風(fēng)光儲微電網(wǎng)容量配置優(yōu)化綜述

吳榆俊 鐘 森

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司丹陽供電分公司）

0 引言

步入21世紀(jì)以來，隨著環(huán)境問題愈發(fā)嚴(yán)重和化石燃料的存量不斷減少，各國開始不斷地提高對環(huán)境保護(hù)和能源安全問題的重視。2021年，我國率先提出了“碳達(dá)峰”和“碳中和”的目標(biāo)，隨后電力行業(yè)也積極響應(yīng)這一目標(biāo)。這表明我國電力能源體系將從依靠化石燃料為主體的形式向以新能源為主體的形式轉(zhuǎn)變。

各種新能源當(dāng)中，目前最具發(fā)展前景的當(dāng)屬光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電，據(jù)國家能源局統(tǒng)計，2021年全年我國光伏新增裝機(jī)容量共30656萬千瓦，同比增長20.9%，風(fēng)電新增裝機(jī)容量共32848萬千瓦，同比增長16.6%，由此可見國家對于光伏和風(fēng)力發(fā)電的積極推進(jìn)。

1 風(fēng)光儲微電網(wǎng)主要形式

光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電都具有較大的波動性和隨機(jī)性，從而導(dǎo)致其接入電網(wǎng)后會對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來一定的負(fù)面影響。另外，雖然我國的風(fēng)能和光能資源十分豐富，但是風(fēng)能和光伏都集中在西北、西南地區(qū)，而主要用電量較多的城市都分布在東南沿海地區(qū)，這樣經(jīng)過輸送會使得本來投資就相對較高的新能源發(fā)電的成本再次提升，使得其經(jīng)濟(jì)效益下降，最終阻礙了新能源發(fā)電的大規(guī)模推廣。

為克服上述問題，更好地利用新能源發(fā)電，國外學(xué)者Lasseter提出可以建設(shè)微電網(wǎng)［1］，微電網(wǎng)可以看作是一種小型的電力系統(tǒng)，主要可以利用當(dāng)?shù)氐淖匀毁Y源進(jìn)行分布式發(fā)電來為當(dāng)?shù)刎?fù)荷供電。因?yàn)槠浒l(fā)電方式主要是風(fēng)能、光伏以及其他形式互補(bǔ)，還配有儲能設(shè)備，所以其能夠較好地克服光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電都具有較大的波動性和隨機(jī)性的缺點(diǎn)。另外，由于其主要為當(dāng)?shù)刎?fù)荷供電，因此，不需要在架設(shè)輸電線路，減少資金的投入。微電網(wǎng)優(yōu)點(diǎn)雖多，但是要能夠充分發(fā)揮微電網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，關(guān)鍵在于如何確定其容量配置，微電網(wǎng)的容量配置就是在既定的目標(biāo)下如何設(shè)置各主要設(shè)備的裝機(jī)容量從而達(dá)到最優(yōu)。為了盡可能地獲得最好的容量配置方案，國內(nèi)外專家學(xué)者對此做了大量研究，本文主要綜述國內(nèi)外學(xué)者在風(fēng)光微電網(wǎng)容量配置方面做的一些研究，將從風(fēng)光儲微電網(wǎng)的各種形式、容量配置的評價指標(biāo)和容量配置的求解驗(yàn)證技術(shù)三個方面來進(jìn)行闡述。

風(fēng)光互補(bǔ)的微電網(wǎng)早期的主要形式是依靠風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電來為負(fù)荷供電，但這種形式并不能很好地降低其波動性和隨機(jī)性，隨著電力系統(tǒng)儲能技術(shù)的不斷發(fā)展，新一代的微電網(wǎng)都加入了儲能設(shè)備來緩解供需不匹配的狀況。

基于不同的儲能方式，目前已經(jīng)出現(xiàn)了多種以風(fēng)光互補(bǔ)為主要發(fā)電方式的微電網(wǎng)形式［2］。具體如下表所示。

表 風(fēng)光儲微電網(wǎng)的各種形式

2 容量配置問題的評價指標(biāo)

容量配置問題從本質(zhì)上來說是一個在多個等式和不等式條件約束下的單目標(biāo)或多目標(biāo)的非線性優(yōu)化問題，而無論是目標(biāo)函數(shù)還是約束條件的確定都與微電網(wǎng)的評價指標(biāo)有關(guān)，將對常用的評價指標(biāo)做一些列舉。

總的來說，微網(wǎng)容量配置問題的評價指標(biāo)共有四大類，分別是經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)、可靠性指標(biāo)、環(huán)境性指標(biāo)和社會性指標(biāo)。

2.1 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性很大程度上決定著微電網(wǎng)容量配置方案的可行性，只有經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后，才表明建設(shè)該容量配置方案下的微電網(wǎng)是可行的。經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)主要有：①壽命期總成本（Life Cycle Cost，LCC）或總實(shí)際成本（Total Precent Cost，TPC）或凈現(xiàn)值（Net Present Value，NPV）或總成本 （Total Cost，TC），這些主要是用于表征微網(wǎng)整個使用周期內(nèi)的總成本，是一種比較直觀的指標(biāo)。②平均發(fā)電成本（Levelised cost of energy，LCOE），用于表征微網(wǎng)每發(fā)一度電所需要的成本，是一種比較精確的指標(biāo)。③年度總成本（Total Annual Cost，TAC）或年度系統(tǒng)成本（Annual System Cost，ASC），用于表征系統(tǒng)年度的總成本，精度介于前兩者之間，方便后期對于微網(wǎng)進(jìn)行微調(diào)。

2.2 可靠性指標(biāo)

作為供電系統(tǒng)，其供電的可靠性必然是非常重要的評價指標(biāo)，同樣在進(jìn)行容量配置時，可靠性指標(biāo)也有著重要的參考價值。可靠性指標(biāo)主要有：①供電缺失概率（Loss of Power Supply Probability，LPSP），負(fù)荷缺電率（Loss of Load probability，LOLP），負(fù)荷缺失風(fēng)險（Loss of Load Risk，LOLR）或負(fù)荷預(yù)期缺失（Loss of Load Expectation，LOLE），這些指標(biāo)主要是從負(fù)荷側(cè)來體現(xiàn)微網(wǎng)的可靠性高低。②能量波動率（Energy Fluctuation Rate），從供電質(zhì)量來表征微網(wǎng)可靠性的高低。

2.3 環(huán)境性指標(biāo)

環(huán)境性指標(biāo)主要是針對一些微網(wǎng)當(dāng)中可能會對環(huán)境造成污染的設(shè)備（如柴油發(fā)電機(jī)、蓄電池等）而設(shè)置的，主要的環(huán)境性指標(biāo)有：①二氧化碳的總排放量（Total CO2Emissions），這一指標(biāo)主要是針對含有柴油發(fā)電機(jī)的微網(wǎng)需要控制溫室氣體的排放而設(shè)置的。②生命周期評估（LCA），主要是針對蓄電池這種類型的設(shè)備，其生產(chǎn)和報廢階段都會對環(huán)境產(chǎn)生一定的污染。

2.4 社會性指標(biāo)

社會性指標(biāo)主要是用于評價微網(wǎng)對于社會產(chǎn)生的一些影響，這一類評價指標(biāo)的種類并不是很多。碳排放的社會成本（Social Cost of Carbon，SCC）是一種社會性的評價指標(biāo)，主要用來表征微網(wǎng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的溫室氣體所產(chǎn)生的社會性影響。

3 容量配置問題的求解方式

容量配置問題本質(zhì)上是一個單目標(biāo)或多目標(biāo)的優(yōu)化問題，而優(yōu)化目標(biāo)，也就是目標(biāo)函數(shù)通常都是非線性的，這類問題的求解，通常有三種主要方式，分別是傳統(tǒng)的求解方式，群智能算法以及軟件工具。

傳統(tǒng)的求解方式主要是使用各種迭代、數(shù)值解析、圖形構(gòu)造等方法。學(xué)者Hosseinalizadeh R采用迭代技術(shù)求解了PV－WT的微網(wǎng)容量配置問題，得出的方案經(jīng)過驗(yàn)證表明，該系統(tǒng)與其他系統(tǒng)相比成本更低［14］。胡林獻(xiàn)［15］等人建立了以工程壽命內(nèi)總收益最大為目標(biāo)函數(shù)的風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)容量優(yōu)化配置模型，考慮風(fēng)光互補(bǔ)性、風(fēng)光資源利用率、跟蹤調(diào)度曲線等約束，以工程壽命內(nèi)總收益最大為目標(biāo)函數(shù)的容量優(yōu)化配置模型，提出一種變步長循環(huán)離散求解方法。最后通過算例驗(yàn)證了配置方案和算法的合理性。

群智能算法主要是模仿一些動物、微生物種群的習(xí)性而提出的一種智能算法，這類算法的求解速度與精度都比較好，因而是目前使用的最廣泛的一種方式。劉鵬飛［5］以系統(tǒng)年值成本為目標(biāo)函數(shù)，系統(tǒng)年缺點(diǎn)率等為約束條件，運(yùn)用一種基于混沌的QPSO算法來對風(fēng)光氫儲的系統(tǒng)進(jìn)行容量配置，通過仿真驗(yàn)證了得出的結(jié)果準(zhǔn)確性。王廣玲［12］以系統(tǒng)總成本為目標(biāo)函數(shù)，在考慮空間限制、蓄電池壽命、入網(wǎng)功率的波動的情況下，采用粒子群（PSO）算法分別進(jìn)行求解并仿真，得出結(jié)論，儲能設(shè)備對提升系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性都具有很大的作用。陳永進(jìn)［7］建立了以微電網(wǎng)投資及運(yùn)營成本、年棄風(fēng)棄水電量和電源年發(fā)電量為目標(biāo)函數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化模型，通過基于精英策略的非支配性排序遺傳算法（NSGA-Ⅱ）求出模型的最優(yōu)解集，并采用逼近理想解排序方法（TOPSIS）選擇滿意的配置方案，隨后進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了該配置方法的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。除了上述的群智能算法外，還有人工蜂群算法 （ABC）［11］、麻雀搜索算法 （SSA）［13］、蚱蜢優(yōu)化算法（GOA）［16］、蟻群算法（ACO）［17］、差分進(jìn)化算法（DE）［18］等都可以用于求解微電網(wǎng)容量配置優(yōu)化的問題。

可用于求解驗(yàn)證容量配置問題的軟件目前主要有兩種，分別是HOMER和iHOGA［14］。HOMER是由美國NREL發(fā)展起來的一個小型的電力系統(tǒng)優(yōu)化模型軟件，可應(yīng)用于離網(wǎng)和并網(wǎng)的電力系統(tǒng)評估設(shè)計任務(wù)中［20］。胡文雷［21］利用HOMER軟件對系統(tǒng)功容量配置問題進(jìn)行研究，以總凈現(xiàn)成本最為目標(biāo)函數(shù)，得出最優(yōu)配置方案，并對蓄電池狀態(tài)以及供電可靠性進(jìn)行分析驗(yàn)證。Ramli M［22］利用Matlab和荷馬軟件仿真驗(yàn)證了沙特阿拉伯西海岸地區(qū)PV-WT混合系統(tǒng)的潛力。

4 結(jié)束語

本文主要綜述國內(nèi)外學(xué)者在風(fēng)光微電網(wǎng)容量配置方面做的研究，從風(fēng)光儲微電網(wǎng)的各種形式，容量配置的評價指標(biāo)和容量配置的求解驗(yàn)證技術(shù)三個方面來進(jìn)行匯總。

1）對于風(fēng)光儲微電網(wǎng)的形式而言，今后主要可以研究加入其他不同的優(yōu)質(zhì)儲能方式，比如進(jìn)一步細(xì)化氫儲能，鹽差能儲能等清潔的儲能方式。

2）對于評價指標(biāo)而言，可以為了更好地評價整個系統(tǒng)的優(yōu)劣，可以進(jìn)一步考慮如何優(yōu)化個別更好的同時在目標(biāo)函數(shù)上耦合多種類型的評價指標(biāo)。

3）對于求解仿真技術(shù)來說，今后除了采用更好的群智能算法以外，還應(yīng)當(dāng)結(jié)合控制策略來進(jìn)一步精確地優(yōu)化容量配置。

總而言之，風(fēng)光儲微電網(wǎng)作為一種能夠很好地利用新能源的形式，十分具有發(fā)展前景。