門虹宇,黃易君成,周子易,張潤(rùn)鍇,石慶鑫

(華北電力大學(xué),北京 102206)

0 引言

隨著雙碳目標(biāo)的正式施行,新能源發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng),新興負(fù)荷逐步接入配電網(wǎng),傳統(tǒng)配電網(wǎng)的形態(tài)發(fā)生改變,為更好地適應(yīng)新能源形勢(shì),微電網(wǎng)作為一種新型能源解決方案,在電力系統(tǒng)中的占比逐漸提高。微電網(wǎng)整合了發(fā)電裝置、儲(chǔ)能裝置及用電用戶,既可以依靠自身發(fā)電裝置實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)內(nèi)部電能平衡,也可以與外部電網(wǎng)進(jìn)行能量交換,提高能源利用水平。

現(xiàn)階段有學(xué)者對(duì)新能源并網(wǎng)及微電網(wǎng)的應(yīng)用展開研究。文獻(xiàn)[1]分析光伏發(fā)電接入電力系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)電壓、頻率等因素的影響,提出在電力系統(tǒng)中采用儲(chǔ)能裝置消納光伏等新能源發(fā)電;文獻(xiàn)[2]考慮現(xiàn)階段碳交易市場(chǎng)及需求側(cè)響應(yīng)負(fù)荷,優(yōu)化含氫儲(chǔ)能的并網(wǎng)微電網(wǎng)容量配置;文獻(xiàn)[3]采用PQ控制的微電網(wǎng)并離網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略,實(shí)現(xiàn)電力通信、電網(wǎng)調(diào)度、負(fù)荷響應(yīng)各方面有效協(xié)調(diào);文獻(xiàn)[4]研究微電網(wǎng)內(nèi)不同的儲(chǔ)能控制策略對(duì)可再生能源出力及負(fù)荷波動(dòng)的抑制作用;文獻(xiàn)[5]構(gòu)建以系統(tǒng)初始投資、可再生能源利用率最大為目標(biāo)的運(yùn)行模型;文獻(xiàn)[6]提出一種基于多智能體系統(tǒng)的微電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行模型,從而實(shí)現(xiàn)減少總開銷的效果;文獻(xiàn)[7]針對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)部調(diào)度策略進(jìn)行建模,改進(jìn)算法對(duì)其最優(yōu)化運(yùn)行模型進(jìn)行求解。

對(duì)于微電網(wǎng)內(nèi)部新能源電源、儲(chǔ)能等裝置之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行問題,文獻(xiàn)[8]考慮需求側(cè)響應(yīng)及市場(chǎng)化階梯碳交易雙重因素,構(gòu)建微電網(wǎng)儲(chǔ)能的優(yōu)化配置方法;文獻(xiàn)[9]將博弈論引到微電網(wǎng)可再生能源、儲(chǔ)能及柴油機(jī)之間的能量協(xié)調(diào)管理措施中,并引入風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值指標(biāo),探究利益及風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)平衡;文獻(xiàn)[10]構(gòu)建柔性分配功率策略,解決含風(fēng)力發(fā)電及儲(chǔ)能設(shè)備的獨(dú)立微電網(wǎng)調(diào)頻運(yùn)行問題;文獻(xiàn)[11]引入共享儲(chǔ)能設(shè)施概念,以微電網(wǎng)內(nèi)火電機(jī)組、充電站等各方效益最大化為目標(biāo),建立微電網(wǎng)與共享儲(chǔ)能的聯(lián)合優(yōu)化模型;文獻(xiàn)[12]提出一種儲(chǔ)能裝置在孤島場(chǎng)景下參與微電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)節(jié)及電壓穩(wěn)定的分層控制策略。

以上研究沒有充分考慮分時(shí)電價(jià)場(chǎng)景及微電網(wǎng)與外界聯(lián)合規(guī)劃的問題,微電網(wǎng)內(nèi)部的能量?jī)?yōu)化管理與主網(wǎng)協(xié)同運(yùn)行的規(guī)劃控制理論研究相對(duì)較少。本文針對(duì)含電源、用戶、儲(chǔ)能3種形式的微電網(wǎng),提出了考慮內(nèi)部協(xié)調(diào)管理和外網(wǎng)協(xié)調(diào)運(yùn)行的能量?jī)?yōu)化策略。首先,考慮微電網(wǎng)運(yùn)行成本及儲(chǔ)能收益,引入不同的交易價(jià)格,提出以新能源發(fā)電接入量最大及系統(tǒng)總運(yùn)行成本最小的規(guī)劃目標(biāo);其次,考慮到現(xiàn)階段電網(wǎng)電價(jià)普遍采用分時(shí)電價(jià)機(jī)制,在微電網(wǎng)中引入儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略,建立含電源、用戶、儲(chǔ)能的增量微電網(wǎng)能量管理模型,從而實(shí)現(xiàn)不同能源之間的內(nèi)部協(xié)調(diào)平衡及微電網(wǎng)內(nèi)外的能量有序優(yōu)化;最后采用改進(jìn)進(jìn)化算法進(jìn)行仿真分析,并與其他策略對(duì)比。

1 傳統(tǒng)微電網(wǎng)運(yùn)行策略

傳統(tǒng)的含源-荷-儲(chǔ)微電網(wǎng)運(yùn)行策略往往只聚焦其內(nèi)部部分元件的運(yùn)行狀況,無法兼顧其自身的能量平衡及與外部電網(wǎng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行。在較多的運(yùn)行場(chǎng)景下,微電網(wǎng)常作為備用手段參與運(yùn)行,造成了部分能量的損失。隨著新型電力元器件的進(jìn)一步普及應(yīng)用,傳統(tǒng)微電網(wǎng)運(yùn)行模式難以較好地適應(yīng)當(dāng)今電網(wǎng)運(yùn)行,微電網(wǎng)具有的靈活穩(wěn)定、快速調(diào)節(jié)等特點(diǎn)難以充分體現(xiàn)。

2 微電網(wǎng)能量管理建模

2.1 微電網(wǎng)能量管理策略

對(duì)包含電源、用電負(fù)荷、儲(chǔ)能設(shè)備的微電網(wǎng)及與其相連的上級(jí)外部電網(wǎng)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化控制策略探究,對(duì)于與微電網(wǎng)相連的外部電網(wǎng),將其同分布式電源、儲(chǔ)能設(shè)備視為可調(diào)度資源,從而提高可調(diào)度資源的利用率。微電網(wǎng)在與外部電網(wǎng)相連時(shí),可以與外部電網(wǎng)進(jìn)行能量交換,在脫離外部電網(wǎng)時(shí),可以實(shí)現(xiàn)自身內(nèi)部的功率平衡。微電網(wǎng)可以進(jìn)行內(nèi)部功率循環(huán)或者與外部電網(wǎng)協(xié)同運(yùn)行,因此需根據(jù)自身實(shí)際運(yùn)行需求確定最佳運(yùn)行策略,從而達(dá)到最優(yōu)效果。

微電網(wǎng)能量管理策略為:在滿足各項(xiàng)約束指標(biāo)的條件下,優(yōu)先滿足微電網(wǎng)內(nèi)部需求,實(shí)現(xiàn)新能源出力消納及功率平衡,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行與相鄰微電網(wǎng)、主電網(wǎng)的能量交換;在微電網(wǎng)能量過剩時(shí),則考慮經(jīng)濟(jì)效益,優(yōu)先向相鄰微電網(wǎng)售電、若相鄰微電網(wǎng)均實(shí)現(xiàn)能量平衡,則再向主電網(wǎng)售電,從而實(shí)現(xiàn)利用電價(jià)機(jī)制換取經(jīng)濟(jì)效益。微電網(wǎng)能量管理流程見圖1。

圖1 微電網(wǎng)能量管理流程

2.2 微電網(wǎng)成本及光伏出力模型

2.2.1 儲(chǔ)能成本及收益模型

在微電網(wǎng)中運(yùn)行的儲(chǔ)能裝置,考慮其在運(yùn)行周期內(nèi)的充放電循環(huán)、電池裝置自然老化,儲(chǔ)能裝置的運(yùn)行維護(hù)成本為

式中:VESS為儲(chǔ)能裝置的運(yùn)行維護(hù)成本;CESS為儲(chǔ)能裝置的單位功率運(yùn)行維護(hù)成本;Pn為儲(chǔ)能裝置的額定功率;Cm為儲(chǔ)能裝置的單位容量運(yùn)行維護(hù)成本;EESS為儲(chǔ)能裝置的容量。

在微電網(wǎng)中的儲(chǔ)能裝置,采用消納光伏出力、平抑光伏波動(dòng)的運(yùn)行策略,從而提升微電網(wǎng)的局部可靠性水平,其提升微電網(wǎng)可靠性收益為

式中:Ereal為儲(chǔ)能裝置給微電網(wǎng)帶來的提升可靠性收益;Nsum為年總運(yùn)行天數(shù);Nd為設(shè)備數(shù);fd為第d個(gè)設(shè)備的故障概率;Pd(n)為第n個(gè)運(yùn)行日第d個(gè)設(shè)備故障時(shí)能對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響的概率;ΔWreal(n,d)為第n個(gè)運(yùn)行日第d個(gè)設(shè)備故障時(shí)用于恢復(fù)其失電負(fù)荷的儲(chǔ)能設(shè)備容量;eloss為單位用戶停電損失;tfault(n)為設(shè)備n的故障持續(xù)時(shí)間;Preal,d(n,t)為第n個(gè)運(yùn)行日第t時(shí)段第d個(gè)設(shè)備故障時(shí),儲(chǔ)能裝置的可輸出功率;E2為用于提升可靠性的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量;DOD為儲(chǔ)能裝置放電深度;ESP為儲(chǔ)能裝置額定功率;Pload(n,t)為第n運(yùn)行日第t時(shí)段的負(fù)荷值;Pcap,d為第d個(gè)變壓器故障時(shí)系統(tǒng)的供電能力[13]。

2.2.2 光伏成本模型

考慮到現(xiàn)階段微電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)模及光伏出力特點(diǎn),結(jié)合本文所選取某地區(qū)微電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況,本文選定微電網(wǎng)內(nèi)新能源出力為光伏發(fā)電。

微電網(wǎng)中光伏發(fā)電的出力成本模型為

式中:Vpv(t)為光伏發(fā)電的出力成本;N為系統(tǒng)中的光伏機(jī)組數(shù)目;αpv,i、βpv,i為光伏發(fā)電的成本系數(shù);Ppv,i(t)為t時(shí)刻第i個(gè)光伏機(jī)組的出力。

2.2.3 新能源出力波動(dòng)及利用率模型

在微電網(wǎng)中的光伏電站,由于自身出力具有的波動(dòng)性及隨機(jī)性等特點(diǎn),其對(duì)微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生一定的影響。本文定義光伏電站出力的利用率及波動(dòng)率來對(duì)方案下的微電網(wǎng)光伏出力消納能力進(jìn)行衡量。

光伏電站的光伏利用率根據(jù)光伏出力的功率值及微電網(wǎng)實(shí)際負(fù)荷值確定,其具體能量利用率模型為

式中:Cgf為光伏系統(tǒng)的發(fā)電量;Ccs為線路最大傳輸電量;Cfh為負(fù)荷可以消納電量。

光伏電站的光伏出力波動(dòng)與當(dāng)前運(yùn)行時(shí)段的太陽光照射情況有關(guān),同時(shí)也受光伏發(fā)電時(shí)段及間隔時(shí)段影響,具有一定的不確定性,本文通過定義光伏電站的1 h出力波動(dòng)率指標(biāo),衡量光伏電站的出力波動(dòng)特性,具體的波動(dòng)率指標(biāo)為

式中:ΔP(t)為t時(shí)刻的功率波動(dòng)值,采樣間隔為1 h;PPV(t)為t時(shí)刻的光伏出力。

2.2.4 系統(tǒng)運(yùn)行總成本模型

根據(jù)本文前述模型,建立微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行總成本V為

包含儲(chǔ)能可靠性提升效益的綜合成本VZH為

2.3 微電網(wǎng)目標(biāo)函數(shù)

為提升微電網(wǎng)可再生能源的利用率、降低微電網(wǎng)運(yùn)行成本,本文針對(duì)以上2個(gè)指標(biāo)建立目標(biāo)函數(shù)為

式中:KZ為可再生能源利用率最優(yōu)指標(biāo);VZ為微電網(wǎng)運(yùn)行成本最優(yōu)指標(biāo);Kgf為光伏發(fā)電系統(tǒng)的利用率。

2.4 微電網(wǎng)運(yùn)行約束

2.4.1 儲(chǔ)能運(yùn)行約束

微電網(wǎng)中儲(chǔ)能裝置需要滿足如下限制

式中:PESS.min、PESS.max為儲(chǔ)能裝置的充放電功率下限和上限;PESS.i(t)為第i個(gè)儲(chǔ)能裝置t時(shí)刻的充放電功率;WESS.max、WESS.min為儲(chǔ)能裝置容量的上限和下限;WESS.i(t)為第i個(gè)儲(chǔ)能裝置的t時(shí)刻容量。

為延長(zhǎng)儲(chǔ)能裝置使用壽命,在同一時(shí)刻,儲(chǔ)能的充電狀態(tài)和放電狀態(tài)只能存在一個(gè),如下式

式中:PESS.iD(t)為t時(shí)刻第i個(gè)儲(chǔ)能裝置的放電功率;PESS.i

C(t)為t時(shí)刻第i個(gè)儲(chǔ)能裝置的充電功率。

考慮設(shè)備的使用壽命,為提升儲(chǔ)能運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性,儲(chǔ)能電池的荷電狀態(tài)(State of Charge)需滿足如下約束

式中:SOC.min為儲(chǔ)能裝置的荷電容量下限;SOC.max為儲(chǔ)能裝置的荷電容量上限;SOC.t為t時(shí)刻儲(chǔ)能裝置的荷電容量[14]。

2.4.2 光伏運(yùn)行約束

微電網(wǎng)中光伏出力應(yīng)滿足如下限制

式中:Ppv,i(t)為第i個(gè)光伏單元第t時(shí)刻出力;Ppv,i,max(t)、Ppv,i,min(t)分別為第i個(gè)光伏單元第t時(shí)刻出力的上限、下限。

2.4.3 系統(tǒng)運(yùn)行約束

微電網(wǎng)在正常運(yùn)行時(shí)滿足電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓約束及功率約束

式中:Umin為節(jié)點(diǎn)電壓下限;Umax為節(jié)點(diǎn)電壓上限;Ui為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓值;Ii,j為節(jié)點(diǎn)i、j之間流過的電流值;Ii,j.max為節(jié)點(diǎn)i、j間流過的最大電流值。

3 算例分析

3.1 場(chǎng)景分析

本文采用改進(jìn)進(jìn)化算法,對(duì)某區(qū)域典型電網(wǎng)進(jìn)行仿真求解[15]。進(jìn)化算法適用于求解非線性化優(yōu)化問題,通過設(shè)定各待求值的初始參考點(diǎn)及初始迭代次數(shù)、種群數(shù)進(jìn)行迭代求解,對(duì)每次迭代下不同種群的配置結(jié)果計(jì)算分析,同時(shí)統(tǒng)計(jì)儲(chǔ)能處于不同SOC區(qū)間的概率。若滿足迭代收斂,種群規(guī)模、進(jìn)化次數(shù)達(dá)到設(shè)定值,則結(jié)束循環(huán),得到最優(yōu)結(jié)果。

區(qū)域電網(wǎng)框架見圖2。已知該電網(wǎng)采用分時(shí)電價(jià)機(jī)制,允許微電網(wǎng)與主電網(wǎng)進(jìn)行功率交換、電能交易,也允許在一定范圍內(nèi)進(jìn)行微電網(wǎng)互聯(lián)。本文提出的微電網(wǎng)能量管理方案通過與不采用管理方案、正常運(yùn)行的微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)果對(duì)比。

圖2 微電網(wǎng)區(qū)域框架

微電網(wǎng)中光伏發(fā)電和儲(chǔ)能裝置接入在13節(jié)點(diǎn),通過13節(jié)點(diǎn)并入到微電網(wǎng)中。6號(hào)節(jié)點(diǎn)為負(fù)荷值S1,11號(hào)節(jié)點(diǎn)為負(fù)荷值S2,微電網(wǎng)通過14節(jié)點(diǎn)接入外部電網(wǎng)中,外部電網(wǎng)在文中等效為無限大系統(tǒng),隨時(shí)可以與微電網(wǎng)進(jìn)行能量交換,選取電網(wǎng)年運(yùn)行時(shí)段中某典型日數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真運(yùn)算,具體網(wǎng)絡(luò)參數(shù)見表1。

表1 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

微電網(wǎng)中光伏發(fā)電裝置采用最大跟蹤點(diǎn)運(yùn)行模式,微電網(wǎng)中儲(chǔ)能裝置為電化學(xué)儲(chǔ)能電站,其參與微電網(wǎng)常規(guī)運(yùn)行,起到削峰填谷、消納光伏發(fā)電出力的效果,其中光伏發(fā)電裝置裝機(jī)容量為200 k W,儲(chǔ)能裝置的額定容量為330 k Wh,儲(chǔ)能裝置充放電效率為95%。

3.2 仿真結(jié)果

基于微電網(wǎng)參數(shù)仿真的系統(tǒng)總運(yùn)行成本結(jié)果見圖3。

圖3 系統(tǒng)總運(yùn)行成本

通過仿真結(jié)果可以看到,在減少系統(tǒng)總運(yùn)行成本方面,采用所提方案的系統(tǒng)典型日總運(yùn)行成本較不使用方案的總運(yùn)行成本減少明顯,降幅約為10%。本文所提的微電網(wǎng)能量管理方案,可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)微電網(wǎng)內(nèi)部及外部其他電網(wǎng)間的能量流動(dòng),從而在微電網(wǎng)角度最佳化運(yùn)行效益,提升整體網(wǎng)架可靠性收益同時(shí),根據(jù)元件自身特點(diǎn)提高運(yùn)行利用率,從而達(dá)到降低系統(tǒng)運(yùn)行總成本的效果。

系統(tǒng)的可再生能源利用率見圖4。

圖4 可再生能源利用率

在可再生能源利用率最大化方面,本文方案的可再生能源平均利用率較對(duì)比方案的平均利用率提升明顯,漲幅約為6%。可見本文所提方案通過應(yīng)用實(shí)時(shí)電價(jià)、結(jié)合儲(chǔ)能裝置,動(dòng)態(tài)調(diào)整微電網(wǎng)內(nèi)部及外部的實(shí)時(shí)能量及功率流動(dòng),在一定程度上改善可再生出力浪費(fèi)的問題,有效提升了微電網(wǎng)內(nèi)可再生能源發(fā)電、儲(chǔ)能及負(fù)荷之間的能源利用率。系統(tǒng)的光伏出力波動(dòng)率見圖5。

圖5 光伏出力波動(dòng)

在平抑光伏出力波動(dòng)方面,受限于本文研究場(chǎng)景,在光伏出力較高的日間時(shí)段,微電網(wǎng)能量管理方案較對(duì)比方案的平抑波動(dòng)效果明顯,波動(dòng)率降幅為2%~3%。可見本文策略實(shí)時(shí)調(diào)控微電網(wǎng)內(nèi)新能源發(fā)電能量并利用儲(chǔ)能裝置消納部分光伏發(fā)電;而在其他時(shí)段2種方案相近,這是受微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)架規(guī)模及負(fù)荷水平等因素綜合影響。未來隨著微電網(wǎng)升級(jí)擴(kuò)建,方案的優(yōu)勢(shì)將更加明顯。在16:00—18:00,本文方案的新能源波動(dòng)率略高于對(duì)比方案,這是由于此時(shí)電網(wǎng)負(fù)荷進(jìn)入高峰期,儲(chǔ)能參與削峰運(yùn)行緩解電網(wǎng)供電壓力,且光伏出力較高,大部分光伏輸出電能直接就地消納,因此儲(chǔ)能起到的新能源消納效果不明顯。未來可以額外配置儲(chǔ)能裝置、提高儲(chǔ)能利用率,從而改善光伏出力波動(dòng)現(xiàn)象。

通過仿真對(duì)比分析可知,增量微電網(wǎng)綜合能源管理策略考慮微電網(wǎng)內(nèi)光伏及儲(chǔ)能的運(yùn)行特性,動(dòng)態(tài)調(diào)整內(nèi)部能量流動(dòng)關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)整體上降低光伏波動(dòng)率的效果;并實(shí)現(xiàn)降低系統(tǒng)綜合運(yùn)行成本、提升新能源利用率的目標(biāo),提升微電網(wǎng)電能質(zhì)量。

4 結(jié)論

本文對(duì)含新能源發(fā)電、用戶負(fù)荷、儲(chǔ)能的微電網(wǎng)進(jìn)行分析,以降低運(yùn)行成本、提高可再生能源利用率為運(yùn)行目標(biāo),提出適用于微電網(wǎng)運(yùn)行的能量管理策略,在微電網(wǎng)內(nèi)部及微電網(wǎng)與外部電網(wǎng)間實(shí)現(xiàn)協(xié)同優(yōu)化管理,可以促進(jìn)微電網(wǎng)對(duì)新能源發(fā)電的消納,提升整體運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性及用戶電能質(zhì)量。以某地實(shí)際電網(wǎng)為例,對(duì)比直接參與運(yùn)行的傳統(tǒng)微電網(wǎng)運(yùn)行策略,得到策略能減小微電網(wǎng)運(yùn)行成本約10%、提升可再生能源利用率約6%,驗(yàn)證了本文策略的有效性。隨著新能源發(fā)電的發(fā)展及儲(chǔ)能技術(shù)的成熟,微電網(wǎng)將在電力系統(tǒng)運(yùn)行中承擔(dān)更重要的角色,未來需繼續(xù)進(jìn)行含可再生電源、儲(chǔ)能裝置及需求側(cè)響應(yīng)負(fù)荷的微電網(wǎng)與外部電網(wǎng)協(xié)調(diào)運(yùn)行的優(yōu)化策略研究。