基于粒子群優(yōu)化算法的儲能電站經(jīng)濟性優(yōu)化方法研究

中電建華東勘測設(shè)計院（深圳）有限公司 張學(xué)昶

隨著新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)中新能源并網(wǎng)容量不斷增加，這使得儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用中越來越重要。儲能電站在電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行、優(yōu)化資源配置、提高能源利用效率等方面發(fā)揮著重要作用。然而，在儲能電站建設(shè)之前，需要對儲能電站的經(jīng)濟性進行分析，以確保其建設(shè)具有較高的經(jīng)濟效益[1]。本文旨在介紹一種基于粒子群優(yōu)化算法的儲能電站經(jīng)濟性優(yōu)化方法，以提高儲能電站的經(jīng)濟性。

在實際工程應(yīng)用中，儲能電站的經(jīng)濟性會受到安裝以及維護運行等成本影響，因而需要綜合考慮其經(jīng)濟性并采用最優(yōu)方案。本文主要研究如何根據(jù)實際中的典型應(yīng)用場景，建立儲能電站在配網(wǎng)側(cè)的經(jīng)濟性價值評估模型，并利用粒子群優(yōu)化算法來確定儲能系統(tǒng)充放電控制經(jīng)濟性最優(yōu)策略。

1 儲能電站的研究現(xiàn)狀

蓄電池儲能技術(shù)的日益成熟與廣泛應(yīng)用，正逐步攻克風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源接入與消納所面臨的技術(shù)難題，緩解電網(wǎng)因需求波動而產(chǎn)生的調(diào)峰壓力，降低投資建設(shè)配套輸電線路容量的需求[2]。

目前，各種儲能蓄電池技術(shù)中，鉛酸蓄電池由于歷史悠久、技術(shù)成熟且成本較低而被廣泛應(yīng)用，但由于其能量密度有限、使用壽命短以及可能引發(fā)的環(huán)境問題，使得鉛酸蓄電池在實際應(yīng)用中的推廣逐漸受阻。鎳鎘電池在動力電池領(lǐng)域的應(yīng)用以達到一定的普及度，然而因其所帶來的重金屬污染問題日益突出，使得更為環(huán)保的鎳氫電池逐漸取代其地位。與此同時，鋰電池因受限于大規(guī)模集成技術(shù)的復(fù)雜性，始終未能在大容量應(yīng)用方面取得突破[3-4]。

新興鈉硫電池和液流電池技術(shù)日益受到人們的矚目，并在實際應(yīng)用中逐漸占據(jù)一席之地。鈉硫電池因具有高能量密度、高效率、環(huán)保性以及大容量等諸多引人注目的特點，被視為一種具有較大潛力的儲能技術(shù)，正在能源領(lǐng)域嶄露頭角。液流電池憑借其大容量、高效率以及超長的循環(huán)使用壽命等諸多優(yōu)勢，在新能源領(lǐng)域和電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用和高度認可。這些新興的儲能技術(shù)為提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率提供了一定的可能性。

2 儲能電站的經(jīng)濟性分析

2.1 初期投資成本

首先是儲能電站的初期投資成本。儲能電站初期投資成本主要包括：一是規(guī)劃設(shè)計成本，這包括進行項目研究和初步設(shè)計的費用；二是物資采購成本，涵蓋了設(shè)備的采購費用以及運輸費用；三是工程建設(shè)成本，涵蓋了設(shè)計費、安裝調(diào)試費、場地費、驗收費。上述成本總和即儲能電站的初期投資。綜合而言，儲能電站初期投資成本如下：

cje是儲能電站建設(shè)所需j類裝置單價；Nj是j類裝置數(shù)目；m是裝置種類數(shù)；lj是j類裝置運輸距離；cjt是運輸單價；ca是裝置的安裝調(diào)試費；A是儲能電站占地面積；cg是單位土地價格。

2.2 運行維護成本

儲能設(shè)備的操作與維護成本可劃分為運營成本和維修成本兩部分。其中，運營成本涵蓋了由于設(shè)備運行所產(chǎn)生的損失費用，以及定期進行的巡檢和檢查所產(chǎn)生的費用。立足于設(shè)備整個生命周期視角出發(fā)，為了得出準(zhǔn)確的經(jīng)濟評估，需要將通貨膨脹、稅收等各種經(jīng)濟因素都納入考量范圍，通過綜合計算得出一個社會折現(xiàn)率，然后依據(jù)這一折現(xiàn)率來確定每年費用的現(xiàn)值。因此，儲能電站第t年的運行維護成本通過下述公式來完成計算：

cOM,t是單位容量年運維成本（萬元/MW/年）；Psmax是儲能電站最大容量。

2.3 儲能裝置的退役成本

能量存儲單元的退役費用主要包括退役處理的人工費用、環(huán)境保護費用和銷售回收設(shè)備的剩余費用。儲能設(shè)備因其所使用的電池等特殊材質(zhì)，在退役后將帶來較大的環(huán)境成本，因此退役后的處理費用在儲能設(shè)備的總成本中占有相當(dāng)大的比重。殘值是指在資產(chǎn)的使用年限內(nèi)，在處理一項長期資產(chǎn)時可以預(yù)期獲得的價值，即資產(chǎn)殘值，通過雙倍余額遞減法來進行精確計算，以確定第a年資產(chǎn)的殘值C殘值，Ccaptials是資產(chǎn)初期投資金額，資產(chǎn)在折舊年限Nsi到達時的殘值為：

儲能電站退役成本為：

初始第0年設(shè)第1次投運，設(shè)第i次投運儲能設(shè)備壽命周期為Nsi。如達到及，總的投運次數(shù)為a+1次。各業(yè)務(wù)設(shè)備壽命不同，投運次數(shù)各有差異。再投入費用需計a次，殘值則多計一次。若設(shè)備未至退役年限，僅計殘值，不計人工與環(huán)保費。

儲能電站成本的現(xiàn)值為：

3 基于粒子群優(yōu)化算法的儲能電站經(jīng)濟性優(yōu)化方法

3.1 粒子群優(yōu)化算法

粒子群優(yōu)化算法是一種高效、收斂速度快的優(yōu)化方法，具有概念簡單、易于實現(xiàn)的特點，需要調(diào)節(jié)的參數(shù)較少[5]。本文采用粒子群優(yōu)化算法來解決儲能電站經(jīng)濟性的優(yōu)化問題。在電力系統(tǒng)的優(yōu)化計算和數(shù)學(xué)模型的求解中，粒子群優(yōu)化算法得到了廣泛地應(yīng)用。圖1展示了粒子群優(yōu)化算法的計算流程。在粒子群算法中，首先需要初始化種群。然后根據(jù)預(yù)設(shè)的目標(biāo)函數(shù)，計算每個粒子的適應(yīng)度值。接著隨機生成粒子的速度，并保存每個粒子的個體最優(yōu)值，同時更新粒子群的全局最優(yōu)值。隨后更新粒子的速度與位置，并且擴大種群的規(guī)模。在擴大種群規(guī)模的每一步中，都會更新每個粒子的個體最優(yōu)值與粒子群的全局最優(yōu)值。同時，判斷是否達到預(yù)設(shè)的最大迭代次數(shù)或者精度范圍。如果滿足條件，算法結(jié)束。

圖1 粒子群算法計算流程圖

3.2 基于粒子群優(yōu)化算法的儲能電站經(jīng)濟性優(yōu)化模型

由于儲能設(shè)備的運行年限一般較長，故也應(yīng)該從全壽命周期這一長時間尺度去優(yōu)化儲能設(shè)備的充放電控制策略，本文詳細對此進行了分析。在基于粒子群優(yōu)化算法的儲能電站經(jīng)濟性優(yōu)化模型當(dāng)中，本文以儲能電站的全壽命周期成本最小為目標(biāo)函數(shù)，如下式所示：

對于基于粒子群優(yōu)化算法的儲能電站經(jīng)濟性優(yōu)化模型當(dāng)中的約束條件，包括了儲能設(shè)備自身的充放電容量約束、充放電次數(shù)約束、儲能電池的荷電狀態(tài)約束等。

4 案例分析

近年來，電力用戶側(cè)的儲能設(shè)備安裝容量也在不斷提高，需要對儲能設(shè)備的容量配置及運行控制策略進行優(yōu)化，以便提高儲能設(shè)備安裝的經(jīng)濟性[6]。以某電力用戶為例，分析電力儲能設(shè)備的容量配置及運行控制策略。該電力用戶對于供電可靠性的要求較高，該用戶的日負荷曲線如圖2所示。

圖2 用戶的日負荷曲線

假設(shè)儲能設(shè)備的全壽命使用周期為30年，經(jīng)過對模型采用粒子群算法，并通過MATLAB 軟件編程求解，得出了儲能設(shè)備的最佳安裝容量為11.43MWh、儲能設(shè)備的額定功率為1.42MW，此時儲能設(shè)備的運行綜合效益為110萬元。在迭代計算的過程中，迭代次數(shù)的收斂曲線如圖3所示。

圖3 算法的收斂曲線

同時，通過下層優(yōu)化模型的求解，也得出了儲能設(shè)備的最佳運行控制策略。儲能設(shè)備在一天的時間尺度下的充放電運行策略如圖4所示。

圖4 儲能設(shè)備的運行充放電控制策略

從圖4的儲能設(shè)備運行充放電控制策略中可以看出，在夜間時段，由于此時的負荷較低，故儲能設(shè)備運行在充電狀態(tài)，總共充電了一次。而在白天時段，此時的用電負荷水平較高，故儲能一般運行在放電狀態(tài)，以滿足用戶的實際用電需求，總共放電了兩次，達到了優(yōu)化儲能設(shè)備運行的目的。本文詳細分析了儲能設(shè)備在運行過程中的成本及效益，并建立了儲能設(shè)備的運行優(yōu)化控制模型。采用粒子群算法對所建立的模型進行求解，并開展了算例分析。結(jié)果表明，對儲能設(shè)備的容量及充放電控制策略進行合理地優(yōu)化，具有較高的經(jīng)濟效益。

綜上所述，儲能環(huán)節(jié)的引入為電力系統(tǒng)帶來了積極的影響。儲能環(huán)節(jié)的實施能夠?qū)崿F(xiàn)需求側(cè)的有效管理，通過消除晝夜間的電力峰谷差異，實現(xiàn)負荷的均衡分配。提高了電力設(shè)備的利用效率，降低了供電成本。同時，儲能環(huán)節(jié)在推動可再生能源利用方面也發(fā)揮著重要作用，其能提升系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，調(diào)整電網(wǎng)頻率，并對負荷波動進行有效補償。本文所探討的基于粒子群優(yōu)化算法的儲能電站經(jīng)濟性優(yōu)化方法，對于提高電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性具有重要意義。