楊柳青，馬群凱，劉曉軍，劉迎迎，郝光耀

(1.東北電力大學, 吉林 吉林 132012；2.國網(wǎng)長春供電公司，長春 130021；3.國網(wǎng)濰坊供電公司，山東 濰坊 261000)

微電網(wǎng)將各種分布式電源、儲能裝置、負荷、換流器以及監(jiān)控保護裝置有機整合在一起，是實現(xiàn)高度自治的小型發(fā)配電系統(tǒng)[1-2]。然而，由于風光等可再生能源作為不可調(diào)度的電源，具有不確定性的特點，需要與儲能系統(tǒng)或者其他備用電源協(xié)調(diào)出力，導(dǎo)致微電網(wǎng)容量規(guī)劃出現(xiàn)困難。

目前，國內(nèi)外對微電網(wǎng)容量優(yōu)化配置展開了一系列的研究。文獻[3]對待規(guī)劃地區(qū)典型月的歷史風、光和負荷數(shù)據(jù)進行整理，以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對微電網(wǎng)中可再生能源和負荷進行優(yōu)化，但該方法選用的歷史數(shù)據(jù)較少且無法代表全年情況，具有一定局限性。文獻[4]根據(jù)典型年歷史風、光和負荷數(shù)據(jù)，用改進的仿電磁學算法進行微電網(wǎng)中風、光、柴、儲四種電源的容量優(yōu)化配置。文獻[5]將和聲搜索和模擬退火兩種算法結(jié)合在一起，為伊朗偏遠地區(qū)設(shè)計了風、光、生物柴油發(fā)電和儲能的混合動力系統(tǒng)。文獻[6]計及風光不確定性，提出利用生成對抗網(wǎng)絡(luò)模擬風光出力得到典型場景，選取最優(yōu)配置方案。文獻[7-8]基于峰谷電價的價格型需求響應(yīng)，構(gòu)建了微網(wǎng)的投資收益模型，從經(jīng)濟角度出發(fā)制定了系統(tǒng)優(yōu)化配置策略，但未考慮需求響應(yīng)的不確定性，在優(yōu)化過程中容易對結(jié)果過于樂觀。

微電網(wǎng)系統(tǒng)各方面的性能表現(xiàn)，包括系統(tǒng)的可靠性、建設(shè)運維成本、可再生能源消納能力等直接受到容量配置的影響[9]，因此研究微電網(wǎng)的容量優(yōu)化配置意義重大。在已有研究的基礎(chǔ)上，本文提出了采用遺傳算法(GA)，以系統(tǒng)總成本最小化作為目標函數(shù)，并采用微網(wǎng)能量管理策略，對獨立型風光柴儲微網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)模進行優(yōu)化。通過對負荷缺電率(LOLP)、可再生能源供電率(RES)、能量丟棄比(DEP)三個指標的計算驗證了優(yōu)化結(jié)果的合理性，對于偏遠山區(qū)或者海島等地微電網(wǎng)的建設(shè)具有較高參考價值。

1 微電網(wǎng)電源出力模型

1.1 風機出力模型

風機的輸出功率與實際風速和額定功率有關(guān)[10]，其出力模型可以表示為：

(1)

式中：PWG(t)為風電機組的實際輸出功率；Pe代表額定輸出功率；vr、ve、vc分別為切入風速、額定風速、切出風速。

1.2 光伏陣列出力模型

光伏陣列的實際輸出功率PPV(t)受到輻照強度、環(huán)境溫度的影響[11]，可以描述為如下數(shù)學模型：

PPV(t)=PSTCGAC(t){1+k〔Tc(t)-Tr〕}/GSTC

(2)

式中：PSTC為額定條件下測得的輸出功率；GAC為輻照強度；Tc為太陽能電池板表面溫度；Tr為參考溫度，取25 ℃ ；k為功率溫度系數(shù)，本文取-0.004 7；GSTC為額定條件下的輻照強度，取1 kW/m2。

Tc=Tair+30G/1 000

(3)

式中：Tair為環(huán)境溫度，G為組件受到的太陽能輻射值。

1.3 柴油發(fā)電機模型

柴油發(fā)電機的實際輸出功率PDIE(t)可以在0到額定功率PRD(t)之間變化，其消耗燃油量和輸出功率的關(guān)系式為：

VF(t)=F0PDIE(t)+F1PRD(t)

(4)

式中：VF(t)表示柴油發(fā)電機的油耗量；F0為燃料曲線斜率；F1為燃料曲線的截距系數(shù)。

1.4 儲能電池模型

在微電網(wǎng)系統(tǒng)中儲能電池既可以充電也可以放電，起到平滑風光功率輸出以及削峰填谷的作用。在t時刻系統(tǒng)的功率不平衡量可以用ΔP來表示，則：

ΔP(t)=PWG(t)+PPV(t)-PL(t)/ηinv

(5)

式中：PL(t)表示t時刻負荷功率;ηinv表示逆變器轉(zhuǎn)換效率。

儲能電池剩余電量的多少通常用荷電狀態(tài)(SOC)來表示，當電池處于充電狀態(tài)時，荷電狀態(tài)SOC(t)的計算表達式為[12]：

SOC(t)=SOC(t-1)(1-σ)+〔PWG(t)+

(6)

電池處于放電狀態(tài)時，SOC(t)的計算表達式為：

(7)

式中：SOC(t)、SOC(t-1)分別表示在t和(t-1)時刻的電池荷電狀態(tài)；σ表示每小時的自放電率；ηbc、ηbf分別表示儲能充、放電效率。

2 系統(tǒng)目標函數(shù)約束條件

微網(wǎng)系統(tǒng)的目標函數(shù)是使風光柴儲混合電源系統(tǒng)的年度總成本(TAC)最小,數(shù)學表達式為：

CTAC=CRF(j,n)CNPC

(8)

CNPC=CINI+CREP+CO&M+CPC+CBC-Csub

(9)

式中：CTAC為系統(tǒng)的年度總成本；CNPC代表目前凈總成本，為初始投資成本CINI、設(shè)備更換成本CREP、設(shè)備運行維護成本CO&M、柴油機組的燃料費用CFC和治污費用CEC的總和再減去發(fā)電量補貼成本Csub。

資金回收系數(shù)CRF為：

(10)

式中：j為貼現(xiàn)率，n為項目總壽命周期。

國家對于可再生能源發(fā)電補貼分為投資安裝補貼和按發(fā)電量補貼，本文根據(jù)文獻[13]選擇按照發(fā)電量補貼的方式：

(11)

式中：Ksub為補貼電價；Pre為可再生能源的供電有功功率。

為避免過充過放延長周期壽命，蓄電池的荷電狀態(tài)SOC和充放電功率應(yīng)滿足以下約束：

(12)

式中：SOCmin、SOCmax分別為蓄電池剩余電量約束的上限和下限；Pc、Pd分別為蓄電池的充、放電功率；Ebat為蓄電池的容量。

3 微電網(wǎng)系統(tǒng)評價指標

天氣因素的影響使得風機和光伏電源出力具有間歇性和波動性的特點，在微電網(wǎng)容量規(guī)劃中，應(yīng)遵循“優(yōu)先考慮可靠性”的配置原則。本研究由負荷缺電率(LOLP)作為系統(tǒng)運行可靠性衡量指標：

(13)

式中：時間取全年8 760 h;Pload(t)表示t時刻微電網(wǎng)中總負荷功率；Ploss(t)表示t時刻微電網(wǎng)中負荷缺失功率。

為了充分利用風機和光伏等清潔能源發(fā)電，防止非清潔能源的過度使用而造成環(huán)境污染，本文用可再生能源供電率αRES來衡量清潔能源發(fā)電比例：

(14)

當可再生能源的發(fā)電量超過負荷需求，且儲能系統(tǒng)達到充電上限時，會造成棄風棄光現(xiàn)象，多余的能量就要被浪費掉，本文用能量丟棄比βDEP衡量可再生能源的利用率：

(15)

式中Pdump(t)表示t時刻棄掉的可再生能源功率。

4 微電網(wǎng)能量管理策略

微電網(wǎng)的能量管理策略是指協(xié)調(diào)各個電源之間的出力順序，滿足負荷需求的同時減少棄風棄光情況，以保障系統(tǒng)穩(wěn)定、經(jīng)濟的運行[14]。本文優(yōu)先利用可再生能源為負荷供電，采取的策略見圖1。

圖1 能量管理策略圖

5 算例分析

以某偏遠山區(qū)為例，預(yù)在該地區(qū)建設(shè)一獨立風光柴儲微電網(wǎng)系統(tǒng)，該地區(qū)全年風速數(shù)據(jù)、實時光照強度、全年環(huán)境溫度曲線見圖2至圖4，基準負荷數(shù)據(jù)見圖5。算例采用的風機單機容量為5 kW，光伏電池額定功率為250 W，并設(shè)定每10個為一組，單塊蓄電池額定功率為25 kW·h，組件參數(shù)見表1。

表1 仿真參數(shù)

圖2 全年實時風速曲線

圖3 全年實時光照強度曲線

圖4 全年環(huán)境溫度曲線

圖5 全年實時負荷曲線

通過風速、光照強度和環(huán)境溫度曲線，以及系統(tǒng)元件參數(shù)等數(shù)據(jù)，可以確定單個風機和光伏陣列單元的功率(NWT和NPV)情況，通過GA算法計算，得到以下最優(yōu)配置結(jié)果，見表2,NDIE和NBAT分別為柴油發(fā)電機和儲能電池的出力。

由表2、表3可知，在微網(wǎng)能量管理策略下，風力發(fā)電機的最大出力為200 kW，光伏陣列的最大出力為127.5 kW，柴油發(fā)電機最大輸出功率為68 kW，儲能電池最大容量為1 050 kW。此配置中，儲能電池的容量遠遠大于柴油發(fā)電機，一方面是為了減小棄風光量，可以將多余的能量儲存起來，另一方面為了提高可再生能源發(fā)電比例，儲能電池可以作為優(yōu)于柴油發(fā)電機的備用電源，平抑風光輸出和負荷間的不平衡功率。微電網(wǎng)全年運行狀況占比：從需求側(cè)看，全年發(fā)出電量的65%被負荷消耗，27%給儲能充電，僅有8%被棄掉，能源利用效率較高；從供能側(cè)看，柴油發(fā)電機的發(fā)電量占總發(fā)電量的3%，出力較少，也說明微電網(wǎng)基本運行在風光儲模式。

表2 微電網(wǎng)電源優(yōu)化配置結(jié)果

表3 相關(guān)指標及凈現(xiàn)值成本

利用該模型，可以分析負荷缺電率和凈現(xiàn)值成本之間的關(guān)系，見圖6。可以看出，隨著LOLP值的降低，對于系統(tǒng)的可靠性要求越來越高，系統(tǒng)經(jīng)濟成本也隨之增加，這是因為優(yōu)化方案將會增大蓄電池和柴油發(fā)電機的配置容量，這在一定程度上導(dǎo)致了系統(tǒng)凈現(xiàn)值成本CNPC值變大，同時，減少可再生電源風機和光伏陣列的配置容量，有效提高了系統(tǒng)供電可靠性，有利于獨立型微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。當LOLP值已經(jīng)很小時(低于0.6%)，繼續(xù)提升供電可靠性將會導(dǎo)致成本費用的急劇增加，所以，在實際配置中，不同地區(qū)對于微電網(wǎng)的要求不同，應(yīng)該綜合考慮系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性，選取合理的LOLP值，協(xié)調(diào)配置常規(guī)可控電源和可再生電源，避免微電網(wǎng)的冗余投資。

圖6 微電網(wǎng)成本費用靈敏度分析

6 結(jié)論

對于風光資源豐富但傳統(tǒng)電網(wǎng)供電困難的山區(qū)或者海島，建立微網(wǎng)混合電源發(fā)電系統(tǒng)是未來解決其用電負荷至關(guān)重要的技術(shù)。本文首先構(gòu)建了風光柴儲各電源的功率模型，然后綜合計及投資、運維、置換、治污以及發(fā)電補貼等成本費用建立了系統(tǒng)經(jīng)濟目標函數(shù)，并采用微電網(wǎng)能量管理策略，通過GA遺傳算法分析研究了電源容量優(yōu)化配置問題，得出如下結(jié)論。

a.從LOLP、DEP、RES三個微電網(wǎng)指標出發(fā)對于優(yōu)化配置的結(jié)果進行評價，表明配置方案具有較高的合理性。配置大量的儲能，雖然會增加投資和運行成本，但對于平滑風光出力和提高系統(tǒng)可靠性方面仍具有不可替代的作用。

b.LOLP和系統(tǒng)凈現(xiàn)值成本成反比的關(guān)系，當LOLP降低到一定程度以后會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟成本。不同的微電網(wǎng)系統(tǒng)對于LOLP值的要求不同,在保障可靠性的同時應(yīng)兼顧經(jīng)濟性，選取合理的LOLP值可顯著降低系統(tǒng)的成本費用。