風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)混合儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置研究摘要隨著社會(huì)的進(jìn)步與人們生活水平的改善，人們對(duì)電的需求越來(lái)越多，對(duì)電能的質(zhì)量要求變得更高。近年來(lái)，儲(chǔ)能技術(shù)不斷發(fā)展，并且在電力系統(tǒng)的很多地方得到了應(yīng)用，并發(fā)揮了重大作用。本文主要內(nèi)容為新能源發(fā)電廠進(jìn)行了混合儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化配置。本文一開(kāi)始首先介紹了儲(chǔ)能技術(shù)及其作用、類型和發(fā)展現(xiàn)狀；然后對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)電廠的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)以及其中的風(fēng)力機(jī)、光伏電池單元的工作特性等進(jìn)行了分析，對(duì)蓄電池和超級(jí)電容器的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究，并結(jié)合全生命周期原理提出了以儲(chǔ)能系統(tǒng)整體成本最低為目標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)，并結(jié)合蓄電池和超級(jí)電容器的相關(guān)約束構(gòu)建了數(shù)學(xué)模型。最后結(jié)合具體算例，采用細(xì)菌覓食算法對(duì)華北地區(qū)某風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)進(jìn)行了混合儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：混合儲(chǔ)能細(xì)菌覓食算法經(jīng)濟(jì)優(yōu)化目錄TOC\o"1-3"\f\h\z\u摘要 11緒論 51.1課題背景及研究意義 51.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析 71.2.1儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 71.2.2混合儲(chǔ)能的必要性 111.2.3儲(chǔ)能優(yōu)化配置研究現(xiàn)狀 131.2.4儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化求解算法研究現(xiàn)狀 132風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng) 152.1風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)概述 152.1.1風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)特點(diǎn) 152.1.2風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)框架構(gòu)成 152.2風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的各結(jié)構(gòu)及其數(shù)學(xué)模型 162.2.1風(fēng)力發(fā)電模塊 172.2.2光伏發(fā)電模塊 182.2.3蓄電池和超級(jí)電容器的儲(chǔ)能特性 192.3本章小結(jié) 213混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化模型建立 223.1蓄電池和超級(jí)電容器數(shù)學(xué)模型 223.1.1蓄電池?cái)?shù)學(xué)模型 223.1.2超級(jí)電容器模型 233.1.3蓄電池和超級(jí)電容器充放電模型 233.2混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理策略 243.3優(yōu)化配置目標(biāo)函數(shù)和約束條件 243.3.1目標(biāo)函數(shù) 243.3.2約束條件 253.4本章小結(jié) 274混合儲(chǔ)能優(yōu)化模型求解及結(jié)果分析 284.1細(xì)菌覓食算法基本原理 284.2算法實(shí)現(xiàn)步驟 294.3算例工況介紹 344.3.1算例樣本數(shù)據(jù)的選取 344.3.2工況介紹 344.4配置結(jié)果比較及分析 365總結(jié)與展望 385.1全文總結(jié) 385.2進(jìn)一步展望 381緒論1.1課題背景及研究意義隨著社會(huì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對(duì)電的需求不斷增加。儲(chǔ)能技術(shù)的出現(xiàn)使人們可以將電能儲(chǔ)存起來(lái)，而不再是現(xiàn)發(fā)現(xiàn)用了，打破了電力系統(tǒng)一直以來(lái)對(duì)人們使用電能的限制，慢慢成為使中國(guó)電力行業(yè)變得更加智能、綠色的重要發(fā)展方向。儲(chǔ)能技術(shù)的持續(xù)健康發(fā)展也使得電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與靈活性得到增強(qiáng)。儲(chǔ)能裝置可以實(shí)現(xiàn)電能的儲(chǔ)存，突破了傳統(tǒng)情況下電能只能夠現(xiàn)發(fā)現(xiàn)用的特點(diǎn)，這樣就可以解決很多領(lǐng)域存在的的傳統(tǒng)情況下無(wú)法解決的不同難題，這是儲(chǔ)能的重要價(jià)值體現(xiàn)和特有的技術(shù)特點(diǎn)。2021年4月下旬，國(guó)家發(fā)改委、能源局發(fā)布了《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)（征求意見(jiàn)稿）》，該文對(duì)儲(chǔ)能裝置及整個(gè)儲(chǔ)能研究方向發(fā)展的一系列問(wèn)題提出了有潛力的整體思路。該文件第一次明確了儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標(biāo)，到2025年的時(shí)候，要實(shí)現(xiàn)新型儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模達(dá)到3000萬(wàn)千瓦（30GW）以上，使儲(chǔ)能行業(yè)的發(fā)展基本定為從初期的商業(yè)化朝著以后的規(guī)模化發(fā)展的道路。截至2020年，我國(guó)各地區(qū)已經(jīng)投入運(yùn)行的新型電力儲(chǔ)能（包含電化學(xué)儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超級(jí)電容儲(chǔ)能等）累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)到3．28GW，同比增長(zhǎng)91．2％。對(duì)比“十四五”時(shí)期的儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模預(yù)期，這也意味著，到2025年我國(guó)新型儲(chǔ)能市場(chǎng)規(guī)模將比2020年底的水平擴(kuò)大10倍左右。在我國(guó)當(dāng)前的發(fā)電總量中，雖然火力發(fā)電電、水力發(fā)電所占比重最大，風(fēng)電、太陽(yáng)能等所占比重依然較小，但是，為了人類的可持續(xù)發(fā)展與地球的生態(tài)健康發(fā)展，可再生能源在我國(guó)電源結(jié)構(gòu)中的比重必然會(huì)增加，這將是未來(lái)電力投資的主方向?？稍偕茉粗饕ㄋ堋L(fēng)能、潮汐能、生物質(zhì)能、地?zé)崮芎吞?yáng)能等，這些能源潛力巨大，環(huán)境污染小，并且可以持續(xù)利用，是有利于人類與自然共同發(fā)展的重要能源。風(fēng)能和太陽(yáng)能是目前可再生能源中比較理想的，它們有很多的優(yōu)點(diǎn)：無(wú)論任何的地形都有、干凈、沒(méi)有污染、可以一直使用而不會(huì)消失，并且可以形成風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)從而提高可再生能源利用率。這些優(yōu)勢(shì)使太陽(yáng)能和風(fēng)能成為符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的理想能量來(lái)源，擁有無(wú)限開(kāi)發(fā)潛力，同時(shí)對(duì)清潔能源和環(huán)境問(wèn)題也有重大的現(xiàn)實(shí)意義。然而，近年以來(lái)，我國(guó)很多地方的棄風(fēng)棄光現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，而風(fēng)電、光電的輸出功率不夠穩(wěn)定，自身的調(diào)峰、調(diào)頻能力不足，而導(dǎo)致很多的風(fēng)電、光電無(wú)法上網(wǎng)，以至于使大量的電量白白的浪費(fèi)掉了。為了更高效地利用可再生能源，在風(fēng)能、太陽(yáng)能資源豐富，互補(bǔ)性較好的環(huán)境中，構(gòu)建風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，可以使系統(tǒng)的供電變得連續(xù)，增加可靠性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的電能輸出。由于風(fēng)能、太陽(yáng)能等的輸出受天氣等的影響，具有不穩(wěn)定性和間隙性大等特點(diǎn)，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，為了平抑風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的功率波動(dòng)，通常會(huì)為其配備儲(chǔ)能系統(tǒng)，這也是風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)亟待解決的問(wèn)題。儲(chǔ)能系統(tǒng)的提出，可以有效地解決這個(gè)問(wèn)題。通過(guò)給風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)配置儲(chǔ)能可以使得在風(fēng)光系統(tǒng)受在自然條件影響產(chǎn)生功率波動(dòng)時(shí)，由儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收多余功率或者提供缺失功率，從而保證輸出穩(wěn)定，降低了棄風(fēng)、棄光率。儲(chǔ)能技術(shù)正在不斷發(fā)展，其應(yīng)用價(jià)值也不斷地顯現(xiàn)出來(lái)。通過(guò)給一些傳統(tǒng)的設(shè)施、系統(tǒng)配置儲(chǔ)能，可以使很多的傳統(tǒng)技術(shù)煥發(fā)出新的活力。通過(guò)上文可以知道，通過(guò)給風(fēng)力、光伏等電站配置一定的儲(chǔ)能裝置可以抑制電站輸出功率的波動(dòng)，使其變得更穩(wěn)定。然而，儲(chǔ)能裝置也有很多的種類，而不同類型的儲(chǔ)能裝置，它的特性也是不相同的。所以我們要研究各個(gè)儲(chǔ)能類型的優(yōu)缺點(diǎn)，并根據(jù)它們的特性，選用合適的搭配組合，來(lái)達(dá)到更好地效果。比如，當(dāng)前的儲(chǔ)能設(shè)備主要有兩種，能量型的儲(chǔ)能裝置動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好、能量密度大、效率高；功率型的儲(chǔ)能裝置則具有響應(yīng)速度快、功率密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。將兩種特性的儲(chǔ)能系統(tǒng)相互配合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可以延長(zhǎng)蓄電池組的使用壽命，降低儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本，有利于儲(chǔ)能系統(tǒng)的持續(xù)健康發(fā)展。因此研究?jī)?chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化配置成為一個(gè)非常重要的課題。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析1.2.1儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀近年來(lái)，隨著儲(chǔ)能材料及相關(guān)制造工藝的迅速發(fā)展，再加上儲(chǔ)能技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，于是人們對(duì)儲(chǔ)能的關(guān)注越來(lái)越多，更多的新型儲(chǔ)能技術(shù)相繼地被開(kāi)發(fā)出來(lái)，被應(yīng)用到生活中，改善著人們的生活。不管儲(chǔ)能的能量存儲(chǔ)形式是什么，它最根本的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系是一致的，與之相關(guān)的原理示意如圖1-1所示。如今儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)的各個(gè)方面都有應(yīng)用，并發(fā)揮著重要作用。電能電能輸入交流部分化學(xué)能、機(jī)械能等電力電子設(shè)備控制部分電能輸出圖1-1儲(chǔ)能能量轉(zhuǎn)換原理圖通過(guò)對(duì)能量存儲(chǔ)和釋放過(guò)程進(jìn)行比較，按照各自特點(diǎn)，可以將儲(chǔ)能技術(shù)分為功率型和能量型，能量型儲(chǔ)能技術(shù)具有較高的比能量，而功率型儲(chǔ)能技術(shù)則擁有較高的比功率，因?yàn)楦鞣N儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展水平有所不同，因此在技術(shù)參數(shù)方面存在差異，具體如表1-1所示。表1-1各種儲(chǔ)能相關(guān)參數(shù)指標(biāo)比功率比能量效率功率成本儲(chǔ)能種類/（w/kg）/（wh/kg）/%壽命/h/（$/MW）壓縮空氣>10000機(jī)械抽水儲(chǔ)能60-70>10000儲(chǔ)能飛輪儲(chǔ)能400-160040-20070-80>1000001.94-2.21超級(jí)電容30000.05-580-95>500000.11-0.30電磁超導(dǎo)儲(chǔ)能500-20000.4-580-95>100000儲(chǔ)能鉛酸電池76-30030-5070-90100-50000.3-0.6液流電池15-6050-12071-80>100003.0-3.7化學(xué)鈉硫電池90-231150-24080-902000-45003.11-4.0儲(chǔ)能鋰離子電池149-315150-20086-9550001.09-4.1儲(chǔ)能裝置作為負(fù)荷時(shí)，進(jìn)行的是充電的操作，相應(yīng)的會(huì)吸收電能；作為電源時(shí)，進(jìn)行的是放電的操作，相應(yīng)的會(huì)釋放電能。儲(chǔ)能系統(tǒng)在所帶負(fù)載較少時(shí)期，充當(dāng)負(fù)載，吸收電能然后將電能存儲(chǔ)起來(lái)；在所帶負(fù)載壓力較大時(shí)充當(dāng)電源，再將之前存起來(lái)的電能釋放，以此來(lái)平抑輸出的功率波動(dòng)。在機(jī)械儲(chǔ)能形式中，抽水蓄能是利用上游水的重力勢(shì)能在下降過(guò)程中沖擊發(fā)電輪機(jī)來(lái)發(fā)電的，在負(fù)荷中處于工作狀態(tài)的負(fù)載較少時(shí)，將下游的水抽到上游水庫(kù)保存起來(lái)，把電能用重力勢(shì)能的形式保存；當(dāng)負(fù)荷中處于工作狀態(tài)中的負(fù)載增多時(shí)，把之前囤積的水釋放來(lái)沖擊輪機(jī)發(fā)電，把水的勢(shì)能再轉(zhuǎn)化為電能。抽水儲(chǔ)能是國(guó)內(nèi)、國(guó)際的科學(xué)家們最開(kāi)始關(guān)注研究的儲(chǔ)能方式，也是發(fā)展得最為成熟的一種儲(chǔ)能技術(shù)。抽水儲(chǔ)能方式具有低成本、高容量的優(yōu)點(diǎn)，并且無(wú)污染，供電質(zhì)量好，能較好地應(yīng)用于電力系統(tǒng)的調(diào)峰調(diào)頻，在能量型應(yīng)用領(lǐng)域得到了非常多的應(yīng)用，不過(guò)不適合應(yīng)用在功率型領(lǐng)域，而且還受到水源、地勢(shì)等的影響，所以該技術(shù)無(wú)法得到大規(guī)模的推廣。到了今天，有許多的先進(jìn)的儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)代替了這種儲(chǔ)能技術(shù)，但是這種最原始的機(jī)械儲(chǔ)能方式為后續(xù)儲(chǔ)能裝置的研究奠定了深厚的基礎(chǔ)。我國(guó)抽水蓄能電站建設(shè)雖然在一開(kāi)始的時(shí)候沒(méi)有跟上別人的步伐，但由于后發(fā)效應(yīng)，在我們開(kāi)始研究的時(shí)候已經(jīng)掌握了一些基本的技術(shù)原理，新近建造的幾座規(guī)模較大的抽水蓄能電站所使用的技術(shù)即使在整個(gè)世界也屬于先進(jìn)的技術(shù)。壓縮空氣儲(chǔ)能是目前的儲(chǔ)能中發(fā)展得比較成熟的儲(chǔ)能技術(shù)，利用空氣在壓縮與釋放之間的過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，能量轉(zhuǎn)換效率大約為70%，壽命較長(zhǎng)，在能量型領(lǐng)域可行，不適用于功率型領(lǐng)域。在負(fù)荷中處于工作狀態(tài)的負(fù)載較少時(shí)，空氣被壓縮進(jìn)儲(chǔ)氣室儲(chǔ)存；負(fù)荷中處于工作狀態(tài)的負(fù)載增多時(shí)，利用存儲(chǔ)的氣體膨脹，來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電。受地理環(huán)境的約束，壓縮空氣儲(chǔ)能電站的建設(shè)花費(fèi)不低，不適合大范圍推廣，使其發(fā)展受到一定約束。隨著傳統(tǒng)的儲(chǔ)能的技術(shù)發(fā)展，漸漸到了瓶頸時(shí)期，于是，近些年，國(guó)內(nèi)以及國(guó)際的許多專家將目光轉(zhuǎn)到了各種改進(jìn)的壓縮空氣儲(chǔ)能研究上，比如蓄熱式、絕熱式、不需要大型儲(chǔ)氣室的液態(tài)式還有超臨界等各種新型壓縮空氣儲(chǔ)能。圖1-2壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖雖然各新型技術(shù)的研究進(jìn)展很迅速，但其各項(xiàng)技術(shù)性能還要在實(shí)際應(yīng)用中結(jié)合實(shí)際情況繼續(xù)進(jìn)行提高，現(xiàn)在的水平還無(wú)法去進(jìn)行大規(guī)模的推廣。當(dāng)前，新型技術(shù)其效率最多能達(dá)到60%，與高效電池儲(chǔ)能(超過(guò)80%的效率)之間的差距還是無(wú)法忽視的;除此之外它的系統(tǒng)容量最大的也僅為10MW，無(wú)法與傳統(tǒng)技術(shù)儲(chǔ)能的規(guī)模（百兆瓦）相比;其系統(tǒng)的成本目前也較高，還有很大的下降空間，即成本還能夠做到更低。飛輪儲(chǔ)能是通過(guò)將發(fā)電機(jī)發(fā)出的能量與飛輪飛速轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械動(dòng)能互相變換來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能與放能的功能。在低負(fù)荷時(shí)，將電能轉(zhuǎn)化為飛輪快速轉(zhuǎn)動(dòng)的能量；在電能不足時(shí)，發(fā)電機(jī)被快速轉(zhuǎn)動(dòng)的飛輪帶動(dòng)發(fā)電。具有壽命周期長(zhǎng)、功率密度大的優(yōu)點(diǎn)。飛輪儲(chǔ)能與其他的機(jī)械儲(chǔ)能一樣，它們的基礎(chǔ)原理都是機(jī)械能與電能轉(zhuǎn)化。該系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)為電機(jī)定、轉(zhuǎn)子、軸承還有飛輪，一般情況下還會(huì)配備真空室，結(jié)構(gòu)示意圖如下圖1-3所示。圖1-3飛輪儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)示意圖飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)有很多的可取之處，它有很高的功率密度，而且還有較高的工作效率以及對(duì)環(huán)境不會(huì)造成污染的特點(diǎn)，該技術(shù)對(duì)各個(gè)領(lǐng)域都有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，所以，在應(yīng)用范圍很廣。不過(guò)它也有不足之處，那就是能量?jī)?chǔ)存密度很低，而且使用中會(huì)出現(xiàn)自放電率的現(xiàn)象，維護(hù)難度高。上世紀(jì)末，日本的沖繩電力公司在不間斷電源中使用了該技術(shù)；在那之后，UrencPower公司也仿效該公司進(jìn)行了應(yīng)用；2011年，美國(guó)紐約州應(yīng)用飛輪儲(chǔ)能進(jìn)行調(diào)頻。目前，我國(guó)中科院電工所也進(jìn)行了相關(guān)研究，但是其能量密度不大，能夠存儲(chǔ)的電量較少，造價(jià)較高，因此實(shí)用性不強(qiáng)。以超級(jí)電容器儲(chǔ)能和超導(dǎo)儲(chǔ)能為代表的電磁儲(chǔ)能技術(shù)有比較高的功率密度，能量存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)，使用循環(huán)壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，非常適合用于提高系統(tǒng)供電電能質(zhì)量和供電可靠性的領(lǐng)域，但是能量密度低、成本較高，制約了其在技術(shù)上的發(fā)展。超級(jí)電容器由相應(yīng)的兩個(gè)多孔電極、電解質(zhì)液和隔膜進(jìn)行雙電層儲(chǔ)能，所以比普通電容器的儲(chǔ)能能力強(qiáng)。1993年，美國(guó)Alaska公司將電磁儲(chǔ)能應(yīng)用于提高供電質(zhì)量；2006年，日本Hosoo公司將其應(yīng)用于提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量；德國(guó)西門子公司進(jìn)一步將電磁儲(chǔ)能應(yīng)用于地鐵配電網(wǎng)，目前超級(jí)電容器的研究主要集中在中國(guó)、德國(guó)、美國(guó)和日本。圖1-4超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)示意圖鉛酸蓄電池儲(chǔ)能、鈉硫電池儲(chǔ)能以及鋰離子電池儲(chǔ)能等類型都屬于電化學(xué)儲(chǔ)能，他們之間則是按照所利用的化學(xué)物質(zhì)的差別來(lái)劃分的。電化學(xué)儲(chǔ)能具有所構(gòu)成的電池結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，運(yùn)行控制、檢修維護(hù)較容易，經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性相對(duì)較好的特點(diǎn)。蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)中，鉛酸蓄電池屬于研發(fā)比較早，發(fā)展比較成熟的技術(shù)，在現(xiàn)階段應(yīng)用比較廣泛，具有安全可靠、適用范圍廣、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用在長(zhǎng)期儲(chǔ)能中，不過(guò)它的壽命短，日常維護(hù)頻繁。隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，電化學(xué)儲(chǔ)能在各相關(guān)領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的重視和使用，特別是在電動(dòng)汽車領(lǐng)域和電力系統(tǒng)的相關(guān)產(chǎn)業(yè)中。2020年作為“十三五”的收官之年，也是儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)開(kāi)始其蓬勃發(fā)展的一年，電化學(xué)儲(chǔ)能新增首次突破GW大關(guān)。到2020年底，中國(guó)的電化學(xué)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)到了3.28GW，占比達(dá)到全部已經(jīng)投運(yùn)儲(chǔ)能總裝機(jī)35.6GW的9.2%。1.2.2混合儲(chǔ)能的必要性根據(jù)上文可知，不同的儲(chǔ)能技術(shù)有著不同的發(fā)展優(yōu)勢(shì)以及不足之處，各技術(shù)發(fā)展情況如下表1-2。表1-2各儲(chǔ)能發(fā)展情況儲(chǔ)能種類使用情況目前發(fā)展困難與挑戰(zhàn)抽水儲(chǔ)能能量管理技術(shù)成熟季節(jié)性備用爬坡率高對(duì)場(chǎng)地有要求用來(lái)調(diào)頻運(yùn)行成本最低建造成本高壓縮空氣儲(chǔ)能能量管理爬坡率較高場(chǎng)地要求季節(jié)性備用技術(shù)成熟效率低新能源接入響應(yīng)速度較低鈉硫電池調(diào)節(jié)負(fù)載能量密度高接入新能源高效率充放電對(duì)溫度嚴(yán)要求鉛酸蓄電池調(diào)節(jié)負(fù)載低成本低功率密度平抑波動(dòng)技術(shù)成熟限制放電深度穩(wěn)定輸出收益高壽命不長(zhǎng)超級(jí)電容器提高供電質(zhì)量低能量密度調(diào)頻高效率成本昂貴現(xiàn)代化電力對(duì)儲(chǔ)能提出了很多相關(guān)的要求：要保證供電的可靠性，例如不間斷電源；要保證供電電能質(zhì)量，例如電壓補(bǔ)償；要提高新能源發(fā)電的并網(wǎng)性能，例如緩解風(fēng)電等新能源輸出功率的波動(dòng)；要提高電能利用效率的優(yōu)化管理能量的儲(chǔ)能?？偟膩?lái)說(shuō)，儲(chǔ)能主要用來(lái)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化（像穩(wěn)定電壓、保持頻率、補(bǔ)償負(fù)荷波動(dòng)、穩(wěn)定電網(wǎng)等）作出反應(yīng)以及對(duì)負(fù)荷調(diào)節(jié)作出應(yīng)對(duì)、滿足不間斷電源要求等。不同的需要對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的性能提出的要求也不相同：對(duì)不間斷電源：要符合負(fù)荷對(duì)電能容量的要求；對(duì)于要保證供電電能質(zhì)量的儲(chǔ)能：要快速對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化作出反應(yīng)；對(duì)于用來(lái)提高并網(wǎng)性能所用的儲(chǔ)能：不但要能快速反應(yīng)，而且儲(chǔ)能容量也要滿足調(diào)節(jié)負(fù)荷的要求；為優(yōu)化管理提供能量的儲(chǔ)能：關(guān)鍵是儲(chǔ)能容量。所以說(shuō)，在現(xiàn)實(shí)需求中，要同時(shí)滿足這些要求僅用單一的儲(chǔ)能方式是不夠的，需要結(jié)合上表1-2中的多種技術(shù)，采用多元復(fù)合儲(chǔ)能。在風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)中，由于自然風(fēng)力、光照等的影響，風(fēng)力機(jī)和光伏陣列的輸出無(wú)法保持穩(wěn)定持續(xù)的輸出，即使全年總的風(fēng)電、光電與負(fù)載之間滿足電量平衡的要求，但是具體到每年、每月甚至每小時(shí)來(lái)說(shuō)還是會(huì)出現(xiàn)功率不匹配的的情況，因此，必須考慮采用儲(chǔ)能單元來(lái)應(yīng)對(duì)這種情況的發(fā)生，在發(fā)電量大于負(fù)荷需求量時(shí)，將多余的電量?jī)?chǔ)存在儲(chǔ)能設(shè)備中；在負(fù)荷需求量大于發(fā)電量時(shí)，利用存儲(chǔ)的能量來(lái)滿足負(fù)荷的需要。這樣就使供電的可靠性和連續(xù)性得到了保障。綜上所述，綜合考慮蓄電池儲(chǔ)能和超級(jí)電容器儲(chǔ)能的長(zhǎng)處與短處，本文決定通過(guò)它們之間相互配合構(gòu)成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，來(lái)為下面所研究的系統(tǒng)進(jìn)行配置，以讓系統(tǒng)的輸出功率變得更穩(wěn)定，增強(qiáng)供電的可靠性。1.2.3儲(chǔ)能優(yōu)化配置研究現(xiàn)狀近年來(lái)，國(guó)內(nèi)以及國(guó)際上有很多的相關(guān)研究者對(duì)優(yōu)化儲(chǔ)能配置的相關(guān)難題十分關(guān)注，并且進(jìn)行了許多的研究實(shí)驗(yàn)。相關(guān)的儲(chǔ)能容量配置方法有：1）目標(biāo)函數(shù)為：達(dá)到最小的儲(chǔ)能容量。2)目標(biāo)函數(shù)為：達(dá)到最經(jīng)濟(jì)的儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本。1.2.4儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化求解算法研究現(xiàn)狀目前的求解算法中常見(jiàn)的有：1）單純形法：求線性規(guī)劃問(wèn)題時(shí)用得最多，也是最有效的算法之一，對(duì)非線性問(wèn)題不適用；2）輾轉(zhuǎn)求解法：利用了計(jì)算機(jī)運(yùn)算快、適合做重復(fù)性質(zhì)的操作的特點(diǎn)而出現(xiàn)的算法；3）人工智能算法：大都為模擬一些自然過(guò)程而創(chuàng)造的算法，解決該問(wèn)題時(shí)一般模型比較簡(jiǎn)單，并且大都可以使用。伴隨著越來(lái)越多的人使用智能算法，研究人工智能算法，該算法一會(huì)后肯定會(huì)越來(lái)越成熟，反過(guò)來(lái)為人們的研究工作提供強(qiáng)有力的幫助。1.3論文主要內(nèi)容針對(duì)新能源發(fā)電廠的特點(diǎn)，其輸出功率容易受到自然條件的影響，而產(chǎn)生波動(dòng)，導(dǎo)致無(wú)法可靠的給負(fù)載供電，所以需要給風(fēng)電、光電等新能源發(fā)電廠配置儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)使其可以做到可靠地給負(fù)荷供電。而不同的儲(chǔ)能技術(shù)有不同的特點(diǎn)，通過(guò)不同儲(chǔ)能的配合使用不僅可以降低儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本，而且對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命、輸出特性、工作效率等也都有一定的好處。本文主要工作為結(jié)合新能源電廠的情況，通過(guò)人工智能算法求解得到經(jīng)濟(jì)成本最低的儲(chǔ)能系統(tǒng)中蓄電池和超級(jí)電容器的容量配置比。具體工作如下：1）本文首先介紹了有關(guān)儲(chǔ)能的相關(guān)知識(shí)，包括儲(chǔ)能的類型、各種儲(chǔ)能的具體優(yōu)缺點(diǎn)，以及各儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，儲(chǔ)能系統(tǒng)在當(dāng)今社會(huì)生活中的相關(guān)應(yīng)用和給電力系統(tǒng)配置儲(chǔ)能的作用等。2）介紹了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與特點(diǎn)，并了解了其中的風(fēng)力機(jī)、光伏電池以及儲(chǔ)能用到的蓄電池和超級(jí)電容器的原理和工作特性；介紹了細(xì)菌覓食算法的原理及求解步奏。3）建立以儲(chǔ)能系統(tǒng)的全生命周期成本最小為目標(biāo)，同時(shí)考慮蓄電池和超級(jí)電容器的各方面約束，建立混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置模型。4）選取華北地區(qū)某風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)作為算例，通過(guò)MATLAB編寫程序，運(yùn)用細(xì)菌覓食算法求得儲(chǔ)能最佳容量，并與單一儲(chǔ)能方式對(duì)比，驗(yàn)證混合儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)型。2風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)2.1風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)概述2.1.1風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)特點(diǎn)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)力和太陽(yáng)輻射變化情況，有以下運(yùn)行模式：風(fēng)力機(jī)或者光伏機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行供應(yīng)負(fù)載；風(fēng)力機(jī)組和光伏發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合供應(yīng)負(fù)載。其具有以下幾方面優(yōu)、缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：（1）利用風(fēng)能和太陽(yáng)能的互補(bǔ)特性，可以更加充分的利用風(fēng)光資源，實(shí)現(xiàn)晝夜發(fā)電。在相同的氣象條件下，風(fēng)光系統(tǒng)可以改善系統(tǒng)供電輸出功率。（2）系統(tǒng)的初期投入以及發(fā)電成本都要比單獨(dú)的光伏發(fā)電系統(tǒng)更低。如果風(fēng)能和太陽(yáng)能資源互補(bǔ)性比較好，在保證同樣供電的情況下，用于儲(chǔ)能的容量可以大大減少。（3）在風(fēng)能和太陽(yáng)能比較豐富并且互補(bǔ)性好的情況下，基本上可以由風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行供電，一般不用啟動(dòng)備用電源，可以獲得更好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。缺點(diǎn)：擁有風(fēng)力與光伏兩種發(fā)電單元的系統(tǒng)比一般的常規(guī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)會(huì)變得更加復(fù)雜，這樣就增加了設(shè)計(jì)建造難度、管控難度，在運(yùn)行過(guò)程中的維護(hù)工作也會(huì)比單一發(fā)電單元系統(tǒng)更不容易。2.1.2風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)框架構(gòu)成風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是考慮了風(fēng)能資源與太陽(yáng)資源在自然條件變換中可以互相補(bǔ)償而設(shè)計(jì)的發(fā)電系統(tǒng)，它由光伏組件、風(fēng)力機(jī)、蓄電池組、控制器、逆變器、所帶負(fù)載等組成。這一發(fā)電系統(tǒng)可以在晚上光伏發(fā)電廠無(wú)法工作時(shí)，繼續(xù)通過(guò)風(fēng)機(jī)發(fā)電；而在白天期間，雖然風(fēng)力可能會(huì)弱于晚上，不夠此時(shí)光伏電池板會(huì)工作，在這整個(gè)的過(guò)程中，系統(tǒng)中的蓄電池也會(huì)起一定的調(diào)節(jié)作用，這樣可以將整個(gè)電廠的輸出維持在一個(gè)相對(duì)變化不大的范圍內(nèi)。這樣雖然結(jié)構(gòu)會(huì)比常規(guī)的電廠更復(fù)雜，但是其產(chǎn)生的好處也很多。系統(tǒng)內(nèi)的各控制器的主要工作內(nèi)容就是調(diào)控好各部分的正常運(yùn)行，使得這一體系可以可靠、有效率地運(yùn)轉(zhuǎn)。圖2-1風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)構(gòu)造原理圖2.2風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的各結(jié)構(gòu)及其數(shù)學(xué)模型在第一章中的介紹下，了解了各種類型儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)以及不好的地方，基于此，本文選擇蓄電池與超級(jí)電容器兩種儲(chǔ)能技術(shù)混合使用，來(lái)作為風(fēng)光系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置。整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖所示，風(fēng)力機(jī)組和光伏電池陣列負(fù)責(zé)吸收光能與風(fēng)能，是能量源；蓄電池和超級(jí)電容器組成儲(chǔ)能系統(tǒng)為系統(tǒng)提供相應(yīng)的作用，調(diào)節(jié)功率；控制器負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)督控制，使其可以保持正常工作；變流器進(jìn)行電流的變換，按要求變?yōu)橹绷骰蚪涣鳎贿€有系統(tǒng)所帶的負(fù)載等共同組成，各部分自行運(yùn)轉(zhuǎn)又共同配合。圖2-2風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如上圖所示，蓄電池與超級(jí)電容器采用并聯(lián)的方式連接在一起，在它們之間接有雙向功率變換器，該裝置的加入對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的好處非常多。例如：1）能夠通過(guò)該裝置使得蓄電池在進(jìn)行充電操作與放點(diǎn)操作時(shí)認(rèn)為改變電流的大小，這樣可以優(yōu)化電源；2）使用該裝置后，使得兩種電源不僅可以為負(fù)載提供電能，相互之間也可以；3)可以控制它們?cè)诟髯院线m的時(shí)候進(jìn)行工作，即蓄電池以電流大小保持不變的狀態(tài)進(jìn)行工作，而過(guò)程中的瞬時(shí)功率由超級(jí)電容器來(lái)負(fù)責(zé)。2.2.1風(fēng)力發(fā)電模塊風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是本文所研究類型電廠的主要裝置之一，它在電場(chǎng)中主要做的工作就是將所在地方的風(fēng)能資源轉(zhuǎn)換為人們?cè)谏a(chǎn)生活中可以直接使用的、便于運(yùn)輸?shù)碾娔堋Ｋ皇菃我坏霓D(zhuǎn)換設(shè)備，還包括一系列與之相應(yīng)的電氣控制裝置。在為風(fēng)力機(jī)組劃分規(guī)模時(shí)，參照的時(shí)機(jī)組容量，以MW、100Kw、1kW三個(gè)節(jié)點(diǎn)，我國(guó)將風(fēng)機(jī)規(guī)模分為了大、中、小、微型。風(fēng)輪機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的一個(gè)構(gòu)成部件，在風(fēng)吹到風(fēng)輪機(jī)葉片時(shí)，風(fēng)速受到阻力減小，而風(fēng)輪則帶動(dòng)它的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)出電能。在電場(chǎng)中，風(fēng)輪機(jī)的風(fēng)輪安放位置需要注意，不同類型的風(fēng)輪機(jī)風(fēng)輪安裝位置是不相同的，要根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸方向進(jìn)行安放，只有每一個(gè)小的部件都處于自己該在的地方，才能保證整個(gè)系統(tǒng)可以有條不紊地運(yùn)行。1）風(fēng)速的概率密度函數(shù)在研究中存在很多的相關(guān)函數(shù)能夠較準(zhǔn)確地反應(yīng)風(fēng)速的變動(dòng)，本文所采用的是Weibull函數(shù)，其具體表達(dá)式如下，風(fēng)的速度是v的概率?v?v式中：c——尺度參數(shù)；v—風(fēng)前行的速度；k——形狀參數(shù)。通常情況下c大于5而小于10，k取1、3或者2，k=2為大多數(shù)地方的取值，此時(shí)上述函數(shù)為瑞利分布。2）對(duì)得到的風(fēng)速進(jìn)行修正一般情況下，測(cè)量風(fēng)速時(shí)的測(cè)取高度沒(méi)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輪轂?zāi)敲锤叩母叨?，這樣我們得到的數(shù)據(jù)無(wú)法直接代入計(jì)算發(fā)電，而還需要對(duì)其進(jìn)行修正處理，即將測(cè)得的風(fēng)速轉(zhuǎn)化為我們需要高度的風(fēng)速數(shù)據(jù)，所用式子如下：（2-2）式中：——輪轂高度的平均風(fēng)速；——測(cè)風(fēng)塔所測(cè)得的風(fēng)速；H——風(fēng)機(jī)輪轂的高度；H0——測(cè)量風(fēng)速裝置的高度；α——風(fēng)的切變指數(shù)，又稱為地表摩擦系數(shù)，它的取值由地表面的粗糙度以及大氣的穩(wěn)定程度決定。3）風(fēng)力發(fā)電量的計(jì)算因?yàn)樵诓煌娘L(fēng)速下，風(fēng)力輪機(jī)所產(chǎn)生的電能大小是不同的，所以在計(jì)算時(shí)要注意到不同時(shí)期的輸出是不一樣的，這樣根據(jù)所在地區(qū)觀測(cè)得到的不同時(shí)間的風(fēng)速數(shù)據(jù)就可以計(jì)算出風(fēng)機(jī)發(fā)電量了。他就等于某一風(fēng)速下的輸出功率乘以這個(gè)風(fēng)速的所占時(shí)間，得到這一風(fēng)速的全部輸出，再將各風(fēng)速度下的輸出累計(jì)起來(lái)就是總的發(fā)電量了?？梢杂霉奖硎灸骋还潭〞r(shí)間段的總發(fā)電量，公式具體如下：E=0下面的式子中：E——全部發(fā)出的電；vi——該時(shí)刻風(fēng)速；vm——風(fēng)力機(jī)螺旋槳式葉輪的初始轉(zhuǎn)速；vH——風(fēng)機(jī)額定出力時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速；v規(guī)定風(fēng)機(jī)的輸出隨著風(fēng)的速度變快而變大，并且vH對(duì)應(yīng)的出力PN，風(fēng)的速度繼續(xù)變快，超越vH（2-4）2.2.2光伏發(fā)電模塊太陽(yáng)能電池是光伏發(fā)電中極為重要的部件，離開(kāi)它將無(wú)法進(jìn)行由光到電這一轉(zhuǎn)化。把它們進(jìn)行逐個(gè)順次首尾相連，再對(duì)其添加保護(hù)就得到了面積更大的太陽(yáng)電池組件。將其用功率控制器等相關(guān)裝置進(jìn)行控制便得到了光伏發(fā)電裝置。根據(jù)使用現(xiàn)場(chǎng)的太陽(yáng)總輻射量、組件的光電轉(zhuǎn)換效率和太陽(yáng)電池溫度可以確定光伏陣列的輸出功率。設(shè)參考條件下，Isc為短路電流，Voc為開(kāi)路電壓，Im，Vm分別為最大功率點(diǎn)的電流和電壓，那么，當(dāng)光伏陣列電壓為(2-5)其中：（2-6）（2-7）（2-8）(2-9)(2-10)(2-11)式中：R--任意太陽(yáng)輻射強(qiáng)度（kW/m2）；T--任意太陽(yáng)電池溫度（℃）;Rref--太陽(yáng)輻射參考值，一般為1000kW/m2；Tref--太陽(yáng)電池溫度參考值，一般為25℃;α--參考電流溫度系數(shù)（Amps/℃）；β--參考電壓溫度系數(shù)（v/℃）；Rs—光伏陣列的串聯(lián)電阻（所以太陽(yáng)電池陣列在任意太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和環(huán)境溫度下的輸出功率為：（2-12）2.2.3蓄電池和超級(jí)電容器的儲(chǔ)能特性根據(jù)以上對(duì)風(fēng)力機(jī)和光伏發(fā)電單元的分析，可以知道，由于太陽(yáng)輻射變化與風(fēng)力變化，太陽(yáng)能與風(fēng)能輸出功率不穩(wěn)定，所以僅由太陽(yáng)能和風(fēng)能組成的電源對(duì)負(fù)載供電時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致負(fù)載因電能不穩(wěn)定而發(fā)生故障，造成不必要的損失，因此要給該系統(tǒng)配置一定量的儲(chǔ)能裝置。通過(guò)第一章中對(duì)儲(chǔ)能的了解，我們選擇將功率型與能量型儲(chǔ)能混合使用，這樣可以在保證供電穩(wěn)定的同時(shí)，改善儲(chǔ)能系統(tǒng)整體的性能，降低發(fā)電成本。1.蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在眾多的電池類型中，鉛酸蓄電池具有自放電率低、技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜、可以長(zhǎng)期儲(chǔ)存等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。下面對(duì)鉛酸蓄電池的特性和常用參數(shù)作出介紹。1）蓄電池容量（2-13）蓄電池的容量可以用上面所給的公式進(jìn)行計(jì)算，還等于其能夠釋放出的電荷總數(shù)目，電壓低于截止電壓是它放電終結(jié)的標(biāo)志。單位一般用安培小時(shí)（Ah）表示。蓄電池有以下幾種容量：實(shí)際容量，顧名思義指電池實(shí)際存有電量的大小的；理論容量，在規(guī)定條件下，由法拉第定律計(jì)算得到的最大容量，其數(shù)值通常遠(yuǎn)大于實(shí)際容量；額定容量：蓄電池在額定條件下放電直到到達(dá)終止電壓，期間放出的電量。2)充放電終止電壓蓄電池在充電時(shí)電壓升高以及放電過(guò)程中的電壓降低都會(huì)有一個(gè)界限值，分別稱為充、放電終止電壓。在使用過(guò)程中如果超過(guò)了這個(gè)界限，就會(huì)對(duì)電池造成損壞，影響其使用的壽命。所以在使用蓄電池的時(shí)候要對(duì)這一方面多加注意。3）蓄電池充放電倍率電池在一定的時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)可以將其額定的容量大小全部釋放所需的電流大小稱為電池的充放電倍率。數(shù)值大小與額定容量的倍數(shù)相等，一般用C來(lái)表示。4）蓄電池荷電狀態(tài)荷電狀態(tài)（StateofCharge，SOC）是電池的當(dāng)前所剩下的電量Cr與總額定量Cba（2-14）5）放電深度與荷電狀態(tài)相反，放電深度（DepthofDischarge，DOD）的大小為用電的電量與剩余量的比值，所以可以用來(lái)表示當(dāng)前的放電程度。這兩個(gè)值共同決定了蓄電池能夠使用多長(zhǎng)時(shí)間，即壽命多長(zhǎng)。一般DOD越大，使用壽命就會(huì)越短。因此，如果想要蓄電池可以進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的使用，以此來(lái)節(jié)約投入成本的話，要盡量避免深度放電。由它們的定義能夠得到放電深度DOD與荷電狀態(tài)SOC的關(guān)系可用下式表示：(2-15)2.超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)超級(jí)電容器是一種能夠很快地完成充電以及放電操作并且還能將能量進(jìn)行存儲(chǔ)的元件。下面對(duì)其的一些特點(diǎn)和常用參數(shù)作出簡(jiǎn)單介紹。1）高功率密度它在充放電時(shí)進(jìn)行的是物理過(guò)程，可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成，功率密度很高。2）充放電速度快因?yàn)樗某浞烹娺^(guò)程能夠視為進(jìn)行的是物理性質(zhì)的電荷的轉(zhuǎn)移，所以充放電的速度很快。3）長(zhǎng)循環(huán)壽命其使用壽命很長(zhǎng)，一般情況下甚至可以使用幾十年，不夠當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)（超過(guò)25℃），其壽命會(huì)迅速減短。4）免維護(hù)其對(duì)過(guò)充以及過(guò)放的耐受程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于蓄電池，可以穩(wěn)定地進(jìn)行多次充放電，理論上是不需要進(jìn)行維護(hù)的。5）荷電狀態(tài)SOCuc（2-16）其中，Euc，t，Euc，N2.3本章小結(jié)本章首先對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的大體結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)進(jìn)行了了解，然后又分析了其中各個(gè)單元的工作原理以及基本特性，對(duì)所用蓄電池和超級(jí)電容器的特點(diǎn)和儲(chǔ)能特性進(jìn)行了介紹。為下文的分析計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。

3混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化模型建立在為風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)進(jìn)行混合儲(chǔ)能優(yōu)化配置時(shí)，首先要對(duì)以下問(wèn)題進(jìn)行考慮：1)配置完成后要滿足系統(tǒng)的負(fù)荷需求與可靠性要求，這樣才不會(huì)讓負(fù)荷發(fā)生失去供能的情況，避免意外的發(fā)生；2)要結(jié)合以往的光照、風(fēng)速等資源的分布情況進(jìn)行考慮，因?yàn)樽匀画h(huán)境、氣象條件等造成的影響可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大影響；3）再結(jié)合儲(chǔ)能裝置的特性進(jìn)行考慮，以最小的儲(chǔ)能系統(tǒng)總成本作為優(yōu)化目標(biāo)，得到儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最好的配置方案。本章建立了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置的優(yōu)化模型，以便下文對(duì)實(shí)際算例的求解。3.1蓄電池和超級(jí)電容器數(shù)學(xué)模型3.1.1蓄電池?cái)?shù)學(xué)模型因?yàn)橐粋€(gè)單獨(dú)的蓄電池其兩端之間的電壓一般較低無(wú)法滿足工程項(xiàng)目的使用要求，并且其能夠存儲(chǔ)的電量也不夠多，因此在下文中求解時(shí)會(huì)將其逐次首尾連接起來(lái)構(gòu)成整體進(jìn)行使用。當(dāng)單體的額定電壓為Uba（V），額定的存儲(chǔ)容量大小為Cba（Ah）時(shí)，由m個(gè)單體按上述方式所組成的的蓄電池組的總儲(chǔ)存量為Eban（MWh，本文規(guī)定使用的所有能量單位均為（3-1）令DOD為電池單體放電能達(dá)到的最大深度，那么該整體的剩余儲(chǔ)量最小為：（3-2）通常，蓄電池的放電時(shí)間率大小是C10(3-3)3.1.2超級(jí)電容器模型與蓄電池一樣，單個(gè)的超級(jí)電容器在實(shí)際項(xiàng)目中的使用很少，一般也會(huì)將多個(gè)級(jí)聯(lián)來(lái)增大其容量，這樣才能夠滿足應(yīng)用要求。下文中配置時(shí)對(duì)象也是級(jí)聯(lián)后的整體。假設(shè)單個(gè)超級(jí)電容器的端電壓為Uuc，電容容量大小為Cuc，那么級(jí)聯(lián)n個(gè)的整體所能夠存儲(chǔ)容量E(3-4)超級(jí)電容器儲(chǔ)能的容量范圍與它的端電壓的電壓范圍有關(guān)系，當(dāng)其最小端電壓為Uucmin，最大為Uucmax（3-5）（3-6）單體在工作時(shí)的最大電流Iucmax（3-7）3.1.3蓄電池和超級(jí)電容器充放電模型儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)光資源充分時(shí)，即新產(chǎn)生的電量大于所帶的負(fù)載用掉的電量時(shí)，會(huì)為儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電，這時(shí)存儲(chǔ)的電量同充電功率之間的關(guān)系可以用下面的式子表示：（3-8）相應(yīng)的，風(fēng)光資源不多時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)會(huì)釋放電能來(lái)供給負(fù)載，這時(shí)存儲(chǔ)的電量同放電功率的關(guān)系可以用下面的式子表示：（3-9）（3-10）上面的式子中：Eba和Euc分別為兩種裝置進(jìn)行充放電操作完成后的所剩能量；Ebar和Eucr則分別為進(jìn)行該操作之前所剩的能量；Pba（t）和Puc（t）分別表示在t時(shí)刻兩裝置的充放電功率；3.2混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理策略因?yàn)轱L(fēng)光發(fā)電容易受到自然天氣情況的影響，從而其輸出的功率也會(huì)隨著產(chǎn)生波動(dòng)，而為其配置儲(chǔ)能系統(tǒng)就是為了緩解這一現(xiàn)象，在考慮了配置的混合儲(chǔ)能的各自特性后，提出了下面的能量管理策略來(lái)使儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠更好地為主系統(tǒng)服務(wù)：在了解了上文中所介紹的超級(jí)電容器的各個(gè)優(yōu)缺點(diǎn)后，主要讓其來(lái)對(duì)風(fēng)光發(fā)出能量與負(fù)荷所需之間Pub中變化頻繁的部分；而對(duì)Pub3.3優(yōu)化配置目標(biāo)函數(shù)和約束條件本文以IEC60300-3-3為依據(jù)，將儲(chǔ)能優(yōu)化模型定義為購(gòu)置、維護(hù)、運(yùn)行、處置等各階段所產(chǎn)生的費(fèi)用之和，然后利用選用的算法求解該目標(biāo)函數(shù)，得到在儲(chǔ)能成本最低時(shí)候的混合儲(chǔ)能容量配比。3.3.1目標(biāo)函數(shù)為了能夠盡可能地使目標(biāo)函數(shù)變得簡(jiǎn)潔，防止最后得到的優(yōu)化配置模型太復(fù)雜，本文通過(guò)引用比例系數(shù)，通過(guò)它來(lái)將不同過(guò)程時(shí)期所要花費(fèi)的成本表示出來(lái)。因?yàn)樵诒疚闹?，配置的?chǔ)能系統(tǒng)是由兩種裝置組成的，在計(jì)算時(shí)要將它們各自的費(fèi)用加起來(lái)共同作為總成本，綜合考慮，把所得到的目標(biāo)函數(shù)值換算為儲(chǔ)能系統(tǒng)的年均費(fèi)用進(jìn)行表示，折算系數(shù)可以用它們每年各自的折舊值進(jìn)行表示。儲(chǔ)能系統(tǒng)在投入到某工程中后，通常會(huì)使用到該工程報(bào)廢時(shí)期，期間肯定要進(jìn)行維修以及損毀更換等。而一般的工程項(xiàng)目持續(xù)時(shí)間都比較長(zhǎng)。因此本文將混合儲(chǔ)能的使用時(shí)間段分成三個(gè):設(shè)計(jì)建設(shè)階段、運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段以及報(bào)廢處置階段，分別計(jì)算出各時(shí)間段的花費(fèi)再將它們都加起來(lái)得到總成本。各階段成本表示如圖3-1。圖3-1儲(chǔ)能系統(tǒng)的分階段成本下面詳細(xì)介紹優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的建立：1）設(shè)計(jì)建設(shè)初期這一時(shí)期產(chǎn)生的花費(fèi)稱為一次性投入成本CivCiv式中：m和n分別表示兩種儲(chǔ)能裝置即電池和電容器的配置個(gè)數(shù)；fba和fuc分別表示兩種儲(chǔ)能裝置的單價(jià),k2）運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段該階段的所產(chǎn)生的成本主要是儲(chǔ)能裝置的運(yùn)行花費(fèi)Coc和維護(hù)費(fèi)用Cmc。

Cmc式中：kocba、kmcba分別為蓄電池的運(yùn)行成本系數(shù)和維護(hù)成本系數(shù)；3）報(bào)廢處置階段在此階段產(chǎn)生的費(fèi)用稱為處置成本CdcCdc最終表達(dá)式:(3-15)3.3.2約束條件1.蓄電池相關(guān)約束1）功率約束根據(jù)上文中對(duì)蓄電池的分析，可以知道如果在充放電的過(guò)程中超過(guò)了充放電終止電壓的界限，即對(duì)蓄電池進(jìn)行了過(guò)充或者過(guò)放，那么蓄電池的使用壽命會(huì)因此受到影響。因此使用下面的式子進(jìn)行約束。（3-16）（3-17）除此之外蓄電池的輸出功率還要維持在基本負(fù)荷之內(nèi)，即要滿足下式：（3-18）式中，α為基本功率占全部不平衡功率的比例，本文中取α=0.7。2）容量約束根據(jù)公式(2-14)可以計(jì)算出蓄電池在任意時(shí)刻的荷電狀態(tài)，本篇文章把SOC的初始值定為0.5。根據(jù)前文第二章中的介紹，為了避免深度放電對(duì)蓄電池造成損害，對(duì)其SOC進(jìn)行如下約束：（3-19）2.超級(jí)電容器相關(guān)約束1）功率約束超級(jí)電容器不僅功率密度高并且還有很長(zhǎng)的循環(huán)壽命，所以它在使用期間可以進(jìn)行相當(dāng)多次的充放電使用而基本不需要維護(hù)，即它的充放電對(duì)自己的壽命幾乎沒(méi)有影響。但是，其自身對(duì)應(yīng)所使用的型號(hào)會(huì)有相關(guān)的功率和能量約束，如下式所示。（3-20）(3-21)2）容量約束它的荷電狀態(tài)SOC對(duì)其自身電壓會(huì)產(chǎn)生較大的影響，SOC太小的時(shí)候，超級(jí)電容器的端電壓也會(huì)變得非常小，這會(huì)影響電容器的輸出功率，使它的輸出無(wú)法滿足規(guī)定要求。而如果想要通過(guò)提升電容器端電壓來(lái)讓其能夠儲(chǔ)存更多容量的話，則可能會(huì)引起另一不好的結(jié)果，超級(jí)電容器的端電壓會(huì)超過(guò)安全范圍，可能會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。所以超級(jí)電容器要滿足如下約束：(3-22)3.系統(tǒng)功率平衡約束為了發(fā)電部分與所帶的負(fù)荷部分更好地配合，使得負(fù)載可以平穩(wěn)可靠地運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)中的光伏輸出功率、風(fēng)力輸出功率和混合儲(chǔ)能的充放電功率要與所服務(wù)的負(fù)荷的用電需求功率保持平衡，即滿足下式：（3-23）除此外，蓄電池的充放電功率Pba（kt，m）和超級(jí)電容器的充放電功率Puc（kt，n）以及（3-24）3.4本章小結(jié)本章主要對(duì)蓄電池和超級(jí)電容器的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了介紹和分析，并且在全壽命周期理論的基礎(chǔ)上把蓄電池和電容器的成本最小當(dāng)作目標(biāo)得到了優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并且結(jié)合蓄電池和電容器的相關(guān)約束得到了約束條件，為下文的具體求解打下了基礎(chǔ)。4混合儲(chǔ)能優(yōu)化模型求解及結(jié)果分析隨著社會(huì)發(fā)展的越來(lái)越快，人們對(duì)許多問(wèn)題的認(rèn)識(shí)越來(lái)越清晰，對(duì)問(wèn)題的解決方法要求越來(lái)越高。為了應(yīng)對(duì)實(shí)際中越來(lái)越復(fù)雜的優(yōu)化問(wèn)題，也為了使求得的結(jié)果更準(zhǔn)確，我們對(duì)算法的要求也變得越來(lái)越高，一個(gè)好的契合求解模型的算法可以幫助我們快速而準(zhǔn)確地求得所需要的最優(yōu)解，從而大大提高工作效率。在各位前輩專家的長(zhǎng)時(shí)間學(xué)習(xí)與研究下，越來(lái)越多的智能算法被發(fā)明，它們有著各自不同的優(yōu)勢(shì)，幫人們解決了一個(gè)又一個(gè)問(wèn)題。本章在前文中所建立目標(biāo)函數(shù)和約束條件的基礎(chǔ)上，選用細(xì)菌覓食算法來(lái)對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，得到混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中蓄電池和超級(jí)電容器的最優(yōu)容量比。4.1細(xì)菌覓食算法基本原理現(xiàn)在所使用的人工智能算法，很大一部分都是通過(guò)模擬我們生活的大自然中的某一個(gè)過(guò)程，將其原理類比應(yīng)用在算法中，通過(guò)編寫程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。這篇文章所選用的細(xì)菌覓食算法（BacterialForagingAlgorithm,BFA）也正是這樣被發(fā)明出來(lái)的，所模擬的過(guò)程為大腸內(nèi)的桿狀細(xì)菌尋找食物的流程。這一算法與其他一般算法的不同之處為，在使用中如果未對(duì)迭代的次數(shù)進(jìn)行要求或者對(duì)結(jié)果的精確程度沒(méi)有限制的時(shí)候，此算法也可以正常完成獲得結(jié)果，其結(jié)束的標(biāo)志為細(xì)菌菌落的死亡，并且在這種情況下，它的結(jié)果仍然在一定的可靠范圍內(nèi)，即滿足一定精度要求。細(xì)菌在搜尋食物的時(shí)候，依靠長(zhǎng)在細(xì)菌菌體上的細(xì)長(zhǎng)而彎曲的具有運(yùn)動(dòng)功能的蛋白質(zhì)附屬絲狀物進(jìn)行移動(dòng)，這里將其移動(dòng)的動(dòng)作分為分為游動(dòng)和翻轉(zhuǎn)兩種。顧名思義，游動(dòng)指細(xì)菌進(jìn)行游行、浮動(dòng)，翻轉(zhuǎn)則指細(xì)菌進(jìn)行旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。正是由于表面的附屬絲狀物的不同動(dòng)作，而使得細(xì)菌產(chǎn)生了這兩種不同的動(dòng)作。在搜索食物的過(guò)程中，任何生物都有趨利避害的本能，大腸桿菌也是如此，它會(huì)靠近有好處的地方，原理對(duì)自己有害的地方。程序中也是仿造這一原理來(lái)使得解不斷靠近能使目標(biāo)函數(shù)變大的地方。下面的圖4-1示意了游動(dòng)和翻轉(zhuǎn)動(dòng)作。在觀察中，還注意到當(dāng)細(xì)菌解決了其自身的生存問(wèn)題之后，會(huì)出現(xiàn)分裂現(xiàn)象，即一個(gè)細(xì)菌在發(fā)育程度變高之后會(huì)進(jìn)行分裂動(dòng)作，生成兩個(gè)細(xì)菌。而針對(duì)這一過(guò)程，在算法中仿造細(xì)菌分裂加入了復(fù)制操作，將那些相對(duì)更好的解進(jìn)行這一操作，這樣可以更快的進(jìn)行尋優(yōu)操作。算法中的驅(qū)散操作則是仿照實(shí)際中的那些因各種原因而無(wú)法適應(yīng)環(huán)境的細(xì)菌會(huì)被淘汰，將那些不符合優(yōu)化目標(biāo)的解進(jìn)行舍棄。圖4-1游動(dòng)和翻轉(zhuǎn)動(dòng)作示意圖經(jīng)過(guò)以上的分析，可以知道這一算法是通過(guò)對(duì)細(xì)菌的覓食流程進(jìn)行模擬，仿造其中的幾個(gè)主要步奏尋找、復(fù)制、淘汰操作來(lái)進(jìn)行對(duì)最適合于實(shí)際問(wèn)題的解的進(jìn)行尋找。算法在MATLAB中進(jìn)行程序的編寫，其原理較簡(jiǎn)單，程序容易理解，并且對(duì)許多的函數(shù)類型求解都滿足，具有很大的發(fā)展前景。4.2算法實(shí)現(xiàn)步驟在應(yīng)用BFA算法過(guò)程中，首先要建立適用于它的模型，并對(duì)模型中的各個(gè)參數(shù)與實(shí)際問(wèn)題中相對(duì)應(yīng)。假如我們最終要得到的結(jié)果是一個(gè)矢量，將其記為θ=[θ1,θS:種群中的細(xì)菌數(shù)量；NcNsNreNedPed圖4-2BFA模型求解流程圖BFA算法包括趨化、復(fù)制和驅(qū)散三個(gè)步驟。1）趨化。指細(xì)菌會(huì)依靠長(zhǎng)在細(xì)菌菌體上的細(xì)長(zhǎng)而彎曲的具有運(yùn)動(dòng)功能的蛋白質(zhì)附屬絲狀物進(jìn)行趨利避害的移動(dòng)。將這一過(guò)程具體到算法中，程序?qū)崿F(xiàn)步驟為：初始時(shí)刻，先隨便移動(dòng)一步，然后計(jì)算函數(shù)值，若增大，則繼續(xù)向此方向移動(dòng)，反之，則進(jìn)行原地旋轉(zhuǎn)，繼續(xù)上述判斷過(guò)程。當(dāng)移動(dòng)步數(shù)達(dá)到所設(shè)定的最大值或者是函數(shù)值無(wú)法繼續(xù)變大時(shí)，操作結(jié)束。式（4-1）所示為第i個(gè)細(xì)菌進(jìn)行的操作。（4-1）上式中：j、k、l分別表示正在進(jìn)行的趨化、繁殖、驅(qū)散過(guò)程次數(shù)；而θi(j,k,l)是相應(yīng)的第i個(gè)細(xì)菌的空間矢量；?表示單位方向向量，?∈（?1，1）；C（i）為第2）復(fù)制。仿照細(xì)菌進(jìn)行的分裂操作，對(duì)應(yīng)至算法程序中則為對(duì)經(jīng)過(guò)搜索后使得目標(biāo)函數(shù)變大的細(xì)菌進(jìn)行復(fù)制操作，而淘汰掉排序中處于后面一半的細(xì)菌。判斷排序標(biāo)準(zhǔn)的式子如下：（4-2）上式中：Nc3）驅(qū)散。為了使算法最終得到的結(jié)果是在所有的解空間里能夠得到的最好的解，在進(jìn)行完復(fù)制以后，細(xì)菌將會(huì)以一定的幾率被驅(qū)離到任何可能會(huì)出現(xiàn)解的位置，之后繼續(xù)前述步驟尋找最優(yōu)解。加入這樣一個(gè)過(guò)程可以防止出現(xiàn)求得的解為某一局部地區(qū)的最優(yōu)解的情況。在本文中，結(jié)合到下述實(shí)例中時(shí)，該算法實(shí)現(xiàn)的各個(gè)步奏如下：第一步對(duì)參數(shù)進(jìn)行初始化p，S,N第二步進(jìn)行驅(qū)散循環(huán)：l=l+1第三步進(jìn)行復(fù)制循環(huán)：k=k+1第四步進(jìn)行趨向循環(huán)：j=j+11）第i個(gè)細(xì)菌執(zhí)行趨向指令，i=1，2，…，S2)計(jì)算此時(shí)適應(yīng)值J(i，j，k，l）3）令Jlast4）翻轉(zhuǎn)、游動(dòng)，利用公式（4-1）來(lái)更新細(xì)菌位置5）計(jì)算J(i，j+1，k，l）的值6）執(zhí)行游動(dòng)操作：I）令m=0II）如果m令m=m+1若J(i，j+1，k，l）<Jlast，則令Jlast返回5）處，然后在同一方向上根據(jù)步長(zhǎng)C來(lái)計(jì)算新的J(i，j+1，k，l）否則，令m=7）返回2）處，處理下一個(gè)細(xì)菌i+1第五步若j<第六步復(fù)制：把細(xì)菌的Jhealthi第七步如果k<N第八步驅(qū)散：細(xì)菌群體在經(jīng)過(guò)規(guī)定次數(shù)的復(fù)制過(guò)程后，所有的細(xì)菌個(gè)體都被以概率Ped驅(qū)離到所有可能存在解的位置，并且隨之生成新個(gè)體。如果l菌覓食算法優(yōu)勢(shì)：1）細(xì)菌的趨化行為使得細(xì)菌可以通過(guò)連續(xù)的移動(dòng)與判斷操作來(lái)對(duì)某一區(qū)域進(jìn)行連續(xù)且快速的尋優(yōu)。2）通過(guò)復(fù)制行為可以使得群體整體上更靠近最優(yōu)解，這可以加快算法的尋優(yōu)速度。3）驅(qū)散行為的加入是為了讓細(xì)菌避免陷人局部最優(yōu)值，可以使結(jié)果更可能是全局最優(yōu)解。整個(gè)細(xì)菌群體都在不斷重復(fù)以上三種行為,這樣就形成了快速高效的尋優(yōu)模式。4.3算例工況介紹4.3.1算例樣本數(shù)據(jù)的選取不管我們進(jìn)行的什么研究，對(duì)算例樣本數(shù)據(jù)的選取都是十分重要的，選取好的樣本能夠使得最后的結(jié)果更加具有代表性，驗(yàn)證結(jié)果也更具有可信度。本文中所研究的風(fēng)、光等的出力容易受到自然天氣情況等的影響，在氣候條件不同的季節(jié)下其出力曲線也會(huì)隨著變化，所以在選取數(shù)據(jù)時(shí)，要選取具有代表性的時(shí)間段，這樣才能使結(jié)果更具有可靠性。根據(jù)了解相關(guān)文獻(xiàn)中關(guān)于數(shù)據(jù)選擇的方法，主要有以下兩種：一:選擇代表性較好的年份的所有數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)去分析計(jì)算，最終得到優(yōu)化結(jié)果。這樣做，雖然能夠獲得比較準(zhǔn)確的優(yōu)化結(jié)果，不過(guò)其工作量也將會(huì)很大。除此之外，另一個(gè)問(wèn)題就是首先得獲得全年的各詳細(xì)數(shù)據(jù)，這一般很難做到。二：選擇代表性較好的某一天的數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)經(jīng)過(guò)分析計(jì)算得到優(yōu)化結(jié)果。雖然說(shuō)這樣做會(huì)減少工作量，加快工作進(jìn)度，但是相應(yīng)的精度方面肯定會(huì)受到影響，只選取一天的數(shù)據(jù)很難反映全年四個(gè)季節(jié)的情況，這兩種情況都有利有弊。本文的數(shù)據(jù)選取方案采用方式二，選擇某一天的風(fēng)力、光伏的出力以及負(fù)荷的數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的電池與電容器的容量比進(jìn)行優(yōu)化。在本文所選擇的該代表日，數(shù)據(jù)為每隔5分鐘進(jìn)行一次記錄得到的。4.3.2工況介紹上文所做的工作，都是為了研究?jī)?chǔ)能經(jīng)濟(jì)優(yōu)化配置，在經(jīng)過(guò)上文中的相關(guān)準(zhǔn)備工作后，還要實(shí)際選取一個(gè)符合要求的系統(tǒng)，按照所得出的模型以及計(jì)算方法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算求解，