基于HOMER的微电网储能初级配置及并网仿真研究

摘 要：要降低可再生能源功率波动给电网安全稳定运行带来的影响，在微电网中引入复合储能系统是一种行之有效的解决方案。利用可再生能源互补发电优化建模软件对微电网中的储能组件进行初级配置，得到了经济条件最优下的储能电池容量，为后续详细的储能电池配置提供了基础。

关键词：可再生能源功率;HOMER;初级配置;储能电池容量

0    引言

可再生能源发电具有波动性和间歇性的特点，所以高比例接入电网会引起电压和频率波动等电能质量问题[1-2]。在微电网中接入储能设备是一种行之有效的解决方案。目前，一种储能介质很难满足电网对储能的多维度和多尺度要求，而由磷酸铁锂电池和超级电容器组成的复合储能系统（Hybrid Energy Storage System，HESS）兼具高能量密度和高功率密度特性[3]，因此，研究基于能量型储能和功率型储能的复合储能的微电网具有极其重要的意义。

可再生能源互补发电优化建模软件（Hybrid Optimiz-

ation Model for Electric Renewable，HOMER）是用于微电网组件容量初级配置研究的经济技术分析软件[4]。HOMER可以对小时级数据进行仿真，时间尺度较大，因此，利用HOMER软件对微电网中的复合储能总体容量进行初级配置，就可以得到经济条件最优下的储能电池总体容量配置。

1    拓撲结构

图1为一个典型的微电网拓扑结构，该微电网主要包括：磷酸铁锂电池和变流器组成的储能系统、光伏发电系统、风力发电系统以及各种交流负荷。

首先，根据该系统的设计方案在HOMER软件中搭建仿真模型，依次添加光伏电池（PV）、风力发电机（Generic）、蓄电池（H3000）、交流负荷（Load）以及变流器（Converter）。该微电网并网模式下仿真示意图如图2所示。

2    基本组件

微电网组件的容量优化配置需要根据所在地的地理位置、气象条件、电网资料等来确定各组件类型、功率和容量等参数。本文主要从经济性[5]考虑，相关经济参数设置如表1所示。

若微电网设计寿命为25年，由表1可知，在微电网寿命周期内仅光伏电池不用置换。除表1所述参数外，其他参数如下：（1）光伏发电的占地面积约为每10 kW占地100 m2，由于工程土地资源限制，允许的光伏发电最大装机容量为400 kW。仿真中光伏电池发电容量的决策变量设置为0/

50/100/150/200/250/300/350/400 kW。（2）每台风力发电机的额定容量为10 kW，风力发电机台数的决策变量设置为0、5、10、15、20。（3）所用电池单体标称电压为2 V，标称容量为3 000 Ah（6 kW·h），SOC限值为30%～100%，但实际使用中电池最大SOC通常为85%。每10个电池单体串联形成电池组，电池组间采用并联形式，电池组设置为0、5、10、15、20。（4）设置变流器的整流效率和逆变效率均为95%，变流器容量的决策变量为50/100/150/200 kW。

3    可再生能源存量

根据地理位置坐标，从美国宇航局（NASA）的相关网站（https：//power.larc.nasa.gov/）上获取所需历史气象资料。某地区坐标为东经119°60′、北纬32°30′，这里获取了该地2015—2019年的气象数据并取月平均值。表2所示为按月统计所得平均太阳辐照度S、清晰度指数k（空气的清浊程度）以及50 m高度风速数据，由统计结果可知该地太阳能和风能资源较为丰富。

将统计得到的太阳能和风能资源数据输入到HOMER中相应的Solar resource和Wind resource配置组件中。为了尽可能模拟得到较为准确的出力曲线，在光伏组件中日辐照度敏感值（平均辐照度数值）分别取3.995、4.995和5.995，当日辐照度敏感值取4.995时，太阳能资源分布情况如图3所示。同理，在风电组件中风速的敏感值（平均风速数值）分别取4.620、5.620和6.620，当风速敏感值取5.620时，风能资源分布情况如图4所示。

4    仿真分析

在微电网并网运行模式下，按照全寿命周期净现成本最低选择微电网组件的配置方案，并以储能容量最大值作为最终的储能容量设定值。微电网组件配置中，要考虑以下几个因素：（1）电价，包括购电电价和售电电价（上网电价）;（2）电量交互，包括微电网向大电网购售电电量和功率限制。

图5（a）所示为并网联络线功率为10 kW时，风/光/储不同配置下总净现成本与风速及太阳辐照度的相关性;当并网联络线功率为20 kW时，相关性保持一致，这里不再图示。图5（b）所示为当示范区年平均太阳辐照度以及50 m高度风速分别为5.99 m/s和6.62 m/s时，各组件具体配置情况及各成本组成。

该条件下的风/光/储等组件最优配置结果如表3所示。该配置结果下，在微电网全寿命周期内，当联络线功率为10 kW时系统总净现成本最低为491 960美元，电池容量选择为50×6 kW·h。当联络线功率为20 kW时，不需要电池储能，所以本文不再分析讨论。各组件经济参数分布如图6所示。

图7所示为12个月内电池SOC平均每小时变化曲线，由曲线可知全年电池SOC变化范围在本仿真模型所选电池SOC限值范围30%～100%内，所以可避免出现电池过充、过放现象，但SOC处于高限值的时间段相对较长。

综合分析微电网孤岛运行和并网运行各自得到的最佳储能容量，取储能容量最大值可知：当微电网具有孤岛和并网两种运行模式时，得到储能最佳容量为100×6 kW·h，系统总净现成本为574 256美元。

5    结语

本文分析了影响微电网组件配置的主要因素，选取某地区含有风/光/储电源的微电网进行分析，得到了储能容量的初级配置结果。根据所获得的某地可再生能源存量的经济技术条件，设定微电网电源优化配置变量、系统性能以及联络线交互功率等约束条件，基于HOMER软件进行全年8 760 h的小时级仿真，在微电网全寿命周期（25年）净现成本最低的优化指标下，得到满足设计微电网要求的风/光/储优化配置组合，并得到了储能容量的初级配置结果。

[参考文献]

[1] 李建林，田立亭，来小康.能源互联网背景下的电力储能技术展望[J].电力系统自动化，2015，39（23）：15-25.

[2] 孙玉树，李星，唐西胜，等.应用于微网的多类型储能多级控制策略[J].高电压技术，2017，43（1）：181-188.

[3] 苏浩，张建成，王宁，等.基于分层优化的大容量混合储能系统能量管理策略[J].高电压技术，2018，44（4）：1177-1186.

[4] 周天沛，孙伟.风光互补发电系统混合储能单元的容量优化设计[J].太阳能学报，2015，36（3）：756-762.

[5] 李成，杨秀，张美霞，等.基于成本分析的超级电容器和蓄电池混合储能优化配置方案[J].电力系统自动化，2013，37（18）：20-24.

收稿日期：2021-07-21

作者简介：王晓晴（1989—），女，安徽蚌埠人，硕士，工程师，研究方向：设备运维、微电网控制。