可靠性與經(jīng)濟(jì)性相協(xié)調(diào)的微電網(wǎng)能量?jī)?yōu)化

大連理工大學(xué) 李泓達(dá)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，能源與環(huán)境危機(jī)已經(jīng)成為了當(dāng)前需要重點(diǎn)解決的問題之一。為了減輕環(huán)境污染，降低對(duì)化石能源等的依賴度，開始提倡清潔綠色可再生資源。微電網(wǎng)作為比較有效的可再生能源接入電網(wǎng)，已經(jīng)成為了當(dāng)前發(fā)展的重點(diǎn)。通過做好優(yōu)化與控制工作，在保障微電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)發(fā)展目標(biāo)。

1 發(fā)展微電網(wǎng)的意義

微電網(wǎng)擁有自我控制能力強(qiáng)等特點(diǎn)，屬于保護(hù)與管理并存的微型配電系統(tǒng)，在分布式電源發(fā)電的作用下，能夠提升使用效果。但是在現(xiàn)階段發(fā)展中微電網(wǎng)能量管理、微電源調(diào)度等方面卻存在著許多的問題。由于微電網(wǎng)能夠滿足并網(wǎng)運(yùn)行、孤島運(yùn)行需求，可以展現(xiàn)當(dāng)?shù)乜稍偕茉磧?yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)綠色能源、清潔型能源發(fā)電的整合，進(jìn)一步強(qiáng)化就地供電能力。而可靠性、經(jīng)濟(jì)性微電網(wǎng)能量?jī)?yōu)化則成為發(fā)展階段中需要兼顧的重點(diǎn)。目前針對(duì)微電網(wǎng)可靠性的研究明顯增加，如使用解析法、蒙特卡洛模擬評(píng)估等方式進(jìn)行可靠性分析等，但是在微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方面卻存在著一定的不足。雖然也有研究人員針對(duì)微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行進(jìn)行了研究，但是從整體層面來講與本文可靠性和經(jīng)濟(jì)性相協(xié)調(diào)研究方面存在差距。而本文中所提出的可靠性、經(jīng)濟(jì)性相協(xié)調(diào)的微電網(wǎng)能量?jī)?yōu)化方法中，主要包含：第一，計(jì)及微電源出力特性與故障情況。為西安微網(wǎng)與主網(wǎng)交換功率等。第二，計(jì)及微電源運(yùn)行工況、微電網(wǎng)與主網(wǎng)交換成本及微電網(wǎng)運(yùn)行年限等。通過將經(jīng)濟(jì)性與可靠性融合在一起，在獲取微電網(wǎng)等年值最小時(shí)各類微電源的最佳運(yùn)行容量，進(jìn)而提升運(yùn)行管理研究的深入性[1]。

2 微電網(wǎng)的可靠性評(píng)價(jià)與經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

2.1 可靠性評(píng)價(jià)

通過對(duì)微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，在做好自動(dòng)開關(guān)與主網(wǎng)聯(lián)系的基礎(chǔ)上依靠并網(wǎng)模式、自治模式等實(shí)現(xiàn)自由切換。在微電源中主要涉及到風(fēng)力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電、柴油發(fā)電、儲(chǔ)能四種。在自動(dòng)開關(guān)的影響下能夠及時(shí)將微電源連接到微電網(wǎng)母線中，并及時(shí)切除故障微電源，提升對(duì)微電源投運(yùn)容量的有效控制。在微電網(wǎng)能量管理周期取值方面存在較大的差異性，需要從運(yùn)行完整性等層面進(jìn)行分析，同時(shí)還要明確在單位小時(shí)以內(nèi)微電網(wǎng)功率方面的分布情況。通過借鑒先進(jìn)電氣可靠技術(shù)解決方案聯(lián)合會(huì)中的要求，明確饋線潮流控制模式，確保微電網(wǎng)與主網(wǎng)交換功率方面的恒定性，在進(jìn)入到孤島模式以后，依靠當(dāng)?shù)氐奈㈦娫凑{(diào)節(jié)提升功率平衡效果。

微電源功率輸出。一是WT 與PV。因自然資源在分布方面存在著隨機(jī)性較強(qiáng)等特點(diǎn)，所以在微電源出力方面表現(xiàn)出了間歇性、不可控性等。借助HOMER 軟件能夠?qū)L(fēng)速、光照曲線等模擬出來，在結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上獲取輸出功率。二是ES。在這一類型的微電源中能夠平衡WT 出力PWT（t）等，不僅可以穩(wěn)定系統(tǒng)功率輸出，同時(shí)也可以達(dá)到平抑負(fù)荷波動(dòng)的效果，同時(shí)也可以強(qiáng)化可再生能源發(fā)電可調(diào)度性特點(diǎn)。三是DE。在這一類型的微電源輸出功率方面存在著可控性較強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)也可以在保障柴油供應(yīng)充足性的基礎(chǔ)上滿足需求[2]。

微電源狀態(tài)。一是WT、PV、DE。針對(duì)配電網(wǎng)所具備的可靠性進(jìn)行分析時(shí)，所使用的元件主要借助雙狀態(tài)模型的方式，通過使用相同模型針對(duì)微電源實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行描述，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障狀態(tài)概率函數(shù)的臭氧，同時(shí)也可以確定無故障時(shí)間tTTF。由于微電源故障時(shí)間相對(duì)較小，在兼顧程序存儲(chǔ)空間的基礎(chǔ)上確定故障時(shí)間，同時(shí)選擇期望值。二是ES。受到工作時(shí)間相對(duì)較小的影響，主要使用運(yùn)行狀態(tài)模型，所以針對(duì)故障并不過多考慮。

負(fù)荷。負(fù)荷需求主要是借助IEEE-RTS 所提供的年時(shí)序模型來進(jìn)行計(jì)算的，當(dāng)峰值為5MW 時(shí)，則需要及時(shí)針對(duì)停電所產(chǎn)生的損失進(jìn)行分析，同時(shí)還需要掌握用電性質(zhì)。在負(fù)荷中主要是以工業(yè)、商業(yè)等用電分類模型為主，在合理范圍內(nèi)模擬出負(fù)荷間可靠性要求方面的差距。

停電損失統(tǒng)計(jì)。在過去主要使用產(chǎn)電比法與平均電價(jià)法來計(jì)算出停電損失，但是卻難以計(jì)及負(fù)荷可靠性要求之間的差距，而這也與微電網(wǎng)需求管理特性之間存在較大差距。但是也要明確的是，停電所產(chǎn)生的損失還受到持續(xù)停電的時(shí)間等因素的影響。

2.2 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

在經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)中主要是借助全生命周期經(jīng)濟(jì)管理方法，以此來保障后續(xù)決策的科學(xué)性，同時(shí)還可以使用微電源經(jīng)濟(jì)計(jì)算HOMER 軟件來做好分析工作。通過對(duì)微電網(wǎng)年投資運(yùn)行費(fèi)用、微電源種類、個(gè)數(shù)等進(jìn)行分析，在做好計(jì)算工作的基礎(chǔ)上將其轉(zhuǎn)變成為年單位投資、運(yùn)行、替代費(fèi)用以及剩余價(jià)值等。通過從DE 角度出發(fā)，在選擇運(yùn)行時(shí)段時(shí)將重點(diǎn)放在燃料費(fèi)用方面，而在故障期間維修所產(chǎn)生的費(fèi)用也與相同時(shí)間范圍內(nèi)燃料費(fèi)用相似，所以也就可以模擬出運(yùn)行階段中所產(chǎn)生的費(fèi)用。而ES 體育DE 運(yùn)行年限則低于微電網(wǎng)運(yùn)行年限，其中包含購(gòu)買新型設(shè)備過程中所產(chǎn)生的中間年費(fèi)用等。在微電網(wǎng)運(yùn)行年限以內(nèi)，通過采取一次性支付方式，可以借助經(jīng)濟(jì)學(xué)公式將其轉(zhuǎn)變成為年值[3]。

3 可靠性與經(jīng)濟(jì)型相協(xié)調(diào)的微電網(wǎng)能力優(yōu)化措施

3.1 能量?jī)?yōu)化

當(dāng)微電網(wǎng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，且在供電能力降低、供電經(jīng)濟(jì)性不足時(shí)，則可以借助負(fù)荷間可靠性要求所產(chǎn)生的差異情況來對(duì)部分負(fù)荷采取中斷等措施。在并網(wǎng)運(yùn)行階段中，內(nèi)部用戶雖然具備微電源、主網(wǎng)的雙重支持優(yōu)勢(shì)，但是為了更好的展現(xiàn)微電源供電作用，在微電源與主網(wǎng)交換功率方面則表現(xiàn)出了滿足內(nèi)部用戶需求等現(xiàn)象。所以在微電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)建設(shè)中，就需要從建設(shè)目的、功能配置差異等方面出發(fā)，做好微電網(wǎng)可靠性、經(jīng)濟(jì)性協(xié)調(diào)等研究工作，在優(yōu)化微電源出力的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)降低損失等目標(biāo)，將微電網(wǎng)等年值費(fèi)用控制在最低狀態(tài)。因此為了提升優(yōu)化效果，就需要從微電源運(yùn)行約束條件入手，滿足可再生能源發(fā)電接入約束要求。在考慮可再生能源發(fā)電接入約束時(shí)還需要做好發(fā)電與負(fù)荷需求之間的正相關(guān)性分析工作[4]。

3.2 優(yōu)化流程

第一，利用已經(jīng)使用的方法提煉WT、PV、DE 全面各小時(shí)中的輸出功率，同時(shí)還可以使用序貫蒙特卡洛仿真，運(yùn)用不同方法構(gòu)建出微電源時(shí)序狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程。通過統(tǒng)計(jì)與分析，以此來獲取期望值。通過對(duì)微電網(wǎng)、主網(wǎng)交換功率進(jìn)行分析，在結(jié)合可靠性參數(shù)等的基礎(chǔ)上做好期望值統(tǒng)計(jì)等工作。

第二，WT、PV、ES 供電。在發(fā)展階段中需要做好可再生能源發(fā)電優(yōu)化工作，并運(yùn)用ES 來實(shí)現(xiàn)對(duì)可再生能源發(fā)電與負(fù)荷用電中所產(chǎn)生的差值進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)而回去剩余未供負(fù)荷時(shí)間序列。

第三，確定好WT 與PV 最大接入容量。通過對(duì)ES 運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)情況進(jìn)行分析，以此來確定出ES最小單位容量，同時(shí)還要借助單變量法做好調(diào)整工作獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。

第四，DE 供電策略。通過對(duì)剩余未供負(fù)荷中針對(duì)可靠性要求所產(chǎn)生的不同依次供電情況進(jìn)行分析，能夠獲取微電網(wǎng)消減負(fù)荷時(shí)間序列。為了再現(xiàn)真實(shí)情況，就需要做好基荷機(jī)組全年運(yùn)行、調(diào)峰機(jī)組需要時(shí)運(yùn)行設(shè)定工作，同時(shí)還要針對(duì)DE 輸出功率情況進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)可控目標(biāo)。

第五，在容量范圍以內(nèi)，需要針對(duì)不同容量狀態(tài)下微電源停電損失、投資運(yùn)行費(fèi)用等統(tǒng)計(jì)工作，同時(shí)還要做好等年值費(fèi)用對(duì)比分析，以此來篩選出最為適合的方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)微電源運(yùn)行的有效管理。

3.3 方案分析

自治模式狀態(tài)下的能量模型其實(shí)就是并網(wǎng)模式狀態(tài)下的一種特殊形式，通過對(duì)微電網(wǎng)自治運(yùn)行價(jià)值進(jìn)行分析，以自治運(yùn)行微電網(wǎng)系統(tǒng)為典型，針對(duì)當(dāng)?shù)卦缕骄L(fēng)速等進(jìn)行分析，從而選擇好適合的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

方案1：借助WT 單獨(dú)接入，進(jìn)一步闡述其供電特點(diǎn)，同時(shí)還需要針對(duì)不同WT 容量方案下微電源所產(chǎn)生的等年值費(fèi)用等進(jìn)行分析，明確隨著WT容量的不斷增加，在等年值費(fèi)用方面表現(xiàn)出了逐漸下降的特點(diǎn)。所以說當(dāng)WT 發(fā)電經(jīng)濟(jì)狀態(tài)下，其發(fā)電特性表現(xiàn)出了不可控等特點(diǎn)，加之受到負(fù)荷用電相關(guān)性不佳的影響，使得其難以大量接入自治運(yùn)行微電網(wǎng)[5]。

方案2：通過對(duì)WT 與PV 聯(lián)合接入說明情況進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)可再生能源發(fā)電優(yōu)勢(shì)的互補(bǔ)，同時(shí)也可以保障接入容量的最優(yōu)化。在不同WT 與PV 最大容量組合狀態(tài)下通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)在接入PV 以后等年值費(fèi)用呈現(xiàn)了逐漸下降的趨勢(shì)，在WT 接入容量最大時(shí)，等年值費(fèi)用表現(xiàn)出了最小狀態(tài)。所以WT 與PV 在發(fā)電方面呈現(xiàn)了互補(bǔ)特性，其中WT 發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性更高，以自治運(yùn)行狀態(tài)中，微電網(wǎng)需要在容量范圍以內(nèi)作需要最大化WT 接入容量。

方案3：通過對(duì)自治運(yùn)行狀態(tài)下不同類型微電源最佳容量、供電策略等進(jìn)行分析，在確保探索深入性的基礎(chǔ)上來獲取相關(guān)信息。當(dāng)WT 接入容量處于最大狀態(tài)時(shí)能夠在合理范圍內(nèi)降低微電網(wǎng)等年值方面的費(fèi)用，但是也應(yīng)當(dāng)要明確的是：第一，PV 在發(fā)電互補(bǔ)性方面明顯高于WT，且受到PV 容量不斷增加的影響，在等年值費(fèi)用方面主要是受到停電損失不斷減小而減小。第二，DE 帶負(fù)荷能力相對(duì)較強(qiáng)，且在前期階段中受到可靠性要求比較嚴(yán)格的影響，在工業(yè)與商業(yè)負(fù)荷供電方面有著明顯變化，且在等年值費(fèi)用上也是逐漸減少的。但是隨著容量的不斷增加，DE 發(fā)電經(jīng)濟(jì)性呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)，而在等年值費(fèi)用減少趨勢(shì)上則呈現(xiàn)了逐漸放緩的狀態(tài)。只有在滿足大部分負(fù)荷供電要求以后，通過不斷提升可靠性能夠適當(dāng)提升等年值費(fèi)用。

方案4：如在考慮微電網(wǎng)可靠供電核心微電源DE 時(shí)，能夠證明當(dāng)微電源故障率不斷增加以后，對(duì)最優(yōu)方案選擇有著一定影響。第一，當(dāng)DE 處于不同容量狀態(tài)下，等年值費(fèi)用、年缺電量也是不斷增加的。第二，由于DE 的運(yùn)行方式有著靈活性較強(qiáng)等特點(diǎn)，所以在接入容量不斷增加背景下，其實(shí)際運(yùn)行容量呈現(xiàn)逐漸減少趨勢(shì)，而在故障備用容量方面則表現(xiàn)出了不斷增加現(xiàn)象，在年缺電量方面呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。第三，DE 接入容量增加勢(shì)必會(huì)減少對(duì)可靠性的影響，但是隨著故障頻率的不斷增加，使得燃料費(fèi)用也在不斷產(chǎn)生。第四，通過對(duì)微電源單位容量、故障率等情況進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，如果在局部范圍以內(nèi)增加DE 故障率，對(duì)微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行所產(chǎn)生的影響相對(duì)較小。

4 結(jié)語

綜上所述，通過從經(jīng)濟(jì)性、可靠性層面出發(fā)，在做好能量?jī)?yōu)化配置模型研究工作基礎(chǔ)上掌握實(shí)際情況，明確對(duì)經(jīng)濟(jì)性與可靠性等所產(chǎn)生的影響，最大限度降低對(duì)環(huán)境的不利影響。所以在運(yùn)行階段中還需要及時(shí)針對(duì)當(dāng)?shù)貙?shí)際發(fā)展情況進(jìn)行分析，確保能量配置的靈活性，采取有效的設(shè)計(jì)方案，滿足可持續(xù)發(fā)展要求。