考虑成本-性能权衡的两阶段方法：面向频率稳定的光伏读档与电池储能系统最优协调
2026-06-06 11:46:36 点击： 次
光伏电站正日益融入现有电网，导致电网频率安稳性明显下降。为在突发状况下保持安稳性，电池储能体系（BESS）常被用作备用计划，但本钱相对较高。另一种无需外部储能且经济性更优的辅佐机制是光伏体系的减载运转。但是，因为光伏发电的间歇性特性，此类备用容量或许面对不足。因而，本文提出一种归纳性的两阶段办法，以确认光伏减载（deloaded PV）与电池储能体系（BESS）的最优组合配置，然后保证电网频率安稳性。首先，选用粒子群优化算法（PSO）核算不同光伏减载备用容量下的最优BESS规划；随后基于这两组变量树立线性回归模型。接着，经过在本钱维度赋予两者平等权重，确认最优组合计划。该办法在IEEE 39节点体系上针对不同光伏浸透率水平进行了验证。 （根据术语表要求，"Load"在电力体系语境下译为"负载"，但原文"deloaded PV"作为专业术语组合保存为"光伏减载"；"BESS"作为储能体系规范缩写未翻译；"PSO"为算法简称保存不译；"IEEE 39 bus"按世界惯例保存原始表述）研讨成果表明，在光伏浸透率为20%至50%的状况下，为供给38.67兆瓦至69.49兆瓦的电池储能体系（BESS）最优组合支撑，以及46.19兆瓦至87.26兆瓦的减载备用容量，预估本钱范围为5090万至8871万美元。验证显现，在给定约束条件下，该优化组合能有用保持大停电后的频率安稳性，其频率响应体现优于独自使用减载光伏或BESS的计划。本研讨成果可为未来光伏-储能并网体系供给规划指导。
导言
为下降碳排放并推行绿色动力，各类可再生动力体系正逐渐取代传统同步发电机（SGs）[[1], [2], [3]]。据世界动力署（IEA）统计，2022年全球可再生动力装机容量估计增长逾8%，总量将达约320吉瓦[4]。在各类可再生动力中，太阳能光伏（PV）体系在电网中的集成份额正快速提高。文献[5]指出，全球太阳能光伏体系装机容量已从2005年的5吉瓦激增至2021年的940吉瓦。
但是，大规划光伏并网引发了若干安稳性问题，其中最严重的是频率失稳[6]。跟着电网惯性支撑减弱和旋转备用裕度下降，功率扰动（如发电机脱网）后频率将呈现剧烈动摇。为康复电网平衡，诸多研讨讨论了以可再生动力为主的电力体系中频率或电压调理战略的实施。文献[7]作者研讨了低频减载计划(UFLS)，以遏止频率下降并防止体系溃散。文献[8]对电压与频率操控器的功能剖析及局限性的研讨进行了总述。提高储能设备布置是改善频率响应的常用办法。文献[9]提出了一种基于新型级联分数阶歪斜积分微分(CFOTID)操控器的负荷频率操控机制。该办法选用樽海鞘群算法对操控器参数进行微调，经过更有用地抑制大范围频率偏差，然后提高电容式储能体系的功能。文献[10]使用蜻蜓算法优化了储能体系歪斜微分滤波器-歪斜积分微分滤波器（TDF-TIDF）操控器的变量。该计划在为可再生动力混合微电网供给动态频率调理时展现出更高的效率。但是，这些研讨均未归纳考虑电网频率响应与经济本钱来优化储能体系的容量。
在各类储能机制中，电池储能体系（BESS）最为突出[11]。该存储技能具备在突发事故时向电网快速注入额定调度功率的能力。已有诸多研讨针对电网或电力体系中已设备BESS的运转展开讨论。文献[12]对先进电池热办理体系的需求进行了评述，该体系可防止动态工况下快速充电速率导致的功能阑珊与热失控状况。在文献[13]中，作者经过树立自然对流与强制对流的数值模型，研讨了电池的冷却功能。其中强制对流展现出更优异的效果，使电池组温度呈现24.77%至28.82%的坠落。文献[14]则针对不同工质展开了热办理体系的试验研讨，成果表明基于多壁碳纳米管的纳米流体功能最佳，可完结电池温度最大17.1℃的坠落。但是这些研讨均未剖析该电池在经过供给辅佐服务改善电网频率功能方面的使用。
除电池办理外，大量研讨[[15], [16], [17], [18], [19], [20], [21]]也聚集于在可再生动力并网中布置频率响应的电池储能体系（BESS）。文献[15]体系总述了多种BESS技能的功能与本钱剖析。Mohamad等学者提出了考虑潮流约束与网络拓扑的BESS最优容量配置战略[16]。针对光伏微电网，文献[17]提出了一种双层BESS容量规划战略。此外，考虑频率安稳性提高的电池储能体系(BESS)最优容量配置问题，选用元启发式办法[18]和启发式办法[19]的研讨亦有文献记载。文献[20]中，作者经过三种不同的元启发式算法评价了光伏-电动汽车并网体系中BESS的最佳选址与容量确认。文献[21]则评价了在光伏-风电混合并网体系中，经过BESS优化配置完结的体系本钱下降。尽管BESS能供给快速牢靠的支撑，但其设备与运营本钱仍然较高。因而，单纯依赖此类支撑技能会给电网规划者带来明显的本钱负担。
值得注意的是，光伏电站经过以"减载"形式运转，无需任何外部设备辅佐即可参与频率调理[22]。该办法在常规运转期间保存部分潜在光伏发电能力不予利用，即光伏电站以减载形式运转。当呈现功率不平衡时，预留的光伏电力可即时馈入电网，然后改善频率响应。需特别指出，因为无需设备外部储能设备，该计划具有本钱优势。
多篇研讨文献已对用于频率调理的读档光伏机制展开讨论[[22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32]]。例如，文献[22]提出了两种光伏读档操控战略，并经过比照电池储能体系评价了读档光伏计划的经济性。为完结大容量电力体系的黑启动能力，学者们在文献[23]中提出了一种集中式光伏发电的运转操控办法。文献[24]的研讨成果表明，经过结合光伏体系的下垂操控与惯性响应操控，可有用提高电网频率调理功能。文献[25]提出了一种集成体系惯性预测的并网光伏体系频率操控增强办法。关于光伏读档运转的下垂操控与紧急操控形式，文献[26]供给了具体论述。文献[27]提出光伏体系备用功率操控战略，保证在辐照度与温度动摇下保持恒定读档水平。针对局部暗影条件下的光伏体系频率操控机制，文献[28]展开了深入讨论。当前文献中还触及回归剖析[29]与神经网络技能[30,31]的光伏备用容量估算办法。此外，文献[32]作者提出基于回归剖析的读档百分比优化算法，该研讨归纳考虑了频率响应评价指标。
但是，因为光伏发电的动摇性与间歇性，减载机制并非始终牢靠。鉴于此，蓄电池储能体系（BESS）可与减载光伏协同运转，以保持满足的频率安稳性。寻求减载光伏与BESS的最优组合，对于在最小化本钱的一起最大化频率响应功能至关重要。但现有文献均未将减载光伏与BESS归入统一结构考量，更缺少在兼顾频率响应约束与本钱的前提下确认二者最佳配比的办法论。本研讨的主要科研空白可归纳如下：
- •大多数研讨聚集于电池储能体系(BESS)与减载备用的独立运转。但是，这种分离式运转或许因可用性与本钱因素发生局限，这凸显了选用BESS-减载联合运转方式的必要性。
- •目前缺少针对公用事业规划浸透率下光伏体系整合减载操控器与BESS的全面经济性剖析。
- •在安稳性和经济效益方面，BESS-减载联合运转计划与其独立使用计划的功能比较没有得到体系评价。
为添补上述研讨空白，本文提出一种两阶段归纳办法，用于确认可再生动力并网体系中降载光伏与电池储能体系的最优组合计划。因为可再生动力并网后电网动态特性增强，传统确认性优化办法耗时低效。相比之下，启发式算法可以获得更快、更高效且更精确的优化成果。为此，本研讨选用闻名的粒子群优化算法（PSO）来确认固定降载光伏容量下的最优电池储能体系规划[33]。在启发式算法中，该办法虽实施战略根底，但能有用完结全局查找。此外，该算法易于并行化处理，且对规划参数的规划变化不敏感[34]。优化完结后，可树立优化后电池储能体系与对应降载光伏容量之间的工作关系。第二步，对支撑机制的所有潜在组合进行全面的本钱剖析。需注意，本研讨赋予两个体系平等的本钱权重，在下降开支的一起保证供给充沛辅佐。随后经过确认组合间的匹配本钱点（即均衡本钱点），识别出减载光伏（deloaded PV）与电池储能体系（BESS）的最佳组合。该办法在改善的IEEE 39母线新英格兰体系[35]中予以实施。所有对应模拟与优化均在DIgSILENT PowerFactory与Python协同渠道[36]上完结。简言之，本研讨工作的具体奉献如下所述。此外，表1展示了所提办法与近五年相关研讨的比照成果。
- •本文提出了一种新颖的两阶段优化办法，该办法在考虑频率调理与经济运转的前提下，寻觅光伏减载容量与电池储能体系容量的最佳配置组合。该建模办法归纳考虑了发电机组出力限制、经济性因素、电池储能体系运转特性，以及频率最低点（frequency nadir）和频率变化率（ROCOF）等频率响应要害参数。
- •构建回归剖析结构以评价所提办法中不同光伏减载量对应的最优电池储能体系容量之间的相关性，一起保持电网频率安稳性。该回归模型后续被用于估算多种减载-储能组合计划的本钱，然后挑选最具经济效益的配置选项。
- •为验证该战略的有用性，研讨展开四项事例测试，经过将光伏浸透率从20%调理至50%，体系评价从低份额到大规划光伏并网场景下的战略体现。
- •为验证该办法，各事例研讨中均将最优组合的功能与规划适当的单支撑体系（即减载光伏与储能体系）进行了比照。