吳 雪， 田 笑， 肖 瑩， 張 華

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院， 江蘇 南京 210009）

0 引言

近年來(lái)，由于全球能源需求的不斷增長(zhǎng)和環(huán)境污染問(wèn)題的日益嚴(yán)重，微電網(wǎng)逐漸成為了發(fā)展的熱點(diǎn)。微電網(wǎng)是一種由多種能源和負(fù)載組成的小型電力系統(tǒng)，以其能源自給自足、低碳環(huán)保、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，在城市、工業(yè)園區(qū)和農(nóng)村等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。微電網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，其應(yīng)用場(chǎng)景也越來(lái)越多樣化，例如在電網(wǎng)薄弱地區(qū)、島嶼、遠(yuǎn)程地區(qū)和非洲等地，微電網(wǎng)可以為當(dāng)?shù)鼐用駧?lái)高質(zhì)量的電力服務(wù)[1]。然而，微電網(wǎng)系統(tǒng)具有復(fù)雜性、不確定性和動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)，因此需要開展深入研究，探索有效的優(yōu)化調(diào)度方法，以提高微電網(wǎng)的效率和可靠性。

1 微電網(wǎng)概述

微電網(wǎng)是一種由多種分布式能源、存儲(chǔ)設(shè)備和負(fù)荷組成的小型電力系統(tǒng)，可以獨(dú)立運(yùn)行或與主電網(wǎng)相互連接。微電網(wǎng)是一種新興的能源系統(tǒng)，它具有多種優(yōu)點(diǎn)，包括能源自給自足、低碳環(huán)保、高效節(jié)能等，這些優(yōu)點(diǎn)使得微電網(wǎng)在未來(lái)的能源市場(chǎng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。微電網(wǎng)的基本組成部分包括分布式能源、能量存儲(chǔ)設(shè)備和負(fù)荷。分布式能源包括風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃料電池和微型燃?xì)廨啓C(jī)等，能量存儲(chǔ)設(shè)備包括電池儲(chǔ)能和儲(chǔ)氫儲(chǔ)能等。這些部分的協(xié)調(diào)和優(yōu)化是微電網(wǎng)的核心問(wèn)題，需要綜合考慮各個(gè)因素，例如天氣條件、負(fù)荷需求、能源價(jià)格等，以確保微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益。

微電網(wǎng)不僅可以提高能源利用效率，還可以通過(guò)減少對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)的依賴來(lái)減少對(duì)化石能源的需求，從而降低對(duì)環(huán)境的影響。此外，微電網(wǎng)還可以增加能源的安全性和可靠性，因?yàn)樗鼈兡軌蛟谥麟娋W(wǎng)發(fā)生故障或?yàn)?zāi)害時(shí)繼續(xù)運(yùn)行。這使得微電網(wǎng)成為了一種備用電源選項(xiàng)，在突發(fā)情況下保障能源供應(yīng)。在微電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，需要考慮多種因素，例如微電網(wǎng)的規(guī)模、結(jié)構(gòu)和技術(shù)方案等。微電網(wǎng)的規(guī)模和結(jié)構(gòu)決定了所需的分布式能源和能量存儲(chǔ)設(shè)備的數(shù)量和類型，而技術(shù)方案則決定了微電網(wǎng)的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)性。為了實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的最佳性能，需要仔細(xì)評(píng)估各種因素，并進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)。

2 不同種類的分布式電源數(shù)學(xué)模型

2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心。它由三個(gè)主要組成部分構(gòu)成：風(fēng)速模型、風(fēng)機(jī)特性模型和電機(jī)模型。風(fēng)速模型是用來(lái)描述風(fēng)速在時(shí)間和空間上的變化規(guī)律的。風(fēng)機(jī)特性模型描述了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性和輸出功率特性，包括空氣動(dòng)力學(xué)和機(jī)械特性。電機(jī)模型描述了發(fā)電機(jī)的電磁特性和輸出電壓特性。這些模型可以幫助人們更好地理解風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理，優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，從而提高風(fēng)力發(fā)電的效率和經(jīng)濟(jì)性。除了風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型，還有一些關(guān)鍵因素需要考慮，例如風(fēng)場(chǎng)的地形、風(fēng)向、風(fēng)速和湍流強(qiáng)度。這些因素對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能和發(fā)電量產(chǎn)生重要影響[2]。因此，在設(shè)計(jì)和運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，必須考慮這些因素，并制定相應(yīng)的策略來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)性能?？傊?，風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心，它可以幫助人們更好地理解風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理，優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，從而提高風(fēng)力發(fā)電的效率和經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，還需要考慮其他關(guān)鍵因素，制定相應(yīng)的策略來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)性能。

2.2 光伏發(fā)電數(shù)學(xué)模型

光伏發(fā)電的數(shù)學(xué)模型是一種非常重要的工具，用于描述太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的特性和性能。這種模型通常包括太陽(yáng)輻射模型、光伏電池模型和直流電- 交流電轉(zhuǎn)換模型。太陽(yáng)輻射模型主要用來(lái)描述太陽(yáng)輻射在不同時(shí)間和空間中的變化規(guī)律。它可以幫助我們更好地理解太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)作機(jī)制和影響因素。光伏電池模型則用來(lái)描述光伏電池的電學(xué)特性和輸出電壓特性。這種模型可以幫助我們更好地了解太陽(yáng)能電池的性能和限制。直流電- 交流電轉(zhuǎn)換模型則用來(lái)描述光伏發(fā)電系統(tǒng)的電力轉(zhuǎn)換過(guò)程。它可以幫助我們更好地理解太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的整個(gè)工作流程。通過(guò)使用光伏發(fā)電的數(shù)學(xué)模型，我們可以更好地設(shè)計(jì)和優(yōu)化光伏發(fā)電系統(tǒng)，提高光伏發(fā)電的效率和經(jīng)濟(jì)性[3]。因此，深入理解和掌握光伏發(fā)電的數(shù)學(xué)模型非常重要。

2.3 燃料電池?cái)?shù)學(xué)模型

燃料電池的數(shù)學(xué)模型是研究燃料電池內(nèi)部工作原理的一種計(jì)算模型。它通常包括以下三個(gè)部分：燃料供應(yīng)模型、氫氣輸出模型和電化學(xué)反應(yīng)模型。燃料供應(yīng)模型主要描述燃料在燃料電池中的供應(yīng)和流動(dòng)過(guò)程，氫氣輸出模型主要描述燃料電池的輸出特性，電化學(xué)反應(yīng)模型主要描述燃料電池中的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。這些部分的綜合作用決定了燃料電池的性能和特性。燃料電池的數(shù)學(xué)模型可以幫助我們更好地理解燃料電池的內(nèi)部工作原理。通過(guò)對(duì)燃料電池?cái)?shù)學(xué)模型的研究，可以分析燃料電池的性能、效率和經(jīng)濟(jì)性，并優(yōu)化燃料電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，從而提高燃料電池技術(shù)的發(fā)展水平。此外，燃料電池?cái)?shù)學(xué)模型還可以用來(lái)預(yù)測(cè)燃料電池在不同工況下的性能表現(xiàn)，為燃料電池的應(yīng)用和推廣提供科學(xué)依據(jù)。

2.4 微型燃?xì)廨啓C(jī)

微型燃?xì)廨啓C(jī)是一種能夠?qū)⑷剂限D(zhuǎn)化為電力的設(shè)備。它的數(shù)學(xué)模型通常包括三個(gè)部分：燃?xì)夤?yīng)模型、燃?xì)馊紵Ｐ秃托D(zhuǎn)機(jī)械模型。其中，燃?xì)夤?yīng)模型用來(lái)描述燃?xì)獾墓?yīng)和流動(dòng)過(guò)程，燃?xì)馊紵Ｐ陀脕?lái)描述燃?xì)庠谌細(xì)廨啓C(jī)中的燃燒過(guò)程，旋轉(zhuǎn)機(jī)械模型用來(lái)描述燃?xì)廨啓C(jī)的旋轉(zhuǎn)特性和輸出功率特性。為了更好地優(yōu)化微型燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，數(shù)學(xué)模型可以被用來(lái)預(yù)測(cè)燃?xì)廨啓C(jī)的性能和效率[4]。通過(guò)優(yōu)化這些模型，可以提高微型燃?xì)廨啓C(jī)的效率和經(jīng)濟(jì)性。此外，微型燃?xì)廨啓C(jī)也可以被用來(lái)代替其他能源設(shè)備，以減少對(duì)環(huán)境的影響，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目的。因此，微型燃?xì)廨啓C(jī)的研究和發(fā)展具有重要意義，它可以提供更加清潔和高效的能源解決方案。

3 基于經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性的微電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

在進(jìn)行微電網(wǎng)的配置時(shí)，首先需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。為了更好地控制不同種類的能源，必須采用分布式電源，并滿足其功率的需求。此外，還需要建立良好的系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制，以保證微電網(wǎng)的安全運(yùn)行。本文提出的微電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型主要包括兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)，即經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)和環(huán)保性目標(biāo)。其中，經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)主要包括成本最小化和效益最大化兩個(gè)方面。在成本最小化方面，可以考慮采用更具成本效益的能源，以降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。在效益最大化方面，需要重點(diǎn)考慮如何更好地利用微電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，提高其經(jīng)濟(jì)效益。環(huán)保性目標(biāo)主要包括碳排放最小化和環(huán)境污染最小化兩個(gè)方面。為了實(shí)現(xiàn)碳排放最小化，我們可以采用更清潔、更綠色的能源，如光伏和風(fēng)能等[5]。為了實(shí)現(xiàn)環(huán)境污染最小化，可以采用更環(huán)保的設(shè)備，并加強(qiáng)微電網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)和治理。將經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性結(jié)合起來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。因此，應(yīng)該在優(yōu)化調(diào)度過(guò)程中，注重經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性的平衡，以達(dá)到最佳的系統(tǒng)運(yùn)行效果。同時(shí)，我們也應(yīng)該積極探索新的技術(shù)和方法，不斷完善微電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度模型，以應(yīng)對(duì)未來(lái)的市場(chǎng)需求和環(huán)境挑戰(zhàn)。

3.2 約束條件

微電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型中，有三個(gè)重要的約束條件，分別是能量平衡約束、發(fā)電容量約束和儲(chǔ)能容量約束。具體來(lái)說(shuō)，首先能量平衡約束是用來(lái)保證微電網(wǎng)系統(tǒng)在每個(gè)時(shí)刻的能量供需平衡。這意味著，微電網(wǎng)系統(tǒng)在任何時(shí)候都必須有足夠的能量供應(yīng)，以滿足其當(dāng)前的能源需求。如果系統(tǒng)的能量供應(yīng)不足，那么它將無(wú)法正常運(yùn)行，這將對(duì)整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性造成不利影響。其次，發(fā)電容量約束用來(lái)保證各種分布式電源的發(fā)電容量不超過(guò)其最大容量。這意味著，各種分布式電源在發(fā)電的過(guò)程中，不能超過(guò)其最大發(fā)電容量，否則可能會(huì)對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成不利影響。因此，發(fā)電容量約束是確保微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素之一。最后，儲(chǔ)能容量約束用來(lái)保證儲(chǔ)能設(shè)備的儲(chǔ)能容量不超過(guò)其最大容量。這意味著，儲(chǔ)能設(shè)備在儲(chǔ)存能量的過(guò)程中，不能超過(guò)其最大儲(chǔ)能容量，否則可能會(huì)對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成不利影響[6]。因此，儲(chǔ)能容量約束也是確保微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素之一。通過(guò)這些約束條件的實(shí)施，微電網(wǎng)系統(tǒng)可以更加穩(wěn)定地運(yùn)行，從而保證其可靠性和穩(wěn)定性。

4 基于改進(jìn)遺傳算法的微電網(wǎng)優(yōu)化配置

微電網(wǎng)是指由多個(gè)分布式電源、儲(chǔ)能設(shè)備和負(fù)荷組成的電力系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的中心化電網(wǎng)不同，微電網(wǎng)具有分布式、自治性和可靠性等特點(diǎn)，因此在能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展方面具有重要的意義。然而，由于微電網(wǎng)系統(tǒng)的復(fù)雜性和不確定性，其優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題一直是一個(gè)難題。本文提出了一種基于改進(jìn)遺傳算法的微電網(wǎng)優(yōu)化配置算法，該算法主要包括三個(gè)步驟：種群初始化、遺傳操作和適應(yīng)度評(píng)估。在這里，將詳細(xì)介紹這三個(gè)步驟及其實(shí)現(xiàn)方法。在種群初始化階段，需要確定微電網(wǎng)的規(guī)模和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電氣參數(shù)。這些參數(shù)的確定是非常關(guān)鍵的，因?yàn)樗鼈冎苯佑绊懙轿㈦娋W(wǎng)的性能和效率?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)微電網(wǎng)的負(fù)荷、發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能裝置等方面進(jìn)行分析，來(lái)確定這些參數(shù)的取值范圍。還需要考慮微電網(wǎng)系統(tǒng)的能量平衡、發(fā)電容量約束和儲(chǔ)能容量約束等重要因素。能量平衡是用來(lái)保證微電網(wǎng)系統(tǒng)在每個(gè)時(shí)刻的能量供需平衡[7]。如果系統(tǒng)的能量供應(yīng)不足，那么它將無(wú)法正常運(yùn)行，這將對(duì)整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性造成不利影響。發(fā)電容量約束用來(lái)保證各種分布式電源的發(fā)電容量不超過(guò)其最大容量。儲(chǔ)能容量約束用來(lái)保證儲(chǔ)能設(shè)備的儲(chǔ)能容量不超過(guò)其最大容量。通過(guò)這些約束條件的實(shí)施，微電網(wǎng)系統(tǒng)可以更加穩(wěn)定地運(yùn)行，從而保證其可靠性和穩(wěn)定性。

接下來(lái)，可以利用遺傳操作來(lái)優(yōu)化微電網(wǎng)的配置方案，具體包括發(fā)電機(jī)的數(shù)量和容量、儲(chǔ)能裝置的容量和數(shù)量等方面。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，可以采用交叉和變異操作。交叉操作是將兩個(gè)不同的微電網(wǎng)配置方案進(jìn)行交叉，得到一個(gè)新的微電網(wǎng)配置方案。變異操作是對(duì)某個(gè)微電網(wǎng)配置方案進(jìn)行隨機(jī)的變異操作，得到一個(gè)新的微電網(wǎng)配置方案。這些操作可以為更好地探索微電網(wǎng)配置方案空間提供顯著幫助，并找到最優(yōu)的配置方案。同事還通過(guò)采用改進(jìn)的遺傳算法，通過(guò)引入新的算子和策略，提高了算法的搜索能力和收斂速度。最后，在適應(yīng)度評(píng)估階段，我們采用經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性兩個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)估微電網(wǎng)配置方案的優(yōu)劣。經(jīng)濟(jì)性是指微電網(wǎng)配置方案的總體成本，包括建設(shè)成本、運(yùn)營(yíng)成本和維護(hù)成本等。環(huán)保性是指微電網(wǎng)配置方案的環(huán)境效益，包括減少碳排放、降低噪音等[8]。通過(guò)對(duì)這兩個(gè)指標(biāo)的評(píng)估，可以確定最優(yōu)的微電網(wǎng)配置方案。還采用了多目標(biāo)優(yōu)化方法，通過(guò)權(quán)衡經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性等多個(gè)因素，得到更加全面和合理的微電網(wǎng)配置方案。通過(guò)改進(jìn)遺傳算法，可以有效地解決微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題，提高微電網(wǎng)系統(tǒng)的效率和經(jīng)濟(jì)性。該算法可以應(yīng)用于各種類型的微電網(wǎng)系統(tǒng)，包括城市微電網(wǎng)、農(nóng)村微電網(wǎng)、海島微電網(wǎng)等。因此，相信這一算法對(duì)于微電網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化和發(fā)展有著重要的意義。

5 結(jié)語(yǔ)

本文的研究為微電網(wǎng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供了參考和指導(dǎo)。未來(lái)，將繼續(xù)研究微電網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題，以提高微電網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展水平。具體而言，需要結(jié)合實(shí)際進(jìn)一步考慮微電網(wǎng)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性等方面的問(wèn)題，并探索如何將微電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)進(jìn)行整合，以實(shí)現(xiàn)更加高效的能源利用。