包含鈉硫電池儲(chǔ)能的微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化

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包含鈉硫電池儲(chǔ)能的微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化  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(shí)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(shí),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(dòng)的能力相對較弱。儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用將對微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行控制發(fā)揮重要作用。以鈉硫電池為儲(chǔ)能研究對象,建立了包含鈉硫電池儲(chǔ)能的微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化模型,并以一個(gè)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(yùn)行優(yōu)化結(jié)果的影響,驗(yàn)證了所建立模型的合理性。  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(diǎn),這也是智能電網(wǎng)建設(shè)中的一個(gè)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(distributedenergyresource,DER)系統(tǒng)的接入,同時(shí)可實(shí)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(yùn)行方式和可調(diào)度性能,可實(shí)現(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理等自治功能。19

1  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(dòng)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(jī)波動(dòng),維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定,改善電能質(zhì)量,就必須同時(shí)在系統(tǒng)中配備一定容量的同步發(fā)電單元或儲(chǔ)能單元。儲(chǔ)能單元以其能量可雙向流動(dòng)、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(dòng)、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(qiáng)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(shí)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(jià)差異使儲(chǔ)能系統(tǒng)擁有者獲得一定的經(jīng)濟(jì)收益;與此同時(shí)可提高電網(wǎng)的輸配電能力、延緩電網(wǎng)升級擴(kuò)建、降低電網(wǎng)投資成本等?! ∥⒕W(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化是微網(wǎng)的集成控制及能量管理研究中的一個(gè)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(jī)等分布式發(fā)電(distributed19

2generator,DG)單元和超級電容、超導(dǎo)、飛輪等分布式儲(chǔ)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(yùn)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的鈉硫電池為研究對象,提出包含鈉硫電池儲(chǔ)能的微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化模型,并以一個(gè)包含鈉硫電池儲(chǔ)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(yùn)行優(yōu)化結(jié)果的影響?! ?鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)  1.1鈉硫電池的特點(diǎn)  依據(jù)儲(chǔ)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(chǔ)能技術(shù),如超導(dǎo)儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超級電容儲(chǔ)能等;能量密度高、可進(jìn)行大規(guī)模能量存儲(chǔ)的能量型儲(chǔ)能技術(shù),如抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、蓄電池儲(chǔ)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(chǔ)能技術(shù)。抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能2種技術(shù)受地理和資源因素限制比較強(qiáng),而具有模塊化、響應(yīng)快、商業(yè)化程度高等特點(diǎn)的蓄電池儲(chǔ)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]?! ≡谛铍姵貎?chǔ)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(chǔ)存部分是相互獨(dú)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(shí)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。19

3  鈉硫電池是一種可滿足從小時(shí)級的平抑負(fù)荷波動(dòng)到秒級的不間斷電源(uninterruptedpowersupply,UPS)應(yīng)用范圍內(nèi)的多功能儲(chǔ)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(shí)大功率放電,也可以較小的功率滿足較長時(shí)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(yùn)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(shí),鈉硫電池也存在一定的缺點(diǎn):它是一種高溫運(yùn)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?! ?.2鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的功能19

4  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(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)的功能分為:電能質(zhì)量(powerquality,PQ)和削峰(peak-loadshaving,PS)2種應(yīng)用模式[17]。顧名思義,PQ模式指短時(shí)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(shí)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(chǔ)能示范工程的運(yùn)行,是由NGK公司預(yù)設(shè)好多種運(yùn)行模式,用戶可以根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇?! ?.3鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的特性19

5  2含鈉硫電池儲(chǔ)能的微網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化模型  2.1系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)行控制策略分為以下3種:19

6  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(yùn)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?! τ诳稍偕茉窗l(fā)電系統(tǒng),雖然環(huán)境效益很好,運(yùn)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系統(tǒng)優(yōu)化模型  儲(chǔ)能單元類型及其運(yùn)行功能的選擇因微網(wǎng)的需求不同、儲(chǔ)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(yùn)行優(yōu)化功能進(jìn)行研究,以鈉硫電池在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)削峰填谷功能為例,建立了包含鈉硫電池儲(chǔ)能的微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化模型?! ≡谀骋粫r(shí)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(yùn)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(jià)選取為實(shí)時(shí)電價(jià),則在δ內(nèi)電價(jià)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(yùn)行優(yōu)化,δ19

7可為5min~1h;若解決問題為在線經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化,δ可為1~5min。  1)目標(biāo)函數(shù)。 ?、倌繕?biāo)1。微網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行成本最低。運(yùn)行成本中考慮DER的能耗成本、運(yùn)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(yùn)行時(shí)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(gè)包含光伏發(fā)電(photovoltaic,PV)、風(fēng)力發(fā)電(windturbine,WT)、燃料電池(fuelcell,F(xiàn)C)和同步發(fā)電單元(以柴油機(jī)(dieselengine,DE)為例)4種分布式發(fā)電單元,以及鈉硫電池儲(chǔ)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(yùn)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(jì)算分析過程所需數(shù)據(jù)見附錄A。19

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9  從圖中可以看出:微網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行控制采用策略1)時(shí),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(shí),主網(wǎng)系統(tǒng)才向微網(wǎng)系統(tǒng)提供能量;采用策略2)時(shí),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(shí),能量在微網(wǎng)系統(tǒng)與主網(wǎng)系統(tǒng)間可雙向自由交互?! Ρ蓉?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(fèi)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(yùn)行成本優(yōu)勢,但是整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)電成本很高,這是由于鈉硫電池儲(chǔ)能單元的可變運(yùn)行管理費(fèi)用很高,以至其占整個(gè)系統(tǒng)發(fā)電成本的比重高達(dá)96%以上;采用策略3)時(shí),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(yùn)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(jī)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(yùn)行效益的同時(shí),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?! ?.2系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)選取的電價(jià)類型不同  微網(wǎng)系統(tǒng)選取策略2)為運(yùn)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(jià)分別取平均電價(jià)和實(shí)時(shí)電價(jià)時(shí),系統(tǒng)的出力優(yōu)化結(jié)果如圖2所示。19

10  本文計(jì)算過程中選取所需平均電價(jià)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(gè)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(jià)取實(shí)時(shí)電價(jià)時(shí),在其電價(jià)高于某些DER單元發(fā)電成本的時(shí)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(fèi)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(jià)采用實(shí)時(shí)電價(jià)較采用平均電價(jià)的情形具有較高的經(jīng)濟(jì)效益,鈉硫電池儲(chǔ)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系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)選取的優(yōu)化目標(biāo)不同19

11  微網(wǎng)系統(tǒng)選取策略3)為運(yùn)行控制策略,與主網(wǎng)間的交互電價(jià)類型取實(shí)時(shí)電價(jià),采用不同優(yōu)化目標(biāo)時(shí),系統(tǒng)的出力優(yōu)化結(jié)果如圖3所示,系統(tǒng)所需的費(fèi)用對比情況見附錄A表A7—A8。19

12  從圖3、表A7—A8可知:19

13  一方面,系統(tǒng)的運(yùn)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(yùn)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(gè)周期內(nèi),僅除電價(jià)特別高的個(gè)別時(shí)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(chǔ)能單元在運(yùn)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(chǔ)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(yùn)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?。徊贿^,盡管在運(yùn)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(chǔ)能運(yùn)行管理費(fèi)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?! ×硪环矫?,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(chǔ)能單元由于其現(xiàn)階段需要高昂的可變運(yùn)行管理費(fèi)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(shí)段),它才進(jìn)行能量的釋放。19

14  此外,運(yùn)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(shí)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(shí)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(shí),實(shí)時(shí)電價(jià)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(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用對于微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行控制發(fā)揮著重要作用。本文選取鈉硫電池為儲(chǔ)能研究對象,建立了包含鈉硫電池儲(chǔ)能的微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化模型,并以一個(gè)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(chǔ)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(yùn)行優(yōu)化結(jié)果的影響,驗(yàn)證了所建立模型的合理性?! ⒖嘉墨I(xiàn)  [1]LasseterRH,AkhilA,MarnayC,etal.Integrationofdistributedenergyresources:theCERTSmicrogridconcept[R].Berkeley,CA,USA:ConsortiumforElectricReliabilityTechnologySolutions,2002.  [2]KojimaY,KoshioM,NakamuraS,etal.AdemonstrationprojectinHachinohe:microgridwithprivatedistributionline[C]//Proceedingsof2007IEEEInternationalConferenceonSystemofSystemsEngineering.SanAntonio,TX,USA:IEEESMCSociety,2007:1-6.  [3]KatiraeiF,IravaniR,HatziargyriouN,etal.Microgridsmanagement[J].IEEEPowerandEnergy19

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