微電網(wǎng)不同負(fù)荷特性下電源規(guī)劃淺析

魏燕

（中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計院有限公司，西安 710075）

分布式發(fā)電、多種形式的新能源發(fā)電，具有能源利用效率高、安裝地點靈活等特點。隨著分布式新能源電源和分布式電源數(shù)量的不斷增多，微電網(wǎng)成為解決分布式新能源發(fā)電增量的有效手段。

微電網(wǎng)是由分布式電源、用電負(fù)荷、配電設(shè)施、監(jiān)控和保護(hù)裝置等組成的小型發(fā)配用電系統(tǒng)。從負(fù)荷側(cè)來看，微電網(wǎng)可以是一個自治的電力系統(tǒng)；從大電網(wǎng)側(cè)來看，微電網(wǎng)和大電網(wǎng)中的發(fā)電廠或負(fù)荷一樣是一個獨立的整體。典型的單電壓等級微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖 1 典型的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

1 微電網(wǎng)的主要電源形式及特征

微電網(wǎng)中常用的分布式電源按照其出力特性可以分為2類：（1）具有可調(diào)控出力特性的燃料電源，如柴油發(fā)電機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池等；（2）具有間歇性出力特性的新能源電源，如風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等。儲能電池在微電網(wǎng)中也按一種電源形式進(jìn)行設(shè)計。

1.1 燃料電源特性

燃料電源類電源的主要特性包括最大、最小電能輸出，燃料輸出成本等。以柴油發(fā)電機(jī)為例：

燃料電源的燃料消耗成本可以表示為輸出功率的二次函數(shù)：

1.2 新能源電源特性

1.2.1 光伏電源特性

光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率由輻照強(qiáng)度和環(huán)境溫度共同決定。

光伏發(fā)電輸出功率可按式（2）計算：

其中，輻照強(qiáng)度It可以根據(jù)HDKR模型計算得到：

式中 Ibt、Idt、Irt是 It的 3個分量，分別對應(yīng)輻照強(qiáng)度的直接分量、天空散射分量與地面反射分量，kW/m2；Ib、Id分別為t時段的直接輻照量與天空散射輻照量，kW/m2；A=Ib/I0，I0為t時段的地外水平輻照量，kW/m2；RB為斜面束輻照與水平面束輻照之比；β為電池板的安裝傾角；，I為t時段的當(dāng)?shù)乜傒椪樟?，kW/m2；kt為t時段的天空晴朗指數(shù)，可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)或通過隨機(jī)分解法模擬得到；ρ為地面反射系數(shù)，一般取0.2。

1.2.2 風(fēng)力發(fā)電特性

風(fēng)機(jī)的輸出功率由其輪轂高度的實際風(fēng)速和功率轉(zhuǎn)化特性共同決定。若有月平均風(fēng)速，可結(jié)合相關(guān)統(tǒng)計學(xué)參數(shù)(Weibull形狀因子、自相關(guān)因子、晝夜模式強(qiáng)度和峰值風(fēng)速時間)擬合生成全年詳細(xì)風(fēng)速數(shù)據(jù)。

風(fēng)電功率轉(zhuǎn)化特性曲線的典型數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中Pwt(vt)為風(fēng)速vt對應(yīng)的風(fēng)機(jī)出力；為風(fēng)機(jī)額定出力，kW；vci、vco與vr分別為風(fēng)機(jī)的切入風(fēng)速、切出風(fēng)速與額定風(fēng)速，m/s。

1.3 儲能裝置特性

根據(jù)凈負(fù)荷正負(fù)情況不同，儲能裝置存在充電、放電和閑置3種狀態(tài)：

經(jīng)過放電過程，儲能裝置的荷電狀態(tài)（剩余儲能容量占額定儲能容量的百分比）將發(fā)生相應(yīng)變化：

式中SOCt為t時刻的荷電狀態(tài)；為 t時刻的儲能容量；ηdis為儲能裝置的放電效率；σ為儲能裝置的自放電率。

充電后儲能裝置的荷電狀態(tài)變化情況如下：

式中ηch為儲能裝置的放電效率。

為了減緩儲能裝置的容量損耗，延長其循環(huán)壽命，需要對儲能裝置的充電上限及放電深度加以限制：

式中DODmax為儲能裝置的最大放電深度；SOCmax為儲能裝置的儲能容量上限。

2 電力電量平衡計算

2.1 微電網(wǎng)電量平衡計算

由于風(fēng)電和光伏電源出力具有較強(qiáng)的間歇性，很難與用電負(fù)荷完全匹配。為了維持微電網(wǎng)在長期運行中的自治能力，需要啟動可調(diào)度分布式電源與儲能裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，以削減不平衡功率。為了實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)采用兩種典型的微電網(wǎng)運行策略：

為了充分發(fā)揮儲能裝置的削峰填谷作用，應(yīng)結(jié)合負(fù)荷特性分析采用分時充放電運行策略。

（2）分時充放電策略：儲能裝置在日負(fù)荷的峰平谷時段遵循不同的充放電策略。在峰時段，按照負(fù)荷跟隨策略削減凈負(fù)荷；在平時段或谷時段，若新能源電源出力不足，優(yōu)先啟動燃料電源向用戶供電。當(dāng)燃料電源發(fā)電容量充足時，在滿足用電需求之余提高出力向儲能裝置充電；當(dāng)燃料電源發(fā)電容量不足時，通過儲能裝置放電填補(bǔ)功率缺額。

2.2 電量平衡約束條件

對微電網(wǎng)運行考慮以下7個約束條件來進(jìn)行電力電量平衡分析：

（1）電力平衡約束

各時段系統(tǒng)發(fā)電量與PCC點交換電量之和應(yīng)與用電負(fù)荷相匹配。

（2）備用容量約束

當(dāng)微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運行狀態(tài)，備用容量由可調(diào)度燃料電源和上級電網(wǎng)共同提供；當(dāng)微電網(wǎng)處于孤島運行狀態(tài)，備用容量僅由可調(diào)度燃料電源提供。

（3）新能源發(fā)電約束

各時段的風(fēng)電、光伏的發(fā)電量受到實際的裝機(jī)容量及實時風(fēng)光資源情況約束。風(fēng)電或光伏在某一時段的最大可用容量，可通過1.2節(jié)中計算公式進(jìn)行計算。

（4）燃料電源發(fā)電約束

燃料電源作為可調(diào)度發(fā)電資源，能夠在新能源發(fā)電出現(xiàn)間歇性不足時為微電網(wǎng)提供功率支持。由于小型燃料電源具有響應(yīng)速度快、啟停成本低等優(yōu)點，在此做簡化處理，不考慮啟停約束、爬坡約束等約束條件，僅對其輸出功率上下限加以限制。

（5）能量型儲能裝置運行約束

通過簡化處理能量型儲能裝置的通用模型，僅考慮充放電功率約束、儲能荷電狀態(tài)與充放電功率的時序耦合約束、分時段荷電狀態(tài)約束約束及儲能初始荷電狀態(tài)約束。

（6）微電網(wǎng)購售電約束

當(dāng)微電網(wǎng)出現(xiàn)供電不足時，作為負(fù)荷以售電電價從上級電網(wǎng)購電；當(dāng)微電網(wǎng)發(fā)電量過剩時，作為電源以新能源上網(wǎng)電價向上級電網(wǎng)售電。為了確保微電網(wǎng)的自治運行能力，還須對微電網(wǎng)的年購、售電量加以約束。

（7）可中斷負(fù)荷約束

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)電容量不足時，將優(yōu)先切除可中斷負(fù)荷，保證微電網(wǎng)中重要用戶持續(xù)供電。

3 算例分析

根據(jù)燃料電源，新能源電源，儲能裝置的特性分析，結(jié)合微電網(wǎng)電量平衡策略及其約束條件，以某一區(qū)域負(fù)荷為例，在不同邊界條件下計算電源規(guī)劃，算例如下。

3.1 計算條件

以某供電區(qū)域為例，該區(qū)域最大負(fù)荷10MW，其中一般工業(yè)負(fù)荷6MW，酒店類負(fù)荷4MW。兩種負(fù)荷類型按相應(yīng)容量擬合出全年負(fù)荷曲線得出本區(qū)域全年綜合負(fù)荷曲線見圖2，該地區(qū)的風(fēng)速及光照曲線數(shù)據(jù)見圖 3，圖 47。

圖2 某區(qū)域全年負(fù)荷曲線

圖3 某區(qū)域全年風(fēng)速曲線

圖4 某區(qū)域全年光照曲線

項目約束條件設(shè)定新能源滲透率為50%，其中年購入、出售電量比例上限均為50%。設(shè)定值見下表：

表1 微電網(wǎng)約束控制條件

3.2 計算結(jié)果及分析

設(shè)定允許與電網(wǎng)交換功率值上限及新能源設(shè)備的年利用小時數(shù)，則得出電源規(guī)劃結(jié)果如下表：

表2 電源規(guī)劃結(jié)果

對表2數(shù)據(jù)分析可知，第1，2種工況，增加允許電網(wǎng)輸入的最大功率可以減少燃料電源的容量配置，在滿足新能源消納的基礎(chǔ)上能夠降低燃料電源的部分投資；第 4種工況為孤島方式，不允許棄風(fēng)棄電，需增加一定燃料電源的容量，以保證負(fù)荷的平衡；第 6，8種工況只允許向電網(wǎng)輸出功率，電源的規(guī)劃容量均大于其他條件下的規(guī)劃容量。

4 結(jié)語

從算例及其結(jié)果分析匯總可以看出，保證微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的一定的聯(lián)系，在電價合理的條件下有利于降低微電網(wǎng)的初期投資。因此在進(jìn)行微電網(wǎng)設(shè)計及內(nèi)部電源規(guī)劃時，應(yīng)充分考慮各種電源特性的合理配置，與大電網(wǎng)協(xié)調(diào)一致，取得技術(shù)經(jīng)濟(jì)最為合理的微電網(wǎng)配置方案。