7.刘自发-考虑热电联产和电动汽车调度的自治微电网储能容量优化（20190415）.pdf

汇报 人： 刘自发教授 考虑热电联产和电动汽车调度 的自治微电网储能容量优化 考虑热电联产和电动汽车调度的自治 微电网储能容量优化 内容 CONTENT 研究背景 问题提出 优化模型和 优化 策略 算例分析 总结 1 2 3 4 5 1.研究背景 随着我国能源产业化转移 ， 以实现能源安全 、 清洁 、 高效利用的风 、 光等分布式发电得 到迅速发展 。 微电网是分布式发电应用的最高级拓展和高级应用 。 自从 2015年开始 ， 我国陆续 出台微电网相关政策 。 以中国 、 美国 、 日本为首 ， 预计未来 10年 ， 微电网容量将超过全球的 50%， 尤其是一带一路沿线的微电网装机和示范工程 ， 将会有一个明显的增多 。 • 微电网发展现状 1.研究背景 • 风光分布式电源发展现状 全球风电装机累计容量 中国光伏新增装机情况 按照 目前发展形势，乐观估计， 2020 年后新增光伏装机量将稳步回升， 2025年 有望达到 70GW。 我国是全球累计风电装机容量和新增 容量最多的国家 。 2017年，分别占全球 35%和 37%。 1.研究背景 中国储能于 2011年起步 ， 近几年保持着强劲的增长态势 ， 截至 2016 年底 ， 中国投运电化学储能项目累计装机规模为 243.0MW， 同比增长 72%， 新增装机呈 现加速增长的状态 。 • 储能发展现状 各类型占比 锂离子电池 铅蓄电池 液流电池 超级电容 钠硫电池 储能项目累计装机规模及增长率 1.研究背景 电动汽车目前受到国家的政策支持 ， 发展电动汽车是国家的大略方针 。 2017 年新能源汽车产量达到 79.4万辆 ， 年销售量为 77.7万辆 。 目前国家已经建成超过 10 万个公用充电桩 ， 发展电动汽车已成趋势 。 • 电动汽车发展现状 200万 500万 千万级 0 200 400 600 800 1000 1200 2020 2025 2030 中国新能源汽车未来年销售量预测 年销售量 2.问题提出 • 新能源发电与负荷功率的不平衡 各种新能源与总负荷的功率平衡是微电网的最重要问题，为了提高系统可 靠性，需要储能装置来进行功率 动态平衡 。 2.问题提出 • 电动汽车规划和需求侧管理对负荷的影响 增加需求侧管理后的负荷对比示意图 考虑电动汽车 规划 和需求侧管理后，会使功率不平衡量减少，在对 储能装置容量进行规划时，需要考虑这两个方面。 减少不平衡量 2.问题提出 • 各类型储能装置性能成本不同 储能类型 能量 /功率密度 典型额定功 率 放电时间 自放电率 Wh/kg W/kg /MW %/天 化学 铅酸电池 30~50 75~300 1000 490~1400 中 技术较为成 熟 钠硫电池 10~15 4500 980~2800 中 运行安全性 低 机械 抽水蓄能 40~60 - 700~5040 慢 限于地理条 件 压缩空气 20~40 - 560~1610 慢 限于地理条 件 飞轮储能 15 20000 140~420 快 商业化程度 低 电磁 超级电容 10 100000 140~560 快 产业发展迅 速 超导储能 20 100000 140~560 快 未实现商业 化 类型 单价 /＄ 单位容量 超级电容器 2500 1kWh 锂离子电池 2.88 3.2V 3000mAh 铅酸电池 200 2V 1000Ah 不同储能装置的单价及容量不同储能装置的参数 储能装置的性能和成本不同， 为了在保证可靠性的前提下，使总 成本最低，需要对储能装置进行优 化配置 3.储能容量优化模型和优化策略 •储能容量优化模型结构图 3.储能容量优化模型和优化策略 •风机模型 33 WT 33 0 0 io i r W T i r ri r r o v v v v vvP P v v v vv P v v v −     − =   −    PWT-风机 输出功率 (kW) Pr-WT-风机 额定功率 (kW) vr-额定 风速 (m/s) vi-切入 风速 (m/s) vo-切 出风速 (m/s) 风机 出力模型 •光伏模型  P V P V P V ()( ) 1 ( T ( ) T )cr c r r RtP n P k tR −= + − PPV-光 伏阵列输出功率 (kW) nPV-光伏阵列中发电单元数量 Pr-PV-标准环境条件下单一光伏发电单元输出功率 (kW) Rc-实际光照强度 (kW/m2) Rr-标准光照强度 (kW/m2) Tc-实际温度 (ºC) Tr-标准温度 (ºC) k-功率温度系数 光 伏随时间出力变化示意图 3.储能容量优化模型和优化 策略 •燃气轮机和燃气锅炉模型 1 12 m a x 2 1 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) () () Pl eG P G e he G G L GG G as P Q i G as P G as Q Q i P i Q i Q i l Q i Q i Q P i i Q i C C C M i M   = −− = = +=  = + = + 𝑃𝐺-燃气轮机的输出功率； 𝜂𝑃-燃气轮机发电效率； 𝜂𝑙-燃气轮机热损失系数； 𝑄𝑒-燃气轮机的废热； 𝑙ℎ𝑒-热交换系数； 𝑄𝐺1-燃气轮机的热容量； 𝑄𝐺2-燃气锅炉的热容量； 𝐶𝐺𝑎𝑠-总耗气量； 𝑀𝐺𝑎𝑠-气体的低热值； 𝜂𝑄-热锅炉的加热效率； 3.储能容量优化模型和优化 策略 •储能模型 𝐸𝐸𝑆-储能的能量 𝜎-自放电率 𝑃𝐸𝑆𝑡 -充放电功率 𝜂-效率35 ( ) ( 1 ) ( ) 1 2 4 c a p, P ba P ba , 1 ( 1 ) NN t t t E S E S E S a D a D E E P t N a a e a e C C N  − = − +  = + + = 𝑁-铅酸电池可 充放电总次数 𝐷𝑁-充放电深度 铅酸电池充放电次数与放电深度之间的关系 𝑎1~𝑎5-拟合参数 铅酸电池寿命短，在一个 微电网周期内需要考虑其寿命 问题。 cap,PbaC -铅酸电池投资费用 Pba,lC -铅酸电池单次动作费用 3.储能容量优化模型和优化 策略 •电动汽车模型 每日里程数概率密度函数 充电起始时间 tA概率密度函数 电动汽车功率计算公式 充电截止时间 tB计算公式 2 s 2 ss ( l n )1( ) e x p [ ] 222 sgs   −=− EViiEd= 充电容量计算公式 2 A A2 AA A 2 A A2 AA ()1 e xp [ ] ( 12 ) 24 22 () ( 24 )1 e xp [ ] 0 ( 12 ) 22 t t ft t t        −− −    =  +− −   −  E V + A BE V , () 0 e l s ei P t t tPt =   BA EV iEtt P=+ 𝜇s-里程数均值 𝛿s-里程数标准差 𝜂EV-电动汽车效率 𝑑𝑖-运行距离 𝑃EV+-电动汽车充电功率 𝜇A-起始时间均值 𝛿A-起始时间标准差 3.储能容量优化模型和优化 策略 •需求侧管理模型    23 0000 0 00 ( ) ( ) ( ) ( )()( ) ( ) ( , ) ( ) ( ) ( ) 1 ( ) ( )j E i p i p i A idid i d i E i j p j p j A j p j p i=   − + = +   − +  +      ሻ𝑑(𝑖 -用户的电力需求 ሻ𝐸(𝑖,𝑗 -交叉价格弹性系数 ሻ𝑝(𝑗 -电价 ሻ𝐴(𝑗 -激励津贴 分时电价示意图 3.储能容量优化模型和优化 策略 •目标函数 𝐶𝑐𝑎𝑝 −基建费 𝐶𝑜𝑚-维护费 𝐶𝑟-再生收益 𝐶𝑝-环境补偿费 𝐶𝑙-停电损失费 生命周期成本最小 m a x m a x m a x 10 , 11 , 11 ., 11 ,, 11 m i n C =C 1 ( 1 ) 1 ( 1 ) 1 ( 1 ) 1 ( 1 ) 1 ( 1 ) i i i i c ap om r p l km c ap i i kL ik jm om om i j ij km r r i kL ik jm p p i p i j ij jm l l i l i j ij C C C C C N c r CC r Cc r C N c r C E c r == == == == == + − + + = + = + = + = + = +      𝑁𝑖-分布式电源或储能单元数量 𝑐𝑖-设备单价 𝑘𝑖-设备寿命 𝐿𝑖-设备折旧年限 𝑟-折现率 𝐶𝑜𝑚,𝑖-设备运行维护成本 𝑗max-微电网寿命 𝑐𝑟,𝑖-设备回收利润 𝑁𝑝.𝑖-污染物年排放量 𝑐𝑝,𝑖-污染物单位补偿成本 𝐸𝑙,𝑖-负荷缺额量 𝑐𝑙,𝑖-负荷缺额单位惩罚值 3.储能容量优化模型和优化 策略 •约束条件 P V P V ,p e a k W T r , m i n , m a x 0 0 gt gt gt PP PP P P P    风机，光伏，燃气轮机的出力上下限约束 c ,m i n E S c ,m a x d, m i n E S d, m a x E S S ,m i n E S S E S S ,m a x P P P P P P E E E    储能系统充放电功率上下限约束 , m axllTT 负荷供电可靠性约束 ES S ,m i n ES S ES S ,m a x()E E t E 储能系统电量上下限约束 𝑇l,max-允许停电的最大时间 3.储能容量优化模型和优化 策略 •双层次混合储能系统 • 不同的负荷有不同的供电可靠性要求。 • 针对不同的要求，采用响应速度不同的储能装置进行补偿。 3.储能容量优化模型和优化 策略 •容量优化计算方法 4.算例分析 •系统参数 采用一个 20年寿命的微电网工程作为算例，采用粒子群算法进行寻优。 共采用三个场景来验证所提策略。 ⚫ 不区分电力负荷重要程度，没有需求侧管理 ⚫ 区分电力负荷重要程度，没有需求侧管理 ⚫ 区分电力负荷重要程度 ，有 需求侧 管理 4.算例分析 •系统参数 时刻 风速 光照强度 温度 时刻 风速 光照强度 温度 (m/s) (KW/m2) (°C) (m/s) (KW/m2) (°C) 0 9.8 0 16 12 7.7 0.83 18.4 1 9.2 0 15.2 13 7.9 0.82 18.6 2 9.1 0 14.5 14 7.3 0.8 18.6 3 8.5 0 14.4 15 7.8 0.72 19.5 4 8.3 0 13.8 16 8.1 0.5 19.2 5 8.4 0 13.3 17 8.4 0.303 18.6 6 7.3 0.2 13.1 18 8.8 0.21 18 7 8.8 0.315 13.5 19 8.5 0 17.3 8 7.4 0.5 14.2 20 9.6 0 17.1 9 8.2 0.68 15.7 21 7.3 0 16.9 10 8.6 0.735 17.1 22 8.8 0 16.3 11 9.1 0.79 18.2 23 8.9 0 15.8 环境参数 4.算例分析 •系统参数 分 布 式 电 源 参 数 分布式电源 参数 取值 风机 (WT) 单价 $100,000 额定功率 30 kW 额定风速 12 m/s 切入风速 3 m/s 切出风速 24 m/s 光伏单元（ PV） 单价 $90 额定功率 0.2 kWp 额定光照强度 1 kW/m2 额定温度 25 °C 功率温度系数 −0.0045 燃气轮机 单价 $66,150额定功率 220 kW 燃气 锅炉 单价 $10,000 额定功率 50 kW 系数 ηp =0.3; ηl =0.5; lhe=0.5; MGas=0.5 超级电容器 单价 $2500单位容量 1 kWh 锂离子电池 单价 $2.88单位容量 3.2 V 3000 mAH 铅酸蓄电池 单价 $200 单位容量 2 V 1000 Ah 系数 a1 = 0, a2 = 7753, a3 = −7.263,a 4 = 2603, a5 = −0.8455 2 4.算例分析 •系统参数 热负荷曲线电力负荷曲线 重要负荷的主要类型 允许停电最大时间 Tlim 工业电力负荷 采矿行业 200 ms 化工行业 200 ms 冶金行业 1 s 电子行业 200 ms 社会电力负荷 电信 800 ms 广播电视或收音机 800 ms 信息安全 800 ms 公共服务 1 min 运输 800 ms 医院 0.5 s 人员密集场所 1 min 重 要 负 荷 类 型 4.算例分析 •场景一：不 区分电力负荷重要程度 ， 没有需求侧管理 储能状态曲线 4.算例分析 •场景一：不区分电力负荷重要程度 ， 没有需求侧管理 迭代曲线 装置 容量 寿命 替换次数 投资成本 /＄ 运行维护成本 /＄ 回收利益 /＄ 风机 750kW 20 0 2500000 196286 71286 光伏 79.2kWp 20 0 35640 2798 1016 超级电容器 23kWh 20 0 57500 2265 1645 锂离子电池 27kWh 5.07 3 24300 17493 668 铅酸电池 234kWh 1.83 10 234000 18338 8080 燃气轮机 220kW 20 0 75000 5889 2139 燃气锅炉 50kW 20 0 10000 785 285 容量规划结果 最优规划方案的生命周 期成本优化成本为 $4991024，其中负荷短缺 的补偿成本 Cl为 $884750。 4.算例分析 •场景二： 区分电力负荷重要程度 ， 没有需求侧管理 区分重要程度的负荷曲线 4.算例分析 •场景二： 区分电力负荷重要程度 ， 没有需求侧管理 储能状态曲线 4.算例分析 •场景二： 区分电力负荷重要程度 ， 没有需求侧管理 迭代曲线 容量规划结果 装置 容量 寿命 替换次数 投资成本 /＄ 运行维护成本 /＄ 回收利益 /＄ 风机 750kW 20 0 2500000 196286 71286 光伏 79.2kWp 20 0 35640 2798 1016 超级电容器 21kWh 20 0 52500 2068 1502 锂离子电池 43kWh 4.15 4 51600 36936 1405 铅酸电池 219kWh 3.42 5 109500 8585 3750 燃气轮机 220kW 20 0 75000 5889 2139 燃气锅炉 50kW 20 0 10000 785 285 最优规划方案的全寿 命周期成本为 $4955303， 其中功率短缺的补偿成本 Cl为 $682130。 4.算例分析 •场景三： 区分电力负荷重要程度 ， 有 需求侧管理 区分重要程度而且有需求侧管理的负荷曲线 4.算例分析 •场景三： 区分电力负荷重要程度 ， 有 需求侧管理 储能状态曲线