不同運(yùn)行調(diào)度模式下微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行對(duì)比分析

陳 潔，楊 秀，朱 蘭，張美霞

（上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院，上海 200090）

0 引言

微網(wǎng)[1-3]將各種分布式電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能單元及控制裝置等結(jié)合在一起，形成一個(gè)單一可控的單元，向用戶同時(shí)提供電能和熱能，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)CHP（Combined Heat and Power）。微網(wǎng)已經(jīng)成為智能電網(wǎng)中管理分布式能源的一種有效技術(shù)手段，針對(duì)微網(wǎng)的運(yùn)行控制等方面已開展了廣泛的研究[4-7]。

目前對(duì)微網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與優(yōu)化調(diào)度的研究主要集中于分布式電源、負(fù)荷及儲(chǔ)能裝置等都集中接于同一母線的簡(jiǎn)化微網(wǎng)結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[8]針對(duì)由風(fēng)、光、儲(chǔ)、燃料電池、余熱鍋爐及熱／電負(fù)荷等構(gòu)成的熱電聯(lián)產(chǎn)型微網(wǎng)系統(tǒng)，在微網(wǎng)可以與外網(wǎng)自由雙向交換功率的調(diào)度模式下，建立了經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化模型；文獻(xiàn)[9]給出了供電、供熱、供氣一體化的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在考慮溫室氣體、污染物排放約束以及微網(wǎng)與外網(wǎng)可以自由雙向交換功率的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)熱、電、氣各種能源的綜合優(yōu)化；國(guó)內(nèi)學(xué)者劉小平、丁明等針對(duì)微網(wǎng)運(yùn)行中各種不確定性因素的影響，在微網(wǎng)不可以向外網(wǎng)倒送功率的基礎(chǔ)上，提出了基于機(jī)會(huì)約束規(guī)劃的微網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型[10]；文獻(xiàn)[11]在微網(wǎng)可以從外網(wǎng)吸收功率、但不可以向外網(wǎng)輸出功率的運(yùn)行調(diào)度模式下，討論了不同電力市場(chǎng)方案對(duì)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的影響。但是，這些研究很少針對(duì)具體的網(wǎng)架進(jìn)行經(jīng)濟(jì)調(diào)度，一般只考慮系統(tǒng)的有功平衡，較少考慮無(wú)功的影響，也并未考慮同時(shí)優(yōu)化調(diào)度微源的有功和無(wú)功出力；另一方面，相應(yīng)的約束條件過(guò)于簡(jiǎn)化，對(duì)微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線交換功率、旋轉(zhuǎn)備用、儲(chǔ)能元件充放電等指標(biāo)與約束條件很少考慮。

本文以一個(gè)包含光伏 PV（PhotoVoltaic）、風(fēng)機(jī)WT（Wind Turbine）、微型燃?xì)廨啓C(jī) MT（Micro Turbine）、燃料電池 FC（Fuel Cell）、蓄電池 SB（Storage Battery）及熱電負(fù)荷的微網(wǎng)為對(duì)象，建立熱電聯(lián)供型微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型，在考慮FC、SB的同時(shí)輸出有功和無(wú)功，并在滿足能量供需平衡、電能質(zhì)量和SB充放電深度等約束條件的基礎(chǔ)上，運(yùn)用改進(jìn)遺傳算法優(yōu)化了考慮實(shí)時(shí)電價(jià)的并網(wǎng)運(yùn)行方式下各微源的有功、無(wú)功出力，并對(duì)比分析了微網(wǎng)與外網(wǎng)交互功率的約束及不同運(yùn)行調(diào)度模式對(duì)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的影響。

1 微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化模型

在單位時(shí)間間隔Δt內(nèi)，本文作如下假設(shè)：微源的有功和無(wú)功出力恒定；熱、電負(fù)荷需求恒定；微網(wǎng)與主網(wǎng)間的交互功率恒定且交互電價(jià)維持恒定。對(duì)于Δt選取不同的值，以下所建立的優(yōu)化模型都適用，本文取Δt為1 h來(lái)分析。

1.1 微源建模

1.1.1 MT模型

含MT的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型：

其中，QMT（t）為 t時(shí)刻 MT 排氣余熱量；ηe（t）為 t時(shí)刻MT 的發(fā)電效率；η1為 MT 散熱損失系數(shù)；Pe（t）為 t時(shí)刻MT輸出的電功率；Qhe（t）為t時(shí)刻MT煙氣余熱提供的制熱量；Khe為溴冷機(jī)的制熱系數(shù)；VMT為MT消耗的天然氣量；Δt為MT的運(yùn)行時(shí)間；L為天然氣低熱熱值，取 9.7 kW·h／m3。

MT的燃料成本計(jì)算式為：

其中，Cn1為天然氣價(jià)格，本文取為2.5元／m3。

本文算例基于Capstone公司的C65型MT，其ηe（t）與 Pe（t）的函數(shù)參見文獻(xiàn)[12]。

1.1.2 FC模型

FC發(fā)電過(guò)程中的燃料消耗費(fèi)用計(jì)算公式如下：

其中，PFC（t）、ηFC（t）分別為 t時(shí)刻 FC 的輸出功率與總效率。

本文算例基于質(zhì)子交換膜FC（40 kW IFC PC-29），其 ηFC（t）與 PFC（t）的函數(shù)參見文獻(xiàn)[12]。

1.1.3 SB模型

SB[13]在t時(shí)刻的剩余電量與SB在t-1時(shí)刻的剩余電量、t-1時(shí)刻到t時(shí)刻SB的充放電量和電量衰減量有關(guān)。

設(shè)SB在t時(shí)刻的充放電功率為PSB（t），放電時(shí)，PSB（t）≥0，t時(shí)刻的剩余容量為：

SB 充電時(shí)，PSB（t）≤0，t時(shí)刻的剩余容量為：

其中，SOC（t）為 t時(shí)刻 SB 的剩余容量；ηC、ηD分別為充、放電效率；DB為SB單位時(shí)間間隔的自放電比例；QSB為SB的總?cè)萘俊?/p>

PV的出力模型參見文獻(xiàn)[14-15]，WT的出力模型參見文獻(xiàn)[16]。

1.2 目標(biāo)函數(shù)

本文未考慮微源的運(yùn)行狀態(tài)變化快等特點(diǎn)，仍采用常規(guī)的日前調(diào)度模型[17]，目標(biāo)函數(shù)為微網(wǎng)一天內(nèi)由發(fā)電成本（包括燃料成本、投資折舊成本、運(yùn)行維護(hù)成本）、污染排放物對(duì)環(huán)境的影響成本、微網(wǎng)與外網(wǎng)的交互成本以及熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的制熱收益所構(gòu)成的綜合成本[18-21]最低。

其中，Cf（t）、CDP（t）、COM（t）、Ce（t）分別為 t時(shí)刻各微源的燃料成本、投資折舊成本、運(yùn)行維護(hù)成本、環(huán)境成本總和；Cgrid為微網(wǎng)與外網(wǎng)的交互成本；Csh為熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的制熱收益；Fi為第i個(gè)微源的燃料成本函數(shù)；Pi（t）為第 i個(gè)微源 t時(shí)刻的有功出力；n為微源的個(gè)數(shù)；Caz，i為第i個(gè)微源的單位容量安裝成本；ki為第i個(gè)微源的容量因數(shù)，ki=第i個(gè)微源的年發(fā)電量／（8760×該微源的額定功率）；r為年利率；ni為第i個(gè)微源的投資償還期；KOM，i為第i個(gè)微源的單位電量運(yùn)行維護(hù)成本系數(shù)；Vej為第j項(xiàng)污染物的環(huán)境價(jià)值；Vj為第j項(xiàng)污染物所受罰款；Qij為第i個(gè)微電源單位電量的第j項(xiàng)污染物排放量；m為污染物的種類；CP（t）、CS（t）分別為 t時(shí)刻微網(wǎng)向外網(wǎng)的購(gòu)電電價(jià)和售電電價(jià)；CGP（t）、CSP（t）分別為 t時(shí)刻微網(wǎng)向外網(wǎng)的購(gòu)電量和售電量；Qhe為熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的制熱量；Kph為單位制熱量的售價(jià)。

1.3 約束條件

a.潮流約束。

其中，Pfs、Qfs分別為節(jié)點(diǎn) f（f=1，2，…，h）給定的有功和無(wú)功功率值，h 為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)；Gfg、Bfg、θf(wàn)g分別為節(jié)點(diǎn)f和節(jié)點(diǎn)g之間的導(dǎo)納和相角差；g?f表示與節(jié)點(diǎn)f相連的節(jié)點(diǎn)。

b.運(yùn)行電壓約束。

其中，Uf，min、Uf，max分別為節(jié)點(diǎn) f上運(yùn)行電壓的最小、最大值。

c.PV、WT和MT的有功出力約束。

其中，Pi，min、Pi，max分別為第 i個(gè)微源有功功率的最小、最大值。

d.MT 爬坡率約束[22]。

增負(fù)荷時(shí)：

減負(fù)荷時(shí)：

其中，Rup，MT、Rdown，MT分別為 MT 增加和降低有功功率的限值。

e.微網(wǎng)與外網(wǎng)允許交互的傳輸功率約束。

其 中 ，PGrid，min、PGrid，max、QGrid，min、QGrid，max分 別 為 微 網(wǎng) 與 外網(wǎng)允許交互傳輸?shù)淖钚?、最大有功功率和最小、最大無(wú)功功率；cos φ為聯(lián)絡(luò)線傳輸功率的功率因數(shù)；c為聯(lián)絡(luò)線傳輸功率的功率因數(shù)限值。

式（19）—（21）表明將微網(wǎng)作為外部電網(wǎng)的一個(gè)“可控負(fù)荷”，保證聯(lián)絡(luò)線與微網(wǎng)交互傳輸?shù)墓β时３衷谝欢ǖ姆秶?，且具有較高的功率因數(shù)，確保了聯(lián)絡(luò)線傳輸功率的安全性且更符合供電公司對(duì)接入微網(wǎng)的要求。

f.SB運(yùn)行約束。

其 中，PSB，max、PSB，min分別為SB的最大和最小有功功率；Sinv，SB為 SB 逆變器的容量；PSB（t）、QSB（t）分別為 t時(shí)刻SB交流側(cè)的充放電有功功率和無(wú)功功率；SOCmin、SOCmax分別為SB的最小和最大剩余容量。

從式（24）可以看出，SB的無(wú)功出力僅受逆變器容量的限制，與設(shè)備本身的容量無(wú)關(guān)[23]。

g.FC運(yùn)行約束。

其中，PFC，min、PFC，max分別為 FC 有功功率的最小、最大值；PFC（t）、QFC（t）分別為 t時(shí)刻 FC 交流側(cè)的有功功率和無(wú)功功率；Sinv，F(xiàn)C為FC逆變器的容量。

式（23）、（24）及（27）、（28）表明 SB 和 FC 逆變器的容量?jī)?yōu)先分配給有功出力。

h.旋轉(zhuǎn)備用約束。

其中，PD（t）、Ploss（t）、RD（t）分別為 t時(shí)刻微網(wǎng)系統(tǒng)的總負(fù)荷、總網(wǎng)損和所需備用容量。

微源和外網(wǎng)的無(wú)功出力影響系統(tǒng)的網(wǎng)損，而網(wǎng)損與系統(tǒng)總有功負(fù)荷之和與微源和外網(wǎng)的總有功出力相等，從而無(wú)功出力影響了微源和外網(wǎng)的有功出力，進(jìn)而影響各項(xiàng)成本。 從式（24）、（28）可看出，微源的有功出力又影響其無(wú)功出力的變化范圍，故本文模型是在有功與無(wú)功相互影響的基礎(chǔ)上優(yōu)化求解的。

1.4 系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度模式

微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型需要基于一種確定的運(yùn)行調(diào)度模式進(jìn)行優(yōu)化，本文根據(jù)微網(wǎng)與外網(wǎng)間的能量交互方式及微網(wǎng)內(nèi)分布式電源是否享受優(yōu)先調(diào)度權(quán)，將微網(wǎng)與外網(wǎng)間的交互運(yùn)行分為以下3種典型的調(diào)度模式[24]。

（1）模式1：優(yōu)先利用微源來(lái)滿足微網(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷需求，若存在功率缺額，可以從外網(wǎng)吸收功率，但不可以向外網(wǎng)輸出功率。調(diào)度策略為：

a.由于PV和WT發(fā)電具有不可控性，且作為可再生能源不直接消耗燃料，不污染環(huán)境，故優(yōu)先利用其出力，跟蹤控制最大功率輸出；

b.為使熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行效率最高，其采用“以熱定電”的方式，由熱負(fù)荷確定MT的有功出力；

c.當(dāng)WT、PV和MT的有功出力超過(guò)微網(wǎng)電負(fù)荷和網(wǎng)損時(shí)，超出的部分給SB充電，同時(shí)監(jiān)視SB的充放電狀態(tài)，當(dāng)SB充滿時(shí)依次切除部分發(fā)電成本較高的PV或WT；

d.當(dāng)WT、PV和MT的有功出力無(wú)法滿足微網(wǎng)電負(fù)荷和網(wǎng)損時(shí)，首先令SB輸出有功，同時(shí)檢測(cè)SB的充放電狀態(tài)；

e.若SB在出力范圍內(nèi)無(wú)法確保微網(wǎng)安全可靠運(yùn)行（在不切負(fù)荷的基礎(chǔ)上，微網(wǎng)能在滿足所有約束條件下運(yùn)行），則優(yōu)先調(diào)用FC的有功出力，若在FC出力范圍內(nèi)仍無(wú)法滿足微網(wǎng)安全可靠運(yùn)行，則再?gòu)耐饩W(wǎng)購(gòu)電。

（2）模式2：微源與外網(wǎng)共同參與系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化，但仍只可以從外網(wǎng)吸收功率，不可以倒送功率。調(diào)度策略為：

a.前4條調(diào)度策略同模式1；

b.若SB在出力范圍內(nèi)無(wú)法確保微網(wǎng)安全可靠運(yùn)行，則比較FC的發(fā)電成本與購(gòu)電成本，若FC的發(fā)電成本高于電價(jià)，則FC不發(fā)有功，微網(wǎng)從外網(wǎng)購(gòu)電，此時(shí)若在聯(lián)絡(luò)線交換功率范圍內(nèi)仍無(wú)法滿足微網(wǎng)安全可靠運(yùn)行，則再調(diào)度FC發(fā)有功來(lái)滿足微網(wǎng)安全可靠運(yùn)行需求；

c.反之，若FC的發(fā)電成本低于電價(jià)，微網(wǎng)優(yōu)先調(diào)用FC的有功出力，若在FC出力范圍內(nèi)仍無(wú)法滿足微網(wǎng)安全可靠運(yùn)行，則再?gòu)耐饩W(wǎng)購(gòu)電。

（3）模式3：微網(wǎng)可與外網(wǎng)自由雙向交換功率，谷時(shí)電價(jià)較低不向外網(wǎng)售電，峰時(shí)電價(jià)較高，微網(wǎng)在安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上，可向外網(wǎng)售電。調(diào)度策略為：

a.前2條調(diào)度策略同模式1；

b.當(dāng)WT、PV和MT的有功出力超過(guò)微網(wǎng)電負(fù)荷和網(wǎng)損時(shí)，超出的部分在峰時(shí)向外網(wǎng)出售，在谷時(shí)向SB充電（峰時(shí)電價(jià)高，谷時(shí)電價(jià)低，而SB的儲(chǔ)能有限，采用此運(yùn)行策略能取得更好的經(jīng)濟(jì)效益），若SB充滿則向外網(wǎng)售電，此時(shí)若FC發(fā)電成本低于電價(jià)，可在容量范圍內(nèi)增加出力向外網(wǎng)售電來(lái)獲益；

c.當(dāng)WT、PV和MT的有功出力無(wú)法滿足微網(wǎng)電負(fù)荷和網(wǎng)損時(shí)，首先令SB輸出有功，同時(shí)監(jiān)視SB的充放電狀態(tài)；

d.若SB在出力范圍內(nèi)可滿足微網(wǎng)安全可靠運(yùn)行，若在峰時(shí)可考慮增加SB的有功功率向外網(wǎng)售電，否則維持原出力；

e.若SB在出力范圍內(nèi)無(wú)法確保微網(wǎng)安全可靠運(yùn)行，則再比較FC的發(fā)電成本與購(gòu)電成本，若FC的發(fā)電成本高于電價(jià)，則FC不發(fā)有功，微網(wǎng)從外網(wǎng)購(gòu)電，此時(shí)若在聯(lián)絡(luò)線交換功率范圍內(nèi)仍無(wú)法滿足微網(wǎng)安全可靠運(yùn)行，則再調(diào)度FC發(fā)有功來(lái)滿足微網(wǎng)安全可靠運(yùn)行需求；

f.反之，若FC的發(fā)電成本低于電價(jià)，微網(wǎng)優(yōu)先調(diào)用FC的有功出力，若FC在出力范圍內(nèi)能滿足微網(wǎng)安全可靠運(yùn)行，可繼續(xù)增加FC的有功出力向外網(wǎng)售電來(lái)獲取收益，此時(shí)若在FC出力范圍內(nèi)仍無(wú)法滿足微網(wǎng)安全可靠運(yùn)行，則再?gòu)耐饩W(wǎng)購(gòu)電。

本文所提的經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略與國(guó)家節(jié)能減排的政策相符，在滿足節(jié)能環(huán)保調(diào)度的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益最好。本文利用經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略確定各微源的出力以及外網(wǎng)和微網(wǎng)之間傳輸功率的運(yùn)行狀態(tài)（即確定有功出力的狀態(tài)變量），與下述改進(jìn)遺傳算法相結(jié)合，共同對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化求解。

2 模型求解算法

遺傳算法是一種基于自然選擇和基因遺傳學(xué)原理的隨機(jī)并行搜索算法，是一種尋求全局最優(yōu)解而不需要任何初始化信息的高效優(yōu)化算法。遺傳算法的參數(shù)中交叉概率Pc和變異概率Pm的選擇是影響遺傳算法性能的關(guān)鍵，Pc越大，新個(gè)體產(chǎn)生的速度越快，然而Pc過(guò)大時(shí)遺傳模式被破壞的可能性越大，Pc過(guò)小，會(huì)使得搜索過(guò)程緩慢。對(duì)于變異概率Pm，Pm過(guò)小，不容易產(chǎn)生新的個(gè)體結(jié)構(gòu)，而Pm過(guò)大，遺傳算法變成了純粹的隨機(jī)搜索算法。M.Srinvivas等提出了一種自適應(yīng)算法，Pc和Pm能隨適應(yīng)度自動(dòng)改變，但此算法對(duì)個(gè)體適應(yīng)度接近或等于最大適應(yīng)度時(shí)，Pc和Pm接近或等于0，這對(duì)進(jìn)化初期是不利的，使得進(jìn)化初期的優(yōu)良個(gè)體處在一種不發(fā)生變化的狀態(tài)，導(dǎo)致進(jìn)化走向局部最優(yōu)解的可能性增加[25]。本文對(duì)Pc和Pm做如下改進(jìn)：

其中，fmax、fmin和favg分別為種群中的最大、最小和平均適應(yīng)度；f′為要交叉的兩個(gè)體中較大的適應(yīng)度。取Pc1=0.85、Pc2=0.5、Pc3=0.2、Pm1=0.09、Pm2=0.05、Pm3=0.01。

改進(jìn)算法使群體中最大適應(yīng)度個(gè)體的Pc和Pm不為0，分別提高到Pc3和Pm3，使優(yōu)良個(gè)體不處于一種停滯狀態(tài)，從而使算法跳出局部最優(yōu)解。而當(dāng)個(gè)體的適應(yīng)度小于平均適應(yīng)度時(shí)，適應(yīng)度值比較集中，容易陷入局部最優(yōu)解，此時(shí)改進(jìn)算法增大了Pc和Pm，從而增加了種群的多樣性。

本文運(yùn)用改進(jìn)自適應(yīng)遺傳算法并采取輪盤賭選擇、多點(diǎn)交叉和多點(diǎn)變異來(lái)求解以下算例。群體規(guī)模為30，迭代次數(shù)為300。由于遺傳算法屬于啟發(fā)式優(yōu)化算法，本身具有隨機(jī)性，每次優(yōu)化會(huì)有不同的結(jié)果，故下文結(jié)果均是重復(fù)計(jì)算20次得到的平均值。

3 算例分析

3.1 微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文在文獻(xiàn)[26]中微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行了相應(yīng)的改動(dòng)，如圖1所示。

圖1 微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure of microgrid

圖1中，電負(fù)荷1為居民負(fù)荷，最大有功功率為15 kW；電負(fù)荷2為商業(yè)負(fù)荷，最大有功功率為30 kW；電負(fù)荷3為工業(yè)負(fù)荷，最大有功功率為2×15 kW，屬于可中斷負(fù)荷；電負(fù)荷4為工業(yè)負(fù)荷，最大有功功率為40 kW。3種負(fù)荷的功率因數(shù)都取0.85?？紤]到配網(wǎng)輻射狀的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與低壓線路參數(shù)的特點(diǎn)，取線路電阻 R=0.64 Ω／km，X=0.1 Ω／km。

3.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文中制熱收益取為 0.1 元／（kW·h）[12]；電壓允許偏差為-5%～＋5%；微網(wǎng)與外網(wǎng)傳輸?shù)挠泄蜔o(wú)功功率上、下限分別為50 kW、-50 kW和30.987kVar、-30.987kVar（外網(wǎng)向微網(wǎng)注入功率為正，反之為負(fù)），聯(lián)絡(luò)線傳輸功率的功率因數(shù)限值為0.85；SB逆變器的容量為60kV·A，SB的最大、最小剩余容量和初始容量分別為100%、30%、70%的額定容量，其額定容量為900 kW·h；FC逆變器的容量為40kV·A；峰時(shí)為 09∶00 — 24∶00，谷時(shí)為 01∶00 — 08∶00。 各微源的相關(guān)信息如表1所示，WT出力、PV出力、熱負(fù)荷、由熱負(fù)荷求出的MT有功出力曲線以及3種性質(zhì)電負(fù)荷的日負(fù)荷曲線（與該日最大電負(fù)荷百分比）如圖2所示。實(shí)時(shí)電價(jià)參見文獻(xiàn)[24]，各微源污染物排放數(shù)據(jù)、污染物價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)、罰款等級(jí)參見文獻(xiàn)[21]。

表1 各微源的參數(shù)Tab.1 Parameters of various micro sources

圖2 已知機(jī)組出力及熱／電負(fù)荷Fig.2 Unit outputs known and heating／electric loads

3.3 優(yōu)化結(jié)果

本文假設(shè)各時(shí)段微網(wǎng)不能僅與外網(wǎng)交互傳輸無(wú)功功率，且MT不提供無(wú)功出力。

3.3.1 考慮／不考慮聯(lián)絡(luò)線功率的功率因數(shù)限制對(duì)比

并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)1連接配網(wǎng)，潮流計(jì)算時(shí)將其看成平衡節(jié)點(diǎn)，同時(shí)取它的電壓作為微網(wǎng)的參考電壓，MT、FC和SB都采用功率（PQ）控制。微網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度采用模式2時(shí)，不考慮聯(lián)絡(luò)線傳輸功率的功率因數(shù)限制（即式（21））的有功優(yōu)化結(jié)果如圖3所示，無(wú)功優(yōu)化結(jié)果如圖4所示；考慮聯(lián)絡(luò)線傳輸功率的功率因數(shù)限制的有功優(yōu)化結(jié)果如圖5所示，無(wú)功優(yōu)化結(jié)果如圖6所示，其中有功缺額=總有功負(fù)荷-PV有功出力-WT有功出力-MT有功出力，無(wú)功缺額=總無(wú)功負(fù)荷。

從圖3可以看出，采用調(diào)度模式2時(shí)，能量只能由外網(wǎng)系統(tǒng)向微網(wǎng)系統(tǒng)傳輸，微網(wǎng)內(nèi)部的電源與外網(wǎng)共同參與系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。17∶00之前微網(wǎng)的有功缺額主要由SB提供，當(dāng)17∶00時(shí)SB剩余電量到達(dá)下限后，系統(tǒng)的有功缺額主要由外網(wǎng)來(lái)提供，聯(lián)絡(luò)線傳輸功率主要起到了調(diào)峰的作用，F(xiàn)C僅在發(fā)電成本低于購(gòu)電電價(jià)時(shí)才提供有功出力。

從圖4可以看出，SB和FC在優(yōu)先滿足有功需求基礎(chǔ)上所提供的無(wú)功，配合聯(lián)絡(luò)線無(wú)功來(lái)滿足微網(wǎng)的無(wú)功需求。微網(wǎng)負(fù)荷較輕的時(shí)段（01∶00—07∶00和 23∶00—24∶00），微網(wǎng)系統(tǒng)的無(wú)功需求主要由 SB 來(lái)提供，而其他時(shí)段主要由FC和外網(wǎng)來(lái)提供。

微網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度采用模式2且不考慮式（21）的約束時(shí)，一天內(nèi)SB只需充電2次、放電1次，延長(zhǎng)了SB的使用壽命。一天內(nèi)聯(lián)絡(luò)線傳輸功率的最低功率因數(shù)為0.000377，綜合成本為1323.7元。

圖3 模式2時(shí)微網(wǎng)有功出力優(yōu)化結(jié)果（不考慮式（21））Fig.3 Results of active power optimization of microgrid in mode 2（neglect formula（21））

圖4 模式2時(shí)微網(wǎng)無(wú)功出力優(yōu)化結(jié)果（不考慮式（21））Fig.4 Results of reactive power optimization of microgrid in mode 2（neglect formula（21））

圖5 模式2時(shí)微網(wǎng)有功出力優(yōu)化結(jié)果（考慮式（21））Fig.5 Results of active power optimization of microgrid in mode 2（consider formula（21））

圖6 模式2時(shí)微網(wǎng)無(wú)功出力優(yōu)化結(jié)果（考慮式（21））Fig．6 Results of reactive power optimization of microgrid in mode 2（consider formula（21））

微網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度采用模式2時(shí)，考慮式（21）約束與不考慮式（21）約束時(shí)，各微源的有功出力及外網(wǎng)提供的有功出力具有相似的規(guī)律。

從圖6可以看出，在微網(wǎng)負(fù)荷較輕時(shí)段（01∶00—07∶00 和 23∶00—24∶00），系統(tǒng)的無(wú)功需求主要由 SB來(lái)提供，而其他時(shí)段主要由SB和FC共同提供，微網(wǎng)只從外網(wǎng)吸收較少的無(wú)功，且外網(wǎng)向微網(wǎng)傳輸功率的功率因數(shù)較高，與微網(wǎng)作為一個(gè)可控負(fù)荷接入配網(wǎng)，配網(wǎng)對(duì)負(fù)荷電能質(zhì)量的要求相符。

微網(wǎng)在采用模式2且考慮式（21）約束時(shí)，一天內(nèi)SB需充電2次、放電1次，各時(shí)段聯(lián)絡(luò)線傳輸功率的功率因數(shù)都不低于0.85，綜合成本為1344.1元。

微網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度采用模式2時(shí)，不考慮式（21）相比于考慮式（21）更有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，但聯(lián)絡(luò)線傳輸功率的功率因數(shù)較差，與微網(wǎng)作為一個(gè)可控負(fù)荷接入配網(wǎng)，配網(wǎng)對(duì)負(fù)荷電能質(zhì)量的要求不符。

3.3.2 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)采用不同調(diào)度模式對(duì)比

在考慮式（21）的約束下，微網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度采用模式1時(shí)有功優(yōu)化結(jié)果如圖7所示，無(wú)功優(yōu)化結(jié)果如圖8所示；微網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度采用模式3時(shí)有功優(yōu)化結(jié)果如圖9所示，無(wú)功優(yōu)化結(jié)果如圖10所示。

圖7 模式1時(shí)微網(wǎng)有功出力優(yōu)化結(jié)果（考慮式（21））Fig．7 Results of active power optimization of microgrid in mode 1（consider formula（21））

圖8 模式1時(shí)微網(wǎng)無(wú)功出力優(yōu)化結(jié)果（考慮式（21））Fig．8 Results of reactive power optimization of microgridin mode 1（consider formula（21））

圖9 模式3時(shí)微網(wǎng)有功出力優(yōu)化結(jié)果（考慮式（21））Fig．9 Results of active power optimization of microgridin mode 3（consider formula（21））

圖10 模式3時(shí)微網(wǎng)無(wú)功出力優(yōu)化結(jié)果（考慮式（21））Fig．10 Results of reactive power optimization of microgrid in mode 3（consider formula（21））

從圖7可以看出，采用調(diào)度模式1時(shí)，能量只能由外網(wǎng)向微網(wǎng)系統(tǒng)傳輸，當(dāng)微網(wǎng)中存在有功缺額時(shí)，優(yōu)先調(diào)用微源的出力，當(dāng)所有微源的出力范圍內(nèi)仍無(wú)法滿足微網(wǎng)安全可靠運(yùn)行時(shí)才向外網(wǎng)購(gòu)電。17∶00之前微網(wǎng)的有功缺額主要由SB提供，當(dāng)17∶00時(shí)SB剩余電量到達(dá)下限后，有功缺額主要由FC來(lái)提供，F(xiàn)C在這里主要起到了調(diào)峰的作用，微網(wǎng)只在僅由內(nèi)部電源無(wú)法滿足微網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的時(shí)段（13∶00—14∶00）才向外網(wǎng)購(gòu)電。

從圖8可以看出，在微網(wǎng)負(fù)荷較輕時(shí)段（01∶00—07∶00 和 23∶00—24∶00），系統(tǒng)的無(wú)功需求主要由 SB來(lái)提供，而其他時(shí)段主要由SB和FC共同提供，微網(wǎng)只在僅由內(nèi)部電源無(wú)法滿足微網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的時(shí)段（13∶00 —14∶00）才向外網(wǎng)吸取少量的無(wú)功，且外網(wǎng)向微網(wǎng)傳輸功率的功率因數(shù)較高。

從圖9可以看出，采用調(diào)度模式3時(shí)，能量在微網(wǎng)系統(tǒng)與外網(wǎng)系統(tǒng)間可雙向自由交互，峰時(shí)微源在滿足微網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上，在出力范圍內(nèi)可增加出力向外網(wǎng)售電來(lái)獲益。17∶00之前微網(wǎng)系統(tǒng)的有功缺額主要由SB來(lái)提供，當(dāng)17∶00時(shí)SB剩余電量到達(dá)下限后，有功缺額主要由外網(wǎng)來(lái)提供，F(xiàn)C只在發(fā)電成本低于電價(jià)的時(shí)段（14∶00）才提供有功出力。

從圖10可看出，在微網(wǎng)負(fù)荷較輕時(shí)段（01∶00—07∶00），系統(tǒng)的無(wú)功需求主要由SB來(lái)提供，而其他時(shí)段主要由SB和FC共同提供，微網(wǎng)僅在峰時(shí)段才向外網(wǎng)吸取少量的無(wú)功，且外網(wǎng)向微網(wǎng)傳輸功率的功率因數(shù)較高。

對(duì)比負(fù)荷需求全部由外網(wǎng)系統(tǒng)提供的模式，在滿足微網(wǎng)與外網(wǎng)交互功率約束的基礎(chǔ)上，采用上述3種調(diào)度模式所需費(fèi)用對(duì)比情況如下：外網(wǎng)供電、調(diào)度模式1、調(diào)度模式2、調(diào)度模式3所需費(fèi)用分別為995.889、1404、1344.1、1317.8 元。 可以看出，微網(wǎng)系統(tǒng)相比于外網(wǎng)供電模式在經(jīng)濟(jì)上不占優(yōu)勢(shì)，但微網(wǎng)提高了用戶的供電可靠性和供電質(zhì)量，有效利用了可再生能源，提高了環(huán)境效益。對(duì)比微網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度分別采用模式1、2、3，可知：采用模式3時(shí)，在滿足微網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上，微網(wǎng)在峰時(shí)利用成本較低的分布式電源可向外網(wǎng)售電來(lái)獲取收益，較之采用模式1和模式2，使微網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益有所提高；采用模式2時(shí)，在電價(jià)低于微源發(fā)電成本的時(shí)段，可優(yōu)先從外網(wǎng)購(gòu)電來(lái)滿足微網(wǎng)功率缺額，較之采用模式1，使微網(wǎng)更具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

本文建立了考慮微源同時(shí)提供有功和無(wú)功出力并計(jì)及制熱收益的熱電聯(lián)產(chǎn)型微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，以一個(gè)包含 WT、PV、SB、MT、FC 以及熱／電負(fù)荷的具體微網(wǎng)為例，提出了不同運(yùn)行調(diào)度模式下的經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略，運(yùn)用改進(jìn)遺傳算法優(yōu)化了考慮實(shí)時(shí)電價(jià)的并網(wǎng)運(yùn)行方式下各微源的有功、無(wú)功出力，并對(duì)比分析了微網(wǎng)與外網(wǎng)交互功率的約束以及不同運(yùn)行調(diào)度模式對(duì)微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的影響，驗(yàn)證了所提模型和算法的有效性。

本文提出由微源本身提供無(wú)功出力配合外網(wǎng)向微網(wǎng)提供的無(wú)功出力來(lái)滿足系統(tǒng)無(wú)功需求，降低了安裝無(wú)功補(bǔ)償裝置的額外投資，確保外網(wǎng)無(wú)需向微網(wǎng)提供過(guò)大的無(wú)功支撐且保證外網(wǎng)與微網(wǎng)間傳輸?shù)墓β示哂休^高的功率因數(shù)，較好地符合了供電公司對(duì)接入微網(wǎng)的要求。