面向发展中国家混合柴油-光伏微电网的电池储能系统(BESS)综合容量与稳定性协同优化方法

本文针对发展中国家电网不稳定及光伏限电问题，提出了一种基于实时测量的集成化BESS容量规划方法。研究团队通过遗传算法优化柴油发电机调速器参数，结合暂态稳定性分析，实现了兼顾系统充裕性与稳定性的电池容量优化。案例应用显示，有限规模电池可降低42.9%年弃光率并减少64.1%频率波动，为偏远地区微电网规划提供了创新解决方案。

　　

在发展中国家偏远地区，可靠电力供应仍是制约社会经济发展的关键瓶颈。尽管微电网(Microgrid, MG)配储系统为这些地区提供了去中心化的供电解决方案，但如何协调不可预测的可再生能源与不确定负荷需求，仍是保障系统可靠性与经济性的核心挑战。特别是在撒哈拉以南非洲地区，全球80%无电人口集中于此，微电网系统的优化设计显得尤为重要。

传统电池储能系统(Battery Energy Storage System, BESS)容量规划方法存在明显局限：能量导向型方法往往基于简化模型，忽视系统动态特性；而稳定性分析又缺乏与实际运行数据的结合。特别是在数据匮乏的发展中地区，既缺乏详细的负荷与发电功率曲线，又缺少自动控制参数，导致现有研究多采用简化经济模型，仅评估微电网稳态运行，采用小时级时间离散化，忽视短时尺度波动，造成系统认知不全。

针对这一研究空白，意大利米兰理工大学研究团队在《Sustainable Energy Technologies and Assessments》发表论文，提出了一种面向发展中国家并网型混合柴油-光伏微电网的BESS综合容量规划方法。该方法通过有限测量数据获取负荷特性并评估系统暂态响应，采用实数编码遗传算法(Genetic Algorithm, GA)优化柴油发电机(Diesel Generator, DG)调速器参数，首次将充裕性要求与暂态稳定性分析纳入统一框架。

研究主要采用以下关键技术方法：1）基于现场测量的数据采集与处理，包括小时级离散化电力负荷记录和高分辨率频率采样；2）基于数值经济调度规则的BESS能量容量规划；3）多子代改进实数编码遗传算法对DG调速器参数进行高精度调优；4）DIgSILENT PowerFactory软件平台上的暂态稳定性仿真分析。数据来源为乌干达圣玛丽拉科尔医院微电网的真实运行数据。

研究结果方面，通过"BESS容量规划对微电网能量支持"分析表明：最优经济性方案为101.3 kWh容量和58 kW功率的BESS配置，可使柴油发电机耗量减少11.1%，年弃光率降低42.9%。图6所示的五天调度模拟显示，BESS在电网中断时（灰色区域）放电以确保向离网运行的平滑过渡。

在"BESS对微电网稳定性支持的容量规划"方面，研究人员开发了迭代调优框架，逐步缩小各参数变化范围。通过12个离网样本的调优，最终确定了DG调速器最优参数集（表5）。图11显示模拟频率振荡与现场测量高度吻合，验证了 governor 模型的高保真度。

"含BESS的暂态稳定性分析"结果表明：BESS对频率振荡的调节效果显著（图12）。当BESS功率能力逐步增加（10 kW、20 kW、30 kW）时，频率波动得到有效抑制。表6的定量分析显示，20 kW的BESS配置可使频率峰峰值波动减少64.1%，且频率调节服务所需的能量影响仅低于BESS容量的0.1%。

综合能量与稳定性要求，研究最终确定BESS综合容量为101.34 kWh和78.05 kW，总成本2.67万欧元，其中6.2%用于稳定性功能。该配置不仅显著提升系统稳定性，还带来可观的经济效益。

研究结论强调，在自消纳水平高且柴油发电机完全退出运行经济性不可行的背景下，BESS在稳定微电网动态方面的作用往往受到数据稀缺和DG行为不可靠表征的限制。本文提出的实数编码遗传算法将实际测量数据与数值容量程序相结合，确保了能量充裕性和稳定性考虑都得到优化处理。尽管存在BESS技术价格波动的经济可行性评估局限，但该方法为微电网规划提供了创新解决方案，特别适用于能源安全状况较差、低惯性系统的发展中地区。将能量套利与功率稳定性结合在统一框架内，可实现更精确的经济评估，并确保系统优化容量和规划以应对现实挑战，平衡高效能源管理与电网可靠性。

该研究的创新性在于首次提出了适用于数据稀缺地区的集成化BESS容量规划方法，通过遗传算法优化和暂态稳定性分析的结合，为发展中国家微电网建设提供了实践性强的技术框架，对推进全球能源转型与农村电气化具有重要意义。