分布式光伏发电并网系统混合储能容量自适应规划方法

吕 航，柴小亮，徐松晓，赵海东，安佳坤

(1. 国网河北省电力有限公司保定供电分公司，河北 保定 071051；2. 国网河北省电力有限公司经济技术研究院，河北 石家庄 050011)

0 引言

分布式光伏发电系统通常与终端负载较为接近,其主要特点是应用范围广、地理位置限制小、易于维护及安装、能量使用率高及占地小等[1]。分布式光伏发电并网系统可连接公共电网,二者的功率可互换,该系统中光伏电池阵列所输出的电能不仅能够向附近负载提供,而且能够提供给公共电网,当系统的光伏供能低时,能够经由公共电网将电能供应给附近负载[2-4]。此类系统和公共电网之间互换功率时,通常过程较为随意且不连贯,导致该系统连接公共电网后,其电能质量与运行控制等方面受到不同程度的干扰[5]。通常可通过为此类系统配备相应的储能容量,令系统的出力更平稳,公共电网互换功率的波动降低,并提升系统与公共电网相连时功率的可调度性,以此避免上述干扰情况的发生,保障系统与电网运行的安全稳定[6]。

分布式光伏发电并网系统内储能容量的关键装置为储能电池,其特点是具有调整电压与平抑功率等功能[7-8]。储能电池包含液流电池、锂电池及铅酸蓄电池等。其中,液流电池具有较高的容量,但其使用成本相对较高,且技术成熟度较低;锂电池的优点是环保、体积小、能量比与功率比较高,缺点是其成组技术成熟度稍低;铅酸蓄电池的优点是容量比高,且技术相对较为成熟等,其缺点是环保性差、高温下使用寿命短[9]。由于各种储能电池均具备各自的优缺点,为获得功率与能量性能的综合优势,可选取分别在两方面表现优越的超级电容与蓄电池构成混合储能单元,用于分布式光伏发电并网系统,通过对其容量的合理规划,达到系统的能量与功率的双重稳定,保障系统与公共电网的稳定运行[10]。

综合以上分析,本文研究了一种分布式光伏发电并网系统混合储能容量自适应规划方法,降低该系统运行中光伏出力的波动性,保障系统的平稳出力与运行。

1 分布式光伏发电并网系统混合储能容量自适应规划

1.1 分布式光伏发电并网系统拓扑结构

分布式光伏发电并网系统的拓扑结构如图1所示。

图1 分布式光伏发电并网系统拓扑结构Fig.1 Topology of distributed photovoltaic power grid-connected system

该系统主要包括混合储能单元、光伏电池阵列单元及电能转换器单元等,通过光伏电池阵列单元转化太阳能为电能,并经由直流变换器提升该单元的端电压,直至达到该系统的直流母线电压为止,实现追踪最高功率点、提升太阳能使用率的目的;混合储能单元主要由超级电容与蓄电池以及二者对应的充放电装置共同构成,为达到支撑负荷用电、吸收余下光伏发电功率及平滑入网功率等目的,系统采取相应措施对混合储能单元的充放电功率实施控制。分布式光伏发电并网系统同就地负荷和公共电网的连接是依靠逆变器实现的,经由公共电网购电的方式或者光伏电池阵列单元所输出的电能均可满足实际负荷需求[11]。分布式光伏发电并网系统的能量平衡关系式为:

(1)

式中:P储表示混合储能单元的充放电功率,当此值为正时代表其正在放电,相反则代表其正在充电;P超与P蓄分别表示超级电容与蓄电池的充放电功率,正负值所对应的充放电状态与P储相同;P2表示负荷消耗功率,P′表示光伏电池阵列单元和混合储能单元二者所输出的功率总和,P3表示光伏电池阵列单元的输出功率,P1表示公共电网和分布式光伏发电并网系统所输出的功率,当该值为负数时,表示分布式光伏发电并网系统吸收公共电网功率,反之则表示系统将功率输向公共电网。

1.2 混合储能单元运行过程

混合储能单元中的蓄电池与超级电容均经由DC/DC变换器连接母线,以母线的实时电压波动为依据,由混合储能单元对DC/DC变换器的占空比实施管控,以此实现对蓄电池和超级电容充放电电流的管控。由混合储能单元与光伏电池阵列供应的直流电可直接被直流负载所应用,同时二者也可使用逆变器将电流转变为交流电提供给交流负载应用[12]。分布式光伏发电并网系统混合储能单元的运行方式重点为:① 在光伏功率低于负载功率的情况下,DC/DC变换器在Boost方式下运行,此时混合储能单元需通过放电将电能供应给负载,为实现对混合储能单元放电的操控,需对变换器的占空比实施调整;② 在光伏功率高于负载功率的情况下,DC/DC变换器在Buck的方式下运行,混合储能单元通过母线将多出的电能吸收并存储,此时为了对混合储能单元充电实施操控,同样需调整变换器的占空比。混合储能单元的运行过程如图2所示。

图2 混合储能单元运行过程Fig.2 Operation process of hybrid energy storage unit

1.3 混合储能单元容量自适应规划方法设计

通过研究所设计的分布式光伏发电并网系统拓扑结构及混合储能单元运行过程得知,混合储能单元最高功率是影响系统运行及混合储能单元最高充放电能力的关键。因此,为实现自适应规划系统的混合储能单元容量,需先获得系统平稳出力状态下的混合储能单元最高功率,并依据此最高功率计算出其最高充放电功率作为约束条件之一,构建以系统的现实出力满足度等为目标的混合储能单元容量自适应规划模型,达到自适应规划分布式光伏发电并网系统混合储能容量的目的。

1.3.1 混合储能单元最高功率确定

混合储能单元的最高充放电能力可通过其最高功率呈现,可平抑波动区间由其最高功率决定,另外,其最高功率可直接影响到分布式光伏发电并网系统的运行[13]。因此,为实现分布式光伏发电并网系统的混合储能单元容量自适应规划,需确定系统平稳出力状态下的混合储能单元功率,通过结合小波分解与平抑的方式,令系统的出力达到平稳。

经由小波分解方法对分布式光伏发电并网系统的日光伏出力过程实施分解,获得分解之后的高、低频波动信号及近似信号。其中,低频波动信号是指波动幅度高但波动次数少的波动信号,通过混合储能单元中的蓄电池能够对其实施平抑;近似信号主要为平滑的整体光伏出力趋势信号;高频波动信号是指波动幅度小但次数多的波动信号,通过混合储能单元中的超级电容能够对其实施平抑。以小波分解后获取的近似信号作为混合储能单元容量自适应规划方法中此类别天气下分布式光伏发电并网系统的目标出力曲线,通过混合储能单元中的蓄电池与超级电容分别对低频与高频波动信号实施平抑,令低频与高频波动信号接近近似信号,不仅能够将分布式光伏发电并网系统本身的发电量充分运用,而且能够有效降低混合储能单元的配置容量,提升分布式光伏发电并网系统的出力平稳性。分布式光伏发电并网系统光伏出力的混合储能平抑过程如图3所示。

图3 分布式光伏发电并网系统光伏出力的混合储能平抑 过程Fig.3 Hybrid energy storage flattening process diagram of photovoltaic output of distributed photovoltaic power generation grid connected system

以任意某种类别天气条件为例,通过小波分解获得此类别天气下分布式光伏发电并网系统初始光伏出力的3种分解信号,向系统内混合储能单元的蓄电池发送低频波动信号的功率指令Pl,向系统内混合储能单元的超级电容发送高频波动信号的功率指令Ph,经由混合储能单元的蓄电池与超级电容储能充放,实现对2种频率出力波动的平抑,令所获得的分布式光伏发电并网系统混合储能单元出力与初始光伏出力的近似信号接近,达到提升分布式光伏发电并网系统出力平稳性的目的。

在此基础上,将一年中不同类别天气的时间比例作为权重,对不同类别天气下经小波分解获取的分布式光伏发电并网系统光伏出力的低频与高频波动信号分量实施统计,获得2种频率波动信号分量的概率分布;经拟合后得到二者的概率密度曲线,以此获取各种置信水平下的置信区间,求取该区间的边界绝对值,所得出的最高边界绝对值就是此置信水平下的系统混合储能单元最高功率Pmax。

1.3.2 混合储能单元容量自适应规划模型

构建混合储能单元容量自适应规划模型的关键在于目标函数的选取与约束条件的设定,具体如下:

① 目标函数选取

选取出力满足度与储能更换次数作为目标函数,其中出力满足度是指分布式光伏发电并网系统的现实出力达到目标出力的时间占比[14],其计算公式为:

(2)

式中:k表示天气类别数量,g表示出力满足度,T表示分布式光伏发电并网系统的日均出力时长[15-17],φia表示混合储能单元在第i种天气类别日下的第amin现实出力值能否达到目标出力值的判别系数,mi表示光伏发电在第i种天气类别日下的分钟数。判别系数φia可表示为:

(3)

(4)

式中:Dj与Bj分别表示第j种储能设备的放电深度与更换频次,Qp表示分布式光伏发电并网系统的运行年限,vi表示第i种天气的时间比例,nj与Nj分别表示第j种储能设备的整个生命周期循环使用次数与容量,uji表示在第i种天气下此储能设备的整体储电量。

② 约束条件设定

自适应规划模型的约束条件主要有系统的电压、混合储能单元的最高容量、充放电功率及能量平衡等约束,其中,混合储能单元最高容量约束条件可表示为:

Sj(a)≤Nj×Dj,

(5)

式中:Sj表示第amin时第j种储能设备的荷电状态。混合储能单元最高充放电功率可通过1.3.1节中获得的混合储能单元最高功率确定,则此约束条件可表示为:

|Pj|=Pj,max,

(6)

式中:Pj,max与Pj分别表示第j种储能设备的最高功率与充放电功率。能量平衡约束条件可表示为:

Fj=μj×Cj,

(7)

式中:Cj与μj分别表示第j种储能设备的储电量与转换效率,Fj表示该储能设备的发电量。系统电压约束条件可表示为:

Umin

(8)

式中:Umax和Umin分别表示分布式光伏发电并网系统的电压最高值与最低值,U表示系统的实际电压。

2 实验结果分析

为了避免实验结果出现偶然性,运用Matlab软件对分布式光伏发电并网系统实施模拟,以所模拟的仿真系统为实验对象。在实验前选取晴天、雨天及阴天3种具有代表性的天气类别为例,根据Matlab软件,对晴天、雨天及阴天3种天气类别下实验仿真系统的初始光伏出力与平抑后出力进行对比,然后通过本文方法对各种天气类别下实验仿真系统混合储能容量实施自适应规划,检验本文方法的规划效果。在实验结束后,作为实验仿真系统混合储能容量自适应规划结果的重要参照数据。实验过程中,数据分析器分别实时记录3种天气类别对实验仿真系统混合储能容量的自适应规划过程以及自适应规划重要数据,全部获取各种天气下高、低频波动信号及近似信号后,才可以停止实验。

实验结束后,工作人员对数据进行校验,汇总数据,得出实验结论,整理实验场地和实验设备。由于本文实验操作排除外界可能存在的干扰因素,因此实验结论具有可信度和真实性。实验仿真系统的混合储能单元中蓄电池与超级电容的关键参数如表1所示。

表1 实验仿真系统混合储能单元的蓄电池与超级电 容参数

首先,通过本文方法分解各种天气下实验仿真系统的初始光伏出力,将各种天气下分解后的高、低频波动信号及近似信号全部获取,以晴天天气类别为例,呈现出该天气下分解后所获得的3类信号,如图4所示。

(a)初始光伏出力

(b)近似信号

经由本文方法对各种天气下实验仿真系统初始光伏出力分解后所获得的高、低频波动信号实施平抑后,获得平抑后3种天气下实验仿真系统出力情况,与初始光伏出力实施对比,检验本文方法的平抑效果。3种天气下实验仿真系统的初始光伏出力与平抑后出力对比情况如图5所示。

(a)晴天天气下

(b)雨天天气下

(c)阴天天气下

由图5可以看出,3种天气下的实验仿真系统初始光伏出力经本文方法平抑后,基本消除掉了高、低频波动,尤其是在晴天和阴天情况下15:00—18:00,使功率由10 MW分别恢复至30、35 MW,所获得的平抑后出力曲线较为平滑,由此可见,本文方法可平滑实验仿真系统初始光伏出力曲线,减少出力波动性,令系统出力更趋于平稳。这是因为本文方法选用小波分解法分解不同天气下,该系统的初始光伏出力为高、低频波动信号与近似信号,通过混合储能单元中超级电容与蓄电池分别平抑高、低频波动信号至接近近似信号,平稳系统出力。

在实现实验仿真系统出力平稳的基础上,继续运用本文方法对该系统混合储能容量实施自适应规划。在本文方法的规划下令实验仿真系统在3种天气下分别累计工作168 h,统计工作后实验仿真系统混合储能的容量、出力满足度及更换次数,以此检验本文方法的规划效果。本文方法对3种天气下实验仿真系统混合储能容量的规划结果如表2所示。

表2 本文方法对3种天气下实验仿真系统混合储能容 量的规划结果

分析表2可以得出,在本文方法的规划下,实验仿真系统在不同天气下运行过程中,混合储能单元中的蓄电池与超级电容2种储能设备均无需更换,整体出力满足度均较高,最高可达89.62%。仿真实验结果说明,本文方法的规划效果较好,具有较高的实际应用性。这是因为本文方法结合最高容量等设定约束条件,构建了以系统现实出力满足度等为目标函数的混合储能容量规划模型。

3 结束语

针对一种分布式光伏发电并网系统混合储能容量自适应规划方法展开研究,通过分析此类系统结构及其混合储能单元运行过程,在稳定该系统光伏出力的基础上,以高出力满足度与低更换次数为目标,设定相应的约束条件,构建混合储能容量自适应规划模型,完成对该系统混合储能单元容量的规划。仿真实验结果表明,在本文方法的规划下,分布式光伏发电并网系统在不同类别天气下的出力均达到平稳,同时实现系统的高现实出力满足度与储能设备的低更换次数2个目标,本文方法的规划效果显著,实际应用价值较高,能够用于实际分布式光伏发电并网系统的混合储能容量规划中,以满足现实中的基本应用需求。