荷的隨機波動和日周期特性；第二，不同類型儲能系統(tǒng)的最適 宜充放電時間跨度不同，特定類型的儲能系統(tǒng)只有在特定的充放電時間跨度內(nèi)運行效率才 最高，若儲能配置過程中不考慮這一因素的影響，將所有類型的儲能系統(tǒng)同等看待，會大幅 降低儲能系統(tǒng)的工作效率和使用壽命；第三，在混合儲能配置過程中，為了使不同類型的儲 能系統(tǒng)物盡其用，需要將電源和負荷間的不平衡功率進行分解，如何實現(xiàn)不平衡功率的優(yōu) 化分解，最大限度發(fā)揮混合儲能的優(yōu)勢，對實際工程意義重大。
[0013] 如何更能有效的解決現(xiàn)有技術(shù)微電網(wǎng)儲能配置中存在的上述三方面不足，已經(jīng)成 為業(yè)界內(nèi)的主要技術(shù)研究方向。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0014] 針對現(xiàn)有技術(shù)中對微電網(wǎng)中混合儲能容量配置方法所存在的不足，本發(fā)明提供了 一種孤立微電網(wǎng)混合儲能優(yōu)化配置方法，以孤立微電網(wǎng)為研究對象，并以系統(tǒng)儲能投資運 行成本、缺電損失費用以及棄風懲罰費用的總和最小為目標建立孤立微電網(wǎng)混合儲能容量 優(yōu)化配置模型，綜合考慮了系統(tǒng)中間歇性能源和負荷情況隨時間波動的因素對微電網(wǎng)混合 儲能容量配置的影響，再采用遺傳算法對所建立的孤立微電網(wǎng)混合儲能容量優(yōu)化配置模型 進行求解，擇優(yōu)確定微電網(wǎng)的混合儲能優(yōu)化配置方案，以提高孤立微電網(wǎng)混合儲能容量配 置的經(jīng)濟性，以幫助提高孤立微電網(wǎng)混合儲能容量配置的利用率和使用壽命，降低孤立微 電網(wǎng)系統(tǒng)的綜合利用成本。
[0015] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：
[0016] -種孤立微電網(wǎng)混合儲能優(yōu)化配置方法，以孤立微電網(wǎng)為研究對象，并以系統(tǒng)儲 能投資運行成本、缺電損失費用以及棄風懲罰費用的總和最小為目標建立孤立微電網(wǎng)混合 儲能容量優(yōu)化配置模型，采用遺傳算法對所建立的孤立微電網(wǎng)混合儲能容量優(yōu)化配置模型 進行求解，擇優(yōu)確定孤立微電網(wǎng)的混合儲能優(yōu)化配置方案；該方法具體包括如下步驟：
[0017] (1)統(tǒng)計孤立微電網(wǎng)中的微型燃氣輪機輸出功耗的歷史數(shù)據(jù)，以及風速及負荷的 歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)微型燃氣輪機輸出功耗的歷史數(shù)據(jù)確定微型燃氣輪機輸出功率Pt(t)，根據(jù) 風速及負荷的歷史數(shù)據(jù)計算確定風電機組輸出功率Pw (t)，進而計算確定孤立微電網(wǎng)總輸 出功率Ptotal⑴：
[0018] Ptotal(t) = Pt (t)+Pw ⑴；
[0019] (2)定義微電網(wǎng)電源負荷不平衡功率Pini(t)為t時刻微電網(wǎng)中總負荷I\(t)與電 源總出力Ptotal⑴的差值，即：
[0020] Pin (t) = Pl (t)-Ptotal (t)；
[0021] (3)將微電網(wǎng)電源負荷不平衡功率Pini(t)視為一個采樣點數(shù)為N的時域離散信號， 求得微電網(wǎng)電源負荷不平衡功率Pini (t)的時域離散信號的展開表達式，進而求得微電網(wǎng)中 總負荷 Pl (t)的表達式 Pl (t) =Pt (t)+Pw (t)+Pini (t);
[0022] (4)計及微電網(wǎng)的總負荷I\(t)，以系統(tǒng)儲能投資運行成本、缺電損失費用以及棄 風懲罰費用的總和最小為目標，建立孤立微電網(wǎng)混合儲能容量優(yōu)化配置模型；
[0023] (5)確定分段點η的設定取值區(qū)間[n_，n_] e (〇, N/2)，其中11_和η _均為整 數(shù)值，且令分段點η在設定取值區(qū)間[η_，η_]內(nèi)取一個整數(shù)值，將微電網(wǎng)電源負荷不平衡 功率Pin (t)的時域離散信號在第η個采樣點位置處進行拆分，分解得到不平衡功率Pini (t) 在當前分段點η取值下的低頻部分Pini l(t)和高頻部分Pini 2(t)，且Pini(t) = Pini nl(t)+Pini_n2⑴；
[0024] (6)根據(jù)微電網(wǎng)的總負荷I\(t)中電源負荷不平衡功率Pini(t)在當前分段點η取 值下的拆分分解形式，采用遺傳算法對所建立的孤立微電網(wǎng)混合儲能容量優(yōu)化配置模型進 行求解，確定孤立微電網(wǎng)在當前分段點η取值下的混合儲能優(yōu)化配置方案；
[0025] (7)將分段點η在設定取值區(qū)間[η_，η_]內(nèi)遍歷取不同的整數(shù)值，針對分段點η 能夠在設定取值區(qū)間[η_，η_]內(nèi)取得的每一個整數(shù)值，分別將微電網(wǎng)電源負荷不平衡功 率Pini (t)的時域離散信號在第η個采樣點位置處進行拆分后，重復步驟(6)，從而分別確定 孤立微電網(wǎng)在每一個分段點η取值下的混合儲能優(yōu)化配置方案；然后，通過比較確定分段 點η各不同取值下的混合儲能優(yōu)化配置方案中系統(tǒng)儲能投資運行成本、缺電損失費用以及 棄風懲罰費用的總和最小的一個方案，作為孤立微電網(wǎng)的混合儲能最優(yōu)配置方案，對微電 網(wǎng)中的風電機組數(shù)量、蓄電池數(shù)量和微型燃氣輪機數(shù)量進行配置。
[0026] 上述孤立微電網(wǎng)混合儲能優(yōu)化配置方法中，作為一種優(yōu)選方案，所述步驟（3)中， 求取微電網(wǎng)電源負荷不平衡功率P1B1(t)的時域離散信號的展開表達式的具體方式為：
[0027] 3. 1)將所述微電網(wǎng)電源負荷不平衡功率Pini(t)視為是一個采樣點數(shù)為N的時域 離散信號，記其采樣周期為Ts，采樣頻率為fs，則該離散信號的基頻為V(NTs)，通過離散傅 里葉變換，得到所述微電網(wǎng)電源負荷不平衡功率P1B1(t)的不平衡功率頻譜：
[0029] 其中，k表示微電網(wǎng)電源負荷不平衡功率Pini(t)的倍頻分量序數(shù)，ke {〇，1，2,… ，N_1} ;Fini(k)表示微電網(wǎng)電源負荷不平衡功率Pini(t)的不平衡功率頻譜，即微電網(wǎng)電源負 荷不平衡功率Pini(t)在不同k值倍頻分量下的不平衡功率頻譜幅值的離散集合；
[0030] 3. 2)令^= e ](2π/Ν)，將不平衡功率頻譜FiniGO所表示的不同k值倍頻分量下的 不平衡功率頻譜幅值的離散集合加以展開表示：
[0032] 其中，fini(k)表示微電網(wǎng)電源負荷不平衡功率Pini (t)在第k值倍頻分量下的不平 衡功率頻譜幅值；假設在（〇, N/2)的取值區(qū)間內(nèi)對分段點η進行取值，將不平衡功率頻譜 FiniGO在k = η位置處斷開，k = η位置處對應的采樣周期命名為周期分斷點Tn，因此的周 期分斷點Tn的取值范圍為（Τ s/2, m )，不平衡功率頻譜FiniGO被斷開而形成的兩個部分各 自將缺失的部分補零，可得：
[0034] 其中，F(xiàn)inil (k)視為不平衡功率頻譜FiniGO中的低頻部分，F(xiàn)ini2GO視為不平衡功率 頻譜 Fini (k)中的高頻部分，且有 Fini (k) = Finil (k) +Fini2 (k);
[0035] 3. 3)將不平衡功率頻譜Fini (k)的低頻部分Finil (k)和高頻部分Fini2 (k)分別進行離 散傅里葉逆變換，即有：
[0037] 其中，Pinil (t)由不平衡功率的低頻部分逆變換得到，視為不平衡功率日分量； Pini_2(t)由不平衡功率的高頻部分逆變換得到，視為不平衡功率小時分量，；將低頻部分 Pini-i(t)和高頻部分Pini-2(t)相加得5IJ微電網(wǎng)電源負荷不平衡功率P ini(t)的離散展開表達 式：
[0039] 上述孤立微電網(wǎng)混合儲能優(yōu)化配置方法中，作為一種優(yōu)選方案，所述步驟（4)中， 孤立微電網(wǎng)混合儲能容量優(yōu)化配置模型具體為：
[0040] 4. a)孤立微電網(wǎng)混合儲能容量優(yōu)化配置模型的的目標函數(shù)：
[0042] 其中，COSTtotal代表系統(tǒng)儲能投資運行成本、缺電損失費用以及棄風懲罰費用的總 和；COSTess JP COSTess 2分別代表壓縮空氣儲能和鈉硫電池儲能的購置成本；COST EENS1和 COSTeens 2分別為日分量和小時分量的年度缺電損失費用；COST AB_JP COST AB 2分別為日分量 和小時分量的年度棄風懲罰費用；
[0043] 4. a. 1)系統(tǒng)儲能投資運行成本又壓縮空氣儲能的購置成本COSTess i和鈉硫電池 儲能的購置成本COSTess 2構(gòu)成：
[0045] 其中，Y1和Y 2分別代表壓縮空氣儲能和鈉硫電池的使用壽命；γ為年利率； λ Ε1、λ P1和λ Ε 2、λ Ρ 2分別為壓縮空氣儲能和鈉硫電池的單位容量成本費用和單位功率 成本費用；ER1、Er 2和P R1、Pr 2分別為壓縮空氣儲能和鈉硫電池的額定容量和額定功率； CaiJP Ci3m 2分別為壓縮空氣儲能和鈉硫電池的年運維成本；<