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1、需求侧光储一体化微电网的应用1. 引言为了应对当今世界能源供应的持续紧缺，减少由于传统化石能源而引起的环境污染，各国都将发展清洁能源和可再生能源等新型能源作为一项长期发展战略1 2 3，太阳能和风能等可再生能源由于其取之不尽，用之不竭的特点，受到了广泛关注4 5。随着分布式发电技术的发展，光伏发电系统在能源供给中所占的比例也越来越高6 7。但独立的光伏发电由于受日照强度和温度变化的影响具有随机性、间歇性和波动性，当其在微电网系统中渗透率较大时，必将影响系统的安全和稳定运行8 9。为了保证包含光伏的微电网系统的安全稳定和电能质量10 11 12，有必要根据用户侧负荷的特性曲线和光伏发电出力的变化
2、配备一定量的储能系统13 14 15，按照给定的控制策略，实现微电网系统稳定运行并尽可能全部消纳光伏的发电量，避免“弃光”现象，同时还能起到“削峰填谷”的作用16 17，在谷值电价时给储能系统充电，在峰值电价时释放电能， 有效地平抑电能供应，降低用户的电能费用18，具有较好的经济性。现有的研究大都集中在海岛独立的风光储系统和家庭侧光储系统建模和经济性分析19 20。本文结合无锡某工业园区的实例，根据用户的负荷特性曲线，通过计算选择光伏和储能最优的容量配置，构建最经济的光储一体化系统，并研究其控制和经济性，具有客观的实用价值。为工业企业和家庭等需求侧用户提供一种稳定、可靠、经济的多能互补供能解决
3、方案，也为缓解当前能源紧张的局面提供了一种思路。2. 光储一体化微电网模型光储一体化微电网由分布式光伏、储能系统和负荷构成，系统结构如图 1 所示。并网型光储一体化微电网与本地主电网连接，在峰谷分时电价机制下，电价最低和光伏发电供负荷有余量时为储能电池充电，电价峰值时使用光伏发电电能、储能放电，这样既充分利用了光伏发电，又降低了用电成本，实现“自发自用、余量上网、错峰用电”的运行机制，当微电网供电不足时，从地区电网购电，满足本地负载。当电网故障或电网电能供应中断时，光储一体化微电网随即转换为孤岛运行模式，由光伏和储能为重要负荷供电，保证微电网的稳定运行。2.1. 光伏电池模型分布式光伏发电是利
4、用太阳光照射到半导体界面，在界面产生光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种可再生能源发电技术，是最适合在用户侧屋顶等空旷的地方安装使用的发电方式，由于光伏发电的输出与太阳辐射、电池板面积、温度等因素直接相关，且受天气影响明显，光伏发电系统的功率输出可用如下公式5计算：Pt = h n S I1 - 0.005 (q t - 25)(1)PVPV PV PV PV out10kV电网DCACDCACDCAC光伏1Figure 1. PV-ESS integrated microgrid图 1. 光储一体化系统光伏n储能负荷1负荷2负荷3式中：hPV 为光伏阵列的光电转换效率； nPV 为电池板
5、数量； SPV 为电池板面积； IPV 为太阳辐射强度；qtout为室外温度。根据当地的光照情况和气候、季节变化可以预测光伏发电的发电量及其变化趋势，通常情况下，光伏系统采用最大功率跟踪控制方式。由于光伏发电存在随机性、间歇性和波动性，且为了尽可能利用太阳能，避免出现“弃光”现象， 通常配置一定容量的储能来维护系统稳定。2.2. 蓄电池模型储能技术是智能电网和多能互补微能源网发展的核心技术之一，对平抑峰谷差、稳定分布式能源接入和光伏发电的间歇性和波动性、调整发电功率、保障电网的电能质量和安全稳定运行以及内部供电平衡有着重要的现实意义。目前主要的储能技术包括抽水储能、飞轮储能、压缩空气储能、电池
6、储能、超级电容储能等，蓄电池储能是应用最广泛的技术，具有灵活方便等特点，同时传输装置少和传输损失小。 结合铅酸电池和超级电容技术特点的铅炭电池技术，具有铅酸电池高能量和超级电容高功率的特点，有效地抑制了蓄电池充电时较早的析氢现象和放电过程中负极板表面硫酸盐的不均匀分布现象，在部分荷电态大功率充放电状态下具有较高的循环寿命。本文的研究采用铅炭电池。蓄电池是电能的存储单元，是储能系统的核心部分，蓄电池在充电时将电能转变成化学能贮存在电池中，放电时将储存的化学能转变成电能释放。一定容量的蓄电池能作为光伏发电的保护措施，提高发电系统的惯性和动态响应速度，同时，在实施峰谷分时电价的工业园区和生活区，可以
7、在低谷电价时存储电能，在尖峰电价时释放电能来节省电费。根据蓄电池的运行特性，其输入、输出功率及充放电状态应满足下列关系式8：充电时：E (t ) = E (t - 1)(1 - d ) + DTPch (t )hch(2)放电时：E (t ) = E (t - 1)(1 - d ) - DT Pdis (t )hdis(3)运行时充放电限值约束：0 Pdis (t ) Pdis.max (t )(4)0 Pch (t ) Pch.max (t )(5)式中：E (t ) 为时段t 蓄电池的总能量；d 为蓄电池的自放电率；Pch (t ) 、Pdis (t ) 分别为时段t 蓄电池的充、放电功率
8、；hch 、hdis 分别为蓄电池的充、放电效率； SOCmin 、 SOCmax 分别为蓄电池最小、最大荷电状态值。荷电状态是反映蓄电池运行时剩余电量的重要技术参数，可以表达为，SOC = SOC0+ 1Cbatt ( It0bat - Iloss)dt(6)其中， SOC0 为初始荷电状态； Cbat 为蓄电池的额定容量； Ibat 为充、放电电流；大于 0 时表示充电，小于 0 时则表示放电； Iloss 为损耗电流。2.3. 峰谷分时电价机制为了有效地管理负荷、改善负荷特性，降低电能生产消费的不确定性，使电网的供需用电尽可能地按照理想的曲线运行，电力需求侧管理是一种有效的方法，通过峰谷
9、分时电价引导能源用户合理规划用电结构和电能使用方式，平衡不同时段的负荷需求，达到优化电网资源配置和节约能源的目的。具体来说，是通过研究用户的负荷特性曲线或需求价格弹性以及实施峰谷分时电价后的反应曲线来分析用户对价格的响应程度，进而优化峰谷分时价差，达到用户与电能供应商双赢的目标。如下图2所示 为某地的峰谷电价，峰平谷价差比为1.67:1:0.38。(单位为元/kWh)在电力市场和需求侧响应环境下，用户对不同的电价会产生不同的响应，通过“削峰填谷”方式， 选择最优的用电结构和方式。这样，用户对电价的反应就形成了一条反应曲线，假设未实施峰谷分时的电价为 P0 ，以此为标准，用标么值表示谷值电价为
10、x1 ，平值电价为 x2 ，峰值电价为 x3 ，根据当地的峰平谷电价，用户的反应曲线可表示为：y = f (t, x1, x2 , x3 )式中， y 为t 时段用户实施峰谷分时电价前后的电量比值。(7)实施峰谷分时电价的目的是为了削峰填谷，减少峰谷电能使用差，平滑负荷曲线，不同需求的目标函数可分为，Figure 2. Peak-valley time-of-use (TOU) price图 2. 某地峰谷分时电价结构1) 日负荷曲线中峰负荷最小的目标函数t ()1 2 3Q f t, x , x , x min max L =(8)x1,x2 ,x3 tDt2) 日负荷曲线中谷负荷最大的目标
11、函数t ()1 2 3Q f t, x , x , x max min L =(9)x1,x2 ,x3 tDt3) 日负荷曲线的用能峰谷差可表示为max Qt f (t, x1, x2 , x3 ) - min Qt f (t, x1, x2 , x3 )(10)tDttDt式中， Qt 为实施峰谷分时电价前各时段的用电量， Dt 为各时段的时间。为了保证用户的用能满意度和利益最大化，在增加光伏和储能后，实施峰谷分时电价后用户的单位购电成本不增加。3. 本地消纳下的电源选择与容量优化在规划需求侧光储一体化时，首先需要根据用户的负荷曲线特性、当地光照强度、光伏储能投资及维护成本等来优化分布式光伏
12、和储能的配置容量,根据需要按容量优化或需量优化的功率平衡控制策略， 分别针对基本电费按照变压器容量、15 分钟最大平均功率交费的情况计算采用不同容量光伏、储能组合一体化系统电量优化后的系统经济性。然后选择经济性最优的组合，并且可以通过分析计算结果得出各变量对于系统经济性的影响，本文中所用的经济性指标主要指用电成本最低。对于实行“峰谷分时”电价的工业用户，为了准确预测用户的用电来进行电量优化，负荷数据采样周期应尽可能小，覆盖的时间范围尽可能大，比如一年，最后通过计算平均值得到用户平均负荷日曲线(如图 3 所示为该工业园区的日平均负荷，横坐标为 1:0024:00，纵坐标为用户负荷的平均值)。由于
13、用户用电和光伏发电都受季节和天气影响而具有随机性和波动性，选择尽可能大的时间范围可以将这类因素的突变影响降至最低，电量优化预测结果也更准确。对于不能采集负荷数据的用户，可以根据用户负荷特点采用用电量拟合的日平均负荷曲线。光照强度也采取与负荷相同采样周期和时间范围的平均值，一般的光照强度数据库和光伏出力仿真预测软件均采用光照强度月平均值，并不是日曲线，这就需要预先“拟合”，找到一条逐时分布的光照强度“日标准曲线”，乘以该月的光照强度值，代表这个月每日的光照强度分布，以此类推乘以该年的光照强度平均值，代表该年每日的光照强度分布，采用 National Renewable Energy Lab 的光
14、照强度数据拟合的该地区的光照强度日平均曲线如图 4 所示。为了实现本地分布式光伏的充分利用和本地负荷自维持能力达到最大，降低分布式光伏发电系统对接入电网的影响，要求分布式光伏与接入电网交互的电能尽可能最少。假设用户全年分时平均负荷为 L (t ) ，全年按 8760 小时计算， Epv (t ) 为单位装机容量光伏电源在第t小时内的发电量(kWh),Wpv 为光伏的装机容量，则第t 小时的购电量为En (t ) = L (t ) - Wpv * Epv (t )(11)这样，光伏发电与大电网间的功率传输为( )8760ESUM =En tt =1(12)总平均负荷/kW400.00350.00300.00250.00200.00150.00100.0050.000.001:002:003:004:005:006:007:008:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:0021:002
