李 成， 楊 秀， 何海國， 汪志浩， 唐 偉

(1.國網(wǎng)浙江長興縣供電公司，浙江湖州313000；2.上海電力學(xué)院，上海200090)

基于風(fēng)光互補(bǔ)的獨(dú)立微網(wǎng)系統(tǒng)容量優(yōu)化

李 成1， 楊 秀2， 何海國1， 汪志浩1， 唐 偉1

(1.國網(wǎng)浙江長興縣供電公司，浙江湖州313000；2.上海電力學(xué)院，上海200090)

相比單一的光伏或風(fēng)能獨(dú)立供電系統(tǒng)，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)利用風(fēng)能和太陽能的互補(bǔ)特性，其輸出功率波動(dòng)小，能很好地適應(yīng)環(huán)境的變化。針對獨(dú)立風(fēng)光柴儲微電網(wǎng)電源容量優(yōu)化配置問題，建立了設(shè)備初始投資成本、運(yùn)行和維護(hù)成本、燃料成本和污染物治理費(fèi)用經(jīng)濟(jì)性模型，同時(shí)在優(yōu)化過程中引入了停電懲罰費(fèi)用與能量浪費(fèi)懲罰費(fèi)用模型，以總投資最少為目標(biāo)函數(shù)，以供電可靠性、風(fēng)光互補(bǔ)、蓄電池充放電次數(shù)等為約束條件，采用遺傳算法探討系統(tǒng)中各個(gè)電源在給定調(diào)度策略下最優(yōu)容量配置。該方法充分利用風(fēng)光互補(bǔ)特性，只需較小的蓄電池和柴油發(fā)電機(jī)容量即可保證高供電可靠性，并減少了蓄電池的充放電次數(shù)和放電深度。算例驗(yàn)證了模型和算法的合理性。

微網(wǎng)系統(tǒng)；優(yōu)化配置；經(jīng)濟(jì)性；遺傳算法

隨著能源危機(jī)和環(huán)境問題的不斷出現(xiàn)，分布式發(fā)電成為世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)。太陽能與風(fēng)能存在隨機(jī)性、間歇性和能量波動(dòng)大等特點(diǎn)，單獨(dú)的光伏發(fā)電或風(fēng)力發(fā)電的輸出功率波動(dòng)大，獨(dú)立運(yùn)行時(shí)需要配置大容量的儲能和其他分布式能源才能滿足負(fù)荷的需求。

實(shí)際上，太陽能和風(fēng)能在時(shí)間和地域上天然具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，與獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電或光伏發(fā)電相比，風(fēng)光互補(bǔ)混合供電系統(tǒng)能使電力輸出更平穩(wěn)、可靠，同時(shí)降低了對儲能和其他分布式能源的要求，是更經(jīng)濟(jì)、可靠的選擇。文獻(xiàn)[1-3]研究了微網(wǎng)容量優(yōu)化配置，在保證負(fù)荷供電可靠性的前提下，得到使系統(tǒng)成本最小的微源容量組合。但是，這些研究沒有考慮如何充分利用風(fēng)光互補(bǔ)特性，較少考慮蓄電池的充放電次數(shù)約束條件，未考慮風(fēng)能、太陽能的隨機(jī)性和波動(dòng)性給分布式電源優(yōu)化配置帶來的影響以及儲能的容量配置問題。

本文研究了孤島下微網(wǎng)電源容量優(yōu)化配置方法，以總投資最少為目標(biāo)函數(shù)，以供電可靠性、風(fēng)光互補(bǔ)特性、蓄電池充放電次數(shù)等為約束條件，采用遺傳算法探討系統(tǒng)中各個(gè)電源在給定調(diào)度策略下最優(yōu)容量配置。

1 微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，該微網(wǎng)系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏組件、柴油發(fā)電機(jī)、蓄電池、電負(fù)荷和變換器組成。微網(wǎng)孤島穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，公共連接點(diǎn)處斷路器處于斷開狀態(tài)，微網(wǎng)中各微源通過變換器共同為電負(fù)荷供電，滿足負(fù)荷需求。

圖1 微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 經(jīng)濟(jì)性模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

本文的優(yōu)化目標(biāo)是在滿足系統(tǒng)供電可靠性的基礎(chǔ)上，考慮設(shè)備投資費(fèi)用、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用、燃料費(fèi)用、懲罰費(fèi)用、環(huán)保折算費(fèi)用和發(fā)電補(bǔ)貼這6部分成本，使微網(wǎng)綜合投資費(fèi)用最低。

(1)設(shè)備投資費(fèi)用

(2)運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用

(3)燃料費(fèi)用

本文中微源中只有柴油發(fā)電機(jī)存在燃料費(fèi)用，其燃料能耗成本主要與其有功功率輸出有關(guān)，可表示為：

(4)懲罰費(fèi)用

為了減少微源總出力高于負(fù)荷需求所造成的能量浪費(fèi)和微源總出力低于負(fù)荷需求所造成的電力不足，本文引入了停電懲罰費(fèi)用和能量浪費(fèi)懲罰費(fèi)用。

(5)環(huán)保折算費(fèi)用

在柴油發(fā)電機(jī)的發(fā)電過程中，排放CO2、CO、SO2及各種氮化物，需要將柴油發(fā)電機(jī)對環(huán)境的影響統(tǒng)一到評估模型中，將環(huán)境影響折算成費(fèi)用：

(6)發(fā)電補(bǔ)貼

對于風(fēng)光柴儲微網(wǎng)系統(tǒng)而言，政府要對風(fēng)力和光伏新能源發(fā)電給予相應(yīng)的補(bǔ)貼。

2.2 評價(jià)指標(biāo)

(1)蓄電池等效充放電次數(shù)

蓄電池失效的循環(huán)次數(shù)與放電深度的關(guān)系曲線如式(9)：

圖2 某型號蓄電池循環(huán)壽命與放電深度的關(guān)系

據(jù)圖2所示蓄電池壽命曲線，本文采用等效充放電循環(huán)次數(shù)來計(jì)算，表達(dá)式如下：

(2)微電網(wǎng)可靠性

當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池、蓄電池及柴油發(fā)電機(jī)可提供的能量不能滿足負(fù)荷需求時(shí)，本文負(fù)荷缺電率LPSP：

式中：T為評估周期，T=24 h，負(fù)荷缺電率LPSP越小，微網(wǎng)系統(tǒng)供電可靠性越高。

(3)風(fēng)光互補(bǔ)特性

2.3 約束條件

(1)微源功率約束

(2)個(gè)數(shù)約束

(3)蓄電池電量約束

(4)蓄電池等效循環(huán)壽命約束

(5)供電可靠性約束

(6)風(fēng)光互補(bǔ)特性約束

3 優(yōu)化配置方法

3.1 調(diào)度策略

調(diào)度策略為：(1)優(yōu)先利用風(fēng)機(jī)和光伏機(jī)組的出力，跟蹤控制最大功率輸出；(2)當(dāng)風(fēng)機(jī)和光伏的有功出力超過電負(fù)荷時(shí)，首先給蓄電池充電，同時(shí)監(jiān)控蓄電池的充放電狀態(tài)，當(dāng)蓄電池充滿時(shí)可以考慮切出部分發(fā)電成本較高的風(fēng)機(jī)或光伏機(jī)組；(3)當(dāng)風(fēng)機(jī)和光伏的有功出力無法滿足微網(wǎng)中電負(fù)荷時(shí)，優(yōu)先調(diào)用蓄電池來提供有功功率，如仍存在有功缺額則再調(diào)用柴油發(fā)電機(jī)來輸出有功功率；(4)若所有微源在出力范圍內(nèi)仍不能滿足微網(wǎng)安全可靠運(yùn)行，則按照負(fù)荷的重要性，切除非重要負(fù)荷，出現(xiàn)部分范圍的停電。

3.2 優(yōu)化方法

圖3 計(jì)算流程圖

4 算例分析

4.1 數(shù)據(jù)來源

本文中單臺風(fēng)機(jī)、光伏電池、柴油發(fā)電機(jī)的容量分別為0.3、0.2、0.5 kW，單個(gè)蓄電池的額定容量為1.2 kWh，額定功率1.2 kW，蓄電池初始剩余電量、最小剩余電量、最大剩余電量分別取0.5、0.1、1，蓄電池的充放電效率相等，取為90%，逆變器效率為90%，假設(shè)各個(gè)電源的使用年限均為15 a。電力不足懲罰系數(shù)、能量浪費(fèi)懲罰系數(shù)，都為1.78元/kWh，柴油價(jià)格為7.36元/L(含運(yùn)輸費(fèi)用)。各微源的相關(guān)信息如表1所示[4]，單個(gè)風(fēng)機(jī)和光伏出力、電負(fù)荷的日負(fù)荷曲線如圖4所示。柴油發(fā)電機(jī)污染物排放數(shù)據(jù)、污染物價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)、罰款等級如表2所示[5]。

表1 各個(gè)電源成本與運(yùn)行管理系數(shù)

圖4 已知機(jī)組出力及電負(fù)荷

表2 柴油發(fā)電機(jī)的污染物排放系數(shù)及環(huán)境評價(jià)指標(biāo)

4.2 微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性分析

計(jì)算2種方案：(1)未考慮風(fēng)光互補(bǔ)特性的傳統(tǒng)優(yōu)化方案；(2)考慮風(fēng)光互補(bǔ)特性的改進(jìn)優(yōu)化配置方案。2種方案的容量配置結(jié)果如表3所示，最優(yōu)方案經(jīng)濟(jì)成本如表4所示。

表3 微網(wǎng)系統(tǒng)最優(yōu)配置結(jié)果

表4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)成本對比

對比方案1和方案2，顯然采用方案2是經(jīng)濟(jì)的，其原因如下：方案2考慮了風(fēng)光互補(bǔ)特性，雖然增加了系統(tǒng)對風(fēng)機(jī)和光伏組件的容量配置，增大了設(shè)備投資成本。但是它降低了系統(tǒng)對蓄電池容量的配置，減少了柴油發(fā)電機(jī)的出力，大大降低了燃料成本；提高了微網(wǎng)供電可靠性，大幅降低了電力不足懲罰成本；減小了環(huán)保折算成本。隨著技術(shù)的進(jìn)步，風(fēng)能和光伏組件的成本有望大幅下降，柴油價(jià)格將繼續(xù)上漲，加上政府和企業(yè)對節(jié)能減排方面的重視，基于風(fēng)光互補(bǔ)特性的微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性將得到更大的體現(xiàn)。

考慮風(fēng)光互補(bǔ)特性，最優(yōu)配置結(jié)果下風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量為23.1 kW，光伏電池裝機(jī)容量為24.4 kW，蓄電池容量為31.2 kWh，柴油發(fā)電機(jī)容量為2 kW，此時(shí)的實(shí)際綜合成本費(fèi)用最小為362.721元。風(fēng)機(jī)容量和光伏電池容量很接近，這主要是因?yàn)樗x地區(qū)典型日的風(fēng)力資源和光照資源具有互補(bǔ)性，白天光照強(qiáng)時(shí)，風(fēng)比較??；晚上沒有光照時(shí)，風(fēng)能有所加強(qiáng)。因此二者容量很接近。

與可再生能源發(fā)電比較，柴油發(fā)電機(jī)在發(fā)電成本上存在很大優(yōu)勢，在各個(gè)時(shí)刻其輸出功率不受自然條件的約束；但是柴油發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中會釋放出許多對環(huán)境有害的氣體，會增加環(huán)保折算成本，另外，目前柴油價(jià)格上漲等因素，也都限制了柴油發(fā)電機(jī)的配置容量。

微網(wǎng)中各微源功率輸出曲線見圖5。

由圖5可以看出，在1～4、10～12和23～24時(shí)段，由于風(fēng)機(jī)和光伏電池發(fā)電功率大于負(fù)荷功率，需要蓄電池來吸收過剩功率，來配合風(fēng)機(jī)和光伏共同維持和負(fù)荷之間的功率匹配。在5～9和16～20時(shí)段，風(fēng)機(jī)和光伏電池發(fā)電功率低于負(fù)荷功率，出現(xiàn)了功率缺額，首先依靠蓄電池放電來彌補(bǔ)。在20～22時(shí)段，蓄電池由于能量或功率約束，無法達(dá)到負(fù)荷功率要求時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源來提供剩余功率。

4.3 風(fēng)光互補(bǔ)特性對柴油機(jī)和儲能的影響分析

在方案1和方案2下，柴油發(fā)電機(jī)的出力和蓄電池出力及其剩余電量的變化如圖6所示。可以看出在方案1下，柴油發(fā)電機(jī)在13～22時(shí)段，一直在以額定功率輸出。而在方案2中，柴油發(fā)電機(jī)僅僅在20～22時(shí)段才輸出功率，并且不全是以額定功率輸出。方案2下蓄電池的剩余電量一直高于方案1下蓄電池的荷電狀態(tài)，這可以提高蓄電池的等效充放電次數(shù)。在基準(zhǔn)放電深度為50%，蓄電池失效循環(huán)次數(shù)為1 768次時(shí)，可以將蓄電池的等效充放電次數(shù)從23.03提高到43.46，大大提高了蓄電池的使用壽命。

圖6 風(fēng)光互補(bǔ)特性對儲能和柴油機(jī)影響

5 結(jié)論

相較于未考慮風(fēng)光互補(bǔ)特性的情況，本文提出的方法，提升了微網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，提高了系統(tǒng)的供電可靠性，同時(shí)降低了系統(tǒng)中蓄電池的配置容量，延長了蓄電池的使用壽命。今后可進(jìn)一步研究風(fēng)光互補(bǔ)特性對并網(wǎng)下微網(wǎng)容量優(yōu)化配置的影響。

[1]趙國波，劉天琪，李興源.分布式發(fā)電作為備用電源的優(yōu)化配置[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33(1)：85-89.

[2]BELFKIRA R,HAJJI O,NICHITA C,et al.Optimal sizing of stand-alone hybrid wind/PV system with battery storage[C]//2007 European Conference on Power Electronics and Applications.Aalborg,Denmark:2007 European Conference on Power Electronics and Applications,2007:1-10.

[3]王銳，顧偉，吳志.含可再生能源的熱電聯(lián)供型微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35(8)：22-27.

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[5]錢科軍，袁越，石曉丹，等.分布式發(fā)電的環(huán)境效益分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28(29)：11-15.

Optimization allocation of standalone microgrid system capacity based on complementary characteristic of wind and solar

Compared with a single standalone photovoltaic or wind power systems,wind and solar complementary characteristics were used by hybrid wind-solar power generation system,the output power fluctuation was smaller,it could adapt to environmental changes.For the optimal sizing problem of solar-wind-diesel-battery hybrid microgrid, the economic model of optimal sizing was built with the objective that takes daily costs of equipment,operation and maintenance,fuels,environment protection into account.Meanwhile the blackout penalty fee and wasted energy penalty fee also were included in the economic model.The optimal capacity configurations of different power sources in the system were solved by genetic algorithm under optimal investment condition and considering constraints of the reliability of power supply,the complementary of wind and solar,battery charge and discharge times.The proposed method took fully advantage of the complementary characteristic of wind and solar, could achieve a high power supply reliability while require less battery capacity in standalone mode.Moreover, the depth of discharge and charge/discharge cycles of battery was reduced.The reasonableness of the proposed models was verified by case study results.

microgrid system;optimal allocation;economy;genetic algorithm

TM 61

A

1002-087(2016)03-0610-04

2015-08-27

李成(1988—)，男，安徽省人，碩士生，主要研究方向?yàn)槲⒕W(wǎng)系統(tǒng)中儲能的優(yōu)化配置及變電站運(yùn)維。