李志偉，東 偉，張繪敏

(河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450042)

1 研究意義現(xiàn)狀

為解決人類文明和社會產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展帶來的日益嚴(yán)重的環(huán)境污染及資源短缺問題，全球各國高度重視風(fēng)電、光伏發(fā)電等可再生清潔能源的發(fā)展[1，2]。光伏、風(fēng)能是新能源中開發(fā)較早、分布較廣、技術(shù)最成熟并具大規(guī)模開發(fā)價(jià)值的新能源，受到各個(gè)國家能源部門的高度重視，許多國家已經(jīng)把風(fēng)電、光伏發(fā)電建設(shè)作為重要的能源政策，風(fēng)電、光伏已經(jīng)成為一些國家電力工業(yè)的重要組成分支。

但是風(fēng)、光自身存在著很大的缺點(diǎn)，風(fēng)能是一種不能準(zhǔn)確預(yù)測、不能存儲、不可調(diào)度的間歇性能源，風(fēng)速預(yù)測存在一定的誤差，因此風(fēng)電場不能提供持續(xù)的功率，發(fā)電穩(wěn)定性較差，可靠性低，成本較高。受天氣的影響，光伏發(fā)電同樣也具有隨機(jī)性和不穩(wěn)定性，與水電和火電相比，風(fēng)、光的隨機(jī)性和間歇性特點(diǎn)造成其出力頻繁波動，會影響電網(wǎng)頻率和電壓的穩(wěn)定性，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定及正常電力調(diào)度帶來新的問題。為了使整個(gè)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定和優(yōu)質(zhì)地運(yùn)行，需要增加系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用容量和調(diào)頻機(jī)組容量，其后果是增加了系統(tǒng)的運(yùn)行成本，如果增加的這部分成本大于風(fēng)電節(jié)省的燃料成本，對系統(tǒng)而言是虧本的，這是哪個(gè)電力系統(tǒng)都不愿接受的。所以風(fēng)、光產(chǎn)業(yè)在發(fā)展的同時(shí)，也受到了制約，部分地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)限制了風(fēng)、光發(fā)電接入容量。但是在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)，比如山村景區(qū)、旅游海島、邊防哨所等地，由于距離城市較遠(yuǎn)，電網(wǎng)架設(shè)難度大、成本高，不能接通電網(wǎng)，但是可以利用這些地區(qū)的天然優(yōu)勢構(gòu)建風(fēng)-光-柴油-抽水蓄能微型電網(wǎng)，以滿足當(dāng)?shù)刎?fù)荷需求。

微型電網(wǎng)在有效利用可再生分布式發(fā)電技術(shù)方面有著天然優(yōu)勢，可以減輕風(fēng)電、光伏發(fā)電自身的波動性及隨機(jī)性對電網(wǎng)的沖擊[3，4]。微電網(wǎng)作為一個(gè)靈活、完整的小型電力系統(tǒng)，可與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，相互補(bǔ)充，滿足當(dāng)?shù)刎?fù)荷需求。但是微型電網(wǎng)系統(tǒng)各個(gè)分布式電源如果沒有得到合理調(diào)度及容量配置，就會降低電能供應(yīng)的安全可靠性及環(huán)保經(jīng)濟(jì)性[5，6]。國內(nèi)外專家學(xué)者在微網(wǎng)分布式電源容量配置及出力調(diào)度方面進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[7]基于虛擬儲能概念，提出了計(jì)及主配儲能協(xié)同的微網(wǎng)風(fēng)光儲容量雙層優(yōu)化配置方案，采用改進(jìn)的粒子群算法對方案進(jìn)行求解，算例驗(yàn)證結(jié)果表明方案可以提高微電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力。文獻(xiàn)[8]在研究商業(yè)微網(wǎng)(BPMG)的基礎(chǔ)上，提出一種考慮需求側(cè)靈活性資源的BPMG優(yōu)化調(diào)度方法，建立兼顧運(yùn)行靈活性及經(jīng)濟(jì)性的BPMG多目標(biāo)優(yōu)化運(yùn)行模型，采用CPLEX優(yōu)化軟件求解。文獻(xiàn)[9]建立以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)函數(shù)，包括光伏發(fā)電、天然氣發(fā)電、儲能系統(tǒng)的微網(wǎng)系統(tǒng)模型，采用狼群-粒子群混合算法對模型進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[10-12]分別以年、日綜合運(yùn)維成本最小、環(huán)境污染最小、運(yùn)行靈活性最大為目標(biāo)函數(shù)，記及功率平衡等約束條件，建立微電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行模型，采用不同的求解方法對模型求解，并仿真驗(yàn)證了模型的正確性。

建立風(fēng)電-光伏-柴油-抽水蓄能電站微網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)，具有很大科學(xué)研究、工程實(shí)踐及社會經(jīng)濟(jì)意義，體現(xiàn)在下面三個(gè)方面：

(1) 為未接入電網(wǎng)偏遠(yuǎn)地區(qū)已建成的純風(fēng)電場、光伏電場配建相關(guān)容量的抽水蓄能電站及柴油發(fā)電機(jī)組，解決棄能浪費(fèi)、電量短缺、功率輸出不平穩(wěn)的問題，為電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)及可靠運(yùn)行提供新的技術(shù)支持。

(2) 根據(jù)應(yīng)用控制要求，建立復(fù)雜控制模型，采用先進(jìn)優(yōu)化算法進(jìn)行控制求解，推動智能控制算法在工程實(shí)踐中的應(yīng)用。

(3) 為推廣可再生新能源的擴(kuò)大應(yīng)用提供技術(shù)參考，并可以推動偏遠(yuǎn)旅游景區(qū)、旅游海島經(jīng)濟(jì)創(chuàng)收，提高當(dāng)?shù)鼐用竦纳钯|(zhì)量，具有一定的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境及社會效益，符合國家正在推行的“打贏扶貧攻堅(jiān)戰(zhàn)”、“綠水青山就是金山銀山”的扶貧及環(huán)保政策。

2 風(fēng)-光-抽-柴并網(wǎng)型微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)當(dāng)?shù)刎?fù)荷特點(diǎn)，為最大限度地利用當(dāng)?shù)仫L(fēng)能、光伏可再生發(fā)電資源，結(jié)合抽水蓄能電站運(yùn)行特性及配建條件，建立風(fēng)-光-抽-柴并網(wǎng)型微網(wǎng)模型，如圖1所示。

圖1 風(fēng)-光-抽-柴并網(wǎng)型微網(wǎng)模型

由圖1可知，微網(wǎng)主要由風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、柴油發(fā)電、抽水蓄能電站[13，14]、當(dāng)?shù)刎?fù)荷組成。在優(yōu)化時(shí)段內(nèi)，風(fēng)、光發(fā)電優(yōu)先滿足當(dāng)?shù)刎?fù)載，如果超出負(fù)載啟動抽水蓄能電站的水泵，把下水庫的水抽至上水庫，以“重力勢能”存儲起來；在風(fēng)、光發(fā)電出力不能滿足當(dāng)時(shí)段負(fù)荷時(shí)，啟動抽水蓄能電站的水輪機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，把存儲的“重力勢能”轉(zhuǎn)化為電能滿足負(fù)荷。在風(fēng)、光發(fā)電及抽水蓄能電站都不能滿足負(fù)荷時(shí)，可以啟動柴油發(fā)電機(jī)供給當(dāng)?shù)刎?fù)荷。以運(yùn)行成本和環(huán)境懲罰成本為目標(biāo)的優(yōu)化出力調(diào)度決定著各個(gè)機(jī)組的運(yùn)行狀況及能量走向。

3 風(fēng)-光-抽-柴微電網(wǎng)各單元系統(tǒng)模型

3.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型

參考文獻(xiàn)[6]，風(fēng)力發(fā)電的功率輸出表示為：

(1)

其中：CP為風(fēng)能利用系數(shù)；D為風(fēng)輪直徑；ρ為空氣密度；vi、vo分別為切入切出風(fēng)速；vp優(yōu)化時(shí)段平均風(fēng)速；ve為額定風(fēng)速；Pw為風(fēng)機(jī)功率；Pe為風(fēng)機(jī)額定功率。

3.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)模型

光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出[15]如下：

Ppv=PstcGac[1+k(Tc-Tstc)]/Gstc.

(2)

其中：Ppv為光伏發(fā)電功率；Pstc為光伏發(fā)電最大輸出功率；Gac、Gstc為當(dāng)前光照強(qiáng)度和最大輸出功率光照強(qiáng)度；Tc、Tstc為電池板當(dāng)前溫度和最大輸出功率時(shí)的測試溫度；k為溫度系數(shù)，一般情況下取k=-0.47。

3.3 抽水蓄能水泵水輪機(jī)運(yùn)行模型

抽水蓄能過程是集抽水、蓄水、發(fā)電、變壓為一體的復(fù)雜過程，本文只討論發(fā)電、抽水兩個(gè)過程。

(1) 抽水工況的耗電量為：

(3)

其中：Ep為抽水消耗電量，kW·h；Hp為抽水平均揚(yáng)程，m；Vs為調(diào)節(jié)水量，m3；ηp為抽水運(yùn)行效率。

(2) 發(fā)電工況的發(fā)電量為：

(4)

其中：Ek為發(fā)電量，kW·h；Hk為發(fā)電平均水頭，m；Vs為調(diào)節(jié)水量，m3；ηk為發(fā)電運(yùn)行效率。

抽水蓄能完成抽水發(fā)電一次循環(huán)的效率為：

(5)

一般情況下，η取0.65～0.75。

3.4 柴油發(fā)電機(jī)模型

在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)風(fēng)光發(fā)電機(jī)組、抽水蓄能電站無法滿足負(fù)荷要求時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)用于保證負(fù)載運(yùn)行。柴油發(fā)電機(jī)燃料消耗成本與輸出功率關(guān)系模型如下：

Cf=aPdg2+bPdg+c.

(6)

其中：Cf為柴油發(fā)電機(jī)燃油費(fèi)；Pdg為柴油發(fā)電機(jī)輸出功率；a、b、c為柴油燃料曲線系數(shù)，a、b、c一般由廠家提供，本文中取a=0.007 1、b=0.233 3、c=0.433 3。

4 風(fēng)-光-抽-柴微電網(wǎng)運(yùn)行模型

微電網(wǎng)中的風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、抽水蓄能發(fā)電、柴油發(fā)電的系統(tǒng)配合是保證微網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)質(zhì)運(yùn)行的保障。以系統(tǒng)典型日運(yùn)行成本及污染排放成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合多項(xiàng)約束條件、分時(shí)電價(jià)等因素，建立微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型。優(yōu)化模型包含2個(gè)優(yōu)化目標(biāo)：日運(yùn)行成本和污染排放成本。

4.1 目標(biāo)函數(shù)1

目標(biāo)函數(shù)1是微網(wǎng)系統(tǒng)日運(yùn)行總成本Cdr：

Cdr=Cdii+Cdom.

(7)

其中：Cdii為折算到每天的設(shè)備初始投資；Cdom為系統(tǒng)運(yùn)行日維護(hù)成本。

4.1.1 運(yùn)行日設(shè)備初始投資Cdii

微網(wǎng)系統(tǒng)的初始投資主要是設(shè)備購置安裝費(fèi)，與容量有關(guān)，微網(wǎng)系統(tǒng)的初始投資主要包含風(fēng)電、光伏、抽水蓄能、柴油發(fā)電投資費(fèi)用，屬于一次性投資，考慮利率不考慮設(shè)備折舊(年平均利率)，利用等額年金計(jì)算方法，計(jì)算折算日初始成本為：

(8)

其中：Cdii,j為第j種設(shè)備的初始投資成本；m為所有設(shè)備總種數(shù)，m=4；R為等額年金參數(shù)；Cw為風(fēng)電初始投資成本；Cpv為光伏發(fā)電初始投資成本；Cp為抽水蓄能電站初始投資成本；Cd為柴油發(fā)電機(jī)組初始投資成本。R和Cdii,j分別由下式計(jì)算：

(9)

Cdii,j=Nj×Cu,j.

(10)

其中：r為利率；n為風(fēng)光儲微網(wǎng)壽命，年；Nj為第j種設(shè)備的數(shù)目；Cu,j為第j種設(shè)備的單位成本。

4.1.2 系統(tǒng)運(yùn)行日維護(hù)成本Cdom

微網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行成本與設(shè)備的容量有關(guān)，主要包括人工費(fèi)和設(shè)備維修費(fèi)：

(11)

其中：Cdom,j為第j種設(shè)備一年運(yùn)行維護(hù)成本；Cdom,u,j為第j種設(shè)備單位容量的一年運(yùn)行維護(hù)成本；Cj為第j種設(shè)備一年運(yùn)行的總?cè)萘俊?/p>

4.2 目標(biāo)函數(shù)2

目標(biāo)函數(shù)2為環(huán)境污染成本Ce：

(12)

其中：μc為柴油發(fā)電懲罰因子。

5 模型求解

由所建的優(yōu)化模型來看，該模型是一個(gè)多目標(biāo)、多約束的非線性動態(tài)優(yōu)化問題。聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)的仿真時(shí)間為一天24個(gè)時(shí)段，從上述公式分析模型涉及參數(shù)變量之間相互制約，變量之間的取值相互影響，并且不同時(shí)段的取值范圍也不同，這就給優(yōu)化算法的實(shí)現(xiàn)帶來很大困難。采用改進(jìn)的多目標(biāo)克隆選擇算法對模型進(jìn)行求解分析，是一種基于精英保留策略的優(yōu)化算法，抗體隨著進(jìn)化代數(shù)的增加趨近最優(yōu)。改進(jìn)的多目標(biāo)克隆選擇算法流程如圖2所示。運(yùn)用MATLAB仿真軟件編寫代碼程序，對微網(wǎng)優(yōu)化模型進(jìn)行求解。

圖2 改進(jìn)的多目標(biāo)克隆選擇算法流程

6 結(jié)論

風(fēng)-光-抽-柴微電網(wǎng)的建立可以替代原有的傳統(tǒng)的發(fā)電方式，可以充分利用風(fēng)光電能，降低發(fā)電成本，提高當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量，同時(shí)可以促進(jìn)當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)發(fā)展?？梢越o偏遠(yuǎn)地區(qū)(山區(qū)、孤立海島)建立微型電網(wǎng)，這些地區(qū)與城市距離較遠(yuǎn)，比較貧困，建立聯(lián)合微電網(wǎng)可以提高當(dāng)?shù)鼐用竦纳钯|(zhì)量，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，有助于這些地方創(chuàng)建綠色景區(qū)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)創(chuàng)收，脫貧攻堅(jiān)，實(shí)現(xiàn)小康生活。偏遠(yuǎn)地區(qū)不再以柴油發(fā)電機(jī)作為主要發(fā)電動力來源，能夠減少材料消耗，同時(shí)利用風(fēng)電光伏等清潔能源，可以減少污染，符合國家“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”的環(huán)保政策。