微網(wǎng)日前調(diào)度優(yōu)化方案

巫卿+俞雷

摘 要：隨著化石能源的日益枯竭，由清潔能源組成的分布式電源廣泛受到關(guān)注。文章針對微電網(wǎng)的組成，建立了相應(yīng)的求解模型，分別建立了發(fā)電成本、環(huán)境成本以及綜合成本的目標(biāo)函數(shù)，以功率平衡以及其他約束分析了相應(yīng)的調(diào)度策略，使得微電網(wǎng)的整體運(yùn)行成本最低。在綜合效益成本上，考慮了發(fā)電成本和環(huán)境成本，雖然發(fā)電成本和環(huán)境成本都沒打到最低，但是綜合效益成本實(shí)現(xiàn)了最低的水平，使微網(wǎng)整體運(yùn)行成本降低，協(xié)調(diào)了微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性。該研究成果對日前的微網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)；調(diào)度；優(yōu)化方案

中圖分類號(hào)：TU852 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）35-0094-03

1 概述

隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭，能源需求卻不斷增長，不僅造成了全球的能源危機(jī)，而且環(huán)境問題也日益突出[1]。當(dāng)前對于高效、清潔的能源的需求越來越迫切。為了解決這一問題就產(chǎn)生了以太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電為代表的分布式發(fā)電。分布式發(fā)電具有排放污染氣體低、能源利用效率高、損耗低和安裝靈活等優(yōu)點(diǎn)，但分布式能源具有出力的隨機(jī)性和間歇性的特點(diǎn)，當(dāng)大規(guī)模并網(wǎng)時(shí)，會(huì)對主網(wǎng)造成沖擊，降低了主網(wǎng)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性[2]。因此，如何妥善管理微網(wǎng)內(nèi)部分布式電源和儲(chǔ)能運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)境效益的最大化成為重要的研究課題。

關(guān)于微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行國內(nèi)外學(xué)者做出了大量研究，先后考慮微電網(wǎng)運(yùn)行的不同效益得到微電網(wǎng)的最優(yōu)運(yùn)行方案[3-5]。文獻(xiàn)[3]針對主動(dòng)配電系統(tǒng)中間歇性電源和負(fù)荷的不確定性問題，基于多場景技術(shù)提出一種結(jié)合日前調(diào)度和實(shí)時(shí)調(diào)度的兩步優(yōu)化調(diào)度模型。文獻(xiàn)[4]以總發(fā)電費(fèi)用最小為目標(biāo)，建立了微電網(wǎng)負(fù)荷分配模型。文獻(xiàn)[5]分別以經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和綜合效益為目標(biāo)，建立了含多種分布式電源的集中控制式微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型。但以上研究的微電網(wǎng)組成單元比較單一，考慮的利益主體少，無法適用于組成復(fù)雜的微網(wǎng)調(diào)度問題。

本文主要考慮多個(gè)利益主體，如用戶、電網(wǎng)、可再生能源以及蓄電池等，給出微網(wǎng)運(yùn)行的目標(biāo)函數(shù)及約束條件，在保證不使任意主體的利益嚴(yán)重受損的前提下，得到科學(xué)合理的發(fā)、用電策略，使得綜合效益達(dá)到最優(yōu)。

2 經(jīng)濟(jì)調(diào)度數(shù)學(xué)模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)的建立

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)1：系統(tǒng)的運(yùn)行成本最低

為主網(wǎng)運(yùn)行時(shí)需要考慮燃料成本、運(yùn)行管理成本和與大主網(wǎng)電量交易成本以及制熱收益等。即：

式中，F(xiàn)1為微網(wǎng)在日運(yùn)行的發(fā)電成本；T為總的調(diào)度時(shí)段數(shù)；Cf（t）為第t個(gè)調(diào)度時(shí)段內(nèi)的燃料成本；Cdp（t）為折舊維護(hù)成本；Com（t）為運(yùn)行管理成本；Cg（t）為與大主網(wǎng)交互成本；CS（t）為CHP系統(tǒng)的制熱效益。CEV（t）為電動(dòng)汽車車主參與到微網(wǎng)調(diào)度的費(fèi)用。其中，各種的成本計(jì)算如下：

（1）燃料成本

微網(wǎng)內(nèi)的分布式電源，所需要的燃料各不相同，這里的燃料成本是指微型燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池，計(jì)算表達(dá)式為：

（2）運(yùn)行管理成本

管理運(yùn)行中的微電源產(chǎn)生的費(fèi)用，可計(jì)算如下：

式中：OMi為發(fā)電單元類型i的運(yùn)行管理成本；N為微源類型；Pit為發(fā)電單元類型i在時(shí)刻t的輸出功率；KOM，it為微源類型i在t時(shí)刻的運(yùn)行維護(hù)成本系數(shù)。

（3）折舊維護(hù)成本

對微源在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的磨損和老化現(xiàn)象進(jìn)行維護(hù)處理產(chǎn)生費(fèi)用，其計(jì)算如下：

式中：DPi為微源類型i的折舊維護(hù)成本；Pit為發(fā)電類型i在t時(shí)刻的輸出功率；ADCCi為微源類型i年均折舊成本；PN，i為微源類型i的最大輸出功率；cfi為微源類型i的容量因素；InsCosti為微源類型i的單位容量安裝成本；CFRi為微源類型i的資本回收系數(shù)；di為微源類型i的年折舊率；Li微源類型i的折舊年限。

（4）與大主網(wǎng)電量交易成本

該部分成本費(fèi)是微網(wǎng)向大主網(wǎng)購售電產(chǎn)生的費(fèi)用。計(jì)算如下：

Cg（t）=c（t）×Pg（t）

式中：c（t）為t時(shí)刻聯(lián)絡(luò)線交換功率的電價(jià)；Pg（t）為t時(shí)刻聯(lián)絡(luò)線的交換功率。

2.1.2 目標(biāo)函數(shù)2：系統(tǒng)的環(huán)境保護(hù)折算成本最低

主要包括微網(wǎng)中各個(gè)微電源以及配主網(wǎng)的排污處理費(fèi)用：

minF2=CDG，i-EM+CGrid-EM

式中：CDG，i-EM為微網(wǎng)中微源i的排污處理費(fèi)用；CGrid-EM配主網(wǎng)排污處理費(fèi)用。

其中排污處理費(fèi)用計(jì)算如下：

式中：Ci-EM為微源i的污染物排放治理費(fèi)用；N為微源類型（MT、FC and Grid）；M為排放類型（NOX、SO2 or CO2）；？琢ik為微源i對污染類型為k時(shí)的單元排污處理成本；？姿ik為微源i對污染類型為k時(shí)的排放系數(shù)；Pit為微源i在t時(shí)刻的輸出功率。

2.1.3 目標(biāo)函數(shù)3：系統(tǒng)的綜合效益成本最低

此時(shí)將所有的成本考慮在內(nèi)。

minF3=F1+F2

式中，F(xiàn)3為微網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的綜合效益。

2.2 約束條件的確定

在本文中主要考慮微網(wǎng)中的功率平衡、各模塊輸出功率約束、爬坡約束、聯(lián)絡(luò)線的功率約束等，它們的具體要求如下：

（1）微網(wǎng)中的電功率平衡約束

（2）各微源的輸出功率約束

對微網(wǎng)內(nèi)的微電源輸出有上下限。

（3）爬坡約束

對于燃?xì)廨啓C(jī)能量轉(zhuǎn)化速度有一定的限制，在相鄰調(diào)度時(shí)間段內(nèi)功率的增長與減少有規(guī)定限值。

（4）聯(lián)絡(luò)線的功率約束

微網(wǎng)與大主網(wǎng)連接的聯(lián)絡(luò)線上的功率有上下限值的約束。

3 算例分析

本文的算例選取2017年第十屆“中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)杯”全國大學(xué)生電工數(shù)學(xué)建模競賽賽題A題中的數(shù)據(jù)。微網(wǎng)內(nèi)含風(fēng)力發(fā)電WT（25kW）、光伏電池PV（10kW）、微型燃?xì)廨啓C(jī)MT（75kW）、燃料電池FC（40MW）、蓄電池容量BAT（30MW）。蓄電池額定充放電功率為20kW，充放電狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)為Nbat=4，充放電效率？濁ch=？濁dis=0.9。電動(dòng)汽車規(guī)模為20輛。其他數(shù)據(jù)這里不做詳細(xì)說明。endprint

圖1為目標(biāo)函數(shù)1的微電網(wǎng)發(fā)電計(jì)劃，以發(fā)電成本最小為目標(biāo)的調(diào)度結(jié)果。以在電價(jià)低谷期間為例分析如下，在這段時(shí)間負(fù)荷主要由燃?xì)廨啓C(jī)、主網(wǎng)和風(fēng)電提供，此時(shí)電動(dòng)汽車充電降低車主的充電成本，此時(shí)段的熱負(fù)荷較大但是電負(fù)荷較小，電熱聯(lián)產(chǎn)的燃?xì)廨啓C(jī)在此時(shí)段為主要供電機(jī)組。其他時(shí)刻均可從圖中分析得到相應(yīng)的負(fù)荷構(gòu)成。

圖2為目標(biāo)函數(shù)2的微電網(wǎng)發(fā)電計(jì)劃，以環(huán)境成本最小為目標(biāo)的調(diào)度結(jié)果，由于燃料電池的環(huán)境污染成本小于主網(wǎng)，所以在調(diào)度時(shí)段內(nèi)，在功率不足的情況下，燃料電池優(yōu)先發(fā)電，若依舊不能滿足負(fù)荷時(shí)，主網(wǎng)向微網(wǎng)傳輸功率。在本目標(biāo)中，充分利用燃料電池的環(huán)保特性，主網(wǎng)又為微網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供支撐。

圖3為目標(biāo)函數(shù)3的微電網(wǎng)發(fā)電計(jì)劃，綜合效益成本最低為目標(biāo)的調(diào)度結(jié)果，既考慮到微網(wǎng)的發(fā)電成本又要考慮各分布式電源發(fā)電產(chǎn)生的環(huán)境成本，其中風(fēng)光優(yōu)先全額利用，燃?xì)廨啓C(jī)依照以熱定電的方式運(yùn)行；在電價(jià)低谷00：00-00：07，在常規(guī)負(fù)荷的基礎(chǔ)上，大量電動(dòng)汽車接入主網(wǎng)充電，引發(fā)的功率缺額，考慮到此時(shí)主網(wǎng)電價(jià)及環(huán)境污染成本和燃料電池的發(fā)電成本及環(huán)境污染成本，綜合以上因素，主網(wǎng)的綜合效益成本低于燃料電池，所以此時(shí)段由主網(wǎng)向微網(wǎng)輸送電能彌補(bǔ)功率缺額；在平時(shí)電價(jià)階段07：00-10：00，燃料電池的綜合效益成本低于主網(wǎng)，此時(shí)由燃料電池增發(fā)功率；在時(shí)段10：00-15：00、15：00-18：00，燃料電池優(yōu)先發(fā)電，若燃料電池滿發(fā)仍有用電缺額時(shí)，缺額部分由主網(wǎng)彌補(bǔ)；在18：00-21：00，電動(dòng)汽車接入放電，此時(shí)依然燃料電池優(yōu)先發(fā)電，功率缺額由主網(wǎng)彌補(bǔ)；夜間21：00-23：00，新能源的出力較大，電動(dòng)汽車也逐漸由放電狀態(tài)轉(zhuǎn)為充電狀態(tài)，此外還有電能富余，則向外部主網(wǎng)傳輸。

三種目標(biāo)得到的不同優(yōu)化目標(biāo)的調(diào)度總費(fèi)用如表1所示。

4 結(jié)束語

（1）考慮發(fā)電成本與考慮環(huán)境成本相比，后者的環(huán)境成本降低了18.32%，發(fā)電成本提高了3.92%，其環(huán)境成本很低，但發(fā)電經(jīng)濟(jì)性較低?？紤]發(fā)電成本與考慮綜合效益相比，后者的環(huán)境成本降低了13.2%，但發(fā)電成本僅提高了1.33%。

（2）在綜合效益成本上，考慮了發(fā)電成本和環(huán)境成本，雖然發(fā)電成本和環(huán)境成本都沒打到最低，但是綜合效益成本實(shí)現(xiàn)了最低的水平，使微網(wǎng)整體運(yùn)行成本降低，協(xié)調(diào)了微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性。

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