微电网复合储能多目标优化配置方法及评价指标_谭兴国

烅ＳＯＣ，ｉ＋１ 烆
＝ＳＯＣ，ｉ＋ΔｎＥＥｂａｋｔ，ｉ＝ＳＯＣ，ｉ＋ＰｎｂＥａｔ，ｉｋＴ
（５）
ΔＥｕｃ，ｉ＋ΔＥｂａｔ，ｉ＝ΔＥｉ
（６）
式中：ｋ 表 示 蓄 电 池 或 超 级 电 容，Ｅｋ 为 相 应 的 额 定
容量；ｎ 为匹配 常 数；Ｔ 为 控 制 周 期；ΔＥｕｃ，ｉ和 ΔＥｂａｔ，ｉ
· 绿 色 电 力 自 动 化 · 谭 兴 国 ，等 微 电 网 复 合 储 能 多 目 标 优 化 配 置 方 法 及 评 价 指 标
１ 微 电 网 复 合 储 能 多 目 标 优 化 建 模
本文中微电网配置如 图 １ 所 示［１１］，包 含 风 力 发 电、光伏电池及 微 型 燃 气 轮 机 作 为 可 控 微 源。 复 合
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２０１４，３８（８）
储能在微电网发挥 多 重 功 效，本 文 将 从 复 合 储 能 成 本 、微 电 网 功 率 平 衡 、可 再 生 能 源 波 动 抑 制 等 方 面 建 立复合储能的多目标优化数学模型。
和储能系统（储 能 本 体 和 储 能 管 理 系 统）的 成 本；ｃｍ 为储能的维护成本，在 复 合 储 能 参 与 微 电 网 长 期 调
度时，目标函数需考虑该成 本；Ｐｍａｘ为 复 合 储 能 的 总 功率。
１．２ 可 再 生 能 源 波 动 抑 制 目 标
微 电 网 中 的 调 度 周 期 一 般 常 取 一 日 、一 个 月 、一
求差异平均值。
微电 网 中 还 可 设 定 其 他 复 合 储 能 优 化 目 标，如
供 电 可 靠 性 、辅 助 微 电 源 优 化 运 行 等 ，不 再 列 出 。
１．４ 约 束 条 件 微电网中复合储能的控制应考虑各储能荷电状
态、储 能 最 大 功 率 限 幅 Ｐｌｉｍｉｔ、瞬 时 功 率 平 衡 等 方 面 的 限 制 ，以 确 保 储 能 容 量 优 化 的 合 理 性 。
助微电源发电量之 和；ＰＤＧ，ｉ为 经 复 合 储 能 补 偿 后 的 可再生能源输出功率值。
１．３ 微 电 网 中 的 功 率 需 求 匹 配 目 标 微电 网 内 任 一 时 刻 必 须 保 证 功 率 平 衡，以 维 持
微电网电 压 和 频 率 的 稳 定 。 ［１３］ 若 配 置 储 能 容 量 不
第 ３８ 卷 第 ８ 期 ２０１４ 年 ４ 月 ２５ 日
ＤＯＩ：１０．７５００／ＡＥＰＳ２０１３０７１９００５
Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．８ Ａｐｒ．２５，２０１４
微电网复合储能多目标优化配置方法及评价指标
谭 兴 国１，２，王 辉２，张 黎２，邹 亮２
（１．河南理工大学电气工程与自动化学院，河南省焦作市 ４５４００３；２．山东大学电气工程学院，山东省济南市 ２５００６１）
０ 引 言
不同 于 传 统 电 网，微 电 网 中 的 微 电 源 等 装 置 大 多 基 于 逆 变 器 或 小 容 量 发 电 机 ，系 统 惯 性 小 ，阻 尼 不 足，不具备传 统 电 网 的 抗 扰 动 能 力［１］；在 微 电 网 中， 光伏发电、风电等可 再 生 能 源 发 电 的 间 歇 性 与 随 机 性、负荷的随机投 切，以 及 微 电 源 的 离 网、并 网 等 过 程给系统稳定运行 和 电 能 质 量 造 成 较 大 影 响，引 起 电压和频率 波 动，甚 至 系 统 失 稳 。 ［２］ 储 能 装 置 通 过 功率变换装置可实 现 功 率 的 四 象 限 灵 活 调 节，实 现 微电网内有功和无 功 功 率 的 瞬 时 平 衡，提 高 了 系 统 稳定性 。 ［３］ 由于储 能 系 统 的 作 用，微 电 网 可 实 现 微 电源和负荷两组不 相 关 随 机 变 量 的 解 耦，有 效 削 弱 风电和光 伏 发 电 等 间 歇 性 能 源 对 微 电 网 的 负 面 影 响。此外，储能还是 微 电 网 定 制 电 力 技 术 的 物 理 基 础 ，能 满 足 用 户 对 电 能 质 量 、供 电 可 靠 性 和 安 全 性 的 多种要求。
摘要：复合储能在微电网功率平衡、平滑 可 再 生 能 源 波 动、提 升 电 能 质 量 等 方 面 发 挥 多 重 作 用，针 对 包 含 光 伏 发 电 、风 力 发 电 和 典 型 负 荷 的 微 电 网 ，提 出 一 种 合 理 配 置 复 合 储 能 容 量 的 方 法 。 针 对 复 合储能优化配置，以装置成本最低、功率匹配最佳、可再生能源 输 出 功 率 平 滑 度 最 好 建 立 复 合 储 能 多目标优化数学模型，采用自适应惯性权重的粒子群算法求解复合储能多目标函数最优解 ；针对子 目 标 函 数 权 重 系 数 的 确 定 ，提 出 目 标 函 数 适 应 度 离 差 排 序 法 ；提 出 了 定 量 评 估 微 电 网 储 能 多 目 标 优 化 效 果 的 参 数 指 标 ，并 以 此 为 依 据 ，对 比 了 微 电 网 内 蓄 电 池 单 一 储 能 多 目 标 优 化 与 复 合 储 能 多 目 标 优化结果。最后，通过 ＭＡＴＬＡＢ 编程进行实例验算，验证了方法的合理、有效性。 关 键 词 ：复 合 储 能 ；微 电 网 （微 网 ）；多 目 标 优 化 ；离 差 排 序 法 ；评 价 指 标 ；粒 子 群 算 法
本文以超级电容和蓄电池组成复合储能应用于 微 电 网 ，建 立 复 合 储 能 的 多 目 标 优 化 的 数 学 模 型 ；针 对目标函数权重计算提出了一种基于目标函数适应 度离差平均值排序的方法；应用自适应权重 ＰＳＯ 获 取复合储能最优解；提 出 了 定 量 反 映 可 再 生 能 源 波 动系数和 微 电 网 功 率 平 衡 程 度 的 储 能 优 化 性 能 指 标；并就微电网内单 一 储 能 和 复 合 储 能 多 目 标 优 化 效果进行了对比。
个季度、一年和 多 年 等。 调 度 周 期 内 总 时 段 数 的 选
择上，应保证在任一 时 段 微 电 网 功 率 分 布 基 本 维 持
不变。在此前提下，本 文 计 算 分 析 中 认 为 微 电 网 复
合 储 能 处 于 稳 定 状 态 ，不 计 暂 态 过 程 。
设复合储能参与平滑可再生能源波动的时间为
１００％ 。 超 级 电 容 相 应 设 置 此 类 限 制 ，可 用 其 电 压 水
平描述荷电状态。
２）能 量 约 束 在储 能 装 置 能 够 保 证 足 够 的 输 出 功 率 下，储 能
最大输出能量也应能达到负荷需求。超级电容和蓄
电池下一时刻存储的能量关系为：
烄Ｅｕｃ，ｉ＋１＝Ｅｕｃ，ｉ＋ΔＥｕｃ，ｉ＝Ｅｕｃ，ｉ＋Ｐｕｃ，ｉＴ
收 稿 日 期 ：２０１３－０７－１９；修 回 日 期 ：２０１４－０１－０２。 国家自然科学基金资助项目（５１１０７０６８）；中国博 士 后 基 金 资 助项目（２０１２Ｍ５１１０２３）；新能源电力 系 统 国 家 重 点 实 验 室 开 放 课 题 （ＬＡＰＳ１３０１７）。
围 绕 复 合 储 能 配 置 ，文 献 ［４］提 出 基 于 机 会 约 束 规划的混合储能优 化 配 置 方 法，但 其 仅 是 成 本 最 低 的 单 目 标 优 化 方 法 ；文 献 ［５］基 于 神 经 网 络 的 方 法 对 复合储能平滑风电 场 中 的 功 率 波 动 进 行 优 化，但 其 应 用 范 围 限 于 风 电 场 平 波 ；文 献 ［６］利 用 复 合 储 能 平 抑风光联合发电系统的输出功率在不同时段内的波 动 ，阐 述 了 复 合 储 能 控 制 方 法 和 参 数 设 计 ，但 未 考 虑 储 能 多 种 目 标 同 步 优 化 技 术 ；文 献 ［７］提 出 基 于 成 本 分 析 的 混 合 储 能 优 化 配 置 方 案 ，但 止 于 单 目 标 优 化 ； 现有复合储能应用多集中在储能控制方法和就某一 单目标进行容量优 化，较 少 考 虑 针 对 复 合 储 能 的 多 目 标 控 制 及 求 解 算 法 。 文 献 ［８－１０］提 出 了 混 沌 多 目 标 遗 传 算 法 、粒 子 群 算 法 （ＰＳＯ）等 多 目 标 优 化 算 法 ， 但 对 象 并 非 储 能 装 置 ，而 是 整 个 （微 ）电 网 。 另 外 ，上 述复合储能优化都未能提供定量评估优化效果的指 标 ，也 缺 乏 单 一 储 能 与 复 合 储 能 优 化 配 置 的 对 比 ，难 以对优化结果进行有效评估。
分别为超级电 容 和 蓄 电 池 储 能 变 换 能 量；ΔＥｉ 为 总 能量缺额。
３）最 大 功 率 要 求 为防 止 负 荷 用 电 时 的 突 然 大 功 率 缺 失，如 大 电 机启动等引起电能 质 量 骤 降，复 合 储 能 装 置 必 须 能 快速输出较大功率 以 支 撑 系 统，即 复 合 储 能 装 置 发
ｔ １２
∑ 烄ｆ２ ＝
（ＰＤＧ，ｉ －ＰＤＧ，ｉ－１）２
ｉ＝ｔ
烅
１１
烆ＰＤＧ，ｉ ＝ Ｐｄｇ，ｉ ＋Ｐｂａｔ，ｉ ＋Ｐｕｃ，ｉ
（２）
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式中：ｉ表示第ｉ 个 时 段；Ｐｂａｔ，ｉ和 Ｐｕｃ，ｉ分 别 为 蓄 电 池 和超级电容的 输 出 功 率；Ｐｄｇ，ｉ为 未 经 储 能 补 偿 的 可 再 生 能 源 实 际 发 电 功 率 ，是 光 伏 发 电 、风 力 发 电 和 辅
［ｔ１１，ｔ１２］。由于 可 再 生 能 源 发 电 功 率 变 化 较 快，其 调 整 周 期 以 １ ｍｉｎ 为 单 位 。 为 表 征 复 合 储 能 对 可 再
生能源发电功率波 动 的 抑 制 效 果，本 文 以 调 节 后 可
再生能源功率变化差值的平方和最小建立优化目标
函 数 ｆ２，具 体 如 下 ：
ｆ１＝ｃｅ１Ｅｕｃ＋ｃｅ２Ｅｂａｔ＋ｃｍＰｍａｘ
η１
η２
（１）
式中：Ｅｕｃ和 Ｅｂａｔ分别 为 微 电 网 中 需 要 优 化 配 置 的 超
级电容和储能的容量；η１ 和η２ 分别为超级电容 和 蓄 电池能量变换的效率；ｃｅ１和ｃｅ２分 别 为 超 级 电 容 和 蓄