微電網(wǎng)自發(fā)自用運行的經(jīng)濟性分析

趙賀，王坤，井天軍

(1. 國網(wǎng)北京市電力公司電力科學研究院，北京市 100075；2.中國農(nóng)業(yè)大學信息與電氣工程學院，北京市100083)

微電網(wǎng)自發(fā)自用運行的經(jīng)濟性分析

趙賀1，王坤2，井天軍2

(1. 國網(wǎng)北京市電力公司電力科學研究院，北京市 100075；2.中國農(nóng)業(yè)大學信息與電氣工程學院，北京市100083)

微電網(wǎng)運行經(jīng)濟性是制約其商業(yè)化運營的主要因素，通過對其進行有效評價以獲取降低成本的方法將成為解決這一問題的有效途徑。通過對微電網(wǎng)運行成本進行分析，以微電網(wǎng)經(jīng)濟運行為基礎(chǔ)，兼顧電網(wǎng)備用成本，提出了針對不同容量的微電網(wǎng)運行經(jīng)濟性評價指標?；谒嵩u價指標，對儲能容量、儲能價格、電價及能量管理策略等因素影響微電網(wǎng)經(jīng)濟性運行的作用進行了評價，最后結(jié)合示范工程運行數(shù)據(jù)，以實例驗證了所提評價方法的有效性。

微電網(wǎng)；經(jīng)濟分析；自發(fā)自用；分時電價；能量管理；交換功率成本

0 引 言

微電網(wǎng)的建立為用戶帶來多方面的效益，其中經(jīng)濟效益是設(shè)計與建設(shè)微電網(wǎng)并將其應(yīng)用于實際中的最主要原因，也是微電網(wǎng)在電力系統(tǒng)中得以推廣的關(guān)鍵所在。而微電網(wǎng)的經(jīng)濟運行優(yōu)化是在滿足負荷需求的同時實現(xiàn)綜合成本的最優(yōu)化，是微電網(wǎng)經(jīng)濟效益得以體現(xiàn)的關(guān)鍵[1-3]。微電網(wǎng)具有安全可靠，節(jié)能環(huán)保等大電網(wǎng)不具備的優(yōu)勢,能夠很好地適應(yīng)電力市場發(fā)展需要[4-5]。微電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性是微電網(wǎng)商業(yè)化運營的主要障礙，而微電網(wǎng)運行經(jīng)濟性的提高又是涉及到政策、技術(shù)、用戶使用水平及市場預期等多方面因素，其較為關(guān)鍵的是從技術(shù)上實現(xiàn)標準化的評價與優(yōu)化[6]。

要實現(xiàn)對各個微源的科學管理首先需要對各微源的出力、經(jīng)濟和環(huán)境模型進行精確的描述。這種優(yōu)化問題實際上是離散的、多變量和多約束的非線性組合優(yōu)化問題，因此需要通過智能優(yōu)化算法確定最小的發(fā)電成本、用戶停電損失費用與環(huán)境成本。

目前已有的微電網(wǎng)經(jīng)濟運行的研究主要是對發(fā)電儲能與冷熱電三聯(lián)供的“發(fā)用儲”計劃優(yōu)化[7]，如將發(fā)電機組的優(yōu)化組合、儲能單元的智能管理以及節(jié)能環(huán)保調(diào)度等問題綜合為統(tǒng)一的優(yōu)化；改進粒子群算法對微網(wǎng)系統(tǒng)進行經(jīng)濟運行優(yōu)化的方法[8]；采用改進粒子群算法對微網(wǎng)系統(tǒng)進行經(jīng)濟運行優(yōu)化的方法[9]；計及環(huán)保因素的改進遺傳算法微網(wǎng)孤網(wǎng)三聯(lián)供系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度[10-11]；風儲聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度[12]；通過模糊控制對蓄電池進行充放電的控制策略[13]；微電網(wǎng)的最優(yōu)機組組合方式和最佳電能交易計劃[14-16]；以鈉硫電池為儲能研究對象的微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟運行優(yōu)化模型[17]。

目前，上述提高微電網(wǎng)運行經(jīng)濟性的方法對微電網(wǎng)運行進行了大量的優(yōu)化，但實際運行效益缺乏有效的綜合評價方法。評價方法的有效性與微電網(wǎng)運行模式、分布式電源上網(wǎng)電價、投資者目標、政府補貼機制等因素相關(guān)。本文通過對微電網(wǎng)運行成本進行分析，以微電網(wǎng)經(jīng)濟運行為基礎(chǔ)，兼顧了電網(wǎng)備用成本，形成了針對不同容量的微電網(wǎng)運行經(jīng)濟性評價指標。基于文中提出的評價指標，評價分析了儲能容量、儲能價格、電價及能量管理策略等因素對微電網(wǎng)運行經(jīng)濟性運行的作用。

1 微電網(wǎng)運行的成本分析

1.1 光伏設(shè)備成本

光伏設(shè)備成本包括并網(wǎng)逆變器成本(Cinv)、光伏組件成本(Cmod)、光伏支架成本(Cbra)及接入微電網(wǎng)的電氣控制設(shè)備成本(Ccons)，產(chǎn)品壽命K年，安裝施工成本包含在設(shè)備中，計算時不計組件清掃維護等費用。

北京地區(qū)年發(fā)電量Wanu可由homer軟件估算得到。

光伏發(fā)電度電成本Cpv可由式(1)計算：

Cpv=(Cinvp+Cmod+Cbra+Ccons)/K/Wanu

(1)

1.2 微型燃氣輪機發(fā)電成本

微型燃氣輪機設(shè)備成本包括微型燃氣發(fā)電的整流逆變器成本(CinvT)、發(fā)電機組成本(CG)及接入微電網(wǎng)的電氣控制設(shè)備成本(CconsT)，產(chǎn)品壽命K1年，安裝施工成本包含在設(shè)備中，年維護等費用為CanuT，燃料成本為每度電M元，發(fā)電機組年可用率為α。

微型燃氣發(fā)電度電成本CT可由式(2)計算：

CT=[(CinvT+CG+CconT)/K1+CanuT]/(8 760α)

(2)

1.3 儲能供電成本

微電網(wǎng)儲能度電成本CST的計算如式(3)所示：

CST=[CBAT/UBAhN+CinvB(8 760K2α2)]/η

(3)

CBAT為儲能電池成本，UB為直流母線電壓，Ah為電池安時數(shù)，N為循環(huán)次數(shù)，CinvB為逆變器成本，K2為逆變器壽命，α2為儲能系統(tǒng)的年可用率，η為充放電效率。

1.4 微電網(wǎng)用戶負荷的分時電價

分時電價可分為居民、商業(yè)、工業(yè)3種用戶類型。根據(jù)國家發(fā)展與改革委員會關(guān)于華北電網(wǎng)實施煤電價格聯(lián)動有關(guān)問題的通知(發(fā)改價格[2005]668號)、北京市發(fā)改委《關(guān)于調(diào)整北京市夏季尖峰電價時段的通知》(京發(fā)改[2011]1060號)和北京市發(fā)改委《關(guān)于居民分戶電采暖電價問題的通知》(京發(fā)改[2006]2039號)等有關(guān)文件規(guī)定，北京市春秋冬季、夏季峰谷時段劃分以及電價情況如表1、表2所示。

工商業(yè)峰谷時段劃分為：峰段8 h(10：00～15:00；18:00～21:00)；平段8 h(7:00～10:00；15:00～18:00；21:00～23:00)；谷段8 h(23:00～7:00)；夏季尖峰時段：7、8月11:00～13:00和16:00～17:00。

表1北京地區(qū)季節(jié)性(春、秋、冬季)峰谷分時銷售電價表

Tab.1Sellingpriceinspring,autumnandwinterinBeijing元/(kW·h)

表2北京地區(qū)夏季峰谷分時銷售電價表

Tab.2SellingpriceinsummerinBeijing元/(kW·h)

居民分戶電采暖用戶峰谷時段劃分為：每年采暖季低谷時段(22:00～6:00)；高峰時段(6:00～22:00)。

每年11月1日至3月31日采暖季低谷時段電價0.30元/(kW·h)，高峰時段電價0.4883 元/(kW·h)。

2 微電網(wǎng)運行經(jīng)濟性評價指標

在微電網(wǎng)單相運行中，交換功率的峰谷差越大說明微電網(wǎng)運行越不經(jīng)濟，微電網(wǎng)應(yīng)增加功率型儲能設(shè)備，或使用軟起動器以降低功率波動，避免電網(wǎng)因瞬時大功率負荷增加系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用而造成的經(jīng)濟損失。

在微電網(wǎng)三相運行中，微電網(wǎng)交換功率方差δ越大說明發(fā)電與負荷波動越頻繁，應(yīng)改進能量管理系統(tǒng)策略，增加微電網(wǎng)儲能容量，容量值可參考δ的平方根值。

綜合考慮影響微網(wǎng)與配網(wǎng)交換功率因素，結(jié)合上述原因，微網(wǎng)運行評價采用如下3個指標，用以判斷微電網(wǎng)并網(wǎng)交換功率的波動特性。

指標1：微電網(wǎng)交換功率的峰谷差ΔPmax=Pmax-Pmin

指標2：微電網(wǎng)購電電量與饋電電量；

指標3：微電網(wǎng)交換功率方差：

σ=∑(Pusri-1/n∑Pusri)2

(4)

式中：n為采樣時間點數(shù)；Pusri為第i時刻的購電功率。

3 微電網(wǎng)運行最小成本模型

3.1 經(jīng)濟運行原則

由于微電網(wǎng)在孤島模式下主要考慮其運行的穩(wěn)定性并保證重要負荷供電，暫時不考慮其運行的經(jīng)濟性，因此本文考慮自發(fā)自用模式微電網(wǎng)經(jīng)濟運行方案是在微網(wǎng)并網(wǎng)運行前提下進行的。

考慮生產(chǎn)成本及環(huán)境因素，對含分布式電源的自發(fā)自用模式微電網(wǎng)調(diào)度優(yōu)先利用清潔能源，即光伏發(fā)電組件常工作于最大功率點追蹤模式，其輸出功率受自然條件影響，一定程度上不遵循調(diào)度。熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)因能源利用率等原因，多運行于“以熱定電”方式，其電力輸出功率根據(jù)預先制定的供熱/供冷計劃確定，不遵循調(diào)度。因此，為提高自發(fā)自用模式微電網(wǎng)運行經(jīng)濟性，可在光伏發(fā)電和熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)運行方式確定的情況下，通過制定蓄電池的合理運行方式，優(yōu)化各時段微電網(wǎng)與主網(wǎng)之間的功率交換量，合理利用時段電價差異和經(jīng)濟運行評價指標，降低微電網(wǎng)運行成本。

綜上所述，以光伏和三聯(lián)供為微電源的微電網(wǎng)并網(wǎng)運行的經(jīng)濟調(diào)度基本原則如下：(1)優(yōu)先利用光伏電池組的出力，跟蹤控制最大功率；(2)三聯(lián)供機組根據(jù)冷熱負荷確定微型燃氣輪機出力；(3)微電網(wǎng)與主網(wǎng)可進行自由功率交換，根據(jù)經(jīng)濟性分析確定儲能出力。

3.2 綜合運行成本

考慮到微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時必須要保證所有負荷的正常運行，其用電量不可控制，故其經(jīng)濟運行問題可轉(zhuǎn)化為最小運行成本問題。本文將微電網(wǎng)經(jīng)濟運行成本劃分為以下4個部分。

3.2.1 微電源綜合運行成本。

微電源不接受調(diào)度，且度電成本不隨時間變化，其運行成本恒定，如式(5)所示：

(5)

式中：CMG為微電源綜合運行成本；PPV(i)為i時段光伏電池組發(fā)電功率；PMT(i)為i時段三聯(lián)供機組發(fā)電功率；SPV為光伏電池組的度電成本；SMT為三聯(lián)供發(fā)電部分的綜合度電成本；Δt為i時段的時長。

3.2.2 儲能綜合運行成本

儲能作為微電網(wǎng)經(jīng)濟運行的核心，其充放電功率的大小決定了微電網(wǎng)運行狀態(tài)。本文對蓄電池的運行成本計算時，將綜合成本折算到放電的度電成本，運行成本計算如式(6)所示：

(6)

式中：CBAT為儲能綜合運行成本；PBAT(i)為i時段儲能的放電功率；SBAT為儲能放電的度電成本。

3.2.3 電網(wǎng)功率交換成本。

微電源和儲能供給負載出現(xiàn)發(fā)電不足或發(fā)電有余情況，要向電網(wǎng)購售電。實時電價根據(jù)電網(wǎng)電價政策給定。電網(wǎng)功率交換成本計算如式(7)所示：

(7)

式中：Cnet為電網(wǎng)功率交換成本；Pnet(i)為i時段與電網(wǎng)交換功率；Sbuy為實時購電價格；Ssell為實時售電價格。

3.2.4 交換功率懲罰成本

參考微電網(wǎng)經(jīng)濟性運行評價指標，為減緩微電網(wǎng)過度交換功率對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，均攤配電網(wǎng)旋轉(zhuǎn)備用配置費用，對微電網(wǎng)和配電網(wǎng)交換功率進行統(tǒng)計分析。對統(tǒng)計量設(shè)置懲罰因子，計入微電網(wǎng)經(jīng)濟運行成本之中。其交換功率懲罰成本計算如式(8)所示：

(8)

式中：Cpu為交換功率懲罰成本；ε1,ε2,ε3為相應(yīng)的懲罰因子。

3.3 不同場景下的目標函數(shù)

由于微電網(wǎng)中微電源出力基本不接受調(diào)度，微電網(wǎng)以控制儲能出力的方式實現(xiàn)其經(jīng)濟運行。根據(jù)實時電價，通過控制儲能充放電，優(yōu)化不同時刻微電網(wǎng)與主網(wǎng)功率流動方向和功率交換量，進而減小微電網(wǎng)綜合運行成本。

考慮到未來儲能價格下降以及微網(wǎng)經(jīng)濟運行評價指標，可以從以下2個方面對儲能的出力進行研究，比較分析儲能價格水平下降和微網(wǎng)經(jīng)濟運行評價指標對自發(fā)自用模式微電網(wǎng)經(jīng)濟運行方式的影響。

(1)儲能作為備用電源，維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行。當前儲能價格水平下，儲能度電成本過高，不能以調(diào)控儲能運行方式降低微電網(wǎng)運行成本，只有在微電網(wǎng)孤島時其出力才保證重要負荷運行。此狀態(tài)下，由微電源出力供給負荷，發(fā)電不足時向電網(wǎng)購電，發(fā)電有余時向電網(wǎng)售電，系統(tǒng)不存在優(yōu)化調(diào)度。其運行成本如式(9)所示：

C1=CMG+Cnet+Cpu

(9)

(2)儲能參與能量交換，充分利用階梯電價降低微電網(wǎng)運行成本。當儲能價格下降到一定水平，可利用儲能控制不同時段與電網(wǎng)的功率交換量，在電價峰時段向電網(wǎng)售電，在電價谷時段從電網(wǎng)購電。其運行成本如式(10)所示：

minC2=CMG+CBAT+Cnet+Cpu

(10)

3.4 約束條件

若忽略網(wǎng)損及電力電子器件能量損耗，微電網(wǎng)在運行期間需滿足下列約束條件：功率平衡約束、蓄電池容量約束和儲能出力限值約束。

(1)功率平衡約束為：

PPV+PMT-Pnet-PBAT=Pload

(11)

(2)儲能容量約束為：

(12)

式中：Qmax為儲能最大容量；Qmin為儲能調(diào)度容量下限；Qini為儲能初始容量。

(3)儲能出力限值約束為：

PBATg_max≤PBAT≤PBATc_max

(13)

式中：PBATc_max為儲能最大充電功率；PBATg_max為儲能最大放電功率，其值設(shè)定為負；PBAT為儲能實時充放電功率。

4 算例分析

本文選用北京左安門公寓微電網(wǎng)進行分析，微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、機組容量及儲能容量等如圖1所示。左安門公寓微電網(wǎng)含有光伏發(fā)電單元、冷熱電聯(lián)供微型燃氣輪機、鉛酸蓄電池以及公寓內(nèi)負荷。光伏發(fā)電單元額定功率為40 kW，微型燃氣輪機發(fā)電部分額定功率為27 kW，蓄電池容量為100 kW·h。儲能調(diào)度容量下限設(shè)定為蓄電池總?cè)萘康?0%，即40 kW·h。儲能最大充放電功率分別為10 kW和100 kW。該微網(wǎng)為三相系統(tǒng)，交換功率懲罰因子選取微網(wǎng)與配網(wǎng)間能量交換總量和交換功率方差。

選取的左安門微電網(wǎng)典型日發(fā)電與負荷數(shù)據(jù)如圖2所示，采用Matlab編制程序?qū)η笆瞿Ｐ瓦M行非線性規(guī)劃，得出儲能最優(yōu)運行方式。

圖1 左安門微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與容量配置

圖2 典型日發(fā)電與負荷數(shù)據(jù)

為了更好地分析儲能價格水平下降和微網(wǎng)經(jīng)濟運行評價指標對微電網(wǎng)運行經(jīng)濟性的影響，本文分別從儲能參與能量調(diào)度和懲罰因子，對儲能能量調(diào)度的影響2個方面，對微電網(wǎng)運行成本進行計算，分析不同約束下的儲能運行方式以及微網(wǎng)與配網(wǎng)間的能量交換。

(1)儲能參與能量調(diào)度的微網(wǎng)經(jīng)濟運行方式。

微電網(wǎng)參與能量調(diào)度后，考慮到分時電價，在電價峰時段向電網(wǎng)售電，在電價谷時段，從電網(wǎng)購電，以實現(xiàn)微電網(wǎng)的經(jīng)濟運行。根據(jù)優(yōu)化計算，得出分時電價下儲能運行方式以及電網(wǎng)交換功率如圖3所示。由圖3可以看出，當在電價谷時段，即23:00～7:00，蓄電池持續(xù)充電，在發(fā)電有余時，盡量少向配電網(wǎng)售電；在電價峰時段，即10:00～15:00和18:00～21:00，蓄電池快速放電，向配電網(wǎng)售電，實現(xiàn)微電網(wǎng)盈利。受蓄電池充電能力以及蓄電池容量影響，其0:00～7:00緩慢充電，15:00～18:00和21:00～24:00以最大放電速度放電。

(2)計及懲罰成本時，儲能參與能量調(diào)度的微電網(wǎng)運行方式。

圖3 儲能參與調(diào)度時，微電網(wǎng)經(jīng)濟運行方式

計及懲罰成本后，微電網(wǎng)不能按照自身最經(jīng)濟的運行方式運行，其需要考慮無節(jié)制地與電網(wǎng)交換功率給電網(wǎng)帶來的危害，并接受電網(wǎng)對其的經(jīng)濟懲罰。本文懲罰因子分別為ε1=ε2=ε3=0；ε1=0，ε2=0.02，ε3=0.5；ε1=0，ε2=0.2，ε3=5 這3種情況，分析懲罰力度變化對最小運行成本下微網(wǎng)與配網(wǎng)功率交換的影響。懲罰因子越大，懲罰力度越大。優(yōu)化結(jié)果如圖4所示。

圖4 計及懲罰成本后微網(wǎng)與配網(wǎng)功率交換情況

可以看出，隨著懲罰力度的增大，微網(wǎng)與配網(wǎng)間的交換功率越來越小。在微電網(wǎng)保存最大功率發(fā)電的情況下，要滿足負荷的需求，必須加大儲能的充放電頻率及充放電深度，間接地加大了儲能的投資。因此，在未來電網(wǎng)對微電網(wǎng)管理完善之后，儲能成本的降低對于微電網(wǎng)的經(jīng)濟運行更加重要。

5 結(jié) 論

(1)本文從微電網(wǎng)經(jīng)濟運行出發(fā)兼顧配電網(wǎng)效益，提出了微電網(wǎng)運行經(jīng)濟性評價指標，該指標能夠反映出微電網(wǎng)整體運行的經(jīng)濟性。

(2)提出了基于最小運行成本的微電網(wǎng)經(jīng)濟運行方法，并利用該方法建立微電網(wǎng)經(jīng)濟運行模型，該方法考慮微電網(wǎng)的建設(shè)成本和微電源的使用壽命，更符合實際微電網(wǎng)運行狀況。

(3)采用了非線性規(guī)劃方法，對不同狀態(tài)下的微電網(wǎng)經(jīng)濟運行方式進行求解。分析了儲能參與能量調(diào)度后微電網(wǎng)運行方式和懲罰成本變化時微電網(wǎng)經(jīng)濟運行方式的變化。

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(編輯： 張媛媛)

EconomicAnalysisofMicro-GridinEnergySelf-BalanceMode

ZHAO He1, WANG Kun2, JING Tianjun2

(1. Beijing Electrical Power Research Institute, Beijing 100075, China;2.College of Information and Electrical Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

The operation economy of micro grid is the main obstacle of its commercial operation. An effective way to solve this problem is the evaluation and the cost reduction from the evaluation. Through the analysis on the operating cost of micro grid, this paper proposed the evaluation index of operation economy for the micro grids with different generating capacities, with considering the standby cost of grid, based on the economic operation of micro grid. On the basis of this evaluation index, the influence of energy storage capacity and price, electricity price and energy management strategy on the operation economy of micro grid was studied. Finally, the operation data from demonstration project was used to validate the effectiveness of evaluation method.

micro grid; economic analysis; energy self-balance mode; time of use power price; energy management; cost of exchange power

國網(wǎng)北京市電力公司科技項目(52020113026M)。

TM 731；TM 910

： A

： 1000-7229(2014)05-0113-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.05.020

2013-11-02

：2013-12-16

趙賀(1985)，女，工學碩士，工程師，主要從事微電網(wǎng)運行控制、電能質(zhì)量及配電自動化的研究工作，E-mail：zhaohea@bj.sgcc.com；

王坤(1988)，男，碩士研究生，主要從事微電網(wǎng)運行控制的研究工作，E-mail：wk_cau@163.com；

井天軍(1980)，男，工學博士，講師，主要從事微電網(wǎng)運行控制、新能源發(fā)電控制的研究工作，E-mail：jtjy11@cau.edu.cn。