基于全生命周期費(fèi)用的儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置模型

基于全生命周期費(fèi)用的儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置模型

0蓄電池+超級(jí)電容器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)隨著全球景觀照明規(guī)模的迅速擴(kuò)張，網(wǎng)絡(luò)景觀照明系統(tǒng)已成為一個(gè)非常適合的發(fā)展方向。然而,風(fēng)光發(fā)電功率具有的不穩(wěn)定性和間歇性使其不能像傳統(tǒng)發(fā)電方式那樣滿足電網(wǎng)要求的調(diào)度靈活性,為解決這一問(wèn)題需要開(kāi)發(fā)和建設(shè)與之相配套的儲(chǔ)能系統(tǒng)。儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)中將使系統(tǒng)的能量管理更加靈活,但對(duì)于目前以蓄電池為常用儲(chǔ)能元件的風(fēng)光儲(chǔ)項(xiàng)目,儲(chǔ)能成本接近甚至大于購(gòu)買(mǎi)單獨(dú)的光伏發(fā)電組件或風(fēng)力發(fā)電機(jī)的成本。因此如何最大限度地延長(zhǎng)蓄電池組的使用壽命是新能源發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員亟須解決的重大問(wèn)題。在目前可應(yīng)用的儲(chǔ)能技術(shù)中,蓄電池和超級(jí)電容器的儲(chǔ)能特性可以達(dá)到很好的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),因此該類(lèi)混合儲(chǔ)能技術(shù)將在風(fēng)光系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。本文以該類(lèi)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)為基礎(chǔ),對(duì)并網(wǎng)風(fēng)光發(fā)電中儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置問(wèn)題進(jìn)行研究。1混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量管理策略1.1超級(jí)電容器不同能量考慮到間歇式電源功率的波動(dòng)性,并結(jié)合蓄電池和超級(jí)電容器互補(bǔ)的儲(chǔ)能特性,提出如下適合該混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量管理策略:為充分發(fā)揮超級(jí)電容器功率密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快的優(yōu)勢(shì),同時(shí)有效回避其能量密度低的缺陷,超級(jí)電容器主要承擔(dān)由發(fā)電功率與調(diào)度功率不相等產(chǎn)生的不平衡功率Pub中的頻繁波動(dòng)功率;蓄電池只負(fù)責(zé)承擔(dān)不平衡功率Pub中的基本功率,這樣可以有效避免蓄電池頻繁充放電造成的小循環(huán)充放電現(xiàn)象,且蓄電池均以額定功率充放電,保證蓄電池處于優(yōu)化的工作狀態(tài),延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命,提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)性。1.2能量缺失量elps的計(jì)算流程本文采用能量損失率(lossofproducedpowerprobability,LPPP)和能量缺失率(lossofpowersupplyprobability,LPSP)作為并網(wǎng)風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)。定義能量損失率RLPPP為在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,系統(tǒng)損失的電源功率ELPP與電源發(fā)電總量Eg的比值;定義能量缺失率RLPSP為在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,能量缺失量ELPS與調(diào)度總需求量En的比值。其滿足:基于1.1節(jié)所提出的能量管理策略,LPPP和LPSP的計(jì)算流程如圖1所示。圖中:t為單位時(shí)間間隔;T為總計(jì)算次數(shù);Pw(kt)、Ppv(kt)和Pn(kt)分別表示kt時(shí)刻風(fēng)機(jī)、光伏陣列輸出功率和電網(wǎng)調(diào)度功率;Pleft和Plack分別表示剩余功率和缺失功率;Ecnr、Ebar和Eucr分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)、蓄電池組和超級(jí)電容器組充放電之前的剩余能量;Eba和Euc表示蓄電池組和超級(jí)電容器組經(jīng)過(guò)充放電后的剩余能量;Ecnmax、Ecnmin分別表示儲(chǔ)能系統(tǒng)能量最大值和最小值;ηc表示逆變器的轉(zhuǎn)換效率。在kt時(shí)刻,若光伏陣列輸出功率Ppv(kt)和風(fēng)機(jī)輸出功率Pw(kt)之和大于電網(wǎng)調(diào)度功率Pn(kt),則存在剩余功率Pleft,此時(shí),如果儲(chǔ)能系統(tǒng)剩余能量Ecnr未處于滿額狀態(tài)Ecnmax,則電源為儲(chǔ)能系統(tǒng)充電;若儲(chǔ)能系統(tǒng)剩余能量處于滿額狀態(tài),將產(chǎn)生能量損失,即ELPP(kt)＝[Ppv(kt)＋Pw(kt)-Pn(kt)/ηc]t,其中ηc表示逆變器的轉(zhuǎn)換效率。能量損失量ELPP的詳細(xì)計(jì)算流程如圖2所示。當(dāng)光伏陣列和風(fēng)機(jī)輸出功率之和小于電網(wǎng)調(diào)度功率要求時(shí),出現(xiàn)功率缺失Plack,若儲(chǔ)能系統(tǒng)剩余能量Ecnr大于最小剩余能量Ecnmin,儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行放電,以彌補(bǔ)功率缺失。放電過(guò)程中能量缺失量ELPS具體的計(jì)算流程如圖3所示。若儲(chǔ)能系統(tǒng)剩余能量不大于最小剩余能量,則由電網(wǎng)來(lái)彌補(bǔ)能量缺失:這樣會(huì)影響到系統(tǒng)的供電可靠性,因此應(yīng)盡量避免該情況的發(fā)生,這也是并網(wǎng)系統(tǒng)須要配備儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要原因之一。從圖2中,根據(jù)不同的充電情況,ELPP的計(jì)算流程共有7種情況,即SC1uf07eSC7,在每一種充電情況下儲(chǔ)能裝置的充電功率和剩余能量情況、系統(tǒng)的能量損失量計(jì)算過(guò)程如下:1sc12cp23cp34sc45sc56cp67不同放電功率的能量互補(bǔ)性類(lèi)似于儲(chǔ)能裝置充電時(shí)對(duì)系統(tǒng)能量損失量ELPP的計(jì)算分析,放電過(guò)程中系統(tǒng)能量缺失量ELPS的計(jì)算流程如圖3所示。從圖3中可以看出,根據(jù)不同的放電情況ELPS的計(jì)算共有5種情況,即SD1uf07eSD5,在每一種放電狀態(tài)下儲(chǔ)能裝置的放電功率和剩余能量、系統(tǒng)的能量缺失量的計(jì)算如下:1)SD1和SD2這兩種狀態(tài)相似。系統(tǒng)的缺失功率大于蓄電池和超級(jí)電容器所能提供的最大放電功率之和Pban＋Pucmax,因此蓄電池和超級(jí)電容器放電功率分別是Pban和Pucmax。唯一不同的是,在SD2中,經(jīng)過(guò)單位時(shí)間t的放電后蓄電池未放電至最小容量Ebamin,而SD1卻正好相反。這兩種狀態(tài)的能量缺失量ELPS的計(jì)算分別如式(9)和(10)所示。2)SD3。系統(tǒng)缺失功率小于儲(chǔ)能系統(tǒng)最大放電功率,但是大于蓄電池額定功率,因此根據(jù)上文提出的能量管理策略,該缺失功率由蓄電池以額定功率Pban放電,超級(jí)電容器以功率Puc＝Plack/ηc-Pban放電,二者共同進(jìn)行功率彌補(bǔ)。經(jīng)過(guò)t1(28)(Ebar-Ebamin)/(Pbanηbad),其中t1＜t,蓄電池放電至最小容量Ebanmin,之后的(t-t1)時(shí)間段僅有超級(jí)電容器放電,但當(dāng)Plack≥Pucmaxηc時(shí),存在能量缺失,計(jì)算如式(11)所示。3)SD4。該狀態(tài)與SD3類(lèi)似,系統(tǒng)缺失功率介于儲(chǔ)能系統(tǒng)最大放電功率和蓄電池額定功率之間,因此由蓄電池以額定功率Pban放電、超級(jí)電容器以功率Puc＝Plack/ηc-Pban放電,二者共同彌補(bǔ)功率缺失。相比SD3,該情況下蓄電池沒(méi)有放電至最小容量,所以不存在兩階段放電情況,也沒(méi)有能量缺失。4)SD5。系統(tǒng)缺失功率小于蓄電池額定功率,因此這種情況下只有超級(jí)電容器放電,在Plack≥Pucmaxηc情況下系統(tǒng)能量缺失ELPS為2混合動(dòng)力容量?jī)?yōu)化模型2.1蓄電池的運(yùn)行成本m/n根據(jù)IEC60300—3—3的規(guī)定,將儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)模型定義為四大成本之和,即IEC標(biāo)準(zhǔn)中的購(gòu)置成本、運(yùn)行成本、維護(hù)成本以及處置成本。為盡量簡(jiǎn)化目標(biāo)函數(shù),以免優(yōu)化模型過(guò)于復(fù)雜,本文引用不同的比例系數(shù)表示相應(yīng)的成本。鑒于計(jì)算的成本包含兩種儲(chǔ)能元件,因此為體現(xiàn)合理性,將上述目標(biāo)函數(shù)折算為儲(chǔ)能系統(tǒng)的年均費(fèi)用,折算系數(shù)用儲(chǔ)能元件每年各自的折舊值表示。具體表達(dá)式如下:式中:Civ指儲(chǔ)能裝置的購(gòu)置成本(investmentcost),包括儲(chǔ)能裝置及其附加設(shè)備的購(gòu)置成本;fba、fuc分別代表蓄電池組和超級(jí)電容器組的單價(jià);m、n分別表示蓄電池組和超級(jí)電容器組的個(gè)數(shù);kdeba、kdeuc分別表示蓄電池組和超級(jí)電容器組的年折舊值;Coc指儲(chǔ)能裝置的運(yùn)行成本(operatingcost),包括儲(chǔ)能裝置的試驗(yàn)、安裝、損耗、停運(yùn)成本、人工費(fèi)用等;kocba、kocuc分別表示蓄電池和超級(jí)電容器的運(yùn)行成本系數(shù);Cmc指儲(chǔ)能裝置的維護(hù)成本(maintenancecost),包括故障前的檢修成本和故障后的維修成本;kmcba表示蓄電池的維護(hù)成本系數(shù),超級(jí)電容器可免維護(hù),因此不需考慮它的維護(hù)成本;Cdc指儲(chǔ)能裝置的處置成本(disposalcost),包括儲(chǔ)能裝置的報(bào)廢成本和殘值;kdcba、kdcuc分別表示蓄電池和超級(jí)電容器的處置成本系數(shù)。由于蓄電池和超級(jí)電容器的儲(chǔ)能特性有很大區(qū)別,它們的年折舊值需按不同的方法計(jì)算。1)蓄電池的折舊進(jìn)程可以通過(guò)其容量損失程度來(lái)表示。一些研究表明,蓄電池的容量損失與放電深度lDOD呈線性關(guān)系,所以具體計(jì)算其折舊值時(shí),可先將不同放電深度的充放電循環(huán)次數(shù)NDOD折算為等效的lDOD,lDOD=100%充放電循環(huán)次數(shù)Ne。折算公式可表示為Ne＝NDODlDOD。若蓄電池進(jìn)行l(wèi)DOD＝100%充放電循環(huán)壽命次數(shù)為Nba,則蓄電池的折舊值kdeba＝Ne/Nba。2)超級(jí)電容器的折舊值可以直接用循環(huán)次數(shù)來(lái)計(jì)算。若超級(jí)電容器進(jìn)行從Eucmax到Eucmin的充放電循環(huán)次數(shù)為Nuc,則進(jìn)行N次充放電循環(huán)后,它的折舊值可表示為kdeuc＝N/Nuc。上述優(yōu)化目標(biāo)模型克服了傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)化問(wèn)題中只注重降低初始購(gòu)置成本的局限性,將儲(chǔ)能裝置成本延伸到安裝、運(yùn)行、維護(hù)、失效報(bào)廢等整個(gè)壽命期過(guò)程中,使優(yōu)化結(jié)果更符合實(shí)際。2.2蓄電池功率分配算法根據(jù)上述能量管理策略,并考慮并網(wǎng)風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行特性,建立滿足并網(wǎng)風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的約束條件如式(14)所示:式中α表示不平衡功率Pub＝|Pn(kt)-[Ppv(kt)＋Pw(kt)]ηc|中基本功率所占比例。式(14)中:第1個(gè)公式屬于系統(tǒng)合理性的要求;第2、3、4、5個(gè)公式是保證蓄電池和超級(jí)電容器正常運(yùn)行的基本約束,可以看出為延長(zhǎng)蓄電池壽命,蓄電池功率值或?yàn)榱?或?yàn)轭~定功率;第6個(gè)公式體現(xiàn)了所提的能量管理策略,即蓄電池的功率輸出維持在基本負(fù)荷以?xún)?nèi);第7個(gè)公式表示系統(tǒng)的能量損失率必須小于給定的最大值RLPPPmax,以確保風(fēng)光發(fā)電功率利用率;第8個(gè)公式表示系統(tǒng)的能量缺失率必須小于給定的最大值RLPSPmax。2.3混沌優(yōu)化方法的基本過(guò)程混沌優(yōu)化算法(chaoticoptimizationalgorithm)作為混沌應(yīng)用研究領(lǐng)域的一個(gè)嶄新方向,是一種隨機(jī)性的智能型優(yōu)化方法。該優(yōu)化方法直接采用混沌變量進(jìn)行搜索,搜索順序按照式(15)所示的Logistic映射表達(dá)式產(chǎn)生的點(diǎn)列依次進(jìn)行。Logistic映射是上的不可逆映射。當(dāng)uf06d取值4.0時(shí),系統(tǒng)處于混沌狀態(tài),任意取初始點(diǎn),可以得到在范圍內(nèi)不重復(fù)的遍歷所有點(diǎn)。由于混沌運(yùn)動(dòng)具有遍歷性、隨機(jī)性、規(guī)律性,因而混沌優(yōu)化算法較其他隨機(jī)性的智能優(yōu)化方法獲得最優(yōu)解的可能性更強(qiáng),是一種極有前途的優(yōu)化手段。本文所用混沌算法主要分為兩個(gè)階段:1)在整個(gè)優(yōu)化變量范圍內(nèi)按Logistic映射表達(dá)式依次檢驗(yàn)產(chǎn)生的各點(diǎn)是否滿足約束條件,在篩選出的符合要求的點(diǎn)中找出當(dāng)前最優(yōu)點(diǎn);2)達(dá)到一定迭代次數(shù)后,認(rèn)為當(dāng)前最優(yōu)點(diǎn)已在實(shí)際最優(yōu)點(diǎn)附近,然后以當(dāng)前最優(yōu)點(diǎn)為初值,仍按照1)的方法進(jìn)行小范圍搜索最終找到最優(yōu)點(diǎn)?；煦鐑?yōu)化方法的基本求解步驟如下:1)算法初始化。令k=0,給出N個(gè)具有微小差異的初值xi,0,且xi,0≠1且xi,0≠0.75且xi,0≠0.5且xi,0≠0.25且xi,0≠0,然后按照Logistic映射表達(dá)式得到N個(gè)軌跡不同的混沌變量{xi,k}。2)將生成的混沌變量{xi,k}按式(16)進(jìn)行第一次載波,得到優(yōu)化變量范圍[xmin,xmax]內(nèi)的混沌變量{x′i,k}。3)對(duì)生成的混沌變量x′i,k進(jìn)行可行性檢驗(yàn),重復(fù)執(zhí)行步驟1)和步驟2)進(jìn)行迭代搜索得到滿足約束條件的可行解{x″i,k},并計(jì)算相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值f(k)＝f({x″i,k})。令X*＝{x″i,0},f*＝f(0),如果f(k)＜f*,那么X*＝{x″i,k},f*＝f(k);否則,令k＝k＋1,進(jìn)入下一循環(huán),直到f*變化很小或達(dá)到最大迭代次數(shù)Nmax1。4)按式(17)對(duì)混沌變量進(jìn)行第二次載波,xi,k＋1為由式(1)得到的混沌變量,α為調(diào)節(jié)因子,一般取值在優(yōu)化變量所屬區(qū)間長(zhǎng)度(xmax-xmin)的1%和10%之間。對(duì)于所屬區(qū)間長(zhǎng)度較小的優(yōu)化變量,α較大;反之較小。對(duì)生成的混沌變量z′i,k進(jìn)行可行性檢驗(yàn),當(dāng)其滿足約束條件時(shí),若f(z′i,k)＜f*,則x*＝z′i,k,f*＝f(z′i,k);否則令k＝k＋1,進(jìn)入下一循環(huán),直到f*變化微小或達(dá)到最大迭代次數(shù)Nmax2,最終的x*即為最優(yōu)解,f*為最優(yōu)值。3計(jì)算匹配示例的過(guò)程3.1變壓器供電參數(shù)以某國(guó)家示范工程一期建設(shè)項(xiàng)目為例進(jìn)行分析計(jì)算,該建設(shè)項(xiàng)目包含100MW的風(fēng)電系統(tǒng)和40MW的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)。假設(shè)電網(wǎng)調(diào)度功率額定值為96MW,逆變器效率為0.95,系統(tǒng)供電指標(biāo)RLPPPmax和RLPSPmax分別為0.3和0.05。現(xiàn)在為其配置儲(chǔ)能容量。詳細(xì)參數(shù)如表1所示。本文采取50個(gè)傳統(tǒng)固定型蓄電池單體、100個(gè)超級(jí)電容器單體串并聯(lián),分別組成蓄電池組和超級(jí)電容器組,根據(jù)圖4所示的風(fēng)機(jī)年發(fā)電預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、光伏年發(fā)電預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、年調(diào)度功率預(yù)測(cè)數(shù)據(jù),運(yùn)用改進(jìn)混沌優(yōu)化算法對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置容量進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算。3.2混合儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行效率為了對(duì)比蓄電池–超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能方式與蓄電池單一儲(chǔ)能方式的經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性,采用上節(jié)給出的相同原始數(shù)據(jù),利用改進(jìn)混沌優(yōu)化算法進(jìn)行分析計(jì)算,優(yōu)化計(jì)算結(jié)果如表2所示。通過(guò)表2的數(shù)據(jù)可以看出,在相同的系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)約束下,采用蓄電池單一儲(chǔ)能方式下需要配置蓄電池組的數(shù)目為5002組,儲(chǔ)能系統(tǒng)的年均最小費(fèi)用為3003余萬(wàn)元,而采用蓄電池和超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能時(shí),需配置5691組蓄電池和9875組超級(jí)電容器,儲(chǔ)能系統(tǒng)年均最小費(fèi)用僅977余萬(wàn)元,約是前一種儲(chǔ)能方式的1/3。由此說(shuō)明,基于本文提出的能量管理策略的混合儲(chǔ)能方式能夠充分發(fā)揮兩種儲(chǔ)能元件的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì),可以有效降低儲(chǔ)能系統(tǒng)成本。風(fēng)力發(fā)電功率、光伏功率和調(diào)度功率0.5h發(fā)電預(yù)測(cè)值見(jiàn)圖4。根據(jù)表2優(yōu)化結(jié)果數(shù)據(jù),繪制兩種儲(chǔ)能方式下儲(chǔ)能裝置在1a中4300—4400h時(shí)間段的輸出功率變化曲線,分別如圖5和6所示。圖6中:Pba表示蓄電池輸出功率;Puc表示超級(jí)電容器輸出功率。將圖5和圖6對(duì)比可看出,由于超級(jí)電容器組的參與,混合儲(chǔ)能方式下,圖6中蓄電池組的輸出功率變化比圖5平坦得多,原因在于峰值不平衡功率和頻變不平衡功率主要由超級(jí)電容器組提供,這樣可以有效地優(yōu)化蓄電池組的工作狀態(tài),延長(zhǎng)其使用壽命,最終減少儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)等費(fèi)用。4能量損失量elpp的計(jì)算1)在容量配置優(yōu)化計(jì)算中,本文充分考慮蓄電池和超級(jí)電容器的互補(bǔ)運(yùn)行特性,以?xún)?yōu)化蓄電池工作狀態(tài)為原則提出的能量管理策略能夠有效提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)性。2)以全生命周期費(fèi)用理論為基礎(chǔ)建立的儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化目標(biāo)函數(shù),比只考慮初始購(gòu)置成本的優(yōu)化目標(biāo)更符合實(shí)際情況,具有現(xiàn)實(shí)意義。3)與傳統(tǒng)規(guī)劃方法相比,本文提出的改進(jìn)混沌優(yōu)化算法利用混沌運(yùn)動(dòng)具有的遍歷性、隨機(jī)性、規(guī)律性,可以有效完成該復(fù)雜非線性?xún)?yōu)化配