风光储充微电网综合能源配置研究

风光储充微电网综合能源配置研究

摘要：由于分布式可再生能源发电出力具有随机性，规模化接入会对传统电力

系统的正常运行造成重大影响。本论文在国内外微电网研究技术上，研究了风光

储微电网系统出力模型，以及并网型微电网的综合能源配置方法和流程。最后根

据示范项目现场条件，因地制宜地设计了多种分布式能源互补的微电网综合能源

配置方案。论文研究成果将为微电网的配置、优化设计、运行控制提供理论方法

依据，具有重要的学术研究和工程应用价值。

关键词：风光储充；微电网；综合能源；设备配置

1. 引言

随着社会经济的快速发展，能源需求日益增强，能源危机和环境污染也日趋

严重，世界各国都积极致力于可再生清洁能源开发利用。可再生清洁能源，目前

多以太阳能发电、风能发电、生物质能发电形式实现。可再生能源具有分散性、

时段性，受制于自然条件因素，导致可再生能源分布式电源的出力是间隙的、难

以控制的，大规模接入配电网，会对配电网的安全、稳定、经济运行造成重大影响，造成资源浪费现象严重、综合经济效益低下等问题。

为了有效地解决可再生能源发电大规模接入对电力系统造成的危害，21世纪

初期，一些专家学者提出了微电网概念。微电网系统是一种集合发电设备、用电

负荷于一体的小型复杂电网，包含风力发电、光伏发电等各类间歇性分布式电源，根据电源的实际情况，在满足用户供电可靠性、电能质量、经济灵活的需求条件下，通过合理的电源配置、控制策略和经济调度等方法，尽可能满足分布式电源

的全接入和全消纳，减少分布式能源发电大规模接入对配电网造成的危害。

目前,世界各国学者专家对微电网技术研究，涵盖到诸多方面，包括微电网优

化配置技术、储能容量算法仿真模型、电能质量调节、运行控制策略、多目标约

束求解、经济效益评估方法等方面，并取得了一定的成果。

研究了风光柴蓄的微电网系统电源配置及优化模型，针对多电源种类和数量，以多条件约束为限制，将风光柴蓄电池储能等组合参数，作为微电网优化决策变

量【1-2】；

研究了在满足微电网动态运行策略约束下，以经济成本为目标，规划包含风

光储及微型燃气轮机的微电网模型，运用变步长空间搜索法，求解各分布式电源

的接入容量，以及分时电价对微电网系统运行的影响【3】；

分析了单目标、多目标优化方法的特点及适用条件，采用目标进化算法等人

工智能算法，并采用将遗传算法和多目标进化算法相结合的优化方法，以解决多

目标电源配置优化问题【4】；

针对风光储的微电网电源配置优化问题，建立了计及多目标的非线性规划模型，以系统总投资成本最少为目标，以气温、光照强度、年风速等为输入，采用

细菌觅食算法实现单目标模型求解，得到微电网配置的最优方案【5-6】；

本论文在国内外专家学者理论研究基础上，根据包含风光储的微电网要素，

研究风力发电出力模型、光伏发电出力模型、储能装置功率及容量选择模型，研

究如何提高风力光伏等新能源的综合利用高效的综合能源配置与优质后续配套服务，以实现建设、运营经济效益最优等问题，特别是微电网规划设计阶段的优化

配置方案，为分布式发电接入配电网及资源配置和优化提供辅助参考。

2 风光储微电网模型

2.1风力发电出力模型

风力发电机组出力由风速引起，具有较强的随机性。风速变化规律模型，目前普遍采用Weibull 分布,其概率密度函数为：

（1）

式（1）中:v为风速;α为形状参数，反映风速v的分布特点;β为尺度参数，反映该地区平均风速的大小。

风力发电能量转换过程：风能→机械能→电能，风力发电特性曲线如图1所示。

图 1 风力发电机出力与风速关系曲线

图1中:Vci为切入风速，一般为3 m/s;Vr为额定风速;Vco为切出风速，一般为25m/s，最新的5 MW 风机可达30 m/s;Pr为风机额定输出功率。

当风速小于切入风速Vci时，风力发电有功功率为零；当风速大于切入风速Vci时，风力发电机开始发电，在风速尚未到达额定风速之前，风力发电有功功率与风速呈线性比例关系；当风速达到和超过额定风速Vr时，风力发电有功功率恒定保持为最大值；当风速持续增大，直到超过切出风速Vco时，风力发电机将停机。

将风速概率密度函数，带入风机出力表达式，可得到风机出力Pw的概率表达式：

（1）Pw=0时，0Vco

（2）

则有零出力情况下，风机出力概率为:

（3）

（2）0

（4）

概率密度函数可由式得到：

（5）

欠出力离散段风机出力Pk，采用该段有功出力的中间值,即期望值。

（3）Pw=Pr时，Vr

（6）

2.2光伏发电出力模型

光伏发电的出力主要受太阳辐射照度、环境温度等因素影响。

（7）

式中，为光伏发电的出力功率；

为光伏面板接收太阳光照辐射的面积，m2；

为光照辐射数值，W/m2；

为光伏组件能量转换效率；

为 DC/DC 变换器转换效率，光伏组件的能量转换效率和环境的温度有关。

2.3储能装置容量计算模型

储能电池作为微网重要的组网电源，对微网的运行特性以及运行能力影响很大，容量选择是微电网系统设计的关键，以保证系统稳定性、可靠性。然而，储能电池的成本很高，选择合理容量可有效优化系统成本。容量选择过大，使长期处于馈电状态而影响寿命；容量选择过小，不能为系统提供足够的能量，系统运行性能下降。

储能容量选择可根据工程设计法，采用如下公式计算:

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