微电网中混合储能系统的规划运行一体化配置方法
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Abstract: Most economic optimization algorithms on energy storage capacity configuration, in the research at present, took the life cycle cost of energy storage system as the objective function directly. However, different energy dispatch strategies will lead to different capacity requirements of energy storage system. So the operational objective of the microgrid also affects the life cycle cost of energy storage system, indirectly. An integrated planning and operation method is proposed in this paper, which comes from a perspective of the overall economic benefits of the microgrid. It takes the indirect and direct factors into account, establishing a combination cost model which contains both the loss cost of microgrid operation and the life cycle cost of energy storage system. The numerical example demonstrates the validity of proposed method. Compared with existing allocation methods, the proposed method is illustrated more comprehensive on evaluation of energy storage system allocation effect, which contributes to improving the economic benefits of the whole microgrid.
收稿日期: 2018−07−15; 录用日期: 2019−03−25. †通信作者. E-mail: 616636059@qq.com; Tel.: +86 15738379070. 本文责任编委: 张承慧.
454
控制理论与应用
第 36 卷
根据不同目标, 混合储能的研究大概有两个方向, 一是储能系统的容量配置方法[6–12], 二是储能双向变 换器的控制策略[13–15]. 其中, 混合储能系统容量配置 的研究重点是, 如何确定不同储能种类的容量配比, 以充分利用其充放电性能和经济性能之间的互补关 系, 既保证微电网的可靠运行, 又降低储能装置的损 耗, 从而取得比单一储能装置更经济高效的效果.
目前关于混合储能系统容量配置的研究不多, 常 见的思路有两种: 一种以微电网运行可靠性为优化目 标, 一种以储能系统经济性为优化目标. 对于前者, 文 献 [6]提出了针对微电网群中储能系统配置的滑动时 间窗口方法, 以极端条件下微电网离网稳定运行时间 作为储能系统容量配置的主要参数; 文献[7]中的混合 储能系统是以平抑微电网内风机功率波动所需的最 小容量为配置依据; 文献[8]中的超级电容+蓄电池系 统, 则是将满足微电网中尖峰负荷作为超级电容的容 量配置依据. 对于后者, 文献[9–10]在构建目标函数 时侧重考虑了储能容量对平抑微电网功率波动的作 用效果; 文献[11]在储能系统全寿命周期成本中, 侧 重分析了基于储能元件Ragone曲线的二次投资成本; 文献[12]则针对孤岛微电网中的混合储能系统, 提出 了一种容量配置优化方法, 以延长其运行年限. 然而, 上述方法的局限性在于, 以微电网可靠运行为优化目 标容易导致储能容量配置偏大, 造成储能系统的购置 成本上升、使用效率下降, 不利于微电网经济运行; 而 目前针对储能系统容量配置的经济优化算法则仅看 到了储能全寿命周期成本的直接影响, 而忽视了微电 网运行目标的间接影响. 事实上, 微电网运行目标决 定了微电网各单元的能量调度策略, 影响着储能系统 的充放电行为, 从而会影响到储能系统的运行损耗.
hybrid energy storage system in microgrid
LI Fei1†, LI Can-bing1, SUN Kai2, TIAN Pei-gen2, ZHANG Chun-xue1, ZHU Man-man1
(1. College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha Hunan 410082, China; 2. State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipment, Tsinghua University, Beijing 100084, China)
2. 清华大学 电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室, 北京 100084)
摘要: 目前针对微电网中储能容量配置的经济优化算法中, 大多都是直接以储能系统的全寿命周期成本作为目 标函数. 然而微电网作为一个整体, 不同的能量调度方案会导致不同的储能配置需求, 因此微电网的运行目标也会 间接影响到储能系统的全寿命周期成本. 本文提出的规划运行一体化配置方法, 是从微电网的整体经济效益出发, 将储能系统全寿命周期成本的直接和间接影响因素都考虑在内, 建立了计及微电网经济运行的储能全寿命周期成 本复合模型. 通过算例验证以及与已有方法优化结果的对比分析, 说明了所提方法在提升微电网整体经济效益上 的有效性, 可以为评估微电网中混合储能系统的配置效果提供更全面的参考依据.
SOCp max − SOCp min
Ep = Pp · ∆t,
(6)
其中: PDG和Pload分别表示分布式电源出力和负荷特 性; T 为滑动时间窗口, 表示微电网离网运行的期望时 间; t0为离网运行开始时刻; ∆E表示在离网运行中产 生的不平衡能量; ηch, ηdis, ηinv分别表示充、放电以及 逆变器效率; ∆t为能量型储能和功率型储能响应间隔 时间, 可取1 s.
SOCe max − SOCe min
(3)
|min ∆P (t)|
max{ Pe =
ηdisηinv
, |max ∆P (t)|ηchηinv} . (4)
SOCe max − SOCe min
2) 功率型储能:
|min ∆P (t)|
max{ Pp =
ηdisηinv
, |max ∆P (t)|ηchηinv} , (5)
本文考虑到微电网的运行目标对混合储能系统容 量配置的间接影响, 提出了混合储能系统的规划运行 一体化配置方法, 建立了计及微电网经济运行的储能 系统全寿命周期成本复合优化模型, 并对下层模型的 约束条件进行改进, 能够计算出微电网中储能系统的 最优容量和功率配置, 并同时给出储能系统内部功率 分配最佳方案, 实现混合储能系统的高效、经济利用.
论文第1章介绍了国内外混合储能系统容量配置 的研究现状, 第2章介绍了滑动时间窗口方法, 并选用 算法修正后计算出的储能容量作为所提复合优化模 型的初始值, 以保证系统运行的可靠性; 第3章详细说 明了本文所提方法的优化模型和算法; 第4章通过对 比算例验证了所提方法的正确性和有效性.
2 滑动时间窗口方法
2.2 额定容量和功率修正
然而实际中, 在某些极端状况下, 微电网能量管理 系统可以采取弃风、弃光或者切负荷的方式保障供电. 因此, 本文进一步提出两个修正系数来量化弃出力和 负荷削减情况, 在保障电网稳定性的前提下计算储能 系统规划容量.
源自文库
1) 发电最低保留比, 记为k1 = PDGkeep/PDGmax. 为保证可再生能源的利用率, 要求至少保留该时段内
网 中 混 合 储 能 系 统 (hybrid energy storage system, HESS)的配置和控制技术引起了人们的关注. 混合储 能系统是由功率型储能和能量型储能共同组成的复 合储能装置, 它集成了前者的高功率密度和后者的高 能量密度, 具有响应速度快、循环寿命长等优点, 有望 获得大幅度优于单一储能装置的技术性能和经济性 能[5–10].
最大发电功率的k1(k1 1)倍. 具体的运算过程中,
发电功率表示为 {
PDG(t) =
k1 · PDG max, pDG(t) > PDG keep, (7)
pDG(t),
pDG(t) PDG keep.
2) 负荷最高维持比, 记为k2 = PL keep/pload. 为了
保证用户的用电需求, 当需要进行负荷削减时, 要求
保留重要负荷的比例至多为所有负荷的k2(k2 1)
倍. 具体的运算{过程中, 负荷功率表示为
Pload(t) =
k2 · pload(t), pDG(t) < PL keep,
pload(t),
pDG(t) PL keep.
(8)
因此Pload和PDG被修改为了可按照调度计划调整 的变量, 更具有灵活性和合理性. 可用k1, k2的取值来 进行表示4种调度策略, 如表1所示.
第 36 卷第 3 期 2019 年 3 月
控制理论与应用
Control Theory & Applications
Vol. 36 No. 3 Mar. 2019
微电网中混合储能系统的规划运行一体化配置方法
李 斐1†, 黎灿兵1, 孙 凯2, 田培根2, 张春雪1, 朱曼曼1
(1. 湖南大学 电气与信息工程学院, 湖南 长沙 410082;
2.1 额定容量和功率计算
首先采用滑动时间窗口方法[6]计算混合储能系统
的额定容量和功率如下: 1) 能量型储能:
∆P (t) = PDG(t) − Pload(t),
(1)
t0 +T
∆E =
∆P (t)dt,
(2)
t0
|min(∆E)|
max{ Ee =
ηdisηinv
, |max(∆E)|ηchηinv} ,
Key words: microgrid; hybrid energy storage system; capacity configuration; power distribution Citation: LI Fei, LI Canbing, SUN Kai, et al. Integrated planning and operation method of hybrid energy storage system in microgrid. Control Theory & Applications, 2019, 36(3): 453 – 460
关键词: 微电网; 混合储能; 容量配置; 功率分配 引用格式: 李斐, 黎灿兵, 孙凯, 等. 微电网中混合储能系统的规划运行一体化配置方法. 控制理论与应用, 2019, 36(3): 453 – 460 DOI: 10.7641/CTA.2019.80523
Integrated planning and operation method of
1 引言
面对全球化石能源危机和污染加剧的状况, 可再 生清洁能源的重要性日益凸显, 利用风电、光伏等分 布式电源组建微电网也逐渐成为电力行业新的研究 热点[1–3]. 其中, 储能系统在削峰填谷和平滑电源功率 波动方面, 扮演着非常重要的作用[4–5]. 然而不同种类 的储能装置特性以及适用范围相差甚远, 近年来, 微
收稿日期: 2018−07−15; 录用日期: 2019−03−25. †通信作者. E-mail: 616636059@qq.com; Tel.: +86 15738379070. 本文责任编委: 张承慧.
454
控制理论与应用
第 36 卷
根据不同目标, 混合储能的研究大概有两个方向, 一是储能系统的容量配置方法[6–12], 二是储能双向变 换器的控制策略[13–15]. 其中, 混合储能系统容量配置 的研究重点是, 如何确定不同储能种类的容量配比, 以充分利用其充放电性能和经济性能之间的互补关 系, 既保证微电网的可靠运行, 又降低储能装置的损 耗, 从而取得比单一储能装置更经济高效的效果.
目前关于混合储能系统容量配置的研究不多, 常 见的思路有两种: 一种以微电网运行可靠性为优化目 标, 一种以储能系统经济性为优化目标. 对于前者, 文 献 [6]提出了针对微电网群中储能系统配置的滑动时 间窗口方法, 以极端条件下微电网离网稳定运行时间 作为储能系统容量配置的主要参数; 文献[7]中的混合 储能系统是以平抑微电网内风机功率波动所需的最 小容量为配置依据; 文献[8]中的超级电容+蓄电池系 统, 则是将满足微电网中尖峰负荷作为超级电容的容 量配置依据. 对于后者, 文献[9–10]在构建目标函数 时侧重考虑了储能容量对平抑微电网功率波动的作 用效果; 文献[11]在储能系统全寿命周期成本中, 侧 重分析了基于储能元件Ragone曲线的二次投资成本; 文献[12]则针对孤岛微电网中的混合储能系统, 提出 了一种容量配置优化方法, 以延长其运行年限. 然而, 上述方法的局限性在于, 以微电网可靠运行为优化目 标容易导致储能容量配置偏大, 造成储能系统的购置 成本上升、使用效率下降, 不利于微电网经济运行; 而 目前针对储能系统容量配置的经济优化算法则仅看 到了储能全寿命周期成本的直接影响, 而忽视了微电 网运行目标的间接影响. 事实上, 微电网运行目标决 定了微电网各单元的能量调度策略, 影响着储能系统 的充放电行为, 从而会影响到储能系统的运行损耗.
hybrid energy storage system in microgrid
LI Fei1†, LI Can-bing1, SUN Kai2, TIAN Pei-gen2, ZHANG Chun-xue1, ZHU Man-man1
(1. College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha Hunan 410082, China; 2. State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipment, Tsinghua University, Beijing 100084, China)
2. 清华大学 电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室, 北京 100084)
摘要: 目前针对微电网中储能容量配置的经济优化算法中, 大多都是直接以储能系统的全寿命周期成本作为目 标函数. 然而微电网作为一个整体, 不同的能量调度方案会导致不同的储能配置需求, 因此微电网的运行目标也会 间接影响到储能系统的全寿命周期成本. 本文提出的规划运行一体化配置方法, 是从微电网的整体经济效益出发, 将储能系统全寿命周期成本的直接和间接影响因素都考虑在内, 建立了计及微电网经济运行的储能全寿命周期成 本复合模型. 通过算例验证以及与已有方法优化结果的对比分析, 说明了所提方法在提升微电网整体经济效益上 的有效性, 可以为评估微电网中混合储能系统的配置效果提供更全面的参考依据.
SOCp max − SOCp min
Ep = Pp · ∆t,
(6)
其中: PDG和Pload分别表示分布式电源出力和负荷特 性; T 为滑动时间窗口, 表示微电网离网运行的期望时 间; t0为离网运行开始时刻; ∆E表示在离网运行中产 生的不平衡能量; ηch, ηdis, ηinv分别表示充、放电以及 逆变器效率; ∆t为能量型储能和功率型储能响应间隔 时间, 可取1 s.
SOCe max − SOCe min
(3)
|min ∆P (t)|
max{ Pe =
ηdisηinv
, |max ∆P (t)|ηchηinv} . (4)
SOCe max − SOCe min
2) 功率型储能:
|min ∆P (t)|
max{ Pp =
ηdisηinv
, |max ∆P (t)|ηchηinv} , (5)
本文考虑到微电网的运行目标对混合储能系统容 量配置的间接影响, 提出了混合储能系统的规划运行 一体化配置方法, 建立了计及微电网经济运行的储能 系统全寿命周期成本复合优化模型, 并对下层模型的 约束条件进行改进, 能够计算出微电网中储能系统的 最优容量和功率配置, 并同时给出储能系统内部功率 分配最佳方案, 实现混合储能系统的高效、经济利用.
论文第1章介绍了国内外混合储能系统容量配置 的研究现状, 第2章介绍了滑动时间窗口方法, 并选用 算法修正后计算出的储能容量作为所提复合优化模 型的初始值, 以保证系统运行的可靠性; 第3章详细说 明了本文所提方法的优化模型和算法; 第4章通过对 比算例验证了所提方法的正确性和有效性.
2 滑动时间窗口方法
2.2 额定容量和功率修正
然而实际中, 在某些极端状况下, 微电网能量管理 系统可以采取弃风、弃光或者切负荷的方式保障供电. 因此, 本文进一步提出两个修正系数来量化弃出力和 负荷削减情况, 在保障电网稳定性的前提下计算储能 系统规划容量.
源自文库
1) 发电最低保留比, 记为k1 = PDGkeep/PDGmax. 为保证可再生能源的利用率, 要求至少保留该时段内
网 中 混 合 储 能 系 统 (hybrid energy storage system, HESS)的配置和控制技术引起了人们的关注. 混合储 能系统是由功率型储能和能量型储能共同组成的复 合储能装置, 它集成了前者的高功率密度和后者的高 能量密度, 具有响应速度快、循环寿命长等优点, 有望 获得大幅度优于单一储能装置的技术性能和经济性 能[5–10].
最大发电功率的k1(k1 1)倍. 具体的运算过程中,
发电功率表示为 {
PDG(t) =
k1 · PDG max, pDG(t) > PDG keep, (7)
pDG(t),
pDG(t) PDG keep.
2) 负荷最高维持比, 记为k2 = PL keep/pload. 为了
保证用户的用电需求, 当需要进行负荷削减时, 要求
保留重要负荷的比例至多为所有负荷的k2(k2 1)
倍. 具体的运算{过程中, 负荷功率表示为
Pload(t) =
k2 · pload(t), pDG(t) < PL keep,
pload(t),
pDG(t) PL keep.
(8)
因此Pload和PDG被修改为了可按照调度计划调整 的变量, 更具有灵活性和合理性. 可用k1, k2的取值来 进行表示4种调度策略, 如表1所示.
第 36 卷第 3 期 2019 年 3 月
控制理论与应用
Control Theory & Applications
Vol. 36 No. 3 Mar. 2019
微电网中混合储能系统的规划运行一体化配置方法
李 斐1†, 黎灿兵1, 孙 凯2, 田培根2, 张春雪1, 朱曼曼1
(1. 湖南大学 电气与信息工程学院, 湖南 长沙 410082;
2.1 额定容量和功率计算
首先采用滑动时间窗口方法[6]计算混合储能系统
的额定容量和功率如下: 1) 能量型储能:
∆P (t) = PDG(t) − Pload(t),
(1)
t0 +T
∆E =
∆P (t)dt,
(2)
t0
|min(∆E)|
max{ Ee =
ηdisηinv
, |max(∆E)|ηchηinv} ,
Key words: microgrid; hybrid energy storage system; capacity configuration; power distribution Citation: LI Fei, LI Canbing, SUN Kai, et al. Integrated planning and operation method of hybrid energy storage system in microgrid. Control Theory & Applications, 2019, 36(3): 453 – 460
关键词: 微电网; 混合储能; 容量配置; 功率分配 引用格式: 李斐, 黎灿兵, 孙凯, 等. 微电网中混合储能系统的规划运行一体化配置方法. 控制理论与应用, 2019, 36(3): 453 – 460 DOI: 10.7641/CTA.2019.80523
Integrated planning and operation method of
1 引言
面对全球化石能源危机和污染加剧的状况, 可再 生清洁能源的重要性日益凸显, 利用风电、光伏等分 布式电源组建微电网也逐渐成为电力行业新的研究 热点[1–3]. 其中, 储能系统在削峰填谷和平滑电源功率 波动方面, 扮演着非常重要的作用[4–5]. 然而不同种类 的储能装置特性以及适用范围相差甚远, 近年来, 微