一種微網儲能容量優化配置方法
【專利摘要】本發明提供一種微網儲能容量優化配置方法，在對微網凈負荷功率進行頻譜分析的基礎上，提出了協調蓄電池與超級電容器運行的微網系統功率分配策略，通過分析儲能系統的成本結構，建立了以儲能系統年綜合最小成本為目標函數，同時考慮儲能充放電功率、剩余電量等約束條件的微網混合儲能容量優化模型，實例驗證了所提方法的技術合理性和經濟實用性，為微網儲能規劃設計提供了理論依據和技術支持。
【專利說明】
一種微網儲能容量優化配置方法
技術領域
[0001] 本發明屬于微網儲能系統配置優化技術領域，具體涉及一種微網儲能容量優化配 置方法。
【背景技術】
[0002] 風能、太陽能等分布式可再生能源以其資源分布廣、儲量大、無污染等優點將在能 源危機與環境污染日益嚴峻的未來能源格局中占據舉足輕重的地位。然而隨著可再生能源 發電系統裝機容量和滲透率的不斷提高，其固有的隨機性和波動性也給電力系統穩定運行 帶來了很多負面影響，因此，為含多種可再生能源互補的電力系統配備合理的能保證可再 生能源利用靈活性和系統供電可靠性的儲能設備顯得尤為重要。
[0003] 目前，用于平抑可再生能源發電波動的儲能設備一般選用蓄電池，蓄電池作為能 量型儲能設備，具有能量密度大、存儲能力強等特點，但同時也存在充放電周期長、壽命短、 成本高等缺點，因而限制了儲能技術的應用。超級電容器作為目前應用最為廣泛的功率型 儲能元件，具有功率密度大、充放電周期短、儲能效率高、循環壽命長等特點，可有效地平抑 可再生能源發電中的短時間、小幅度的功率波動。采用低通濾波的方法平抑可再生能源功 率波動，在考慮儲能設備壽命可變的基礎上，從經濟性的角度對混合儲能應用到光伏發電 站的容量配置問題進行了研究，然而低通濾波器在濾波的過程中會產生延遲，造成儲能優 化容量偏高。
【發明內容】
[0004] 本發明的發明目的是解決上述的技術問題，提供一種微網儲能容量優化配置方 法。
[0005] 為解決上述技術問題，本發明的實施例提供一種微網儲能容量優化配置方法，所 述微網系統包括可再生能源發電系統、儲能系統和負荷，所述微網儲能容量優化配置方法 包括如下步驟：
[0006] (1)結合可再生能源發電系統輸出功率和負荷消耗功率，建立微網系統儲能模型；
[0007] (2)基于儲能系統的能量功率特性，根據可再生能源發電系統輸出功率和負荷消 耗功率情況，確定微網系統的功率分配策略；
[0008] (3)以微網系統年綜合成本最小作為微網儲能容量優化配置的目標，建立目標函 數；
[0009] (4)明確儲能系統的約束條件；
[0010] (5)以儲能系統額定功率和額定容量為優化變量，采用遺傳算法求解微網儲能優 化配置模型，輸出最優解。
[0011] 其中，所述可再生能源發電系統包括風力發電系統和光伏發電系統，所述儲能系 統包括蓄電池和超級電容器，步驟(1)中，
[0012] 定義t時刻風力發電系統和光伏發電系統的輸出功率分別為Pw(t)和Ppv(t)，貝lj此 時可再生能源發電系統的輸出功率為
[0013] pRE(t)=Pw(t)+Ppv(t)式（1);
[0014] 若t時刻可再生能源發電系統輸出功率大于負荷消耗功率，則儲能系統充電，儲能 系統中剩余電量與充電功率遞推關系可表示為：
[0015]
[0016] 若t時刻可再生能源發電系統輸出功率小于負荷消耗功率，則儲能系統放電，儲能 系統中剩余電量與充電功率遞推關系可表示為：
[0017]
[0018] 式中，EB(t)、EB(t-l)、Ec(t)、Ec(t-l)分別為蓄電池和超級電容器t時刻和t-l時刻 剩余電量;PB(t)、Pc(t)為蓄電池和超級電容器t時刻實際充放電功率;nBc、nCc、riBd、％d分別 為蓄電池和超級電容器充放電效率；At為步長。
[0019] 其中，所述可再生能源發電系統包括風力發電系統和光伏發電系統，所述儲能系 統包括蓄電池和超級電容器，步驟(2)中，基于儲能系統的能量功率特性，根據可再生能源 發電系統輸出功率和負荷消耗功率情況，利用頻譜分析確定微網系統的功率分配策略，BP 蓄電池和超級電容器之間的功率分配；
[0020] 定義t時刻負荷消耗功率與可再生能源發電系統輸出功率之差為微網凈負荷功率 Pj(t)，即
[0021] Pj(t)=PL(t)-PRE(t)式（4)，
[0022] 其中，PL(t)為負荷消耗功率，PRE⑴為可再生能源發電系統的輸出功率；
[0023]對微網凈負荷功率進行采樣，然后對微網凈負荷功率樣本數據Pj=[Pj(t)，. . .，Pj (η)，. . .，Pj(N)]進行離散傅里葉變換，得到幅度Sj和頻率fj，
[0024]
[0025] 式中，DFT(Pj)表示對微網凈負荷功率樣本數據Pj進行離散傅里葉變換;Sj(n)為傅 里葉變換后第η個頻率fj(n)對應的幅值；
[0026] 所述蓄電池適合補償長時低頻凈負荷功率，所述超級電容器適合補償短時高頻波 動凈負荷功率，根據所述蓄電池和超級電容器的補償頻段的劃分，利用傅里葉反變換將蓄 電池和超級電容器補償頻段的幅頻結果轉換到時域上，得到蓄電池和超級電容器的功率指 令，假設f>Ufj B1為蓄電池補償頻段，其中fJB1表示Sj中以Nyquist頻率為對稱軸的與fjB對稱 的頻段，其中，
[0027] fjB= [fjBmin,fjBmax]式（6)，
[0028]式中，fjBmin、fjBmax分別為蓄電池補償頻段fjB的端點；
[0029]用Sb=[Sb(1)，. . .，SB(n)，. . .，Sb(N)]表示微網凈負荷功率頻譜分析結果中蓄電 池補償頻段的幅值，并將未補償頻段對應的幅值置為0,補償頻段的幅值不變，BP
[0030]
[0031] 對SB進行傅里葉反變換，將頻譜分析結果轉換到時域，即得到蓄電池充放電功率 指令Pb為
[0032] Pb=IDFT(Sb) = [Pb(1), . . . ,Ρβ(π), . . . ,Ρβ(Ν)]式（8);
[0033] 用微網凈負荷功率減去蓄電池充放電功率，從而得到超級電容器的實時充放電功 率
[0034] Pc(t)=Pj(t)-PB(t)式（9);
[0035] 若t時刻可再生能源發電系統輸出功率與儲能系統最大放電功率之和小于負荷消 耗功率，則微網系統出現失負荷Pl〇ST( t)，其值為
[0036] PLOST(t) =PL(t)-PRE(t)_PHdmax(t)式（10)，
[0037] 其中，
[0038] PHdmax(t ) = PBdmax( t) +Pcdmax( t)式（11)，
[0039] 式中，PHdmax(t)、PBdmax(t)、Pcdm ax(t)表示儲能系統最大放電功率以及蓄電池和超級 電容器最大放電功率，其值都大于〇;
[0040] 當Pj(t)〈0時，蓄電池和超級電容器充電，在儲能設備物理條件限制下，若仍有多 余功率，微網系統出現溢出功率PwEST(t)，其大小為：
[0041] PwEST(t) =PRE(t)-PL(t)-PBcmax(t)_Pccmax(t)式（12)，
[0042] 式中，PBcmax(t)、PCcmax(t)表示蓄電池和超級電容器最大充電功率，其值大于0。
[0043] 其中，步驟(3)中，根據可再生能源發電系統輸出功率和負荷消耗功率的需求，在 保證微網系統安全可靠供電的前提下，合理配置蓄電池和超級電容器的容量，確定微網系 統年綜合成本最小為微網儲能容量優化配置的目標，建立的目標函數為：
[0044] minCz=min{CB+Cc+CL〇sT}式（13)，
[0045] 其中，
[0046]
[0047]
[0048]
[0049] 式中，Cz為微網系統年綜合成本;Cb、Cc、Clqst分別為蓄電池投資成本和運維成本、 超級電容器投資成本和運維成本以及負荷強迫停電懲罰成本;〇8^〇8￥、(^、(^分別為蓄電池 和超級電容器初始投資成本和年運行維護成本;？8』8、托、說分別為蓄電池和超級電容器的 額定功率和額定容量;1^、1?。、1?^1^、1^、1^分別為蓄電池和超級電容器的功率成本系數、 容量成本系數、運行維護成本系數;kiost為負荷停電懲罰系數;Nby、Nct分別為蓄電池和超級 電容器的運行年限;T為研究周期;Π )為貼現率。
[0050] 其中，步驟(4)中，儲能系統的約束條件包括t時刻儲能系統剩余電流約束條件和t 時刻儲能系統充放電功率約束條件，
[0051 ]所述t時刻儲能系統剩余電流約束條件為：
[0052]
[0053] 式中，EBmax、EBmin、Ecmax、Ecmin分別為蓄電池和超級電容器剩余電量的上下限；
[0054] 所述t時刻儲能系統充放電功率約束條件為：
[0055]
[0056] 式中，％<1、％。、聊、1^為蓄電池和超級電容器的放電效率和充電效率。
[0057]其中，步驟(5)中，借助matlab計算軟件，利用遺傳算法求解微網儲能優化配置模 型。
[0058]其中，本發明中的所述超級電容器的循環使用壽命為50~100萬次，所述蓄電池循 環使用壽命的影響因素包括工作溫度、放電深度、循環充放電次數，本發明簡化計算，僅考 慮放電深度和充放電循環次數對蓄電池循環使用壽命的影響，則基于蓄電池放電深度D與 循環使用壽命N C(D)對應關系的實驗數據，擬合出兩者之間函數關系為
[0059]
[0060] 式中，Db為基準放電深度，對應的循環使用壽命為Nc(Db) ;Di為第i次實際放電過程 的放電深度，對應的循環使用次數為NC (Di);
[0061] 蓄電池第i次循環的等效循環使用次數為
[0062]
[0063] 在微網壽命年限第m年內，蓄電池一系列不同放電深度的循環過程對應的等效循 環使用次數總和N(m)為
[0064]
[0065]式中：Ns為第m年內的研究階段數;Nd為第1階段中的天數;NP為第1階段第j天經歷 的等效充放電循環過程數;N(Dljk,m)為蓄電池在第m年內第1階段第j天第k個等效充放電循 環過程；
[0066] 實際運行過程中，蓄電池運行年限為
[0067]
[0068] 式中：Nby為蓄電池實際運行年限。
[0069] 本發明的上述技術方案的有益效果如下:本發明提供的微網儲能容量優化配置方 法，相較于傳統方法，在對微網凈負荷功率進行頻譜分析的基礎上，提出了協調蓄電池與超 級電容器運行的微網系統功率分配策略，通過分析儲能系統的成本結構，建立了以儲能系 統年綜合最小成本為目標函數，同時考慮儲能充放電功率、剩余電量等約束條件的微網混 合儲能容量優化模型，為微網儲能規劃設計提供了理論依據和技術支持。
【附圖說明】
[0070] 圖1為本發明的微網儲能容量優化配置流程圖；
[0071] 圖2為本發明的微網系統的結構示意圖；
[0072] 圖3為典型日可再生能源發電及常規負荷用電曲線；
[0073]圖4為不同蓄電池的1/2補償頻段長度fjB下的儲能年綜合成本；
[0074] 圖5為典型日蓄電池和超級電容器功率分配曲線；
[0075] 圖6為不同kBp下的儲能配置規模和系統成本。
【具體實施方式】
[0076] 為使本發明要解決的技術問題、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖及具 體實施例進行詳細描述。
[0077] 本發明以包括由風力發電和光伏發電構成的可再生能源發電系統、蓄電池和超級 電容器組成的混合儲能系統、以及常規負荷的微網系統為例，提供一種微網儲能容量優化 配置方法，如圖1所示，所述微網儲能容量優化配置方法包括如下步驟：
[0078] (1)結合可再生能源發電系統輸出功率和負荷消耗功率，建立微網系統儲能模型；
[0079] (2)基于儲能系統的能量功率特性，根據可再生能源發電系統輸出功率和負荷消 耗功率情況，利用頻譜分析確定微網系統的功率分配策略，即蓄電池和超級電容器之間的 功率分配；
[0080] (3)以微網系統年綜合成本最小作為微網儲能容量優化配置的目標，建立目標函 數；
[0081 ] (4)明確儲能系統的約束條件；
[0082] (5)以蓄電池和超級電容器額定功率和額定容量為優化變量，采用遺傳算法求解 微網儲能優化配置模型，輸出最優解。
[0083] 具體實施過程如下：
[0084]針對風光互補獨立微網系統，考慮儲能設備的運行特性對其循環使用壽命的影 響，對微網儲能容量優化配置進行了研究。在對微網凈負荷功率進行頻譜分析的基礎上，提 出了協調蓄電池與超級電容器運行的微網系統功率分配策略。通過分析儲能設備的成本結 構，以微網系統年綜合成本最小為目標函數，同時考慮儲能充放電功率、剩余電量等約束條 件的微網儲能容量優化模型。下文以我國西北地區的風光互補微網儲能容量配置為例，驗 證所提方法的技術合理性和經濟實用性。
[0085] (1)建立微網系統儲能模型
[0086] 微網系統主要由風力發電和光伏發電構成的可再生能源發電系統、蓄電池和超級 電容器組成的混合儲能系統以及常規負荷組成，其結構如圖2所示。假設t時刻風力發電系 統和光伏發電系統輸出功率分別為Pw(t)和Ppv(t)，則此時可再生能源發電系統輸出功率可 表示為
[0087] PRE(t) =Pw(t)+Ppv(t)式（1)。
[0088] 當可再生能源發電系統輸出功率大于負荷消耗功率時，儲能系統充電，儲能系統 中剩余電量與充電功率遞推關系可表示為
[0089]
[0090] 若t時刻可再生能源發電系統輸出功率小于負荷消耗功率，則儲能系統放電，儲能 系統中剩余電量可表示為
[0091]
[0092] 式中：EB(t)、EB(t-l)、Ec(t)、Ec(t-l)分別為蓄電池和超級電容器t時刻和t-l時刻 剩余電量;pB(t)、pc(t)為蓄電池和超級電容器t時刻實際充放電功率(大于0表示放電，小于 0表示充電）;％。、取。、％〇1、1^分別為蓄電池和超級電容器充放電效率 ；八1：為步長。
[0093] 超級電容器的循環使用壽命受工作環境、充放電情況、工作電流波形等因素影響， 其循環使用壽命為50萬~100萬次，遠高于蓄電池循環壽命，因此超級電容器使用年限通常 設為固定值。
[0094] 影響蓄電池循環使用壽命的因素主要包括工作溫度、放電深度、循環充放電次數 等，本發明簡化計算，僅考慮放電深度和充放電循環次數對蓄電池循環使用壽命的影響。基 于蓄電池放電深度D與循環使用壽命N C(D)對應關系實驗數據，擬合出兩者之間函數關系為
[0095]
[0096] 式中:Db為基準放電深度，對應的循環使用壽命為Nc(Db) ;Di為第i次實際放電過程 的放電深度，對應的循環使用次數為NC (Di)。
[0097] 蓄電池第i次循環的等效循環次數為
[0098]
[0099] 因此，在微網壽命年限第m年內，蓄電池一系列不同放電深度的循環過程對應的等 效循環使用次數總和N(m)為
[0100]
[0101] 式中：Ns為第m年內的研究階段數;Nd為第1階段中的天數;NP為第1階段第j天經歷 的等效充放電循環過程數;N(D ljk,m)為蓄電池在第m年內第1階段第j天第k個等效充放電循 環過程。
[0102] 因此，實際運行過程中，蓄電池運行年限為
[0103]
[0104] 式中:Nby為蓄電池實際運行年限。
[0105] (2)確定微網系統功率分配策略
[0106] 以間歇性可再生能源為核心能源供給的獨立微網系統供電可靠性低，為提高系統 運行靈活性，須與具有靈活功率調節能力的分布式電源協調運行。基于蓄電池和超級電容 器能量功率特性，根據可再生能源系統輸出功率和負荷消耗功率的情況，利用頻譜分析確 定微網系統高效功率分配，實現微網系統經濟、可靠的功率供給。以可再生能源系統輸出功 率和負荷消耗功率歷史監測數據為基礎，利用頻譜分析確定蓄電池和超級電容器之間的功 率分配，實現對微網電源出力和負荷功率消耗波動性的平抑。
[0107] 定義t時刻負荷功率與可再生能源發電功率之差為微網凈負荷Pj(t)，即
[0108] Pj(t)=PL(t)-PRE(t)式（4)〇
[0109] 首先，對微網凈負荷功率進行采樣。由采樣定理可知，頻譜分析的最高頻率應不大 于采樣頻率的1/2，即采樣頻率要等于信號最高頻率的2倍及以上，才能避免頻域混疊。研究 表明，采樣周期越小數據越精確，頻譜分析的范圍越寬廣，為不失一般性，本發明選擇采樣 周期為lmin。
[0110] 對凈負荷功率樣本數據Pj=[Pj(t)，. . .，Pj(n)，. . .，Pj(N)]進行離散傅里葉變換， 得到幅度&和頻率〇結果為
[0111]
[0112]式中：DFT(Pj)表示對微網凈負荷功率樣本數據Pj進行離散傅里葉變換;Sj(n)為傅 里葉變換后第η個頻率fj(n)對應的幅值。
[0113]相較于超級電容器，蓄電池能量密度大、持續供電能力強，適合補償長時低頻凈負 荷功率;而超級電容器具有功率密度大、充放電周期短等特點，因此適合補償短時高頻波動 凈負荷功率。
[0114]根據上面各儲能設備補償頻段的劃分，利用傅里葉反變換將蓄電池和超級電容器 補償頻段的幅頻結果轉換到時域上，從而得到各儲能設備的功率指令。
[0115]假設fjBUfjBi為蓄電池補償頻段，其中fjBi表示SJ中以Nyquist頻率(頻譜分析結果 的最高分辨頻率，為采樣頻率的1/2)為對稱軸的與對稱的頻段，其中
[0116] fjB= [fjBmin,fjBmax]式（6)，
[0117]式中，fjBmin、fjBmax分別為蓄電池補償頻段fjB的端點。
[0118] 用Sb=[Sb(1)，. . .，SB(n)，. . .，Sb(N)]表示凈負荷功率頻譜分析結果中蓄電池補 償頻段的幅值，并將未補償頻段對應的幅值置為〇,補償頻段的幅值不變，BP
[0119]
[0120] 對Sb進行傅里葉反變換，將頻譜分析結果轉換到時域，即得到蓄電池的功率指令Pb 為
[0121] Pb=IDFT(Sb) = [Pb(1), . . . ,Ρβ(π), . . . ,Ρβ(Ν)]式（8)。
[0122] 用凈負荷總功率減去蓄電池充放電功率，從而得到超級電容器的實時充放電功率
[0123] Pc(t)=Pj(t)-PB(t)式(9)。
[0124] 若t時刻可再生能源發電功率與儲能系統最大放電功率之和小于負荷功率，則系 統出現失負荷PLQST(t)，其值為
[0125] PLOST(t) =PL(t)-PRE(t)_PHdmax(t)式（10)，
[0126] 其中，
[0127] PHdmax(t ) = PBdmax( t) +Pcdmax( t)式（11)，
[0128] 式中，PHdmax(t)、PBdmax(t)、Pcdm ax(t)表示儲能系統總的最大放電功率以及蓄電池和 超級電容器最大放電功率，其值都大于〇。
[0129] 當Pj(t)〈0時，蓄電池和超級電容器充電。在儲能設備物理條件限制下，若仍有多 余功率，微網出現功率溢出P?EST(t)，其大小為
[0130] PwEST(t) =PRE(t)-PL(t)-PBcmax(t)_Pccmax(t)式（12)，
[0131] 式中:PB_x(t)、Pc? ax(t)表示蓄電池和超級電容器最大充電功率，其值大于0。
[0132] (3)以系統年綜合成本最小為目標函數
[0133] 微網系統儲能容量優化配置的目標是根據可再生能源系統輸出功率和負荷用電 需求，在保證系統安全可靠供電的前提下，合理配置蓄電池和超級電容器容量，使系統年綜 合成本最小，其目標函數可表示為
[0134] minCz=min{CB+Cc+CL〇sT}式（13)，
[0135] 其中，
[0136]
[0137]
[0138]
[0139] 式中：Cz為系統年綜合成本;CB、Cc、aQST分別為蓄電池投資成本和運維成本、超級 電容器投資成本和運維成本以及負荷強迫停電懲罰成本;〇8^〇8￥、(^、(^表示蓄電池和超級 電容器初始投資成本和年運行維護成本;？8』8、？^』^為分別表示蓄電池和超級電容器的額 定功率和額定容量;'、1^、1^、1^、1^、1^分別表示蓄電池和超級電容器的功率成本系數、 容量成本系數、運行維護成本系數;k lclst為負荷停電懲罰系數，其值的確定采用平均電價折 算倍數法;NBY、NCY為蓄電池和超級電容器的運行年限;T為研究周期;ro為貼現率。
[0140] (4)考慮儲能設備約束條件
[0141] 任意時刻儲能設備中剩余電量應在合理范圍內，過充過放都會對其壽命產生較大 影響。因此，t時刻儲能設備剩余電量約束可表示為
[0142]
[0143] 式中：EBmax、EBmin、Ecmax、Ecmin分別表不蓄電池和超級電容器剩余電量的上下限。
[0144] t時刻儲能設備充放電功率約束可表示為
[0145]
[0146] 式中：1^、％。、取<1、1^為蓄電池和超級電容器的放電效率和充電效率。
[0147] (5)采用遺傳算法進行求解
[0148] 將式（1)-式（12)、式（19)-式（22)對應代入式（13)，并以式（13)為目標函數，式 (17)和式（18)為約束條件，借助matlab計算軟件并代入具體數值，利用遺傳算法求解微網 儲能優化配置模型。
[0149] 本發明所研究的微網儲能容量優化配置的過程是對一個非線性、多變量問題的求 解過程，采用遺傳算法進行求解。以蓄電池和超級電容器額定功率和額定容量為優化變量 進行尋優。
[0150]為了進一步說明本發明方法的準確性和可靠性，以我國西北地區的風電裝機容量 為2.5MW，光伏裝機容量為1.5MW的風光互補微網系統為例，根據該地區全年風電、光伏發電 出力和用電需求歷史監測值，優化微網儲能容量。該微網常規負荷峰值為600kW，典型日可 再生能源發電及常規負荷用電曲線如圖3所示，采樣間隔lmin。系統相關參數見表1。
[0151]表1系統相關參數
[0152]
[0154] 基于儲能設備的充放電模型和可變壽命模型，利用微網可再生能源發電出力數據 及負荷用電數據，采用遺傳算法優化微網系統儲能容量。取最大迭代次數為150次，種群規 模為50個，微網儲能容量優化配置結果如表2所示。
[0155] 表2儲能容量優化配置結果
[0156]
[0157] 由表2可知，相較于超級電容器單一儲能系統，采用蓄電池單一儲能的系統年綜合 成本降低了 37%。這主要是由于，蓄電池屬于能量型儲能設備，其容量成本系數遠低于超級 電容器，系統在采用單一儲能平抑可再生能源發電出力與負荷功率消耗的不平衡性情況 下，盡管蓄電池儲能的配置規模遠大于超級電容器的配置規模，但其總的投資及運維成本 仍低于超級電容器儲能的投資運維成本。此外，相較于配置規模較小的超級電容器儲能，大 容量的蓄電池儲能配置對于保證系統安全可靠供電也具有明顯的優勢，使得負荷強迫停電 懲罰成本降低了約36%。最終使得蓄電池單一儲能系統年綜合成本低于超級電容器單一儲 能系統年綜合成本。
[0158] 由配置3與配置2相比可知，采用混合儲能替代蓄電池單一儲能，蓄電池的配置規 模有所減小，但增加了超級電容器儲能設備。然而由于超級電容器的快速響應和高效充放 電特性，可明顯地改善蓄電池運行環境，大幅延長蓄電池運行年限，使得因蓄電池壽命延長 而減小的年投資成本大于因超級電容器配置容量的增大而增加的年成本，最終使得微網混 合儲能系統年綜合成本遠小于蓄電池單類型儲能系統年綜合成本低。因此，采用混合儲能 替代單類型儲能，可降低系統年綜合成本，提高微網運行經濟性，同時對于進一步提高系統 供電可靠性也具有重要的意義。
[0159] 蓄電池補償頻段的長短，直接關系到蓄電池和超級電容器儲能配置容量的大小， 進而影響微網儲能系統年綜合成本的大小。不同蓄電池補償頻段長度下的微網儲能年綜合 成本如圖4所示。
[0160] 由圖4可知，微網儲能年綜合成本隨蓄電池補償頻段的減小先減小后呈增大趨勢。 這主要是由于，隨著蓄電池補償頻段的減小，蓄電池的配置容量逐漸減小的同時蓄電池的 運行年限也逐漸延長，使得蓄電池的年投資及運行維護成本也相應的降低，且其降低的速 度快于因超級電容器配置容量的增大而增加的年投資及運行維護成本，因而儲能年綜合成 本出現下降趨勢。
[0161] 當蓄電池的1/2補償頻段長度為fJB = 0.0002Hz左右時，儲能年綜合成本取得最小 值。繼續減小蓄電池補償頻段，由于超級電容器儲能配置容量持續增大，且因此而增加的超 級電容器年投資及運行維護成本大于因蓄電池儲能配置容量的減小以及運行年限的延長 而減小的年成本，使得儲能年綜合成本轉而出現上升趨勢。因此，合理分配蓄電池儲能和超 級電容器儲能的功率補償頻段，可明顯降低儲能年綜合成本。
[0162] 取fJB = 0.0002Hz時，典型日蓄電池和超級電容器功率分配曲線如圖5所示。由圖 可知，蓄電池主要平抑凈負荷功率中的長時間、大幅度的功率波動分量，而超級電容器可有 效地平抑的短時間、小幅度的凈負荷功率波動分量。
[0163] 為了分析儲能投資對其在微網中配置規模的影響，本發明在超級電容器功率成本 系數與容量成本系數以及蓄電池容量成本系數不變的前提下進行蓄電池儲能容量優化的 成本靈敏度分析。不同功率成本系數下蓄電池最優配置規模及該配置下的系統年綜合成本 如圖6所示。
[0164] 由圖6可知，隨著蓄電池投資功率成本系數的下降，蓄電池儲能配置規模會明顯增 大，混合儲能系統年綜合成本明顯減小。這主要是由于蓄電池儲能成本系數降低，雖在一定 程度上增大了其配置容量，但同時也減少了超級電容器的安裝規模，從整體效果看，改善了 蓄電池運行環境，降低了儲能年投資及運行維護費用，即系統年綜合成本隨蓄電池功率成 本系數的下降持續減小。由儲能成本函數不難分析，超級電容器功率與容量單位投資以及 蓄電池容量單位投資對系統收益也有類似影響。由此可見，儲能投資成本是制約其在電力 系統大規模應用的關鍵因素之一。
[0165] 以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員 來說，在不脫離本發明所述原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也 應視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種微網儲能容量優化配置方法，其特征在于，所述微網系統包括可再生能源發電 系統、儲能系統和負荷，所述微網儲能容量優化配置方法包括如下步驟： (1) 結合可再生能源發電系統輸出功率和負荷消耗功率，建立微網系統儲能模型； (2) 基于儲能系統的能量功率特性，根據可再生能源發電系統輸出功率和負荷消耗功 率情況，確定微網系統的功率分配策略； (3) 以微網系統年綜合成本最小作為微網儲能容量優化配置的目標，建立目標函數； (4) 明確儲能系統的約束條件； (5) 以儲能系統的額定功率和額定容量為優化變量，采用遺傳算法求解微網儲能優化 配置模型，輸出最優解。2. 根據權利要求1所述的微網系統儲能容量優化配置方法，其特征在于，所述可再生能 源發電系統包括風力發電系統和光伏發電系統，所述儲能系統包括蓄電池和超級電容器， 步驟（1)中，定義t時刻風力發電系統和光伏發電系統的輸出功率分別為Pw(t)和Ppv(t)，則 此時可再生能源發電系統的輸出功率為 PRE(t) =Pw(t)+Ppv(t) 式（I); 若t時刻可再生能源發電系統輸出功率大于負荷消耗功率，則儲能系統充電，儲能系統 中剩余電量與充電功率遞推關系可表示為：若t時刻可再生能源發電系統輸出功率小于負荷消耗功率，則儲能系統放電，儲能系統 中剩余電量與充電功率遞推關系可表示為：式中，EB(t)、EB(t-l)、Ec(t)、Ec(t-l)分別為蓄電池和超級電容器t時刻和t-l時刻剩余 電量;PB(t)、Pc(t)為蓄電池和超級電容器t時刻實際充放電功率;nBc、％c、TlBd、％d分別為蓄 電池和超級電容器充放電效率;At為步長。3. 根據權利要求1所述的微網系統儲能容量優化配置方法，其特征在于，所述可再生能 源發電系統包括風力發電系統和光伏發電系統，所述儲能系統包括蓄電池和超級電容器， 步驟(2)中，基于儲能系統的能量功率特性，根據可再生能源發電系統輸出功率和負荷消耗 功率情況，利用頻譜分析確定微網系統的功率分配策略，即蓄電池和超級電容器之間的功 率分配； 定義t時刻負荷消耗功率與可再生能源發電系統輸出功率之差為微網凈負荷功率Pj ⑴，即 Pj(t)=PL(t)-PRE(t) 式（4)， 其中，Pl (t)為負荷消耗功率，PRE( t)為可再生能源發電系統的輸出功率； 對微網凈負荷功率進行采樣，然后對微網凈負荷功率樣本數據Pj= [Pj(t)，...，Pj (η)，. . .，Pj(N)]進行離散傅里葉變換，得到幅度Sj和頻率fj，式中，DFT(Pj)表示對微網凈負荷功率樣本數據Pj進行離散傅里葉變換;Sj(n)為傅里葉 變換后第η個頻率f j(n)對應的幅值； 所述蓄電池適合補償長時低頻凈負荷功率，所述超級電容器適合補償短時高頻波動凈 負荷功率，根據所述蓄電池和超級電容器的補償頻段的劃分，利用傅里葉反變換將蓄電池 和超級電容器補償頻段的幅頻結果轉換到時域上，得到蓄電池和超級電容器的功率指令， 假設f JB Uf jB1為蓄電池補償頻段，其中f jB1表示Sj中以Nyquist頻率為對稱軸的與f jb對稱的 頻段，其中， fjB=[fjBmin,f JBmax ] 式(6)， 式中，f JBmin、f JBmax分別為蓄電池補償頻段f JB的端點； 用SB=[SB(1)，. . .，SB(n)，. . .，Sb(N)]表示微網凈負荷功率頻譜分析結果中蓄電池補償 頻段的幅值，并將未補償頻段對應的幅值置為0,補償頻段的幅值不變，BP式（7 ), 對Sb進行傅里葉反變換，將頻譜分析結果轉換到時域，即得到蓄電池充放電功率指令Pb 為 Pb = IDFT(Sb) = [Pb( 1),. . . ,Ρβ(π), . . . ,Pb(N)] 式（8); 用微網凈負荷功率減去蓄電池充放電功率，從而得到超級電容器的實時充放電功率 Pc(t)=Pj(t)-PB(t)式(9); 若t時刻可再生能源發電系統輸出功率與儲能系統最大放電功率之和小于負荷消耗功 率，貝1J微網系統出現失負荷PLQST(t)，其值為 PLOST(t) = PL(t)-PRE(t)_PHdmax(t)式（10)， 其中， PHdmax ( t ) - PBdmax ( t ) +Pcdmax ( t ) 式(11 )， 式中，PHdmax(t)、PBdmax(t)、Pcdmax(t)表示儲能系統最大放電功率以及蓄電池和超級電容 器最大放電功率，其值都大于0 ; 當Pj(t)〈0時，蓄電池和超級電容器充電，在儲能設備物理條件限制下，若仍有多余功 率，微網系統出現溢出功率PwEST(t)，其大小為： Pwest (t )= Pre (t) -Pl (t) -Pb cmax ⑴-Pc cmax (t)式(12)， 式中，Pb_x( t )、Pfomax⑴表示蓄電池和超級電容器最大充電功率，其值大于0。4.根據權利要求1所述的微網系統儲能容量優化配置方法，其特征在于，步驟(3)中，根 據可再生能源發電系統輸出功率和負荷消耗功率的需求，在保證微網系統安全可靠供電的 前提下，合理配置蓄電池和超級電容器的容量，確定微網系統年綜合成本最小為微網儲能 容量優化配置的目標，建立的目標函數為 :minCz=min{CB+Cc+a〇sT} 式（13)， 其中，式(14 )，式（15 )， 式中，Cz為微網系統年綜合成本;CB、Cc、aQST分別為蓄電池投資成本和運維成本、超級電 容器投資成本和運維成本以及負荷強迫停電懲罰成本;Cbt、Cby、Cct、Ccy分別為蓄電池和超級 電容器初始投資成本和年運行維護成本;？8』8、？^』^分別為蓄電池和超級電容器的額定功 率和額定容量;1^、1?。、1^、1^、1^、1^分別為蓄電池和超級電容器的功率成本系數、容量成 本系數、運行維護成本系數;1^_為負荷停電懲罰系數;N BY、NCY分別為蓄電池和超級電容器 的運行年限;T為研究周期;P為貼現率。5. 根據權利要求1所述的微網系統儲能容量優化配置方法，其特征在于，步驟(4)中，儲 能系統的約束條件包括t時刻儲能系統剩余電流約束條件和t時刻儲能系統充放電功率約 束條件， 所述t時刻儲能系統剩余電流約束條件為：式（17 > 式中，EBmax、EBmin、Ecmax、Ecmin分別為蓄電池和超級電容器剩余電量的上下限； 所述t時刻儲能系統充放電功率約束條件為：式中，％<1、％。、取<1、1^為蓄電池和超級電容器的放電效率和充電效率。6. 根據權利要求1所述的微網系統儲能容量優化配置方法，其特征在于，步驟(5)中，借 助matlab計算軟件，利用遺傳算法求解微網儲能優化配置模型。7. 根據權利要求2所述的微網系統儲能容量優化配置方法，其特征在于，所述超級電容 器的循環使用壽命為50~100萬次，所述蓄電池循環使用壽命的影響因素包括工作溫度、放 電深度、循環充放電次數；基于蓄電池放電深度D與循環使用壽命Nc(D)對應關系的實驗數據，擬合出兩者之間函 數關系為 式（19 )， 式中，Db為基準放電深度，對應的循環使用壽命為Nc(Db) A1為第i次實際放電過程的放 電深度，對應的循環使用次數為Nc(Di); 蓄電池第i次循環的等效循環使用次數為式（20 );在微網壽命年限第m年內，蓄電池一系列不同放電深度的循環過程對應的等效循環使 用次數總和N(m)為 式（21 ), 式中：Ns為第m年內的研究階段數;Nd為第1階段中的天數;Np為第1階段第j天經歷的等 效充放電循環過程數;N(Dljk,m)為蓄電池在第m年內第1階段第j天第k個等效充放電循環過 程； 實際運行過程中，蓄電池運行年限為式（22 )， 式中:Nby為蓄電池實際運行年限。
【文檔編號】H02J3/32GK105896582SQ201610427129
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月16日
【發明人】楊志超, 陸文偉, 葛樂, 馬壽虎, 陸文濤, 顧佳易, 王蒙
【申請人】南京工程學院