張異殊,李宜倫,宋 光,牛 俊
(國網(wǎng)丹東供電公司,遼寧 丹東 118000)
分布式發(fā)電具有綠色、安全、分布廣的特點,但是由于受到環(huán)境影響較大,使其發(fā)電量具有波動性、間歇性和隨機(jī)性。為了提高電網(wǎng)可靠性、減少棄風(fēng)、棄光等情況的發(fā)生,提出采用微電網(wǎng)提高分布式電源的利用效率,極大提升了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。微電網(wǎng)擁有獨立的發(fā)電、輸電、配電、變電和用電的完整電力系統(tǒng),且擁有蓄電池的電能存儲功能,能夠與主網(wǎng)進(jìn)行電能的交互,滿足區(qū)域內(nèi)用戶電能的安全、穩(wěn)定以及高效的供應(yīng)。
微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運行一直是研究熱點,文獻(xiàn)[1]構(gòu)建了含微電網(wǎng)群的主動配電網(wǎng)雙層聯(lián)合調(diào)度模型,提出了一種考慮微電網(wǎng)群共同參與主動電網(wǎng)運行的雙層聯(lián)合調(diào)度模式。文獻(xiàn)[2]在孤網(wǎng)運行模式的優(yōu)化過程中,以綜合成本為目標(biāo)函數(shù),綜合成本包括運行成本和環(huán)境成本兩部分。文獻(xiàn)[3-5]將不同類型的分布式電源、儲能裝置以微電網(wǎng)形式接入配電網(wǎng),充分考慮微電網(wǎng)加入對變電站規(guī)劃和網(wǎng)架規(guī)劃產(chǎn)生的影響。文獻(xiàn)[6-7]基于最優(yōu)成本理論,研究了微電網(wǎng)電池組能量優(yōu)化管理模型。
本文主要研究目標(biāo)為優(yōu)化微電網(wǎng)系統(tǒng)的運行方式,簡單介紹微電網(wǎng)系統(tǒng)的工作原理,同時分別建立光伏電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池和儲能裝置的數(shù)學(xué)模型。微電網(wǎng)系統(tǒng)在并網(wǎng)模式和孤島運行狀態(tài)下分別以發(fā)電費用和環(huán)境污染物最少為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化運行的多目標(biāo)建模,使用蝙蝠優(yōu)化算法對所建模型進(jìn)行求解[8]。根據(jù)1年中氣象條件變化對分布式電源的影響,使用改進(jìn)的蝙蝠算法對微電網(wǎng)中各個電源進(jìn)行優(yōu)化,使微電網(wǎng)模型的綜合效益最高,成本均達(dá)到最小。
微電網(wǎng)系統(tǒng)是一種小型電力系統(tǒng)[9-10],包含了各個分布式電源(光伏電池、燃料電池、燃?xì)廨啓C(jī))、控制裝置、儲能裝置、負(fù)載,圖1為微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)。
圖1 微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)
a.光伏電池
光伏電池的出力特性受到外界環(huán)境(輻照度、溫度、天氣類型、光伏電池板傾角等)影響較大。光伏電池出力大小表達(dá)式為
(1)
式中:PPV為光伏電池輸入功率;GSTC為標(biāo)準(zhǔn)工況下光照強(qiáng)度;TSTC為標(biāo)準(zhǔn)工況下光伏電池板溫度;PSTC為標(biāo)準(zhǔn)工況下光伏電池最大功率輸出;k為溫度系數(shù)。
b.燃?xì)廨啓C(jī)
微型燃?xì)廨啓C(jī)(MT)通過燃燒將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。在保證MT滿足最大、最小出力區(qū)間和供熱約束情況下,對燃?xì)廨啓C(jī)出力大小進(jìn)行調(diào)節(jié),以此來保持微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部穩(wěn)定,適應(yīng)系統(tǒng)中電量過剩或不足的情況[11]。
本文建模所用的微型汽輪機(jī)出力數(shù)學(xué)模型表達(dá)式為
(2)
(3)
c.燃料電池
燃料電池 (FC) 是一種不通過燃燒情況下,將燃料與氧化劑通過氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電能的裝置,在發(fā)電過程中產(chǎn)生的熱能同樣可應(yīng)用于給負(fù)荷充能[12]。燃料電池的效率計算公式如式(4)所示。
(4)
式中:CFC為FC發(fā)電成本;cFC為燃料價格,LHVf為天然氣低位熱值;ηFC為電池總效率;Pj為凈輸出功率。
d.蓄電池
蓄電池具有安全、容易維護(hù)、成本低廉等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用,其實時容量和總?cè)萘康谋戎礢OC如式(5)所示。
SOC=(C(t)/Cbat)×100%
(5)
式中:Cbat為蓄電池的總?cè)萘?;C(t)為t時刻蓄電池剩余電量。
本文儲能裝置選擇蓄電池組,在工作狀態(tài)下,SOC比值下降50%,則停止放電;充電狀態(tài)下,SOC比值在時間t內(nèi)小于20%。因此,蓄電池組需要滿足不等式約束條件。
(6)
SOCmin≤SOC(t)≤SOCmax
(7)
2.1.1 目標(biāo)函數(shù)1:運行費用最少
考慮各個分布式電源運行成本(燃料費用、維護(hù)費用、并網(wǎng)費用)和環(huán)境成本最低,建立目標(biāo)函數(shù)。
(8)
式中:F1為并網(wǎng)時微電網(wǎng)運行總費用;Cf(t)為當(dāng)前時刻分布式電源燃料費用;CM(t)為當(dāng)前時刻各個分布式電源的運行成本;CG(t)為當(dāng)前時刻微電網(wǎng)并網(wǎng)成本;k為狀態(tài)系數(shù),并網(wǎng)狀態(tài)下為1,孤島運行狀態(tài)下為0。
光伏電池在運行時不需要燃料消耗,因此不會產(chǎn)生燃料成本,該成本是由于燃料電池和微型燃?xì)廨啓C(jī)在日常運行中產(chǎn)生的[13]。
(9)
式中:N為電源個數(shù);Cfuel為氣體價格;LHV為天然氣低熱值;ηi(t)為當(dāng)前時刻各個燃料發(fā)電效率。
實際生產(chǎn)生活中,微電網(wǎng)中各個設(shè)備會出現(xiàn)不同程度的損耗,對各個設(shè)備的維修和維護(hù)產(chǎn)生了運行、維護(hù)費用。通常情況下,各個微電源的出力大小和運維費用成正比,具體公式為
CM(t)=MPVPPV+MMTPMT+MFCPFC+MBTPBT
(10)
式中:MPV、PPV分別為光伏系統(tǒng)的維護(hù)費用和輸出功率;MMT、PMT分別為微型燃?xì)廨啓C(jī)的維護(hù)費用和輸出功率;MFC、PFC分別為燃料電池的維護(hù)費用和輸出功率;MBT、PBT分別為蓄電池的維護(hù)費用和輸出功率。
并網(wǎng)運行狀態(tài)下,微電網(wǎng)在保證內(nèi)部各個電源能量調(diào)度的同時,也要保證微電網(wǎng)和大電網(wǎng)的能量交互。在并網(wǎng)狀態(tài)下,能量交互成本公式為
CG(t)=Cbuy(t)Pbuy(t)-Csell(t)Psell(t)
(11)
式中:Cbuy(t)和Pbuy(t)分別為并網(wǎng)狀態(tài)購買電能的電量和電價;Csell(t)和Psell(t)分別為并網(wǎng)狀態(tài)出售電能的電量和價格。
2.1.2 目標(biāo)函數(shù)2:環(huán)境污染費用最少
光伏發(fā)電使用太陽能轉(zhuǎn)換為電能,無污染物產(chǎn)生,而燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池在發(fā)電過程中會產(chǎn)生污染物。微電網(wǎng)環(huán)境懲罰費用計算公式為
(12)
M1t=T1PMTt+T2PFCt+T3PGridt
(13)
M2t=S1PMTt+S2PFCt+S3PGridt
(14)
M3t=N1PMTt+N2PFCt+N3PGridt
(15)
式中:K1、K2、K3分別為CO等碳氧化合物、SO等硫氧化合物、NO等氮氧化合物;M1t、M2t、M3t分別為3種不同氣體排放量;T、S、N分別為微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池和電網(wǎng)3種氣體的排放系數(shù)。
實際生產(chǎn)生活中,微電網(wǎng)運行狀態(tài)受到很多外界條件制約,其運行時必須滿足各種等式約束和不等式約束。
a.功率平衡約束
微電網(wǎng)運行時功率必須滿足各個分布式電源、用戶負(fù)荷大小、主電網(wǎng)之間的平衡關(guān)系,必須遵守等式約束。
并網(wǎng)運行時:
PPV(t)+PMT(t)+PFC(t)+PBT(t)+Pbuy(t)-Psell(t)=Pload(t)+Ploss(t)
(16)
孤島運行時:
PPV(t)+PMT(t)+PFC(t)+PBT(t)=Pload(t)+Ploss(t)
(17)
式中:PPV(t)為當(dāng)前時刻光伏出力;PMT(t)為當(dāng)前時刻微型燃?xì)廨啓C(jī)出力;PFC(t)為當(dāng)前時刻燃料電池出力;PBT(t)為當(dāng)前時刻蓄電池出力;Pbuy(t)為向主網(wǎng)購買的電能;Psell(t)為向主網(wǎng)出售的電能;Pload(t)為當(dāng)前時刻主網(wǎng)負(fù)荷大小;Ploss(t)為當(dāng)前時刻主網(wǎng)電能損耗。
b.輸出功率約束
各個分布式電源需要在額定功率情況下運行,保證微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行,其約束條件為
Pi min≤Pi(t)≤Pi max
(18)
式中:Pi min為第i中分布式電源功率下限;Pi(t)為第i中分布式電源實時功率;Pi max為第i中分布式電源功率上限。
c.節(jié)點電壓約束
各個分布式電源并網(wǎng)后,會對配網(wǎng)中各個節(jié)點電壓產(chǎn)生沖擊,因此必須對其電壓進(jìn)行限制。
Ui min≤Ui(t)≤Ui max
(19)
式中:Ui min為節(jié)點i電壓的最小值;Ui(t)為節(jié)點i的電壓值;Ui max為節(jié)點i電壓的最大值。
d.微電網(wǎng)和主網(wǎng)電能交互
并網(wǎng)運行時,微電網(wǎng)和大電網(wǎng)互為備用,以保證微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行,進(jìn)行電能交互時存在約束條件為
Pgrid,min≤Pgrid(t)≤Pgrid,max
(20)
式中:Pgrid,min為電能傳輸最小值;Pgrid(t)為實時傳輸電能;Pgrid,max為電能傳輸最大值。孤島運行狀態(tài)下不存在該約束條件。
e.污染物氣體排放
微型燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池等排放的污染氣體必須滿足環(huán)保標(biāo)準(zhǔn),其約束條件為
(21)
(22)
(23)
式中:LCO2、LSO2、LNO2分別為條件約束。
f.蓄電池運行約束
微電網(wǎng)運行狀態(tài)下,蓄電池由于自身的充放電特性需要滿足約束條件為
Pbt,min≤Pbt(t)≤Pbt,max
(24)
(25)
式中:Pbt,min為蓄電池充放電功率下限;Pbt,max為蓄電池充放電功率上限;Pbt(t)為蓄電池實時充放電功率;Smin為蓄電池最小容量;Δt為完成一次完整充放電的時間。
蝙蝠算法(bat algorithm , BA)利用了蝙蝠回聲定位的特性,用于解決信號問題,是一種利用蝙蝠回聲定位的思想結(jié)合優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),從而產(chǎn)生一種新的智能搜索算法。
a.第i只蝙蝠t時刻發(fā)射脈沖頻率為
(26)
b.第i只蝙蝠t時刻飛行速度為
(27)
c.第i只蝙蝠t時刻位置為
(28)
d.局部位置更新為
xnew=xold+εAt
(29)
式中:xold為當(dāng)前最優(yōu)解集中的一個隨機(jī)最優(yōu)解;ε為[-1,1]之間一個隨機(jī)數(shù);At為t時刻內(nèi)的所有蝙蝠平均脈沖響度。
經(jīng)過一段時間迭代后,對脈沖響度和發(fā)射速率進(jìn)行更新。當(dāng)蝙蝠不斷接近目標(biāo)后,脈沖響度不斷降低,而脈沖發(fā)射速率不斷增加。
e.第i只蝙蝠t時刻脈沖響度為
(30)
f.第i只蝙蝠t時刻脈沖發(fā)射速率為
(31)
b.初始化脈沖頻率fi和飛行速度vi,根據(jù)式(26)和(27)對脈沖頻率和飛行速度進(jìn)行更新。
c.隨機(jī)生成rand1,rand2和ri、Ai進(jìn)行比較,若rand1 d.使用更換位置后的最優(yōu)解信息與上一次迭代的最優(yōu)解進(jìn)行比較,選用最優(yōu)解作為當(dāng)前最佳位置,同時根據(jù)式(30)和(31)調(diào)整脈沖響度Ai和脈沖頻率ri。 e.經(jīng)過若干次迭代滿足迭代次數(shù)或精度要求后,輸出最優(yōu)個體所在的位置和速度等信息,若不滿足則返回步驟c繼續(xù)迭代。 蝙蝠算法流程如圖2所示。 圖2 蝙蝠算法流程 為了驗證本文給出的蝙蝠算法及微電網(wǎng)優(yōu)化模型的優(yōu)化效果和可行性,本文基于Matlab建立如圖3所示的微電網(wǎng)系統(tǒng),對微電網(wǎng)進(jìn)行仿真計算。 圖3 微電網(wǎng)簡化模型 微電網(wǎng)系統(tǒng)簡化模型如圖3所示。該系統(tǒng)包括光伏發(fā)電系統(tǒng)(PV)、微型燃?xì)廨啓C(jī)(MT)、燃料電池(FC)、儲能蓄電池(BT)。根據(jù)設(shè)置的目標(biāo)函數(shù)及蝙蝠算法進(jìn)行尋優(yōu),同時考慮不同季節(jié)中各個分布式電源出力情況及并網(wǎng)后電價,最終得到最優(yōu)的分析結(jié)果。 3.3.1 春秋運行方式 春秋季節(jié)用電高峰時間集中在11:00—14:00、18:00—21:00,無需供暖、供冷。光伏系統(tǒng)隨著光照強(qiáng)度的逐漸增加,出力大小逐漸增大,然后隨著光照減弱光伏出力逐漸減少。 并網(wǎng)狀態(tài)時微電網(wǎng)進(jìn)行余電上網(wǎng),同時保證光伏系統(tǒng)始終處于最大功率點運行,其他各個分布式電源繼續(xù)提供電能。圖4為并網(wǎng)后其他分布式電源出力情況。 圖4 春秋季節(jié)并網(wǎng)典型日微電網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化 a.低谷時間段(23:00—次日07:00) MT和FC的發(fā)電所需成本要高于從電網(wǎng)買電的價格,此時光伏系統(tǒng)出力較少。因此,在蓄電池電能耗盡情況下,微電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)從電網(wǎng)中購買電能用于居民所需。 b.平時間段(07:00—09:00、14:00—18:00、21:00—23:00) 21:00—23:00段,PV出力大小較低,MT和FC發(fā)電成本高于購電成本,此時微電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)從電網(wǎng)中購買電能用于居民所需;07:00—09:00段,光伏發(fā)電不能滿足系統(tǒng)用戶所需,因此仍舊需從電網(wǎng)中購置電能;14:00—18:00段,PV出力能夠滿足微電網(wǎng)系統(tǒng)對電能的需求,此時對蓄電池進(jìn)行充電。 c.高峰時間段(11:00—14:00、18:00—21:00) FC和MT發(fā)電成本小于購電成本,11:00—14:00段,負(fù)荷相對較低,由于FC發(fā)電成本低于MT,采用FC發(fā)電模式滿足居民所需,同時余電并入電網(wǎng)中;18:00—21:00段,居民用電負(fù)荷較大,因此所有分布式電源全部滿發(fā)狀態(tài)以保證居民的生產(chǎn)生活。 在并網(wǎng)狀態(tài)下采用成本最低目標(biāo)函數(shù),用蝙蝠算法進(jìn)行尋優(yōu)計算最終得到最小值為1407.62元。 3.3.2 夏季運行方式 根據(jù)光伏系統(tǒng)所需要的輻照度和溫度等相關(guān)數(shù)據(jù),可以得到該典型日光伏系統(tǒng)出力情況,結(jié)合夏季以冷定電的冷負(fù)荷數(shù)據(jù)。不同負(fù)荷數(shù)據(jù)、光伏出力情況如圖5所示。 圖5 夏季典型日負(fù)荷、光伏輸出曲線 由圖5可知,居民使用負(fù)荷高峰出現(xiàn)在12:00—15:00,夏季輻照度大,光伏出力明顯。夏季燃?xì)廨啓C(jī)以冷定電為出力原則,因此MT需要依照圖5中微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部冷負(fù)荷情況制定其出力計劃,具體如下: QCO=QMT×COPCO (32) (33) 式中:QCO為MT能夠提供的制冷量;QMT為MT排氣余熱;COPCO為制冷參數(shù);Pe為MT輸出功率;ηe為MT發(fā)電效率;η1為MT熱損耗參數(shù)。 根據(jù)式(32)和(33)可推出MT出力情況和排熱情況,在充分利用PV情況下,若仍不能滿足供求關(guān)系平衡,考慮燃料電池發(fā)電和外部購電。并網(wǎng)狀態(tài)下夏季典型日不同時刻分布式電源功率優(yōu)化曲線如圖6所示。 圖6 夏季并網(wǎng)典型日系統(tǒng)優(yōu)化曲線 由圖6可知,在充分利用光伏發(fā)電情況下,MT滿足冷負(fù)荷前提有3種。 a.低谷時間段(23:00—次日07:00) 由于夜間溫度降低,微型燃?xì)廨啓C(jī)出力大小逐漸減少。燃料電池在前半夜?jié)M足負(fù)荷要求后,后半夜停止工作,同時白天應(yīng)對蓄電池充電,晚間對負(fù)荷放電。低谷時間電價相對較低,因此通過電網(wǎng)購電滿足負(fù)荷需求。 b.平時間段(07:00—09:00、14:00—18:00、21:00—23:00) 仍以光伏發(fā)電為主,燃料電池和微型燃?xì)廨啓C(jī)功率輸出情況類似。通過電價比較可知,若光伏發(fā)電不能滿足負(fù)荷要求,應(yīng)向電網(wǎng)購電以滿足負(fù)荷需求,若有多余電量在蓄電池充滿后向電網(wǎng)售電。 c.高峰時間段(11:00—14:00、18:00—21:00) 隨著白天溫度逐漸升高,微型燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率在中午達(dá)到最大,晚間輸出功率逐漸減少,燃料電池的輸出功率卻逐漸升高,若無法滿足負(fù)荷需求,應(yīng)主動向電網(wǎng)購電。 夏季并網(wǎng)情況下,采用蝙蝠算法,目標(biāo)函數(shù)為日運行成本最小,則需要迭代65次,求得最小值為20980.73元。 3.3.3 冬季運行方式 a.冬季并網(wǎng)典型日 根據(jù)光伏系統(tǒng)所需要的輻照度和溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)可以得到該典型日光伏系統(tǒng)出力情況,結(jié)合冬季以熱定電的熱負(fù)荷數(shù)據(jù)。不同負(fù)荷數(shù)據(jù)、光伏出力情況如圖7所示。 由圖7可知,冬季時,用電負(fù)荷高峰出現(xiàn)在正 圖7 冬季典型日負(fù)荷、光伏輸出曲線 午時分和傍晚19:00左右,而此時的熱負(fù)荷高峰在20:00,之后會呈現(xiàn)逐漸降低趨勢,在14:00附近達(dá)到最小熱負(fù)荷值。由于冬季的日照時間和光強(qiáng)為1年中最小,因此對應(yīng)的光伏出力也最小。 微型燃?xì)廨啓C(jī)冬季出力原則為以熱定電,其出力根據(jù)圖7中微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)熱負(fù)荷的大小來制定,具體的計算方法如下。 QCO=QMT×COPCO (34) (35) 式中:QMT為微型燃?xì)廨啓C(jī)排氣的剩余熱量;Pe為微型燃?xì)廨啓C(jī)的出力;ηe為微型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率;η1為熱損參數(shù);QCO為系統(tǒng)制熱量;COPCO為溴化鋰制熱機(jī)的制熱參數(shù)。 由式(32)中微型燃?xì)廨啓C(jī)所需制熱量推出其排氣的余熱量,再根據(jù)式(33)可以得到微型燃?xì)廨啓C(jī)的出力。在滿足熱負(fù)荷情況下,保證能夠充分利用光伏發(fā)電,在微電網(wǎng)成本最優(yōu)化前提下,通過燃料電池發(fā)電或者通過向傳統(tǒng)電網(wǎng)購買或銷售電能,若仍不能滿足用電負(fù)荷,可以進(jìn)一步通過考慮由蓄電池放電、與主電網(wǎng)進(jìn)行電能交換。圖8為并網(wǎng)運行條件下,冬季典型日中各個時刻分布式電源的功率優(yōu)化曲線。 圖8 冬季并網(wǎng)典型日系統(tǒng)優(yōu)化曲線 由圖8可知,微型燃?xì)廨啓C(jī)滿負(fù)荷運行,充分利用光伏發(fā)電的前提下。 a.低谷時間段(23:00—07:00) 由于夜間溫度降低,微型燃?xì)廨啓C(jī)出力大小逐漸減少。燃料電池在前半夜?jié)M足負(fù)荷要求后,后半夜停止工作,同時白天應(yīng)對蓄電池充電,晚間對負(fù)荷放電。通過成本比較不難發(fā)現(xiàn),低谷時間電價相對較低,因此通過電網(wǎng)購電滿足負(fù)荷需求。 b.平時間段(07:00—09:00、14:00—18:00、21:00—23:00) 仍以光伏發(fā)電為主,燃料電池和微型燃?xì)廨啓C(jī)功率輸出情況類似。通過電價比較可知,若光伏發(fā)電不能滿足負(fù)荷要求,應(yīng)向電網(wǎng)購電以滿足負(fù)荷需求,若有多余電量在蓄電池已充滿后向電網(wǎng)售電。24:00—07:00段,由于向主網(wǎng)購電,因此燃料電池不發(fā)出電能,09:00以后燃料電池開始發(fā)電。 c.高峰時間段(11:00—14:00、18:00—21:00) 隨著白天溫度逐漸升高,微型燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率在中午達(dá)到最大,晚間輸出功率逐漸減少,燃料電池的輸出功率卻逐漸升高,若無法滿足負(fù)荷需求,應(yīng)主動向電網(wǎng)購電。 冬季并網(wǎng)情況下,采用蝙蝠算法,目標(biāo)函數(shù)為日運行成本最小,則需要迭代32次,求得最小值為1832.28元。 本文介紹了蝙蝠算法的數(shù)學(xué)模型和實現(xiàn)步驟,給出了微電網(wǎng)的各種運行參數(shù),包括外界溫度、輻照度、各個分布式電源出力界限、電源各項參數(shù)指標(biāo)、電價等,采用蝙蝠算法分別在春秋季、夏季、冬季的并網(wǎng)狀態(tài)和孤島狀態(tài)對優(yōu)化模型進(jìn)行仿真求解,并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析,比較了不同季節(jié)條件下微電網(wǎng)內(nèi)的日發(fā)電費用,證明了所建優(yōu)化模型的有效性。3.3 算例分析
4 結(jié)語