直流微電網(wǎng)的優(yōu)化配置與經(jīng)濟運行研究

摘要：直流微電網(wǎng)優(yōu)化配置建模通常綜合考慮經(jīng)濟性、可靠性和環(huán)保性，但它們之間存在一些矛盾。本文對此進行介紹，并對其應(yīng)用優(yōu)化以消除局限性，比較優(yōu)化前后的成本，以促進直流微電網(wǎng)的經(jīng)濟運行發(fā)展。

關(guān)鍵詞：直流微電網(wǎng);優(yōu)化配置;經(jīng)濟運行

前言

21世紀初，是工業(yè)文明向生態(tài)文明轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時期。與傳統(tǒng)化石能源相比，風(fēng)能、太陽能等新能源具有極大的環(huán)保優(yōu)勢，但存在不穩(wěn)定的特點。在自然氣候的影響下，光伏和風(fēng)電的輸出功率不易控制，嚴重影響供電安全和質(zhì)量。為充分利用直流化光伏等清潔能源，直流微電網(wǎng)應(yīng)運而生。直流微電網(wǎng)是一種可以實現(xiàn)能源獨立和自穩(wěn)管理的微型發(fā)電系統(tǒng)?，F(xiàn)階段大多數(shù)實際項目通常使用經(jīng)驗方法來調(diào)整分布式電源。這種粗糙的配置往往使電源難以與實際負載相匹配，并使系統(tǒng)中的每個單元都難以在完美狀態(tài)下運行。因此，研究微直流電網(wǎng)的優(yōu)化配置和經(jīng)濟運行對于降低初始投資成本和損耗，并提高系統(tǒng)中的電源質(zhì)量尤為重要。直流微電網(wǎng)中的負載（冷/熱/電負載、負載是否可管理等）對能源管理系統(tǒng)在需求預(yù)測和管理方面提出了新的挑戰(zhàn)。在完成微直流電網(wǎng)優(yōu)化配置的基礎(chǔ)上，以系統(tǒng)負載供電成本與負載損耗系數(shù)為基礎(chǔ)，綜合考慮運行期間的經(jīng)濟因素。

1.直流微電網(wǎng)的的優(yōu)勢與結(jié)構(gòu)

1.1直流微電網(wǎng)的的優(yōu)勢

直流微電網(wǎng)在近年來，已成為電力系統(tǒng)研究的熱點之一。世界各國對直流微電網(wǎng)的研究內(nèi)容和發(fā)展狀況不同，因此對直流微電網(wǎng)的具體定義存在一定差異，但對其拓撲結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)組成、功能和目標的理解基本相同。從局部來看，。直流微電網(wǎng)是一種可以實現(xiàn)能源獨立和自穩(wěn)管理的微型發(fā)電系統(tǒng)，可以通過自身的內(nèi)部系統(tǒng)實現(xiàn)局部電力平衡?，F(xiàn)有多項科學(xué)研究和實踐項目表明，直流微電網(wǎng)與公網(wǎng)相輔相成，比如經(jīng)過分析光伏清潔能源發(fā)電和變頻負載用電等體現(xiàn)本質(zhì)直流，

因此直流微電網(wǎng)成為當(dāng)前研究的熱點。如風(fēng)電與光伏的互補性，一般在白天，當(dāng)陽光最強時，風(fēng)非常弱;在晚上，日落之后，光線微弱，但是由于地球溫度的大變化，風(fēng)能得到增強。夏季日照強度高而風(fēng)弱，冬季日照強度弱但風(fēng)速高。因此，直流微電網(wǎng)應(yīng)用的主要優(yōu)點是時間上的互補性較強，可以為電網(wǎng)提供更穩(wěn)定的電力供應(yīng)[2]。此外，盡管太陽能的穩(wěn)定性較高，但是生產(chǎn)太陽能的成本較高。盡管風(fēng)能發(fā)電具有很強的隨機性并且供電可靠性低，但是發(fā)電成本非常低。直流微電網(wǎng)應(yīng)用的組合可以使用一套通用的電力傳輸和轉(zhuǎn)換設(shè)備來降低工程成本。另外，通過優(yōu)化光伏模塊的功率和風(fēng)能渦輪機的功率，可以基于滿足供電需求來降低發(fā)電成本。目前關(guān)于直流微電網(wǎng)的成熟研究相對較少，根據(jù)負荷，直流微電網(wǎng)適當(dāng)調(diào)整發(fā)電系統(tǒng)是一項重要的挑戰(zhàn)。B.D.澳大利亞墨爾本大學(xué)的Shakya開發(fā)了一種利用壓縮氫能量存儲的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)，并分析了該系統(tǒng)的技術(shù)可行性和經(jīng)濟性[1]。我國的直流微電網(wǎng)項目研究主要集中在優(yōu)化發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計、基礎(chǔ)設(shè)備的管理和系統(tǒng)的建模上。中國科學(xué)院電氣工程研究所討論了直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的非線性優(yōu)化方法，并使用遺傳算法找到確定了最優(yōu)控制策略和最優(yōu)系統(tǒng)配置方案[2]。西安交通大學(xué)解決了直流微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計中設(shè)備配置隨機導(dǎo)致的投資大的問題，并提出了直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的最佳設(shè)計方法[3]。

1.2直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)分析

直流微電網(wǎng)拓撲直流電流更加靈活多樣，對各種電氣設(shè)備不再有統(tǒng)一的電能質(zhì)量要求。目前主要有環(huán)型、輻射型、饋線型等直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

（1）環(huán)型結(jié)構(gòu)：電源相對可靠，可以滿足用戶對不同電能質(zhì)量的需求。環(huán)型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是供電可靠，缺點是投資較大，主要適用于綜合寫字樓、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)園區(qū)等。

（2）輻射型結(jié)構(gòu)：拓撲結(jié)構(gòu)通常為串聯(lián)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)，（如圖2所示）。輻射型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)故障識別和維護協(xié)調(diào)相對簡單。當(dāng)負載過載時，轉(zhuǎn)換器的相互調(diào)節(jié)可以減少系統(tǒng)過載引起的振動，但其供電可靠性高[4]。

（3）饋線型結(jié)構(gòu)：通常是簡單的串聯(lián)結(jié)構(gòu)（如圖3所示）。微型直流饋線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，但供電可靠性較差，主要適用于偏遠地區(qū)[5]。

2.優(yōu)化配置與經(jīng)濟運行研究

2.1優(yōu)化原則

直流微電網(wǎng)的優(yōu)化配置與經(jīng)濟運行研究為確保高效穩(wěn)定運行，規(guī)劃過程應(yīng)遵循以下策略：（1）優(yōu)先利用風(fēng)能和光伏能滿足負荷需求;（2）如果風(fēng)電和光伏的輸出功率不能滿足負載的需求，調(diào)用電池組和并聯(lián)逆變器匹配它們之間的功率分配。如果電池和并聯(lián)逆變器的功率輸出仍不能滿足滿載需求，可考慮去除一些非必要負載，以保證關(guān)鍵負載的可靠供電;（3）如果風(fēng)電和光伏的輸出功率在滿足滿負荷需求的基礎(chǔ)上仍有剩余，則調(diào)用蓄電池和逆變器來協(xié)調(diào)它們之間的功率分配。如果電池充電和接入電網(wǎng)的逆變器仍在輸出范圍內(nèi)，如果有多余的功率，可以考慮關(guān)閉一些風(fēng)力發(fā)電機或光伏電池，以平衡微直流系統(tǒng)的功率。

2.2優(yōu)化研究

電力系統(tǒng)最為重要的是確保供電可靠性，因此直流微電網(wǎng)應(yīng)用的優(yōu)化是在可靠性的基礎(chǔ)上盡量降低經(jīng)濟成本。對于直流微電網(wǎng)應(yīng)用而言，通過適當(dāng)合理的選擇風(fēng)電與太陽能發(fā)電的運行組合，合理用儲能和網(wǎng)側(cè)逆變器配合以適應(yīng)不斷變化的負載狀況，并考慮有足夠的儲備容量降低電網(wǎng)損耗，提高電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性。在實際操作中，由于電力系統(tǒng)負載的不斷變化，存在峰值負載和最小負載。在峰值負載下，可以使用系統(tǒng)中更多的發(fā)電設(shè)備（例如風(fēng)能渦輪機和太陽能光伏電池）來滿足要求;在低負載下，如果仍運行相同數(shù)量的發(fā)電設(shè)備，則可能不經(jīng)濟。在低負載時甚至負載也可能低于最小系統(tǒng)出力。因此，有必要根據(jù)負荷的大小和白天的負荷趨勢來合理用儲能和網(wǎng)側(cè)逆變器配合。由于這些配合之間的轉(zhuǎn)換涉及額外成本（例如風(fēng)能渦輪機啟動成本，每個單元停止時的維護成本等）和轉(zhuǎn)換約束，因此無法單獨根據(jù)負載水平確定單元的組合。應(yīng)從每天的全面運行狀況考慮每個單元的工作和停機時間。主要考慮以下幾點進行優(yōu)化：

（1）經(jīng)濟運行數(shù)學(xué)模型：在保證系統(tǒng)發(fā)電安全的條件下，應(yīng)合理選擇發(fā)電裝置的投入。比如，本文使用一天為研究周期來確定適應(yīng)度函數(shù)，表示為：minF=∑mi=1（C1（Xi）+C2（xi））+∑nj=1C3（yj）。其中xi是風(fēng)能渦輪機、光伏電池、電池和柴油發(fā)動機的實際功率輸出;c1（xi）是其發(fā)電成本;c2（xi）是風(fēng)能渦輪機、光伏電池、電池和柴油發(fā)動機運行期間的額外維護費用;yj是風(fēng)能渦輪機、光伏電池、電池和柴油發(fā)動機的額定功率輸出;c3（yj）是服務(wù)費用;mi是工作的設(shè)備數(shù)量;n是設(shè)備總數(shù)。發(fā)電系統(tǒng)的主要任務(wù)是確保系統(tǒng)可以安全運行，以使系統(tǒng)提供的電能在所有情況下都能最大程度地滿足負載需求。發(fā)電系統(tǒng)總數(shù)顯的限制尤為重要，可用數(shù)學(xué)表達式表示為：Pt≤∑mi=1xi.t。在公式中，Pt是系統(tǒng)在時間t所承受的負載;xi.t是此時第i個發(fā)電設(shè)備的功率;m是正在運行的發(fā)電設(shè)備的數(shù)量。發(fā)電設(shè)備功率范圍的限制：ximin≤xi≤ximax。在公式中，xi是風(fēng)能渦輪機、光伏電池、電池和柴油發(fā)動機的實際功率輸出;ximin，ximax是它們的最小和最大功率。

（2）優(yōu)化求解：根據(jù)上面的討論，經(jīng)濟運行數(shù)學(xué)模型可以表示為：minF=∑mi=1（C1（Xi）+C2（xi））+∑nj=1C3（yj）;Pt≤∑mi=1xi.t;ximin≤xi≤ximax。以某系統(tǒng)為例，由75kW、45kW共120kW的兩臺風(fēng)力發(fā)電機組、4個30kW的光伏發(fā)電陣列、一個80kWh的蓄電池和柴油發(fā)電機組成。根據(jù)某一天的負荷、光照強度、風(fēng)速情況，運用上述模型進行求解。代入后計算可發(fā)現(xiàn)節(jié)約共429.81-270.97=158.84元，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益顯著。

（3）優(yōu)化分析：在優(yōu)化配置方面，直流微電網(wǎng)和交流微電網(wǎng)構(gòu)建的優(yōu)化模型在優(yōu)化系統(tǒng)有功功率損耗和電壓偏差方面存在差異。對于并網(wǎng)的低壓直流微電網(wǎng)，需要考慮分布式電源的類型和發(fā)電的不穩(wěn)定性，并結(jié)合使用過程中的電價、初期投資成本、運營和維護成本以及直流微電網(wǎng)的改造成本。最小值是一個目標函數(shù)，建議在目標函數(shù)中添加估計值，例如額外的風(fēng)能和太陽能特性、負載損失系數(shù)和可再生能源利用系數(shù)。約束函數(shù)形式參與優(yōu)化配置，從不同角度評價系統(tǒng)性能。采用線性減重的粒子群優(yōu)化算法尋找最優(yōu)配置方案，對優(yōu)化結(jié)果進行分析驗證，得出合適的結(jié)論。對于并網(wǎng)的低壓微直流電網(wǎng)，著眼于系統(tǒng)設(shè)備的初始投資成本、輸出功率波動和負載波動，并結(jié)合使用時間消耗的電能價格，構(gòu)建綜合風(fēng)電的動態(tài)優(yōu)化模型。光伏發(fā)電組件、電源可靠性和環(huán)境性能作為約束參與優(yōu)化配置。因此，在滿足負荷需求的基礎(chǔ)上，智能設(shè)置負荷損耗系數(shù)和新能源利用系數(shù)，減少系統(tǒng)初期投資;利用系統(tǒng)風(fēng)電附加特性作為工作指標參與優(yōu)化配置，可有效減緩風(fēng)電和光伏總發(fā)電量的波動，間接降低蓄電池和逆變器連接的容量。

3.進一步發(fā)展直流微電網(wǎng)需要解決的問題

當(dāng)前，國內(nèi)外對直流微電網(wǎng)的研究大多集中在發(fā)電系統(tǒng)的靜態(tài)架構(gòu)、基礎(chǔ)發(fā)電的建立和管理、儲能設(shè)備以及系統(tǒng)仿真上。為了促進直流微電網(wǎng)的發(fā)展并充分利用綠色能源，還需要做以下工作：（1）做好直流微電網(wǎng)場地的風(fēng)能資源和太陽能光照資源的研究和統(tǒng)計工作，為直流微電網(wǎng)的建設(shè)奠定基礎(chǔ);（2）進一步研究直流微電網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，尋找更好的儲能和后備發(fā)電裝置，對直流微電網(wǎng)進行智能調(diào)整，以降低建設(shè)成本;（3）研究直流微電網(wǎng)的能源管理與控制，實現(xiàn)動態(tài)優(yōu)化組合，降低系統(tǒng)運行成本。

結(jié)束語：

微直流電網(wǎng)中分布式電源的位置和功率與實際負載的匹配會影響系統(tǒng)的性能。因此在完成優(yōu)化配置的基礎(chǔ)上，以供電成本最低和系統(tǒng)負荷可靠性最大為目標函數(shù)。比如根據(jù)風(fēng)能、光強度和系統(tǒng)負荷的變化，使用經(jīng)濟模型優(yōu)化直流微電網(wǎng)可以有效降低系統(tǒng)的供電成本，并增加直流微電網(wǎng)的經(jīng)濟效益。

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作者簡介：

袁金榮（1990-），男，漢族，陜西白河，工程師，碩士研究生，珠海格力電器股份有限公司，近用戶側(cè)能源互聯(lián)網(wǎng)及新能源直流電器研究。