任勝男，王 進，胡澤斌，周洋，謝謹，龔羅文

(1.湖南省清潔能源與智能電網(wǎng)協(xié)調(diào)創(chuàng)新中心 長沙理工大學，長沙 410114；2.長沙理工大學，長沙 410114)

0 引言

當今化石能源危機問題的日益突出，可再生能源發(fā)電技術(shù)迅速發(fā)展，微電網(wǎng)是可再生能源集中發(fā)電的一種重要的表現(xiàn)形式[1]。微電網(wǎng)是集分布式電源、儲能以及本地負荷為一體小型電力系統(tǒng)，能夠充分發(fā)揮分布式電源優(yōu)勢[2]，緩解電力系統(tǒng)擴張的需求，同時風-柴互補獨立發(fā)電系統(tǒng)是能夠有效解決海島用電問題的一種模式。合理規(guī)劃微電網(wǎng)中不同類型分布式電源的容量配置，不僅能夠有效降低系統(tǒng)運行投資成本，提高可再生能源利用率[3]，而且供電可靠性也將得到大幅度提高。

隨著“十三五”期間我國微電網(wǎng)市場規(guī)模的不斷擴大，獨立運行微電網(wǎng)中分布式電源規(guī)劃問題成為微電網(wǎng)相關(guān)研究中的熱點問題。文獻[4]針對獨立海島微網(wǎng)中分布式電源容量配置問題，以微網(wǎng)年投資運行成本最小為優(yōu)化目標；文獻[5]構(gòu)建微電網(wǎng)經(jīng)濟成本最小、污染排放最少和能源利用率最高的多目標優(yōu)化配置模型，并引入熵理論以確定多目標函數(shù)各指標的權(quán)重系數(shù)；文獻[6]以經(jīng)濟性和環(huán)保性為目標，建立了基于多狀態(tài)建模的獨立型微網(wǎng)多目標優(yōu)化配置模型；文獻[7]以綜合經(jīng)濟成本最低為目標函數(shù),電源類型與容量為待求變量，建立微電網(wǎng)并網(wǎng)模式下的電源優(yōu)化配置模型；文獻[8]以網(wǎng)絡(luò)年費用最小化為優(yōu)化目標，建立了微網(wǎng)中各設(shè)備的最優(yōu)配置模型?，F(xiàn)有微電網(wǎng)分布式電源優(yōu)化配置多集中在以系統(tǒng)運行投資成本最小為目標，忽略了系統(tǒng)缺額電量帶來的停電經(jīng)濟損失。

為了提高獨立運行微電網(wǎng)系統(tǒng)的供電可靠性，文獻[9]采用蒙特卡洛法評估配電系統(tǒng)可靠性，利用前推回代法計算系統(tǒng)節(jié)點電壓和網(wǎng)損，獲得適合微電網(wǎng)接入的負荷節(jié)點，以不同負荷的停電損失和系統(tǒng)網(wǎng)損費用最低為目標函數(shù)，但缺乏對儲能裝置的考慮；文獻[10]基于對微網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃特點和用戶停電損失的研究，建立了考慮用戶停電損失的微網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃模型,并將分布式電源和負荷的時序特性納入目標函數(shù)中，以最小化網(wǎng)絡(luò)年費用為優(yōu)化目標，卻忽略了發(fā)電企業(yè)損失；文獻[11]用系統(tǒng)的負荷失電率評價系統(tǒng)的供電可靠性，提出了微電網(wǎng)的電源容量多目標優(yōu)化配置模型，但卻缺乏對系統(tǒng)缺額電量進行分析；文獻[12]基于蒙特卡洛法隨機模擬，將考慮時序性和不確定性的停電損失可靠性指標引入模型，建立綜合考慮最小化分布式風電源投資成本、最小化網(wǎng)損以及最小化停電損失的多目標優(yōu)化配置模型，但未對停電損失計算成本進行改進。

本文用系統(tǒng)的缺額電量評價系統(tǒng)的供電可靠性，搭建了微電網(wǎng)缺額電量分段式停電損失成本計算模型，并提出了計及停電損失費用的風-柴-儲型獨立微電網(wǎng)分布式電源優(yōu)化配置模型，以最小化投資成本、運維成本以及停電損失費用之和為目標。針對所建立的模型，采用粒子群算法進行求解，并分析了停電損失成本對系統(tǒng)優(yōu)化配置的影響以及柴油發(fā)電機燃料成本對電源結(jié)構(gòu)的影響。

1 風-柴-儲型微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型

本研究主要針對風資源豐富地區(qū)，因此采用風-柴-儲型獨立微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。本文采用風-柴-儲型獨立微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，包括分布式電源、柴油發(fā)電機、儲能裝置以及負荷。其中，分布式電源主要考慮風力發(fā)電機，將風能轉(zhuǎn)化為電能供給電負荷；儲能單元主要為平滑風力發(fā)電輸出功率，在電能充足時，儲存電能，電能不足時，釋放電能，從而實現(xiàn)直流母線電壓穩(wěn)定；此外，系統(tǒng)還需要配置一定數(shù)量的柴油發(fā)電機作為系統(tǒng)的備用電源，以提高系統(tǒng)的供電可靠性。柴油發(fā)電機與風力發(fā)電機、儲能裝置協(xié)調(diào)運行，共同提高微電網(wǎng)的供電可靠性。

1.1 風力發(fā)電機模型

風力發(fā)電機作為風能轉(zhuǎn)化為電能的重要的能量轉(zhuǎn)化裝置，風速的大小直接影響著風力發(fā)電機的輸出功率，風力發(fā)電機的輸出功率表達式如下[13]:

(1)

(2)

(3)

式中，Pw(t)表示風力發(fā)電機在t時刻的輸出功率；vW(t)為t時刻的風速；vin為風力發(fā)電機的切入風速；vout為風力發(fā)電機的切出風速。

1.2 柴油發(fā)電機模型

柴油發(fā)電機是以柴油等為燃料，將化學能轉(zhuǎn)化為電能的小型發(fā)電設(shè)備，其輸出功率與燃料之間的關(guān)系如下[11]：

C(t)=aPDE(t)+bP0.

(4)

式中，C(t)為t時刻柴油發(fā)電機的耗油量；PDE(t)為t時刻柴油發(fā)電機的實際輸出功率；P0為柴油發(fā)電機的空載功率；a,b分別為柴油發(fā)電機燃油-功率關(guān)系曲線的截距與斜率。

1.3 儲能裝置模型

由于可分布式電源輸出功率的間歇性和不確定性，微電網(wǎng)中往往需要配置一定的儲能單元，其中蓄電池是目前應(yīng)用最普遍、技術(shù)比較成熟的儲能裝置，因此本文中儲能單元選取蓄電池為研究對象。荷電狀態(tài)(SOC)通常反映電池剩余容量，其表達式如下：

(5)

式中，Ec表示蓄電池的剩余容量；Ebat為表示蓄電池的額定容量。

在微電網(wǎng)運行過程中蓄電池存在兩個過程：充電過程與放電過程，其與SOC關(guān)系可表述為：

(6)

式中，SOC(t)為t時刻蓄能裝置的荷電狀態(tài)；δ為蓄電池自放電率，一般取0.01%；Pch,Pdis為蓄電池充、放電功率；ηch,ηdis為蓄電池充、放電效率。

2 目標函數(shù)

本文考慮孤島運行微電網(wǎng)的投資成本、運維成本以及停電損失成本，模型的目標函數(shù)表示如下：

minf=f1+f2+f3+f4.

(7)

式中，f1為微電網(wǎng)年投資費用；f2為微電網(wǎng)年運行成本；f3為微電網(wǎng)年維護成本；f4為微電網(wǎng)年停電損失成本。

2.1 年投資費用

微電網(wǎng)的年投資費用表達式如下：

f1=(NwCW+NcCc+NbCb)ζ.

(8)

(9)

式中，Nw,Nc,Nb為風力發(fā)電機、柴油發(fā)電機、儲能電池的安裝數(shù)量；CW,Cc,Cb為單個風力發(fā)電機、柴油發(fā)電機、蓄電池投資成本；ζ投資成本年回收率；n為項目年限,本文取n=20；λ為實際貸款率[14]。

2.2 年運行成本

由于風力發(fā)電僅消耗風能，而不消耗燃料，本文僅考慮柴油發(fā)電機在運行過程中消耗燃料的費用，其年運行成本表達式如下：

(10)

式中，τc為柴油發(fā)電機單位發(fā)電量的燃料成本。

2.3 年維護成本

年維護成本指發(fā)電機設(shè)備維護費用，其表達式如下：

f3=NwCWc+NcCcc+NbCbc.

(11)

式中，CWc，Ccc，Cbc分別表示單臺風力發(fā)電機、柴油發(fā)電機及儲能裝置的維修成本。

2.4 分段式停電損失費用計算模型

停電損失成本主要包含由于缺額電量造成企業(yè)發(fā)電的損失成本，此處未考慮用戶側(cè)，我國在停電損失計算方面，主要采用電價折算倍數(shù)法、產(chǎn)電比法、總擁有費用法[15]，本文采用產(chǎn)電比法的停電損失計算公式：

Co=EENS·R.

(12)

式中，Co為停電損失費用；EENS年總?cè)鳖~電量；R為產(chǎn)電比。

年總?cè)鳖~電量表達式如下：

(13)

為了進一步保證微電網(wǎng)系統(tǒng)供電可靠性，借鑒需求響應(yīng)原理，電力網(wǎng)絡(luò)中負荷能夠分為需求響應(yīng)負荷和基線負荷，其所占比例不同，因此，按照不同負荷可將缺額電量分為不同區(qū)域，本文構(gòu)建分段式停電損失成本計算模型，以規(guī)劃的年最大缺額電量EENSmax為總年負荷的20%為基準，規(guī)定其最大損失電量。當缺額電量超過最大缺額電量時，其相應(yīng)的單位停電損失費用會按照一定規(guī)律增加，缺額電量越大對應(yīng)的停電損失成本越高，分段式停電損失成本計算模型如下式：

(14)

式中，?為單位缺電量成本增幅。

3 約束條件

3.1 機組出力約束

機組出力約束包括風力發(fā)電機組出力和柴油發(fā)電機組出力兩部分，其表達式如下：

0≤Pw(t)≤PWN.

(15)

0≤PDE(t)≤PDN.

(16)

式中，PWN為風力最大發(fā)電功率；PDN為柴油發(fā)電機額定功率。

3.2 儲能裝置運行約束

本文中儲能系統(tǒng)作用于平滑風力發(fā)電輸出功率曲線，以平穩(wěn)直流母線電壓。儲能裝置運行約束主要考慮以下方面：

(1)充放電功率約束：

0≤Pch≤Pchmax.

(17)

0≤Pdis≤Pdismax.

(18)

(2)剩余電量約束：

E(t)≤Ssocmax×Ebat.

(19)

E(t)≥Ssocmin×Ebat.

(20)

式中：E(t)為蓄電池在t時刻的剩余電量；Ssocmax為蓄電池荷電狀態(tài)上限；Ssocmin為蓄電池荷電狀態(tài)下限。

3.3 功率平衡約束

NwPw(t)+NcPDE(t)+Nb(Pch(t)-Pdis(t))=PL(t).

(21)

式中，PL為負荷功率。

4 求解方法

粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)具有算法簡單、搜索效率高和快速收斂等優(yōu)點，因此本文采用粒子群算法對所建立的線性規(guī)劃問題進行求解。針對不同模型中的優(yōu)化配置問題，模擬實際中風-柴-儲型微電網(wǎng)日運行情況，得到適應(yīng)度函數(shù)，對風力發(fā)電機、柴油發(fā)電機、儲能電池安裝臺數(shù)進行優(yōu)化求解，取迭代次數(shù)為500，粒子群規(guī)模200，從而得到獨立運行微電網(wǎng)最優(yōu)電源配置，算法流程圖如圖2所示。

5 算例分析

5.1 仿真模式設(shè)置

為驗證本文所建模型在提高風-儲-柴型獨立運行微電網(wǎng)供電可靠性以及降低運行成本方面的有效性，本文設(shè)定以下三種模式：

模式一，目標函數(shù)中僅考慮微電網(wǎng)投資運行成本；

模式二，在統(tǒng)一型停電損失成本下，統(tǒng)一型停電損失成本不對缺額電量進行劃分，同時考慮經(jīng)濟效益與供電可靠性；

模式三，在分段式停電損失成本下，對缺額電量進行劃分，同時考慮經(jīng)濟效益與供電可靠性。

5.2 算例參數(shù)

本文各類型分布式電源參數(shù)[16]如表1所示，其中蓄電池初始剩余電量設(shè)置為0.5，荷電狀態(tài)設(shè)定范圍0.4～0.95，充放電功率ηch=ηdis=95%；柴油的燃料消耗量為10.5 kW·h/L；取柴油價格為8.0元/L。假設(shè)某地區(qū)典型日負荷功率曲線與風速曲線如圖3、如圖4所示，選取典型日負荷峰值作為負荷功率預(yù)測值，Pload=28 500 kW。

表1 分布式電源參數(shù)

5.3 仿真結(jié)果分析

由表2和圖5可知：

(1)與模式一相比較，模式三的缺額電量降低了52 MW·h，停電損失成本降低62.4萬元，缺額電量降低了29.46%。風力發(fā)電機的配置數(shù)量為620臺，儲能裝置以及柴油發(fā)電機的配置數(shù)量適當增加。這主要原因為，當不考慮缺額電量限制時，受單臺風力發(fā)電機的出力約束，需要通過增加風力發(fā)電機安裝數(shù)量來提高系統(tǒng)總體出力水平，從而滿足負荷需求，因而增加了風力發(fā)電機投資水平。另外，風力發(fā)電機的裝機容量增加導(dǎo)致柴油發(fā)電機出力降低，柴油發(fā)電機的運行成本降低。

(2)與模式二對比，模式三的停電損失成本降低了約19.94%，且投資成本也得到明顯降低，差距相對模式一而言較小。這是由于模式三對缺額電量控制更加嚴格，減少了由于風力發(fā)電的不確定性與隨機性而產(chǎn)生的停電損失，當風力發(fā)電機發(fā)電降低時，柴油發(fā)電機發(fā)電量增加以滿足電力需求，減少系統(tǒng)的缺額電量，提高系統(tǒng)的供電可靠性。

表2 不同模式中經(jīng)濟成本比較

綜上所述，本文所建立的計及停電損失的微電網(wǎng)分布式電源優(yōu)化模型，能夠兼顧系統(tǒng)經(jīng)濟性與供電可靠性。通過三種模式計算結(jié)果分析對比可知，本文所提出的分段式停電損失成本模型具有一定的優(yōu)越性。

5.4 燃料成本τc對配置影響分析

燃料成本τc直接影響著柴油發(fā)電機的運行狀況，從而影響風-儲-柴型獨立運行微電網(wǎng)的分布式電源優(yōu)化配置。

表3 不同燃料成本配置情況

由表3可知，當燃料成本降低至1.6元時，柴油發(fā)電機裝機容量降低,同時風力發(fā)電機裝機容量也隨之降低，柴油發(fā)電機運行成本降低，使得柴油發(fā)電機的發(fā)電量增加，從而替代風力發(fā)電機的部分發(fā)電量；當燃料成本增加至2.0元時，柴油發(fā)電機的裝機容量依然降低，但由于其運行成本增加，導(dǎo)致風力發(fā)電機與儲能裝置裝機數(shù)量增加，作為柴油發(fā)電機的代替電源。

6 結(jié)論

本文建立計及停電損失的分布式電源優(yōu)化模型，并搭建分段式停電損失費用計算模型，通過粒子群算法求解模型最優(yōu)配置。分析比較三種模式下的計算結(jié)果，得到如下結(jié)論：

(1)缺額電量分段式停電損失計算模型對缺額電量進行更加嚴格的控制，在提高供電可靠性的同時減少停電事故的發(fā)生，并且能夠降低系統(tǒng)的總成本。

(2)微電網(wǎng)中配置適當?shù)牟裼桶l(fā)電機作為系統(tǒng)的備用電源，短期內(nèi)雖會導(dǎo)致系統(tǒng)的總投資的增加，長期考慮卻有利于提高微電網(wǎng)供電的可靠性。

(3)燃料成本影響著柴油發(fā)電機的運行成本，進而影響系統(tǒng)的總成本，導(dǎo)致電源配置結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。