微電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)的環(huán)保經(jīng)濟(jì)調(diào)度

侯國(guó)彥，王 彪，丁理杰，陳向宜，陳光堂，邱曉燕

(1.四川省電力公司，四川 成都 610041;2.四川電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072;3.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引言

微電網(wǎng)對(duì)分布式電源的有效利用及靈活、智能的控制特點(diǎn)，使其在解決電能質(zhì)量、能源和環(huán)保等方面出現(xiàn)的問(wèn)題時(shí)表現(xiàn)出極大的潛能，是許多國(guó)家未來(lái)若干年電力發(fā)展戰(zhàn)略的重點(diǎn)之一［1-4］。

微電網(wǎng)的調(diào)度除了可以借鑒傳統(tǒng)高壓電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)組調(diào)度之外還有其自身獨(dú)特的特點(diǎn)［5-6］:①分布式電源中的太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源是不可調(diào)的，而且不同季節(jié)、不同時(shí)段的室外環(huán)境溫度、日照強(qiáng)度、風(fēng)力都有很大變化，因此太陽(yáng)能光伏發(fā)電風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率隨機(jī)性很大;②由于太陽(yáng)能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電成本較低，而且?guī)缀鯚o(wú)溫室氣體排放，因此應(yīng)優(yōu)先安排其最大限度地發(fā)電;③不同類型、容量的微電源所消耗的燃料、效率、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用、溫室氣體的排放量均不同。

微電網(wǎng)的環(huán)保經(jīng)濟(jì)調(diào)度［6-9］是指在滿足負(fù)荷需求的條件下，合理有效地安排各臺(tái)微電源的出力使得整個(gè)微電網(wǎng)的發(fā)電成本、排放成本或總成本最低。

下面主要提出了微電網(wǎng)的環(huán)保經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，考慮了微電源的電力系統(tǒng)運(yùn)行約束條件與負(fù)荷需求、微電源的燃料消耗及維護(hù)成本、微電網(wǎng)與主電網(wǎng)之間的購(gòu)電及售電價(jià)格，以及對(duì)各種微電源排放的有害氣體的處理費(fèi)用。利用改進(jìn)遺傳算法對(duì)所建立的模型進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了所建立的模型與優(yōu)化算法的正確性與有效性。

1 微電網(wǎng)環(huán)保經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型

對(duì)于風(fēng)能發(fā)電與光伏發(fā)電系統(tǒng)，雖然其環(huán)境效益好，運(yùn)行成本低，但是長(zhǎng)期以來(lái)，其安裝成本很高，使其綜合經(jīng)濟(jì)效益無(wú)法與其他形式發(fā)電相競(jìng)爭(zhēng)。同時(shí)，其受天氣影響較大，不受人工調(diào)度。因而中國(guó)目前電力行業(yè)的管理方式是風(fēng)能發(fā)電與光伏發(fā)電享受優(yōu)先調(diào)度權(quán)和電量被全額收購(gòu)的優(yōu)惠。該文的研究也是以此為前提。

1.1 目標(biāo)函數(shù)

式中，

其中，α，β分別表示經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成本所占的比例;Cgen表示微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成本;Cenission環(huán)境排放處理費(fèi)用;T1表示微電網(wǎng)的調(diào)度周期(取1天);N表示可調(diào)度微電源的總數(shù);Cf.i(Pi.t)表示可調(diào)度微電源i能耗成本;Mi(Pi.t)表示可調(diào)度微電源i的維護(hù)成本;Pbuy.t表示微電網(wǎng)在t時(shí)刻從主網(wǎng)買進(jìn)的功率;Psell.t表示微電網(wǎng)在t時(shí)刻售出給主網(wǎng)的功率;Cbuy.t表示微電網(wǎng)在t時(shí)刻從主網(wǎng)購(gòu)電的價(jià)格;Csell.t表示微電網(wǎng)在t時(shí)刻向主網(wǎng)售電的價(jià)格;k表示污染物(CO2，SO2，NOx等)的編號(hào);αk表示治理污染物k所需要的費(fèi)用;βi.k表示微電源i對(duì)應(yīng)的各種污染物排放系數(shù);βgrid.k表示主網(wǎng)對(duì)應(yīng)的各種污染物排放系數(shù)。

1.2 約束條件

①功率平衡限制

其中，Pi.t表示在時(shí)段t的微電源i(除風(fēng)能發(fā)電機(jī)、光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能裝置)的輸出功率;Pw.t表示在時(shí)段t時(shí)風(fēng)能發(fā)電機(jī)的輸出功率;Ps.t表示在時(shí)段t時(shí)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率;PD.t表示在t時(shí)段負(fù)荷的需求功率。

②發(fā)電機(jī)的運(yùn)行限制

③儲(chǔ)能裝置的限制［5］

式(6) ～(10)中 i=1，2，…，N，N 表示儲(chǔ)能裝置的數(shù)量;Pd，t，i、Pc，t，i分別表示蓄電池第 i臺(tái)儲(chǔ)能裝置 t時(shí)段的放電功率和充電功率;分別表示第i臺(tái)儲(chǔ)能裝置的放電功率的上下限與充電功率的上下限;Pi，t表示第i臺(tái)儲(chǔ)能裝置t時(shí)段的向微電網(wǎng)注入的功率，當(dāng)電池處于放電狀態(tài)時(shí)，充電功率 Pc，j，t=0，當(dāng)儲(chǔ)能裝置處于充電狀態(tài)時(shí)，放電功率Pd，i，t=0;Ei，t表示第 i臺(tái)儲(chǔ)能裝置在 t時(shí)段的容量;τ、ζ為儲(chǔ)能裝置的充放電效率，一般小于1;tL為一段優(yōu)化時(shí)間;d為儲(chǔ)能裝置在時(shí)間段t內(nèi)放電時(shí)間所占的比例，且有0＜d＜1;，表示第 i臺(tái)儲(chǔ)能裝置的上下限，且有＞0。

④微電網(wǎng)與主網(wǎng)允許交互的功率約束

2 優(yōu)化算法

針對(duì)所建立的微電網(wǎng)環(huán)保經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型是一個(gè)多變量、帶約束、非線性的組合優(yōu)化問(wèn)題，采用遺傳算法來(lái)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

遺傳算法(genetic algorithm，GA)是模擬生物進(jìn)化過(guò)程的一種計(jì)算方法，起源于自然界生物優(yōu)勝劣汰的進(jìn)化規(guī)則，在一定的環(huán)境限制下，在父代種群的基礎(chǔ)上，通過(guò)選擇、交叉和變異等遺傳操作產(chǎn)生下一代，只有適應(yīng)性強(qiáng)的個(gè)體才能生存下來(lái)，并將優(yōu)良特性往下一代傳［10-12］。所采用的改進(jìn)遺傳算法流程圖如圖1所示。

圖1 改進(jìn)遺傳算法流程圖

從圖1中可以看出改進(jìn)遺傳算法的主要步驟如下。

Step 1:編碼產(chǎn)生初始種群，并將個(gè)體按適應(yīng)度值大小排序;

Step 2:求平均適應(yīng)度值，以此作為閥值，選擇適應(yīng)度值大于平均適應(yīng)度值的個(gè)體;

Step 3:判斷相似程度，以最高適應(yīng)度值為模板，去除相似個(gè)體;

Step 4:重復(fù)Step 3逐次以適應(yīng)度值高的個(gè)體為模板，選擇不同模板的個(gè)體組成群體;

Step 5:判斷是否達(dá)到群體規(guī)模。如果是，則進(jìn)行下一步交叉、變異等遺傳操作;否則重復(fù)Step 4如果不能得到足夠的群體規(guī)模，則去除的個(gè)體按適應(yīng)度值大小順序順次補(bǔ)足群體所缺數(shù)量;

Step 6:判斷是否滿足結(jié)束要求。如果是，則結(jié)束，否則轉(zhuǎn)到Step 1。

3 算例分析

選取某地區(qū)的具體微電網(wǎng)設(shè)計(jì)案例進(jìn)行分析，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。整個(gè)微電網(wǎng)相對(duì)外部電網(wǎng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)整體，通過(guò)一個(gè)靜態(tài)開(kāi)關(guān)和上級(jí)電網(wǎng)的變電站相聯(lián)系。微電網(wǎng)內(nèi)包括風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電、微型燃?xì)廨啓C(jī)等清潔能源發(fā)電和傳統(tǒng)的柴油機(jī)發(fā)電以及儲(chǔ)能元件。該地區(qū)的日負(fù)荷需求以及一天中風(fēng)電、光伏發(fā)電輸出功率情況如圖3所示。

圖2 某地方微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 日負(fù)荷需求及風(fēng)電、光伏發(fā)電日輸出功率

文中的算例實(shí)行三段式電價(jià)政策，峰段時(shí)間為10:00—14:00、19:00—22:00;平段時(shí)間為7:00—10:00、14:00—17:00和22:00—23:00;谷段時(shí)間為23:00—7:00。分時(shí)電價(jià)見(jiàn)表1所示。微電源污染物排放系數(shù)及其治理費(fèi)用如表2所示。

表1 購(gòu)電和售電電價(jià)

表2 污染物治理費(fèi)用及排放系數(shù)

假設(shè)微電網(wǎng)與外部電網(wǎng)交互功率上限為15 kW，通過(guò)所提到的算法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得出α，β分別取不同值時(shí)微電源的出力情況，分別如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 當(dāng)α∶β=0∶1時(shí)微電源出力情況

圖5 當(dāng)α∶β=1∶1時(shí)微電源出力情況

圖6 當(dāng)α∶β=1∶0時(shí)微電源出力情況

由表2得知，由于柴油機(jī)發(fā)電過(guò)程中放出的氮氧化物(NOx)比較多，因此處理其排放的污染物費(fèi)用較大。當(dāng)α∶β=0∶1，即僅考慮了環(huán)境治理費(fèi)用，因而優(yōu)先考慮微型燃?xì)廨啓C(jī)，同時(shí)由于儲(chǔ)能元件收一個(gè)周期內(nèi)充放電功率守恒的影響，其一周期內(nèi)只能完成充放電一次。此時(shí)微電源的出力情況與圖4相符。當(dāng)α∶β=1∶0，即僅考慮運(yùn)行成本情況，由于在谷段期間購(gòu)電價(jià)格低于微電源的發(fā)電成本，故優(yōu)先考慮購(gòu)電，達(dá)上限后，剩余的負(fù)荷功率由微電源提供;在平段期間，由于微電源的發(fā)電成本高于售電價(jià)格低于購(gòu)電價(jià)格，因而在此期間有微電源滿足負(fù)荷的需求，超出部分再購(gòu)電;在峰段期間，由于微電源的發(fā)電成本低于售電價(jià)格，因此在此期間，各微電源按額定功率發(fā)電，超出負(fù)荷的部分，售出給主電網(wǎng)。此時(shí)微電源的出力情況與圖6相符。當(dāng)α∶β=1∶1時(shí)，即運(yùn)行成本與環(huán)境治理成本以1∶1加權(quán)，通過(guò)優(yōu)化算法計(jì)算后，其微電源出力情況與圖5相符。

4 結(jié)論

主要研究了在滿足負(fù)荷需求與分布式電源出力限制的前提下，同時(shí)考慮發(fā)電成本與有害氣體排放成本，提出了微電網(wǎng)環(huán)保經(jīng)濟(jì)調(diào)度的數(shù)學(xué)模型。針對(duì)發(fā)電成本與排放成本的不同權(quán)重，運(yùn)用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，并用實(shí)例驗(yàn)證了所建立模型的合理性。

［1］魯宗相，王彩霞，閔勇，等.微電網(wǎng)研究綜述［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31(19):100-107.

［2］李勝，張建華，李春葉.微網(wǎng)(Microgrid)的并網(wǎng)運(yùn)行方式探討［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，40(2):184-187.

［3］Haziargyriou N，Asano H，Iravani R，et al.Microgrids［J］.IEEE，Power ＆ Energy Magazine，2007，5(4):78-94.

［4］鄭漳華，艾芊.微電網(wǎng)的研究現(xiàn)狀及在我國(guó)的應(yīng)用前景［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(16):27-31.

［5］陳達(dá)威，朱桂萍.微電網(wǎng)負(fù)荷優(yōu)化分配［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34(20):45-49.

［6］艾欣，崔明勇，雷之力.基于混沌蟻群算法的微網(wǎng)環(huán)保經(jīng)濟(jì)調(diào)度［J］.華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，36(5):2-6.

［7］Mohumed F A，Koivo H N.SvsLern Modeling and On-line Optimal Management of Microgrid Using Multi-objective Optimization［C］.International Conference on Clean Electrical Power，2007(5):148-153.

［8］Pudjianto D，Strbac G.Investigation of Regulatory Commercial Economic and Environmental Issues in Microgrid［J］.International Journal of Distributed Energy Resources，2006，2(3):245-259.

［9］丁明，包敏，吳紅斌.分布式功能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度［J］.電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)，2008，23(1):13-17.

［10］周明，孫樹(shù)洞.遺傳算法原理及應(yīng)用［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版，1999:18-31.

［11］雷英杰，張善文，李續(xù)武，等.MATLAB遺傳算法工具箱及應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2005:11-30.

［12］邱曉燕，夏莉麗，李興源.智能電網(wǎng)建設(shè)中分布式電源的規(guī)劃［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2010，34(4):7-10.