計(jì)及停電損失的風(fēng)-柴-儲(chǔ)系統(tǒng)優(yōu)化配置

任勝男，王 進(jìn)，胡澤斌，周洋，謝謹(jǐn)，龔羅文

(1.湖南省清潔能源與智能電網(wǎng)協(xié)調(diào)創(chuàng)新中心 長(zhǎng)沙理工大學(xué)，長(zhǎng)沙 410114；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，長(zhǎng)沙 410114)

0 引言

當(dāng)今化石能源危機(jī)問題的日益突出，可再生能源發(fā)電技術(shù)迅速發(fā)展，微電網(wǎng)是可再生能源集中發(fā)電的一種重要的表現(xiàn)形式[1]。微電網(wǎng)是集分布式電源、儲(chǔ)能以及本地負(fù)荷為一體小型電力系統(tǒng)，能夠充分發(fā)揮分布式電源優(yōu)勢(shì)[2]，緩解電力系統(tǒng)擴(kuò)張的需求，同時(shí)風(fēng)-柴互補(bǔ)獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)是能夠有效解決海島用電問題的一種模式。合理規(guī)劃微電網(wǎng)中不同類型分布式電源的容量配置，不僅能夠有效降低系統(tǒng)運(yùn)行投資成本，提高可再生能源利用率[3]，而且供電可靠性也將得到大幅度提高。

隨著“十三五”期間我國(guó)微電網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，獨(dú)立運(yùn)行微電網(wǎng)中分布式電源規(guī)劃問題成為微電網(wǎng)相關(guān)研究中的熱點(diǎn)問題。文獻(xiàn)[4]針對(duì)獨(dú)立海島微網(wǎng)中分布式電源容量配置問題，以微網(wǎng)年投資運(yùn)行成本最小為優(yōu)化目標(biāo)；文獻(xiàn)[5]構(gòu)建微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)成本最小、污染排放最少和能源利用率最高的多目標(biāo)優(yōu)化配置模型，并引入熵理論以確定多目標(biāo)函數(shù)各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)；文獻(xiàn)[6]以經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性為目標(biāo)，建立了基于多狀態(tài)建模的獨(dú)立型微網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化配置模型；文獻(xiàn)[7]以綜合經(jīng)濟(jì)成本最低為目標(biāo)函數(shù),電源類型與容量為待求變量，建立微電網(wǎng)并網(wǎng)模式下的電源優(yōu)化配置模型；文獻(xiàn)[8]以網(wǎng)絡(luò)年費(fèi)用最小化為優(yōu)化目標(biāo)，建立了微網(wǎng)中各設(shè)備的最優(yōu)配置模型?，F(xiàn)有微電網(wǎng)分布式電源優(yōu)化配置多集中在以系統(tǒng)運(yùn)行投資成本最小為目標(biāo)，忽略了系統(tǒng)缺額電量帶來的停電經(jīng)濟(jì)損失。

為了提高獨(dú)立運(yùn)行微電網(wǎng)系統(tǒng)的供電可靠性，文獻(xiàn)[9]采用蒙特卡洛法評(píng)估配電系統(tǒng)可靠性，利用前推回代法計(jì)算系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓和網(wǎng)損，獲得適合微電網(wǎng)接入的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，以不同負(fù)荷的停電損失和系統(tǒng)網(wǎng)損費(fèi)用最低為目標(biāo)函數(shù)，但缺乏對(duì)儲(chǔ)能裝置的考慮；文獻(xiàn)[10]基于對(duì)微網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃特點(diǎn)和用戶停電損失的研究，建立了考慮用戶停電損失的微網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃模型,并將分布式電源和負(fù)荷的時(shí)序特性納入目標(biāo)函數(shù)中，以最小化網(wǎng)絡(luò)年費(fèi)用為優(yōu)化目標(biāo)，卻忽略了發(fā)電企業(yè)損失；文獻(xiàn)[11]用系統(tǒng)的負(fù)荷失電率評(píng)價(jià)系統(tǒng)的供電可靠性，提出了微電網(wǎng)的電源容量多目標(biāo)優(yōu)化配置模型，但卻缺乏對(duì)系統(tǒng)缺額電量進(jìn)行分析；文獻(xiàn)[12]基于蒙特卡洛法隨機(jī)模擬，將考慮時(shí)序性和不確定性的停電損失可靠性指標(biāo)引入模型，建立綜合考慮最小化分布式風(fēng)電源投資成本、最小化網(wǎng)損以及最小化停電損失的多目標(biāo)優(yōu)化配置模型，但未對(duì)停電損失計(jì)算成本進(jìn)行改進(jìn)。

本文用系統(tǒng)的缺額電量評(píng)價(jià)系統(tǒng)的供電可靠性，搭建了微電網(wǎng)缺額電量分段式停電損失成本計(jì)算模型，并提出了計(jì)及停電損失費(fèi)用的風(fēng)-柴-儲(chǔ)型獨(dú)立微電網(wǎng)分布式電源優(yōu)化配置模型，以最小化投資成本、運(yùn)維成本以及停電損失費(fèi)用之和為目標(biāo)。針對(duì)所建立的模型，采用粒子群算法進(jìn)行求解，并分析了停電損失成本對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化配置的影響以及柴油發(fā)電機(jī)燃料成本對(duì)電源結(jié)構(gòu)的影響。

1 風(fēng)-柴-儲(chǔ)型微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型

本研究主要針對(duì)風(fēng)資源豐富地區(qū)，因此采用風(fēng)-柴-儲(chǔ)型獨(dú)立微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。本文采用風(fēng)-柴-儲(chǔ)型獨(dú)立微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，包括分布式電源、柴油發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能裝置以及負(fù)荷。其中，分布式電源主要考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能供給電負(fù)荷；儲(chǔ)能單元主要為平滑風(fēng)力發(fā)電輸出功率，在電能充足時(shí)，儲(chǔ)存電能，電能不足時(shí)，釋放電能，從而實(shí)現(xiàn)直流母線電壓穩(wěn)定；此外，系統(tǒng)還需要配置一定數(shù)量的柴油發(fā)電機(jī)作為系統(tǒng)的備用電源，以提高系統(tǒng)的供電可靠性。柴油發(fā)電機(jī)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能裝置協(xié)調(diào)運(yùn)行，共同提高微電網(wǎng)的供電可靠性。

1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的重要的能量轉(zhuǎn)化裝置，風(fēng)速的大小直接影響著風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率表達(dá)式如下[13]:

(1)

(2)

(3)

式中，Pw(t)表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)在t時(shí)刻的輸出功率；vW(t)為t時(shí)刻的風(fēng)速；vin為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的切入風(fēng)速；vout為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的切出風(fēng)速。

1.2 柴油發(fā)電機(jī)模型

柴油發(fā)電機(jī)是以柴油等為燃料，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的小型發(fā)電設(shè)備，其輸出功率與燃料之間的關(guān)系如下[11]：

C(t)=aPDE(t)+bP0.

(4)

式中，C(t)為t時(shí)刻柴油發(fā)電機(jī)的耗油量；PDE(t)為t時(shí)刻柴油發(fā)電機(jī)的實(shí)際輸出功率；P0為柴油發(fā)電機(jī)的空載功率；a,b分別為柴油發(fā)電機(jī)燃油-功率關(guān)系曲線的截距與斜率。

1.3 儲(chǔ)能裝置模型

由于可分布式電源輸出功率的間歇性和不確定性，微電網(wǎng)中往往需要配置一定的儲(chǔ)能單元，其中蓄電池是目前應(yīng)用最普遍、技術(shù)比較成熟的儲(chǔ)能裝置，因此本文中儲(chǔ)能單元選取蓄電池為研究對(duì)象。荷電狀態(tài)(SOC)通常反映電池剩余容量，其表達(dá)式如下：

(5)

式中，Ec表示蓄電池的剩余容量；Ebat為表示蓄電池的額定容量。

在微電網(wǎng)運(yùn)行過程中蓄電池存在兩個(gè)過程：充電過程與放電過程，其與SOC關(guān)系可表述為：

(6)

式中，SOC(t)為t時(shí)刻蓄能裝置的荷電狀態(tài)；δ為蓄電池自放電率，一般取0.01%；Pch,Pdis為蓄電池充、放電功率；ηch,ηdis為蓄電池充、放電效率。

2 目標(biāo)函數(shù)

本文考慮孤島運(yùn)行微電網(wǎng)的投資成本、運(yùn)維成本以及停電損失成本，模型的目標(biāo)函數(shù)表示如下：

minf=f1+f2+f3+f4.

(7)

式中，f1為微電網(wǎng)年投資費(fèi)用；f2為微電網(wǎng)年運(yùn)行成本；f3為微電網(wǎng)年維護(hù)成本；f4為微電網(wǎng)年停電損失成本。

2.1 年投資費(fèi)用

微電網(wǎng)的年投資費(fèi)用表達(dá)式如下：

f1=(NwCW+NcCc+NbCb)ζ.

(8)

(9)

式中，Nw,Nc,Nb為風(fēng)力發(fā)電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能電池的安裝數(shù)量；CW,Cc,Cb為單個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)、蓄電池投資成本；ζ投資成本年回收率；n為項(xiàng)目年限,本文取n=20；λ為實(shí)際貸款率[14]。

2.2 年運(yùn)行成本

由于風(fēng)力發(fā)電僅消耗風(fēng)能，而不消耗燃料，本文僅考慮柴油發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中消耗燃料的費(fèi)用，其年運(yùn)行成本表達(dá)式如下：

(10)

式中，τc為柴油發(fā)電機(jī)單位發(fā)電量的燃料成本。

2.3 年維護(hù)成本

年維護(hù)成本指發(fā)電機(jī)設(shè)備維護(hù)費(fèi)用，其表達(dá)式如下：

f3=NwCWc+NcCcc+NbCbc.

(11)

式中，CWc，Ccc，Cbc分別表示單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)及儲(chǔ)能裝置的維修成本。

2.4 分段式停電損失費(fèi)用計(jì)算模型

停電損失成本主要包含由于缺額電量造成企業(yè)發(fā)電的損失成本，此處未考慮用戶側(cè)，我國(guó)在停電損失計(jì)算方面，主要采用電價(jià)折算倍數(shù)法、產(chǎn)電比法、總擁有費(fèi)用法[15]，本文采用產(chǎn)電比法的停電損失計(jì)算公式：

Co=EENS·R.

(12)

式中，Co為停電損失費(fèi)用；EENS年總?cè)鳖~電量；R為產(chǎn)電比。

年總?cè)鳖~電量表達(dá)式如下：

(13)

為了進(jìn)一步保證微電網(wǎng)系統(tǒng)供電可靠性，借鑒需求響應(yīng)原理，電力網(wǎng)絡(luò)中負(fù)荷能夠分為需求響應(yīng)負(fù)荷和基線負(fù)荷，其所占比例不同，因此，按照不同負(fù)荷可將缺額電量分為不同區(qū)域，本文構(gòu)建分段式停電損失成本計(jì)算模型，以規(guī)劃的年最大缺額電量EENSmax為總年負(fù)荷的20%為基準(zhǔn)，規(guī)定其最大損失電量。當(dāng)缺額電量超過最大缺額電量時(shí)，其相應(yīng)的單位停電損失費(fèi)用會(huì)按照一定規(guī)律增加，缺額電量越大對(duì)應(yīng)的停電損失成本越高，分段式停電損失成本計(jì)算模型如下式：

(14)

式中，?為單位缺電量成本增幅。

3 約束條件

3.1 機(jī)組出力約束

機(jī)組出力約束包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出力和柴油發(fā)電機(jī)組出力兩部分，其表達(dá)式如下：

0≤Pw(t)≤PWN.

(15)

0≤PDE(t)≤PDN.

(16)

式中，PWN為風(fēng)力最大發(fā)電功率；PDN為柴油發(fā)電機(jī)額定功率。

3.2 儲(chǔ)能裝置運(yùn)行約束

本文中儲(chǔ)能系統(tǒng)作用于平滑風(fēng)力發(fā)電輸出功率曲線，以平穩(wěn)直流母線電壓。儲(chǔ)能裝置運(yùn)行約束主要考慮以下方面：

(1)充放電功率約束：

0≤Pch≤Pchmax.

(17)

0≤Pdis≤Pdismax.

(18)

(2)剩余電量約束：

E(t)≤Ssocmax×Ebat.

(19)

E(t)≥Ssocmin×Ebat.

(20)

式中：E(t)為蓄電池在t時(shí)刻的剩余電量；Ssocmax為蓄電池荷電狀態(tài)上限；Ssocmin為蓄電池荷電狀態(tài)下限。

3.3 功率平衡約束

NwPw(t)+NcPDE(t)+Nb(Pch(t)-Pdis(t))=PL(t).

(21)

式中，PL為負(fù)荷功率。

4 求解方法

粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)具有算法簡(jiǎn)單、搜索效率高和快速收斂等優(yōu)點(diǎn)，因此本文采用粒子群算法對(duì)所建立的線性規(guī)劃問題進(jìn)行求解。針對(duì)不同模型中的優(yōu)化配置問題，模擬實(shí)際中風(fēng)-柴-儲(chǔ)型微電網(wǎng)日運(yùn)行情況，得到適應(yīng)度函數(shù)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能電池安裝臺(tái)數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，取迭代次數(shù)為500，粒子群規(guī)模200，從而得到獨(dú)立運(yùn)行微電網(wǎng)最優(yōu)電源配置，算法流程圖如圖2所示。

5 算例分析

5.1 仿真模式設(shè)置

為驗(yàn)證本文所建模型在提高風(fēng)-儲(chǔ)-柴型獨(dú)立運(yùn)行微電網(wǎng)供電可靠性以及降低運(yùn)行成本方面的有效性，本文設(shè)定以下三種模式：

模式一，目標(biāo)函數(shù)中僅考慮微電網(wǎng)投資運(yùn)行成本；

模式二，在統(tǒng)一型停電損失成本下，統(tǒng)一型停電損失成本不對(duì)缺額電量進(jìn)行劃分，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)效益與供電可靠性；

模式三，在分段式停電損失成本下，對(duì)缺額電量進(jìn)行劃分，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)效益與供電可靠性。

5.2 算例參數(shù)

本文各類型分布式電源參數(shù)[16]如表1所示，其中蓄電池初始剩余電量設(shè)置為0.5，荷電狀態(tài)設(shè)定范圍0.4～0.95，充放電功率ηch=ηdis=95%；柴油的燃料消耗量為10.5 kW·h/L；取柴油價(jià)格為8.0元/L。假設(shè)某地區(qū)典型日負(fù)荷功率曲線與風(fēng)速曲線如圖3、如圖4所示，選取典型日負(fù)荷峰值作為負(fù)荷功率預(yù)測(cè)值，Pload=28 500 kW。

表1 分布式電源參數(shù)

5.3 仿真結(jié)果分析

由表2和圖5可知：

(1)與模式一相比較，模式三的缺額電量降低了52 MW·h，停電損失成本降低62.4萬元，缺額電量降低了29.46%。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的配置數(shù)量為620臺(tái)，儲(chǔ)能裝置以及柴油發(fā)電機(jī)的配置數(shù)量適當(dāng)增加。這主要原因?yàn)椋?dāng)不考慮缺額電量限制時(shí)，受單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出力約束，需要通過增加風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝數(shù)量來提高系統(tǒng)總體出力水平，從而滿足負(fù)荷需求，因而增加了風(fēng)力發(fā)電機(jī)投資水平。另外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量增加導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)出力降低，柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)行成本降低。

(2)與模式二對(duì)比，模式三的停電損失成本降低了約19.94%，且投資成本也得到明顯降低，差距相對(duì)模式一而言較小。這是由于模式三對(duì)缺額電量控制更加嚴(yán)格，減少了由于風(fēng)力發(fā)電的不確定性與隨機(jī)性而產(chǎn)生的停電損失，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電降低時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電量增加以滿足電力需求，減少系統(tǒng)的缺額電量，提高系統(tǒng)的供電可靠性。

表2 不同模式中經(jīng)濟(jì)成本比較

綜上所述，本文所建立的計(jì)及停電損失的微電網(wǎng)分布式電源優(yōu)化模型，能夠兼顧系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性與供電可靠性。通過三種模式計(jì)算結(jié)果分析對(duì)比可知，本文所提出的分段式停電損失成本模型具有一定的優(yōu)越性。

5.4 燃料成本τc對(duì)配置影響分析

燃料成本τc直接影響著柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀況，從而影響風(fēng)-儲(chǔ)-柴型獨(dú)立運(yùn)行微電網(wǎng)的分布式電源優(yōu)化配置。

表3 不同燃料成本配置情況

由表3可知，當(dāng)燃料成本降低至1.6元時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量降低,同時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量也隨之降低，柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行成本降低，使得柴油發(fā)電機(jī)的發(fā)電量增加，從而替代風(fēng)力發(fā)電機(jī)的部分發(fā)電量；當(dāng)燃料成本增加至2.0元時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量依然降低，但由于其運(yùn)行成本增加，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)與儲(chǔ)能裝置裝機(jī)數(shù)量增加，作為柴油發(fā)電機(jī)的代替電源。

6 結(jié)論

本文建立計(jì)及停電損失的分布式電源優(yōu)化模型，并搭建分段式停電損失費(fèi)用計(jì)算模型，通過粒子群算法求解模型最優(yōu)配置。分析比較三種模式下的計(jì)算結(jié)果，得到如下結(jié)論：

(1)缺額電量分段式停電損失計(jì)算模型對(duì)缺額電量進(jìn)行更加嚴(yán)格的控制，在提高供電可靠性的同時(shí)減少停電事故的發(fā)生，并且能夠降低系統(tǒng)的總成本。

(2)微電網(wǎng)中配置適當(dāng)?shù)牟裼桶l(fā)電機(jī)作為系統(tǒng)的備用電源，短期內(nèi)雖會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的總投資的增加，長(zhǎng)期考慮卻有利于提高微電網(wǎng)供電的可靠性。

(3)燃料成本影響著柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)行成本，進(jìn)而影響系統(tǒng)的總成本，導(dǎo)致電源配置結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。