微網(wǎng)低碳減排經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析

石琪　付立思

摘要：為滿足大面積牧場(chǎng)獨(dú)立微網(wǎng)低碳減排的需要，從經(jīng)濟(jì)性和低碳性方面分析運(yùn)行效益形成機(jī)理，綜合考慮風(fēng)電、光伏時(shí)間利用特性，儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命及轉(zhuǎn)換特性，以及環(huán)境折舊成本的經(jīng)濟(jì)特性，提出風(fēng)、光、柴、儲(chǔ)的合理調(diào)度策略，在滿足環(huán)境效益的同時(shí)實(shí)現(xiàn)綜合成本最小化。采用遺傳算法算例分析，對(duì)比分析四季典型日系統(tǒng)電力平衡情況和系統(tǒng)成本曲線，證明系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可行性。

關(guān)鍵詞：微網(wǎng)；孤島運(yùn)行；儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換特性；經(jīng)濟(jì)性；環(huán)境效益；調(diào)度策略

中圖分類號(hào)：7341 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2015）03-0043-04

隨著化石能源的枯竭、減排呼聲的日益增長(zhǎng)以及用戶對(duì)供電可靠性需求的提高，分布式發(fā)電正成為許多國(guó)家、地區(qū)及特殊環(huán)境下的重要發(fā)展方向之一。為充分發(fā)揮可再生能源發(fā)電等分布式能源系統(tǒng)的效益，微網(wǎng)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，向用戶提供電能。風(fēng)機(jī)、光伏等可再生能源發(fā)電具有間歇性、隨機(jī)性和不確定性，給微網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行帶來了越來越多的挑戰(zhàn)。儲(chǔ)能系統(tǒng)憑借其可充可放的特性，能有效克服可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性，確保偏遠(yuǎn)地區(qū)及大牧場(chǎng)的獨(dú)立微網(wǎng)發(fā)電順利進(jìn)行。

有效的利用可再生能源，使微網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，成為近年來微網(wǎng)研究的關(guān)鍵核心問題。有些文獻(xiàn)利用隨機(jī)概率模型分析光伏、風(fēng)力發(fā)電，并用模擬法分析能源的經(jīng)濟(jì)成本和效益，沒有利用輸出功率等條件優(yōu)化成本。在些文獻(xiàn)基于經(jīng)濟(jì)性考慮，并未考慮環(huán)境性的成本，在單目標(biāo)下進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化。有的文獻(xiàn)從輸電性分析電網(wǎng)的低碳效益，運(yùn)用低碳模型分析電力技術(shù)新理念。還有的文獻(xiàn)提出延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，但通過轉(zhuǎn)換蓄電池使用次數(shù)來延長(zhǎng)使用壽命的研究較少。為滿足面積遼闊的牧場(chǎng)自主發(fā)電需求，利用蓄電池的有效循環(huán)，減少柴油發(fā)電機(jī)的利用率，減輕對(duì)環(huán)境的污染，為牧場(chǎng)使用獨(dú)立微網(wǎng)系統(tǒng)提供技術(shù)支持。

風(fēng)、光、柴、蓄是典型的獨(dú)立微網(wǎng)系統(tǒng)，柴油發(fā)電機(jī)與蓄電池儲(chǔ)能特性相互結(jié)合具有3個(gè)作用：1） 考慮低碳減排效益，當(dāng)可再生能源無法滿足負(fù)荷需求時(shí)，利用柴油發(fā)電排放的氣體破壞環(huán)境，使蓄電池的放電特性發(fā)揮重要作用。2） 柴油機(jī)作為補(bǔ)充電源，考慮負(fù)荷需求、綜合成本及蓄電池利用率，經(jīng)濟(jì)調(diào)度柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池組的出力。3） 在減少成本、考慮經(jīng)濟(jì)性的前提下，利用柴油發(fā)電機(jī)作為蓄電池的補(bǔ)充電源，提供穩(wěn)定充電功率，保證充電時(shí)間，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。典型獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示。

1 微網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃建設(shè)

1.1 光伏電池出力模型

式中：GAC為光照強(qiáng)度；PSTC為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件（太陽光入射強(qiáng)度為1 000 W/m2，環(huán)境溫度為25 ℃，相對(duì)大氣光學(xué)質(zhì)量為AM1.5）下的最大測(cè)試功率；GSTC為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的光照強(qiáng)度，其值取1 000 W/m2；K為功率溫度系數(shù)；Tc為電池板工作溫度； Tr為參考溫度。

1.2 風(fēng)機(jī)出力模型

式中：N為放電深度為D時(shí)的等效循環(huán)次數(shù)；k1，k2，k3，k4，k5為相關(guān)系數(shù)。蓄電池的損耗不僅與放電深度相關(guān)，還與充電過程有關(guān)。

2 優(yōu)化模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

偏遠(yuǎn)牧場(chǎng)獨(dú)立供電微網(wǎng)系統(tǒng)由風(fēng)電機(jī)組、光伏電池系統(tǒng)、鉛酸蓄電池儲(chǔ)能及柴油發(fā)電機(jī)組成，在滿足無風(fēng)無光的極端情況下，提出2個(gè)假設(shè)：微電網(wǎng)系統(tǒng)中蓄電池功率能夠滿足最大負(fù)荷功率需求；柴油發(fā)電機(jī)功率能夠滿足最大負(fù)荷以及電池充電需求。

微網(wǎng)系統(tǒng)成本包括設(shè)備損耗費(fèi)用、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用、燃料費(fèi)用和環(huán)境折算費(fèi)用。在滿足系統(tǒng)供電可靠性的前提下，應(yīng)達(dá)到綜合成本最小及效益最大。

式中：Closs1和Com2分別為柴油發(fā)電機(jī)自身損耗成本及運(yùn)行維護(hù)成本；Cfuel為燃料費(fèi)用；Cn1為柴油發(fā)電機(jī)污染懲罰；EDE為柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電量；Cn2為單位電量污染懲罰，柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電會(huì)產(chǎn)生NOx，SOx，COx等有害氣體，有一定的污染懲罰。

2.1.3 環(huán)境效益成本 風(fēng)力、光伏的發(fā)電形式具有環(huán)境價(jià)值，大大減少環(huán)境污染物排放的同時(shí)充分利用環(huán)境資源。工程的環(huán)境效益是指減排單位量污染物所避免的“污染損失”。污染所導(dǎo)致的損失包括兩個(gè)方面：一是環(huán)境損失，包括過分消耗自然資源所引起的生態(tài)環(huán)境破壞和污染所引起的環(huán)境質(zhì)量下降；二是環(huán)境污染所引起的非環(huán)境方面損失，如大氣污染引起的農(nóng)業(yè)損失、有害物質(zhì)引起的人體健康損害等。

式中：CSB，TZ為蓄電池的投資成本；CSB，YX為蓄電池的運(yùn)行維護(hù)成本；nSB為蓄電池的使用年限；KSB，TZ為蓄電池的單位容量的投資成本；SSB為蓄電池的總?cè)萘浚籏SB，YX為微蓄電池單位容量一年的運(yùn)行維護(hù)成本。

式（18）表示蓄電池成本主要與其容量相關(guān)，而與其出力基本無關(guān)。

3 算例分析

根據(jù)獨(dú)立微網(wǎng)運(yùn)行下的數(shù)學(xué)模型和經(jīng)濟(jì)原則，利用遺傳算法得出不同季節(jié)典型日發(fā)電單元的輸出功率，并確定微網(wǎng)系統(tǒng)最佳日運(yùn)行計(jì)劃和最優(yōu)低碳經(jīng)濟(jì)成本。

蓄電池放電；圖4中同樣有兩個(gè)充電時(shí)間點(diǎn)和兩個(gè)放電時(shí)間點(diǎn)，結(jié)合系統(tǒng)電力平衡情況和典型日系統(tǒng)成本可以看出，微網(wǎng)中蓄電池的充分利用有效的減少柴油利用率，降低系統(tǒng)成本。

4 結(jié)論

以電源成本、蓄電池壽命成本及污染物的排放量為優(yōu)化目標(biāo)，利用儲(chǔ)能系統(tǒng)與柴油機(jī)在獨(dú)立微網(wǎng)系統(tǒng)中作用補(bǔ)充電源，保證不同時(shí)段的供電可靠性，減少綜合成本。蓄電池具有使用壽命，因此有效的轉(zhuǎn)換利用可以控制蓄電池成本，與柴油機(jī)結(jié)合滿足環(huán)境效益需求。蓄電池的容量配置直接影響蓄電池的輸出功率，間接影響蓄電池成本及系統(tǒng)運(yùn)行的調(diào)度策略，滿足低碳性的蓄電容量配置有待進(jìn)一步探索研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊秀，陳潔，朱蘭，等.基于經(jīng)濟(jì)調(diào)度的微網(wǎng)儲(chǔ)能優(yōu)化配置[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013（1）：1.

[2] MORAIS H， KADAR P，F(xiàn)ARIA P， et al.Optimal scheduling of a renewable microgrid in an isolated load area using mixedinteger linear programming [J].Renewable Energy，2010，35（1）：151-156.

[3] GUAN Xiaohong， XU Zhanbo，JIA Qingshan.Energy-efficient builiings facilitated by microgrid[J].IEEE Trans on Smart Grid，2010，1（3）：343-252.

[4] ROSS M， HIDALGO R， ABBEY C， et al. Energy storage system scheduling for an isolated microgrid[J]. IET Renewable Power Generation，2011，5（2）：117-123.

[5] CHEN C， DUAN S，CAL T， et al. Smart energy management system for optimal microgrid economic operation[J].IET Renewable Power Generation，2011：5（3）：258-2679.

[6] 康重慶，周天睿，陳啟鑫，等.電網(wǎng)低碳效益評(píng)估模型及其應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（17）：1-6.

[7] 梁惠施，程林，蘇劍.微網(wǎng)的成本效益分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（S1）：38-44.

[8] 陳健，王成山.考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)特性的獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，20（5）：1 000-1 026.

Abstract： For meeting the requirement of independent microgrid low carbon emission reduction of ranch in large area， the article presents reasonable scheduling strategies of wind， light， wood and storage. It analyzes the formation mechanism of operational efficiency from the aspects of economy and low carbon， considers the characteristics of using wind power and photovoltaic time， service life of energy storage system and its conversion characteristics， and economical characteristic of depreciable cost of environment， and at the same time of meeting environmental benefit， it achieves comprehensive cost minimization. The article took genetic algorithm as the example for the analysis， and did comparative analysis of power balance in four seasons typical system and system cost curves to prove the economical feasibility of the system.

Key words： microgrid； island running； energy storage conversion characteristic； economy； environmental benefit； scheduling strategy