提升光伏消纳的分布式储能系统控制方法
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Research on control method of distributed energy storage system to improve photovoltaic consumption
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通讯作者: 曾伟(1979—),男,博士,高级工程师,主要研究方向为新能源及储能技术,E-mail:ZEJXDKY@163.com。
收稿日期: 2021-10-29 修回日期: 2022-01-04
基金资助: |
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Received: 2021-10-29 Revised: 2022-01-04
作者简介 About authors
曾伟(1979—),男,博士,高级工程师,主要研究方向为新能源及储能技术,E-mail:
分布式储能具有分散灵活等特点,多分布式储能协同配合可以解决单一储能调节能力差、范围小的问题,可以进一步提高新能源消纳能力。提高新能源利用率。本工作通过建立一个光伏电站、两个分布式储能系统模型,并通过分析光伏电站出力,利用储能系统跟踪光伏出力的特点建立以分布式储能系统出力最小为目标的目标函数,结合发电系统的功率平衡要求、分布式储能系统的电池能量状态(state of energy,SOE)约束、分布式储能系统功率和容量约束,采用线性递减惯性权重粒子群优化算法,旨在在已有的约束条件下,寻求分布式储能系统的最佳效率。通过仿真分析该方法可以提高光伏消纳能力,减少储能系统动作次数,进一步增加储能系统的寿命。
关键词:
The features of distributed energy storage are decentralization and flexibility, and the coordination of multiple distributed energy storage can address the problem of single energy storage's poor adjustment ability and limited range, as well as boost the capacity of new energy consumption and increase the pace of new energy use. This research establishes a photovoltaic power station, two distributed energy storage system models, examines the output of the photovoltaic power station, and uses the features of the energy storage system to track the photovoltaic output to develop an objective function with the minimum output of the dispersed energy storage system as the goal, combined with the power generation system. The linearly decreasing inertia weight particle swarm optimization algorithm is used to target the existing constraints and the distributed energy storage system's power balance requirements, state of energy constraints, power, and capacity constraints. Next, determine the most effective distributed energy storage system. Through simulation analysis, this method can improve the photovoltaic absorption capacity, reduce the number of actions of the energy storage system, and further increase the life of the energy storage system.
Keywords:
本文引用格式
曾伟, 熊俊杰, 马速良, 谭宇良, 李建林.
ZENG Wei.
由于电网需求侧的变化日益增加,分布式储能将逐渐深层次地参与到电力系统之中,在配电系统中,分布式储能以第三方调解的角色配置在系统关键节点处能有效地解决分布式电源与负荷之间的矛盾,进而参与电网调峰、调频、调压等过程起到辅助作用和提升电网运行的稳定性。文献[3]对于分布式储能的研究涉及规划因素、评价指标、功能作用和求解方法等,对规划因素的研究主要分为储能类型、接入位置、储能容量、储能功率和调度策略等。文献[4]提出了一种分布式电池储能系统的新型协调控制算法:通过采集信号并向所有的电池储能系统发出相应的功能信号,以此控制电池储能系统进行充放电,达到“削峰填谷”的目的,提高电网运行效率。目前开展的分布式储能的优化规划方面的研究,大多以评价指标(如经济性、技术性)为目标,并建立相应的函数,再以储能的实际运行情况为约束条件,寻找最优解。并未考虑储能自身的荷电状态(SOC)以及储能系统自身波动。
本工作针对削峰填谷应用场景,考虑储能系统功率、容量,在优化过程中加入了储能电池能量状态(state of energy,SOE)限制以及储能系统充放电效率η限制等因素,在满足系统功率平衡的前提下,使分布式储能系统出力最优。
1 线性递减惯性权重粒子群优化算法
最优化概念即要在已提出的所有限制条件内,在可行的范围中寻找到最佳的解决方式。在现今社会中,该概念在多个领域中均拥有广泛的应用,如经济管理领域、军事领域、建筑领域等。最常使用的是智能算法,比如遗传算法、蚁群算法、模拟退火算法、人工神经网络以及粒子群算法等。各算法特性如表1所示。
表1 各优化算法特点对比
Table 1
算法 | 特点 |
---|---|
蚁群算法 | 蚁群算法中个体直接使用的是局部信息而非全局信息,搜索时间长,整个算法较为成熟,已成体系,收敛性能佳 |
遗传算法 | 实际问题中,很多问题都带有约束条件,其本身也是一个非线性问题,而遗传算法则可以很好地契合这类问题,它的挖掘性能强,但开拓能力较弱,注重寻找全局最优,仅需评估试验解的正确性,但其算法过程较为复杂,包括复制、组合、突变等过程 |
模拟退火算法 | 模拟退火算法的参数设置需要人为的调整,因此人为因素可能造成计算结果的差异 |
粒子群优化算法 | 粒子群优化算法所需的参数只有少数几个,算法的搜索和搜索空间的维度之间的相关性不强,原理简单,容易实现,运用协同搜索,收敛速度快,更容易找到全局最优值 |
在粒子群算法中,惯性权重
该算法的搜寻流程如下:①初始化粒子群参数;②随机初始化粒子的速度与位置;③计算粒子适应度,将计算结果放置在
⑤更新粒子的适应度值,将两者最优的适应度值对应的位置标记为目前最好的位置;
⑥比较所有的
⑦如果满足结束条件则结束,否则返回步骤③继续搜索。该算法的流程图如图1所示。
图1
图1
改进的线性递减惯性权重粒子群算法流程图
Fig. 1
Flow chart of improved linear decreasing inertia weight particle swarm algorithm
在一个
粒子速度 :
粒子位置:
个体最优:
全局最优 :
其中,
在每一次的迭代中,根据以下迭代公式来更新个体的速度和位置:
其中
图2
图2
粒子在搜索空间的搜索示意图
Fig. 2
Schematic diagram of particle search in the search space
2 分布式储能系统数学模型
图3
在图3中,
2.1 目标函数
由图3可知,本工作的目标是要光伏发电尽量匹配跟踪负荷出力,利用储能系统在光伏发电多时作为用户吸收功率,光伏发电少时作为电源增发功率。但是由于储能系统的启停将影响储能电池的使用寿命,因此想更加经济地利用储能系统,就必须使储能电池始终处于可充可放的状态即为初始状态,所以基于该情况,本工作的目标函数设置为储能系统B1/B2的功率之和需要达到最小,据此设定分布式储能系统功率波动的平方和最小为目标函数,如
式中,
2.2 约束条件
2.2.1 系统功率平衡约束
由于新能源出力具有波动性,容易受天气类型等因素影响,所以储能的作用是平衡光伏发电和用户侧需求,在新能源出力少时储能系统增发功率。新能源出力多时储能系统少发功率,所以储能系统的调节须使得新能源、储能出力和需求处于动态平衡的状态,即电力系统的发电量与用电量在任何时刻都保持一致,功率处于平衡状态。功率平衡才能保证电压和频率的稳定,加入储能系统后也同样需要保持功率平衡,如果出现偏差,系统的电压和频率就会不稳定,进而大大降低电力系统的电能质量。由于分布式储能系统有并网和孤岛两种模式,处于并网状态时,分布式储能的出力、电网的出力和与用户需求处于动态平衡状态;当分布式储能系统处于孤岛运行时,储能出力与用户需求时刻是动态平衡的。
①充电模式
在充电模式下,储能系统运行的充电功率即为系统功率平衡约束所需的实际功率,此时不需要考虑储能系统充放电效率的影响,如
②放电模式
在放电模式下,由于储能系统充放电效率的影响,储能系统运行的放电功率需要大于实际放出的放电功率,将储能系统实际放出的放电功率用作整个系统的功率平衡约束元素之一,具体见
式中
2.2.2 储能系统充放电功率约束
储能系统在工作时其工作的功率受到其系统结构本身的约束,即充放电功率不能大于其额定功率,否则将会对储能系统的安全造成隐患。如
式中
2.2.3 储能系统电池能量状态( )约束
储能电池电池状态(state of charge,SOC)反映的是储能电池所剩电量占总电量的情况,本工作看重的是两个分布式储能的出力情况,为了表现得更加直观,采用
式中,
①充电模式
在充电模式下,由于充放电效率的影响,储能系统从外部吸收的能量总值要大于实际成功储存在储能系统内部的能量总值,此时
②放电模式
当各厂站发电功率不能满足用户所需功率,储能系统可当成发电机,储能系统由充电状态转换为放电状态,储能系统释放的能量总值等于用户需求与发电厂所发能量之差且受发电效率影响较小,此时
在式(
3 算例分析
图4
图5
图6
图7
图8
图8
分布式储能系统出力情况以及电池能量状态SOE变化
Fig. 8
Distributed energy storage system output and battery energy status SOE changes
根据计算结果绘制光伏、负载与分布式储能系统的出力情况对比,每隔5 min绘制一组数据,时间长度是24 h,如图9所示。
图9
通过分析分布式储能系统的出力情况可知,当负载功率的总需求不足以消纳光伏电站的总发电功率时,储能系统功率值大于零,即储能系统进入充电模式;当负载功率的总需求可以消纳光伏电站的总发电功率且仍需要更多的发电功率时,储能系统功率值小于零,即储能系统进入放电模式。综合来看,储能系统极大地利用了剩余的发电量,并在负荷低谷期将剩余电量释放出去,进入电网,缓解电网负荷压力,由此可见,加入分布式储能系统之后有效地解决了光伏出力在匹配跟踪负载消耗的矛盾。
4 结论
本工作从提高光伏利用率和平抑光伏波动两个方面考虑,提出了提高光伏利用率的分布式储能功率分配方法。建立以分布式储能出力最小、SOE为约束条件的分布式储能出力模型,然后利用线性递减惯性权重粒子群优化算法对模型进行优化,最后以某地区光伏示范项目为算例进行仿真验证所提方法的有效性。
参考文献
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