考慮熱電聯(lián)產(chǎn)和電動(dòng)汽車調(diào)度的自治微電網(wǎng)儲(chǔ)能容量優(yōu)化

考慮熱電聯(lián)產(chǎn)和電動(dòng)汽車調(diào)度的自治微電網(wǎng)儲(chǔ)能容量優(yōu)化內(nèi)容CONTENT研究背景問題提出優(yōu)化模型和優(yōu)化策略算例分析總結(jié)123451.研究背景微電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀隨著我國能源產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)移，以實(shí)現(xiàn)能源安全、清潔、高效利用的風(fēng)、光等分布式發(fā)電得到迅速發(fā)展。微電網(wǎng)是分布式發(fā)電應(yīng)用的最高級(jí)拓展和高級(jí)應(yīng)用。自從2015年開始，我國陸續(xù)出臺(tái)微電網(wǎng)相關(guān)政策。以中國、美國、日本為首，預(yù)計(jì)未來10年，微電網(wǎng)容量將超過全球的

50%，尤其是一帶一路沿線的微電網(wǎng)裝機(jī)和示范工程，將會(huì)有一個(gè)明顯的增多。1.研究背景風(fēng)光分布式電源發(fā)展現(xiàn)狀中國光伏新增裝機(jī)情況按照目前發(fā)展形勢，樂觀估計(jì)，2020年后新增光伏裝機(jī)量將穩(wěn)步回升，2025年有望達(dá)到70GW。全球風(fēng)電裝機(jī)累計(jì)容量我國是全球累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量和新增容量最多的國家。2017年，分別占全球35%和37%。1.研究背景儲(chǔ)能發(fā)展現(xiàn)狀中國儲(chǔ)能于2011年起步，近幾年保持著強(qiáng)勁的增長態(tài)勢，截至2016

年底，中國投運(yùn)電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模為243.0MW，同比增長72%，新增裝機(jī)呈現(xiàn)加速增長的狀態(tài)。各類型占比鋰離子電池鉛蓄電池液流電池超級(jí)電容鈉硫電池儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模及增長率1.研究背景電動(dòng)汽車目前受到國家的政策支持，發(fā)展電動(dòng)汽車是國家的大略方針。2017年新能源汽車產(chǎn)量達(dá)到79.4萬輛，年銷售量為77.7萬輛。目前國家已經(jīng)建成超過10萬個(gè)公用充電樁，發(fā)展電動(dòng)汽車已成趨勢。電動(dòng)汽車發(fā)展現(xiàn)狀

500萬 200萬12001000800600400200020202030中國新能源汽車未來年銷售量預(yù)測千萬級(jí)2025年銷售量2.問題提出新能源發(fā)電與負(fù)荷功率的不平衡各種新能源與總負(fù)荷的功率平衡是微電網(wǎng)的最重要問題，為了提高系統(tǒng)可靠性，需要儲(chǔ)能裝置來進(jìn)行功率動(dòng)態(tài)平衡。2.問題提出電動(dòng)汽車規(guī)劃和需求側(cè)管理對(duì)負(fù)荷的影響增加需求側(cè)管理后的負(fù)荷對(duì)比示意圖考慮電動(dòng)汽車規(guī)劃和需求側(cè)管理后，會(huì)使功率不平衡量減少，在對(duì)儲(chǔ)能裝置容量進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，需要考慮這兩個(gè)方面。減少不平衡量2.問題提出儲(chǔ)能類型能量/功率密度典型額定功率放電時(shí)間自放電率Wh/kgW/kg/MW%/天化學(xué)鉛酸電池30~5075~300<100分鐘~小時(shí)0.1~0.3鋰電池75~250150~315<100分鐘~小時(shí)0.1~0.3鈉硫電池150~24090~230<100分鐘~小時(shí)20機(jī)械抽水蓄能0.5~1.5-100~50004~10小時(shí)很小壓縮空氣30~60-10~3001~20小時(shí)較小飛輪儲(chǔ)能5~130400~16000.005~1.515秒~15分鐘100電磁超級(jí)電容0.1~15500~50000.01~1秒~分鐘20~40超導(dǎo)儲(chǔ)能0.5~5500~20000.01~1秒~分鐘10~15儲(chǔ)能類型循環(huán)壽命投資成本響應(yīng)速度特點(diǎn)年限次數(shù)$/kW化學(xué)鉛酸電池5~15500~1000280~910中技術(shù)十分成熟鋰電池5~15>1000490~1400中技術(shù)較為成熟鈉硫電池10~15>4500980~2800中運(yùn)行安全性低機(jī)械抽水蓄能40~60-700~5040慢限于地理?xiàng)l件壓縮空氣20~40-560~1610慢限于地理?xiàng)l件飛輪儲(chǔ)能>15>20000140~420快商業(yè)化程度低電磁超級(jí)電容>10>100000140~560快產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速超導(dǎo)儲(chǔ)能>20>100000140~560快未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化類型單價(jià)/＄單位容量超級(jí)電容器25001kWh鋰離子電池2.883.2V3000mAh鉛酸電池2002V

1000Ah不同儲(chǔ)能裝置的單價(jià)及容量各類型儲(chǔ)能裝置性能成本不同不同儲(chǔ)能裝置的參數(shù)儲(chǔ)能裝置的性能和成本不同，為了在保證可靠性的前提下，使總成本最低，需要對(duì)儲(chǔ)能裝置進(jìn)行優(yōu)化配置3.儲(chǔ)能容量優(yōu)化模型和優(yōu)化策略儲(chǔ)能容量優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)圖3.儲(chǔ)能容量優(yōu)化模型和優(yōu)化策略WT3

3

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rroP

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PWT-風(fēng)機(jī)輸出功率(kW)Pr-WT-風(fēng)機(jī)額定功率(kW)vr-額定風(fēng)速(m/s)vi-切入風(fēng)速(m/s)vo-切出風(fēng)速(m/s)風(fēng)機(jī)出力模型風(fēng)機(jī)模型

?

光伏模型

ccrR

(t)RrPV PV

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PVP

n

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1

k(T

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T

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-光伏陣列輸出功率(kW)PVnPV-光伏陣列中發(fā)電單元數(shù)量Pr-PV-標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下單一光伏發(fā)電單元輸出功率(kW)Rc-實(shí)際光照強(qiáng)度(kW/m2)Rr-標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度(kW/m2)Tc-實(shí)際溫度(oC)Tr-標(biāo)準(zhǔn)溫度(oC)k-功率溫度系數(shù)光伏隨時(shí)間出力變化示意圖3.儲(chǔ)能容量優(yōu)化模型和優(yōu)化策略燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)忮仩t模型)e

GPheCGas

QG

2

(i)MGas

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1

PQG1

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(i)lQG1

(i)

QG

2

(i)

QLmaxPG

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iMGas

P

(i)

CP

CQ

(i

1????-燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率；????-燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率；????-燃?xì)廨啓C(jī)熱損失系數(shù)；????-燃?xì)廨啓C(jī)的廢熱；?????-熱交換系數(shù)；????1-燃?xì)廨啓C(jī)的熱容量；????2-燃?xì)忮仩t的熱容量；??

-總耗氣量；??????????????-氣體的低熱值；????-熱鍋爐的加熱效率；3.儲(chǔ)能容量優(yōu)化模型和優(yōu)化策略儲(chǔ)能模型??????-儲(chǔ)能的能量??

??

-充放電功率4(t

)ESESE(t

)tCcap,PbaN(t

1)ES

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DNCPba,1

鉛酸電池充放電次數(shù)與放電深度之間的關(guān)系??????-效率??-自放電率??-鉛酸電池可充放電總次數(shù)??1~??5-擬合參數(shù)????-充放電深度Ccap,Pba-鉛酸電池投資費(fèi)用CPba,l

-鉛酸電池單次動(dòng)作費(fèi)用鉛酸電池壽命短，在一個(gè)微電網(wǎng)周期內(nèi)需要考慮其壽命問題。3.儲(chǔ)能容量優(yōu)化模型和優(yōu)化策略電動(dòng)汽車模型每日里程數(shù)概率密度函數(shù)充電起始時(shí)間tA概率密度函數(shù)電動(dòng)汽車功率計(jì)算公式充電截止時(shí)間tB計(jì)算公式s12

22

2

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exp[

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]iEV

iE

ds充電容量計(jì)算公式AAAAAA112

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A)2exp[

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12)

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(t

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AtA

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tBelse

PEV+PEV,i

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0B

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t

i

EV??s-里程數(shù)均值??s-里程數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差??

-電動(dòng)汽車效率EV????-運(yùn)行距離??

-電動(dòng)汽車充電功率EV+??

-起始時(shí)間均值A(chǔ)A??

-起始時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差3.儲(chǔ)能容量優(yōu)化模型和優(yōu)化策略需求側(cè)管理模型

230000d0

(i)p

(

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1

j

0??(???-用戶的電力需求??(??,???-交叉價(jià)格彈性系數(shù)??(???-電價(jià)??(???-激勵(lì)津貼分時(shí)電價(jià)示意圖3.儲(chǔ)能容量優(yōu)化模型和優(yōu)化策略目標(biāo)函數(shù)????????

?基建費(fèi)??????-維護(hù)費(fèi)????-再生收益????

-環(huán)境補(bǔ)償費(fèi)????-停電損失費(fèi)生命周期成本最小111ikimkLjmaxmom,ijkimjmaxmp.i

p,ijjmaxml

,i

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1

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1min

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1

j

1????-分布式電源或儲(chǔ)能單元數(shù)量????-設(shè)備單價(jià)????-設(shè)備壽命????-設(shè)備折舊年限??-折現(xiàn)率????,????

-設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本max??

-微電網(wǎng)壽命????,??-設(shè)備回收利潤????.??-污染物年排放量????,??-污染物單位補(bǔ)償成本??

-負(fù)荷缺額量??,??????,??-負(fù)荷缺額單位懲罰值3.儲(chǔ)能容量優(yōu)化模型和優(yōu)化策略0

PPV

PPV,peak0

PWT

Pr

PgtPgt

,min

Pgt

,max約束條件風(fēng)機(jī)，光伏，燃?xì)廨啓C(jī)的出力上下限約束儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率上下限約束Pc,min

PES

Pc,maxPd,min

PES

Pd,maxTl

Tl

,max負(fù)荷供電可靠性約束儲(chǔ)能系統(tǒng)電量上下限約束EESS,min

EESS(t)

EESS,maxl,max??

-允許停電的最大時(shí)間3.儲(chǔ)能容量優(yōu)化模型和優(yōu)化策略雙層次混合儲(chǔ)能系統(tǒng)不同的負(fù)荷有不同的供電可靠性要求。針對(duì)不同的要求，采用響應(yīng)速度不同的儲(chǔ)能裝置進(jìn)行補(bǔ)償。3.儲(chǔ)能容量優(yōu)化模型和優(yōu)化策略容量優(yōu)化計(jì)算方法4.算例分析系統(tǒng)參數(shù)采用一個(gè)20年壽命的微電網(wǎng)工程作為算例，采用粒子群算法進(jìn)行尋優(yōu)。共采用三個(gè)場景來驗(yàn)證所提策略。不區(qū)分電力負(fù)荷重要程度，沒有需求側(cè)管理區(qū)分電力負(fù)荷重要程度，沒有需求側(cè)管理區(qū)分電力負(fù)荷重要程度，有需求側(cè)管理4.算例分析系統(tǒng)參數(shù)時(shí)刻風(fēng)速光照強(qiáng)度溫度時(shí)刻風(fēng)速光照強(qiáng)度溫度(m/s)(KW/m2)(°C)(m/s)(KW/m2)(°C)09.8016127.70.8318.419.2015.2137.90.8218.629.1014.5147.30.818.638.5014.4157.80.7219.548.3013.8168.10.519.258.4013.3178.40.30318.667.30.213.1188.80.211878.80.31513.5198.5017.387.40.514.2209.6017.198.20.6815.7217.3016.9108.60.73517.1228.8016.3119.10.7918.2238.9015.8環(huán)境參數(shù)4.算例分析系統(tǒng)參數(shù)分布式電源參數(shù)分布式電源參數(shù)取值風(fēng)機(jī)(WT)單價(jià)$100,000額定功率30

kW額定風(fēng)速12

m/s切入風(fēng)速3

m/s切出風(fēng)速24

m/s光伏單元（PV）單價(jià)$90額定功率0.2

kWp額定光照強(qiáng)度1kW/m2額定溫度25

°C功率溫度系數(shù)?0.0045燃?xì)廨啓C(jī)單價(jià)$66,150額定功率220kW燃?xì)忮仩t單價(jià)$10,000額定功率50

kW系數(shù)ηp

=0.3;

ηl

=0.5;

lhe=0.5;

MGas=0.5超級(jí)電容器單價(jià)$2500單位容量1

kWh鋰離子電池單價(jià)$2.88單位容量3.2

V3000

mAH鉛酸蓄電池單價(jià)$200單位容量2

V

1000

Ah系數(shù)a1

=

0,

a2

=

7753,a3

=?7.263,a4

=

2603,

a5

=

?0.8455

24.算例分析系統(tǒng)參數(shù)熱負(fù)荷曲線電力負(fù)荷曲線重要負(fù)荷的主要類型允許停電最大時(shí)間Tlim工業(yè)電力負(fù)荷采礦行業(yè)200

ms化工行業(yè)200

ms冶金行業(yè)1

s電子行業(yè)200ms社會(huì)電力負(fù)荷電信800ms廣播電視或收音機(jī)800ms信息安全800ms公共服務(wù)1

min運(yùn)輸800ms醫(yī)院0.5

s人員密集場所1

min重要負(fù)荷類型4.算例分析場景一：不區(qū)分電力負(fù)荷重要程度，沒有需求側(cè)管理儲(chǔ)能狀態(tài)曲線4.算例分析迭代曲線裝置容量壽命替換次數(shù)投資成本/＄運(yùn)行維護(hù)成本/＄回收利益/＄風(fēng)機(jī)750kW200250000019628671286光伏79.2kWp2003564027981016超級(jí)電容器23kWh2005750022651645鋰離子電池27kWh5.0732430017493668鉛酸電池234kWh1.8310234000183388080燃?xì)廨啓C(jī)220kW2007500058892139燃?xì)忮仩t50kW20010000785285場景一：不區(qū)分電力負(fù)荷重要程度，沒有需求側(cè)管理容量規(guī)劃結(jié)果最優(yōu)規(guī)劃方案的生命周期成本優(yōu)化成本為$4991024，其中負(fù)荷短缺的補(bǔ)償成本Cl為$884750。4.算例分析場景二：區(qū)分電力負(fù)荷重要程度，沒有需求側(cè)管理區(qū)分重要程度的負(fù)荷曲線4.算例分析場景二：區(qū)分電力負(fù)荷重要程度，沒有需求側(cè)管理儲(chǔ)能狀態(tài)曲線4.算例分析迭代曲線場景二：區(qū)分電力負(fù)荷重要程度，沒有需求側(cè)管理容量規(guī)劃結(jié)果裝置容量壽命替換次數(shù)投資成本/＄運(yùn)行維護(hù)成本/＄回收利益/＄風(fēng)機(jī)750kW200250000019628671286光伏79.2kWp2003564027981016超級(jí)電容器21kWh2005250020681502鋰離子電池43kWh4.15451600369361405鉛酸電池219kWh3.42510950085853750燃?xì)廨啓C(jī)220kW2007500058892139燃?xì)忮仩t50kW20010000785285最優(yōu)規(guī)劃方案的全壽命周期成本為$4955303，其中功率短缺的補(bǔ)償成本

Cl為$682130。4.算例分析場景三：區(qū)分電力負(fù)荷重要程度，有需求側(cè)管理區(qū)分重要程度而且有需求側(cè)管理的負(fù)荷曲線4.算例分析場景三：區(qū)分電力負(fù)荷重要程度，有需求側(cè)管理儲(chǔ)能狀態(tài)曲線4.算例分析迭代曲線場景三：區(qū)分電力負(fù)荷重要程度，有需求側(cè)管理容量規(guī)劃結(jié)果裝置容量壽命替換次數(shù)投資成本/＄運(yùn)行維護(hù)成本/＄回收利益/＄風(fēng)機(jī)660kW200220000017273162731光伏63kWp200283502226808超級(jí)電容器19kWh2004750018421338鋰離子電池36kWh13.71105337544258鉛酸電池77kWh2.7475390042411821燃?xì)廨啓C(jī)220kW2007500058892139燃?xì)忮仩t50kW200