徐敦彬 郝 威 王永力 袁光偉

（國網(wǎng)江蘇省電力公司徐州供電公司 徐州 221005）

1 引言

分布式電源通過微電網(wǎng)的形式接入電網(wǎng)逐步成為了一種有效的特殊手段［1］，并且在電力研究領域分支中引起了廣泛關注［2］，鑒于分布式電源在并網(wǎng)過程中的復雜性，微電網(wǎng)的規(guī)劃設計和運行模式已經(jīng)成為智能電網(wǎng)技術的重要組成部分［3］。分布式電源在接入母線的過程中會對配電網(wǎng)產(chǎn)生嚴重的線損現(xiàn)象［4～6］，在儲能蓄電池對并網(wǎng)后的電能進行集中時，其損耗主要表現(xiàn)為電壓損耗和功率損耗［7］，過多的損耗使得微電網(wǎng)的電源能量大量的浪費［8］。本研究針對微電網(wǎng)中的分布式電源并網(wǎng)能量最優(yōu)化問題，通過光伏發(fā)電系統(tǒng)、風力發(fā)電系統(tǒng)、微型燃氣輪機和儲能蓄電池組組合成為微電網(wǎng)研究對象，建立最優(yōu)化問題目標函數(shù)度量求出的目標函數(shù)電壓損耗最小和功率損耗最小的表達式，并以光伏發(fā)電系統(tǒng)為例進行目標函數(shù)的推導。在對實驗算例推到求解過程中使用拉格朗日函數(shù)給出了電源最優(yōu)條件下的駐點處的函數(shù)值，精確地計算出了不同機組的各分支線路的損耗對最終電源能量優(yōu)化的影響。

2 微電網(wǎng)結構與模型

2.1 微電網(wǎng)結構

假設線路為單電源輻射狀網(wǎng)絡，微電網(wǎng)結構中包含n1個光伏發(fā)電系統(tǒng)、n2個風力發(fā)電系統(tǒng)、n3個微型燃氣輪機和一個儲能裝置。為不失一般性，在n1個光伏發(fā)電系統(tǒng)中從第1個到第d1個光伏發(fā)電系統(tǒng)不帶有負載，第(d1+1)個到第n1個光伏發(fā)電系統(tǒng)帶有負載；在n2個風力發(fā)電系統(tǒng)中從第1個到第d2個風力發(fā)電機組不帶有負載，第(d2+1)個到第n2個帶有負載；在n3個微型燃氣輪機中從第1個到第d3個微燃機不帶負載，第(d3+1)個到第n3個微燃機是帶有負載，微電網(wǎng)組合形式如圖1所示。

圖1 微電網(wǎng)組合

2.2 最優(yōu)分配模型

最優(yōu)化問題用數(shù)學方法進行描述時，包含了目標函數(shù)、決策變量和約束條件這三個要素［9］。其中，目標函數(shù)度量解的優(yōu)劣程度，如成本、收益、利潤等［10～12］；而決策變量為可以調節(jié)、影響優(yōu)化過程的變量；約束條件指決策變量及其相互關系的約束。最優(yōu)化問題的一般形式為

其中，x∈Rn為決策變量；f(x)為目標函數(shù)；gi(x)=0為等式約束；hi(x)≥0為不等式約束。

3 分布式電源能量優(yōu)化

3.1 電源負荷優(yōu)化

本文主要從技術目標最優(yōu)出發(fā)，對微電網(wǎng)進行優(yōu)化，先構造微電網(wǎng)目標函數(shù)，然后建立微電網(wǎng)運行約束條件。微電網(wǎng)的等效電路圖可運用歐姆定律、基爾霍夫定律等直接寫出有關的計算公式［13］。但這些方法都不免進行復數(shù)運算，不利于手算，而手算時應盡可能避免復數(shù)運算的方法［14］。因此本文所求出的目標函數(shù)電壓損耗最小和功率損耗最小的表達式，最終都是實數(shù)表達形式，電力線路的電壓相量圖如圖2所示。

圖2 電壓相量

若已知某支路末端電壓為U-，末端功率為S-=P+jQ，導線阻抗Z=R+jX，則該支路的電壓損耗和功率損耗公式推導過程如下。

電壓降低過程中的dU滿足關系式：

由電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析中關于電力線路上的電壓損耗和功率損耗計算公式可知：

3.2 目標函數(shù)優(yōu)化

3.3 能量優(yōu)化約束條件

為了保證微電網(wǎng)正常運行，微電網(wǎng)中微電源應有以下約束條件：功率平衡條件、微電源出力約束、微電源出口電壓約束。若Pij、Qij分別表示第i種微源的第 j個的輸出有功功率和無功功率，PL、QL分別為負載所需的有功功率和無功功率，則微電網(wǎng)運行必須滿足功率平衡約束為

若Pijmin、Pijmax分別為第i種微源的第 j的輸出有功功率最小值和最大值；Qijmin、Qijmax為第i種微源的第 j個輸出的無功功率最小值和最大值。為了保證每個微電源的穩(wěn)定運行，發(fā)電機的功率輸出需要在一定的范圍內：

微電源出口電壓也應滿足一定的約束條件，用Uij表示第i種微源的第 j個出口電壓，Uijmin、Uijmax分別表示第i種微源的第 j個出口電壓的最小、最大值。則應滿足下面的約束條件：

4 實驗算例

為計算簡便，本例微電網(wǎng)結構包括2個20KW光伏電池（photovoltaic，PV）、2個30KW風力發(fā)電機（wind turbine，WT）和2個60KW微型燃氣輪機（microturbine，MT），蓄電池組最大儲存容量為10KW。優(yōu)化目標是在約束條件限制下，各分布式電源有功和無功的值分別為多少時，可分別使得電壓損耗和功率損耗達到最小。假定系統(tǒng)滿足以下假設條件：

1）由于線路中電壓降允許降落10%，為保證母線上電壓為0.4KW，故令光伏發(fā)電機、風力發(fā)電機、柴油發(fā)電機出口電壓均為UN=0.44KV；

2）DG為蓄電池，忽略此條線路上的電壓損耗和功率損耗。為便于計算，將微電網(wǎng)結構圖進行簡化。

考慮到配電網(wǎng)輻射狀的網(wǎng)絡結構和低壓線路參數(shù)的特點，取線路電阻 R=0.64Ω/km，X=0.1Ω/km，各發(fā)電機組線路長度與分布式電源負載的參數(shù)如表1所示。

表1 線路長度與負載參數(shù)

則阻抗為

其中l(wèi)ij為第ij條線路的長度。則得到各支路阻抗為

假設Pij、Qij是決策變量，則等式約束條件為

通過構造拉格朗日約束函數(shù)，求得儲能蓄電池電壓損耗最小值為

各機組發(fā)出的復功率使得儲能蓄電池電壓損耗的平方達到最小值，即13.2V。同樣使用構造拉格朗日約束函數(shù)，求得儲能蓄電池功率損耗最小值為

此時，各機組發(fā)出的復功率使得儲能蓄電池功率損耗的平方達到最小值，即5571VA。經(jīng)驗證駐點處的函數(shù)值，具體的線路復功率如表2所示。

表2 不同最小損耗條件下的線路復功率

5 結語

本研究以微電網(wǎng)中分布式電源并網(wǎng)過程中電源的電壓損耗和功率損耗最小為出發(fā)點，通過搭建光伏發(fā)電系統(tǒng)、風力發(fā)電系統(tǒng)、微型燃氣輪機和儲能蓄電池組的微電網(wǎng)結構。先構造微電網(wǎng)目標函數(shù)，然后建立微電網(wǎng)運行約束條件，最后達到對微電網(wǎng)電源能量進行優(yōu)化。研究過程中，將各發(fā)電機組線路分為是否帶負載進行區(qū)別，利用線路在電能傳輸過程中的阻抗推導出電壓降低帶來的電能損耗。在求解過程中，采用拉格朗日約束法對搭建的目標函數(shù)進行求解，使得最終的結果更加精確。

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