基于UPS退役电池的微电网经济环保研究

基于 UPS退役电池的微电网经济环保研究

邓强

中国民用航空西南地区空中交通管理局 四川省成都市 610200

摘要：针对UPS的退役电池仍然存在一定的利用空间的特点，以经济性和环保性最优为目标，建立一个包含退役电池、柴油发电机、光伏和小型风力发电机的微电网经济环保调度模型。采用粒子群算法进行求解，通过仿真算例表明，优化后的运行调度方式能够达到发电成本最低和对环境影响最小的目标。

关键词：UPS退役电池；微电网；经济性；环保性

0引言

UPS设备需要配备大量的蓄电池作为市电断电时的动力来源，正常情况下处于浮充状态，当市电因为意外导致失电时，蓄电池将为负载提供应急电能供应。由于蓄电池的状态直接影响到UPS供电系统的稳定性、安全性和可靠性。因此，即使UPS蓄电池未出现漏液、变形、内阻急剧升高等异常现象，也要按厂家设计使用寿命进行更新^[1]。

UPS的蓄电池大多数时间是以浮充方式运行，远未达到蓄电池1000~1500的理论充放电次数^[2]。因此，在正常使用后退役下来的铅酸蓄电池仍有一定利用空间。若将退役蓄电池用于微电网系统中，不仅充分挖掘利用了退役电池的剩余容量，相较于利用现役电池建立微电网，还能大大降低储能成本，具有非常好的经济效应。

随着日益严重的环境污染和能源短缺现状，各种以风光等清洁能源发电的分布式发电技术趋于成熟。由于小型化和地理优势，越来越多的分布式电源形成微电网，储能系统的接入使得微电网系统的稳定性更高。随着退役电池不断增加，将其合理的应用于微电网系统中，充分发掘退役电池二次利用的可能性。

综上所述，对利用退役电池建立微电网进行研究具有非常重要的意义。本文基于UPS退役电池，建立含UPS退役电池和分布式电源的微电网系统的环保经济调度模型，为UPS退役电池的利用提供一种方案。

1 含退役电池和分布式电源的微电网系统

本文微电网系统结构如图1所示，系统中接入了退役电池（RB）、柴油发电机(G)、光伏(PV）和风机(WT)。微电网系统通过公共连接点(PCC）与市电相连。系统内负荷由各分布式电源和市电共同供电。

图1 微电网系统结构

1.1 光伏发电模型

(1)

式中， 是太阳能光伏电池在时刻 的输出功率； 为标准测试环境下最大输出功率； 为标准测试条件下的光照强度； 为 时刻的地表实际光照强度； 是温度系数； 为光伏电池 时刻的表面温度； 为光伏电池在标准测试条件下的温度。

1.2 风力发电模型

(2)

其中， 是风力发电机 时刻的实际输出功率； 为风力发电机的额定输出功率； 为切入风速； 为切出风速； 为额定风速。

1.3 柴油发电机模型

(3)

其中， 为柴油发电机燃料成本； 为柴油发电机在 时刻的输出功率； 、 、 是柴油发电机的燃料成本系数。

1.4 电池模型

本文考虑蓄电池成本，主要由初始投资成本和运维费用组成。

(4)

(5)

其中， 为初始投资成本， 为单位功率成本， 为单位容量成本， 和 分别为储能系统额定功率和额定容量； 为运行维护成本， 为单位年运行维护费用， 为储能系统额定功率。

根据储能系统的使用年限和贴现率可将储能系统在全寿命周期内进行成本分摊，与年运行维护成本相加，可得年平均成本如下：

(6)

其中 为等年值系数：

(7)

式中， 为贴现率， 为储能系统使用年限。本文以一天的24个小时作为研究周期，储能系统周期内成本如下：

(8)

2 优化调度模型

根据经济性和环保性建立目标函数和约束条件。

2.1 目标函数

本文所建立的系统模型以运行成本和环境处理费用之和最小为目标：

(9)

其中， 为目标函数； 和 分别为系统运行成本和环境处理成本，计算如下：

(10)

(11)

其中， 为燃料成本、 为分布式电源的运维成本， 为分布式电源与大电网间的交互成本。 为总共的发电时间； 、 和 分别为相关污染气体 、 和 的处理价格； ， 和 分别是发出功率 时相应的污染物的排放量。

2.2 约束条件

功率平衡约束

(12)

分布式电源出力约束

(13)

交互功率约束

(14)

其中， 是 时刻微电网系统内的负荷大小； 、 、 、 分别为 时刻系统内的光伏、风机、柴油发电机和电池发出的功率；

为 时刻微电网系统与大电网间的交互功率； 为第 个分布式电源的输出功率； 与 分别为第 个分布式电源输出功率的上下限值； 与 分别是分布式电源与大电网传输功率的上下限值。

4 算例仿真

4.1 算例系统

本文采用matlab编程，利用粒子群算法对本文的模型进行以24小时为周期的优化调度。系统中包含额定功率为10kW的光伏、1000kW的风机、50kW的柴油发电机和40kW的蓄电池组，系统与大电网之间的最大传输功率为250kW。典型日负荷、光照、风速、温度及电价等数据见文献[3],系统中分布式电源经济性数据如表1所示，分布式电源排放系数及处理费用如表2所示。

表1 各分布式电源经济性参数

表2 环境参数

4.2 结果分析

采用粒子群算法分别求解现役电池和退役电池两种情况下，综合考虑经济性和环保性因素的最优解。其寻优过程分别如图2 (a)和(b) 所示。

a 现役电池 b 退役电池

图2 寻优过程

从图2可以看出，全新电池在迭代近100次时得到了最优结果，收敛在650附近，退役电池在迭代150次时得到最优结果，收敛在550附近。对比a和b两种情况下的最优解可知，在本文所建模型下，利用退役电池后，该系统能够付出更小经济和环境成本，即经济性和环保性达到最优。

最优解下，微电网的优化调度结果如表3。将光照和风速数据带入式（1）、（2）易得，光伏发电和风力发电均处于满发状态，这是由于本文模型综合考虑了经济性和环境性，而光伏发电和风力发电在经济性和环境性上都有较大优势，因此均工作在最大运行方式下。同时容易看出，在典型日数据下，电池利用的时段并不多，利用退役电池的经济性显然高于现役电池。

表3 最优结果

5 结论

本文对利用退役电池和多种分布式电源建立微电网进行了研究。在满足约束的前提下，综合考虑了系统经济性和环保性，建立以微电网系统运行成本和环境成本之和最小为目标的优化出力模型。求解结果表明，相对现役电池，利用退役电池和分布式电源建立微电网能够在环保性和经济性上有明显改善，对UPS退役电池的利用具有一定的参考价值。

参 考 文 献

[1] 民航西南空管局空管运行设备不间断电源（UPS）系统运行管理办法（试行）

[2] 张博维, 宋政湘, 王建华,等. 变电站退役电池的机理模型建立及仿真[J]. 电力电容器与无功补偿, 2018, 39(004):153-156.

[3]谢伟, 王灿, 贾建邦, 等. 基于分布式电源接入的电网环保经济调度策略方案[J]. 重庆电力高等专科学校学报, 2017, 05(v.22;No.97):32-35+52.