引言

能源危机和环境恶化是全球所面临的共同问题，为解决这两大难题，必须要大力发展以太阳能技术、储能技术等为代表的分布式能源技术。分布式能源系统与传统的集中式供能系统相比，可满足负荷增长、减少环境污染、有效提高能源综合利用率；分布式能源系统具有位置灵活、安装方便的特点，满足了分散的能源需求；微电网作为分布式能源集中利用的绝佳载体，可实现与大电网互为备用，提供有效支撑。

光伏储能微电网是由分布式光伏、储能装置、本地负荷组成的包括发、输、配、用管理系统在内的微电网，并可通过公共连接点接入大电网，既可以并网运行也可以独立运行[1]。相比于传统的大电网供电方式，分布式光储微电网可以更好地满足用户越来越高的安全和可靠性要求，并为不同的用户提供多样化及个性化的供电需求，这也使得光伏储能微电网系统成为未来供能系统发展的重要方向。然而太阳能的不确定性、用户电力负荷需求的复杂性，以及峰谷电价的差异性，使得光伏储能微电网系统的设计难度也相应大大增加。为了充分利用可再生光伏资源，合理协调用户负荷与峰谷电差的矛盾，本文提出了一种光伏-储能微电网系统的优化设计方法。

1 光伏储能微电网

光储微电网由分布式光伏发电系统、储能电池系统、电网及负荷构成，其中电网可以是并网状态也可以是离网状态[2]。当光储微电网处于并网模式时，系统一般实行“自发自用、余量上网”的运行模式，即微电网电源优先给本地负载供电，富余电量送到地区电网，当微电网供电不足时，从电网购电满足本地负载；当光储微电网处于离网模式，本地负载供电全部由光伏和储能系统来满足，一般当光伏发电充足时优先供给负荷，多余部分给电池充电，当光伏发电不能满足负荷时则由电池系统放电。

1.1 微电网系统建模

1.1.1 光伏发电模型

光伏逐时输出功率PPVmdh由在标准额定条件(太阳辐照度为1000W/m2，电池温度TSTC为25℃)下的输出功率、光照强度和环境温度得到[3]:

，式中为标准额定条件下光伏额定输出功率；IS为工作点的辐照度；a为功率温度系数；T为工作点的电池温度；ρPV为标准额定条件下单位面积的光伏容量；APV为光伏装机面积。

1.1.2 储能电池模型[4]

储能电池模型首先要满足充放电平衡要求：，当h=1时，充放电平衡等式为，当h>1时，充放电平衡等式为：，以上式中为电池逐时毛充电量（k W）；为电池逐时净放电量（k W);Socinitial为电池初始SOC;为电池安装容量（k Wh);h表示时间。

1.2 微电网优化目标

系统设计的优化目标为年均投资总成本：，式中CINV为投资成本（元），CMTN运维成本（元），为购电成本（元），为售电获利（元）；CINV=CINV＿PV+CINV＿BAT，式中CINV＿PV为光伏投资成本（元），CINV＿BAT为电池投资成本（元）；CMTN=CMTN＿PV+CMTN＿BAT，式中CMTN＿PV为光伏维护成本（元），CMTN＿BAT为电池维护成本（元）。

，式中CRFPV为光伏投资资本回收系数，光伏单位容量投资成本（元/k W),为单位面积光伏容量（k W/m2),APV为光伏安装面积（m2);，式中CRFBAT为电池投资资本回收系数，为电池变动投资成本（元/k Wh），为电池固定投资成本（元），为电池装机容量（k Wh),XBAT为电池安装与否的整型变量（0或1）。

，式中为维护成本（元/k Wh),为光伏逐时发电量（k W);，式中为维护成本（元/k Wh),为电池逐时发电量（k W);，式中为购电电价（元/k Wh),为逐时购电量（k W);，式中为售电电价（元/k Wh),为逐时售电量（k W）；，式中r为贴现率，n为设备寿命（年）。

1.3 约束条件

光储微电网系统优化配置需要考虑的约束条件主要包括：

电功率平衡约束[5]。，式中Loadmdh为逐时电负荷（k W）。

光伏系统约束。主要包含光伏安装容量约束和光伏发电量约束，其中安装容量约束主要体现在光伏的安装面积上：，而光伏发电量主要受限于最大光伏装机功率：。其中分别表示光伏安装面积的上下限；XPV表示光伏是否安装的标识位，0表示不装，1表示安装。

电网系统约束。主要包含购售电容量约束式为：与，以及购售电状态约束式：(1）。其中分别表示购售电容量上限；（分别表示购售电状态，1表示购电或售电，0表示不购电或不售电，式（1）表示购售电状态不能同时存在，当全部为0时表示微电网处于离网运行模式。

电池系统约束。主要包含电池容量约束、充放电量约束以及充电状态约束：。其中，充电量约束：，表示充电效率；放电量约束：，表示放电效率；充放电状态约束：。

2 案例分析

以东部地区某用户用电负荷分析需求为基础展开研究，该用户平均日总用电量约为19.974MWh，负荷平均功率为832.25k W/h，负荷曲线如图1，该地区年太阳辐照度曲线和环境温度曲线如图2。具体设备技术经济性参数假设如下：光伏组件初始投资成本为2708元/k W，年运行维护费用为0.06元/W；储能电池初始投资成本为2000元/k Wh，年运行维护费用为0.012元/k Wh。光伏容量密度0.12k W/m2，假设安装面积上限为10万平方米；储能充电效率为97%，放电效率为98%，放电深度DOD为80%，假设储能安装容量上限为100MWh。

2.1 光储微电网离网系统

当光储微电网作为离网系统进行设计时，为满足用户用电负荷需求，需要以光伏发电作为电力唯一来源，在满足白天有辐照时的用电负荷同时，还需要储存足够夜间无辐照时的用电负荷，基于本文提出的优化模型，可计算出光伏的装机容量为4.4MW，储能安装容量为15.75MWh，系统投资成本为4354.26万元，运维成本1171.14万元，净现值1961.89万元。根据用户电负荷特性及辐照强度曲线，可以计算出系统具体运行情况如图3，其中光伏从早上6:00至晚上8:00一直有出力，在上午10:00到下午4:00这段时间内不仅用于满足用户电负荷需求，还要向电池内进行充电，其余时间段从凌晨1:00～9:00以及下午5:00～24:00电池均是处于放电状态。从图3可看出系统逐时的功率平衡关系，说明离网光储微电网系统设计容量合理。

2.2 光储微电网并网系统

并网情况下要考虑电网的电价，本案例中所在地区峰平谷电价分别为1.1元/k Wh、0.65元/k Wh、0.33元/k Wh，上网电价按照0.3元计算。光储微电网并网系统有并网不上网与并网上网两种情况，优化计算情况分别如下：

并网不上网。基于本文提出的优化模型可计算出光伏的装机容量为1970.9k W，储能安装容量为1084.8k Wh，系统投资成本为750.88万元，运维成本339.81万元，项目净现值2406.27万元。由此可看出相较于光储离网系统，并网系统投资成本大大降低，且项目的收益大大增加。

并网上网。基于本文提出的优化模型可计算出光伏的装机容量为3651.9k W，储能安装容量为341.7k Wh，系统投资成本为1058.69万元，运维成本582.88万元，项目净现值2998.61万元。由此可以看出，相较于并网不上网的情况，上网模式下项目总体投资有所增加，但是项目收益也相应增加了。

3 结语

本文论述的光储微电网系统建模及优化计算结果均十分可靠，可以作为光储微电网规划设计、投资评估的方法工具，本文提出的模型能够真正实现分布式光伏电源、储能系统友好接入电网，实现与配电网并网协调运行，实现微电网技术选型与用户负荷的最优化配置，解决太阳能的不确定性、用户电力负荷需求的复杂性，以及峰谷电价的差异性在微电网系统设计中的矛盾。

原标题：考虑并离网情况的微电网系统优化配置算法研究