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-solarbe文库

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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 3050 75300 1000 4901400 中技术较为成熟钠硫电池 1015 4500 9802800 中运行安全性低机械抽水蓄能 4060 - 7005040 慢限于地理条件压缩空气 2040 - 5601610 慢限于地理条件飞轮储能 15 20000 140420 快商业化程度低电磁超级电容 10 100000 140560 快产业发展迅速超导储能 20 100000 140560 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 𝑎1𝑎5-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   −     −        ሻ𝑑𝑖 -用户的电力需求 ሻ𝐸𝑖,𝑗 -交叉价格弹性系数 ሻ𝑝𝑗 -电价 ሻ𝐴𝑗 -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 xE 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; lhe0.5; MGas0.5 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