丁明，張穎媛，茆美琴，劉小平，徐寧舟

(合肥工業(yè)大學(xué)教育部光伏系統(tǒng)工程研究中心，安徽省 合肥市 230009)

摘要：微網(wǎng)有利于充分發(fā)揮可再生能源發(fā)電等分布式能源系統(tǒng)的效益，實現(xiàn)需求側(cè)管理及現(xiàn)有能源的最大化利用，但與此同時，可再生能源發(fā)電所具有的間歇性使得微網(wǎng)系統(tǒng)承受擾動的能力相對較弱。儲能技術(shù)的應(yīng)用將對微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行控制發(fā)揮重要作用。以鈉硫電池為儲能研究對象，建立了包含鈉硫電池儲能的微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運行優(yōu)化模型，并以一個微網(wǎng)系統(tǒng)為例，分析討論了多種因素對系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運行優(yōu)化結(jié)果的影響，驗證了所建立模型的合理性。

0引言

近年來，為了充分發(fā)揮可再生能源發(fā)電等分布式能源系統(tǒng)的效益，微網(wǎng)的集成與控制成為研究熱點，這也是智能電網(wǎng)建設(shè)中的一個重要組成部分[1-10]。

微網(wǎng)作為一種新型能源網(wǎng)絡(luò)化供應(yīng)與管理技術(shù)，便利了分布式能源(distributed energy resource，DER)系統(tǒng)的接入，同時可實現(xiàn)需求側(cè)管理及現(xiàn)有能源的最大化利用。它具有靈活的運行方式和可調(diào)度性能，可實現(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理等自治功能。

由于具有間歇性的可再生能源發(fā)電一般占有較大比例，微網(wǎng)系統(tǒng)承受擾動的能力相對較弱。為了充分發(fā)揮可再生能源發(fā)電的優(yōu)勢，平衡其隨機波動，維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定，改善電能質(zhì)量，就必須同時在系統(tǒng)中配備一定容量的同步發(fā)電單元或儲能單元。儲能單元以其能量可雙向流動、可兼顧容量和功率需求以及優(yōu)異的環(huán)保性能等特性受到了廣泛的關(guān)注[11-15]。它們可用于平抑負(fù)荷波動、進(jìn)行削峰填谷；與風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電技術(shù)相配合，以穩(wěn)定系統(tǒng)的功率輸出，增強可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的可調(diào)度性能；保證電能質(zhì)量，提高用戶側(cè)可靠性；提供頻率調(diào)節(jié)、瞬時響應(yīng)備用、旋轉(zhuǎn)備用等輔助服務(wù)功能；可通過參與電力市場，利用峰谷電價差異使儲能系統(tǒng)擁有者獲得一定的經(jīng)濟(jì)收益；與此同時可提高電網(wǎng)的輸配電能力、延緩電網(wǎng)升級擴建、降低電網(wǎng)投資成本等。

微網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運行優(yōu)化是微網(wǎng)的集成控制及能量管理研究中的一個重要內(nèi)容。國外的相關(guān)科研組織對此已取得一定的研究成果，例如：歐盟的研究劃分較為細(xì)致，分別針對集中控制式和分散控制式微網(wǎng)系統(tǒng)展開研究；日本在工程應(yīng)用方面較為領(lǐng)先，開發(fā)了相應(yīng)的能量管理軟件并已將其在所建的示范工程中加以應(yīng)用[2-5]。而國內(nèi)關(guān)于微網(wǎng)的研究之前主要是集中于單元級的風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、(微型)燃?xì)廨啓C等分布式發(fā)電(distributed generator，DG)單元和超級電容、超導(dǎo)、飛輪等分布式儲能單元。微網(wǎng)系統(tǒng)級的能量管理研究近來也開始受到關(guān)注，例如文獻(xiàn)[16]建立了包含DG單元的微網(wǎng)系統(tǒng)有功優(yōu)化調(diào)度模型，但對于建立完善的微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運行優(yōu)化模型及理論體系仍有待進(jìn)一步研究。本文在對比多種儲能技術(shù)特性的基礎(chǔ)上，選取適用于電力系統(tǒng)應(yīng)用、適應(yīng)范圍廣且已實現(xiàn)量產(chǎn)的鈉硫電池為研究對象，提出包含鈉硫電池儲能的微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運行優(yōu)化模型，并以一個包含鈉硫電池儲能的微網(wǎng)系統(tǒng)為例，討論了多種因素對系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運行優(yōu)化結(jié)果的影響。

1鈉硫電池儲能系統(tǒng)

1.1鈉硫電池的特點

依據(jù)儲能技術(shù)的特性，可將其劃分為2種：功率密度高、響應(yīng)迅速、可進(jìn)行頻繁充放電的功率型儲能技術(shù)，如超導(dǎo)儲能、飛輪儲能、超級電容儲能等；能量密度高、可進(jìn)行大規(guī)模能量存儲的能量型儲能技術(shù)，如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、蓄電池儲能等。本文主要關(guān)注適于微網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用的能量型儲能技術(shù)。抽水蓄能、壓縮空氣儲能2種技術(shù)受地理和資源因素限制比較強，而具有模塊化、響應(yīng)快、商業(yè)化程度高等特點的蓄電池儲能應(yīng)用范圍最為廣泛。隨著技術(shù)革新和新型電池研制成功，電池的效率、功率、能量和壽命得到了顯著提高[11-13]。

在蓄電池儲能技術(shù)中，鉛酸電池以其低廉的成本、成熟的技術(shù)而廣為應(yīng)用，但其空間需求較大、效率受環(huán)境溫度影響較大、放電深度和循環(huán)壽命均有待提高、存在有毒物質(zhì)；鎳鎘電池成本較高，與鉛酸電池相比，除了體積小之外沒有其他明顯優(yōu)勢；鋰電池能量密度高、效率高，在中小功率應(yīng)用中具有優(yōu)越的性能，但不適合大容量需求的應(yīng)用場合；全釩等氧化還原液流電池的功率輸出和能量儲存部分是相互獨立的，循環(huán)壽命長，適合大容量安裝，但其能量密度較低；鈉硫電池具有比能量高、適應(yīng)面寬且已實現(xiàn)批量生產(chǎn)等優(yōu)勢[11-13,15,17-19]。本文選取鈉硫電池為研究對象。

鈉硫電池是一種可滿足從小時級的平抑負(fù)荷波動到秒級的不間斷電源(uninterrupted power supply，UPS)應(yīng)用范圍內(nèi)的多功能儲能設(shè)備。NGK和TEPCO公司已在世界范圍內(nèi)興建了許多示范工程[15,17,20]。鈉硫電池?fù)碛性S多令人感興趣的特性[18-22]，主要有：

1）能量密度高、空間需求小，與鉛酸電池相比，能量密度是其3倍，而空間需求僅是其1/3；

2）適應(yīng)范圍廣，既可短時大功率放電，也可以較小的功率滿足較長時間的需求；

3）充放電效率高，很少或沒有自放電；

4）耐久性佳，具有長達(dá)15年的運行壽命，在放電深度為100%的情況下充放電循環(huán)次數(shù)可達(dá)2500次，或者在放電深度為90%的情況下充放電循環(huán)次數(shù)可達(dá)到4500次；

5）無廢氣排放和噪音，具有優(yōu)異的環(huán)保性能；

6）全密封結(jié)構(gòu)，安全性高，維修處理方便。

同時，鈉硫電池也存在一定的缺點：它是一種高溫運行設(shè)備，需要維持300℃左右的溫度；所使用的電解質(zhì)為β-氧化鋁陶瓷，這種物質(zhì)目前全球只有NGK絕緣公司可批量生產(chǎn)，存在一定的安全隱患。

1.2鈉硫電池儲能系統(tǒng)的功能

鈉硫電池模塊可以經(jīng)串并聯(lián)方式組合以滿足大容量、高功率的需求。通常，鈉硫電池儲能系統(tǒng)由鈉硫電池模塊、功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和出口變壓器組成。美國電力公司將鈉硫電池儲能系統(tǒng)的功能分為：電能質(zhì)量(power quality，PQ)和削峰(peak-load shaving，PS)2種應(yīng)用模式[17]。顧名思義，PQ模式指短時間內(nèi)的功率調(diào)整，以保證電能質(zhì)量；PS模式指一天或更長時間周期內(nèi)的削峰填谷。PQ模式下，電池可以成倍地輸出額定功率，輸出功率倍數(shù)(即鈉硫脈沖因數(shù))可高達(dá)5；但是，輸出功率越大，能量損失也將越大。PS模式下，電池將以較小的恒定功率輸出。目前，諸多鈉硫電池儲能示范工程的運行，是由NGK公司預(yù)設(shè)好多種運行模式，用戶可以根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。

1.3鈉硫電池儲能系統(tǒng)的特性

2含鈉硫電池儲能的微網(wǎng)運行優(yōu)化模型

2.1系統(tǒng)運行控制策略

根據(jù)微網(wǎng)與主網(wǎng)間的能量交互方式及微網(wǎng)內(nèi)DER是否享受優(yōu)先調(diào)度權(quán)，可將微網(wǎng)與主網(wǎng)間的交互運行控制策略分為以下3種：

1）優(yōu)先利用微網(wǎng)內(nèi)部的DER來滿足網(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷需求，可以從主網(wǎng)吸收功率，但不可以向主網(wǎng)輸出功率；

2）微網(wǎng)內(nèi)部的DER與主網(wǎng)共同參與系統(tǒng)的運行優(yōu)化，但仍是可以從主網(wǎng)吸收功率，不可以向主網(wǎng)輸出功率；

3）微網(wǎng)可以與主網(wǎng)自由雙向交換功率。

對于可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，雖然環(huán)境效益很好，運行成本也很低，但長期以來安裝成本較高，使其綜合經(jīng)濟(jì)效益無法與其他發(fā)電形式相競爭。故中國電力行業(yè)目前的管理方式是可再生能源發(fā)電享受優(yōu)先調(diào)度權(quán)和電量被全額收購的優(yōu)惠。本文的研究亦以此為前提。

2.2系統(tǒng)優(yōu)化模型

儲能單元類型及其運行功能的選擇因微網(wǎng)的需求不同、儲能單元在系統(tǒng)中所發(fā)揮的作用不同而不同。本文針對集中控制式微網(wǎng)系統(tǒng)，對微網(wǎng)級中央控制器所應(yīng)提供的運行優(yōu)化功能進(jìn)行研究，以鈉硫電池在系統(tǒng)中實現(xiàn)削峰填谷功能為例，建立了包含鈉硫電池儲能的微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運行優(yōu)化模型。

在某一時間間隔δ內(nèi)，本文作如下假設(shè)：負(fù)荷需求維持恒定；DG單元的功率輸出恒定；微網(wǎng)與主網(wǎng)間的交互功率恒定；電池的運行狀態(tài)單一，且其充放電功率維持恒定；若微網(wǎng)與主網(wǎng)間的交互電價選取為實時電價，則在δ內(nèi)電價維持恒定。由于所需解決的問題不同，所以δ的選取有所區(qū)別：若解決問題為離線經(jīng)濟(jì)運行優(yōu)化，δ可為5min~1h；若解決問題為在線經(jīng)濟(jì)運行優(yōu)化，δ可為1~5min。

1）目標(biāo)函數(shù)。

①目標(biāo)1。微網(wǎng)系統(tǒng)的運行成本最低。運行成本中考慮DER的能耗成本、運行管理成本以及微網(wǎng)與主網(wǎng)間的能量交互成本。

3算例分析

3.1系統(tǒng)運行時選取的控制策略不同

本文在保證系統(tǒng)安全、綜合考慮系統(tǒng)各組成部分間比例的基礎(chǔ)上，確定選取一個包含光伏發(fā)電(photovoltaic，PV)、風(fēng)力發(fā)電(wind turbine，WT)、燃料電池(fuel cell，F(xiàn)C)和同步發(fā)電單元(以柴油機(diesel engine，DE)為例)4種分布式發(fā)電單元，以及鈉硫電池儲能單元(Na/S)的微網(wǎng)系統(tǒng)為例，討論了多種因素對其經(jīng)濟(jì)運行優(yōu)化結(jié)果的影響。微網(wǎng)與主網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)線(Grid)的物理傳輸容量上限為20kW，各DER單元的相關(guān)信息如表1—2所示。其余計算分析過程所需數(shù)據(jù)見附錄A。

從圖中可以看出：微網(wǎng)系統(tǒng)的運行控制采用策略1）時，負(fù)荷由微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的DER單元優(yōu)先供能，僅當(dāng)所有DER單元以其上限功率輸出仍不能滿足負(fù)荷需求時，主網(wǎng)系統(tǒng)才向微網(wǎng)系統(tǒng)提供能量；采用策略2）時，主網(wǎng)系統(tǒng)與DER單元共同參與系統(tǒng)優(yōu)化，但微網(wǎng)系統(tǒng)與主網(wǎng)系統(tǒng)間的能量交互是單向的，即能量只能由主網(wǎng)系統(tǒng)向微網(wǎng)系統(tǒng)傳輸；采用策略3）時，能量在微網(wǎng)系統(tǒng)與主網(wǎng)系統(tǒng)間可雙向自由交互。

對比負(fù)荷需求全部由主網(wǎng)系統(tǒng)提供的方式，采用上述3種策略所需的費用對比情況見附錄A表A5，可見：微網(wǎng)系統(tǒng)中的DG單元具有明顯的運行成本優(yōu)勢，但是整個系統(tǒng)的發(fā)電成本很高，這是由于鈉硫電池儲能單元的可變運行管理費用很高，以至其占整個系統(tǒng)發(fā)電成本的比重高達(dá)96%以上；采用策略3）時，在滿足負(fù)荷需求的基礎(chǔ)上，微網(wǎng)系統(tǒng)利用成本較低的DER單元可向主網(wǎng)系統(tǒng)售電，獲取收益，較之采用策略1）、策略2）的運行方式，使微網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益有所提高；本算例系統(tǒng)中由于柴油發(fā)電機的氮氧化物排放嚴(yán)重，且治理成本很高，使得微網(wǎng)系統(tǒng)在采用策略3）提高運行效益的同時，較之策略2）也增加了一定的治污支出；另外，較之負(fù)荷需求全部由主網(wǎng)系統(tǒng)提供的方式，DER單元的投入在很大程度上提高了系統(tǒng)的環(huán)境效益。

3.2系統(tǒng)運行時選取的電價類型不同

微網(wǎng)系統(tǒng)選取策略2）為運行控制策略，目標(biāo)2為優(yōu)化目標(biāo)，微網(wǎng)與主網(wǎng)間交互電價分別取平均電價和實時電價時，系統(tǒng)的出力優(yōu)化結(jié)果如圖2所示。

本文計算過程中選取所需平均電價為0.5元/(kW·h)，即主網(wǎng)系統(tǒng)在此情形下的發(fā)電成本低于本例中所有的DER單元，故在整個周期之內(nèi)主網(wǎng)均以聯(lián)絡(luò)線的傳輸容量限值向微網(wǎng)供能，如圖2(a)所示，而在圖2(b)中，當(dāng)微網(wǎng)與主網(wǎng)間交互電價取實時電價時，在其電價高于某些DER單元發(fā)電成本的時段，主網(wǎng)向微網(wǎng)提供的能量將減少，轉(zhuǎn)而由發(fā)電成本較低的DER單元(本例中為FC)增加功率輸出。2種情形系統(tǒng)所需的費用對比情況見附錄A表A6，可看出微網(wǎng)與主網(wǎng)間交互電價采用實時電價較采用平均電價的情形具有較高的經(jīng)濟(jì)效益，鈉硫電池儲能單元的發(fā)電成本在系統(tǒng)總發(fā)電成本中所占比重仍很高。

3.3系統(tǒng)運行時選取的優(yōu)化目標(biāo)不同

微網(wǎng)系統(tǒng)選取策略3）為運行控制策略，與主網(wǎng)間的交互電價類型取實時電價，采用不同優(yōu)化目標(biāo)時，系統(tǒng)的出力優(yōu)化結(jié)果如圖3所示，系統(tǒng)所需的費用對比情況見附錄A表A7—A8。

從圖3、表A7—A8可知：

一方面，系統(tǒng)的運行優(yōu)化結(jié)果因所選取的優(yōu)化目標(biāo)不同而各不相同。從圖3(a)可知，微網(wǎng)系統(tǒng)中的DG單元在運行成本方面較主網(wǎng)系統(tǒng)具有較大的競爭優(yōu)勢。然而，目前技術(shù)不夠先進(jìn)等原因?qū)е翫ER單元的折舊成本很高，以致圖3(b)中在整個周期內(nèi)，僅除電價特別高的個別時段外，主網(wǎng)系統(tǒng)均以聯(lián)絡(luò)線傳輸容量限值向微網(wǎng)系統(tǒng)提供能量。由于儲能單元在運行過程中不排放污染氣體，因而圖3(c)在僅考慮環(huán)境效益的目標(biāo)3情形下，儲能單元的利用率最高，微網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益頗為顯著，較之負(fù)荷需求全部由主網(wǎng)系統(tǒng)提供的運行方式，選取目標(biāo)3情形下的系統(tǒng)治污成本降低了38.92%。較之目標(biāo)1、目標(biāo)2的情形，對于以系統(tǒng)的綜合效益最高為優(yōu)化目標(biāo)的目標(biāo)4情形，環(huán)境效益的考慮也使得鈉硫電池發(fā)電成本占系統(tǒng)發(fā)電成本的比重有所減小；不過，盡管在運行成本、環(huán)境效益方面微網(wǎng)系統(tǒng)有較大優(yōu)勢，但現(xiàn)階段較高的DER折舊成本和儲能運行管理費用使得微網(wǎng)系統(tǒng)的綜合效益仍難以與主網(wǎng)系統(tǒng)相抗衡。

另一方面，結(jié)合圖1—3、附錄A[4,17-24]圖A1可發(fā)現(xiàn)，除僅考慮環(huán)境效益的目標(biāo)3外，鈉硫電池儲能單元由于其現(xiàn)階段需要高昂的可變運行管理費用，使得只有在其他DER單元以最大限值輸出仍無法滿足負(fù)荷需求的情形下(19—22時段)，它才進(jìn)行能量的釋放。

此外，運行控制策略3）的采用使得微網(wǎng)與主網(wǎng)間的能量可雙向自由交互，即在微網(wǎng)發(fā)電成本較主網(wǎng)發(fā)電成本高的時段，微網(wǎng)從主網(wǎng)吸收功率，節(jié)省支出，而在微網(wǎng)發(fā)電成本較主網(wǎng)發(fā)電成本低的時段，在滿足負(fù)荷需求的基礎(chǔ)上，微網(wǎng)可向主網(wǎng)輸出功率，獲取收益，與此同時，實時電價的采用使得微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的體現(xiàn)更為明顯。

4結(jié)論

儲能技術(shù)的應(yīng)用對于微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行控制發(fā)揮著重要作用。本文選取鈉硫電池為儲能研究對象，建立了包含鈉硫電池儲能的微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運行優(yōu)化模型，并以一個包含光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池、同步發(fā)電單元和鈉硫電池儲能單元的微網(wǎng)系統(tǒng)為例，討論了多種因素對系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運行優(yōu)化結(jié)果的影響，驗證了所建立模型的合理性。

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