黃小耘， 歐陽(yáng)衛(wèi)年， 吳樹鴻， 李高明， 金鑫， 楊少將

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局， 佛山 528000；2.煙臺(tái)海頤軟件股份有限公司， 煙臺(tái) 264000)

不同運(yùn)行調(diào)度模式下微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行對(duì)比分析

黃小耘， 歐陽(yáng)衛(wèi)年， 吳樹鴻， 李高明， 金鑫， 楊少將

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局， 佛山 528000；2.煙臺(tái)海頤軟件股份有限公司， 煙臺(tái) 264000)

為了對(duì)不同運(yùn)行調(diào)度模式下微網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行對(duì)比，在研究微網(wǎng)不同運(yùn)行模式的基礎(chǔ)上，從微網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本的角度出發(fā)，針對(duì)兩種運(yùn)行模式構(gòu)建了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。提出了一種改進(jìn)的免疫粒子群算法，并以實(shí)際微網(wǎng)系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比對(duì)，得到含高溫儲(chǔ)能系統(tǒng)的微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益更好，同時(shí)也有效地驗(yàn)證了所提出模型和算法的可行性和有效性。

微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行； 運(yùn)行調(diào)度模式； 對(duì)比分析

0 引言

為了提高微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益、電力供給的可靠性，結(jié)合微電網(wǎng)的負(fù)荷需求以及可再生能源資源等條件，構(gòu)建相應(yīng)的模型并優(yōu)化，從而確定出微電網(wǎng)內(nèi)儲(chǔ)能系統(tǒng)和各分布式電源的最佳出力調(diào)度方案1。其中，微電網(wǎng)中風(fēng)電與光伏認(rèn)定為零發(fā)電成本，本文就以經(jīng)濟(jì)成本的優(yōu)化為研究對(duì)象進(jìn)行進(jìn)一步地探討。

1 微網(wǎng)的運(yùn)行模式

(1)并網(wǎng)運(yùn)行

在并網(wǎng)運(yùn)行中，微電網(wǎng)和大電網(wǎng)利用PCC相連接并列運(yùn)行，電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)度，并且當(dāng)微電網(wǎng)自身系統(tǒng)的負(fù)荷出現(xiàn)缺額時(shí)，微電網(wǎng)能夠從大電網(wǎng)中吸取電能來(lái)彌補(bǔ)，同時(shí)，也可以在自身發(fā)電過(guò)剩時(shí)將過(guò)剩的電能向大電網(wǎng)進(jìn)行輸送。微電網(wǎng)和大電網(wǎng)兩者相互支撐，相互補(bǔ)充。并網(wǎng)運(yùn)行的運(yùn)行模式不僅能夠提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行水平，而且使供電可靠性得到了有效地提高，同時(shí)，使微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益得到提高。除此之外，在對(duì)大電網(wǎng)正常運(yùn)行狀態(tài)不產(chǎn)生影響的前提下，微電網(wǎng)還應(yīng)該做出更多的貢獻(xiàn)2。

(2)孤島運(yùn)行

在孤島運(yùn)行過(guò)程中，PCC斷路器處于斷開的狀態(tài)，負(fù)荷供應(yīng)安全依賴于微網(wǎng)內(nèi)微源，微電網(wǎng)和大電網(wǎng)之間沒(méi)有電能交易的問(wèn)題。微網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)主要的作用是對(duì)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行進(jìn)行管理和維護(hù)。微網(wǎng)中微源的優(yōu)化組合供電的實(shí)現(xiàn)依賴于集中調(diào)度。然而，燃料電池和微燃機(jī)等間可控機(jī)組的響應(yīng)時(shí)間比較長(zhǎng)，會(huì)對(duì)熱能和電能的供需平衡產(chǎn)生一定的影響3。因此，針對(duì)孤島運(yùn)行模式下的微電網(wǎng)而言，要想確保能量平衡，就必須增添儲(chǔ)能裝置，這是必不可少的。

2 微網(wǎng)系統(tǒng)環(huán)保經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型

(1)并網(wǎng)運(yùn)行方式

由于微源運(yùn)行狀態(tài)變化比較快，因此，可以選用常規(guī)的日前調(diào)度模型。本目標(biāo)主要考慮熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的制熱收益成本、微網(wǎng)與外網(wǎng)的交互成本、投資折舊成本、運(yùn)行管理成本、發(fā)電單元的燃料成本，計(jì)算如式(1)～(6)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

上列式中，N：發(fā)電單元個(gè)數(shù)；t：時(shí)間段數(shù)；Cf(t)：t時(shí)刻各電源的燃料成本；fi：第i個(gè)電源的燃料成本函數(shù)；Pi(t)：第i個(gè)電源t時(shí)刻的功率輸出；COM(t)：t時(shí)刻各電源的運(yùn)行成本，KOMi：第i個(gè)電源單位電量運(yùn)行管理成本系數(shù)；COM(t)：t時(shí)刻各電源的運(yùn)行管理成本；r：年利率；ki：第i個(gè)電源的容量因數(shù)；Coi：第i個(gè)電源的單位容量安裝成本系數(shù)；CDP(t)：t時(shí)刻各電源的折舊投資成本；Cb(t)：t時(shí)刻微電網(wǎng)向外電網(wǎng)的購(gòu)電價(jià)格；Pb(t)：t時(shí)刻的制熱收益；Cgrid(t)：t時(shí)刻微電網(wǎng)和外電網(wǎng)的交互成本；Kho：?jiǎn)挝恢茻崾蹆r(jià)；Qhe(t)：t時(shí)刻熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的制熱量；Csh(t)：t時(shí)刻的制熱收益。

(2)孤網(wǎng)運(yùn)行

微電網(wǎng)在孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)和大電網(wǎng)之間沒(méi)有電能交易和能量交換，微電網(wǎng)的負(fù)荷需求完全來(lái)源于系統(tǒng)內(nèi)部的微電源4-5。本目標(biāo)主要考慮的包含熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的制熱收益、微電網(wǎng)和外電網(wǎng)的交互成本、投資折舊成本、運(yùn)行管理成本、發(fā)電單元的燃料成本以及旋轉(zhuǎn)備用成本。目標(biāo)函數(shù),如式(7)：

(7)

式中，Cf(t)、COM(t)、CDP(t)、Csh(t)與上述描述的含義是相同的，然而有很多不確定因素存在于微電網(wǎng)運(yùn)行的過(guò)程中，再加上內(nèi)部機(jī)組所能提供的旋轉(zhuǎn)備用能力存在局限性，故而需要添加旋轉(zhuǎn)設(shè)備。

3 改進(jìn)的免疫粒子群

顧名思義，所謂改進(jìn)的免疫粒子群算法，就是對(duì)免疫粒子群算法進(jìn)行改進(jìn)，在搜索過(guò)程中，使學(xué)習(xí)因子能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化。解決了基本算法方向不理想和收斂速度慢的問(wèn)題，同時(shí)也使解的精度得到了有效地提高。

異步變化和同步變化是學(xué)習(xí)因子變化的兩種方式，其中異步變化的學(xué)習(xí)因子又包含非對(duì)稱變化和對(duì)稱變化兩種，公式表示如式(8)。

(8)

同步變化的學(xué)習(xí)因子的表示,為式(9)。

(9)

為了使粒子的多樣性得到有效地提高，在防止出現(xiàn)早熟問(wèn)題的同時(shí)提高搜索速度，在搜索初期主要任務(wù)是獲取具有更好多樣性的高質(zhì)量粒子，而后期則遵循粒子減少向自己最優(yōu)學(xué)習(xí)，側(cè)重于向社會(huì)最優(yōu)學(xué)習(xí)的原則，逐漸與社會(huì)最優(yōu)相接近。因此，本文采用的學(xué)習(xí)因子是非線性變化的。

4 微網(wǎng)系統(tǒng)仿真分析

(1)算例基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

該算例分析所構(gòu)建的微網(wǎng)系統(tǒng)模式示意圖,如圖1所示。

圖1 微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

光伏電池和風(fēng)機(jī)的基本參數(shù)如下：

vin=4 m/s,vr=15 m/s,vout=20 m/s,pr=100 kw,pmax=120 kw。天然氣的價(jià)格為2.5元/m3；實(shí)時(shí)電價(jià)價(jià)格,如表1所示。

表1 實(shí)時(shí)電價(jià)

(2)不含高溫儲(chǔ)能系統(tǒng)的微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度方案

基于微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)所構(gòu)建的模型，利用本文提出的算法進(jìn)行求解，就可以獲得微網(wǎng)中各可調(diào)節(jié)單元的調(diào)度出力，其結(jié)果,如圖2所示。

圖2中：PV出力+WT出力+MT出力+有功缺額=總電負(fù)荷。

由圖2可知，在微網(wǎng)中電負(fù)荷較輕時(shí)，電網(wǎng)電價(jià)恰好處于低谷，PV、WT和MT發(fā)出的電能過(guò)剩就會(huì)給蓄電池進(jìn)行充電；一旦該系統(tǒng)出現(xiàn)有功缺額，對(duì)于功率補(bǔ)給優(yōu)先調(diào)用蓄電池。在微網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，如果電網(wǎng)的購(gòu)電價(jià)格小于微網(wǎng)的運(yùn)行成本，就會(huì)及時(shí)地對(duì)蓄電池進(jìn)行充電8。當(dāng)燃料電池發(fā)電成本小于電網(wǎng)購(gòu)電價(jià)格時(shí)，優(yōu)先調(diào)用燃料電池，不足再進(jìn)行電網(wǎng)購(gòu)電。

(3)含高溫儲(chǔ)能系統(tǒng)的微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度方案

該系統(tǒng)的電網(wǎng)運(yùn)行結(jié)果,如圖3所示。

圖2 可控電源的優(yōu)化出力

圖3 各微源的優(yōu)化出力

由圖3可知，在微網(wǎng)中電負(fù)荷較輕的時(shí)候，PV、WT和MT發(fā)出的電能過(guò)剩在給給蓄電池進(jìn)行充電的同時(shí)，高溫儲(chǔ)能系統(tǒng)開始蓄熱；當(dāng)系統(tǒng)中電負(fù)荷增加到風(fēng)光發(fā)電無(wú)法滿足的時(shí)候，優(yōu)點(diǎn)調(diào)用蓄電池，當(dāng)蓄電池的運(yùn)行范圍也無(wú)法滿足的時(shí)候，則增加電網(wǎng)購(gòu)電量和燃料電池出力。在谷時(shí)段，高溫蓄熱系統(tǒng)則集中進(jìn)行充電，其他時(shí)間進(jìn)行放熱6-7。

不同運(yùn)行情況下的費(fèi)用對(duì)比，含高溫儲(chǔ)能系統(tǒng)的微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益較為顯著,如表2所示:

表2 不同運(yùn)行情況下費(fèi)用

3 總結(jié)

總而言之，本文對(duì)并網(wǎng)運(yùn)行模式和孤島運(yùn)行模式進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，并根據(jù)不同的運(yùn)行模式針對(duì)經(jīng)濟(jì)成本建立了相應(yīng)的模型9，利用改進(jìn)的粒子群算法對(duì)所構(gòu)建的模型進(jìn)行求解，通過(guò)對(duì)優(yōu)化結(jié)果的比對(duì)得知含高溫儲(chǔ)能系統(tǒng)的微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益比較好。

[1] 汪少勇．基于分布式電源的微網(wǎng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，31(4)：120-123．

[2] 石慶均，江全元．包含蓄電池儲(chǔ)能的微網(wǎng)實(shí)時(shí)能量?jī)?yōu)化調(diào)度[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2013，33(5)：76-82．

[3] 丁明，張穎媛，茆美琴，等．包含鈉硫電池儲(chǔ)能的微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(4)：7-14．

[4] 洪博文,郭力,王成山,等.微電網(wǎng)多目標(biāo)動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度模型與方法[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2013,33(3):100-107.

[5] 周鯤鵬,方仍存,顏炯,等.電網(wǎng)規(guī)劃智能輔助決策系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2013,37(3):77-82.

[6] 丁明,羅魁,畢銳,等.孤島模式下基于多代理系統(tǒng)的微網(wǎng)能量協(xié)調(diào)控制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2012,36(24): 1-9.

[7] 張野,郭力,賈宏杰.基于平滑控制的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2012,36(16): 36-42.

[8] 鄭競(jìng)宏,王燕廷,李興旺,等.微網(wǎng)平滑切換控制方法及策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2011,35(18): 17-22.

[9] Chen S C，Cai D T,Liu B,et al.Smart energy management system for optimal microgrid economic operation[J].IEEE Proceedings:Renewable Power Generations,2011,5(3):258-267.

Comparative Economic Performance under Different Operating Modes Piconet Scheduling Analysis

Huang Xiaoyun1,OUYANG Weinian1,Wu Shuhong1,Li Gaoming1,Jin Xin2,Yang Shaojiang2

(1. Guangdong Power Grid Co.,Ltd.Foshan Power Supply Bureau,Foshan,528000,China;2. Software Co.,Ltd.Yantai Hai Yi,Yantai,264000,China)

In order to further investigate the economic costs of different operating modes for scheduling micro-grid operation, based on the study of different micro-grid operation modes, from economic costs two models of micro-grid system constructed for two operation modes. Then, an improved immune particle swarm algorithm was presented. The actual micro-grid system was used as the research object, comparing experiments were completed. Results also showed that containing high-temperature micro-grid energy storage system obtained better economic benefits. Results effectively verified the feasibility and effectiveness of the model and algorithm proposed in this paper.

Operation of micro-economic network; Scheduling operation modes; Comparative analysis

廣東電網(wǎng)公司佛山供電局科技項(xiàng)目資助(GDKJ00000057)

黃小耘(1964-)，男,碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向:調(diào)度自動(dòng)化,佛山 528000； 歐陽(yáng)衛(wèi)年(1978-)，男，廣東佛山人，高級(jí)工程師,研究方向:配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù),佛山 528000； 吳樹鴻(1977-)，男，廣東揭西，工程師，研究方向:配網(wǎng)調(diào)度,佛山 528000； 李高明(1977-)，男，湖北隨州，高級(jí)技師，研究方向:配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù),佛山 528000； 金 鑫(1985-)，男,學(xué)士，高級(jí)項(xiàng)目經(jīng)理，研究方向:信息系統(tǒng)軟件開發(fā),煙臺(tái) 264000; 楊少將(1984-)，男,學(xué)士，高級(jí)項(xiàng)目經(jīng)理，研究方向:信息系統(tǒng)軟件開發(fā),煙臺(tái) 264000

1007-757X(2017)01-0031-04

TP311

A

2016.09.10)