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123451.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020040060080010001200202020252030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/kgW/kg/MW%/天化学铅酸电池30~5075~300<100分钟~小时0.1~0.3锂电池75~250150~315<100分钟~小时0.1~0.3钠硫电池150~24090~230<100分钟~小时20机械抽水蓄能0.5~1.5-100~50004~10小时很小压缩空气30~60-10~3001~20小时较小飞轮储能5~130400~16000.005~1.515秒~15分钟100电磁超级电容0.1~15500~50000.01~1秒~分钟20~40超导储能0.5~5500~20000.01~1秒~分钟10~15储能类型循环寿命投资成本响应速度特点年限次数$/kW化学铅酸电池5~15500~1000280~910中技术十分成熟锂电池5~15>1000490~1400中技术较为成熟钠硫电池10~15>4500980~2800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>20000140~420快商业化程度低电磁超级电容>10>100000140~560快产业发展迅速超导储能>20>100000140~560快未实现商业类型单价/＄单位容量超级电容器25001kWh锂离子电池2.883.2V3000mAh铅酸电池2002V1000Ah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33WT3300ioirWTirrirrovvvvvvPPvvvvvPvvv−−=−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PVPVPV()()1(T()T)crcrrRtPnPktR−=+−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112max211()()()()()()()()()()PleGPGeheGGLGGGasPQiGasPGasQQiPiQiQilQiQiQPiiQiCCCMiM=−−==+==+=+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)()124cap,PbaPba,1(1)NNtttESESESaDaDEEPtNaaeaeCCN−=−+=++=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2s2ss(ln)1()exp[]222sgs−=−EViiEd=充电容量计算公式2AA2AAA2AA2AA()1exp[](12)2422()(24)1exp[]0(12)22ttfttt−−−=+−−−EV+ABEV,()0elseiPtttPt=BAEViEttP=+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230000000()()()()()()()(,)()()()1()()jEipipiAidididiEijpjpjAjpjpi=−+=+−++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maxmaxmax10,11,11.,11,,11minC=C1(1)1(1)1(1)1(1)1(1)iiiicapomrplkmcapiikLikjmomomijijkmrrikLikjmppipijijjmllilijijCCCCCNcrCCrCcrCNcrCEcr==========+−++=+=+=+=+=+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PVPV,peakWTr,min,max00gtgtgtPPPPPPP风机，光伏，燃气轮机的出力上下限约束c,minESc,maxd,minESd,maxESS,minESSESS,maxPPPPPPEEE储能系统充放电功率上下限约束,maxllTT负荷供电可靠性约束ESS,minESSESS,max()EEtE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)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30kW额定风速12m/s切入风速3m/s切出风速24m/s光伏单元（PV）单价$90额定功率0.2kWp额定光照强度1kW/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220kW燃气锅炉单价$10,000额定功率50kW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1kWh锂离子电池单价$2.88单位容量3.2V3000mAH铅酸蓄电池单价$200单位容量2V1000Ah系数a1=0,a2=7753,a3=−7.263,a4=2603,a5=−0.845524.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200ms化工行业200ms冶金行业1s电子行业200ms社会电力负荷电信800ms广播电视或收音机800ms信息安全800ms公共服务1min运输800ms医院0.5s人员密集场所1min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750kW200250000019628671286光伏79.2kWp2003564027981016超级电容器23kWh2005750022651645锂离子电池27kWh5.0732430017493668铅酸电池234kWh1.8310234000183388080燃气轮机220kW2007500058892139燃气锅炉50kW20010000785285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750kW200250000019628671286光伏79.2kWp2003564027981016超级电容器21kWh2005250020681502锂离子电池43kWh4.15451600369361405铅酸电池219kWh3.42510950085853750燃气轮机220kW2007500058892139燃气锅炉50kW20010000785285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4.算例分析•场景三：区分电力负荷重要程度，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660kW200220000017273162731光伏63kWp200283502226808超级电容器19kWh2004750018421338锂离子电池36kWh13.71105337544258铅酸电池77kWh2.7475390042411821燃气轮机220kW2007500058892139燃气锅炉50kW20010000785285最优规划方案的全寿命周期成本为$3967221。4.算例分析•三个场景对比•由于区分负荷重要程度，超级电容器只针对重要负荷，所以相比于场景一，场景二中的超级电容器容量减少；•锂离子电池在电池储能中拥有较高优先级，所以场景二中，锂离子电池容量优先增加，但总成本降低；•场景三中增加了需求侧管理，使负荷更平衡，总体减少储能容量，总成本降低，可靠性升高。场景储能装置容量替换次数投资成本/＄停电损失成本/＄1超级电容器23kWh0315800884750锂离子电池27kWh3铅酸电池234kWh102超级电容器21kWh0213600682130锂离子电池43kWh4铅酸电池219kWh53超级电容器19kWh0111933604706锂离子电池36kWh1铅酸电池77kWh7储能容量规划结果对比2321190510152025123容量/kWh超级电容器规划容量对比27433601020304050123容量/kWh锂离子电池规划容量对比23421977050100150200250123容量/kWh铅酸电池规划容量对比0.E+002.E+054.E+056.E+058.E+051.E+06123成本/＄储能装置成本对比投资成本停电损失成本5.总结1.提出了一种考虑分布式电源与负荷协调的优化策略，优化电源容量；2.根据不同的重要程度，采用双层次混合储能系统，可以有效降低成本，增加可靠性。其中，锂离子电池的高优先级性，可以有效减少电池的替换次数。3.当考虑需求侧管理和电动汽车规划时，可以平滑负荷曲线，减少功率不平衡量，显著减少微电网电源的容量和成本。4.接下来的工作可以集中在考虑联合更多种类电源，并应用于配电网或其他场景。感谢聆听