靳龍飛，鞠振河，馬雪松，陳曉煒，楊 柏

（沈陽工程學(xué)院a.研究生部；b.新能源學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

我國擁有世界上最多的火力發(fā)電廠，然而未充分燃燒的煤炭產(chǎn)生大量的CO2和氮氧化合物會對空氣質(zhì)量造成巨大的威脅［1］。光伏發(fā)電具有自身清潔、環(huán)保和可再生等優(yōu)點(diǎn),一般建于負(fù)荷中心，產(chǎn)生的電能直接供負(fù)荷就地消納，節(jié)省了遠(yuǎn)距離輸電搭建線路和桿塔等巨額費(fèi)用，減少了傳輸過程中的能源損耗［2］。因而，分布式光伏發(fā)電一般不占用太多的土地資源，適合與建筑物相結(jié)合。

經(jīng)現(xiàn)場實(shí)地勘測，遼寧鐵塔辦公樓屋頂可利用面積約為1 215 m2，適合搭建桁架結(jié)構(gòu)光伏發(fā)電系統(tǒng)。儲能方式采用高能量、高密度的鋰離子電池，根據(jù)文獻(xiàn)［3］建立儲能系統(tǒng)模型。由于光伏出力和負(fù)荷功率受各種氣象和不確定性因素影響而具有隨機(jī)性和波動性，所以對建立的模型進(jìn)行了誤差分析，并結(jié)合中國鐵塔遼寧分公司負(fù)荷功率曲線和光伏功率曲線，對儲能系統(tǒng)的容量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 光伏儲能系統(tǒng)方式分析

配置光伏儲能系統(tǒng)容量，首先應(yīng)選擇儲能方式，合適的儲能方式對平滑負(fù)荷出力、維持電力網(wǎng)功率穩(wěn)定、降低儲能成本具有關(guān)鍵性作用。

光伏儲能按照儲能方式［4-5］主要分為物理儲能、化學(xué)儲能、電磁儲能；按照儲能性能主要分為能量密度型和功率密度型。能量密度型的優(yōu)點(diǎn)是儲能系統(tǒng)的容量較大，在離網(wǎng)模式工作時(shí)仍有很長的續(xù)航時(shí)間；而功率密度型的充放電很迅速，可以對電網(wǎng)的PCC進(jìn)行調(diào)節(jié)而進(jìn)入平衡狀態(tài)。

表1 幾種儲能方式的比較

通過表1 可以看出，飛輪儲能、超導(dǎo)儲能和鋰離子電池儲能功率密度高，可在短時(shí)間內(nèi)平抑功率波動，適合于保持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性；鋰離子電池儲能和鈉硫電池儲能有很好的“削峰填谷”的效果。綜上可知，鋰離子電池儲能既能保證有較高的功率密度，保持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又有良好的能量密度，保證儲能系統(tǒng)可在離網(wǎng)模式下穩(wěn)定運(yùn)行，故將儲能系統(tǒng)選為鋰離子電池儲能［5-7］。

2 基于或然誤差模型的儲能容量配置

2.1 分布式光伏系統(tǒng)建模

分布式光伏儲能系統(tǒng)由分布式光伏陣列、DC-DC 變換系統(tǒng)、逆變器控制系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)等幾部分組成。儲能系統(tǒng)有并網(wǎng)模式、儲能模式和離網(wǎng)模式。

當(dāng)光伏發(fā)電出力PGE大于系統(tǒng)負(fù)荷消耗功率PCO時(shí)，即PGE＞PCO，剩余電能PSU為

將PSU送入儲能系統(tǒng)中，處于儲能模式。當(dāng)PGE＜PCO時(shí)，負(fù)荷所需要的額外功率將由電網(wǎng)母線輸送給負(fù)荷［8］，理論輸送功率PTR為

此時(shí)，系統(tǒng)處于并網(wǎng)模式。

光伏儲能系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中會受到溫度、風(fēng)速等因素的影響，當(dāng)負(fù)荷波動較大或者光伏出力受氣候影響較大時(shí)［8-10］，實(shí)際輸送功率P'TR與PTR數(shù)值上亦相差較大，不可忽略。若＞PTR,表明主電網(wǎng)

提供功率不夠，盈余功率將由儲能系統(tǒng)提供；當(dāng)＜PTR時(shí)，則表明主電網(wǎng)提供功率過高，盈余功率將由儲能系統(tǒng)吸收。修改后的功率方程為

式中，δPCO為負(fù)荷出力誤差；δPGE為光伏短期預(yù)測誤差。

圖1為分布式光伏系統(tǒng)儲能配置。

2.2 光伏儲能系統(tǒng)誤差分析

在光伏出力預(yù)測和負(fù)荷預(yù)測的理論值和實(shí)際值一樣的情況下，可利用上述模型。但由于氣候和天氣等因素的變化，負(fù)荷波動和光伏出力波動會對儲能系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響。若能根據(jù)預(yù)測的誤差來配置儲能，就會提高精確性，避免由于誤差帶來的負(fù)面影響［11］。表2 為光伏實(shí)際功率與預(yù)測功率間的誤差。

由表2 可知，隨著測量時(shí)間間隔變短，光伏出力預(yù)測誤差值的期望逐漸減小。由貝努里極限定理可知，當(dāng)時(shí)間間隔趨于0 時(shí)，光伏預(yù)測功率趨近于光伏實(shí)際功率。由central limit theorem 定律可知，設(shè)隨機(jī)變量X1，X2，…，Xn相互獨(dú)立存在，期望值為μ，方差為σ2，且σ不為0，k為自然數(shù)，任意正態(tài)分布的計(jì)算很容易轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布N(0,1)。極易證明：X～N(μ,σ2)

圖1 儲能配置

表2 光伏實(shí)際功率與預(yù)測功率誤差分析 MW

則隨機(jī)變量：

事實(shí)上：

微電網(wǎng)內(nèi)某區(qū)域光伏出力預(yù)測誤差期望值為μGe，方差為，所以其正態(tài)分布表示為

根據(jù)正態(tài)分布的密度函數(shù)公式，可得其正態(tài)分布的概率密度函數(shù)為

圖2 不同溫度對應(yīng)的輸出曲線

圖3 不同光強(qiáng)對應(yīng)的輸出曲線

圖2 和圖3 為模擬氣候因素對光伏出力的影響。光伏出力預(yù)測誤差主要受溫度、濕度和風(fēng)速等影響，各影響因素也只有較低的權(quán)重。因此，光伏出力預(yù)測誤差整體也符合正態(tài)分布。

微電網(wǎng)內(nèi)某區(qū)域負(fù)荷功率預(yù)測誤差期望值為μload，方差為，所以其正態(tài)分布可表示為

設(shè)M和N分別表示某微電網(wǎng)光伏出力預(yù)測誤差和負(fù)荷預(yù)測誤差。配置儲能系統(tǒng)容量時(shí)，總誤差為W=M+N，總誤差W直接決定儲能系統(tǒng)容量，概率密度函數(shù)為

光伏出力預(yù)測誤差和負(fù)荷預(yù)測誤差的影響因素各不相同，因而二者相互獨(dú)立，互不干擾。兩個(gè)相互獨(dú)立的正態(tài)分布的和也是正態(tài)分布，即

結(jié)合標(biāo)態(tài)定義，儲能容量配置最大功率為

3 應(yīng)用分析

遼寧鐵塔辦公樓屋頂可利用面積約1 215 m2，但因?yàn)殡娞蓍g及業(yè)主的企業(yè)標(biāo)識過高，所以擬采用裝機(jī)容量為200 kW 的桁架結(jié)構(gòu)光伏發(fā)電系統(tǒng)。通過現(xiàn)場測試?yán)L制用戶辦公樓負(fù)荷曲線，得出用戶最大負(fù)荷不超過150 kW。因此，根據(jù)用戶的需求并結(jié)合光伏系統(tǒng)的裝機(jī)容量，設(shè)計(jì)儲能系統(tǒng)的容量為387 kW·h，可建設(shè)光伏電站的規(guī)模約為234 kWp。根據(jù)辦公樓負(fù)荷功率曲線，最大負(fù)荷不超過150 kW，光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電曲線近似拋物線，且系統(tǒng)效率約為80%～85%，保證符合平穩(wěn)值發(fā)電量的光伏裝機(jī)容量為200 kWp。

在屋頂可利用面積內(nèi)架設(shè)鋼桁架，水平鋪裝325 W 雙面光伏組件，預(yù)計(jì)可鋪裝光伏組件數(shù)量為624 塊，光伏電站裝機(jī)功率為202 kWp，光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)選擇距光伏組件安裝屋頂最近的市電電源進(jìn)戶處，以380 V 接入用戶負(fù)荷線路。供能季節(jié)工作日光伏發(fā)電峰值時(shí)段虧電400 kW·h，需要儲能系統(tǒng)進(jìn)行削峰填谷；供能季節(jié)非工作日光伏發(fā)電可以滿足峰平時(shí)段的負(fù)荷需求，不需要儲能系統(tǒng)工作，非供能季節(jié)光伏的發(fā)電量會大于負(fù)荷需要，還有252 kW·h 盈余。根據(jù)上述分析可以確定，中國鐵塔遼寧分公司光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量為400 kW，圖4為控制中心采集的負(fù)荷功率曲線圖。

圖4 負(fù)荷功率曲線

4 結(jié)論

通過對幾種儲能方式的比較，最后確定了以能量密度大為主要特點(diǎn)的鋰離子電池作為儲能方式。在分析了分布式光伏調(diào)度儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，建立了基本的數(shù)學(xué)模型。由于光伏出力和負(fù)荷功率預(yù)測均具有隨機(jī)性和波動性，為了獲得準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，抓住兩種誤差均服從正態(tài)分布的特點(diǎn)，對誤差模型進(jìn)行了積分運(yùn)算，估算了儲能系統(tǒng)的容量配置。以中國鐵塔遼寧分公司為例，在其屋頂搭建了分布式光伏電站，為保證合理的容量配置，分析了各種并離網(wǎng)模式，最后通過所建模型估算出了儲能系統(tǒng)的容量。