獨(dú)立運(yùn)行微電網(wǎng)電源優(yōu)化配置模型的對(duì)比分析

劉燕華,李雅菲,趙冬梅,何國(guó)慶

（1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,北京 lO22O6；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院新能源所,北京 lOOl92）

文章編號(hào)：lOO7-2322（2Ol5）O6-OOl4-O9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 中圖分類號(hào)：TM6l4；TM6l5

獨(dú)立運(yùn)行微電網(wǎng)電源優(yōu)化配置模型的對(duì)比分析

劉燕華1,李雅菲1,趙冬梅1,何國(guó)慶2

（1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,北京 lO22O6；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院新能源所,北京 lOOl92）

0 引 言

隨著電力需求迅速增長(zhǎng),傳統(tǒng)大電網(wǎng)難以適應(yīng)用戶越來越高的安全和可靠性要求以及多樣化的供電需求,加之能源的日益緊缺,含可再生能源發(fā)電的微電網(wǎng)逐漸成為電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)［1-3］。微 電網(wǎng)將分散的、不同類型的分布式電源組合起來供電,是發(fā)揮分布式電源效能的最有效方式,有效解決了大型集中電網(wǎng)的許多潛在問題,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

微電網(wǎng)的電源優(yōu)化配置是規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的一個(gè)重要內(nèi)容,電源通常包括光伏陣列、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、柴油機(jī)、燃料電池、蓄電池等裝置。電源的優(yōu)化配置結(jié)果在很大程度上取決于優(yōu)化模型的選擇?；诓煌膬?yōu)化目標(biāo)可以建立不同的優(yōu)化模型,微電網(wǎng)電源配置模型常見的優(yōu)化目標(biāo)包括:經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)、可靠性指標(biāo)、環(huán)保性指標(biāo)以及其他用于改善系統(tǒng)某項(xiàng)特定性能的技術(shù)指標(biāo)。經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)通常包括:投資費(fèi)用、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用、燃料費(fèi)用、設(shè)備更換費(fèi)用等。環(huán)保性指標(biāo)一般包括環(huán)境成本、污染物排放指標(biāo)等［4-5］?？煽啃灾笜?biāo)包括:可靠性成本、電力不足概率、停電頻率指標(biāo)、停電持續(xù)時(shí)間指標(biāo)等［6-7］。其他用于改善系統(tǒng)某項(xiàng)特定性能的技術(shù)指標(biāo)有:節(jié)點(diǎn)電壓偏移量最小、網(wǎng)絡(luò)損耗最小等［8-9］。

對(duì)于微電網(wǎng)的電源優(yōu)化配置建模來說,通常要綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、可靠性和環(huán)保性,但是這三者之間存在一定矛盾性。經(jīng)濟(jì)性是電源優(yōu)化配置追求的首要目標(biāo),可以降低系統(tǒng)投資和運(yùn)行成本,同時(shí)會(huì)限制系統(tǒng)的可靠性和環(huán)保性的提高。而可靠性和環(huán)保性也是重要的考慮因素,它們的提升均需要付出較大的經(jīng)濟(jì)代價(jià)。保證這三者的綜合最優(yōu),才能取得最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

針對(duì)微電網(wǎng)電源的多目標(biāo)優(yōu)化配置模型,文獻(xiàn)［lO］針對(duì)并網(wǎng)運(yùn)行的熱電聯(lián)產(chǎn)型微網(wǎng)系統(tǒng),從微網(wǎng)一天內(nèi)的發(fā)電成本和環(huán)境成本兩方面,建立多目標(biāo)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。文獻(xiàn) ［ll］以獨(dú)立微網(wǎng)系統(tǒng)為研究對(duì)象,提出了包含微網(wǎng)全壽命周期內(nèi)的總成本現(xiàn)值、負(fù)荷容量缺失率和污染物排放量的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。文獻(xiàn) ［l2］針對(duì)獨(dú)立運(yùn)行的冷熱電聯(lián)供微電網(wǎng),構(gòu)建了微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)成本、供電可靠性和環(huán)境成本的多目標(biāo)優(yōu)化配置模型。文獻(xiàn)［l3］針對(duì)含海水淡化負(fù)荷的獨(dú)立微電網(wǎng),提出了包含微電網(wǎng)全壽命周期成本、可再生能源利用率和污染物排放水平的多目標(biāo)優(yōu)化模型。

以上研究都是針對(duì)具體目標(biāo),采用確定的優(yōu)化模型來解決綜合優(yōu)化問題,本文針對(duì)獨(dú)立運(yùn)行的微電網(wǎng)電源優(yōu)化配置的一般性問題,通過考慮不同的優(yōu)化配置模型,研究?jī)?yōu)化配置結(jié)果的差異性及其原因,分析經(jīng)濟(jì)性、可靠性和環(huán)保性三者的關(guān)系,從而總結(jié)微電網(wǎng)電源多目標(biāo)優(yōu)化的合理考慮方式及各種優(yōu)化模型的適應(yīng)性。為此,建立了各種常規(guī)分布式電源的發(fā)電功率模型。綜合考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、供電可靠性和環(huán)保性,以計(jì)及設(shè)備投資成本、運(yùn)行成本、燃料成本、環(huán)境成本、可靠性成本的不同組合方式構(gòu)成的系統(tǒng)等年值費(fèi)用最低為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),考慮系統(tǒng)運(yùn)行的約束條件,建立了4種獨(dú)立運(yùn)行時(shí)微電網(wǎng)電源優(yōu)化配置模型,利用Matlab軟件編程實(shí)現(xiàn)粒子群算法求解優(yōu)化模型,通過比較不同優(yōu)化配置模型下的優(yōu)化結(jié)果分析了不同優(yōu)化模型對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化配置的具體影響,總結(jié)了一般性的結(jié)論。

1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及電源模型

1.1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

本文研究的微電網(wǎng)中,分布式電源包括:光伏陣列、風(fēng)電機(jī)組、柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池組。獨(dú)立運(yùn)行的微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 獨(dú)立運(yùn)行的微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1中,光伏陣列和蓄電池發(fā)出直流電通過DC/AC變換器接入交流母線；風(fēng)力發(fā)電機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)發(fā)出交流電通過AC/DC和DC/AC變換器接入交流母線；負(fù)荷與交流側(cè)相連。

1.2 電源模型

1.2.1 光伏陣列

光伏陣列是將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的裝置,它的實(shí)際輸出功率可由標(biāo)準(zhǔn)額定條件下的輸出功率、光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度得到［l4］:

式中:PPV為光伏陣列的實(shí)際輸出功率；GSTC為標(biāo)準(zhǔn)條件下的光輻射強(qiáng)度,取lkW/m2；Gc為實(shí)際接收的光輻射強(qiáng)度；PSTC為標(biāo)準(zhǔn)條件下光伏陣列的額定輸出功率；k為功率溫度系數(shù)；TSTC為標(biāo)準(zhǔn)條件下光伏陣列表面溫度,取25℃；Tc為工作點(diǎn)的電池表面溫度,它是環(huán)境溫度Ta和光輻射強(qiáng)度的函數(shù):

式中:α為溫度系數(shù)。

1.2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率PWT（v）隨風(fēng)速變化而變化,風(fēng)電機(jī)組的輸出功率與風(fēng)速之間的近似關(guān)系可用如下分段函數(shù)表示［l5］:

式中:vci為切入風(fēng)速；vr為額定風(fēng)速；vco為切出風(fēng)速；Pr為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定輸出功率。

1.2.3 蓄電池

蓄電池組作為儲(chǔ)能元件,可快速控制其充放電來跟隨負(fù)荷的變化。在t時(shí)刻,存入蓄電池中的電量EB+,t和蓄電池發(fā)出的電量EB—,t可以表示為

式中:CB為蓄電池的標(biāo)稱容量,單位為Ah；UB為放電電壓；DOD為蓄電池的放電深度；ηc為蓄電池的充放電效率。

蓄電池每小時(shí)的充放電功率不能超過其最大容量的2O％［l6］。

式中:PB+、PB—為單位小時(shí)內(nèi)的充放電功率；EB為蓄電池的額定容量,單位為kWh；Δt為lh。

t時(shí)刻,蓄電池的荷電狀態(tài),即電量SOCt為

式中:σ為蓄電池的自放電系數(shù)。SOC是儲(chǔ)能控制器防止電池過度充電和過度放電的一個(gè)重要決策變量。荷電狀態(tài)允許范圍為SOCmin≤SOC≤SOCmax。通常來說SOCmax=lOO％,SOCmin取電池容量的2O％。

1.2.4 柴油發(fā)電機(jī)

柴油發(fā)電機(jī)組包括柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、同步交流發(fā)電機(jī)、配電以及控制系統(tǒng)三大部分,其輸出功率 燃料線性曲線特性,可表示為［l7］

式中:F為柴油發(fā)電機(jī)的耗油量；FO為發(fā)電機(jī)單位功率的空載耗油量；Pn為發(fā)電機(jī)的額定功率,單位為kW；F1為柴油機(jī)燃油與功率之間關(guān)系曲線的斜率；Pd為發(fā)電機(jī)的實(shí)際輸出功率。

2 獨(dú)立運(yùn)行微電網(wǎng)配置優(yōu)化模型

對(duì)于獨(dú)立運(yùn)行的微網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng),在不同的目標(biāo)函數(shù)組成情況下,所得到的電源優(yōu)化配置方案是有差別的。本文建立了含有光伏列陣、風(fēng)機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)及蓄電池的復(fù)合系統(tǒng)電源優(yōu)化配置模型,以系統(tǒng)等年值費(fèi)用最低為經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化目標(biāo),以此為基礎(chǔ),針對(duì)可靠性和環(huán)保性分別以約束條件或納入目標(biāo)函數(shù),建立了4種不同的優(yōu)化模型。

2.1 優(yōu)化模型1

目標(biāo)函數(shù)只考慮經(jīng)濟(jì)性,供電可靠性和環(huán)保性均采用約束條件的方式考慮。

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)的具體形式為

式中:Cec表示微網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)的等年值費(fèi)用；Ccap為電源的等年值設(shè)備投資費(fèi)用；Com為年運(yùn)行成本；Cf為年燃料費(fèi)用。其中,各項(xiàng)成本的具體計(jì)算公式如下:

①系統(tǒng)的等年值設(shè)備投資費(fèi)用

式中:n為電源類型總數(shù)；X=［X1,X2,…,Xn］代表各電源所配置的數(shù)量,是優(yōu)化決策變量；pi為第i類電源的單機(jī)容量；Cci為第i類微電源的單位投資費(fèi)用；μc（r,y）為年資金回收率,其表達(dá)式為

式中:r為固定年利率；y為項(xiàng)目全壽命周期年限。②系統(tǒng)的年運(yùn)行維護(hù)成本

式中:Coi為第i類電源單位發(fā)電量的運(yùn)行維護(hù)成本；Ei,t為第i類電源單位小時(shí)內(nèi)的發(fā)電量。

③系統(tǒng)的年燃料費(fèi)用

式中:Cfi為第i類微電源單位發(fā)電量的燃料費(fèi)用。

2.1.2 約束條件

①各類電源的容量約束:

式中:Xi,max是各電源允許配置的最大數(shù)量。

②蓄電池的充放電約束:

③可靠性約束:

式中:RLPSP為缺電概率；RLPSP,max為允許的最大缺電概率。RLPSP定義為系統(tǒng)在周期T（一年）內(nèi)總?cè)彪娏颗c總負(fù)荷量的比值。當(dāng)?shù)趖小時(shí)微電源提供的電量之和無法滿足負(fù)荷需求時(shí),第t小時(shí)的缺電量Elps,t的具體計(jì)算公式為

式中:Epv,t,Ewt,t,Ed,t分別為光伏陣列、風(fēng)機(jī)和柴油機(jī)第t小時(shí)的發(fā)電量；Es,t—1為第t—1小時(shí)蓄電池的容量；Es,min為蓄電池的容量底限；ηc為蓄電池的充放電效率；ηinv為變換器的效率；Ere,t為第t小時(shí)電源提供的總電量；Eload,t為第t小時(shí)負(fù)荷所需電量。

系統(tǒng)全年的缺電概率為

④環(huán)保性約束:

式中:DCO2為二氧化碳排放量；DCO2,max為允許的最大二氧化碳排放量。DCO2定義為系統(tǒng)在周期T（一年）內(nèi)總二氧化碳排放量,具體計(jì)算公式為

式中:n為電源類型；Di,CO2為各種電源的單位發(fā)電量所排放的二氧化碳含量。

2.2 優(yōu)化模型2

目標(biāo)函數(shù)除了經(jīng)濟(jì)性,還納入了表征環(huán)保性能的年環(huán)境成本,具體形式為

式中:Cen為年環(huán)境成本,具體計(jì)算公式如下:

式中:m為污染物種類；vj為第j種污染物的單位環(huán)境成本；n為電源類型；Di,j為各種電源的第j種污染物單位發(fā)電量所排放的含量。

可靠性依然在約束條件中考慮,其他同模型1。

2.3 優(yōu)化模型3

目標(biāo)函數(shù)除了經(jīng)濟(jì)性,還考慮可靠性成本,具體形式如下:

式中:Crlb為年可靠性成本,計(jì)算公式如下:

式中:Cr為單位缺電量的停電損失費(fèi)用。

環(huán)保性采用約束條件來考慮,其他同模型1。

2.4 優(yōu)化模型4

目標(biāo)函數(shù)除了經(jīng)濟(jì)性,還考慮可靠性成本和年環(huán)境成本,具體形式如下:

約束條件中不考慮可靠性和環(huán)保性,其他同模型1。

3 系統(tǒng)的發(fā)電調(diào)度策略

對(duì)于含多種分布式電源的獨(dú)立運(yùn)行的微電網(wǎng),其電源投入使用的控制策略具體如下:

①光伏陣列和風(fēng)力發(fā)電機(jī)按氣候條件下的最大發(fā)電量投入使用。

②當(dāng)光伏陣列和風(fēng)機(jī)發(fā)電無法滿足負(fù)荷需求時(shí),蓄電池在保證最小荷電狀態(tài) （SOCmin）的基礎(chǔ)上投入使用,根據(jù)前一時(shí)刻的儲(chǔ)能狀態(tài)計(jì)算可提供給負(fù)荷的電量后,進(jìn)行放電。當(dāng)風(fēng)光或風(fēng)光柴發(fā)電大于負(fù)荷需求時(shí),只要有多余的電能,便充入蓄電池。

③當(dāng)光伏陣列和風(fēng)機(jī)發(fā)電無法滿足負(fù)荷需求且蓄電池的荷電狀態(tài)達(dá)到放電下限值（SOCmin）時(shí),柴油機(jī)啟動(dòng),并保證最小發(fā)電功率的前提下運(yùn)行。在柴油機(jī)運(yùn)行期間,考慮到運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性,采用負(fù)荷跟隨模式,只需保證負(fù)荷需求得到滿足。僅當(dāng)負(fù)荷對(duì)柴油機(jī)的功率需求低于其最小發(fā)電功率限值時(shí),多于電力才給蓄電池充電。當(dāng)風(fēng)光或風(fēng)光蓄可以滿足負(fù)荷需求時(shí),柴油機(jī)關(guān)停。

④如果所有電源出力之和仍然不能夠滿足負(fù)荷要求,這時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)負(fù)荷損失,系統(tǒng)的缺電量將作為評(píng)價(jià)系統(tǒng)供電可靠性優(yōu)劣的指標(biāo),將缺電量計(jì)入供電可靠性指標(biāo)的計(jì)算中。

4 算例分析

4.1 研究系統(tǒng)基本情況

本文以一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的微網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象,結(jié)構(gòu)如圖1所示,各類分布式電源的單機(jī)容量和各種費(fèi)用如表1所示。

表1 分布式電源成本參數(shù)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的切入風(fēng)速為2.5m/s,額定風(fēng)速為lOm/s,切出風(fēng)速為45m/s；蓄電池的允許放電深度為8O％,每小時(shí)自放電率為O.Ol％,充放電效率分別為O.95和1,額定電壓為l2V,安時(shí)容量為2OOA˙h；柴油發(fā)電機(jī)在保證最小發(fā)電功率的前提下以額定功率的3O％啟動(dòng),取柴油的密度為O.84g/cm3,根據(jù)負(fù)荷需求調(diào)整出力,柴油發(fā)電機(jī)燃油消耗量為7.8kWh/1,取柴油價(jià)格為5.9元/1。

系統(tǒng)允許的最大缺電概率為1％。本文考慮居民負(fù)荷,單位缺電量的停電損失費(fèi)用取2.4lO元/kW［l8］。全年允許的二氧化碳排放量最大值為4Ot。根據(jù)我國(guó)國(guó)家環(huán)保總局頒發(fā)的《排污費(fèi)用征收標(biāo)準(zhǔn)管理辦法》中規(guī)定的氣體污染物排放費(fèi)用征收標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算方法,廢氣排污費(fèi)按排放污染物的種類、數(shù)量以污染當(dāng)量計(jì)算征收,每一污染當(dāng)量征收標(biāo)準(zhǔn)為O.6元［l9］。由于光伏陣列、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、蓄電池的運(yùn)行清潔無污染,其污染物排放量忽略不計(jì),而柴油機(jī)利用燃料燃燒進(jìn)行發(fā)電,屬于內(nèi)燃機(jī)的一種類型,其污染物排放量較大,具體的污染物排放參數(shù)［2O］以及相關(guān)污染物的治污收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn) 如表2所示［2l］。

系統(tǒng)所在地的年風(fēng)速、光輻射照度、溫度數(shù)據(jù)及年負(fù)荷數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù),以lh為仿真步長(zhǎng),仿真時(shí)長(zhǎng)為la。圖2為一周的氣象數(shù)據(jù),相應(yīng)的負(fù)荷數(shù)據(jù)如圖3所示。

表2 柴油機(jī)的污染物排放量和相關(guān)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)

4.2 微網(wǎng)電源優(yōu)化結(jié)果分析

4.2.1 不同調(diào)度策略的電源容量配置方案

圖2 算例系統(tǒng)所在地一周氣象數(shù)據(jù)

圖3 算例系統(tǒng)所在地一周負(fù)荷曲線

本文采用Matlab語言編寫自適應(yīng)權(quán)重粒子群優(yōu)化算法,對(duì)算例系統(tǒng)進(jìn)行仿真求解,得到4種優(yōu)化模型對(duì)應(yīng)的電源容量配置結(jié)果,如表3所示。

表3 不同模型的最優(yōu)配置方案

圖4為4種模型情況下某天24h內(nèi)負(fù)荷功率在不同發(fā)電形式之間的分配情況。

對(duì)比表3中4種模型的配置方案及各項(xiàng)具體費(fèi)用,可以看出:環(huán)保性和可靠性采用約束條件方式考慮的模型1所配置的光伏陣列、風(fēng)機(jī)、蓄電池的數(shù)量最少。隨著將環(huán)境成本和可靠性成本納入目標(biāo)函數(shù),需要增加可再生能源電源形式的裝機(jī),投資費(fèi)用逐步增加,柴油機(jī)組發(fā)電量隨之下降,經(jīng)濟(jì)性等年值成本逐步上升。下面通過對(duì)比各配置方案的差異,分析環(huán)境成本和可靠性成本納入目標(biāo)函數(shù)對(duì)配置結(jié)果以及經(jīng)濟(jì)性等年值成本的影響。

4.2.1.1 環(huán)境成本納入目標(biāo)函數(shù)對(duì)配置結(jié)果的影響

與模型1相比,目標(biāo)函數(shù)中考慮環(huán)境成本并且供電可靠性采用約束條件方式考慮的模型2所配置的光伏陣列和蓄電池的數(shù)量有所增加,柴油機(jī)組的發(fā)電量有了一定程度的下降,同時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用和燃料費(fèi)用也減少了。

通過對(duì)比表示模型1和模型2下某天24h內(nèi)不同電源形式發(fā)電功率的圖4（b）和（a）,可以發(fā)現(xiàn):環(huán)境成本納入目標(biāo)函數(shù)的模型2進(jìn)一步限制了污染物的排放量,減少了柴油機(jī)組的發(fā)電功率,系統(tǒng)整體的運(yùn)行和燃料費(fèi)用也相應(yīng)減少。為了滿足供電可靠性的約束,這部分發(fā)電量的減少需由其他電源形式,即可再生能源形式和相應(yīng)的儲(chǔ)能裝置來補(bǔ)充。對(duì)比圖4（c）和（d）同樣可以驗(yàn)證這個(gè)結(jié)論。

圖4 各模型的電源供電情況

4.2.1.2 可靠性成本納入目標(biāo)函數(shù)對(duì)配置結(jié)果的影響

與模型1相比,目標(biāo)函數(shù)中考慮可靠性成本的模型3所配置的光伏陣列、風(fēng)機(jī)、蓄電池的數(shù)量得到進(jìn)一步的增加,系統(tǒng)的投資費(fèi)用隨之提高,柴油機(jī)組的發(fā)電量以及相關(guān)運(yùn)行費(fèi)用和燃料費(fèi)用進(jìn)一步減少。

對(duì)比圖4（c）和（a）在2O～2l時(shí)的負(fù)荷缺電情況,模型3的系統(tǒng)缺電量有所降低,說明可靠性成本納入目標(biāo)函數(shù)進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí),在白天9～l7時(shí),模型3的可再生能源形式的發(fā)電功率增加,明顯多于負(fù)荷需求量。也就是說,在晚上2O～2l時(shí)的負(fù)荷高峰期,由于缺少了光伏電源的發(fā)電功率,需要蓄電池和柴油機(jī)組進(jìn)行補(bǔ)充。提高可靠性所增加的電量需求就需要其他電源形式,例如可以補(bǔ)充光伏和風(fēng)電的裝機(jī),使得白天有更多多余的電量向儲(chǔ)能裝置充電,用于晚間負(fù)荷高峰時(shí)段的供電,從而提高可靠性。相比于增加柴油機(jī)組,可再生能源的形式只增加投資費(fèi)用,而其他費(fèi)用增加很小,可以忽略,因此相對(duì)于通過柴油機(jī)組的裝機(jī)容量增加提高可靠性更有優(yōu)勢(shì)。對(duì)比圖4（b）和（d）同樣可以得到這個(gè)結(jié)論。

從以上分析可以看出,環(huán)境成本和可靠性成本納入目標(biāo)函數(shù)使得對(duì)系統(tǒng)的環(huán)保性和可靠性的要求提高,這都是以提高系統(tǒng)可再生能源形式裝機(jī)比例、降低系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性為代價(jià)的。以下分別分析環(huán)境成本和可靠性成本納入目標(biāo)函數(shù)對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響。

4.2.1.3 環(huán)境成本納入對(duì)經(jīng)濟(jì)性等年值成本的影響

模型1和模型2的系統(tǒng)等年值成本分別是2O9 O43元和2O9 O9O元,基本處于同一水平。說明環(huán)境費(fèi)用的加入對(duì)于系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性影響并不明顯。根據(jù)以上日內(nèi)各種電源的發(fā)電情況分析,環(huán)境因素的加入一方面需要增加可再生能源形式,另一方面也是通過日內(nèi)的調(diào)度策略使得燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電量下降?？稍偕茉囱b機(jī)增加的投資和燃?xì)廨啓C(jī)燃料使用量的下降基本相當(dāng)。

4.2.1.4 可靠性成本納入對(duì)經(jīng)濟(jì)性等年值成本的影響

模型3的經(jīng)濟(jì)性等年值成本是2l3 O39元,相比于模型1的2O9 O43元有了一定的增加。說明可靠性費(fèi)用的納入使得對(duì)系統(tǒng)的可靠性要求更高,一方面需要增加更多 （比模型2的結(jié)果多）的可再生能源形式；另一方面為了保證更高的可靠性,燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電量的下降很有限,減少的燃料費(fèi)用大大小于設(shè)備投資的增加。

總之,可靠性的提高對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響體現(xiàn)在總體需要更多的功率或電量,需要增加裝機(jī)容量來滿足,因此就增加了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性等年值成本,是一個(gè)整體提升的關(guān)系；而環(huán)保性的提高對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響是降低柴油機(jī)組的發(fā)電量,需要其他形式的電量來補(bǔ)充,是一個(gè)相對(duì)的關(guān)系。

4.2.2 環(huán)保性和可靠性分析

為了評(píng)價(jià)不同優(yōu)化模型對(duì)配置結(jié)果在環(huán)保性和可靠性方面的影響,針對(duì)所得到的配置方案,分別計(jì)算其環(huán)境費(fèi)用、二氧化碳排放量、可靠性費(fèi)用、缺電概率、經(jīng)濟(jì)性等年值成本、以及經(jīng)濟(jì)環(huán)保可靠性綜合成本,結(jié)果如表4所示。

表4 各配置方案的環(huán)境費(fèi)用、可靠性水平及各項(xiàng)成本

4.2.2.1 模型對(duì)于系統(tǒng)可靠性和環(huán)保性的提升

對(duì)于系統(tǒng)的供電可靠性,模型3和模型4的可靠性成本及缺電概率均大大低于模型1和模型2,說明在目前這種可靠性成本的計(jì)算方式下,采用目標(biāo)函數(shù)中考慮可靠性成本比起采用約束條件來對(duì)于提高系統(tǒng)的可靠性更有效。

對(duì)于系統(tǒng)的環(huán)保性,模型2相對(duì)于模型1、模型4相對(duì)于模型3的環(huán)境費(fèi)用,有所下降且降幅較小,說明采用目標(biāo)函數(shù)中考慮環(huán)境成本對(duì)于提高系統(tǒng)的環(huán)保性能作用有限。但由于在目前這種環(huán)境成本的計(jì)算方式下,經(jīng)濟(jì)性還是占到大部分的總體費(fèi)用,其對(duì)環(huán)保性能的提升效果不容忽略。如果想要提高系統(tǒng)的環(huán)保性,采用在約束條件中進(jìn)一步限制污染物排放量更為有效。

4.2.2.2 系統(tǒng)可靠性能和環(huán)保性能的相互作用

在目標(biāo)函數(shù)中加入了環(huán)境成本,使得模型2相對(duì)于模型1、模型4相對(duì)于模型3的環(huán)境費(fèi)用有了少量的減少。但與此同時(shí),模型3和模型4總體上卻比模型2和模型1的環(huán)境費(fèi)用有著更大的降幅,環(huán)保性能有了更大的提升。這是因?yàn)榭煽啃缘脑黾邮沟每稍偕茉葱问降碾娫囱b機(jī)很充分,由于在發(fā)電策略中優(yōu)先使用可再生能源發(fā)電形式,使得這部分發(fā)電量有較大幅度的上升,從而對(duì)柴油機(jī)組發(fā)電量的需求下降,因此污染物的排放量就有了進(jìn)一步的下降,甚至比將環(huán)境成本納入目標(biāo)函數(shù)總成本的作用更大。這說明,環(huán)保性能的提高更依賴于本身的可再生能源和柴油機(jī)組裝機(jī)的相對(duì)比例。

此外,模型2相對(duì)于模型1、模型4相對(duì)于模型3的缺電率也有了小幅的提升,原因是環(huán)保性能的提高最終導(dǎo)致了電源總體裝機(jī)的增加,可用的發(fā)電量進(jìn)一步提高,從而增加了系統(tǒng)的可靠性。由此可以看出,系統(tǒng)環(huán)保性能的提升在一定程度上有利于提高系統(tǒng)的供電可靠性。

因此,環(huán)保成本和可靠性成本納入到目標(biāo)函數(shù),都不同程度地提高了可再生能源的裝機(jī)比例,相互提升了各自的性能,環(huán)境成本的納入可以小幅提高系統(tǒng)的可靠性,而可靠性成本的納入可以較大程度提高環(huán)保性能。

4.2.2.3 環(huán)境成本和可靠性成本的靈敏度分析

通過以上分析,可知環(huán)保性和可靠性對(duì)配置結(jié)果的影響與污染物的治污費(fèi)用、單位停電損失費(fèi)用有直接的關(guān)系。環(huán)保和可靠成本的靈敏度分析可以進(jìn)一步研究模型中環(huán)保性和可靠性的考慮方式對(duì)優(yōu)化結(jié)果的影響。

①環(huán)境成本靈敏度分析

系統(tǒng)的供電可靠性采用約束條件的方式考慮,允許的最大缺電概率依然為1％。以現(xiàn)有污染物的治污費(fèi)用為基準(zhǔn),設(shè)定其變化幅度為—2O％～+2O％,采用模型1（環(huán)保性約束）和模型2（環(huán)境成本）所得到配置方案的環(huán)境費(fèi)用結(jié)果對(duì)比如圖5所示。

圖5 環(huán)保性靈敏度曲線

可以看出,當(dāng)污染物的環(huán)境價(jià)值和罰款的下降幅度大于5％時(shí),采用約束條件可以使環(huán)境費(fèi)用更低,對(duì)提高系統(tǒng)的環(huán)境友好性更有效。反之,當(dāng)變化幅度從—5％不斷上升時(shí),采用環(huán)境成本方式考慮更有效。

②可靠性成本靈敏度分析

污染物的環(huán)境價(jià)值和罰款保持不變。針對(duì)供電可靠性,單位缺電量的停電損失費(fèi)用在O～2.OO元/kW變化。采用模型2（可靠性約束）和模型4（可靠性成本）所得配置方案的可靠性費(fèi)用結(jié)果對(duì)比如圖6所示。

圖6 可靠性靈敏度曲線

可以看出,當(dāng)單位缺電量的停電損失費(fèi)用低于O.5O元/kW時(shí),采用可靠性約束的考慮方式對(duì)應(yīng)的可靠性費(fèi)用較低,對(duì)提高可靠性更有效。當(dāng)單位費(fèi)用高于O.5O元/kW時(shí),采用可靠性成本方式對(duì)提高供電可靠性更有效。

總而言之,對(duì)于獨(dú)立運(yùn)行的微電網(wǎng),要兼顧系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和供電可靠性,需要根據(jù)系統(tǒng)對(duì)這三者的側(cè)重點(diǎn)、各自的具體要求、各項(xiàng)成本的對(duì)比關(guān)系等來決定合理的優(yōu)化模型,才能得到符合系統(tǒng)要求的優(yōu)化配置方案。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)獨(dú)立運(yùn)行的風(fēng)光柴蓄微電網(wǎng),綜合考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、供電可靠性和環(huán)保性,以計(jì)及設(shè)備投資成本、運(yùn)行成本、燃料成本、環(huán)境成本、可靠性成本的不同組合方式構(gòu)成的系統(tǒng)等年值費(fèi)用最低為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),考慮系統(tǒng)運(yùn)行的約束條件,建立獨(dú)立運(yùn)行微電網(wǎng)的不同電源優(yōu)化配置模型,得到了不同的配置方案,從不同的側(cè)面詳細(xì)分析了優(yōu)化模型對(duì)配置結(jié)果的影響,得到了以下結(jié)論:

①環(huán)境成本納入目標(biāo)函數(shù)降低了柴油機(jī)組的發(fā)電量,需要增加可再生能源形式來滿足可靠性的約束。可靠性成本納入目標(biāo)函數(shù)中提升了系統(tǒng)供電能力的要求,增加可再生能源的裝機(jī)容量,通過儲(chǔ)能設(shè)備的充放電來增加了負(fù)荷高峰期的供電水平。

②環(huán)保性的提高對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響是降低柴油機(jī)組的發(fā)電量,其他形式的電量來補(bǔ)充,是一個(gè)相對(duì)的關(guān)系?？煽啃缘奶岣邔?duì)經(jīng)濟(jì)性的影響體現(xiàn)在總體需要更多的功率或電量,需要更多的增加裝機(jī)容量來滿足,是一個(gè)整體提升的關(guān)系。

③環(huán)境成本和可靠性成本的納入,均可以不同程度地提高可再生能源的裝機(jī)比例,均可以相互提升各自的性能。

④當(dāng)污染物的治污費(fèi)用較低時(shí),采用約束條件方式對(duì)提高環(huán)保性更有效；反之,采用環(huán)境成本方式更有效。當(dāng)單位缺電量的停電損失費(fèi)用較低時(shí),采用可靠性約束方式對(duì)提高供電可靠性更有效,反之,采用可靠性成本方式更有效。

總之,對(duì)于獨(dú)立運(yùn)行的微電網(wǎng),需根據(jù)系統(tǒng)對(duì)經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和供電可靠性的側(cè)重點(diǎn)和具體需求,根據(jù)各項(xiàng)成本的對(duì)比關(guān)系、可靠性和環(huán)保性能的具體費(fèi)用綜合考慮,選擇合適的優(yōu)化模型,方能得到符合設(shè)計(jì)要求和實(shí)際需求的電源優(yōu)化配置方案。

［1］ 魯宗相,王彩霞,閔勇,等.微電網(wǎng)研究綜述［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2OO7,3l（l9）:lOO-lO6.

［2］ 王成山,王守相.分布式發(fā)電供能系統(tǒng)若干問題研究［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2OO8,32（2O）:1-4.

［3］ 韋鋼,吳偉立.分布式電源及其并網(wǎng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的影響［J］.高電壓技術(shù),2OO7,33（1）:36-4O.

［4］ 王曉晶,陳星鶯,陳楷,等.智能配電網(wǎng)清潔性評(píng)估指標(biāo)研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2Ol3,33 （3l）:43-5O.

［5］ 錢科軍,袁越,石曉丹.分布式發(fā)電的環(huán)境效益分析［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2OO8,28（29）: ll-l5.

［6］ 張焰.電網(wǎng)規(guī)劃中的可靠性成本 效益分析研究 ［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化,l999,23（l5）:33-36.

［7］ 羅奕,王鋼,汪隆君.微網(wǎng)可靠性評(píng)估指標(biāo)研究［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2Ol3,37（5）:9-l4.

［8］ 王新剛,艾芊,徐偉華,等.含分布式發(fā)電的微電網(wǎng)能量管理多目標(biāo)優(yōu)化 ［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2OO9,37（2O）:79-83.

［9］ 王兆宇,艾芊.基于QPSO與BPSO算法的動(dòng)態(tài)微電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化自愈［J］.電網(wǎng)技術(shù),2Ol2,36 （lO）:23-29.

［lO］陳潔,楊秀,朱蘭,等.微網(wǎng)多目標(biāo)經(jīng)濟(jì)調(diào)度優(yōu)化［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2Ol3,33（l9）:57-66.

［ll］郭力,劉文建,焦冰琦,等.獨(dú)立微網(wǎng)系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計(jì)方法 ［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2Ol4,34（4）:524-536.

［l2］王瑞琪,李珂,張承慧.基于混沌多目標(biāo)遺傳算法的微網(wǎng)系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2Oll,39（22）:l6-22.

［l3］劉夢(mèng)璇,王成山,郭力,等.基于多目標(biāo)的獨(dú)立微電網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2Ol2，36（l7）:34-39.

［l4］Gavanidou E,Bakirtzis A.Design of a stand alone system with renewable energy sources using trade off methods［J］.IEEE Trans.on Energy Conversion，l992,7（1）:42-48.

［l5］張節(jié)潭,程浩忠,胡澤春,等.含風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)隨機(jī)生產(chǎn)模擬 ［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2OO9，29（28）:34-39.

［l6］Yang H X,Zhou W,Lu 1,et al.Optimal sizing method for stand-alone hybrid solar-wind system with LPSP technology by using genetic algorithm［J］.Solar Energy,2OO8,82（4）:354-367.

［l7］HOMER V.2.68beta,National Renewable Energy Laboratory（NREL）.［Online］.Available:http://www.homerenergy.com.

［l8］萬國(guó)成,任震,黃金鳳.配電網(wǎng)可靠性成本與效益綜合［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備,2OO3,23（9）:l8-22.

［l9］王志軒,潘荔,彭俊.電力行業(yè)二氧化硫排放控制現(xiàn)狀、費(fèi)用及對(duì)策分析 ［J］.環(huán)境科學(xué)研究,2OO5，l8（4）:ll-2O.

［2O］馬溪原,吳耀文,方華亮,等.采用改進(jìn)細(xì)菌覓食算法的風(fēng)/光/儲(chǔ)混合微電網(wǎng)電源優(yōu)化配置 ［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2011,3l（25）:l7-25.

［2l］何子君.微網(wǎng)供能系統(tǒng)交易及優(yōu)化綜合評(píng)價(jià)方法研宄 ［M］.北京:華北電力大學(xué),2011.

趙冬梅（l965—）,女,教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析、運(yùn)行,電力系統(tǒng)智能技術(shù)。

（責(zé)任編輯:林海文）

Comparative Analysis on Optimized Configuration Models of Distributed Generations in Stand-alone Micro-grid

LIU Yanhua1,LI Yafei1,ZHAO Dongmei1,HE Guoqing2
（1.School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Beijing lO22O6,China；2.New Energy Institute,China Electric Power Research Institute,Beijing lOOl92,China）

降低系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本，提高供電可靠性，改善系統(tǒng)環(huán)保性能是微電網(wǎng)電源優(yōu)化配置追求的目標(biāo)。論述了獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)/光/柴/蓄微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)和電源發(fā)電模型。以系統(tǒng)等年值費(fèi)用最低為經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)可靠性和環(huán)保性采用約束條件或納入經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化目標(biāo)的方式分別建立了4種類型的綜合經(jīng)濟(jì)性、可靠性和環(huán)保性的多目標(biāo)優(yōu)化模型。以年風(fēng)速、氣溫、光輻射強(qiáng)度等資源情況，以及負(fù)荷水平作為輸入，采用粒子群自適應(yīng)算法對(duì)優(yōu)化模型求解得到風(fēng)/光/柴/蓄微電網(wǎng)電源的優(yōu)化配置方案。對(duì)比分析算例系統(tǒng)在4種優(yōu)化模型下配置方案的區(qū)別及其原因。通過靈敏度分析得到環(huán)保性和可靠性合理的考慮方式，為今后的相關(guān)研究和工程設(shè)計(jì)提供參考。

微電網(wǎng)；電源配置；多目標(biāo)優(yōu)化；獨(dú)立運(yùn)行；風(fēng)/光/柴/蓄微電網(wǎng)

The aims for optimized configuration of distributed generations in micro-grid are to reduce the economic cost,and to improve the reliability of power supply and environmental performance.The topology structure of the stand-alone micro-grid with wind/PV/diesel/battery energy and the optimized configuration models of distributed generations are discussed.The annual minimum cost of the system is taken as the optimal economic objectives,and the reliability and environmental performance are considered as constraints conditions or added into the optimal economic objective.Therefore,four types of multi-objective optimal models which combine economy,reliability and environmental performance are respectively built.The load level and natural resource,such as annual wind speed,air temperature and solar irradiance are regarded as the input information,andthe particle swarm adaptive algorithm is applied to solve the optimized model to obtain the optimal configuration schemes of distributed generations for wind/PV/diesel/battery energy micro-grid.The differences of configuration schemes under four types of optimal models in the case system are compared and the corresponding reasons are analyzed thoroughly.Through sensitivity analyzing,reasonable modes of the environmental performance and reliability are obtained，which can provide helpful guidance to the related research and the actual engineering design.

micro-grid；configuration of power generation；multi-objective optimization；stand-alone operation；wind/ PV/diesel/battery energy micro-grid

2Ol4-ll-22

劉燕華（l975—）,女,博士研究生,講師,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析、運(yùn)行,風(fēng)力發(fā)電,E-mail:lyh@ncepu.edu.cn；

李雅菲（l99O—）,女,碩士研究生,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析、運(yùn)行與控制,E-mail:janet8843@l26.com；

教育部中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（l3MSO6）