考慮可中斷負(fù)荷的微網(wǎng)能量優(yōu)化

言大偉， 韋 鋼， 陳昡姿， 張 鑫

(1.上海電力學(xué)院上海市電站自動化技術(shù)重點實驗室， 上海 200090；2.上海浦海求實電力新技術(shù)有限公司， 上海 200090)

考慮可中斷負(fù)荷的微網(wǎng)能量優(yōu)化

言大偉1， 韋 鋼1， 陳昡姿1， 張 鑫2

(1.上海電力學(xué)院上海市電站自動化技術(shù)重點實驗室， 上海 200090；2.上海浦海求實電力新技術(shù)有限公司， 上海 200090)

建立能量模型協(xié)調(diào)優(yōu)化微網(wǎng)可靠性與經(jīng)濟(jì)性對系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的提高至關(guān)重要?？紤]在并網(wǎng)模式和孤島模式下都將可中斷負(fù)荷納入微網(wǎng)能量管理，優(yōu)化各分布式電源 DG(distributed generation)出力，并網(wǎng)時還包括微網(wǎng)與主網(wǎng)交換功率，使微網(wǎng)投資運行費用和補(bǔ)償停電損失費用之和最小。該模型不但考慮了微型燃?xì)廨啓C(jī)熱(冷)電聯(lián)供的發(fā)電特性，而且將熱(冷)能供給優(yōu)化轉(zhuǎn)化為電能供給優(yōu)化統(tǒng)一求解，回避冷熱價格對模型求解影響，簡化微網(wǎng)綜合供能模型。以一個微網(wǎng)系統(tǒng)算例驗證了模型和算法的有效性，計算結(jié)果表明該方法不但能確保微網(wǎng)負(fù)荷的可靠、經(jīng)濟(jì)供電，也有利于主網(wǎng)整體經(jīng)濟(jì)供電能力的提高。

微網(wǎng)； 可靠經(jīng)濟(jì)； 能量優(yōu)化； 冷熱電聯(lián)供

微網(wǎng)是具有自我控制、保護(hù)和管理能力的微型配電系統(tǒng)，向用戶同時供給電能和熱(冷)能[1]。它很好地解決了分布式電源并網(wǎng)帶來的問題，充分利用DG是其最大優(yōu)勢[2]。微網(wǎng)是主網(wǎng)的有益補(bǔ)充，通過DG就地發(fā)電延緩主網(wǎng)的擴(kuò)容；通過靈活的運行方式保證重要負(fù)荷供電，提高供電可靠性。按照智能電網(wǎng)要求，微網(wǎng)用戶可自由選擇供電方式，有優(yōu)化用電需求[3]，所以研究微網(wǎng)能量優(yōu)化管理將變得非常有意義。

可靠性與經(jīng)濟(jì)性是微網(wǎng)能量優(yōu)化必須兼顧的兩個方面。目前已有不少關(guān)于微網(wǎng)可靠性方面的研究：采用解析法或基于蒙特卡洛模擬評估微網(wǎng)可靠性，分析DG出力特性、接入容量和位置等對可靠性指標(biāo)影響[4～6]。但忽視微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)評價，難以比較可靠性效益與成本。也有文獻(xiàn)考慮了微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運行問題：起初對微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運行研究主要集中在微網(wǎng)技術(shù)的研究方面[1，7]；目前存在以微網(wǎng)DG安裝成本、運行維護(hù)成本及與大電網(wǎng)交互電能所得效益為基礎(chǔ)的最小化成本模型的研究[8，9]。然而上述模型包含供需平衡約束，即不計及元件(主網(wǎng)或DG)故障時微網(wǎng)需求完全滿足(可靠性最高水平)。考慮微網(wǎng)運行方式、智能化程度、電源類型與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)存在較大區(qū)別[10]，這種基于滿足可靠性最高約束的成本最小能量管理策略可能難以兼顧可靠性與經(jīng)濟(jì)性兩個方面。

本文提出在并網(wǎng)模式和孤島模式下都將可中斷負(fù)荷納入微網(wǎng)能量管理范疇，以微網(wǎng)投資運行費用和補(bǔ)償停電損失費用之和最小建立協(xié)調(diào)可靠性與經(jīng)濟(jì)性的能量優(yōu)化模型。它不但考慮了微型燃?xì)廨啓C(jī)熱(冷)電聯(lián)供的發(fā)電特性，而且將熱(冷)能供給優(yōu)化轉(zhuǎn)化為電能供給優(yōu)化統(tǒng)一求解，回避冷熱價格對模型求解影響，簡化微網(wǎng)綜合供能模型；此外還計及分時電價影響，探索微網(wǎng)并網(wǎng)運行對改善主網(wǎng)峰谷性能的有益作用。最后以一個微網(wǎng)系統(tǒng)算例驗證了模型和算法的有效性。計算結(jié)果表明考慮可靠性與經(jīng)濟(jì)性兩個方面，本文提出的模型能使微網(wǎng)總費用最小。

1 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)和DG出力模型

本文微網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1，通過自動開關(guān)和主網(wǎng)相連，可在主網(wǎng)故障或需要時孤島運行。微網(wǎng)內(nèi)包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)WT(wind turbines)、太陽能光伏電池PV(photo voltaic cells)等可再生能源式DG，微型燃?xì)廨啓C(jī)MT(micro turbines)等化石燃料式DG以及儲能裝置ES(energy storage elements)。MT熱(冷)電聯(lián)產(chǎn)向用戶同時供熱(冷)能和電能。微網(wǎng)內(nèi)DG也通過自動開關(guān)(圖1中未畫出)連在微網(wǎng)母線上，可將故障DG切除或靈活控制DG投運容量。下面對上述DG有功出力模型進(jìn)行概括分析。

圖1 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

1.1 風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電的功率輸出模型可表示[11]為

(1)

式中：PWT是風(fēng)力發(fā)電機(jī)實際出力；Pr是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率；vci、vr、vco分別是切入風(fēng)速、額定風(fēng)速、切出風(fēng)速，分別取3 m/s、14 m/s、25 m/s；v是實際風(fēng)速。

1.2 太陽能光伏發(fā)電

太陽能光伏發(fā)電的功率輸出模型可表示[12]為

PPV=γAη

(2)

式中：PPV是光伏組件實際出力；A為組件總面積；η為組件平均光電轉(zhuǎn)換效率；γ為實際光照強(qiáng)度。

1.3 微型燃?xì)廨啓C(jī)冷熱電聯(lián)供

本文引入輸出功率靈活可調(diào)的微型燃?xì)廨啓C(jī)，為提高運行效率，其工作在冷熱電聯(lián)產(chǎn)模式下，模型[13]為

(3)

式中：QMT為燃?xì)廨啓C(jī)的排氣余熱量；PMT為輸出電功率；ηe為發(fā)電效率，取0.3；η1為熱損系數(shù)，取0.2，本文對其忽略；Qhe、Qco分別為余熱提供的制熱和制冷量；Khe、Kco分別為溴冷機(jī)制熱系數(shù)和制冷系數(shù)，都取1.2；VMT為運行時間內(nèi)消耗的天然氣量；Δt為運行時間；L為天然氣低熱值，取9.7 kW·h/m3；R為熱電比。

1.4 儲能裝置

微網(wǎng)配置儲能裝置，考慮其高成本特性，本文只起改善微網(wǎng)動態(tài)性能、維持微網(wǎng)穩(wěn)定的作用，不計入微網(wǎng)能量管理過程，故不再贅述。

2 可靠性與經(jīng)濟(jì)性相協(xié)調(diào)的微網(wǎng)能量優(yōu)化模型和算法

由于微網(wǎng)能在并網(wǎng)和孤島兩種運行方式下靈活切換，改善了微網(wǎng)內(nèi)用戶供電可靠性。但考慮最大化微網(wǎng)所有者利益需要，即為了優(yōu)化DG供能，在孤島運行過程中出現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)DG不足以帶動所有負(fù)載情況下，以可中斷負(fù)荷削減保證重要負(fù)荷得到優(yōu)質(zhì)的電能供應(yīng)[14]。顯然可中斷負(fù)荷已在孤島運行的微網(wǎng)協(xié)調(diào)可靠性與經(jīng)濟(jì)性中發(fā)揮著重要作用。并網(wǎng)運行時網(wǎng)內(nèi)用戶雖然有DG與主網(wǎng)的雙重支持，但考慮DG配置能延緩負(fù)荷增長所需的主網(wǎng)擴(kuò)容投資，微網(wǎng)與主網(wǎng)交換功率往往難以滿足網(wǎng)內(nèi)所有用戶需求。因此網(wǎng)內(nèi)用戶需求滿足情況與孤島運行時是一致的，只是在考慮交換功率限制后優(yōu)化各DG與主網(wǎng)供能。綜上，考慮微網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)在建設(shè)目的與功能配置上的差異，本文提出微網(wǎng)在兩種方式下都將可中斷負(fù)荷納入其能量管理。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

微網(wǎng)集成各種DG，向用戶供給電能和熱(冷)能；既可與主網(wǎng)并網(wǎng)運行，也可在主網(wǎng)故障或需要時孤島運行。微網(wǎng)可靠性、經(jīng)濟(jì)性協(xié)調(diào)的目標(biāo)是在兩種運行方式下，優(yōu)化各DG出力，并網(wǎng)時還包括微網(wǎng)與主網(wǎng)交換功率，保證微網(wǎng)內(nèi)重要負(fù)荷需求和削減部分非重要負(fù)荷，使投資運行費用和補(bǔ)償損失費用之和最小。目標(biāo)函數(shù)如下。

kC(PGrid,t)+ECOSTt

(4)

(5)

ECOSTt=PI,tCIC=PShloadt/KAirloadCIC

(6)

式中：i為微網(wǎng)中DG編號；t為運行時段；Pit為DG有功出力；Cins,i為初始投資；CFRi為資本回收系數(shù)，與折現(xiàn)率(本文取6%)和DG壽命有關(guān)；COM,i為年運行維護(hù)費用；Prate為DG額定功率；ζ為容量因數(shù)；Cg為天然氣價格；k為微網(wǎng)運行方式變量，取0為孤島運行，取1為并網(wǎng)運行；ηe,t為第t個微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率；PGrid,t為微網(wǎng)與主網(wǎng)交換功率，其為正時，微網(wǎng)以 購電價格購電，其為負(fù)時，微網(wǎng)以Cbuy售電價格售電；ECOSTi為補(bǔ)償損失費用，PI,t為等價電負(fù)荷中斷量；CIC為單位電負(fù)荷中斷費用系數(shù)，取0.1 $/kW；PShloadt為熱(冷)負(fù)荷削減量；KAirload為電空調(diào)制熱(冷)系數(shù)，取5。本文假設(shè)熱(冷)負(fù)荷有兩種供給方式，即空調(diào)和微型燃?xì)廨啓C(jī)余熱經(jīng)過溴冷機(jī)供熱(冷)。且熱(冷)負(fù)荷均為非重要負(fù)荷，削減補(bǔ)償費用等價完全由電空調(diào)供給所需電量中斷產(chǎn)生費用。

2.2 約束條件

1)功率平衡約束

模型將熱(冷)能供給優(yōu)化轉(zhuǎn)化為電能供給優(yōu)化統(tǒng)一求解，包括將熱(冷)功率平衡約束統(tǒng)一于電功率平衡約束中，表達(dá)式為

PGrid,t+PI,t=PLoad,t

(7)

(8)

(λ-1)PMT,t+PI,t≤PAirload,t

(9)

PLoad,t-PAirload,t

(10)

式中：n1、n2為WT、PV待選個數(shù)；ui、uj為0～1變量，決定DG安裝數(shù)目；λ為綜合供能系數(shù)；PAirload,t為供給全部冷(熱)負(fù)荷消耗的空調(diào)電功率；PLoad,t為電負(fù)荷功率。

2)DG出力、微網(wǎng)與主網(wǎng)間交換功率限制

(11)

(12)

2.3 求解算法

上述的微網(wǎng)能量優(yōu)化模型是一個復(fù)雜的混合整數(shù)規(guī)劃問題，考慮到遺傳算法的搜索空間大、效率高、魯棒性好，因此本文采用遺傳算法。

3 算例分析

本文微網(wǎng)算例系統(tǒng)如圖1，WT選用200 kW高速風(fēng)力發(fā)電機(jī)，待選3臺；PV采用Pilkington公司SFM144H×250wp型電池，單位容量100 kW，光電轉(zhuǎn)換率13.44%，待選3組；MT選用Capstone公司C100型微型燃?xì)廨啓C(jī)，單位容量100 kW，待選3臺。DG經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)取自文獻(xiàn)[4，15～17]。微網(wǎng)與主網(wǎng)物理傳輸線最大容量100 kW。

考慮夏冬兩季冷熱負(fù)荷需求大，算例取冬季某一天進(jìn)行優(yōu)化計算，日負(fù)荷數(shù)據(jù)選自IEEE-RTS提供的峰值為500 kW的年時序模型[18]，自然資源數(shù)據(jù)(風(fēng)速及光照強(qiáng)度曲線)由Homer軟件模擬并選擇對應(yīng)日，其需要的風(fēng)速、光照月平均值取自文獻(xiàn)[15]；實行分時電價政策[19]，如表1所示。

表1 購電和售電電價

3.1 結(jié)果分析

這里以并網(wǎng)運行結(jié)果為例，微網(wǎng)電力平衡情況如圖2所示?？梢钥闯觯?/p>

1)WT優(yōu)先發(fā)電，PV發(fā)電經(jīng)濟(jì)性差幾乎不投入運行，對于初始投資較高的可再生能源式DG發(fā)電量收購仍需要政策刺激；各類DG和主網(wǎng)共同保證微網(wǎng)內(nèi)重要負(fù)荷的供電，供電順序由DG發(fā)電成本和主網(wǎng)分時電價決定；MT熱(冷)電聯(lián)供工作在“以熱定電”模式下，需要其他DG作為后備支持：PV只在MT出力受限于工作特性且PV出力有保證時投入滿足重要負(fù)荷需求，如9：00-10：00和11：00-15：00；

2)采用分時電價政策，谷、平時段微網(wǎng)盡可能多地從主網(wǎng)購電，減少不必要的發(fā)電成本；峰時段微網(wǎng)優(yōu)先利用分布式電能，甚至可以向主網(wǎng)售電獲得效益。若考慮多個微網(wǎng)的作用，對主網(wǎng)有極佳的削峰填谷效果。

3)實行可中斷采暖負(fù)荷，巧妙地將其等價為由空調(diào)供給所消耗電量PI，t中斷，其值在兩種情況下較?。孩俟葧r段購買主網(wǎng)廉價電力，采暖需求全部由電空調(diào)滿足，如4：00-6：00和22：00-24：00；②由于MT供熱能本文未考慮外送和儲存，當(dāng)MT聯(lián)供成本與主網(wǎng)相比占優(yōu)勢，即需要MT出力滿足網(wǎng)內(nèi)剩余重要負(fù)荷需求，采暖需求全部由MT滿足，如9：00-10：00和11：00-15：00。

4)圖3和圖4為該日單位容量WT、PV出力與負(fù)荷功率情況和相應(yīng)WT、PV運行數(shù)量，不難發(fā)現(xiàn)，可再生能源式DG不但受發(fā)電成本制約，而且由于其發(fā)電特性與負(fù)荷需求相關(guān)性差和出力不可控性，在成本經(jīng)濟(jì)的情況下(如WT)投入容量還受微網(wǎng)最大可接受能力限制：20：00-24：00，WT發(fā)電超過微網(wǎng)負(fù)荷需求和聯(lián)絡(luò)線最大轉(zhuǎn)移功率，必須舍棄多余風(fēng)能。

圖2 微網(wǎng)電力平衡情況

圖3 單位容量WT、PV出力與負(fù)荷功率

圖4 WT、PV運行數(shù)量

同樣的過程也適用于孤島運行結(jié)果分析，文中不再贅述。

3.2 方案對比

微網(wǎng)能量優(yōu)化受很多因素影響，考慮微網(wǎng)運行目標(biāo)、運行方式差異以及體現(xiàn)微網(wǎng)供電優(yōu)越性，本文設(shè)置方案如下。

方案1：微網(wǎng)并網(wǎng)運行，采用可中斷負(fù)荷管理。

方案2：微網(wǎng)并網(wǎng)運行，保證所有負(fù)荷需求。

方案3：微網(wǎng)孤島運行。

方案4：微網(wǎng)退出運行，由主網(wǎng)滿足所有負(fù)荷需求。

方案結(jié)果見表2。

表2 可靠性、經(jīng)濟(jì)性費用

對比分析如下：

(1)方案1與方案2相比，微網(wǎng)運行目標(biāo)不同：方案1將協(xié)調(diào)可靠性與經(jīng)濟(jì)性作為目標(biāo)，把可中斷非重要負(fù)荷作為微網(wǎng)能量管理的組成部分，實時比較DG供電成本、微網(wǎng)與主網(wǎng)能量交換成本、可中斷非重要負(fù)荷成本，從而確定總費用最小時的能量調(diào)度；方案2將微網(wǎng)可靠性最高作為目標(biāo)，即確定所有負(fù)荷需求都得到滿足的調(diào)度情形。本文模型考慮了方案2，而方案1代表模型最優(yōu)解。不難看出，伴隨供電可靠性水平提高，系統(tǒng)投資運行費用增加超過可靠性成本下降，微網(wǎng)以犧牲一定的經(jīng)濟(jì)性來滿足較高的供電水平。方案1為考慮可靠性與經(jīng)濟(jì)性相協(xié)調(diào)的微網(wǎng)并網(wǎng)模式最佳可靠性水平。

(2)方案1與方案3相比，微網(wǎng)運行方式不同，并網(wǎng)時投資運行費用和補(bǔ)償損失費用都較小。原因包括：①微網(wǎng)孤島運行，由于缺少主網(wǎng)供電支持，重要負(fù)荷只能靠DG滿足：某些時段PV在MT出力受限于“以熱定電”時投入，需求仍不足部分MT在其容量范圍內(nèi)增加出力，但余熱無法上網(wǎng)和儲存造成極大浪費。②考慮分時電價機(jī)制，并網(wǎng)時微網(wǎng)內(nèi)非重要負(fù)荷往往受惠于谷時段向主網(wǎng)購得的廉價電力；但孤島運行，相比較高的DG發(fā)電成本，可中斷非重要負(fù)荷有利于微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運行。③峰時段，并網(wǎng)運行的微網(wǎng)甚至向主網(wǎng)售電獲得可觀效益。

方案3是微網(wǎng)孤島模式下的最優(yōu)解，模型也同樣考慮了可靠性最高方案。因此，方案3為考慮可靠性與經(jīng)濟(jì)性相協(xié)調(diào)的微網(wǎng)孤島模式最佳可靠性水平。

(3)方案1、2、3與方案4相比，即對比負(fù)荷需求全部由主網(wǎng)提供方式，微網(wǎng)不同運行目標(biāo)、運行方式下都體現(xiàn)優(yōu)勢。方案4是傳統(tǒng)配電網(wǎng)典型供電方式，即供需平衡是必須滿足的約束條件，由于未考慮主網(wǎng)故障，理論上無停電損失。如果計及元件(主網(wǎng)或DG)故障可能性，含微網(wǎng)的配電網(wǎng)不僅基于其靈活運行方式至少大大提高了微網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷供電可靠性，還保證了任何情況下各DG與主網(wǎng)經(jīng)濟(jì)供能。

綜上，不管是并網(wǎng)模式還是孤島模式，本文模型在統(tǒng)籌可靠性與經(jīng)濟(jì)性方面優(yōu)于可靠性最高約束方案；且含微網(wǎng)的配電系統(tǒng)更有利于整個配電系統(tǒng)的可靠、經(jīng)濟(jì)運行。

4 結(jié)論

本文提出一種考慮各種DG出力特性、主網(wǎng)分時電價政策，以協(xié)調(diào)可靠性與經(jīng)濟(jì)性為優(yōu)化目標(biāo)的微網(wǎng)熱(冷)、電聯(lián)供模型。該模型考慮在并網(wǎng)模式和孤島模式下都將可中斷負(fù)荷納入微網(wǎng)能量管理，實時比較DG供電成本、微網(wǎng)與主網(wǎng)能量交換成本(主網(wǎng)非故障狀態(tài))、可中斷非重要負(fù)荷成本，從而確定總費用最小時的有功調(diào)度。優(yōu)化策略不但確保微網(wǎng)負(fù)荷的可靠、經(jīng)濟(jì)供電，也有利于主網(wǎng)整體經(jīng)濟(jì)供電能力的提高，對智能配電網(wǎng)引入微網(wǎng)后的能量優(yōu)化做了有益探索。

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言大偉(1987-)，男，碩士研究生，研究方向為配電系統(tǒng)規(guī)劃、分布式電源技術(shù)等。Email:david_yan_shiep@163.com

韋 鋼(1958-)，男，教授，研究方向為電力系統(tǒng)運行分析與計算、新能源與電力系統(tǒng)規(guī)劃等。Email:wg5815@sohu.com

陳昡姿(1988-)，女，研究方向為微網(wǎng)能量控制與管理等。Email:chen.xuan.zi@163.com

MicrogridEnergyOptimizationConsideringInterruptibleLoad

YAN Da-wei1， WEI Gang1， CHEN Xuan-zi1， ZHANG Xin2

(1.Shanghai Key Laboratory of Power Station Automation Technology，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China;2.Shanghai PU HAI QIU SHI Electric Power High Technology Company，Shanghai 200090，China)

Establishing energy model to coordinate and optimize the reliability and economy of microgrid system is significant to enhance economic benefits of the system. As considering that the interruptible load can be incorporated into the microgrid energy management under both grid-connected mode and island mode, the model can optimize different kinds of DG output to make lowest cost sum of the investment, operation and interruption, which should include the exchanging power between microgrid network and main network under the grid-connected mode. In this model, not only the generation characteristics of heat, cool and power cogeneration system of micro gas trubine are considered, but also the optimization of both heat and cool energy is converted to the optimization of power supply for the unified solving. Thus, the cold and heat price can be avoided to influence the model solution, which simplifies the comprehensive power-supply model of microgrid system. Then, the effectiveness of the model and the algorithm is verified by a case of microgrid system. The results show that not only the reliable, economic power supply of microgrid load can be ensured, but also the whole economic power supply of main network can be enhanced.

microgrid； reliability and economy； energy optimization； heat，cool and power cogeneration system

TM311

A

1003-8930(2012)01-0088-06

2011-09-13；

2011-10-19

上海市教育委員會重點學(xué)科建設(shè)資助項目(J51303)