城區(qū)微網(wǎng)分布式電源的優(yōu)化調(diào)度

● 湖南·國(guó)網(wǎng)湘潭供電公司 王 暢 易瑞華 王 理

降低能耗及污染排放是現(xiàn)階段低碳經(jīng)濟(jì)的主要發(fā)展方向，同時(shí)也是解決生態(tài)環(huán)境和氣候變化問題的新型電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式之一。

現(xiàn)階段隨著發(fā)電建設(shè)成本的逐步降低，各級(jí)大型廠礦企業(yè)已具有先天的發(fā)電基礎(chǔ)，加之分布式電源并網(wǎng)運(yùn)行政策的出臺(tái)，使得城區(qū)分布式電源的建設(shè)以及微電網(wǎng)的形成更加廣闊。分布式電源與用戶混雜而成的有源城區(qū)配網(wǎng)將越來(lái)越多，如何協(xié)調(diào)大電網(wǎng)和分布式電源之間考慮環(huán)境影響與經(jīng)濟(jì)效益前提下的的負(fù)荷分配值得不斷關(guān)注。

1 城區(qū)微電網(wǎng)現(xiàn)狀

1.1 城區(qū)微網(wǎng)

現(xiàn)階段城區(qū)微網(wǎng)主要以居民小區(qū)、賓館、醫(yī)院、商場(chǎng)及辦公室為主要負(fù)荷點(diǎn)；以大型廠礦企業(yè)分布式電源為主，新型充放電模式分布式電源為輔的微網(wǎng)模式。城區(qū)中的大型分布式電源正常情況下機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，主供企業(yè)自用電的同時(shí)，多余功率可以隨時(shí)調(diào)配使用。該類型城區(qū)微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)主要通過(guò)大電網(wǎng)系統(tǒng)供電，當(dāng)大電網(wǎng)故障或者相連設(shè)備及線路需要檢修時(shí)，則可以斷開與大電網(wǎng)的連接，暫時(shí)實(shí)現(xiàn)孤島運(yùn)行模式，以保證重要客戶、居民用戶的供電可靠性及電能質(zhì)量水平。

目前隨著電網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展、堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)建設(shè)的不斷完善，城區(qū)電網(wǎng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)多電源點(diǎn)供電模式。城區(qū)110kV變電站線路環(huán)網(wǎng)運(yùn)行保證了區(qū)域網(wǎng)架可靠性提升，配網(wǎng)多聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)的線路已基本實(shí)現(xiàn)A類供電區(qū)雙側(cè)電源的環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，滿足N-1的配網(wǎng)建設(shè)要求，未來(lái)將進(jìn)一步有效發(fā)揮分布式電源的能源優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)多電壓等級(jí)的并網(wǎng)模式。

1.2 微網(wǎng)能源管理

隨著智能電網(wǎng)及新技術(shù)的發(fā)展，分布式電源不斷接入后，如何綜合考慮分布式電源調(diào)度模式、移動(dòng)儲(chǔ)能設(shè)備應(yīng)用，需要微網(wǎng)的能源管理從以下角度考慮。

1.2.1 電壓頻率平衡

電網(wǎng)系統(tǒng)如同天平一般是瞬時(shí)平衡的，分布式電源的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)一端連接客戶、一端連接電網(wǎng)及分布式電源。由于微電網(wǎng)電壓等級(jí)較低，網(wǎng)絡(luò)總功率較少，異于大電網(wǎng)的輕微擾動(dòng)都將可能打破平衡的穩(wěn)定性，影響微電網(wǎng)的電壓或者頻率，最終破壞微電網(wǎng)的整體運(yùn)行。

1.2.2 與新能源集成

通過(guò)集成儲(chǔ)能系統(tǒng)可以有效揉合新能源與傳統(tǒng)分布式電源發(fā)電模式來(lái)形成多種組合方案，彌補(bǔ)能源間歇性的缺點(diǎn)，提升系統(tǒng)可靠性及功率穩(wěn)定性。

1.2.3 備用電源調(diào)備

當(dāng)大電網(wǎng)發(fā)生相電壓暫降、電源短時(shí)中斷等突發(fā)性事件時(shí)，作為微網(wǎng)系統(tǒng)的支持電源，為負(fù)荷提供電壓支持和能量供應(yīng)。

2 微網(wǎng)分布式電源調(diào)度

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

2.1.1 正常運(yùn)行

正常運(yùn)行時(shí)，城區(qū)微網(wǎng)110kV網(wǎng)架結(jié)構(gòu)堅(jiān)強(qiáng)，10kV配網(wǎng)電源穩(wěn)定多源。因此，對(duì)于分布式電源的微網(wǎng)調(diào)度側(cè)重于各個(gè)時(shí)段負(fù)荷的最大值，分布式電源最小并網(wǎng)功率就可以實(shí)現(xiàn)正常情況下的微網(wǎng)平衡。

2.1.2 異常運(yùn)行

異常情況下主網(wǎng)與微網(wǎng)110kV及以上設(shè)備聯(lián)絡(luò)斷開，10kV配網(wǎng)線路仍互相連接。此時(shí)較小功率的不平衡擾動(dòng)都將影響微網(wǎng)的電壓、頻率的穩(wěn)定性。因此，需要根據(jù)配網(wǎng)線路負(fù)荷預(yù)測(cè)、備用電源調(diào)備及分布式電源的發(fā)電預(yù)測(cè)來(lái)實(shí)施滿足微網(wǎng)的發(fā)電、用電平衡。

2.2 調(diào)度模型

城區(qū)微網(wǎng)分布式電源優(yōu)化調(diào)度是滿足功率平衡和負(fù)荷需求的前提下，合理調(diào)節(jié)微網(wǎng)中現(xiàn)有的分布式發(fā)電設(shè)備的輸出功率，實(shí)現(xiàn)發(fā)電、排污成本最小化。

2.2.1 發(fā)電成本

DG的發(fā)電費(fèi)用包括燃料費(fèi)用和運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用為：

式中：Kfuel,i為第i臺(tái)DG的燃料 （元/kWh），指該DG每發(fā)電kWh所消耗燃料的費(fèi)用；Pgen,i為第i臺(tái)DG的發(fā)電量（kWh）；Ko&M,i為第 i臺(tái) DG 的運(yùn)行、維護(hù)系數(shù)（元/kWh）。

2.2.2 排污成本

DG的污染物主要包括NOX、SO2、CO2等，那么其環(huán)境費(fèi)用為：

式中：Kemission,i為第i臺(tái) DG的排放系數(shù) （kg/kWh），指DG每kWh所排放的溫室氣體的重量；Remission為溫室氣體排污價(jià)格（元/kg）。

2.2.3 目標(biāo)函數(shù)

針對(duì)以上目標(biāo)，城區(qū)微網(wǎng)分布式電源調(diào)度問題可表述為：

3 案例分析

3.1 城區(qū)微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

以湖南省某市的城市微網(wǎng)作為案例分析對(duì)象，該微網(wǎng)由周邊3座110kV變電站形成高電壓等級(jí)的環(huán)網(wǎng)供電模式，10kV配網(wǎng)線路互相連通，形成手拉手供電模式。

微網(wǎng)中多個(gè)分布式電源存在：（1）以煉焦及煉鋼余熱作為發(fā)電能耗的大型鋼鐵企業(yè)。（2）各種分布式發(fā)電模式的小型企業(yè)，如太陽(yáng)能光伏發(fā)電（PV）、燃料汽輪機(jī)（MT）、燃料電池（FC）等，但其發(fā)電功能不能滿足自用電需求。（3）新型電動(dòng)汽車充放電站。

3.2 參數(shù)數(shù)據(jù)

本文采用該區(qū)域某日24小時(shí)內(nèi)的功率情況作為分析。

3.2.1 電源及負(fù)荷情況

區(qū)域負(fù)荷主要包含居民小區(qū)、賓館、醫(yī)院、商場(chǎng)、辦公室及小型企業(yè)的負(fù)荷。

圖1為大型鋼鐵企業(yè)的分布式電源剔除自用電情況下的并網(wǎng)功率，其波動(dòng)值較大，最小值為10t的38MW，最大值為8t的183MW。

3.2.2 成本數(shù)據(jù)

（1）大型鋼鐵企業(yè)煉焦及煉鋼余熱發(fā)電，其發(fā)電成本已計(jì)入生產(chǎn)成本，加之能源的轉(zhuǎn)換費(fèi)用遠(yuǎn)低于火電成本，因此可以忽略不計(jì)。（2）小型企業(yè)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電（PV）、燃料汽輪機(jī)（MT）、燃料電池（FC）等，其成本參數(shù)隨著技術(shù)的變化在不斷改變，可以按照某一時(shí)段的研究報(bào)告作為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

圖1 大型分布式電源情況

3.3 調(diào)度方案

3.3.1 現(xiàn)階段調(diào)度方案

根據(jù)對(duì)比可知，大型鋼鐵企業(yè)的分布式電源多余功率可以基本滿足該區(qū)域的正常用電負(fù)荷?，F(xiàn)階段該地區(qū)小型分布式電源發(fā)電功率及地區(qū)負(fù)荷較低，因此對(duì)于該區(qū)域的分布式電源的優(yōu)化調(diào)度方案暫考慮如下：（1）正常情況下為降低發(fā)電成本及污染成本，該區(qū)域的正常負(fù)荷由大型分布式電源的多余功率通過(guò)10kV配網(wǎng)線路供電，可以有效減少升壓、降壓過(guò)程中的變壓器損壞和線路損耗；富余波動(dòng)功率通過(guò)110kV高電壓等級(jí)送至大電網(wǎng)，以避免功率的波動(dòng)性影響該區(qū)域微網(wǎng)平衡。（2）異常情況下，基本可以實(shí)現(xiàn)孤島運(yùn)行，但對(duì)于大型分布式電源的發(fā)電功率需要進(jìn)行有效控制，以確保區(qū)域微電網(wǎng)的平衡。

3.3.2 未來(lái)調(diào)度方案

未來(lái)隨著負(fù)荷的提升、小型分布式電源發(fā)電成本的降低，微網(wǎng)調(diào)度方案可以考慮如下：（1）該區(qū)域的正常負(fù)荷由各類分布式電源提供，主要考慮鋼鐵企業(yè)煉焦及煉鋼余熱發(fā)電、PV、MT作為主供功率。（2）異常情況下，該區(qū)域需要對(duì)各類分布式電源進(jìn)行有效控制其出力情況，并考慮啟用其他備用容量來(lái)保證全微網(wǎng)的功率平衡。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了城區(qū)微網(wǎng)分布式電源的優(yōu)化調(diào)度模型，并對(duì)某市現(xiàn)階段及未來(lái)的實(shí)際供需情況進(jìn)行了模型計(jì)算，得出了相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)度方案。該模型在考慮發(fā)電成本、污染成本的情況下，能有效提供城區(qū)最優(yōu)調(diào)度方案，實(shí)現(xiàn)成本最低化的電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)。