基于削峰填谷的微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的優(yōu)化調(diào)度

舒大松，黃摯雄，李軍葉，李志勇

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基于削峰填谷的微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的優(yōu)化調(diào)度

舒大松1, 2，黃摯雄1，李軍葉1，李志勇1

(1. 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙 410075；2. 湖南廣播電視大學(xué)機(jī)電工程系，湖南長沙 410004)

基于微電網(wǎng)中的光伏和風(fēng)力等可再生能源發(fā)電占主導(dǎo)地位，而其具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和波動(dòng)性，不遵循人工調(diào)度，而傳統(tǒng)電網(wǎng)的調(diào)度模型不能直接應(yīng)用到微電網(wǎng)等問題，借鑒大電網(wǎng)的調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)微電網(wǎng)本身特點(diǎn)，建立最小發(fā)電成本和最少污染物排放的2個(gè)目標(biāo)函數(shù)。針對(duì)大電網(wǎng)存在較大的峰谷負(fù)荷差等問題，通過控制蓄電池充放電時(shí)段和功率、大電網(wǎng)交互功率和時(shí)段，以實(shí)現(xiàn)大電網(wǎng)的削峰填谷的目的。針對(duì)微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度是一個(gè)多目標(biāo)、非線性、多約束條件的模型，提出雜交粒子群算法對(duì)模型進(jìn)行求解，針對(duì)粒子群算法中可能存在的局部收斂和收斂速度慢等問題，隨機(jī)搜索取值代替失去進(jìn)化的粒子和選擇雜交過程。仿真結(jié)果驗(yàn)證了微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型的正確性和有效性，以及雜交粒子群算法的收斂性。

削峰填谷；微電網(wǎng)；雜交粒子群；隨機(jī)搜索；優(yōu)化調(diào)度

微電網(wǎng)作為智能電網(wǎng)的重要部分，其以靈活的方式接入大量的分布式能源，可以參與電力系統(tǒng)的運(yùn)行與控制[1?3]。目前，人們對(duì)如何靈活控制微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間的并列運(yùn)行方式使微電網(wǎng)起到削峰填谷的作用，從而使整個(gè)電網(wǎng)的發(fā)電設(shè)備得到充分利用、實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的研究較少[4?7]。文獻(xiàn)[8?10]僅提出了儲(chǔ)能單元的充放電控制，達(dá)到削峰填谷的目的，而沒有考慮微電網(wǎng)中其他分布式電源的協(xié)調(diào)控制。文獻(xiàn)[11?13]建立了帶儲(chǔ)能單元的微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度，但模型優(yōu)化求解過程比較復(fù)雜，且遺傳算法求解的最優(yōu)值與初始值有關(guān)。本文作者根據(jù)大電網(wǎng)負(fù)荷分布情況將1 d劃分為峰/平/谷3個(gè)時(shí)段，在保證負(fù)荷供電可靠、安全的前提下，低谷時(shí)盡量地從電網(wǎng)取電向蓄電池充電，在峰時(shí)段則向電網(wǎng)售電，達(dá)到微電網(wǎng)和上級(jí)電網(wǎng)雙贏的目的。建立以發(fā)電成本和污染物排放量罰款的加權(quán)之和最小為目標(biāo)函數(shù)，在滿足分布式單元安全運(yùn)行的約束前提下，蓄電池和大電網(wǎng)在不同的時(shí)段采取不同的功率限制。結(jié)合遺傳算法較強(qiáng)的全局收斂能力和粒子群算法與初值無關(guān)的優(yōu)點(diǎn)對(duì)模型進(jìn)行求解，并對(duì)微粒運(yùn)行行為和收斂性進(jìn)行分析和修正。以包含光伏、風(fēng)力、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池和蓄電池等多種分布式單元組成的微電網(wǎng)為例，通過仿真分析，驗(yàn)證雜交粒子群算法的合理性和有效性。

1 微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型

1.1 優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

本文研究的微電網(wǎng)優(yōu)化模型是在滿足以下3種假設(shè)條件下建立的：1) 微型燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池輸出的最大功率之和能夠滿足系統(tǒng)內(nèi)部最大負(fù)荷需求；2) 忽略蓄電池內(nèi)部損耗；3) 蓄電池以恒功率放電，且忽略電池的爬坡速率。在此前提下，微電網(wǎng)在任何時(shí)候都能滿足功率的供需平衡，因此，不考慮負(fù)荷停運(yùn)經(jīng)濟(jì)損失。

微電網(wǎng)中存在多種能源的輸入(光、風(fēng)、天然氣等)，對(duì)于光伏和風(fēng)力這類間歇式電源應(yīng)盡量提高其發(fā)電效率，一般使其運(yùn)行在最大功率跟蹤點(diǎn)(MPPT)。而對(duì)于微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池這類輸出可以根據(jù)需要改變電源以及蓄電池和大電網(wǎng)輸出功率可正可負(fù)的單元，通過多目標(biāo)優(yōu)化算法對(duì)其發(fā)電量進(jìn)行控制，通過優(yōu)化蓄電池的充放電時(shí)間和充放電功率獲取更多利潤。在保證微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部負(fù)荷供電不間斷的前提下，以1 d微電網(wǎng)總的發(fā)電成本和污染物罰款成本最小建立優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)函數(shù)：

式中：()為微電網(wǎng)運(yùn)行總成本；c()為微電網(wǎng)的發(fā)電成本；e()為污染氣體排放的罰款成本；為優(yōu)化變量，即微電網(wǎng)中可調(diào)度單元各個(gè)時(shí)刻的優(yōu)化功率；1和2為加權(quán)系數(shù)，且滿足1+2=1。

本文所討論的微電網(wǎng)發(fā)電成本包括燃料成本、運(yùn)行管理成本、折舊成本、大電網(wǎng)交互成本等，可表示為

式中：1，2，3和4可取0或1，取1表示計(jì)入該項(xiàng)成本，取0表示不計(jì)該項(xiàng)成本，也可取1+2+3+4=1，不同可用來衡量每一項(xiàng)成本在總發(fā)電成本的比重，可根據(jù)實(shí)際需求靈活取值；G為燃料成本；OM為運(yùn)行管理成本；DP為折舊成本；grid為大電網(wǎng)交互 成本。

1) 燃料成本為[14]

式中：為調(diào)度時(shí)段總數(shù)；()為輸出功率所需要的燃料量；c為燃料的價(jià)格。

2) 運(yùn)行管理成本為

運(yùn)行管理成本與輸出功率成正比。式中：為分布式單元序號(hào)；為分布式單元的總數(shù)；OMi為第個(gè)分布式單元運(yùn)行管理系數(shù)。

3) 與大電網(wǎng)交互成本為

式中：f，p和g分別為峰時(shí)段、平時(shí)段和谷時(shí)段與上級(jí)電網(wǎng)交互功率之和，它們大于0表示購電，小于0表示售電；為基本電價(jià)；為峰時(shí)段電價(jià)上調(diào)系數(shù)，且大于1；為谷時(shí)段電價(jià)下調(diào)系數(shù)，小于1。

4) 折舊成本為[15]

式中：為年利率；為使用年限；為安裝成本；fc為發(fā)電單元最大輸出功率；f為容量因子；p為時(shí)刻所發(fā)出的功率。

5) 污染物排放罰款成本。主要考慮排放的CO2，SO2和NO等溫室氣體和污染氣體對(duì)環(huán)境的影響。使用下式計(jì)算罰款成本：