含風(fēng)光柴儲的獨立微電網(wǎng)容量優(yōu)化配置研究

楊柳青，馬群凱，劉曉軍，劉迎迎，郝光耀

(1.東北電力大學(xué), 吉林 吉林 132012；2.國網(wǎng)長春供電公司，長春 130021；3.國網(wǎng)濰坊供電公司，山東 濰坊 261000)

微電網(wǎng)將各種分布式電源、儲能裝置、負(fù)荷、換流器以及監(jiān)控保護裝置有機整合在一起，是實現(xiàn)高度自治的小型發(fā)配電系統(tǒng)[1-2]。然而，由于風(fēng)光等可再生能源作為不可調(diào)度的電源，具有不確定性的特點，需要與儲能系統(tǒng)或者其他備用電源協(xié)調(diào)出力，導(dǎo)致微電網(wǎng)容量規(guī)劃出現(xiàn)困難。

目前，國內(nèi)外對微電網(wǎng)容量優(yōu)化配置展開了一系列的研究。文獻(xiàn)[3]對待規(guī)劃地區(qū)典型月的歷史風(fēng)、光和負(fù)荷數(shù)據(jù)進行整理，以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對微電網(wǎng)中可再生能源和負(fù)荷進行優(yōu)化，但該方法選用的歷史數(shù)據(jù)較少且無法代表全年情況，具有一定局限性。文獻(xiàn)[4]根據(jù)典型年歷史風(fēng)、光和負(fù)荷數(shù)據(jù)，用改進的仿電磁學(xué)算法進行微電網(wǎng)中風(fēng)、光、柴、儲四種電源的容量優(yōu)化配置。文獻(xiàn)[5]將和聲搜索和模擬退火兩種算法結(jié)合在一起，為伊朗偏遠(yuǎn)地區(qū)設(shè)計了風(fēng)、光、生物柴油發(fā)電和儲能的混合動力系統(tǒng)。文獻(xiàn)[6]計及風(fēng)光不確定性，提出利用生成對抗網(wǎng)絡(luò)模擬風(fēng)光出力得到典型場景，選取最優(yōu)配置方案。文獻(xiàn)[7-8]基于峰谷電價的價格型需求響應(yīng)，構(gòu)建了微網(wǎng)的投資收益模型，從經(jīng)濟角度出發(fā)制定了系統(tǒng)優(yōu)化配置策略，但未考慮需求響應(yīng)的不確定性，在優(yōu)化過程中容易對結(jié)果過于樂觀。

微電網(wǎng)系統(tǒng)各方面的性能表現(xiàn)，包括系統(tǒng)的可靠性、建設(shè)運維成本、可再生能源消納能力等直接受到容量配置的影響[9]，因此研究微電網(wǎng)的容量優(yōu)化配置意義重大。在已有研究的基礎(chǔ)上，本文提出了采用遺傳算法(GA)，以系統(tǒng)總成本最小化作為目標(biāo)函數(shù)，并采用微網(wǎng)能量管理策略，對獨立型風(fēng)光柴儲微網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)模進行優(yōu)化。通過對負(fù)荷缺電率(LOLP)、可再生能源供電率(RES)、能量丟棄比(DEP)三個指標(biāo)的計算驗證了優(yōu)化結(jié)果的合理性，對于偏遠(yuǎn)山區(qū)或者海島等地微電網(wǎng)的建設(shè)具有較高參考價值。

1 微電網(wǎng)電源出力模型

1.1 風(fēng)機出力模型

風(fēng)機的輸出功率與實際風(fēng)速和額定功率有關(guān)[10]，其出力模型可以表示為：

(1)

式中：PWG(t)為風(fēng)電機組的實際輸出功率；Pe代表額定輸出功率；vr、ve、vc分別為切入風(fēng)速、額定風(fēng)速、切出風(fēng)速。

1.2 光伏陣列出力模型

光伏陣列的實際輸出功率PPV(t)受到輻照強度、環(huán)境溫度的影響[11]，可以描述為如下數(shù)學(xué)模型：

PPV(t)=PSTCGAC(t){1+k〔Tc(t)-Tr〕}/GSTC

(2)

式中：PSTC為額定條件下測得的輸出功率；GAC為輻照強度；Tc為太陽能電池板表面溫度；Tr為參考溫度，取25 ℃ ；k為功率溫度系數(shù)，本文取-0.004 7；GSTC為額定條件下的輻照強度，取1 kW/m2。

Tc=Tair+30G/1 000

(3)

式中：Tair為環(huán)境溫度，G為組件受到的太陽能輻射值。

1.3 柴油發(fā)電機模型

柴油發(fā)電機的實際輸出功率PDIE(t)可以在0到額定功率PRD(t)之間變化，其消耗燃油量和輸出功率的關(guān)系式為：

VF(t)=F0PDIE(t)+F1PRD(t)

(4)

式中：VF(t)表示柴油發(fā)電機的油耗量；F0為燃料曲線斜率；F1為燃料曲線的截距系數(shù)。

1.4 儲能電池模型

在微電網(wǎng)系統(tǒng)中儲能電池既可以充電也可以放電，起到平滑風(fēng)光功率輸出以及削峰填谷的作用。在t時刻系統(tǒng)的功率不平衡量可以用ΔP來表示，則：

ΔP(t)=PWG(t)+PPV(t)-PL(t)/ηinv

(5)

式中：PL(t)表示t時刻負(fù)荷功率;ηinv表示逆變器轉(zhuǎn)換效率。

儲能電池剩余電量的多少通常用荷電狀態(tài)(SOC)來表示，當(dāng)電池處于充電狀態(tài)時，荷電狀態(tài)SOC(t)的計算表達(dá)式為[12]：

SOC(t)=SOC(t-1)(1-σ)+〔PWG(t)+

(6)

電池處于放電狀態(tài)時，SOC(t)的計算表達(dá)式為：

(7)

式中：SOC(t)、SOC(t-1)分別表示在t和(t-1)時刻的電池荷電狀態(tài)；σ表示每小時的自放電率；ηbc、ηbf分別表示儲能充、放電效率。

2 系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)約束條件

微網(wǎng)系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)是使風(fēng)光柴儲混合電源系統(tǒng)的年度總成本(TAC)最小,數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

CTAC=CRF(j,n)CNPC

(8)

CNPC=CINI+CREP+CO&M+CPC+CBC-Csub

(9)

式中：CTAC為系統(tǒng)的年度總成本；CNPC代表目前凈總成本，為初始投資成本CINI、設(shè)備更換成本CREP、設(shè)備運行維護成本CO&M、柴油機組的燃料費用CFC和治污費用CEC的總和再減去發(fā)電量補貼成本Csub。

資金回收系數(shù)CRF為：

(10)

式中：j為貼現(xiàn)率，n為項目總壽命周期。

國家對于可再生能源發(fā)電補貼分為投資安裝補貼和按發(fā)電量補貼，本文根據(jù)文獻(xiàn)[13]選擇按照發(fā)電量補貼的方式：

(11)

式中：Ksub為補貼電價；Pre為可再生能源的供電有功功率。

為避免過充過放延長周期壽命，蓄電池的荷電狀態(tài)SOC和充放電功率應(yīng)滿足以下約束：

(12)

式中：SOCmin、SOCmax分別為蓄電池剩余電量約束的上限和下限；Pc、Pd分別為蓄電池的充、放電功率；Ebat為蓄電池的容量。

3 微電網(wǎng)系統(tǒng)評價指標(biāo)

天氣因素的影響使得風(fēng)機和光伏電源出力具有間歇性和波動性的特點，在微電網(wǎng)容量規(guī)劃中，應(yīng)遵循“優(yōu)先考慮可靠性”的配置原則。本研究由負(fù)荷缺電率(LOLP)作為系統(tǒng)運行可靠性衡量指標(biāo)：

(13)

式中：時間取全年8 760 h;Pload(t)表示t時刻微電網(wǎng)中總負(fù)荷功率；Ploss(t)表示t時刻微電網(wǎng)中負(fù)荷缺失功率。

為了充分利用風(fēng)機和光伏等清潔能源發(fā)電，防止非清潔能源的過度使用而造成環(huán)境污染，本文用可再生能源供電率αRES來衡量清潔能源發(fā)電比例：

(14)

當(dāng)可再生能源的發(fā)電量超過負(fù)荷需求，且儲能系統(tǒng)達(dá)到充電上限時，會造成棄風(fēng)棄光現(xiàn)象，多余的能量就要被浪費掉，本文用能量丟棄比βDEP衡量可再生能源的利用率：

(15)

式中Pdump(t)表示t時刻棄掉的可再生能源功率。

4 微電網(wǎng)能量管理策略

微電網(wǎng)的能量管理策略是指協(xié)調(diào)各個電源之間的出力順序，滿足負(fù)荷需求的同時減少棄風(fēng)棄光情況，以保障系統(tǒng)穩(wěn)定、經(jīng)濟的運行[14]。本文優(yōu)先利用可再生能源為負(fù)荷供電，采取的策略見圖1。

圖1 能量管理策略圖

5 算例分析

以某偏遠(yuǎn)山區(qū)為例，預(yù)在該地區(qū)建設(shè)一獨立風(fēng)光柴儲微電網(wǎng)系統(tǒng)，該地區(qū)全年風(fēng)速數(shù)據(jù)、實時光照強度、全年環(huán)境溫度曲線見圖2至圖4，基準(zhǔn)負(fù)荷數(shù)據(jù)見圖5。算例采用的風(fēng)機單機容量為5 kW，光伏電池額定功率為250 W，并設(shè)定每10個為一組，單塊蓄電池額定功率為25 kW·h，組件參數(shù)見表1。

表1 仿真參數(shù)

圖2 全年實時風(fēng)速曲線

圖3 全年實時光照強度曲線

圖4 全年環(huán)境溫度曲線

圖5 全年實時負(fù)荷曲線

通過風(fēng)速、光照強度和環(huán)境溫度曲線，以及系統(tǒng)元件參數(shù)等數(shù)據(jù)，可以確定單個風(fēng)機和光伏陣列單元的功率(NWT和NPV)情況，通過GA算法計算，得到以下最優(yōu)配置結(jié)果，見表2,NDIE和NBAT分別為柴油發(fā)電機和儲能電池的出力。

由表2、表3可知，在微網(wǎng)能量管理策略下，風(fēng)力發(fā)電機的最大出力為200 kW，光伏陣列的最大出力為127.5 kW，柴油發(fā)電機最大輸出功率為68 kW，儲能電池最大容量為1 050 kW。此配置中，儲能電池的容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于柴油發(fā)電機，一方面是為了減小棄風(fēng)光量，可以將多余的能量儲存起來，另一方面為了提高可再生能源發(fā)電比例，儲能電池可以作為優(yōu)于柴油發(fā)電機的備用電源，平抑風(fēng)光輸出和負(fù)荷間的不平衡功率。微電網(wǎng)全年運行狀況占比：從需求側(cè)看，全年發(fā)出電量的65%被負(fù)荷消耗，27%給儲能充電，僅有8%被棄掉，能源利用效率較高；從供能側(cè)看，柴油發(fā)電機的發(fā)電量占總發(fā)電量的3%，出力較少，也說明微電網(wǎng)基本運行在風(fēng)光儲模式。

表2 微電網(wǎng)電源優(yōu)化配置結(jié)果

表3 相關(guān)指標(biāo)及凈現(xiàn)值成本

利用該模型，可以分析負(fù)荷缺電率和凈現(xiàn)值成本之間的關(guān)系，見圖6?？梢钥闯?，隨著LOLP值的降低，對于系統(tǒng)的可靠性要求越來越高，系統(tǒng)經(jīng)濟成本也隨之增加，這是因為優(yōu)化方案將會增大蓄電池和柴油發(fā)電機的配置容量，這在一定程度上導(dǎo)致了系統(tǒng)凈現(xiàn)值成本CNPC值變大，同時，減少可再生電源風(fēng)機和光伏陣列的配置容量，有效提高了系統(tǒng)供電可靠性，有利于獨立型微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。當(dāng)LOLP值已經(jīng)很小時(低于0.6%)，繼續(xù)提升供電可靠性將會導(dǎo)致成本費用的急劇增加，所以，在實際配置中，不同地區(qū)對于微電網(wǎng)的要求不同，應(yīng)該綜合考慮系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性，選取合理的LOLP值，協(xié)調(diào)配置常規(guī)可控電源和可再生電源，避免微電網(wǎng)的冗余投資。

圖6 微電網(wǎng)成本費用靈敏度分析

6 結(jié)論

對于風(fēng)光資源豐富但傳統(tǒng)電網(wǎng)供電困難的山區(qū)或者海島，建立微網(wǎng)混合電源發(fā)電系統(tǒng)是未來解決其用電負(fù)荷至關(guān)重要的技術(shù)。本文首先構(gòu)建了風(fēng)光柴儲各電源的功率模型，然后綜合計及投資、運維、置換、治污以及發(fā)電補貼等成本費用建立了系統(tǒng)經(jīng)濟目標(biāo)函數(shù)，并采用微電網(wǎng)能量管理策略，通過GA遺傳算法分析研究了電源容量優(yōu)化配置問題，得出如下結(jié)論。

a.從LOLP、DEP、RES三個微電網(wǎng)指標(biāo)出發(fā)對于優(yōu)化配置的結(jié)果進行評價，表明配置方案具有較高的合理性。配置大量的儲能，雖然會增加投資和運行成本，但對于平滑風(fēng)光出力和提高系統(tǒng)可靠性方面仍具有不可替代的作用。

b.LOLP和系統(tǒng)凈現(xiàn)值成本成反比的關(guān)系，當(dāng)LOLP降低到一定程度以后會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟成本。不同的微電網(wǎng)系統(tǒng)對于LOLP值的要求不同,在保障可靠性的同時應(yīng)兼顧經(jīng)濟性，選取合理的LOLP值可顯著降低系統(tǒng)的成本費用。