考慮風(fēng)／光／水／儲(chǔ)多源互補(bǔ)特性的微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行評(píng)價(jià)方法

夏永洪 ，吳虹劍 ，辛建波 ，程 林 ，余運(yùn)俊 ，萬曉鳳

（1.南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330031；2.國(guó)網(wǎng)江西省電力公司電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096；

3.清華大學(xué) 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

0 引言

風(fēng)、光、水等可再生能源具有零污染、分布廣、蘊(yùn)含量大等優(yōu)點(diǎn)。但由于光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電易受晝夜變化、云層遮擋、風(fēng)力大小等自然因素的影響，其出力存在一定的間歇性、隨機(jī)性［1-3］，通常需要配置儲(chǔ)能裝置。對(duì)于小水電，其短期波動(dòng)小，當(dāng)具備了一定的裝機(jī)容量與調(diào)節(jié)庫容時(shí)，即可克服光伏與風(fēng)電出力存在的間歇性和不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，以保證獨(dú)立風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的供電質(zhì)量，同時(shí)可以降低儲(chǔ)能裝置的配置容量［4-5］。我國(guó)太陽能資源夏秋季節(jié)豐富、春冬季節(jié)匱乏，風(fēng)力資源春冬季節(jié)豐富、夏秋季節(jié)匱乏，與水力資源春夏季節(jié)豐水、秋冬季節(jié)枯水的現(xiàn)狀正好形成互補(bǔ)。由此可見，風(fēng)、光、水3種分布式資源在時(shí)空上具有良好的互補(bǔ)性。

以風(fēng)、光、水3種分布式電源構(gòu)成的互補(bǔ)微網(wǎng)在熱帶季風(fēng)、亞熱帶季風(fēng)、溫帶季風(fēng)以及海洋性氣候區(qū)域廣泛存在，特別是在我國(guó)南方富含小水電的地區(qū)。其應(yīng)用可以大幅提高資源的利用效率，對(duì)增強(qiáng)系統(tǒng)供電可靠性和提高微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義［6-7］。近年來，有關(guān)互補(bǔ)分布式能源發(fā)電的研究較多。文獻(xiàn)［8］提出了一種基于離散概率模型的風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)優(yōu)化配置方案，通過離散概率分布描述了包括風(fēng)、光、負(fù)荷、補(bǔ)償裝置功率等的隨機(jī)分布，建立了有關(guān)系統(tǒng)電能裕度、總投資與電壓穿越概率最佳的配置策略。文獻(xiàn)［9-11］針對(duì)蓄電池儲(chǔ)能的風(fēng)電或風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置進(jìn)行了研究，建立了以系統(tǒng)各項(xiàng)成本與負(fù)荷缺電率最小為目標(biāo)的優(yōu)化模型，解決了滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性與安全性要求的離網(wǎng)或并網(wǎng)型微網(wǎng)儲(chǔ)能容量配置問題。文獻(xiàn)［12-14］通過對(duì)蓄電池與超級(jí)電容不同充放電特性的研究，建立了基于這2種儲(chǔ)能裝置的互補(bǔ)微網(wǎng)混合儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置方法，利用超級(jí)電容能量密度低、功率密度高以及充放電速度快的特點(diǎn)，克服了蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在容量配置、系統(tǒng)響應(yīng)速度等方面的不足。因此，目前的研究主要集中在互補(bǔ)原理的分析、不同種類互補(bǔ)系統(tǒng)的構(gòu)建、儲(chǔ)能容量的優(yōu)化配置以及微網(wǎng)運(yùn)行的控制策略等方面，而關(guān)于互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)較少，尤其是針對(duì)含小水電的互補(bǔ)微網(wǎng)的評(píng)價(jià)。

通過研究風(fēng)、光、水的季節(jié)出力特性及其互補(bǔ)關(guān)系，提出一種包含風(fēng)／光／水／儲(chǔ)的互補(bǔ)微網(wǎng)優(yōu)化配置方法，建立有關(guān)互補(bǔ)特性對(duì)微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行影響的評(píng)價(jià)體系。通過改變風(fēng)、光、水等分布式發(fā)電組合及分布式發(fā)電比例，對(duì)比分析其對(duì)互補(bǔ)微網(wǎng)所需配置的儲(chǔ)能容量、微網(wǎng)設(shè)備安裝成本、運(yùn)行維護(hù)成本、系統(tǒng)電力不足累計(jì)概率、分布式發(fā)電互補(bǔ)特性、環(huán)境效益和上網(wǎng)收益的影響，以體現(xiàn)分布式資源互補(bǔ)特性與微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益之間的關(guān)聯(lián)。

1 風(fēng)光水多源互補(bǔ)特性分析

圖1為某互補(bǔ)微網(wǎng)示范工程中風(fēng)機(jī)、光伏和徑流式小水電集群的年出力標(biāo)幺化曲線。

圖1 風(fēng)光水資源季節(jié)互補(bǔ)性表現(xiàn)Fig.1 Seasonally complementary performance of wind，solar and hydraulic energy sources

對(duì)于該示范工程應(yīng)用地區(qū)，秋冬季節(jié)的風(fēng)速較大，風(fēng)能資源較豐富，其占全年風(fēng)能資源的59.85%；而春季和夏季的風(fēng)速較小，風(fēng)能資源也較少。該地區(qū)夏秋季的太陽輻射強(qiáng)度大，光伏出力占全年的66.19%。因此，夏秋季節(jié)光伏電站的出力較大；冬春季節(jié)的太陽輻射強(qiáng)度較弱，光伏出力也較小。該地區(qū)春夏季節(jié)的雨水較多，其水力資源占全年的61.58%。尤其在夏季，雨水更多，可以稱之為豐水期；秋冬季節(jié)雨水較少，尤其在冬季，水電站處于枯水狀態(tài)。由此可見，當(dāng)風(fēng)電和光伏出力較小時(shí)，小水電站的出力較大；而當(dāng)水力資源處于枯水季節(jié)時(shí)，風(fēng)能和太陽能的出力較大。因此，在季節(jié)時(shí)間尺度上，風(fēng)、光、水等分布式資源的出力特性具有一定的互補(bǔ)特性［15］。

2 風(fēng)光水儲(chǔ)互補(bǔ)微網(wǎng)優(yōu)化配置方法

2.1 目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)包括3個(gè)部分：儲(chǔ)能容量、微網(wǎng)設(shè)備安裝成本以及系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本。當(dāng)三者總和達(dá)到最小時(shí)，系統(tǒng)配置最優(yōu)。

2.1.1 儲(chǔ)能容量

其中，EH為微網(wǎng)所需配置的儲(chǔ)能容量（標(biāo)幺值）；T為微網(wǎng)年運(yùn)行時(shí)間；Rstore（t）為t時(shí)刻系統(tǒng)容量無限制下，即不考慮儲(chǔ)能裝置荷電狀態(tài)限制時(shí)所需儲(chǔ)能容量為 t時(shí)刻之后分布式電源與儲(chǔ)能系統(tǒng)失配累計(jì)最小值。

其中，ηin、ηout分別為儲(chǔ)能裝置充、放電效率；ΔP（t）為t時(shí)刻微網(wǎng)的失配功率（標(biāo)幺值），其表達(dá)式見式（3）。

其中，N1為分布式電源種類數(shù)；λ為分布式發(fā)電比，即分布式發(fā)電功率與負(fù)荷耗電功率之比；αi為風(fēng)機(jī)、光伏與小水電等分布式電源裝機(jī)容量配比；Gi（t）為用單一分布式電源對(duì)系統(tǒng)供電時(shí)，其t時(shí)刻的輸出功率（標(biāo)幺值）；L（t）為 t時(shí)刻負(fù)荷消耗功率（標(biāo)幺值）。

由于分布式資源的儲(chǔ)存量在一年內(nèi)會(huì)隨時(shí)間改變，故在一段時(shí)間內(nèi)分布式電源的出力逐漸增加，將使得儲(chǔ)能裝置在這段時(shí)間內(nèi)能量持續(xù)增長(zhǎng)。這一增長(zhǎng)是相當(dāng)大的，將導(dǎo)致所需配置的儲(chǔ)能容量亦隨時(shí)間的增加而增大。此時(shí)，若簡(jiǎn)單地采用時(shí)間段T內(nèi)系統(tǒng)儲(chǔ)能容量最值差進(jìn)行儲(chǔ)能容量的配置將毫無意義，故定義EH以保證儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)外供電時(shí)，能量不會(huì)出現(xiàn)負(fù)值。

2.1.2 微網(wǎng)設(shè)備安裝成本

對(duì)于微網(wǎng)系統(tǒng)，設(shè)備安裝成本CE包括分布式電源與儲(chǔ)能裝置購置費(fèi)用以及設(shè)備安裝費(fèi)用，其通常與系統(tǒng)總裝機(jī)容量呈正相關(guān)。將設(shè)備與安裝成本總資金換算為按期等額支付金額，其表達(dá)式如下：

其中為負(fù)荷年平均功率，取其為本文的基準(zhǔn)值；ci為風(fēng)機(jī)、光伏與小水電相關(guān)設(shè)備的購置成本系數(shù)，單位為元／kW；ri為安裝成本占設(shè)備成本的比例；cb為儲(chǔ)能裝置單位千瓦造價(jià)，單位為元／kW；k為銀行長(zhǎng)期貸款利率；n1為該項(xiàng)目的還款年限，一般為分布式電源的使用年限。

2.1.3 系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本

微網(wǎng)的運(yùn)行維護(hù)成本可分為固定成本與可變成本，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可折算成與系統(tǒng)設(shè)備利用率相關(guān)的比例因子［16］。CO為系統(tǒng)每年的運(yùn)行維護(hù)成本，其表達(dá)式如下：

其中，KFi為風(fēng)機(jī)、光伏與小水電運(yùn)行維護(hù)的年固定成本系數(shù)（元 ／（kW·a））；KOi為運(yùn)行維護(hù)的年可變成本系數(shù)（元／（kW·h））；Ti為微網(wǎng) 3 種分布式電源的年平均運(yùn)行時(shí)間，單位為h。

微網(wǎng)系統(tǒng)裝置的各項(xiàng)成本系數(shù)見表1。

表1 微網(wǎng)系統(tǒng)裝置的各項(xiàng)成本系數(shù)Table 1 Cost coefficients of microgrid devices

2.2 約束條件

系統(tǒng)約束條件具體如下所述。

2.2.1 系統(tǒng)容量約束

對(duì)于微網(wǎng)系統(tǒng)，由于當(dāng)單一分布式電源對(duì)系統(tǒng)供電時(shí)，其均能滿足系統(tǒng)的負(fù)荷需求，故對(duì)于同時(shí)具有風(fēng)、光、水3種分布式能源的發(fā)電系統(tǒng)，各分布式電源裝機(jī)容量所占份額均需小于等于1，其總和為1。

2.2.2 分布式發(fā)電比例約束

為保證系統(tǒng)供電充足，只有當(dāng)分布式發(fā)電總量大于系統(tǒng)負(fù)荷時(shí)，才能保證有盈余的電能對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)供電；但如果發(fā)電總量過大，能源設(shè)備的投入也將隨之增大，將造成浪費(fèi)。

其中，λmax一般控制在 1.0～1.3。

2.2.3 蓄電池荷電狀態(tài)約束

文中儲(chǔ)能裝置全部選用鉛酸蓄電池，在蓄電池的充放電過程中，必須嚴(yán)格滿足其荷電狀態(tài)（SOC）上、下限約束，以延長(zhǎng)電池的使用壽命［17］。

其中，s1、s2分別為蓄電池SOC最小、最大值。

2.2.4 蓄電池充放電約束

為達(dá)到對(duì)蓄電池充放電的精確控制，需對(duì)其充放電速率、充放電電流進(jìn)行約束。

其中，rc、rd分別為蓄電池的充、放電速率，rc_R、rd_R分別為其給定充、放電速率；Ic、Id分別為蓄電池的充、放電電流，Ic_max、Id_max分別為其充、放電電流最大值。

2.2.5 瞬時(shí)功率約束

為防止微網(wǎng)在負(fù)荷突增的情況下出現(xiàn)大功率缺失，導(dǎo)致系統(tǒng)電能質(zhì)量下降，微網(wǎng)瞬時(shí)功率平衡是負(fù)荷與儲(chǔ)能裝置協(xié)調(diào)控制的基本條件。

其中，Hc（t）為有限制下的儲(chǔ)能裝置的當(dāng)前儲(chǔ)能容量（標(biāo)幺值），當(dāng)其為正時(shí)，系統(tǒng)處于放電狀態(tài)；當(dāng)其為負(fù)時(shí)，系統(tǒng)處于充電狀態(tài)。

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.3.1 系統(tǒng)電力不足累計(jì)概率

考慮到風(fēng)／光／水／儲(chǔ)微網(wǎng)的負(fù)荷供給能力，提出用系統(tǒng)一年內(nèi)所有分布式電源與儲(chǔ)能裝置每日輸出功率之和小于負(fù)荷消耗功率的概率λLOLP進(jìn)行表征，其表達(dá)式如下：

其中，Pr｛·｝表示不等式約束成立的概率。λLOLP越小，微網(wǎng)功率缺失越小，系統(tǒng)穩(wěn)定性越高。

2.3.2 分布式發(fā)電互補(bǔ)特性

為體現(xiàn)風(fēng)光水等分布式能源的互補(bǔ)特性，提出用分布式電源輸出功率之和在一年內(nèi)的波動(dòng)DL進(jìn)行表征，表達(dá)式如下：

其中，GDG（t）為分布式發(fā)電比λ為1時(shí)系統(tǒng)的輸出功率為其年平均值。DL越小，分布式發(fā)電的輸出功率波動(dòng)越小，風(fēng)、光、水的互補(bǔ)特性越好。

2.3.3 環(huán)境效益

以風(fēng)、光、水為主的清潔能源發(fā)電可有效減少各類污染物的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。根據(jù)文獻(xiàn)［16］，可估算出電力行業(yè)污染物排放的評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)，如表2所示。結(jié)合傳統(tǒng)燃煤發(fā)電中各類污染物的排放系數(shù)，針對(duì)各污染物的環(huán)境價(jià)值與罰款金額，可將其等效折算為互補(bǔ)微網(wǎng)的環(huán)境效益CEN，其表達(dá)式如下：

其中，n為傳統(tǒng)燃煤發(fā)電所產(chǎn)生的污染物種類數(shù)；E為微網(wǎng)年發(fā)電量（kW·h）；γi為傳統(tǒng)燃煤發(fā)電對(duì)應(yīng)第i種污染物的排放系數(shù)（g／（kW·h））；vi為第 i種污染物的環(huán)境價(jià)值（元／kg）；φi為第 i種污染物所受罰款（元／kg）。

表2 傳統(tǒng)燃煤發(fā)電各污染物排放系數(shù)與評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 2 Pollutant emission coefficients and evaluation indexes of traditional coal-fired power generation

2.3.4 上網(wǎng)收益

由于系統(tǒng)分布式發(fā)電比λ大于1，系統(tǒng)所需配置的儲(chǔ)能裝置容量較小，故當(dāng)微網(wǎng)處于并網(wǎng)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)將有少量的電能缺額和大量的盈余與大電網(wǎng)進(jìn)行交換，將此部分產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益定義為互補(bǔ)微網(wǎng)上網(wǎng)效益CS，其表達(dá)式如下：

其中，ΔEi為第i種分布式電源年電能盈余與缺額差值；pe為大電網(wǎng)上網(wǎng)電價(jià)，取 0.52 元 ／（kW·h）。

3 模型求解

對(duì)于該示范工程，風(fēng)、光、水年出力標(biāo)幺化曲線如圖1所示。微網(wǎng)日負(fù)荷48000 kW·h，日平均功率為2 000 kW，其（標(biāo)幺值）年變化曲線如圖2（a）所示。利用自適應(yīng)遺傳算法求解包含風(fēng)、光、水的微網(wǎng)分布式發(fā)電容量配比，確定分布式發(fā)電比λ以及風(fēng)機(jī)、光伏與小水電裝機(jī)容量所占比例。其中，設(shè)置遺傳算法中種群規(guī)模為50，最大迭代數(shù)為25，交叉概率為0.9，變異概率為0.1；蓄電池SOC在0.6～1.0之間；銀行貸款利率為5.94%；項(xiàng)目還款年限為15 a；系統(tǒng)各分布式能源成本系數(shù)如表1所示。

經(jīng)迭代，求得分布式發(fā)電比λ為1.1869，風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量占總?cè)萘?1.66%，光伏占28.51%，小水電占50.32%。同時(shí)，根據(jù)式（1），可得儲(chǔ)能系統(tǒng)配置容量為0.0147 p.u.，考慮到蓄電池SOC的限制，其應(yīng)為0.0367 p.u.，即 73.4 kW。由式（4）和（5）可得微網(wǎng)設(shè)備安裝成本為355.7萬元；系統(tǒng)年運(yùn)行維護(hù)成本為21.0萬元。由式（12）—（16）得此時(shí)微網(wǎng)電力不足累計(jì)概率λLOLP為0.243 8；分布式發(fā)電互補(bǔ)特性DL為0.0350，其值均較小；環(huán)境效益CEN為103.9萬元；上網(wǎng)效益CS為168.7萬元。

根據(jù)求得的分布式發(fā)電比λ與分布式電源裝機(jī)容量配比αi進(jìn)行配置，得到在不考慮儲(chǔ)能裝置調(diào)節(jié)以及其他調(diào)節(jié)方式情況下的微網(wǎng)日失配功率（標(biāo)幺值）分布圖，如圖 2（b）所示。

圖2 微網(wǎng)年負(fù)荷與失配功率分布Fig.2 Annual load and power mismatch of microgrid

由圖2可知，微網(wǎng)的盈余能量遠(yuǎn)大于失配能量的累計(jì)面積，微網(wǎng)的功率失配情況處于平衡狀態(tài)；分布式發(fā)電與負(fù)荷的失配情況與季節(jié)呈現(xiàn)很強(qiáng)的相關(guān)性，當(dāng)某一階段中的風(fēng)、光、水等資源較為豐富時(shí)，將有能量盈余。經(jīng)配置可得，小水電裝機(jī)容量約占系統(tǒng)總裝機(jī)容量的一半時(shí)，風(fēng)機(jī)與光伏起調(diào)節(jié)作用。其充分考慮到該地區(qū)水力資源豐富的特點(diǎn)，利用3種分布式資源的季節(jié)互補(bǔ)性優(yōu)勢(shì)，解決了因風(fēng)光出力波動(dòng)較大而導(dǎo)致的年初儲(chǔ)能累計(jì)容量急劇減小，甚至可能出現(xiàn)負(fù)值等的問題；同時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)，其所剩余的少量能量缺失與大量盈余將與大電網(wǎng)進(jìn)行交換，可產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。經(jīng)配置可得，當(dāng)分布式發(fā)電量略大于負(fù)荷消耗量時(shí)，只需配置少量的儲(chǔ)能，可滿足系統(tǒng)建設(shè)的穩(wěn)定性、安全性與經(jīng)濟(jì)性的要求。

4 互補(bǔ)特性及發(fā)電比對(duì)微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的影響

為體現(xiàn)風(fēng)、光、水3種分布式電源互補(bǔ)組合相比傳統(tǒng)的風(fēng)光，以及僅由光伏、風(fēng)電構(gòu)成的微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，通過控制風(fēng)光水互補(bǔ)特性以及分布式發(fā)電比的方式來進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 互補(bǔ)特性對(duì)微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的影響

根據(jù)第3節(jié)確定的分布式發(fā)電比λ，分析不同分布式電源組合對(duì)微網(wǎng)產(chǎn)生的影響。通過自適應(yīng)遺傳算法，得到不同分布式發(fā)電組合最優(yōu)配比和相應(yīng)的儲(chǔ)能容量（標(biāo)幺值，后同），如表3所示。

表3 不同分布式發(fā)電組合下的最優(yōu)配比Table 3 Optimal proportions of different DG combinations

由表3可知，對(duì)于包含小水電的任意2種或3種分布式電源組合，小水電占比均為最大，其中風(fēng)、水組合中占77.38%，光、水組合中占71.18%，風(fēng)、光、水組合中占50.32%。鑒于徑流式小水電在日時(shí)間尺度波動(dòng)較小，在季節(jié)時(shí)間尺度上與光伏和風(fēng)力發(fā)電存在良好的互補(bǔ)特性，且資源相對(duì)豐富，故在微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位。

由式（1）—（5）得到分布式電源不同組合下的微網(wǎng)配置的儲(chǔ)能容量EH與微網(wǎng)設(shè)備安裝成本CE以及運(yùn)行維護(hù)成本CO的變化曲線，如圖3所示。

由圖3可知，系統(tǒng)儲(chǔ)能配置容量在獨(dú)立光伏供電時(shí)達(dá)到最大，在風(fēng)、水同時(shí)供電時(shí)，達(dá)到最小；系統(tǒng)設(shè)備安裝成本在獨(dú)立光伏供電時(shí)達(dá)到最大，在獨(dú)立小水電供電時(shí)，達(dá)到最小；系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本在獨(dú)立光伏供電時(shí)達(dá)到最大，在獨(dú)立風(fēng)機(jī)供電時(shí)，達(dá)到最小。對(duì)于該地區(qū)，光伏供電成本較高，而小水電資源豐富，且成本低廉，因此，為達(dá)到系統(tǒng)建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性要求，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)加大小水電容量，減小光伏容量。

對(duì)于分布式電源的不同組合，由式（12）—（16）可得系統(tǒng)電力不足累計(jì)概率λLPOP、分布式發(fā)電互補(bǔ)特性DL、環(huán)境效益CEN與上網(wǎng)效益CS，如表4所示。

由表4可知，當(dāng)風(fēng)、光、水3種分布式電源同時(shí)對(duì)微網(wǎng)供電時(shí)，系統(tǒng)電力不足累計(jì)概率λLPOP與分布式發(fā)電互補(bǔ)特性DL均為最小，系統(tǒng)供電可靠性、3種分布式資源的利用率達(dá)到最高。同時(shí)，當(dāng)分布式發(fā)電比λ固定時(shí)，系統(tǒng)的環(huán)境效益CEN將保持不變，上網(wǎng)效益CS在獨(dú)立風(fēng)機(jī)發(fā)電時(shí)達(dá)到最大。單一分布式電源供電時(shí)的儲(chǔ)能容量變化曲線如圖4所示。

圖3 不同分布式發(fā)電組合對(duì)微網(wǎng)的影響Fig.3 Influences of DG combination on microgrid

表4 不同分布式發(fā)電組合下的結(jié)果Table 4 Results of different DG combinations

圖4 單一分布式電源供電時(shí)的儲(chǔ)能累計(jì)容量變化曲線Fig.4 Accumulative capacity curve of energy storage when single DG is available

由圖4可知，由于風(fēng)機(jī)與光伏在年初出力波動(dòng)性較大，導(dǎo)致其單獨(dú)供電時(shí)微網(wǎng)系統(tǒng)儲(chǔ)能容量在一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)負(fù)值，表示需要對(duì)儲(chǔ)能裝置進(jìn)行額外充電，才能滿足系統(tǒng)在微網(wǎng)運(yùn)行時(shí)對(duì)負(fù)荷的正常供應(yīng)，這是不合理的。故對(duì)于包含小水電在內(nèi)的任意2種或3種分布式電源組合可有效規(guī)避該情況的發(fā)生，保證了儲(chǔ)能系統(tǒng)在微網(wǎng)運(yùn)行過程中能夠時(shí)刻保持正常工作狀態(tài)。

此外，當(dāng)小水電與其他2種分布式電源共同構(gòu)成微網(wǎng)時(shí)，其在季節(jié)上存在明顯的互補(bǔ)作用，能夠使得系統(tǒng)所需配置的儲(chǔ)能容量達(dá)到最小，系統(tǒng)設(shè)備安裝成本CE以及運(yùn)行維護(hù)成本CO支出合理，環(huán)境效益CEN和上網(wǎng)效益CS與其他分布式電源組合方式無明顯差異，保證了微網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，系統(tǒng)電力不足累計(jì)概率λLOLP和分布式發(fā)電互補(bǔ)特性DL較小，保證了微網(wǎng)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性。

4.2 發(fā)電比對(duì)微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的影響

當(dāng)分布式電源類型為風(fēng)、光、水3種時(shí)，針對(duì)不同分布式發(fā)電比λ對(duì)微網(wǎng)的影響進(jìn)行分析。通過自適應(yīng)遺傳算法，計(jì)算得到不同分布式發(fā)電組合最優(yōu)配比，如圖5所示。

圖5 不同分布式發(fā)電比下的分布式電源最優(yōu)配比Fig.5 Optimal capacity configuration of DGs for different DG ratios

由圖5可知，在包含風(fēng)、光、水3種分布式電源的情況下，小水電的裝機(jī)容量始終占系統(tǒng)總裝機(jī)容量的40%～80%。

根據(jù)式（1）—（5），可得到微網(wǎng)所需配置的儲(chǔ)能容量EH、微網(wǎng)設(shè)備安裝成本CE和運(yùn)行維護(hù)成本CO；再由式（12）—（16），得到系統(tǒng)電力不足累計(jì)概率 λLOLP、分布式發(fā)電互補(bǔ)特性DL、環(huán)境效益CEN與上網(wǎng)效益CS。它們隨λ的變化情況如圖6所示。

由圖6可知，隨著分布式發(fā)電比λ的增加，微網(wǎng)配置的儲(chǔ)能容量EH與系統(tǒng)電力不足累計(jì)概率逐漸下降，環(huán)境效益CEN與上網(wǎng)效益CS呈線性遞增；當(dāng)λ＝1.05時(shí)，分布式發(fā)電互補(bǔ)特性DL與系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本CO均達(dá)到最小值；當(dāng)λ＝1.30時(shí)，微網(wǎng)設(shè)備安裝成本CE達(dá)到最大值，為513.4萬元。

當(dāng)λ較小時(shí)，儲(chǔ)能裝置在一段時(shí)間內(nèi)不僅無法吸收微網(wǎng)的能量盈余，反而需要對(duì)外供能，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，無法對(duì)儲(chǔ)能裝置進(jìn)行額外充電以彌補(bǔ)其能量虧空。故當(dāng)λ過小時(shí)，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃ω?fù)荷操作，將大幅降低系統(tǒng)的供電可靠性與穩(wěn)定性。當(dāng)λ較大時(shí)，微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)輸出的能量將隨之增大，儲(chǔ)能裝置只是將微網(wǎng)的能量盈余進(jìn)行儲(chǔ)存，系統(tǒng)失配功率ΔP基本為0，此時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)不僅加大了分布式發(fā)電設(shè)備的使用投入，還增大了系統(tǒng)投資成本。因此，λ較大時(shí)，系統(tǒng)將產(chǎn)生不必要浪費(fèi)，不利于實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性。

圖6 不同分布式發(fā)電比對(duì)微網(wǎng)系統(tǒng)的影響Fig.6 Influences of DG ratio on microgrid

5 總結(jié)

本文提出了一種考慮風(fēng)、光、水等分布式發(fā)電互補(bǔ)特性的微網(wǎng)儲(chǔ)能容量配置方法，建立了互補(bǔ)微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過靈活調(diào)整分布式電源組合方式及分布式發(fā)電比例，實(shí)現(xiàn)了不同配置下的微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。結(jié)果表明：當(dāng)風(fēng)、光、水3種分布式電源出力特性互補(bǔ)時(shí)，由其構(gòu)成的互補(bǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)儲(chǔ)能容量較小，同時(shí)其運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)。

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