計(jì)及微網(wǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)的并網(wǎng)運(yùn)行控制策略

竇鵬沖，李鵬

（新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)），河北 保定 071003）

眾所周知，在追求低碳社會(huì)的今天，清潔高效的可再生能源發(fā)電越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視[1]。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的提出和分布式發(fā)電滲透率的提高，微網(wǎng)成為了解決新能源并網(wǎng)發(fā)電難題的有效途徑[2]。國(guó)家發(fā)改委啟動(dòng)了30個(gè)微網(wǎng)示范工程建設(shè)的目標(biāo)，國(guó)家電網(wǎng)公司也制定了分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電的政策，為微網(wǎng)的發(fā)展提出了新的要求，也帶來(lái)了供電和用戶等方面的新問(wèn)題。微網(wǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)作為電力市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中的熱點(diǎn)問(wèn)題，受到了高度關(guān)注。微網(wǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)的制定將改變供用電模式，提高能源效率，降低客戶成本，減少溫室氣體排放，在創(chuàng)造電網(wǎng)價(jià)值最大化方面發(fā)揮重要作用[3]。

微網(wǎng)的運(yùn)行方式分為并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行2種。當(dāng)微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)運(yùn)行控制策略的不同，既可以把微網(wǎng)當(dāng)做負(fù)荷從大電網(wǎng)中接收功率，也可以把微網(wǎng)當(dāng)做電源向大電網(wǎng)輸送功率。在微網(wǎng)與大電網(wǎng)進(jìn)行功率交換時(shí)，為了更好地發(fā)揮微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益，可以將微網(wǎng)當(dāng)作一個(gè)整體，對(duì)微網(wǎng)的實(shí)時(shí)電價(jià)進(jìn)行分析，并與傳統(tǒng)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)電價(jià)進(jìn)行比較，給出微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的控制策略[4-6]。

1 微網(wǎng)中微電源的數(shù)學(xué)模型

微網(wǎng)中含有多種類(lèi)型的微電源，如：光伏電池（PV）、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（WG）、蓄電池（BAT）、微型燃?xì)廨啓C(jī)（MTG）、燃料電池（FC）、柴油發(fā)電機(jī)（DEG）等。其中，光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電不可控，相應(yīng)的儲(chǔ)能設(shè)備存在輸出功率波動(dòng)和機(jī)組故障停運(yùn)等不確定因素。光伏發(fā)電實(shí)行階梯電價(jià)并制定扶持政策，風(fēng)力發(fā)電實(shí)行投標(biāo)制度并鼓勵(lì)競(jìng)爭(zhēng)[7]。鑒于此，重點(diǎn)對(duì)MTG、DEG和FC進(jìn)行分析。

1.1 微型燃?xì)廨啓C(jī)

微型燃?xì)廨啓C(jī)的燃料成本與自身的工作效率有關(guān)[1]，表達(dá)式如式（1）所示。

式中，F(xiàn)MTG為微型燃?xì)廨啓C(jī)的燃料成本；C為燃?xì)廨啓C(jī)采用的燃料氣體的單價(jià)，本文取2元/m3；LHV為天然氣的低熱熱值，本文中取9.7 kW·h/m3；PMTG為微型燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率；ηMTG為燃?xì)廨啓C(jī)的效率，其大小與微型燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率的大小有關(guān)，具體表達(dá)式如式（2）所示。

微型燃?xì)廨啓C(jī)的污染物排放成本和運(yùn)行維護(hù)成本如式（3）所示。

式中，F(xiàn)MTG為微型燃?xì)廨啓C(jī)的污染物排放和運(yùn)行維護(hù)總成本；kMTG為微型燃?xì)廨啓C(jī)的污染物排放成本和運(yùn)行維護(hù)成本總的折算系數(shù)，按文獻(xiàn)[8]中，kMTG取0.050 8元/kW；PMTG為微型燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率。

1.2 柴油發(fā)電機(jī)

柴油發(fā)電機(jī)的燃料成本就是它的耗量特性函數(shù)，如式（4）所示。

式中，參數(shù)a、b、c的大小一般由生產(chǎn)廠家給定，本文選取a=6，b=0.012，c=8.5×10-4。

柴油發(fā)電機(jī)的污染物排放成本和運(yùn)行維護(hù)成本可以折算為式（5）。

式中，F(xiàn)DEG為燃料電池的污染物排放和運(yùn)行維護(hù)總成本；kDEG為燃料電池的污染物排放成本和運(yùn)行維護(hù)成本總的折算系數(shù)，按文獻(xiàn)[8]中，kDEG取0.076 4元/kW；PDEG為燃料電池的輸出功率。

1.3 燃料電池

燃料電池是一種把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置，微網(wǎng)中通常使用的是質(zhì)子交換膜燃料電池。當(dāng)燃料電池的負(fù)荷突變時(shí)，燃料電池的電壓和電流需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能建立起來(lái)，而且在新穩(wěn)態(tài)建立的過(guò)程中可能由于溫度、氣壓、濕度等超標(biāo)而影響電池的壽命，因此需要給燃料電池發(fā)電系統(tǒng)配置輔助儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，以彌補(bǔ)燃料電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)上的不足。

燃料電池的燃料成本同樣與其自身的工作效率有關(guān)。表達(dá)式如式（6）所示。

式中，F(xiàn)FC為燃料電池的燃料成本；PFC為燃料電池機(jī)的輸出功率；ηFC為燃料電池的效率，具體表達(dá)式如式（7）所示。

燃料電池的污染物排放成本和運(yùn)行維護(hù)成本可以折算為式（8）。

式中，F(xiàn)FC為燃料電池的污染物排放和運(yùn)行維護(hù)總成本；kFC為燃料電池的污染物排放成本和運(yùn)行維護(hù)成本總的折算系數(shù)，按文獻(xiàn)[8]中，kFC取0.034 7元/kW；PFC為燃料電池的輸出功率。

2 實(shí)時(shí)電價(jià)理論

2.1 實(shí)時(shí)電價(jià)的概念

美國(guó)的F.C.Schweppe教授在1980年提出了實(shí)時(shí)電價(jià)的概念，到20世紀(jì)80年代中后期，正式建立了實(shí)時(shí)電價(jià)理論。實(shí)時(shí)電價(jià)理論是在邊際成本理論的基礎(chǔ)上形成的，將邊際成本理論和電力系統(tǒng)的實(shí)際相結(jié)合，由每時(shí)刻電力系統(tǒng)內(nèi)的供需關(guān)系和各類(lèi)約束條件決定。實(shí)時(shí)電價(jià)反映了電力系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中某一“瞬時(shí)”所需的費(fèi)用，可以使用戶合理安排自己的用電時(shí)段，降低用電費(fèi)用，使發(fā)電企業(yè)降低成本，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的削峰填谷，充分利用電力市場(chǎng)的供需狀況，自動(dòng)反饋調(diào)節(jié)用戶負(fù)荷，通過(guò)經(jīng)濟(jì)利益激勵(lì)用戶合理有效用電[9-12]。

2.2 實(shí)時(shí)電價(jià)的數(shù)學(xué)模型

Schweppe教授建立的實(shí)時(shí)電價(jià)的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（9）所示。

式中，PK（t）為用戶K在t時(shí)刻的實(shí)時(shí)電價(jià)；γ為發(fā)電分量；γF（t）、γM（t）、γQS（t）、γR（t）分別為發(fā)電微增燃料成本、發(fā)電微增維護(hù)成本、發(fā)電供電質(zhì)量成本、發(fā)電收支協(xié)調(diào)；η為輸電分量；ηLK（t）、ηMK（t）、ηQS（t）、ηKH（t）分別為網(wǎng)損微增成本、網(wǎng)絡(luò)微增維護(hù)成本、網(wǎng)絡(luò)供電質(zhì)量成本、網(wǎng)絡(luò)收支協(xié)調(diào)。

實(shí)時(shí)電價(jià)主要是由式（9）的前3部分組成，即：發(fā)電微增燃料成本、發(fā)電微增維護(hù)成本組成和發(fā)電供電質(zhì)量成本。其中發(fā)電供電質(zhì)量成本在系統(tǒng)滿足電能質(zhì)量要求的條件下為零，在不滿足要求時(shí)該項(xiàng)成本迅速增加。在考慮系統(tǒng)污染物排放的情況下，實(shí)時(shí)電價(jià)還應(yīng)包括發(fā)電微增污染物排放成本。因此在本文計(jì)算實(shí)時(shí)電價(jià)時(shí)只考慮系統(tǒng)的發(fā)電微增成本、發(fā)電微增維護(hù)成本和發(fā)電微增污染物排放成本。

2.3 微網(wǎng)的實(shí)時(shí)電價(jià)及計(jì)算方法

微網(wǎng)內(nèi)微電源的種類(lèi)眾多，本文以微型燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池為例。不同種類(lèi)的微電源具有不同的輸出特性，這使得微網(wǎng)的實(shí)時(shí)電價(jià)也與傳統(tǒng)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)電價(jià)不同。

圖1為微電源綜合費(fèi)用（包括燃料成本、運(yùn)行維護(hù)成本、污染物排放成本）與微型燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率、柴油發(fā)電機(jī)輸出功率和燃料電池輸出功率之間的關(guān)系曲線圖。

圖1 微電源綜合費(fèi)用與輸出功率關(guān)系曲線圖Fig. 1 The relationship between the total cost of micro sources and their output powers

傳統(tǒng)火電機(jī)組的運(yùn)行成本對(duì)輸出功率的導(dǎo)數(shù)曲線可以近似為一條直線，而MTG的運(yùn)行成本對(duì)輸出功率的導(dǎo)數(shù)曲線則近似為一條拋物線。DEG的運(yùn)行成本對(duì)輸出功率的導(dǎo)數(shù)曲線與傳統(tǒng)火電機(jī)組類(lèi)似，可近似為一條曲線。FC的運(yùn)行成本對(duì)輸出功率的導(dǎo)數(shù)曲線也可近似為一條直線。微網(wǎng)含有不同種類(lèi)的微電源，不同種類(lèi)的微電源運(yùn)行特性有很大區(qū)別?？梢?jiàn)，MTG的邊際成本隨著輸出功率的增加不是單調(diào)遞增的，而是呈現(xiàn)拋物線的變化規(guī)律；而DEG和FC的邊際成本隨著輸出功率的增加而單調(diào)增加。因此微網(wǎng)內(nèi)某節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)電價(jià)變化規(guī)律和傳統(tǒng)電網(wǎng)有很大不同，不再是隨著負(fù)荷水平的增加而單調(diào)增加，有可能出現(xiàn)隨負(fù)荷水平的增加而減小的情況。

在計(jì)算微網(wǎng)的實(shí)時(shí)電價(jià)過(guò)程中，為簡(jiǎn)單明了地分析問(wèn)題，本文對(duì)實(shí)時(shí)電價(jià)的模型做了必要簡(jiǎn)化，運(yùn)用變尺度混沌優(yōu)化算法求解微網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行問(wèn)題。微網(wǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)簡(jiǎn)化模型：

式中，PK（t）為用戶K在t時(shí)刻的實(shí)時(shí)電價(jià)；γF（t）、γM（t）、γp（t）分別為發(fā)電微增燃料成本、發(fā)電微增維護(hù)成本、發(fā)電微增污染物排放成本。

微網(wǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)的計(jì)算步驟如下所示。

Step1：以微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成本最小為目標(biāo)函數(shù)，考慮各類(lèi)約束條件，采用智能優(yōu)化算法求解微網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行。在本文中微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成本包括燃料費(fèi)用、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用和環(huán)保折算成本，考慮了可控型微電源的啟停控制策略，采用改進(jìn)變尺度混沌優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化。

Step2：計(jì)算當(dāng)微網(wǎng)的負(fù)荷功率變化時(shí)，微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行成本的變化情況。

Step3：按照式（11）計(jì)算微網(wǎng)的實(shí)時(shí)電價(jià)。

Step4：根據(jù)各時(shí)刻微網(wǎng)負(fù)荷功率變化的情況，按照步驟3計(jì)算的結(jié)果，得到不同時(shí)刻微網(wǎng)的實(shí)時(shí)電價(jià)。

3 微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行控制策略

將微網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)交換功率作為優(yōu)化變量參與微網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行，微網(wǎng)可以與主網(wǎng)自由雙向交換功率。首先判斷微電源的容量能否滿足負(fù)荷的需要，當(dāng)微網(wǎng)內(nèi)微電源的輸出功率不能滿足負(fù)荷要求時(shí)，由配電網(wǎng)向微網(wǎng)供電。如果可以滿足要求，則判斷微網(wǎng)的實(shí)時(shí)電價(jià)和配電網(wǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)的大小，如果微網(wǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)小于配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)電價(jià)則微網(wǎng)可以向配電網(wǎng)供電，反之，則不能向配電網(wǎng)供電。并網(wǎng)運(yùn)行策略流程圖如圖2所示。

4 微網(wǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)仿真分析

本章所選取的微網(wǎng)模型如圖3所示，微電源的參數(shù)如表1所示。

圖2 并網(wǎng)運(yùn)行策略流程圖Fig. 2 Grid-connected operation strategy diagram

圖3 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Microgrid structure diagram

表1 微電源的參數(shù)Tab. 1 Parameters of micro sources

微網(wǎng)內(nèi)光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電按照最大功率跟蹤的控制模式，不作為優(yōu)化變量，將其出力等效為具有負(fù)值的負(fù)荷，與微網(wǎng)負(fù)荷合并為廣義負(fù)荷，優(yōu)化變量為燃料電池、微燃機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)這類(lèi)可控微電源的出力。

微網(wǎng)的“廣義負(fù)荷”曲線如圖4所示。

配電網(wǎng)實(shí)行的是分時(shí)段實(shí)時(shí)電價(jià)，如表2所示。

根據(jù)本文中實(shí)時(shí)電價(jià)計(jì)算方法得出一天中微網(wǎng)的實(shí)時(shí)電價(jià)，如圖5所示。

配電網(wǎng)向微網(wǎng)輸送功率為正值，由微網(wǎng)向配電網(wǎng)輸送功率為負(fù)值。微網(wǎng)內(nèi)各微電源輸出功率曲線如圖6所示。

圖4 微網(wǎng)“廣義負(fù)荷”曲線Fig. 4 Generalized load curve of microgrid

表2 配電網(wǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)Tab. 2 Real time price of distribution grid 元

圖5 微網(wǎng)的實(shí)時(shí)電價(jià)Fig. 5 The real-time price of microgrid

圖6 各微電源輸出功率變化曲線Fig. 6 Distributed sources output power curve

將微網(wǎng)的實(shí)時(shí)電價(jià)和配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)電價(jià)相比較得出：

00:00—07:00時(shí)段，微網(wǎng)的此時(shí)實(shí)時(shí)電價(jià)（0.44元）大于配電網(wǎng)的此時(shí)購(gòu)電電價(jià)（0.37元），所以此時(shí)段內(nèi)，配電網(wǎng)應(yīng)該向微網(wǎng)輸送功率。

08:00時(shí)刻，只有FC處于開(kāi)機(jī)狀態(tài)已不能滿足負(fù)荷要求，綜合考慮DEG的開(kāi)機(jī)成本和運(yùn)行成本，DEG開(kāi)機(jī)運(yùn)行的成本大于此時(shí)配電網(wǎng)的購(gòu)電成本，所以此時(shí)DEG仍然處于停機(jī)狀態(tài)，配電網(wǎng)向微網(wǎng)輸送功率。

09:00—10:00時(shí)段，16:00—17:00時(shí)段和23:00時(shí)刻，微網(wǎng)此時(shí)的實(shí)時(shí)電價(jià)（0.68元）約等于配電網(wǎng)此時(shí)的購(gòu)電電價(jià)（0.69元），卻大于配電網(wǎng)此時(shí)的售電電價(jià)（0.58元），所以，微網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)功率可以為0，也可以為正值，但不能為負(fù)值，即微網(wǎng)與配電網(wǎng)之間可以沒(méi)有功率交換，也可以由配電網(wǎng)向微網(wǎng)輸送功率，但不能由微網(wǎng)向配電網(wǎng)輸送功率。

11:00時(shí)刻、13:00—15:00時(shí)段和21：00時(shí)刻，微網(wǎng)此時(shí)的實(shí)時(shí)電價(jià)（0.68元、0.83元）小于此時(shí)配電網(wǎng)的售電電價(jià)（0.95元），所以微網(wǎng)并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)功率為負(fù)值，應(yīng)由微網(wǎng)向配電網(wǎng)輸送功率。

12:00時(shí)刻，F(xiàn)C和DE都已滿發(fā)，MTG處于停機(jī)狀態(tài)，有功率缺額。綜合考慮MTG的開(kāi)機(jī)成本和運(yùn)行成本，MTG開(kāi)機(jī)運(yùn)行的成本大于此時(shí)配電網(wǎng)此時(shí)的購(gòu)電成本，所以微網(wǎng)并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)功率為正值，配電網(wǎng)向微網(wǎng)輸送功率。

18:00時(shí)刻和22:00時(shí)刻，微網(wǎng)的此時(shí)實(shí)時(shí)電價(jià)（0.85元和0.79元）大于配電網(wǎng)此時(shí)的購(gòu)電電價(jià)（0.69元），所以應(yīng)由配電網(wǎng)向微網(wǎng)輸送功率。

19:00—20:00時(shí)段，F(xiàn)C、DEG和MTG都已經(jīng)到達(dá)額定功率，但不能滿足負(fù)荷的需要，所以配電網(wǎng)向微網(wǎng)輸送功率。

5 結(jié)論

本文將實(shí)時(shí)電價(jià)理論和微網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，首先介紹了實(shí)時(shí)電價(jià)理論的概念和數(shù)學(xué)模型，然后指出了微網(wǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)與傳統(tǒng)電網(wǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)的區(qū)別，給出了微網(wǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)的計(jì)算方法，通過(guò)微網(wǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)制定并網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行控制策略，既可以充分發(fā)揮微網(wǎng)“削峰填谷”的作用，又可降低微網(wǎng)的運(yùn)行費(fèi)用。

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