独立光伏发电系统中混合储能系统的优化配置策略_杨露.pdf

独立光伏发电系统中混合储能系统的优化配置策略杨露（贵州电网凯里供电局，贵州 凯里556000）摘要：太阳能光伏发电作为我国新能源的技术应用，正在蓬勃兴起.由于太阳能间歇性、波动性和不稳定性的缺点，给太阳能光伏发电的应用与推广带来了诸多困难.为提高太阳能光伏发电的可靠性，保证供电质量，必须对太阳能光伏发电进行储能和放电控制，建立独立光伏发电系统，以实现日夜供电.独立光伏发电系统的设计，需要考虑工作环境、工作状态以及工作元件等诸多因素，并建立数学模型.本研究结合蓄电池和超级电容器的充放电特性，合理配置和规划蓄电池和超级电容器的容量数量比，并以储能系统的全寿命周期作为经济目标，建立独立光伏发电系统可靠性指标约束模型.关键词：独立光伏系统；蓄电池；超级电容器；混合储能；优化中图分类号：TM7文献标识码：A文章编号：1673-9329（2023）03-0013-09能源是社会生产和经济建设的动力.20世纪以来，随着世界经济的迅猛发展，对能源的需求急骤增长.由于煤、石油、天然气等化石能源的无节制使用，人类面临的能源枯竭、环境污染、温室效应等一系列问题，已经影响到人类的健康和社会经济的可持续发展.太阳能是一种可再生能源，具有环保、经济、储量丰富、分布广泛等优点，但也有能量密度小、受环境影响大、转换效率低、投入成本高等不足1.随着化石资源的不断消耗和污染问题的日益严峻，光伏太阳能发电已成为解决人类未来能源问题的途径之一2.据报告显示，预计到2050年，太阳能约占人类使用能源的40%3.2011年，我国新增光伏发电的装机容量达2 000 MW，增长量已居世界第三3.受地域、季节、昼夜和天气等因素的影响，太阳辐射存在时空分布差异，影响了太阳能光伏发电的有效性和稳定性.为克服太阳辐射时空差异对光伏发电的影响，保证太阳能光伏发电的持续性和稳定性，必须进行光伏发电系统混合储能容量的优化配置.独立光伏发电系统容量的优化配置不仅涉及技术和设备的优化，同时还涉及成本问题.因此，本文在讨论独立光伏发电系统容量优化配置的同时，也将成本优化一并考虑.1独立光伏发电系统及组件特性独立光伏发电是相对并网发电而言的，是相对独立的发电系统.独立光伏发电系统是利用光收稿日期：2023-04-01作者简介：杨露（1994-），女，贵州凯里人，贵州电网凯里供电局500KV变电站值班长，研究方向变电运行.第 41 卷第 3 期2023 年 6 月凯里学院学报Journal of Kaili UniversityVol.41 No.3Jun.202313伏电池板将太阳能转化为电能，并由光伏阵列、功率转换器、控制器、储能装置、逆变器等主要部件组成的系统，分为直流和交流两大类.独立光伏发电系统结构如图1所示.光 伏 阵 列MPPT逆 变 器交 流 负 载蓄 电 池超 级 电 容 器直 流 负 载DC/DCDC/DC图1独立光伏发电系统结构图在现在技术水平下，蓄电池与超级电容器通过功率变换器并联的方式有三种，分别为BOOST、BUCK和BUCK-BOOST.能量的流动在储能系统可以是单向的也可以是双向的.为了能给蓄电池和超级电容器充电，也为了蓄电池和超级电容器能够将储存的电能释放并提供给负载，采用双向并联控制器即双向功率变换器（BUCK-BOOST）更具有实用性.通过双向功率变换器将蓄电池和超级电容器并联起来，灵活控制并联控制器，可以实现对蓄电池和超级电容器的能量流动方式以及流动过程的控制4.通过双向功率变换器将两者并联，当负载功率脉动时，蓄电池与超级电容器的输出电流会通过电感而变得平滑，提高了供电质量.1.1蓄电池光伏发电蓄电池通常是化学电池，简称为蓄电池，是一种把电能储存为化学能，通过放电再次把化学能转换为电能的元件.蓄电池虽能储存电能，保障系统持续供电，但由于其功率密度低、循环使用寿命短、运行成本高等缺点，无法有效利用.为了解决蓄电池的这些缺点，在当前储能系统技术应用中，技术发展较为成熟且应用较为广泛的是铅酸蓄电池.铅酸蓄电池具有价格低、高低温性能稳定、容量大、放电效率高等特点，具有较好的通用性5.铅酸蓄电池的充放电过程是电化学反应的过程，它的阴阳两极分别由海绵铅和二氧化铅这两种活性物质组成，其中的电解质溶液为稀硫酸.当铅酸蓄电池放电时，其中的海绵铅、二氧化铅与稀硫酸发生化学反应转化为水和硫酸铅；而当充电时，硫酸铅与水又会转化为海绵铅、二氧化铅与稀硫酸.这是一个可逆反应，在理想状态下，铅酸蓄电池可以反复循环进行充放电反应，并在完成充放电后恢复原样，不会产生其他的物质.1.2超级电容器超级电容器作为一种新兴的能源元件，容量可高达数千法拉，并且还兼有功率密度大、充电比能量高的优点，不仅高低温性能好，而且充放电效率高，循环寿命长，介于充电电池与电容器之间.与化学电池相比，超级电容器的充放电过程是物理性的，性能稳定6.目前最受欢迎的超级电容器大部分是由活性炭材料构成的双电层超级电容器.由于活性炭资源丰富，使用成本较低，该类电容器也成了目前使用和生产最为广泛的超级电容器.双电层超级电容器采用高比表面积的活性炭材料做成多孔电极，在电极之间填入电解液.当在两端电极施14加电压时，电极上汇集正负电子，而电解液中的正负离子则在电场的作用下向正负极板移动，最终形成两层，即两相界面.1.3控制器控制器是指按照要求改变或控制电路的接线，从而达到控制电路目的的装置.由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作.控制器分组合逻辑控制器和微程序控制器两种：组合逻辑控制器设计麻烦，结构复杂，一旦设计完成，就不能再修改或扩充，但速度快；微程序控制器设计方便，结构简单，修改或扩充方便，但需重编微程序控制，速度慢.1.4交流逆变器交流逆变器是将直流电变为交流电的设备，分为光伏离网型逆变器和并网型逆变器两类.独立光伏发电主要是离网型逆变器，主要是通过变频器实现的.随着电力电子技术的发展，变频器具有调速平滑、范围大、效率高、启动电流小、运行平稳、节能等特点，被广泛运用到逆变电路中.在独立光伏系统中，混合储能就是利用蓄电池能量密度大、循环寿命短、功率密度低以及超级电容器功率密度大、充放电速度快、循环寿命长等特点，进行优化组合，优势互补，实现独立光伏系统的高效稳定运行.要实现蓄电池与超级电容器混合储能优化配置，就要进行独立光伏发电系统模型分析.2模型分析2.1光伏电池阵列模型光伏电池的工程数学模型如下式所示6：I=Isc|1 C1()eU UC2Uoc 1+I若考虑到温度和光照的因素，则光伏电池单体的最佳功率点电流和电压为：Im=Im0SSref1+()K KrefUm=Um01 ()K Krefln(e+(SSref 1)C1=(1 ImIsc)eUmC2UocC2=(UmUoc 1)ln(1 ImIsc)K=Kair+HS式中，Im0，Um0为参考条件下的最大功率点电流和电压（参考条件中太阳辐射强度为1000 W/m2，光伏电池温度为25）；Isc，Uoc为参考条件下的短路电流和开路电压；，为补偿系数（推荐=0.002 5/，=0.000 5 W/m2，=0.002 88/）；S为日射强度；Kair为环境温度；H可由实验测定的H（S）直线的斜率确定，对于常见的光伏阵列支架，可取H=0.03（m2/W）；I和U为与日射强度15和温度相关的修正系数.当短路电流、开路电压以及最大功率点电流、电压给定后，可得到一个在日射和温度变化下的光伏阵列的输出功率Pgf(t)=NjU(t)I(t)，其中Nj为级联数量.2.2太阳逐时以及温度模型目前来说，太阳辐射逐时模型常采用广泛的半正弦模型13-14：Q(t)=AQsin(t t1t2 t1)AQ=2(t2 t1)Q式中，Q()t为t时刻的太阳总辐射值；t1为日出时刻，t2为日落时刻；AQ为日总辐射量小时的当下的最大值；Q为日总辐射量.由上述，辐射强度在t时刻变化的表达式为：S()t=Q()t 10003.6=2(t2 t1)Qsin()t t1t2 t1 1000/3.6根据长期对气候温度的观察统计，将气温数据分析可知，一天之中，气候温度达到最大值的时刻是14时左右，而在上午5时左右会出现气候温度最小值即最低温度.假定温度在一天中匀速变化，则气温在一天中不同时刻的变化表达式为：K()t=|Kmin+()t 5Kmax Kmin14 5,5 t 14Kmax()t 14Kmax Kmin24 14+5,14 t 24Kmax()24 14+tKmax Kmin24 14+5,0 t=LcpvPPp时，储能装置充电，此时负荷的缺电量（LPS）为零，c为系统逆变器的功率转换效率，充电具体过程如下9：当光伏功率p大于等于储能装置最大输出功率之和cucbanPP)(max+时，蓄电池组与超级电容器组在kt时刻的储能量)(ktEba、)(ktEuc分别等于其在tk)1(-时刻的储能量与其在kt时刻充放电功率的充放电效率之和.若此时，储能超过蓄电池储能总量banE，则先给蓄电池充满电，再给超级电容器充电，然后充电结束.当光伏功率p大于等于蓄电池的额定输出功率cbanP时，蓄电池组在kt时刻的储能量)(ktEba等于其在tk)1(-时刻的储能量与其在kt时刻充放电功率的充放电效率之和.若储能超过蓄电池储能总量banE，则先给蓄电池充满电，记此时刻为t1，若t1时刻后，当p大于等于超级电容器的最大输出功率cucPmax时，超级电容器的以最大输出功率maxucP输出，或者以不平衡功率中的频繁波动功率输出，此时再给超级电容器充电，然后充电结束.若光伏功率p仅大于等于超级电容器的最大输出功率cucPmax时，超级电容器的以最大输出功率maxucP输出，或者以不平衡功率中的频繁波动功率输出，超级电容器组在kt时刻的储能量)(ktEuc等于其在tk)1(-时刻的储能量与其在kt时刻充放电功率的充放电效率之和，此时只给超级电容器充电，然后充电结束.3.2储能装置的放电状态当光伏电源不足，无法满足负荷需求时，即0=LcpvPPp时，则储能系统放电，以弥补电源功率缺额，此时令pp=，放电的具体过程如下9：当光伏功率p的绝对值大于等于储能装置最大输出功率之和cucbanPP)(max+时，蓄电池组与超级电容器组在kt时刻的储能量)(ktEba、)(ktEuc分别等于其在tk)1(-时刻的储能量与其在kt时刻充放电功率的充放电效率之差.若此时，能量小于蓄电池的最小剩余能量minbaE，则蓄电池放电至最小剩余能量minbaE以弥补缺电量；否则，若当能量仅小于超级电容器的储能下限minucE时，超级电容器先放电，弥补缺电量，放电结束.当光伏功率p的绝对值大于等于蓄电池的额定输出功率cbanP时，蓄电池组在kt时刻的储能量)(ktEba等于其在tk)1(-时刻的储能量与其在kt时刻充放电功率的充放电效率之差.若能17量小于蓄电池最小剩余能量minbaE，则蓄电池放电至最小剩余能量minbaE，记此时刻为t1，若t1时刻后，当波动功率p绝对值大于等于超级电容器的最大输出功率cucP*max时，则让超级电容器开始放电弥补缺电量，超级电容器的以最大输出功率maxucP输出，或者超级电容器以不平衡功率中的频繁波动功率输出，此时超级电容器放电至储能下限minucE时，放电结束.若光伏功率p的绝对值仅大于等于超级电容器的最大输出功率cucP*max时，超级电容器开始放电，以弥补缺电量，此时超级电容器的以最大输出功率maxucP输出，或者以不平衡功率中的频繁波动功率输出，超级电容器组在kt时刻的储能量)(ktEuc等于其在tk)1(-时刻的储能量与其在kt时刻充放电功率的充放电效率之差.当超级电容器放电至储能下限minucE时，放电结束.3.3储能系统的充放电策略独立光伏发电系统中，电源功率是间歇波动的.考虑到蓄电池和超级电容器的储能特性互补以及负荷工作特性与光伏阵列之间的关系，提出对混合储能系统合理的充放电控制策略.在太阳光照充足时，储能系统能够吸收多余的光伏电能并储存起来，提高光伏利用率；当光照强度减弱时或遇到负荷冲击大时，储能系统能够释放储存的电能，保证供电质量；若出现长期阴雨天气，光伏系统可能无法正常工作，储能系统仍能持续地向重要负荷提供电能，以保证供电可靠性.结合超级电容器的功率密度大、循环寿命长与蓄电池能量密度大的优势互补特点，需考虑将超级电容器主要用来平滑不平衡功率，即承担频繁波动的功率，蓄电池主要用来承担其中的基本功率.这样不仅可以有效回避超级电容器能量密度低的缺点，还可以避免蓄电池频繁充放电，从而延长蓄电池的使用寿命.根据以上充放电管理策略，分析该独立光伏发电系统的负荷缺电率的计算流程如图2所示.Euc(k+1)=Euc(k)；Eba(k+1)=Eba(K)k+LPSP=LPS/EIt开始p0LPS+=0储能装置充电储能装置充电p=pKp时，负荷的缺电量为零，这时储能系统处于充电状态；当光伏功率无法满足负荷需求时，即0p时，储能系统放电补充功率缺额.独立光伏发电系统的缺电率最大值约束着其运行的可靠性，即LPSP(m,n)LPSPmax.（2）独立光伏发电系统的合理约束，即不平衡功率的约束条件必须满足：p=(Pba(kt,m)+Puc(kt,n)c=Pt(kt)Ppv(kt)c.（3）为使蓄电池和超级电容器能够正常运行，满足光伏发电系统各项性能指标要求，储能系统容量优化配置的约束条件为：|Pba()kt,m Pban()m,Puc(kt,n)Pucmax(n)Ebamin()m Eba()kt,m Eban()mEucmin(n)Euc(kt,n)Eucmax(n).4.2全生命周期成本优化独立光伏发电系统在满足其系统性能指标的要求下，寻找其储能装置的蓄电池组和超级电容器组容量最小时的最优比，从而达到系统的安全和稳定，但这还不够，还必须考虑成本优化.传统的经济优化常常只注重初始投入成本，而根据IEC 60300-3-3（国际电工委员会制定的全生命周期费用的计算标准）的相关条例规定，系统设备的全生命周期费用（Life Cycle Cost，LCC）包括设备从设计规划、制造安装、使用维修、废弃置换等整个过程所产生的总消费成本12.全生命周期费用大致分为三个成本，即购买成本（Acquisition Cost）、拥有成本（Ownership Cost）和处理成本（Disposal Cost），全生命周期费用的理论表达式为LCC=Caq+Cow+Cdc.式中，LCC为生命周期费用，aqC为设备的购买成本，owC为设备的拥有成本，dcC为设备的处理成本（残值成本和报废成本）.本文以储能装置的全生命周期成本（LCC）作为经济优化目标模型，将储能装置成本延展到初始投入购置、安装运行、维护管理、报废置换等过程，使优化结果更贴近储能装置的全生命周期.根据全生命周期成本理论，给出本文储能系统的经济目标函数表达式为：minC=Civ+Coc+Cmc+Cdc.式中，Civ为储能设备的初期投入成本（Investment Cost），其中包括蓄电池组、超级电容器组及其附加设备的购置成本；Coc为储能系统的运行成本（Operating Cost），其中包括蓄电池组和超级电容器组的试验安装、运维损耗、停运损耗以及人工等成本；Cmc为储能系统的维护管理成本（Main19tenance Cost），其中包括蓄电池组和超级电容器组故障前的定期检修维护成本和故障后的维修费用；Cdc为储能设备的处置成本（Disposal Cost），其中包括蓄电池组和超级电容器组的失效报废成本和残值成本.储能设备的初期投入成本（考虑到折旧费用）为Civ=mCbfb+nCcfc.式中m为蓄电池的个数，n为和超级电容器的个数，Cb为蓄电池的单价，Cc为超级电容器的单价，fb为蓄电池的折旧系数，fc为和超级电容器的折旧系数.储能系统的运行成本Coc=mCbfob+nCcfoc，式中fob和foc分别为蓄电池和超级电容器的运行系数.储能系统的维护管理成本Cmc=mCbfmb+nCcfmc，式中fmb和fmc分别为蓄电池和超级电容器的维护系数（一般情况下，超级电容器不需要维护，所以超级电容器的维护系数fmc=0）.储能设备的处置成本Cdc=mCbfdb+nCcfdc，式中fdb为蓄电池的处置系数，fdc为超级电容器的处置系数.由上述可知，minC=()fb+fob+fmb+fdbmCb+(fc+foc+fmc+fdc)nCc.4.3混合储能系统容量优化配置综上分析，储能系统容量优化配置不仅要既考虑设备各项性能指标的约束条件，同时也要考虑系统全生命周期的各项成本.因此，混合储能系统容量优化配置可表示为：|Pba()kt,m Pban()m,Puc(kt,n)Pucmax(n)Ebamin()m Eba()kt,m Eban()mEucmin()n Euc()kt,n Eucmax()nminC=()fb+fob+fmb+fdbmCb+(fc+foc+fmc+fdc)nCc.本文将传统储能系统容量优化配置只考虑经济优化问题延展到系统的全生命周期成本（LCC），即初始投入购置、安装运行、维护管理、报废置换等四方面情况成本，在实际应用中更符合实际情况，即满足光伏发电系统各项性能指标的条件下，系统在整个全生命周期中实现投资、维护成本最小.参考文献：1李安定.太阳能光伏发电系统工程 M.北京：北京工业大学出版社，2001.2左然，施明恒，王希麟.可再生能源论 M.北京：机械工业出版社，2007.3KRAUTER S.Solar electric power generation-photovoltaic energy systems M.Springer Berlin，2005.4朱向芬.基于粒子群算法的混合储能系统容量优化配置 D.银川：宁夏大学，2014.5钟海云，李荐，戴艳阳，等.新型能源器件超级电容器发展最新动态 J.电源技术，2001，25（5）：367-370.6杨珺，张建成，黄磊磊，等.基于改进粒子群算法的独立光伏发电系统储能容量优化配置研究 J.华东电力，2012（8）：1370-1374.7张素宁，田胜元.太阳辐射逐时模型的建立 J.太阳能学报.1997，18（3）：273-277.8刘建涛，张建成，王珂，等.独立光伏发电混合储能系统容量优化研究 J.电网与清洁能源，2012（3）：85-90.209童成立，张文菊，汤阳，等.逐日太阳辐射的模拟计算 J.中国农业气象，2005，26（3）：165-169.10 杨国华，朱向芬，周鑫，等.基于遗传算法的风电混合储能容量优化配置 J.电气传动，2015（2）：50-53.11 崔新奇，尹来宾，范春菊，等.变电站改造中变压器全生命周期费用（LCC）模型的研究 J.电力系统保护与控制，2010（7）：69-73.责任编辑：蒋琴CapacityOptimalConfigurationofHybridEnergyStorageSysteminStand-alonePVSystemsYANG Lu（Kaili Power Supply Bureau，Kaili，Guizhou，556000，China）Abstract：Solar photovoltaic power generation is a new technology in China s new energy applications.To rationally and efficiently use solar power，we can establish an independent photovoltaic power generation system in the solar energy-rich areas.Because of the intermittent，fluctuating，and unstable nature of solar energy，in order to improve the reliability of the power supply of the independent powergeneration system and ensure the quality of the power supply，it is necessary to configure the energystorage system for the power generation system in order to realize the power supply for day and night.Inthe design of an independent photovoltaic power generation system，a mathematical model is established for the work environment，working conditions，and working elements of an independent photovoltaic power generation system.Combined with the actual storage and discharge characteristics of batteries and supercapacitors，the rational allocation and planning of the capacity of the battery and the supercapacitor ratio.Taking the life cycle of the energy storage system as the economic objective optimization function，then established the constraint model of the reliability index of the power generation system.Key words：Stand-alone PV systems；battery；super capacitor；hybrid energy storage；capacity optimization21