孤島微網(wǎng)系統(tǒng)柴發(fā)配置分析

陳柔伊，董旭柱，黃邵遠，李登武，陳苗

(1．南方電網(wǎng)科學研究院，廣東廣州510080; 2．天津天大求實電力新技術股份有限公司，天津300384)

孤島微網(wǎng)系統(tǒng)柴發(fā)配置分析

陳柔伊1，董旭柱1，黃邵遠1，李登武2，陳苗2

(1．南方電網(wǎng)科學研究院，廣東廣州510080; 2．天津天大求實電力新技術股份有限公司，天津300384)

微網(wǎng)技術是新能源及可再生能源并網(wǎng)發(fā)電規(guī)?；瘧玫挠行緩?，可在一定程度上解決孤立海島或偏遠地區(qū)的供電問題。利用柴油發(fā)電機作為孤島型微網(wǎng)的主要能源支撐時，其型號選取、容量確定等因素均直接對系統(tǒng)的供電可靠性產(chǎn)生影響，并間接影響系統(tǒng)的經(jīng)濟性能。本文以某海島孤島型微網(wǎng)系統(tǒng)為例，提出了柴油發(fā)電機設備的優(yōu)化配置方法。經(jīng)研究分析表明，在兼顧考慮微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟效益、可再生能源利用比例、污染物排放以及柴發(fā)壽命等因素的情況下，可得到具有最佳綜合性能的柴發(fā)優(yōu)化配置結果。

孤島微網(wǎng);柴發(fā);優(yōu)化配置;節(jié)能減排

1 引言

近年來，世界各國政府對能源危機與環(huán)境問題高度重視?！笆濉逼陂g我國明確提出，繼續(xù)推進“節(jié)能減排”政策，重點實施能源環(huán)境活動，加強可再生能源利用。將多種分布式能源綜合利用，構建優(yōu)勢互補的微網(wǎng)系統(tǒng)，用以緩解資源環(huán)境問題。隨著微網(wǎng)技術的逐步發(fā)展，微網(wǎng)實驗室、示范性工程以及實際微網(wǎng)建設在國內(nèi)外逐步推進。

21世紀初，歐美等發(fā)達國家學者已開始對微網(wǎng)進行研究，到目前為止，已形成了較為成熟的理論體系。在微網(wǎng)優(yōu)化研究方面，有學者以并網(wǎng)中微網(wǎng)運行的綜合性能為控制目標，對其優(yōu)化運行的集中控制進行了探究［1］。也有學者從系統(tǒng)構建角度出發(fā)，研究獨立微網(wǎng)中分布式電源的管理［2］，另有學者從單個目標出發(fā)，分析微網(wǎng)的優(yōu)化運行［3］。

我國對微網(wǎng)系統(tǒng)的研究起步較晚，目前還處于前期探索階段。在微網(wǎng)優(yōu)化研究方面，國內(nèi)一些學者從微網(wǎng)系統(tǒng)方面出發(fā)，探討微網(wǎng)系統(tǒng)容量的優(yōu)化運行［4］。也有學者從儲能或風光互補角度，分析微網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化問題［5］，從經(jīng)濟調(diào)度的角度進行系統(tǒng)研究也是一種解決優(yōu)化問題的方法［6］。然而，隨著我國“節(jié)能減排”政策的實施，對于含柴發(fā)在內(nèi)的微網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化配置研究就顯得尤為重要，尤其是在可靠性要求較高的孤島微網(wǎng)中［7］，對柴發(fā)的優(yōu)化是系統(tǒng)構建的關鍵環(huán)節(jié)。

本文以孤島微網(wǎng)系統(tǒng)為分析對象，以微網(wǎng)經(jīng)濟運行為目標，對系統(tǒng)中柴發(fā)設備的選型定容進行研究。

綜合考慮微網(wǎng)的經(jīng)濟性、可靠性、柴發(fā)的使用壽命和污染排放等因素，構建基于孤島微網(wǎng)的柴發(fā)選型定容方法。本文以某海島為例，構建多能互補的孤島微網(wǎng)系統(tǒng)，結合當?shù)氐淖匀毁Y源、負荷需求等因素，對微網(wǎng)中的柴發(fā)進行配置，實現(xiàn)供電系統(tǒng)的節(jié)能減排。

2 孤島微網(wǎng)

孤島微網(wǎng)是微網(wǎng)的運行模式之一，相對于并網(wǎng)微網(wǎng)而言具有以下特征:

(1)孤島微網(wǎng)一般構建在遠離大電網(wǎng)的缺電、無電等邊遠地區(qū)以及無大電網(wǎng)供電的海島上。

(2)孤島微網(wǎng)中分布式電源是系統(tǒng)唯一電能來源，一般分布式電源包含風機、光伏、柴發(fā)、儲能等發(fā)供電設備，各電源間聯(lián)系緊密，相互配合［8］。

(3)孤島微網(wǎng)對系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可靠性要求較高，各分布式電源的選型定容均會對其產(chǎn)生較大影響。

綜上所述，柴發(fā)作為孤島微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定可控能源［9］，不同的選型定容方案直接影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定性，間接地影響著系統(tǒng)的經(jīng)濟性能。

3 柴油發(fā)電機的優(yōu)化配置

柴油發(fā)電機的優(yōu)化配置方法是以目前常用的優(yōu)化仿真軟件homer軟件中的柴發(fā)優(yōu)化配置方法為基礎，綜合考慮柴發(fā)的運行控制策略，制定選型優(yōu)化目標，得到集選型和定容功能為一體的孤島微網(wǎng)柴發(fā)優(yōu)化配置方法。

3.1 優(yōu)化配置目標

根據(jù)孤島微網(wǎng)和柴發(fā)運行的特點，兼顧微網(wǎng)的協(xié)調(diào)運行策略，本文在確保供電可靠性的前提下，綜合考慮微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟效益、可再生能源利用比例、污染物排放以及柴發(fā)壽命等因素，制定系統(tǒng)優(yōu)化配置的目標如下:

(1)經(jīng)濟性，系統(tǒng)在全壽命周期內(nèi)的總費用C由微網(wǎng)系統(tǒng)靜態(tài)費用C1和動態(tài)費用C2兩部分組成。

(2)系統(tǒng)供電可靠性，用系統(tǒng)運行過程中由于未配置足夠的備用產(chǎn)生的可靠性損失Rloss表示。

獨立微網(wǎng)的供電可靠性指當風光出力產(chǎn)生波動且儲能放電量不能滿足負荷需求的情況下，柴發(fā)對負荷的滿足度。為了保證系統(tǒng)的高可靠性，需要有一定容量的柴發(fā)備用以補償系統(tǒng)凈負荷，凈負荷與柴發(fā)的裝機容量的比值能夠體現(xiàn)系統(tǒng)負荷滿足的程度，進而能夠體現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性收益水平，將可靠性收益變成未滿足可靠性收益的懲罰可滿足優(yōu)化需求。

(3)環(huán)境友好性，用系統(tǒng)運行污染物排放量帶來的環(huán)境成本V來表示。

柴發(fā)的運行效率對化石燃料的能量轉(zhuǎn)化率有很大的影響，進而影響到柴發(fā)運行過程中污染物的排放量。

圖1為典型柴油機的負荷特性曲線。從圖1中可以看出，柴發(fā)負荷率在0～50%之間時，隨著負荷率的增加，系統(tǒng)內(nèi)單位發(fā)電的耗油率呈現(xiàn)迅速遞減的趨勢;當柴發(fā)負荷率超過50%以后，耗油率的減小趨于緩慢。

圖1 柴發(fā)負荷特性Fig．1Diesel load characteristic

(4)柴發(fā)使用壽命，柴發(fā)在運行過程中的壽命用壽命影響因子LT表示。其值越大柴發(fā)的壽命受到的影響越大，壽命越短。

縮短柴發(fā)使用壽命的因素有以下幾方面:柴發(fā)在非建議效率區(qū)間運行，頻繁的啟停柴發(fā)，無法按照要求對柴發(fā)進行定時維護。

(5)電能消納能力，用系統(tǒng)的棄能量懲罰Escpun表示。供電量大于總負荷需求時，系統(tǒng)將舍棄電能，理想系統(tǒng)的舍棄能量應為零。

對優(yōu)化配置目標進行分析，不難發(fā)現(xiàn)合理配置柴發(fā)的容量和型號能夠使孤島微網(wǎng)系統(tǒng)達到各優(yōu)化目標綜合指數(shù)最高的效果。

3.2 目標函數(shù)

3.2.1 定容目標函數(shù)

(1)微網(wǎng)系統(tǒng)靜態(tài)費用

微網(wǎng)系統(tǒng)靜態(tài)費用考慮獨立微網(wǎng)系統(tǒng)在壽命周期內(nèi)固定費用現(xiàn)值(元)，包括設備初始投資、年固定運行維護費用、更換費用、設備殘值。

式中，k為孤島微網(wǎng)工程設計壽命;r為貼現(xiàn)率; C1I(i)為設備初始投資(元);C1M(i)為年固定的運行維護費用(元);C1R(i)為第i年的替換費用(元); C1S(i)為第k年的設備殘值(元)。

設備初始投資的計算公式為:

式中，CPV為光伏發(fā)電單元投資(元);CWT為風力發(fā)電單元投資(元);Cbat為儲能設備投資(元);Cdsl為柴發(fā)設備投資(元);Cother為其他配套設備投資(元)。

(2)供電可靠性損失

式中，PLoad為系統(tǒng)負荷(kW);PPV為光伏出力(kW); PWT為風機出力(kW);Sdsl為柴發(fā)容量(kW);α為負荷波動率;β為光伏備用率;γ為風機備用率;Gain為建立微網(wǎng)后某地區(qū)提高供電可靠性帶來的收益(包括經(jīng)濟效益、社會效益及示范意義等)，現(xiàn)將其轉(zhuǎn)換成為未滿足的懲罰。

3.2.2 選型目標函數(shù)

(1)棄能量懲罰

式中，QLoad為系統(tǒng)負荷電量(kW·h);Qdsl、QPV、QWT分別為柴發(fā)、光伏、風機發(fā)電量(kW·h);Qbat為儲能的協(xié)調(diào)作用(kW·h)。此處引入棄能量懲罰來表征棄能量，懲罰系數(shù)為某地區(qū)平均度電成本Avepow-cos(元/(kW·h))。

(2)動態(tài)費用

柴發(fā)在運行過程中的燃料費、替換費是柴發(fā)選型的重要依據(jù)。由于柴發(fā)效率問題，發(fā)出單位電量消耗的燃油量并不是定值。

柴發(fā)耗油量具體可以表示為:

式中，F(xiàn)k為運行時間段k內(nèi)的耗油量(L);Pidsl為柴發(fā)在i時間段內(nèi)的運行功率;A為單位發(fā)電量對應的油耗(L/kW);fi(x)為在i小時內(nèi)柴發(fā)效率對單位發(fā)電燃油消耗量的影響因數(shù)。

柴發(fā)壽命影響因子LT:

式中，Tns為柴發(fā)在非建議效率區(qū)間運行時間(h); Nsta為柴發(fā)啟停次數(shù);Nnope為未按要求維護次數(shù);λ、φ、ψ為權重參數(shù)，根據(jù)不同的柴發(fā)類型有部分差距。

由壽命影響因子得到柴發(fā)在工程期內(nèi)的更換次數(shù)Nrep:

式中，k為計劃工程時間(年);Dlife為柴發(fā)在理論狀態(tài)下的壽命(年)。

綜合以上各因素得到系統(tǒng)動態(tài)費用表達式:

式中，C2為工程時間內(nèi)柴發(fā)運行花費(元);Dprice為柴油的單價(元/升)。

(3)環(huán)境成本

式中，Ve-i為第i項污染物的環(huán)境價值(元/kg);Vi(x)為運行過程中第i項污染物的排放量(kg);Vie為排放第i項污染物所受的懲罰(元)。

由式(5)可知柴發(fā)耗油量與柴發(fā)效率有關，令單位燃油污染排放量為定值，所以污染排放量與柴發(fā)效率相關。

3.3 約束條件

(1)柴油發(fā)電機的運行時間約束

式中，Tiwork為第i臺柴發(fā)的運行時間;Tmin為規(guī)定的最小運行時間。

(2)多臺柴發(fā)維護時間不重疊。

(3)功率上下限約束

式中，Pi為第i臺設備的出力;Pimax、Pimin為這臺設備的規(guī)定最大最小出力。

(4)凈負荷與柴發(fā)用量關系約束

孤島微網(wǎng)中的凈負荷為總負荷減去可再生能源出力負荷，其默認全部由柴發(fā)滿足，此處約定凈負荷功率數(shù)與柴發(fā)開啟臺數(shù)的對應關系如下:

式中，Nus為處于運行狀態(tài)的柴發(fā)臺數(shù);Pre為系統(tǒng)凈負荷;a%、b%為系統(tǒng)限制的柴發(fā)最小、最大出力百分比。

3.4 配置流程

3.4.1 多目標函數(shù)處理

綜合分析優(yōu)化目標，為了達到最終統(tǒng)一確定柴發(fā)定容選型的目的，對各目標進行加權求和分析。得到目標函數(shù)如下:

式中，λi(i=1，2，3，4，5)為各個優(yōu)化目標的權重，取值范圍為［0，1］。

目標函數(shù)中的權重系數(shù)通過德爾菲法確定，綜合考慮微網(wǎng)建設目標及微網(wǎng)所處區(qū)域內(nèi)的環(huán)境等因素，得到各目標權重如表1所示。

表1 權重系數(shù)Tab．1Factors weight

優(yōu)化過程中約束條件(1)、(4)作為運行必要條件出現(xiàn)，約束條件(2)、(3)作為懲罰項出現(xiàn)。

3.4.2 算法流程

針對上述優(yōu)化模型，運用遍歷法對每一種方案進行優(yōu)化，經(jīng)過優(yōu)化算法的計算，確定在某一特定約束條件下的最優(yōu)解。優(yōu)化變量包括:風機容量、光伏電池容量、儲能容量、柴發(fā)容量、柴發(fā)單臺容量及臺數(shù)。優(yōu)化流程如圖2所示。

圖2 算法流程圖Fig.2Flow chart optimization

4 仿真算例

4.1 項目背景

某海島為中國南海島嶼，位于熱帶地區(qū)，多年平均氣溫為26.8℃。經(jīng)多年檢測30m高度處年平均風速為4.79m/s。此地區(qū)陽光充足，典型年太陽能輻射量總值為6801.4MJ/m2，地區(qū)太陽輻射資源豐富，極具開發(fā)價值。

海島總面積為2平方公里左右，島上建設有部分民用及軍用設施，峰值負荷為2200kW，島上漁民至今沒有實現(xiàn)統(tǒng)一供電。為滿足其供電需求，擬建風光柴儲微網(wǎng)系統(tǒng)對其供電，解決其民生問題。

通過調(diào)研，明確各分布式電源設備特性如下:光伏價格2萬元/kW，壽命20年;風機價格2.5萬元/kW，壽命20年，維護費用0.1萬元/年/kW;柴發(fā)價格0.21萬元/kW，維護費用0.2萬元/年/ kW，壽命12年，柴油價格按照7.2元/L計。

4.2 優(yōu)化仿真

通過本文所述方法對該系統(tǒng)進行研究，分析結果如下。

圖3表示風光儲容量與單位電價的關系。風機、光伏容量單位為kW，儲能容量單位為kW·h。

圖3 風光儲容量與電價的關系Fig．3Relationship between price and capacity of PV/WT/Bat

該微網(wǎng)系統(tǒng)，在風機容量200kW、光伏容量700kWp、儲能容量270kW·h、柴發(fā)容量2400～2500kW時，系統(tǒng)綜合各指標效果最優(yōu)。

結合對現(xiàn)有柴發(fā)設備的調(diào)研，共有三組不同的配置方式的柴發(fā)組合適于該容量區(qū)間。分別為3臺800kW、4臺660kW、5臺500kW柴油發(fā)電機。按照孤島微網(wǎng)選型分析方法對三組可用柴發(fā)配置進行比對分析，分析結果如下。

在上述容量配置下，所構建微網(wǎng)的凈負荷波動情況見表2。從表2中得出，凈負荷的波動集中在區(qū)間0～500kW占84.78%，600kW以上的凈負荷波動所占比例僅為10.87%。

表2 凈負荷波動分析統(tǒng)計表Tab．2Variation of net load

按照約束得出三組柴發(fā)運行功率區(qū)間，見表3。

柴發(fā)運行效率分布最能夠直接展現(xiàn)優(yōu)化結果，三種方案的柴發(fā)運行效率如圖4所示。為了便于觀察，將實時效率按照遞增順序排列，縱坐標為某種配置對應的效率。可以看出5×500kW柴發(fā)運行效率明顯高于另兩種柴發(fā)配置類型。

表3 柴發(fā)運行功率區(qū)間Tab．3Diesel working power (單位:kW)

圖4 柴發(fā)效率分布曲線Fig．4Efficiency distribution of diesel

柴發(fā)運行費用比較見表4?？梢钥闯?× 500kW柴發(fā)的運行經(jīng)濟性略高于其他兩組配置。

表4 柴發(fā)運行費用Tab．4Cost of diesel running

三種配置下系統(tǒng)年棄能量見表5。可以看出，5 ×500kW柴發(fā)棄能量明顯少于其他兩種類型柴發(fā)配置。降低棄能量能夠提高微網(wǎng)系統(tǒng)能源利用率，避免能源的浪費，尤其是避免單臺柴發(fā)開啟時風機、光伏發(fā)電的舍棄。

表5 棄能量Tab．5Excess electricity

以上列舉三種配置類型的對比結果，從結果中可以明顯看出，5臺500kW的柴油發(fā)電機在每一個目標上都具有明顯優(yōu)勢，系統(tǒng)的綜合目標值最高。

在本算例特定的氣象資源、設備特性等條件下，微網(wǎng)系統(tǒng)配置5臺500kW的柴油發(fā)電機，系統(tǒng)的經(jīng)濟性能最佳，系統(tǒng)污染物排放最少，設備利用率更高，系統(tǒng)的供電可靠性也較佳。

5 結論

本文圍繞孤島微網(wǎng)系統(tǒng)進行柴油發(fā)電機設備的定容選型為目標，提出了綜合考慮微網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟性、可靠性時柴發(fā)設備的優(yōu)化配置方法。經(jīng)過案例分析驗證，運用本文所述方法進行配置，系統(tǒng)中柴發(fā)運行較為經(jīng)濟，對環(huán)境的污染較小，柴發(fā)的使用效率高、壽命長，對電能消納能力強。

使用此設計方法配置的柴發(fā)滿足經(jīng)濟、高效、可靠運行的要求，孤島微網(wǎng)達到“節(jié)能減排”的目的。同時還可實現(xiàn)如下功能:

(1)微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟性最優(yōu)的目標得到滿足。

(2)使用此方法確定的柴發(fā)單臺類型，能夠滿足高效運行的要求，降低燃油消耗，減少污染物排放，有助于海島環(huán)境保護。

(3)避免柴發(fā)運行在低效率范圍內(nèi)，且降低柴發(fā)的啟停次數(shù)，有效避免對柴發(fā)的不利影響，提高了柴發(fā)的使用壽命。

(4)降低微網(wǎng)系統(tǒng)的棄能量，提高能量利用率。

隨著國內(nèi)外對微網(wǎng)系統(tǒng)研究的增多，世界各地將加大對微網(wǎng)的利用，合理優(yōu)化微網(wǎng)中柴發(fā)的容量和型號對減少成本的消耗、降低污染物的排放起到重要作用。此研究方法為微網(wǎng)中柴發(fā)的選型、定容提供依據(jù)，在后續(xù)研究中，可從并網(wǎng)的角度豐富優(yōu)化目標，完善優(yōu)化方法，建立完善的微網(wǎng)柴發(fā)配置優(yōu)化體系。

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Analysis on optimization allocation of diesel for island microgrid

CHEN Rou-yi1，DONG Xu-zhu1，HUANG Shao-yuan1，LI Deng-wu2，CHEN Miao2
(1．Electric Power Research Institute，CSG，Guangzhou 510080，China; 2．Tianjin Tianda Qiushi Electric Power High Technology Co．Ltd．，Tianjin 300384，China)

Microgrid is an efficient approach for taking advantage of renewable energy resources which can to a certain extent ensure reliability of the important load isolated from the power supply in island or remote area．How to choose the model and confirm the capacity of the diesel generator as a primary energy support in an islanded microgrid has a direct impact on the reliability of power supply and on the economic performance of the system．Based on an island microgrid system as an example，this paper puts forward a method to optimize the performance of diesel generator．Simulation results show that the integrative performance using the optimizing configuration proposed is excellent while taking the microgrid economic performance，the proportion of the renewable energy resources，pollutant-emission and the diesel generator life into considering．

island microgrid;diesel generator;optimization allocation;energy saving and emission reduction

TM715;TM611

A

1003-3076(2014)10-0058-06

2013-03-06

國家高技術研究發(fā)展計劃“863”項目(2011AA05A114)

陳柔伊(1981-)，女，廣西籍，工程師，博士，研究方向為智能電網(wǎng)與電動汽車;董旭柱(1970-)，男，陜西籍，高級工程師，博士，研發(fā)方向為智能電網(wǎng)。