曾凡濤，官 軍

（1.強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室（華中科技大學(xué)），湖北 武漢430074；2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司沙洋縣供電公司，湖北 荊門448000）

光伏微網(wǎng)發(fā)展迅速。偏遠(yuǎn)地區(qū)和海洋島嶼上建設(shè)的光伏微網(wǎng)一般情況下較難和大電網(wǎng)相連，通常采取獨立運行的模式。而并網(wǎng)型的光伏微網(wǎng)在大電網(wǎng)發(fā)生故障或者計劃檢修等期間，也將轉(zhuǎn)入獨立運行模式。孤網(wǎng)運行的光伏電源輸出功率具有一定的波動性，為了保證獨立微網(wǎng)供電的可靠性，常與儲能系統(tǒng)和柴油機構(gòu)成具有能量自治管理與控制能力的混合發(fā)電供能系統(tǒng)。由于光照及溫度對光伏出力有較大影響，如何在最大化利用太陽能同時，降低微網(wǎng)運行維護(hù)成本，是目前光伏發(fā)電領(lǐng)域的研究熱點問題之一。

國內(nèi)外的相關(guān)學(xué)者在微網(wǎng)優(yōu)化運行方面已作了長期工作并取得了卓有成效的成果，包括微網(wǎng)的總等年值成本最小模型[1]、分布式供電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運行最優(yōu)模型[2，3]、基于市場控制的分布式能量優(yōu)化方法[4]等。文獻(xiàn)[5]計及碳約束和碳交易，建立了低碳經(jīng)濟(jì)下的微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運行模型，并通過算例表明了模型的有效性；文獻(xiàn)[6-7]基于模糊算法的能量管理基礎(chǔ)上，根據(jù)用電時段和儲能的SOC 水平，確定微網(wǎng)運行成本最低的控制運行策略。文獻(xiàn)[8-10]利用多目標(biāo)隨機動態(tài)規(guī)劃方法對微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運行進(jìn)行研究，并與其他控制策略進(jìn)行比較，指出動態(tài)控制策略效果更佳。文獻(xiàn)[11]建立了優(yōu)化微網(wǎng)內(nèi)分布式電源出力的數(shù)學(xué)模型，提出基于改進(jìn)粒子群算法的微網(wǎng)動態(tài)的經(jīng)濟(jì)運行策略。文獻(xiàn)[12]使用基于協(xié)同進(jìn)化遺傳算法實現(xiàn)微網(wǎng)分布式電源出力運行方法，并對不同控制策略進(jìn)行比較和分析。前述研究在微網(wǎng)的成本、能量管理、經(jīng)濟(jì)運行方面已取得了豐碩成果。但上述文獻(xiàn)未能充分考慮光照、溫度等外界條件的季節(jié)性變化特性，并以此來優(yōu)化微網(wǎng)“源-荷-儲”系統(tǒng)的運行策略。因此，微網(wǎng)的運行經(jīng)濟(jì)性難以達(dá)到最優(yōu)化目標(biāo)。

本文針對光柴儲型的獨立微網(wǎng)，根據(jù)地區(qū)光照特性或溫度特性的周期差異性，以此劃分“源-荷-儲”系統(tǒng)的電源運行區(qū)間，作為微網(wǎng)運行優(yōu)化的基礎(chǔ)，并通過建立計及運維、燃料及停電損失等綜合成本最小化的目標(biāo)函數(shù)，充分考慮電源裝機容量、供電可靠性等約束條件，利用遺傳算法求解微網(wǎng)系統(tǒng)的年度運行優(yōu)化策略。并通過算例仿真，對比分析了年運行、季節(jié)變化運行、光照特性運行、溫度特性運行等四種不同運行策略的綜合費用，驗證了本文所提的根據(jù)光照特性或溫度特性的運行策略可以大大降低微網(wǎng)的運維成本，充分利用自然資源。

1 基于地區(qū)光照強度和溫度變化特性的微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運行區(qū)間劃分

以某偏遠(yuǎn)地區(qū)的光照強度和溫度的波動變化特征為研究對象，在不同的年份，該地區(qū)的光照強度和溫度的每日平均值變化呈現(xiàn)一定規(guī)律性，光照強度的變動規(guī)律如圖1 所示，溫度變動規(guī)律如圖2所示（兩年數(shù)據(jù)）。

圖1 光照強度的變動規(guī)律

圖2 溫度的變動特性

對同一地區(qū)而言，在不同的年度，其光照強度和溫度變化都表現(xiàn)出很強的年度周期性規(guī)律。因此，光照強度和溫度的包絡(luò)線的繪制具體方法如下：

將原數(shù)據(jù)分成等寬度的104 段（2 段代表1 個星期），每段取一個最高點和最低點所對應(yīng)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)平均值，從而生成包絡(luò)線；

按照上述方法，利用MATLAB軟件繪制光照強度特性曲線如圖3所示，溫度的特性曲線如圖4所示。

圖3 光照強度特性曲線

圖4 溫度特性曲線

利用上述包絡(luò)線，可以據(jù)此進(jìn)行微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運行區(qū)間的劃分，從而在不同的劃分區(qū)間，微網(wǎng)電源采取不同的出力策略，以此優(yōu)化微網(wǎng)的運行經(jīng)濟(jì)性。微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運行區(qū)間的劃分方法如下：

假設(shè)包絡(luò)線函數(shù)是y＝f（x），取一條平行于x 軸的直線y＝y(tǒng)1將一個周期的包絡(luò)線分成上下兩個面積相等的部分其數(shù)學(xué)表達(dá)是為：

可以通過式（1）求解出來y1，直線y＝y(tǒng)1交一個周期的包絡(luò)線于點M1，、M2…Mn（n 屬于自然數(shù)），其對應(yīng)的橫坐標(biāo)x1、x2…xn（n 屬于自然數(shù)）所構(gòu)成的區(qū)間[x1，x2]、[x2，x3]…[xn-1，xn]（n 屬于自然數(shù)）即為微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運行劃分的區(qū)間。

2 獨立光伏微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運行優(yōu)化策略

2.1 目標(biāo)函數(shù)

獨立微網(wǎng)在保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定和重要負(fù)荷供電的前提下，電源出力方式應(yīng)首要考慮微網(wǎng)運行的經(jīng)濟(jì)性。本文研究的獨立微網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷的電能由光伏、柴油機以及儲能電池供給，運行經(jīng)濟(jì)性方面包括：機組折舊成本、運行維護(hù)成本和燃料消耗成本。

（1）光伏太陽能發(fā)電組件的年成本模型

光伏發(fā)電組件的年成本為：

式中Cpv為光伏發(fā)電組件運維成本；Cypv為太陽能光伏電池板一年的運行和維護(hù)的費用，一般取太陽能光伏電池板單價的1%；Npv為太陽能光伏電池板的數(shù)量；Cpvr為太陽能光伏發(fā)電補貼金額。

（2）柴油發(fā)電設(shè)備年成本模型

柴油發(fā)電設(shè)備年成本為：

Cdie為柴油機發(fā)電的年成本；Cvdie為柴油發(fā)電設(shè)備一年運行和維護(hù)的費用，單位為萬元；Ndie為該類柴油發(fā)電設(shè)備的數(shù)量；Cen為環(huán)境污染罰金；Cf為柴油發(fā)電設(shè)備的燃料成本，計算公式如式（5）：

Cf為柴油發(fā)電設(shè)備消耗柴油及柴油儲備的成本，其單位為萬元；xf為柴油單價，其單位為萬元/m3，Vf和Vfh分別為柴油發(fā)電用量和損耗量，其單位為m3/h；Sfc為柴油最少安全儲備量；Tdie為柴油發(fā)電設(shè)備年平均利用小時數(shù)。

（3）儲能設(shè)備年成本模型

獨立微網(wǎng)中，因大量接入具有間歇性的能源，所以需要儲能設(shè)備作為調(diào)節(jié)手段。獨立微網(wǎng)中儲能設(shè)備的成本為：

Cbat儲能設(shè)備年成本，其單位為萬元；Cybat為儲能設(shè)備年運維費，其單位為萬元；Nbat為儲能設(shè)備的數(shù)目。

（4）負(fù)荷停電補償費用

當(dāng)獨立微網(wǎng)的內(nèi)部電源和備用電源都無法滿足負(fù)荷需求，為了保證獨立微網(wǎng)的重要負(fù)荷持續(xù)不間斷的供電，應(yīng)根據(jù)負(fù)荷的綜合權(quán)重系數(shù)來減載。因此需要對用戶停電帶來的損失進(jìn)行補償，負(fù)荷停電補償?shù)馁M用由電能的單價、功率和停電時長來計算。獨立微網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷停電賠償費用為：

式中Cr為負(fù)荷停電賠償費；e 為停電時長內(nèi)電量的單價；Pi為第i 個停電負(fù)荷的功率大小；ti為一年中第i 個停電負(fù)荷的停電時間長度。

結(jié)合光資源和負(fù)荷季節(jié)性變化特征，考慮光照強度或溫度相似特性，以按年為運行周期的微網(wǎng)運行總成本最小為目標(biāo)，進(jìn)行獨立微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運行優(yōu)化，其優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)如下：

式中Cpy、Cdie、Cbat分別為獨立微網(wǎng)內(nèi)光伏發(fā)電設(shè)備、柴油發(fā)電設(shè)備、儲能設(shè)備的年運行成本，包含了設(shè)備年運行維護(hù)、燃料及環(huán)境污染罰金等費用：Cr為負(fù)荷停電賠償費用。

2.2 約束條件

確定獨立微網(wǎng)在經(jīng)濟(jì)運行策略時，需考慮新能源裝機比例、網(wǎng)內(nèi)功率平衡、供電可靠性及光資源利用率等約束條件。其具體如下：

2.2.1 功率平衡約束

為了保證獨立微網(wǎng)的負(fù)荷的功率平衡，所以可能在部分時段需要切除負(fù)荷或者棄光，獨立微網(wǎng)的功率平衡表達(dá)式為：

式中Ppv（t）、Pdie（t）表示t 時刻各電源的出力；Pcut（t）、Pdunp（t）表示t 時刻切除負(fù)荷和棄掉功率；load（t）為第t 時刻的負(fù)荷水平；Pbat 為單個電池的額定功率。

2.2.2 供電可靠性約束

通常情況下，獨立微網(wǎng)采用一年內(nèi)切段負(fù)荷總量占負(fù)荷用電總量的比例來表示其停電的概率，為了保證供電的可靠性，所以停電的不能超過某個上限值[13]，其表達(dá)式為：

式中fCFL為停電的概率；load（t）為第t 時刻的負(fù)荷水平。

2.2.3 光資源利用率約束

在光伏型獨立微網(wǎng)中，當(dāng)太陽能資源出力超出負(fù)荷需求和儲能設(shè)備充電能力上限時，就必須選擇棄光，其約束關(guān)系為：

式中Pdump（t）為時間段t 內(nèi)棄光出力，fdump為年棄光率。

2.2.4 儲能設(shè)備充放電約束

儲能設(shè)備由多塊電池串并聯(lián)組成，需要避免頻繁充放電而增加電池的損耗。由于儲能電池充放電只能交替進(jìn)行，所以需要滿足的約束為：

為了防止儲能設(shè)備持續(xù)充放電導(dǎo)致嚴(yán)重發(fā)熱而大大降低使用壽命，故需滿足的不等式約束為：

儲能電池充電到達(dá)額定功率后停止充電，放電到額定容量的25%停止放電其不等式約束為：

式中Pbat是單塊儲能電池的額定功率，Sbat 為單快儲能電池的額定容量。S（t）為儲能電池t 時刻的電量，γ 放電剩余電量與額定容量的百分比的最小值，通常取25%。

2.3 求解算法

本文采用遺傳算法求解獨立微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運行策略投運電源數(shù)量和種類的流程框圖如圖5 所示。

圖5 遺傳算法求解流程框圖

3 算例分析

現(xiàn)以某偏遠(yuǎn)地區(qū)的獨立微網(wǎng)為例，該地區(qū)太陽能資源充裕，系統(tǒng)中包含太陽能光伏組件、鉛酸儲能系統(tǒng)、柴油機。獨立微網(wǎng)的接線圖如圖6 所示。由于此獨立微網(wǎng)的負(fù)荷變化不大，所以我們假設(shè)每個節(jié)點的負(fù)荷參數(shù)基本不變。獨立微網(wǎng)內(nèi)部電源和負(fù)荷如表1 所示，獨立微網(wǎng)電源配置表如表2 所示。

圖6 微網(wǎng)主接線圖

表1 微網(wǎng)的電源、負(fù)荷參數(shù)

表2 獨立微網(wǎng)電源配置

該地區(qū)微網(wǎng)電源配置中，光伏太陽能設(shè)備、儲能設(shè)備、柴油發(fā)電設(shè)備選的型號分別為JKM270PP-60、VRB-100、ZH4102ZD，三種設(shè)備的單個容量分別為：0.26kW、100kW、30kW，-10# 號柴油單價為0.61 萬元/噸，由此可將微網(wǎng)中光柴儲的容量、成本等基本參數(shù)整理如表3 所示。

表3 分布式電源成本數(shù)據(jù)

由表2 和表3 的數(shù)據(jù)，可以計算出獨立微網(wǎng)建設(shè)投資是12927.45 萬元。此外，根據(jù)氣象局統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，此地區(qū)一年內(nèi)的光照強度、溫度、負(fù)荷分別如圖1、2、7 所示。

圖7 該地區(qū)一年的負(fù)荷情況

基于上述微網(wǎng)內(nèi)各設(shè)備的數(shù)據(jù)，利用前文建立的獨立微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運行優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以不同類型電源的開機運行方式和數(shù)量為變量，調(diào)用Matlab 中的遺傳算法求解該獨立微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運行策略。

在下面仿真分析中，分別對以下四種運行策略進(jìn)行對比分析和討論：

①按年為周期的運行策略；

②按季節(jié)為周期的運行策略；

③按年光照強度分區(qū)的運行策略；

④按年溫度變化分區(qū)的運行策略；

綜合考慮獨立微網(wǎng)內(nèi)電源運行維護(hù)費用、柴油發(fā)電機的燃料費用以及內(nèi)部負(fù)荷缺電罰金等，對比獨立微網(wǎng)在上述①、②、③、④四種運行策略下的綜合費用，從而驗證本文提出的獨立微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運行策略。

采用SPSS 18.0統(tǒng)計學(xué)軟件分析數(shù)據(jù)，兩組患者并發(fā)癥發(fā)生和血酮體陽性情況用絕對數(shù)和構(gòu)成比表示，用χ2檢驗（不符合應(yīng)用條件者用確切概率值法）；兩組患者圍術(shù)期血糖水平用（±s）表示，用完全隨機設(shè)計的兩組資料t檢驗，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

3.1 按年為運行周期的微網(wǎng)運行策略

按年為運行周期策略是指，在一年內(nèi)微網(wǎng)中投運的各類電源數(shù)量和類型不變。用表3 的各微網(wǎng)電源的運行維護(hù)單價、燃料費用單價、污染懲罰單價，結(jié)合成本計算模型中各項費用計算，得出獨立微網(wǎng)的年運行費用如表4 所示。

表4 獨立微網(wǎng)電源年運行費用

由表4 獨立微網(wǎng)運行時產(chǎn)生的運行維護(hù)費用、缺電罰金、環(huán)境治理費用、燃料費用、網(wǎng)損費和附加費相加可以得到獨立微網(wǎng)的運行費用，則年運行策略總運行費用為387.7 萬元。

3.2 季節(jié)運行方式微網(wǎng)運行策略

按季節(jié)為周期的運行策略是指，微網(wǎng)在一年的四個季節(jié)中，每個季節(jié)投運的各類電源數(shù)量和類型不變。獨立微網(wǎng)內(nèi)光伏的出力受自然因素影響，其數(shù)量、接入方式和位置及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不能隨著季節(jié)變化而變化。然而，通過改變每個季節(jié)柴油發(fā)電機運行的數(shù)量，從而改變獨立微網(wǎng)運行結(jié)構(gòu)，不僅可以充分利用光伏，還可以減少微網(wǎng)的運行維護(hù)費用。在約束條件（8）～（14）下，以（7）獨立微網(wǎng)的為目標(biāo)函數(shù)，春夏秋冬四個季節(jié)獨立微網(wǎng)電源運行的類型、數(shù)量如表5 所示。

表5 春夏秋冬四個季節(jié)電源容量最優(yōu)運行策略

表3 中按照春夏秋冬四個季節(jié)來規(guī)劃獨立微網(wǎng)電源容量最優(yōu)投運結(jié)果，春夏秋冬四個季節(jié)獨立微網(wǎng)的運行費用如表6 所示。

表6 春夏秋冬四個季節(jié)孤島微網(wǎng)的運行費用

由表6 獨立微網(wǎng)運行時產(chǎn)生的運行維護(hù)費用、缺電罰金、環(huán)境治理費用、燃料費用、網(wǎng)損費和附加費相加可以得到獨立微網(wǎng)的運行費用，則按季度運行策略總運行費用為379.9 萬元。

3.3 按光照變化特性分區(qū)的微網(wǎng)運行策略

按光照特性分區(qū)的運行策略是指，微網(wǎng)按照光照強度變化特性的時間分區(qū)，在每個時間區(qū)中采取不同的源儲運行方式。對本例圖3 所示的光照條件，按照前文1.1 中的劃分的方法，經(jīng)過計算可以得到，按照光照強度390W.h/m2劃分，交光照變化曲線于（t1，390）、（t2，390）、（t3，390）三點，將一個周期（特指一年）的光照強度變化曲線劃分為A1和A2兩個區(qū)間如圖8 所示。

圖8 光照強度相似特性分區(qū)時間

在約束條件（8）～（14）下，以（7）為獨立微網(wǎng)的為目標(biāo)函數(shù)，獨立微網(wǎng)電源運行的類型、數(shù)量等策略如表7 所示。

表7 按光照強度分段運行電源運行策略

表8 按照光照強度分段運行的年費用

由表8 獨立微網(wǎng)運行時產(chǎn)生的運行維護(hù)費用、缺電罰金、環(huán)境治理費用、燃料費用、網(wǎng)損費和附加費相加可以得到獨立微網(wǎng)的運行費用，則按光照強度運行策略總運行費用為367.8 萬元。

3.4 按溫度變化特性分區(qū)的微網(wǎng)運行策略

按溫度變化特性分區(qū)的運行策略是指，微網(wǎng)按照當(dāng)?shù)販囟茸兓M(jìn)行時間分區(qū)，在每個時間區(qū)中采取不同的源儲運行方式。對本例圖2 所示的溫度變化數(shù)據(jù)，按照前文1.1 中劃分區(qū)間的方法，經(jīng)過計算可以得到按照溫度為17℃劃分，交溫度變化曲線于（T1，17）、（T2，17）、（T3，17）三點，將一個周期（特指一年）的溫度曲線劃分為B1和B2兩個區(qū)間，其時間分段如下圖9 所示。

圖9 溫度相似特性分區(qū)

獨立微網(wǎng)將按溫度的變化特征調(diào)整運行策略，可分為B1和B2兩個運行方案，在約束條件（8）～（14）下，以（7）獨立微網(wǎng)的為目標(biāo)函數(shù)，獨立微網(wǎng)電源運行的類型、數(shù)量如表9 所示。

表9 按溫度分段運行電源的策略

表9 為各方案在各時間段內(nèi)獨立微網(wǎng)在實際投入運行的電源數(shù)量。按照溫度的相似性分段運行方案下的獨立微網(wǎng)的運行費用如下表10 所示。

表10 按照溫度和光照強度分段運行的年費用

由表10 獨立微網(wǎng)運行時產(chǎn)生的運行維護(hù)費用、缺電罰金、環(huán)境治理費用、燃料費用、網(wǎng)損費和附加費相加可以得到獨立微網(wǎng)的運行費用，則按溫度強度運行策略總運行費用為364.8 萬元。

3.5 四種微網(wǎng)運行策略的費用比較

將按年、季節(jié)以及按光照和溫度分段運行的微網(wǎng)年度運行費用比較如下圖10 所示：

圖10 不同運行方式下微網(wǎng)的年運行費用比較

由圖10 可知，獨立微網(wǎng)按光照強度或溫度分段運行的策略，使得綜合運行費用比按年為周期（季節(jié)）的運行策略分別低19.9（12.1）、22.9（15.1）萬元；可見，按照溫度和光照特性運行的費用較按年運行和按季節(jié)運行方式都有明顯的降低。因此，獨立微網(wǎng)按照溫度或光照強度特性分段運行是最優(yōu)策略，此策略在充分利用可再生資源的同時，也減少了柴油消耗，降低了獨立微網(wǎng)的總運行費用，進(jìn)一步提高了獨立微網(wǎng)運行的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié) 語

本文針對光伏型獨立微網(wǎng)中的新能源資源的年度周期性變化特征，提出按照溫度或光照強度分區(qū)的“源-荷-儲”協(xié)調(diào)優(yōu)化運行策略。從算例分析結(jié)果可知，所提策略在保證系統(tǒng)安全運行的前提下，充分利用了可再生資源，并降低了微網(wǎng)的總體運行費用，提高了光伏型微網(wǎng)的運行經(jīng)濟(jì)性。需指出的是，按照地區(qū)溫度和光照強度的相似性進(jìn)行分區(qū)間運行的年度總費用相差不多，所以對于具體的微網(wǎng)還需采用實際運行數(shù)據(jù)分析兩種運行策略，以選取費用較少的策略運行。