新電改背景下孤島微電網(wǎng)運營策略研究

唐 虎，周 濤，謝婷婷，劉 碩，陸朝旭

(國網(wǎng)四川省電力公司德陽供電公司，四川 德陽 618000)

0 引言

新時代人們不斷面臨著來自氣候惡劣、能源危機、環(huán)境污染等多方面的挑戰(zhàn)，克服困難走出窘境是世界各國不得不面臨的重大難題，實現(xiàn)電能替代和清潔替代成為時代發(fā)展的主題[1]。作為回應，以風能和太陽能為代表的分布式清潔能源逐步登上能源舞臺，在能源供應和消費中愈顯重要[2]；然而，以這些能源為代表的諸多分布式清潔能源因其產能波動、隨機、不可控、產能不可見性，使其參與能量市場交易及優(yōu)化運行出現(xiàn)諸多不利因素[3]。

微電網(wǎng)將形態(tài)各異的能源資源進行有效的聚合，使其成為可控的有機整體。特別是在新電改環(huán)境下，微電網(wǎng)如何能夠在諸多的競爭中贏得利潤，對微電網(wǎng)的生存具有非常強烈的指導作用。文獻[4]從構建微電網(wǎng)的運營成本、污染物排放成本和運營風險3方面著手分析微電網(wǎng)的運營管理多目標優(yōu)化，達到提升微電網(wǎng)運營管理水平、確保供用電安全的目的；文獻[5]提出微電網(wǎng)/分布式發(fā)電的綜合效益分析流程，并模擬不同運營形式下的收益問題，實現(xiàn)了投資運營最優(yōu)模式；文獻[6]設計樓宇和區(qū)域型分布式能源站發(fā)電模型，建立分布式能源能效分享及節(jié)能發(fā)展空間模型，實現(xiàn)了全生命周期內的節(jié)能效益；文獻[7]以工業(yè)型用戶側微電網(wǎng)作為切入點，提出適合工業(yè)型用戶側微電網(wǎng)的運營模式；文獻[8]建立了賣方與買方的微電網(wǎng)類型，利用“虛擬單元”解決了供需不平衡時的電能交易問題。

綜上所述，目前對微電網(wǎng)經營方法的研究已有很多案例。本文在上述研究基礎上，以孤島微電網(wǎng)作為研究實體，以新電改作為環(huán)境背景，考慮由風電機組、太陽能機組、燃料電池和儲能裝置及電力負荷構成的微電網(wǎng)模型，提出孤島微電網(wǎng)作為全新售電主體的內部運營策略；為實現(xiàn)內部運營策略最優(yōu)構造最低邊際成本最優(yōu)模型，在確保內部網(wǎng)絡供需平衡的基礎上，實現(xiàn)對孤島微電網(wǎng)的最優(yōu)控制。

1 微電網(wǎng)組成元素簡介

中發(fā)9號文的頒布為微電網(wǎng)發(fā)展開啟了新篇章，為分布式電源(distributed generation, DG)自由并網(wǎng)、參與電力市場經濟運行提供了政策支撐，同時緩解了能源、環(huán)境、交通等社會面臨的重大矛盾。微電網(wǎng)打破了傳統(tǒng)電廠的諸多局限，為聚合不同類別分布式清潔能源、儲能裝置和負荷提供了有效途徑，孤島微電網(wǎng)的基本模型如圖1所示[9]。

圖1 孤島微電網(wǎng)基本模型Fig.1 Basic model of isolated island micro grid

微電網(wǎng)模型中各元素的特點主要有以下幾方面[10-12]：

1) 風電機組和太陽能機組。出力具有較大的隨機性和波動性，最大出力同時受裝機容量及外界環(huán)境因素的限制。

2) 儲能裝置。不能大量存儲電能，并且在充放電過程中會有電能的損失；種類較多，不同儲能裝置在造價和性能上也有非常大的區(qū)別；以電動汽車為代表的儲能裝置具有雙重屬性，在電網(wǎng)負荷較高時釋放電能可視為電源，在電網(wǎng)負荷較低時儲存電能可視為負荷。

3)負荷，可分為可控負荷和不可控負荷。隨著技術的進步，每日的負荷曲線可通過科學的方法精確地預測出來。

4) 微電網(wǎng)控制運營中心。協(xié)調控制微電網(wǎng)內部各元件的最優(yōu)經濟運行，實現(xiàn)內部經濟效益最大化目標。

2 微電網(wǎng)經營模式分析

微電網(wǎng)為贏得市場份額、在競爭中獲得較為豐厚的利潤，勢必需要對其經營模式進行分析。微電網(wǎng)的建設需要進行設備等方面的投資，又需對構建后的電網(wǎng)進行運營維護，因此其經營模式和歸屬權同經營主體有非常大的關系[13]。昂貴的DG設備投資成本、運營維護成本、制定實施需求響應(demand response, DR)的復雜程度及政府政策均影響著微電網(wǎng)的經營權和歸屬權，大體可將微電網(wǎng)的經營模式總結為國網(wǎng)公司經營模式、用戶自主經營模式及第三方經營模式這3種。

2.1 國網(wǎng)公司經營模式

國網(wǎng)公司經營模式主要是指對于微電網(wǎng)的建設和投資由國網(wǎng)公司承擔，因此國網(wǎng)公司擁有微電網(wǎng)的經營權和歸屬權，負責微電網(wǎng)的經營和維護。對于該類微電網(wǎng)，只需進行遠程控制管理，并綜合微電網(wǎng)和大電網(wǎng)的運行情況來實現(xiàn)微電網(wǎng)的孤島運行或并網(wǎng)運行：在大電網(wǎng)負荷高峰時段，使微電網(wǎng)并網(wǎng)運行，實現(xiàn)微電網(wǎng)向大電網(wǎng)傳輸功率；在大電網(wǎng)低谷時期，可控制微電網(wǎng)的儲能裝置進行充電，實現(xiàn)大電網(wǎng)的削峰填谷；在大電網(wǎng)出現(xiàn)故障情況下，可控制微電網(wǎng)使其孤島運行，確保微電網(wǎng)內部負荷不受大電網(wǎng)故障的影響，增強微電網(wǎng)供電的安全可靠性，并為大電網(wǎng)故障恢復提供相應的備用。該種經營模型下的經營情況如圖2所示。

國網(wǎng)公司經營模式下對微電網(wǎng)的控制主要是實現(xiàn)電網(wǎng)控制范圍內的整體利益均衡:一方面通過控制微電網(wǎng)的出力和負荷特性實現(xiàn)對整體負荷的削峰填谷和提高負荷用電的可靠性；另一方面為用戶提供優(yōu)質的服務。微電網(wǎng)和大電網(wǎng)向用戶提供電能及相關服務對用戶來說沒有明顯區(qū)別，因此微電網(wǎng)用戶完全感受不到微電網(wǎng)的存在，國網(wǎng)公司在向用戶提供優(yōu)質服務的同時，也需要對用戶進行負荷的控制，即需要用戶積極參與到DR中，為此大電網(wǎng)需對用戶進行用電價格或激勵方面的補償，以提高用戶的響應度。對于大電網(wǎng)來說，因具備較為雄厚的資金基礎，可大規(guī)模地進行微電網(wǎng)建設，對設備費用的投資就有較大的議價權，并將經營經驗運用到新建微電網(wǎng)，可為微電網(wǎng)的運營帶來較大的收益。因此，國網(wǎng)公司經營模式可為微電網(wǎng)和微電網(wǎng)用戶均帶來收益。

2.2 用戶自主經營模式

用戶自主經營模式主要包括：1)用戶自主投資建設微電網(wǎng)并進行自身經營管理；2)政府投資建設試點項目交由用戶自主經營管理。不論哪種經營模式，在該經營體制下，微電網(wǎng)首先都是滿足自身的用電需求，缺額電量向電網(wǎng)公司購買，多余電量出售給電網(wǎng)公司。這2種情況下微電網(wǎng)首先必須獲得并網(wǎng)的許可，若沒有得到相關許可只有進行切負荷或減少內部出力。用戶自主經營模式下的具體情況如圖3所示。

用戶自主經營模式微電網(wǎng)主要是為了實現(xiàn)用戶自己的經濟利益，一方面可滿足自身的用電需求，另一方面以最優(yōu)化成本方式運營。微電網(wǎng)的這種經營模式勢必會影響到大電網(wǎng)的收益，因內部用戶一般首先購買微電網(wǎng)內部電能，導致從大電網(wǎng)購買的電能減少，因此大電網(wǎng)將無法從微電網(wǎng)的內部交易中獲取利益。在這種情況下，微電網(wǎng)在并網(wǎng)運行時，大電網(wǎng)勢必就會收取一定并網(wǎng)費用。而對于微電網(wǎng)，為謀求更多的經濟效益，也會并網(wǎng)運行來配合大電網(wǎng)實現(xiàn)經濟運營：在大電網(wǎng)的電價較高時，控制微電網(wǎng)的內部DG盡可能多發(fā)電能、儲能裝置多放電；在大電網(wǎng)電價較低時，優(yōu)先選擇大電網(wǎng)供電，此時外部購電的購電成本因低于內部發(fā)電的發(fā)電成本，微電網(wǎng)內部DG就可少發(fā)電量，購買電能滿足負荷需求和對儲能設備進行充電。通過對大電網(wǎng)的峰谷電價進行響應，實現(xiàn)輔助大電網(wǎng)平滑負荷曲線的目的，為電網(wǎng)的運營帶來一定的輔助效益。

圖2 國網(wǎng)公司經營模式Fig.2 Operation mode of state grid company

圖3 用戶自主經營模式Fig.3 User independent business model

圖4 第三方經營模式Fig.4 Third party business model

用戶自主經營模式并不是讓每個用戶都進行微電網(wǎng)購售電的經營管理，因各類成本的影響及對經營管理的要求，用戶自主經營模式主要集中在那些經濟實力較強的用戶以及那些用電量較大的電力用戶上，并將多類型用戶進行打捆經營，并由專業(yè)人員負責對整個微電網(wǎng)的經營管理。

2.3 第三方經營模式

第三方經營模式主要是第三方對微電網(wǎng)進行投資建設，因而對于第三方建設的微電網(wǎng)來說，他們擁有對微電網(wǎng)的控制權和經營權。因微電網(wǎng)的建設投資成本較大、經營難度較高，所以第三方需要有較為雄厚的資金基礎、專業(yè)的經營技術、良好的客戶信譽度以及政策的支撐，需要在各方面得到國家和用戶的雙重許可，并能夠簽訂雙邊供用電合同，以滿足微電網(wǎng)的業(yè)務需求。第三方經營模式如圖4所示。

在第三方經營模式體系下，經營商為贏得利潤，前提仍然是確保實現(xiàn)內部供用電的均衡，實現(xiàn)電網(wǎng)公司、第三方和用戶間的3方共贏。從圖4中也可看出，第三方經營模式微電網(wǎng)的收益主要來源于售電帶來的收益，而盈利的大小主要由購售電量的多少和售電電價有關，并與電網(wǎng)的售電電價也有直接關系。第三方經營微電網(wǎng)的售電電價因大于自身的購電電價低于電網(wǎng)的售電電價，這樣用戶才會從用電電價中得到實惠，確保了用戶選擇微電網(wǎng)的可能性。

對于用電量較大、負荷彈性較高的商業(yè)用戶及大用戶來說，微電網(wǎng)可與其簽訂DR合同，實現(xiàn)電能資源的綜合利用，實現(xiàn)雙方的互贏。因第三方經營的微電網(wǎng)歸屬權屬于第三方企業(yè)，對于電網(wǎng)公司來說，其并網(wǎng)運行將會收取相應的并網(wǎng)費用，但這部分的并網(wǎng)費用將會低于電網(wǎng)公司向用戶售電所得到的收益。第三方經營的微電網(wǎng)和電網(wǎng)公司分屬不同主體，雙方之間存在競爭關系，因我國特殊的市場環(huán)境，第三方經營的微電網(wǎng)需要得到國家政策及經濟方面的大力支持。

3 孤島微電網(wǎng)內部運營策略研究

3.1 模型描述

微電網(wǎng)內部控制多類DG、儲能裝置及負荷，這里假設所有發(fā)電單元中所有光伏機組聚合成單一光伏機組群，所有風電機組看成一個風電機組群，儲能裝置和負荷也同樣看待。簡化后的孤島微電網(wǎng)模型如圖5所示。

對于假設的孤島微電網(wǎng)系統(tǒng)，同時假設有：1)風電機組和光伏機組的出力可精確預測，并且可無償獲得電能；2)燃料電池的產能和其供應的燃料的含量有關，并且需要花費較高的費用；3)儲能裝置的充放電受到容量和剩余電能的限制；4)負荷與微電網(wǎng)簽訂DR合同，可將可控負荷交由微電網(wǎng)進行控制和管理，實現(xiàn)電網(wǎng)的供需平衡和內部經濟最優(yōu)化。為此，該微電網(wǎng)系統(tǒng)的供電方式優(yōu)先選擇風電和光伏，最后選擇燃料電池供電，多余的電能可儲存在儲能裝置中。

3.2 模型構建

圖5 孤島微電網(wǎng)簡化模型Fig.5 Simplified model of isolated island micro grid

為實現(xiàn)微電網(wǎng)在新電改下能最優(yōu)運行，并能不斷贏得市場份額，本文簡單考慮了微電網(wǎng)在單規(guī)劃周期內尋求最優(yōu)邊際成本的目標，以此實現(xiàn)對微電網(wǎng)的最優(yōu)控制。在運營過程中花費最低從而實習收益最大化目的，為此構建的線性規(guī)劃模型為

(1)

式中:f為規(guī)劃周期內運營花費；T為規(guī)劃周期，一般設定為24 h；Ppvt、Cpvt分別為t時刻光伏機組群所產生的功率和及單位功率的成本；Pwt、Cwt分別為t時刻風電機組群所產生的功率和及單位功率的成本；Pft、Cft分別為t時刻燃料電池群所產生的功率和及單位功率的成本；Pest為t時刻儲能系統(tǒng)群充/放電功率和，若Pest≥0表示儲能裝置處于放電狀態(tài)，Pest<0表示儲能裝置處于充電狀態(tài)；Cest為儲能裝置單位功率的成本；Put、Cut分別為t時刻孤島微電網(wǎng)未能滿足負荷需求功率和及單位成本；Pext、Cext分別為t時刻孤島微電網(wǎng)多余功率及其售電單價；Δt為時間間隔，一般取1 h。

3.3 約束條件

3.3.1 功率平衡約束

孤島微電網(wǎng)內部供需功率的平衡是保障其正常運轉的關鍵，即有

Ppvt+Pwt+Pft+Pest+Put=PLt+Pext

(2)

式中PLt為t時刻負荷需求功率。

3.3.2 最大功率約束

光伏機組群、風電機組群和燃料電池機組群的最大輸出功率受自身屬性的制約，其輸出功率不能超過機組的裝機容量，即有

3.3.3 儲能裝置約束

儲能裝置一方面受到其充/放電功率約束限制，同時也受到其容量限制，有

4 案例分析

4.1 基礎數(shù)據(jù)

為進一步研究新電改下孤島微電網(wǎng)如何適應新的運營策略，本文選取了某示范園區(qū)微電網(wǎng)作為研究對象，該園區(qū)微電網(wǎng)的內部組成元素主要有風能機組、太陽能機組、燃料電池機組和儲能裝置及負荷。同時選取某一典型日作為研究對象，并考慮了2種情景下孤島微電網(wǎng)的最優(yōu)運營狀況，如圖6所示。

圖6 不同運營狀態(tài)Fig.6 Different operating conditions

1) 情景1，風電和光伏出力能夠滿足負荷的基本需求。該情況下可能涉及到2方面的內容：

① 光伏和風電機組的功率恰巧滿足用戶的基本需求。此時儲能裝置不用充放電，燃料電池不用工作，光伏和風電機組不用棄風或棄光。

② 光伏和風電機組發(fā)出的功率在滿足負荷需求的同時仍有剩余。這種情況下就需要考慮讓風電機組或光伏機組減少出力，考慮到發(fā)電成本的影響，風電機組和光伏機組在發(fā)電成本上的一致性，這里假設在出現(xiàn)功率過剩情況下，首先減少風電機組的出力，然后再考慮減少光伏機組的出力。

2) 情景2，風電和光伏出力不能滿足負荷的基本需求，需要燃料電池和儲能裝置作用出力。這種狀況下可能會出現(xiàn)孤島微電網(wǎng)內部所有的供電單元都最大出力下仍不能滿足負荷的需求，這種情況下就需要對負荷中可以切除的負荷采取拉電限電措施。

對于本文所構建的模型，風電機組群的容量為200 MW，光伏機組群的容量為 160 MW，燃料電池機組群的容量為80 MW，儲能裝置群的最大充電深度為200 MW，并且儲能裝置的初始功率為100 MW，負荷最大功率不超過400 MW。構建孤島微電網(wǎng)的各功率輸出情況如圖7—9所示。

圖7 孤島微電網(wǎng)光伏機組群功率預測輸出情況Fig.7 Forecasted power output of PV units in isolated island micro grid

圖8 孤島微電網(wǎng)風電機組群功率預測輸出情況Fig.8 Forecasted power output of wind power units in isolated island micro grid

圖9 孤島微電網(wǎng)負荷功率預測需求情況Fig.9 Forecasted power output of loads in isolated island micro grid

圖10 情景1負荷下優(yōu)化前后風電機組出力情況Fig.10 Wind turbine output before and after optimization under scenario 1>

圖11 情景1負荷下儲能裝置充放電情況Fig.11 Charge and discharge of energy storage device under scenario 1

4.2 案例分析

為驗證所提模型的實用性，即在新電改市場環(huán)境下能夠實現(xiàn)內部經營方案的最優(yōu)化，本文的規(guī)劃時間選擇為1 d。本文選取2種典型的負荷情景進行描述，目標函數(shù)的意義在于：在這2種典型情景下能夠實現(xiàn)內部成本的最低化目標。

圖12 情景1負荷下燃料電池工作狀態(tài)情況Fig.12 Fuel cell working status under scenario 1

通過對情景1負荷的分析可得到圖10—12所示的結果。由圖10可看出：風電功率在9：00、11：00、12：00、13：00、14：00、15：00出現(xiàn)功率過剩情況，有減少風電功率輸出的現(xiàn)象。因前文假設在功率出現(xiàn)盈余時首先考慮減少風電機組的出力，由此可看出，在負荷情景1下，由這些時間段的功率輸出情況基本可滿足負荷的基本需求。由圖11可看出：儲能裝置的動作較為頻繁，需要頻繁地充放電來滿足負荷的基本需求；在17：00、18：00、20：00、22：00充放電功率達到功率的最大限度，在整個充放電過程中會實現(xiàn)充電功率=放電功率+初始儲能功率。由圖12可看出：在16：00、19：00、20：00、21：00、22：00、23：00這些時刻，僅由風電功率、光伏功率、儲能出力仍無法滿足負荷的基本需要，需要燃料電池動作。

通過優(yōu)化后得到負荷情景1下的最優(yōu)風電、光伏、儲能和燃料電池的出力情況，并得到該情況下的最小支出成本為2 143.9萬元。

圖13 情景2負荷下優(yōu)化前后風電機組出力情況Fig.13 Wind turbine output before and after optimization under scenario 2

圖14 情景2負荷下儲能裝置充放電情況Fig.14 Charge and discharge of energy storage device under scenario 2

圖15 情景2負荷下燃料電池工作狀態(tài)情況Fig.15 Fuel cell working status under scenario 2

通過對負荷情景2進行分析可得到圖13—15的優(yōu)化結果。從圖13中可看出；在時刻16：00、18：00、19：00、20：00、22：00、23：00下，由孤島微電網(wǎng)內部的供能單元進行負荷供電情況下不能滿足負荷的基本電能需求，需要有針對性地切除部分負荷，以實現(xiàn)孤島微電網(wǎng)的供需平衡，而不至于影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性。從圖14儲能裝置的充放電情況也可看出，在負荷需要切除的這段時間內，儲能裝置基本工作在最大放電功率情況下。該情況下沒有負荷情景1下的動作頻繁，主要是由于內部充放電的諸多約束以及充放電成本的限制，使其只動作在最優(yōu)的時間段。從圖15可看出，因負荷狀況的影響以及內部供能單元的產能限制，孤島微電網(wǎng)絕大多數(shù)時間均不能滿足負荷的基本需求，僅僅在3：00、10：00、12：00、13：00這幾個時段不需要燃料電池工作，其他時刻均需要燃料電池工作，并且在0：00、16：00—23：00這些時間段，燃料電池處于滿負荷工作狀態(tài)。

優(yōu)化后得到負荷情景2下的最優(yōu)風電、光伏、儲能和燃料電池的出力情況，并得出該情況下的最小支出成本：為3 760.9萬元。

5 結論

能源危機、環(huán)境污染等迫使世界各國不得不尋求新的能源以支撐未來經濟的發(fā)展，由此分布式能源與清潔能源逐步走上能源供給的舞臺，被世人所熟知。隨著以風電和光伏等為代表的清潔能源技術和電力市場化的不斷發(fā)展，微電網(wǎng)在未來新電改措施不斷完善下參與電力市場的模式以及電力市場分析方法的研究越來越受到關注。風電和光伏具有隨機性和反調峰性等特性，需要采取合理的方法進行處理或借助儲能等輔助措施對其進行消納，以增強其在市場環(huán)境下的適應性，促進其發(fā)展。為此，本文在新電改環(huán)境背景下研究了孤島微電網(wǎng)經營方法，為合理安排微電網(wǎng)內部的能源資源出力提供了相關的參考價值，提升了微電網(wǎng)的市場競爭力。

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