張德舉,郭 力,王成山
(天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072)
高風(fēng)電滲透率下的獨(dú)立型微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度方法
張德舉,郭力,王成山
(天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072)
該文針對包含柴油發(fā)電機(jī)、風(fēng)機(jī)和電池儲能系統(tǒng)的獨(dú)立型微網(wǎng),以運(yùn)行成本最小為優(yōu)化目標(biāo),建立了考慮系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)特征的優(yōu)化調(diào)度模型。選取風(fēng)功率削減因數(shù)、發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)電壓、電池充放電功率以及功率變換器PCS(power conversion system)的無功補(bǔ)償功率作為優(yōu)化變量,利用考慮潮流的遺傳算法對模型進(jìn)行求解。該模型不僅為包含網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的獨(dú)立型微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度提供了方法,同時(shí)還分析了不同的儲能容量和儲能接入位置對微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成本、系統(tǒng)網(wǎng)損和風(fēng)電滲透率的影響。通過一個(gè)實(shí)際的獨(dú)立型微網(wǎng)算例,對文中所提的模型及方法進(jìn)行了驗(yàn)證。
獨(dú)立型微網(wǎng);網(wǎng)架結(jié)構(gòu);優(yōu)化調(diào)度;儲能系統(tǒng);削減因數(shù)
獨(dú)立型微網(wǎng)多建于偏遠(yuǎn)地區(qū)或海島,通常是指不與大電網(wǎng)相連、能夠獨(dú)立運(yùn)行的小型電力系統(tǒng),該系統(tǒng)能充分利用可再生能源發(fā)電,如光伏發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等[1]。由于我國地域廣袤,獨(dú)立型微網(wǎng)在很多地方仍是主要供電形式,同時(shí)一些并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在大電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)也會轉(zhuǎn)換為獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)以保證供電,因此有必要對獨(dú)立型微網(wǎng)進(jìn)行深入研究[2]。隨著全球能源危機(jī)的日益嚴(yán)重,風(fēng)、光等分布式能源因其資源的可再生性和發(fā)電的清潔性受到了越來越廣泛的關(guān)注[3-4],尤其是在遠(yuǎn)離大電網(wǎng)的獨(dú)立型微網(wǎng)中,可再生能源扮演著越來越重要的角色,但同時(shí)其隨機(jī)性、間歇性和不確定性也給獨(dú)立型微網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行帶來了很大困難[5]。通過引入儲能系統(tǒng),可以減弱分布式發(fā)電隨機(jī)波動的影響,改善電能質(zhì)量、平滑電能波動、減少系統(tǒng)運(yùn)行成本等[6-8]。
圍繞小型獨(dú)立型微網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度問題,國內(nèi)外的專家學(xué)者已經(jīng)開展了相關(guān)的研究。文獻(xiàn)[9]針對包含風(fēng)機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)和儲能的離網(wǎng)供電系統(tǒng),分析了不同風(fēng)電滲透率水平、儲能效率對系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的影響。但該文獻(xiàn)并未考慮網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的影響。文獻(xiàn)[10]針對包含風(fēng)機(jī)、光伏等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成的微網(wǎng),建立了經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型,從離網(wǎng)、并網(wǎng)購電和并網(wǎng)買/賣電3種場景對儲能降低經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成本的效果進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[11]研究了包含風(fēng)機(jī)、光伏、儲能、可控性微電源等設(shè)備的獨(dú)立型微網(wǎng)的調(diào)度問題,考慮系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu),以系統(tǒng)總運(yùn)行成本最小化為目標(biāo),采用固定策略進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。但該文獻(xiàn)并未就風(fēng)機(jī)或光伏發(fā)電功率較大的情況進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[12]針對不同負(fù)荷波動水平的配電網(wǎng)系統(tǒng),從減小負(fù)荷波動的角度分析了儲能系統(tǒng)的削峰填谷作用[13],同時(shí)還分析了儲能不同安裝位置對系統(tǒng)網(wǎng)損的影響。
以上文獻(xiàn)并沒有綜合考慮微網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、分布式發(fā)電功率削減、儲能安裝位置及容量等因素對優(yōu)化調(diào)度結(jié)果的影響。與不考慮網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)度相比,考慮微網(wǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)度不僅要通過引入潮流方程計(jì)算網(wǎng)絡(luò)參數(shù)信息,還要計(jì)及節(jié)點(diǎn)電壓、線路電流等相關(guān)約束條件,因此更接近實(shí)際運(yùn)行情況,其過程也將變得更為復(fù)雜。
本文從優(yōu)化調(diào)度的角度出發(fā),圍繞含柴油發(fā)電機(jī)、風(fēng)機(jī)和儲能系統(tǒng)的獨(dú)立型微網(wǎng)調(diào)度問題展開研究,建立了動態(tài)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型。
本文針對加拿大某地一獨(dú)立型微網(wǎng)進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化研究,其網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)中包括1臺3 MW柴油發(fā)電機(jī)、2臺1.5 MW風(fēng)機(jī)、1 MW·h電池儲能系統(tǒng)。系統(tǒng)中有63個(gè)節(jié)點(diǎn),各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷位置情況見圖1,因篇幅所限詳細(xì)數(shù)據(jù)略。通過4.16 kV配電網(wǎng)呈輻射狀向居民供電。配電網(wǎng)電源側(cè)柴油發(fā)電機(jī)通過0.6 kV/4.16 kV變壓器升壓至4.16kV;2個(gè)風(fēng)機(jī)分別接入線路中段編號為580和編號為67的母線節(jié)點(diǎn)處,儲能系統(tǒng)位置可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。
圖1 一實(shí)際獨(dú)立型微網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of a real isolated microgrid
2.1電池儲能系統(tǒng)模型
電池儲能系統(tǒng)主要包括儲能單元和功率變換器PCS(power conversion system)單元,充分利用PCS的容量裕度,儲能系統(tǒng)既可以發(fā)出或吸收有功功率,也可以發(fā)出或吸收無功功率,因此可通過PCS進(jìn)行無功補(bǔ)償以減小網(wǎng)損[14-15]。
本文采用簡化線性模型對電池儲能系統(tǒng)進(jìn)行建模[16-17]。假定儲能系統(tǒng)在Δt時(shí)間段內(nèi)充放電功率恒定,同時(shí)由于優(yōu)化調(diào)度的時(shí)間尺度通常比較短,暫不考慮自損耗率對儲能量的影響,則在充放電前和充放電后系統(tǒng)存儲的能量關(guān)系為
在實(shí)際運(yùn)行過程中,需保證電池儲能系統(tǒng)運(yùn)行在一定的荷電狀態(tài)范圍內(nèi),其充放電功率也會受到一定的限制,這一條件可用下述約束方程描述為
式中:Soc為儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài),Socmin和Socmax為表示儲能系統(tǒng)荷電狀態(tài)的下限和上限;Pmaxbat,C和分別為儲能系統(tǒng)允許的最大充、放電功率。
由于電池需要通過PCS接入微網(wǎng),根據(jù)PCS單元的容量約束,可以得到以下關(guān)系式:
式中:ηrec和ηinv分別為PCS整流和逆變的效率;QPCS
為PCS發(fā)出的無功功率;SPCS為PCS的容量。
2.2柴油發(fā)電機(jī)模型
通常情況下柴油發(fā)電機(jī)消耗的燃料與其額定功率和發(fā)電功率之間的關(guān)系可以用以下函數(shù)表示[18]:
式中:F為柴油發(fā)電機(jī)的燃料消耗量,F(xiàn)0為其單位功率的空載燃料消耗量,F(xiàn)1為燃料消耗特定曲線的斜率;Pgen,R為額定功率,Pgen為實(shí)際發(fā)電功率;u為柴油發(fā)電機(jī)開機(jī)狀態(tài),0為關(guān)機(jī),1為開機(jī)。
柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中需滿足功率上下限約束:
式中:Qgen為發(fā)出的無功功率,和分別為無功出力上下限;和分別為有功出力上下限。
2.3風(fēng)機(jī)模型
通常情況下,風(fēng)機(jī)的輸出功率與風(fēng)速有關(guān),其對應(yīng)關(guān)系如下:
式中:v為風(fēng)機(jī)輪轂高度處的實(shí)際風(fēng)速,vci、vco為切入風(fēng)速和切出風(fēng)速,當(dāng)實(shí)際風(fēng)速低于切入風(fēng)速或高于切出風(fēng)速時(shí),風(fēng)機(jī)都不工作;P(v)表示正常風(fēng)速范圍內(nèi)風(fēng)機(jī)出力,由風(fēng)速-功率特性曲線線性插值得到[19]。
由于風(fēng)機(jī)出力具有一定的隨機(jī)性,當(dāng)風(fēng)速水平較高、風(fēng)機(jī)總?cè)萘枯^大時(shí),有必要對風(fēng)機(jī)出力進(jìn)行削減以滿足此時(shí)的功率平衡要求。為此,可以通過引入風(fēng)功率削減因數(shù)β進(jìn)行描述。
式中:PWT,real為風(fēng)機(jī)削減后的實(shí)際出力,PWT,orig為風(fēng)機(jī)削減前的原始出力;β的取值范圍在0~1之間,規(guī)定當(dāng)沒有風(fēng)機(jī)功率被削減時(shí)β=1,否則,β<1。
同時(shí),為表征風(fēng)機(jī)輸出功率在總負(fù)荷中所占比例,引入風(fēng)電滲透率的概念[9],其計(jì)算公式為
式中:ρWT為風(fēng)電滲透率;為第i時(shí)刻風(fēng)機(jī)實(shí)際出力,為第i時(shí)刻負(fù)荷值;H為調(diào)度周期總的時(shí)段數(shù),如日前調(diào)度每小時(shí)為一時(shí)段,H取值為24。
3.1目標(biāo)函數(shù)
針對圖1所示的獨(dú)立型微網(wǎng),以柴油發(fā)電機(jī)的發(fā)電成本作為目標(biāo)函數(shù),同時(shí)考慮到頻繁充放電會降低電池的使用壽命,進(jìn)而間接增加系統(tǒng)的運(yùn)行成本。將蓄電池的充放電折舊成本折算到成本費(fèi)用中,可以更真實(shí)地反映蓄電池壽命對運(yùn)行成本和實(shí)際收益的影響[20-21]。由此可得該優(yōu)化調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)為
式中:Ctotal為總成本;Cgen為發(fā)電成本;Cbat為電池的充放電成本。
式中:Ffuel,i為第i個(gè)小時(shí)消耗的燃料量;cfuel,i為第i個(gè)小時(shí)的燃料價(jià)格。
式中:Pbat,i為第i個(gè)小時(shí)電池的放電量,若該時(shí)刻電池處于充電狀態(tài),則Pbat,i=0;cbat為第i個(gè)小時(shí)的電池放電成本。這里通過電池全天的總放電量來考慮電池的利用率。
3.2約束條件
首先,微網(wǎng)必須滿足基本潮流方程,即微網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)功率約束方程為
式中:n為節(jié)點(diǎn)數(shù);Vi和Vj分別為節(jié)點(diǎn)i和j的電壓;PG,i與QG,i為節(jié)點(diǎn)i的有功發(fā)電功率與無功發(fā)電功率;δij為節(jié)點(diǎn)i和j之間的相角差;PD,i與QD,i為節(jié)點(diǎn)i有功負(fù)荷與無功負(fù)荷;Gij與Bij分別為節(jié)點(diǎn)i和j之間的電導(dǎo)與電納。其中,
式中:Pgen,i為節(jié)點(diǎn)i處柴油發(fā)電機(jī)的有功發(fā)電功率,PWT,real,i為節(jié)點(diǎn)i處風(fēng)機(jī)的實(shí)際發(fā)電功率;Pbat,D,i為節(jié)點(diǎn)i處電池儲能系統(tǒng)的放電功率,Pbat,C,i為節(jié)點(diǎn)i處電池儲能系統(tǒng)的充電功率;Qgen,i為節(jié)點(diǎn)i處柴油發(fā)電機(jī)的無功發(fā)電功率,QPCS,i為節(jié)點(diǎn)i處PCS的無功補(bǔ)償功率。
除潮流方程外,還需考慮各類設(shè)備自身的約束,包括各設(shè)備有功和無功功率的上下限約束、儲能設(shè)備的充放電功率和儲能量約束、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電壓和線路電流約束等。其中設(shè)備自身約束可參見第2節(jié)設(shè)備模型部分,節(jié)點(diǎn)電壓、線路電流約束如下:
考慮到微網(wǎng)動態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度呈現(xiàn)出周期性,通常假設(shè)電池SOC在調(diào)度周期始末保持一致,即滿足約束條件
式中:Socend和Soc0分別為電池在調(diào)度周期終止時(shí)刻和初始時(shí)刻的荷電狀態(tài)。
將調(diào)度周期始末狀態(tài)的儲能SOC約束和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電壓、線路電流上下限約束作為懲罰項(xiàng)加入到目標(biāo)函數(shù)中,得到計(jì)及約束懲罰項(xiàng)的目標(biāo)函數(shù),以保證相應(yīng)約束成立[22]。
式中:C′為計(jì)及懲罰項(xiàng)后的目標(biāo)函數(shù);γ1為SOC約束懲罰系數(shù),γ2為電壓電流越限懲罰系數(shù);flag為越限標(biāo)志位,當(dāng)線路中存在電壓或電流越限時(shí),flag=1,否則,flag=0。
3.3優(yōu)化變量的選取
當(dāng)風(fēng)速水平較高、波動性較大時(shí),某一時(shí)刻的風(fēng)機(jī)、柴油機(jī)總出力可能會大于此時(shí)的負(fù)荷值。因此需要在風(fēng)速較大且儲能裝置不足以吸收全部剩余功率時(shí)對風(fēng)機(jī)出力進(jìn)行削減,以確保方案的可行性。為此,將兩臺風(fēng)機(jī)24 h風(fēng)功率削減因數(shù)β1和β2作為優(yōu)化變量,對其進(jìn)行優(yōu)化[23-24]。
柴油發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)電壓的大小會對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)電壓以及線路電流產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響系統(tǒng)網(wǎng)損以及供電質(zhì)量。為保證網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)電壓和線路支路電流不越限以及分析不同的發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)電壓對優(yōu)化結(jié)果的影響,將柴油發(fā)電機(jī)出口電壓作為優(yōu)化變量。同時(shí)考慮到端口電壓的頻繁調(diào)節(jié)給調(diào)度帶來的困難,將一天的調(diào)節(jié)次數(shù)限定為3次,分別在第1、9、17小時(shí)對其進(jìn)行調(diào)節(jié),其余時(shí)刻均保持上一調(diào)節(jié)時(shí)刻電壓值。
此外,選取電池24 h充放電功率以及PCS的24 h無功補(bǔ)償功率作為優(yōu)化變量。優(yōu)化調(diào)度模型的優(yōu)化變量X可表示為
3.4求解方法
由于遺傳算法在求解優(yōu)化問題時(shí)具有靈活、通用的特點(diǎn)[25],本文采用遺傳算法對建立的動態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度優(yōu)化問題進(jìn)行求解[26]。同時(shí)通過潮流計(jì)算確定各設(shè)備出力以及線路參數(shù)信息。
考慮將柴油發(fā)電機(jī)作為主電源,同時(shí)將柴油發(fā)電機(jī)所在節(jié)點(diǎn)設(shè)為平衡節(jié)點(diǎn),且平衡節(jié)點(diǎn)具有提供電壓、頻率參考和保證系統(tǒng)功率平衡的作用,要求柴油發(fā)電機(jī)一直處于運(yùn)行狀態(tài)。將風(fēng)機(jī)和儲能系統(tǒng)接入點(diǎn)作為PQ節(jié)點(diǎn)。兩臺風(fēng)機(jī)分別接入圖1中的580號和67號節(jié)點(diǎn),儲能系統(tǒng)位置根據(jù)實(shí)際情況選擇。
綜合以上分析,該獨(dú)立型微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型框架如圖2所示。
圖2 獨(dú)立型微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型框架Fig.2 Framework of optimal dispatching model of the isolated microgrid
圖3為圖1所示系統(tǒng)某典型日的負(fù)荷和風(fēng)機(jī)總出力曲線(不考慮功率消減),系統(tǒng)峰值負(fù)荷為2.12 MW。文中假定兩臺風(fēng)機(jī)出力相同,均為圖中所示出力值的一半。相關(guān)設(shè)備等參數(shù)如表1所示。
圖3 系統(tǒng)日負(fù)荷及風(fēng)機(jī)出力預(yù)測曲線Fig.3 Predicted curves of daily load and wind turbine output
表1 設(shè)備及計(jì)算參數(shù)Tab.1 Relative parameters of equipment and computation
遺傳算法參數(shù)設(shè)置如下:種群個(gè)體數(shù)為60,遺傳代數(shù)為1 000,種群間隔為0.8,交叉率為0.8,變異率為0.2,插入率為0.9。
首先將電池儲能系統(tǒng)接入到靠近線路末端的715節(jié)點(diǎn),進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。得到柴油發(fā)電機(jī)日發(fā)電成本為87 039.27元,電池日充放電成本為990.610 7元,日總成本值為88 029.880 7元,網(wǎng)絡(luò)有功損耗為0.620 4 MW·h,風(fēng)電滲透率為0.425 3。各設(shè)備調(diào)度結(jié)果及系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖4和圖5所示。
由調(diào)度結(jié)果可以看出,在第2~12時(shí)段以及第14~17時(shí)段,由于風(fēng)機(jī)出力較大,所以柴油發(fā)電機(jī)基本工作在最小出力狀態(tài),其余時(shí)刻風(fēng)機(jī)出力較小,柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電功率有所增加。由于電池的充放電成本比柴油發(fā)電機(jī)的發(fā)電成本低,所以在風(fēng)機(jī)出力不足時(shí)優(yōu)先使用電池放電,剩余部分再由柴油發(fā)電機(jī)補(bǔ)充。由于風(fēng)力發(fā)電不計(jì)運(yùn)行成本,所以首先要由風(fēng)機(jī)對其進(jìn)行充電,保證以最大能力進(jìn)行放電,減少總運(yùn)行成本。當(dāng)不考慮PCS的無功補(bǔ)償作用時(shí),得到柴油發(fā)電機(jī)日發(fā)電成本為87 222.52元,電池日充放電成本為911.227 9元,日總成本值為88 133.747 9元,網(wǎng)絡(luò)有功損耗為0.707 6 MW·h,風(fēng)電滲透率為0.425 3。由此可以看出考慮無功補(bǔ)償后,有效降低了系統(tǒng)網(wǎng)損,總成本也有所減小。
圖4 各設(shè)備出力優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Fig.4 Optimal dispatching results of each equipment
圖5 系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Fig.5 Optimal dispatching results of the system operation parameters
同時(shí)由于設(shè)定了SOC懲罰項(xiàng),使得SOC在始末狀態(tài)能夠保持一致,實(shí)現(xiàn)了設(shè)定要求。若不對發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)電壓進(jìn)行優(yōu)化,將電壓的標(biāo)幺值統(tǒng)一設(shè)定為1.00,得到此時(shí)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓的最小值為0.940 7,不滿足約束條件,若統(tǒng)一設(shè)定為1.05,節(jié)點(diǎn)電壓的最大值為1.050 9,也不滿足約束條件。而從電壓調(diào)度結(jié)果可以看出,各時(shí)刻電壓最大值最小值均滿足約束要求,發(fā)電機(jī)出口電壓優(yōu)化結(jié)果都處于較高水平,這樣有利于提高系統(tǒng)電壓水平,在負(fù)荷一定的情況下減小有功網(wǎng)損。
當(dāng)不考慮系統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)時(shí),得到柴油發(fā)電機(jī)日發(fā)電成本為86 403.43元,電池日充放電成本為982.60元,日總成本值為87 386.03元,網(wǎng)絡(luò)有功損耗為0,風(fēng)電滲透率為0.425 0,發(fā)電機(jī)出口電壓3個(gè)時(shí)刻的優(yōu)化結(jié)果分別是1.00,1.04,1.02。由于不產(chǎn)生有功網(wǎng)損,總的發(fā)電成本有所降低,發(fā)電機(jī)出口電壓的優(yōu)化結(jié)果以及兩臺風(fēng)機(jī)的出力不同也不會對優(yōu)化結(jié)果產(chǎn)生影響。
由于電池儲能系統(tǒng)可以在風(fēng)速出力較小時(shí)用于滿足負(fù)荷,有利于減少發(fā)電成本。為分析電池儲能系統(tǒng)容量的大小對優(yōu)化調(diào)度結(jié)果產(chǎn)生的影響,分別將電池容量和PCS容量由原來的1 MW·h和0.6 MVA增大至1.5 MW·h和0.9 MVA,儲能位置不變,進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。得到發(fā)電機(jī)日發(fā)電成本為86 093.72元,電池日充放電成本為1 313.09元,日總成本值為87 406.81元,網(wǎng)絡(luò)有功損耗為0.664 4MW·h,風(fēng)電滲透率為0.442 1。
各設(shè)備調(diào)度結(jié)果如圖6和圖7所示。
圖6 增大儲能容量后各設(shè)備出力優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Fig.6 Optimal dispatching results of each equipment with the increased storage capacity
圖7 增大儲能容量后系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Fig.7 Optimal dispatching results of the system operation parameters with the increased storage capacity
從優(yōu)化結(jié)果可以看出,增大儲能系統(tǒng)容量后,由于儲能系統(tǒng)可以在風(fēng)力不足時(shí)提供更多的有功出力,使得柴油發(fā)電機(jī)總的發(fā)電功率減小,發(fā)電成本降低,雖然相應(yīng)的電池充放電成本增加,但總成本值減小。同時(shí)容量增大以后,相應(yīng)的存儲能量增加,這樣有利于在風(fēng)機(jī)功率充足時(shí)將更多的能量儲存起來,增加了風(fēng)電滲透率。
為研究不同儲能位置對優(yōu)化結(jié)果的影響,考慮5個(gè)不同的儲能接入位置:線路始端的3號節(jié)點(diǎn),與風(fēng)機(jī)1同一接入位置的580號節(jié)點(diǎn),風(fēng)機(jī)1與風(fēng)機(jī)2之間的59號節(jié)點(diǎn),與風(fēng)機(jī)2同一接入位置的67號節(jié)點(diǎn),以及靠近線路末端的715號節(jié)點(diǎn)。得到的優(yōu)化結(jié)果對比如表2所示。
由對比結(jié)果可以看出,儲能的接入位置主要影響網(wǎng)損,進(jìn)而影響發(fā)電成本和充放電成本。從表中網(wǎng)損數(shù)據(jù)可以看出,當(dāng)儲能接入點(diǎn)與風(fēng)機(jī)2在同一位置時(shí)總網(wǎng)損最小;當(dāng)儲能接入點(diǎn)位于線路首端的3號節(jié)點(diǎn)時(shí),總網(wǎng)損最大。這是由于當(dāng)風(fēng)機(jī)出力過剩時(shí)需要對電池進(jìn)行充電,所以電池與風(fēng)機(jī)距離越遠(yuǎn),充電過程產(chǎn)生的網(wǎng)損越大,同時(shí)由于柴油發(fā)電機(jī)始終處于運(yùn)行狀態(tài),所以線路首端的負(fù)荷基本由柴油發(fā)電機(jī)滿足,電池放電在向饋線末端傳輸?shù)倪^程中也會產(chǎn)生較多網(wǎng)損,因此電池處于線路首端時(shí)總網(wǎng)損最大;當(dāng)電池處于與風(fēng)機(jī)同一接入點(diǎn)580號和67號節(jié)點(diǎn),或處于二者之間的59號節(jié)點(diǎn)時(shí),風(fēng)機(jī)出力過剩對電池進(jìn)行充電的過程中產(chǎn)生的網(wǎng)損相對較小,而當(dāng)風(fēng)機(jī)出力較小電池需要放電時(shí),同樣靠近線路首端的負(fù)荷基本由發(fā)電機(jī)滿足,因此靠近線路末端的67號和715號節(jié)點(diǎn)在此過程中產(chǎn)生的網(wǎng)損較小,綜合充放電全過程,當(dāng)儲能與風(fēng)機(jī)2位于同一接入點(diǎn)時(shí),產(chǎn)生的總網(wǎng)損最小。同時(shí)從風(fēng)機(jī)1與風(fēng)機(jī)2的出力比也可以看出,由于靠近線路首端的負(fù)荷主要由柴油機(jī)滿足,風(fēng)機(jī)出力主要滿足靠近線路末端的負(fù)荷,因此通常情況下靠近線路末端的風(fēng)機(jī)2出力大于風(fēng)機(jī)1,以減少傳輸過程中產(chǎn)生的網(wǎng)損。而當(dāng)儲能系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)1位于同一接入點(diǎn)時(shí),風(fēng)機(jī)1出力略大于風(fēng)機(jī)2,這主要是因?yàn)楫?dāng)風(fēng)機(jī)出力較多時(shí)需要對電池進(jìn)行充電,優(yōu)先利用距離電池近的風(fēng)機(jī)能夠減小網(wǎng)損。
不接入儲能設(shè)備時(shí),電負(fù)荷完全由風(fēng)機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)供給,當(dāng)風(fēng)機(jī)發(fā)電有剩余能量時(shí),不能通過儲能設(shè)備進(jìn)行存儲,使得總的風(fēng)機(jī)出力減小,風(fēng)電滲透率降低,系統(tǒng)網(wǎng)損增加,總發(fā)電成本增加。由此可以得出,當(dāng)不考慮儲能設(shè)備的安裝成本而僅考慮運(yùn)行費(fèi)用時(shí),接入儲能可以有效降低總發(fā)電成本,提高風(fēng)電滲透率,減小系統(tǒng)網(wǎng)損。
表2 不同儲能接入點(diǎn)優(yōu)化結(jié)果Tab.2 Optimal dispatching results of different storagelocations
本文針對由柴油發(fā)電機(jī)、風(fēng)機(jī)和蓄電池組成的獨(dú)立型微網(wǎng),以系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度,考慮系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的影響,以風(fēng)功率削減因數(shù)、儲能充放電功率、PCS無功補(bǔ)償功率以及發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)電壓為優(yōu)化變量進(jìn)行優(yōu)化。分析得出針對含有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的微網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度,以及在風(fēng)電滲透率較高的情況下將風(fēng)功率削減因數(shù)作為優(yōu)化變量更能反映實(shí)際運(yùn)行情況。
同時(shí),系統(tǒng)中利用儲能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”的作用,若只考慮儲能裝置的運(yùn)行成本而不計(jì)及安裝及更換成本,增大儲能系統(tǒng)的容量可以有效地降低系統(tǒng)有功網(wǎng)損和提高風(fēng)電滲透率,進(jìn)而降低總的運(yùn)行成本。由于在此獨(dú)立微網(wǎng)中,儲能裝置通過與風(fēng)機(jī)配合實(shí)現(xiàn)能量搬運(yùn)的功能,當(dāng)儲能裝置與風(fēng)機(jī)位于同一接入點(diǎn)且靠近線路末端時(shí)總網(wǎng)損最小。
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Optimal Dispatching Method of Isolated Microgrids with High Wind Power Penetration Rate
ZHANG Deju,GUO Li,WANG Chengshan
(Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education,Tianjin University,Tianjin 300072,China)
In this paper,an optimal dispatching model with the consideration of grid structure is constructed to minimize the operation cost of an isolated microgrid,which consists of diesel generator,wind turbines and battery energy storage system.The curtailment factors for wind power,generator bus voltages,charge/discharge active power of batteries and reactive compensation power of power conversion system(PCS)are chosen as the optimization variables,and genetic algorithm with the consideration of power flow is adopted to solve the dispatching model.This model not only provides the optimal dispatching method for an isolated microgrid with the consideration of grid structure,but also analyzes the effects of different energy storage system capacities and locations on the operation cost,system loss and wind power penetration rate.Finally,the proposed model and method are verified through a real isolated microgrid.
isolated microgrid;grid structure;optimal dispatching;energy storage system;curtailment factor
TM73
A
1003-8930(2016)09-0001-07
10.3969/j.issn.1003-8930.2016.09.001
張德舉(1988—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)槲⒕W(wǎng)調(diào)度與優(yōu)化。Email:hszhangdj1988@163.com
郭力(1981—),男,博士,副教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)榉植际桨l(fā)電、微電網(wǎng)。Email:liguo@tju.edu.cn
王成山(1962—),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)橹悄芘潆娤到y(tǒng)與微網(wǎng)。Email:cswang@tju.edu.cn
2014-10-16;
2015-09-02
國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2011AA05A107);國家電網(wǎng)公司配電網(wǎng)接納分布式電源適應(yīng)性與并網(wǎng)技術(shù)研究項(xiàng)目