考慮運行方式優(yōu)化的微電網(wǎng)經(jīng)濟調(diào)度模型研究

楊繼黨

（云南電網(wǎng)有限責任公司保山供電局，云南 保山 678000）

0 引 言

微電網(wǎng)主要位于低壓側(cè)，與用戶距離較近，線路損耗較少。大部分微電源都具有環(huán)保性能，但是引入清潔能源后，功率穩(wěn)定性相對較差，需要與大電網(wǎng)進行配合?？傮w來說，微電網(wǎng)的發(fā)電成本比大電網(wǎng)，還具有削峰填谷的性能，在儲能方面具有重要的作用。為了進一步優(yōu)化電網(wǎng)的運行方式，可以對粒子群優(yōu)化等智能算法進行應用，得到最優(yōu)的調(diào)度結(jié)果。

1 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中包含多個設備和裝置，其中微電源負責供電，能量存儲設備具有存儲的功效，控制管理設備能夠進行統(tǒng)一管控。此外，微電網(wǎng)中還安裝了復合裝置。微電源的類型較多，對于電池來說，主要有蓄電池以及光伏電池；對于發(fā)電機來說，主要有柴油和風力發(fā)電機。微電源中還包含微型燃氣輪機，這些微電源能夠組合應用，滿足持續(xù)供電的要求，如果電能較多，還可以對多余的電能進行轉(zhuǎn)化。需要注意的是，新能源的微電源并不穩(wěn)定，很容易受到環(huán)境的影響，具有不可抗性。因此，微電網(wǎng)經(jīng)濟調(diào)度并不考慮新能源微電源。與之相比，微型燃氣輪機以及柴油發(fā)電機更加穩(wěn)定，能夠持續(xù)輸出功率，而且還能人工進行控制并調(diào)整功率參數(shù)。儲能裝置的操作和控制比較靈活，可將其當成補償裝置，減少不可控因素對微電網(wǎng)的影響，以此來提升電網(wǎng)輸電的穩(wěn)定性。

微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)并不固定，有不同類型的結(jié)構(gòu)，還有靈活的組網(wǎng)形式。我國網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式較多，從高低壓的角度來看，主要有高壓和低壓組合結(jié)構(gòu)。除此之外，還有單向和三相組合結(jié)構(gòu)的微電網(wǎng)。微電網(wǎng)主要是為了預防大范圍的停電事故，保證穩(wěn)定供電。美國微電網(wǎng)的電源主要是分布式電源，微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中還包含控制管理系統(tǒng)等。結(jié)構(gòu)中含有敏感負荷和非敏感負荷，當電網(wǎng)系統(tǒng)故障，功率無法滿足運行需求時，就會切除對應的線路，對非敏感負荷進行控制，確保持續(xù)供電。如今，各個國家的用電負荷不斷增加，發(fā)電原料短缺，微電網(wǎng)模型能夠提高能源的利用率。在微電網(wǎng)模式下，對刀閘進行控制。閉合的情況下，微電網(wǎng)會進入到并網(wǎng)運行的狀態(tài)，實現(xiàn)雙向流動，此時微電網(wǎng)就是一個大型電網(wǎng)的電源。刀閘斷開的情況下，進入到孤網(wǎng)運行的狀態(tài)，對電源機組進行控制，以此來調(diào)整負荷，保證微電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。

2 微電網(wǎng)的數(shù)學模型

2.1 風力發(fā)電

對微電網(wǎng)的經(jīng)濟調(diào)度進行研究的過程中，最先要做的就是建立數(shù)學模型，主要包含微電源的模型以及儲能裝置的模型。由于發(fā)電時需要遵循不同的約束條件，因此數(shù)學模型也存在約束條件，在某種約束條件下形成非線性函數(shù)，需要使用更先進、更高效的智能算法。對風力發(fā)電機的特點和模型進行分析，風力發(fā)電機可以有效利用自然環(huán)境中的風能，具有廣闊的發(fā)展前景。圖1顯示了風力發(fā)電機的工作流程，可以根據(jù)該步驟進行建模。建模的過程中，先設定初始風速，與實際風速進行比較。如果比初始風速低，則發(fā)電機組不會運行；如果比初始風速高，則發(fā)電機組就會正常運行。風速變大后，輸出功率也會逐漸增加，超過限定最高值后，功率就不會再升高或降低，而是會一直保持最大值的狀態(tài)。需要注意的是，如果實際風速過大，工作人員要及時關閉發(fā)電機，避免發(fā)電機設備發(fā)生故障。

圖1 風力發(fā)電機工作流程

2.2 光伏電池

光伏發(fā)電對太陽能資源進行了利用，這是一種可再生的資源，使用該能源不會對環(huán)境造成破壞，光伏發(fā)電的發(fā)電量和太陽能量聯(lián)系緊密。在能源短缺的環(huán)境條件下，應當加強對清潔能源和可再生能源的利用，大力開發(fā)太陽能，發(fā)展和應用光伏電池。光伏電池中比較常用的為硅電池，電子在吸收和釋放光能方面具有重要的作用，能夠形成電子-空穴對，進而形成電動勢差。如果將硅電池和外部電路相連，就會向外部輸電。光伏電池的發(fā)電方式受環(huán)境影響較大，晶體結(jié)構(gòu)和負載阻抗也會對光伏發(fā)電的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，在不同的條件下，輸出功率也會產(chǎn)生較大的差異。

光伏電池輸出功率公式為：

式中：P表示光伏電池輸出功率；γ表示光輻射強度；ηm表示最大功率點處于跟蹤狀態(tài)時的效率；Ap表示太陽能發(fā)電面積；ηp表示利用效率；θ表示照射角度。在優(yōu)化的過程中，考慮到眾多影響因素，給出各個時段的出力曲線，根據(jù)出力曲線進行優(yōu)化調(diào)度。

2.3 微型燃氣輪機

該裝置屬于微型熱動裝置，是一種新發(fā)明的裝置。微型燃氣輪機是發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，系統(tǒng)中還存在永磁發(fā)電機。系統(tǒng)的設備主要有整流器、逆變器、濾波器這3種設備，額定功率處于25～300 kW。在移動氣體的過程中，可以轉(zhuǎn)化機械能，在發(fā)電機的作用下轉(zhuǎn)化動能，最終形成電能。微型燃氣輪機具有較強的環(huán)保性能，不會嚴重破壞自然環(huán)境。機組非常輕，沒有安裝潤滑和減速等系統(tǒng)，減少了發(fā)電的成本。發(fā)電的時候，可以對燃料和空氣體積進行調(diào)整，減少對大電網(wǎng)的影響，表現(xiàn)出較好的輸出性能。

燃料成本的計算公式為：

式中：C表示天然氣費用；LHV表示天然氣低熱值；PMT表示輸出功率；ηPMT表示工作效率。

2.4 柴油發(fā)電機

該設備運行之后，柴油燃燒會產(chǎn)生一定的能量，可以將這部分能量轉(zhuǎn)化為電能。旋轉(zhuǎn)曲軸和推動活塞，空氣和柴油蒸汽彼此相混，壓縮時會出現(xiàn)升溫現(xiàn)象，到達燃點后，氣體開始燃燒。曲軸將柴油機和發(fā)電機相連，在電磁感應的作用下形成電動勢，在閉合回路中產(chǎn)生電流。

3 微電網(wǎng)經(jīng)濟調(diào)度模型的構(gòu)建方法

3.1 微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)

系統(tǒng)中最主要的就是軟硬件以及通信技術，采用了歐洲微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)標準，管理系統(tǒng)有3個體系，主要為基礎體系、管理體系以及并網(wǎng)體系，表現(xiàn)為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，圖2為微電網(wǎng)的集中控制架構(gòu)。其中，基礎體系主要有負荷控制器（LC），還有微電源控制器（MC）；管理體系為分布式管理，即DMS；并網(wǎng)體系主要有中央控制器，即MGCC。3個體系互相輔助，在開關控制器閉合的情況下，分布式管理會向中央控制器發(fā)送命令，進一步將命令發(fā)送給負荷控制器與微電源控制器，以此來帶動系統(tǒng)運行，其運行過程如圖3所示。在開關控制器斷開的情況下，中央控制器無法接受命令，可以直接發(fā)出決定，確保微電網(wǎng)能夠進行經(jīng)濟調(diào)度。微電網(wǎng)能源管理系統(tǒng)能夠做出科學的決策，其中包含多種可調(diào)解變量，能夠更好地進行優(yōu)化。例如，優(yōu)化電壓逆變器接口母線，以此來調(diào)整電壓，還可以對電流逆變器進行調(diào)整，使接口電流更加優(yōu)化[1]。

圖2 微電網(wǎng)集中控制架構(gòu)

圖3 能量管理系統(tǒng)運行過程

3.2 微電網(wǎng)運行調(diào)度策略

對于并網(wǎng)微電網(wǎng)系統(tǒng)的運行調(diào)度來說，必須要讓系統(tǒng)滿足負載的需求，充分考慮微電源的輸出功率，使微電網(wǎng)的電能和大電網(wǎng)進行交互。在實際進行調(diào)度時，風力和光伏發(fā)電的輸出功率不夠穩(wěn)定，要根據(jù)最大跟蹤功率點的情況進行調(diào)度，按照最大功率的情況出力。對于微型燃氣輪機的優(yōu)化調(diào)度來說，在發(fā)電的過程中會產(chǎn)生一部分熱能，能夠按照梯級利用的方式使用電能，可以優(yōu)先使用微型燃氣輪機。在優(yōu)化調(diào)度的過程中，還可以參考負荷需求，在微電源和大電網(wǎng)的共同作用下滿足用電負荷的需求。為達到這一目的，可以制定購售電計劃，如果微電網(wǎng)總電量無法滿足需求時，可以從大電網(wǎng)進行購電。反之，如果微電網(wǎng)存在過多的電能，可以用蓄電池進行存儲，也可以將多余的電能出售給大電網(wǎng)。大電網(wǎng)購電和售電的價格如表1所示[2]。

表1 微電網(wǎng)在不同時段向大電網(wǎng)購電和售電的價格

對于孤網(wǎng)微電網(wǎng)系統(tǒng)的運行調(diào)度來說，不必考慮購電和售電，在孤網(wǎng)運行的狀態(tài)下，微電源的發(fā)電和儲電基本能夠滿足用電負荷的需求。能源發(fā)電的調(diào)度策略同并網(wǎng)運行狀態(tài)下的調(diào)度策略一致。計算4種微電源的最小輸出功率綜合，將其與負荷需求進行比較，分析兩者的關系。如果最小輸出功率總和≥負荷需求，那么微型燃氣輪機和柴油發(fā)電機就是最小輸出功率，對蓄電池進行控制時，確保放出電量恰好能夠與負荷需求相適應。如果最小輸出功率總和＜負荷需求，放出的電量無法滿足需求，此時需要讓蓄電池處于完全放電的狀態(tài)。將放電電量的總和與負荷需求進行比較，如果4種微電源放電量的總和較大，就按照粒子群算法進行優(yōu)化[3]。

3.3 運行模型算法的選擇

微電網(wǎng)多目標優(yōu)化經(jīng)濟運行有較多難以控制的影響因素，過去一般會采用線性算法，但是無法得到最優(yōu)解。對此可以采用粒子智能算法，經(jīng)過多次迭代后，找到電網(wǎng)經(jīng)濟運行的最優(yōu)解。粒子群優(yōu)化算法即POS算法，運用該算法時要先初始化位置和速度等參數(shù)，根據(jù)值函數(shù)進行評估，判斷各個粒子是否適合，根據(jù)判斷分析的結(jié)果更新最優(yōu)位置。比較新的粒子與原本的粒子，如果新粒子所在位置更高，就用新的位置代替原本的位置，通過逐步比較的方式更新算法位置，最終得出微電網(wǎng)經(jīng)濟調(diào)度的最優(yōu)解。

4 結(jié) 論

微電網(wǎng)經(jīng)濟調(diào)度的數(shù)學模型需要考慮運行成本、環(huán)境成本，對微電源處理模型進行設計，分析各個微電源輸出功率的影響因素，在并網(wǎng)運行模式和孤網(wǎng)運行模式下采用不同的經(jīng)濟調(diào)度策略和優(yōu)化運行策略。利用粒子群智能算法時，應當參考環(huán)境、運行和綜合成本，在多種約束條件下得出最優(yōu)解，根據(jù)最優(yōu)解進行優(yōu)化調(diào)度。