贠韞韻， 張珍珍， 陳 釗， 黃 蓉， 丁 坤， 董海鷹

（1.蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070； 2.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司 電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電（Wind Power，WP）與太陽(yáng)能發(fā)電已在我國(guó)西部與北部發(fā)揮著重要的作用[1]。 然而，受到負(fù)荷功率需求低、外送能力弱、電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力有限等因素影響，可再生能源發(fā)電的棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象嚴(yán) 重[2]～[4]。 熱 電 聯(lián) 供（Combined Heat and Power，CHP） 型微網(wǎng)既可以有效整合多種可再生能源發(fā)電形式，又能在微網(wǎng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)多種能量形式轉(zhuǎn)換，可以有效提升新能源發(fā)電利用率， 實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化 分配[5]，[6]。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)CHP 型微網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行進(jìn)行了大量的研究。 文獻(xiàn)[7]～[11]均以CHP 機(jī)組作為核心， 配以常規(guī)機(jī)組作為主要的熱電負(fù)荷供能源，且電-熱能量網(wǎng)絡(luò)模型均為單向流動(dòng)，未考慮電-熱能量的雙向流動(dòng)。 光熱發(fā)電是一種新型太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)[12]，無(wú)光照的條件下，配有儲(chǔ)熱系統(tǒng)（Thermal Energy System，TES）的光熱（Concentrating Solar Power，CSP）電站可維持電站約15 h 的滿負(fù)荷發(fā)電[13]，具有良好的調(diào)度特性；且光熱機(jī)組內(nèi)擁有可控性良好的熱交換系統(tǒng)， 使汽輪機(jī)組具備媲美燃?xì)鈾C(jī)組的快速爬坡能力[14]。 CSP 內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)“光-熱-電”多種能量形式的轉(zhuǎn)換，不僅有利于微網(wǎng)內(nèi)各種能量的有效利用， 而且還可以實(shí)現(xiàn)電-熱能量的雙向閉環(huán)流動(dòng)[15]。由于CSP 電站具有良好的可控性與可調(diào)度性， 現(xiàn)有研究集中于CSP 電站與其他可再生能源間的聯(lián)合發(fā)電方面。文獻(xiàn)[16]～[19]只考慮了CSP 電站的出力可控性，很少對(duì)CSP 電站參與CHP 的潛力進(jìn)行研究，且以上文獻(xiàn)并未對(duì)CSP 電站、WP 及PP 的聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行進(jìn)行研究。

本文在已知風(fēng)光相關(guān)預(yù)測(cè)曲線的前提下，對(duì)考慮CSP 電站參與的新能源CHP 型微網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化方法進(jìn)行研究。 首先，構(gòu)建了含WP，PP，CSP 電站、 蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng) （Battery Energy Storage System，BS）、EH 及熱電負(fù)荷的新能源CHP 型微網(wǎng)，并建立了各部分出力模型。其中，EH 協(xié)同CSP電站實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)內(nèi)部熱-電能量的雙向流動(dòng)。 在此基礎(chǔ)上，以微網(wǎng)內(nèi)運(yùn)行成本最小為目標(biāo)，兼顧與外部電網(wǎng)交互成本、 各設(shè)備維護(hù)成本、BS 老化成本及各類(lèi)約束條件，建立了CHP 型微網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化模型，并采用Matlab 軟件的YALMIP 工具箱進(jìn)行求解。最后，算例分析說(shuō)明了所提模型的正確性與有效性。 同時(shí)， 通過(guò)靈敏度分析進(jìn)一步說(shuō)明了CSP電站發(fā)電規(guī)模對(duì)微網(wǎng)運(yùn)行成本的影響。

1 CHP 型微網(wǎng)

CHP 型微網(wǎng)主要包含熱、 電兩種能源形式，其結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。 其中，CSP 電站、PP 及WP作為主要的內(nèi)部供能源。

圖1 CHP 型微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure of CHP microgrid

微網(wǎng)內(nèi)部既可以向用戶提供電能， 也可以提供熱能。微網(wǎng)有兩種能源形式，圖中實(shí)線表示電能流動(dòng)方向，虛線表示熱能流動(dòng)方向，而電能的傳遞依靠微網(wǎng)的電能網(wǎng)絡(luò)，熱能的傳遞依靠熱能網(wǎng)絡(luò)。電能可由CSP 電站、PP、WP 及BS 提供， 也可通過(guò)電力市場(chǎng)進(jìn)行購(gòu)電； 熱能的供應(yīng)主要依賴EH與TES；用戶負(fù)荷類(lèi)型主要包括電負(fù)荷與熱負(fù)荷。

2 CHP 型微網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化模型

3 算例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

算例以包含一個(gè)光熱電站、 光伏電站、 風(fēng)電場(chǎng)、蓄電池儲(chǔ)能裝置及電加熱器裝置的CHP 型微網(wǎng)為例， 對(duì)本文所提方法進(jìn)行驗(yàn)證說(shuō)明。 表1 為BS 參數(shù)[20]。

表1 BS 參數(shù)Table 1 Parameters of BS

圖2～4 分別為WP，PP 預(yù)測(cè)功率、 熱電負(fù)荷預(yù)測(cè)功率[10]及光照輻射強(qiáng)度。 購(gòu)電電價(jià)與售電電價(jià)采用分時(shí)電價(jià)[6]，其預(yù)測(cè)值如圖5 所示。

EH 的能量轉(zhuǎn)換效率取99%， 其輸出熱功率上限為600 kW，維護(hù)成本取0.02 元/kW，其他參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[19]；微網(wǎng)與外部電網(wǎng)的交互功率上限為900 kW；CSP 電站耗散系數(shù)取0.03， 發(fā)電機(jī)最大出力為250 kW，TES 的充放熱效率均取98%，其最大充、放熱功率均為400 kW，可滿足電站10小時(shí)的滿負(fù)荷運(yùn)行，CSP 電站供電及儲(chǔ)、供熱成本系數(shù)分別取0.2 元/kW，0.05 元/kW[19]；WP，PP 的運(yùn)維成本均取0.03 元/kW。

3.2 算例結(jié)果分析

3.2.1 模型結(jié)果分析

圖2 WP 與PP 預(yù)測(cè)功率Fig.2 Forecasting power of WP，PP

圖3 熱電負(fù)荷預(yù)測(cè)功率Fig.3 Forecasting power of electrical loads and thermal loads

圖4 光照輻射強(qiáng)度預(yù)測(cè)值Fig.4 Forecasting value of light radiation intensity

圖5 分時(shí)電價(jià)Fig.5 Time-of-use price

圖6 為微網(wǎng)各時(shí)段供熱情況，微網(wǎng)24 個(gè)時(shí)段的熱負(fù)荷由EH 與CSP 電站提供；0：00-8：00 及22：00-23：00 時(shí)， 由于WP 的預(yù)測(cè)功率大于熱負(fù)荷所需功率， 將一部分WP 輸出功率經(jīng)EH 直接供給熱負(fù)荷；9：00-21：00 時(shí)， 熱負(fù)荷由CSP 電站的TES 直接供給。

圖7 為微網(wǎng)各時(shí)段供電情況。

圖6 微網(wǎng)各時(shí)段供熱情況Fig.6 Heat supply of microgrid in different periods

圖7 微網(wǎng)各時(shí)段供電情況Fig.7 Power supply of microgrid in different periods

由圖7 可知：0：00-5：00 時(shí)，微網(wǎng)供電電源只有WP，而WP 出力無(wú)法滿足電負(fù)荷及熱負(fù)荷需求，此時(shí)處于購(gòu)電價(jià)格最低時(shí)段，外購(gòu)電量達(dá)到最大， 電負(fù)荷功率由WP 與外購(gòu)電功率承擔(dān)；6：00-15：00 時(shí)， 隨著光照輻射強(qiáng)度的增加，PP 與CSP電站開(kāi)始向電負(fù)荷供電，這一時(shí)段供電量充足，在8：00 之后微網(wǎng)內(nèi)各電源出力可以滿足電負(fù)荷需求，未發(fā)生購(gòu)電交易；16：00-18：00 時(shí)，隨著光照強(qiáng)度的下降，CSP 電站與PP 的供電功率逐漸下降， 導(dǎo)致微網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)供電缺額， 外購(gòu)電量逐漸上升；19：00-23：00 時(shí)，供電電源只有BS 與WP，微網(wǎng)電負(fù)荷供電缺額繼續(xù)增大， 為滿足微網(wǎng)供需平衡，外購(gòu)電量進(jìn)一步增加。

圖8 為各時(shí)段TES 儲(chǔ)放熱情況。

圖8 各時(shí)段TES 儲(chǔ)放熱情況Fig.8 Charging and discharging heat of TES in different periods

由圖8 可知：0：00-8：00 及22：00-23：00 時(shí)，從外部電網(wǎng)購(gòu)電價(jià)格較低， 為了保證白天熱負(fù)荷功率的供應(yīng)， 通過(guò)EH 將外購(gòu)電轉(zhuǎn)化為熱能儲(chǔ)存于CSP 電站的TES 中，在3：00-6：00 時(shí)儲(chǔ)熱速率達(dá)到最大值；9：00-21：00 時(shí)， 熱負(fù)荷完全由CSP電站的TES 供給， 而CSP 電站不再進(jìn)行儲(chǔ)熱，直接將光場(chǎng)接收到的熱能轉(zhuǎn)化為電能供給電負(fù)荷。全天CSP 電站的TES 向熱負(fù)荷放熱總功率為3 207 kW·h。

圖9 為各時(shí)段EH 的熱功率。

圖9 各時(shí)段EH 的熱功率Fig.9 Thermal power of EH in different periods

由圖9 可知：0：00-8：00 及22：00-23：00 時(shí)，外購(gòu)電價(jià)格較低，微網(wǎng)內(nèi)主要供能源為WP。 為了向TES 充熱以滿足白天的熱負(fù)荷供應(yīng)，此時(shí)購(gòu)電價(jià)格較低， 可從外部電網(wǎng)購(gòu)電，EH 將WP 的部分電能轉(zhuǎn)化為熱能供給熱負(fù)荷，EH 將WP 外購(gòu)電的部分電能轉(zhuǎn)化為熱能供給TES， 保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。 全天EH 向微網(wǎng)提供熱功率5 260 kW·h。

各時(shí)段購(gòu)電及售電量如圖10 所示。

圖10 各時(shí)段購(gòu)電及售電量Fig.10 Amount of electricity purchasing and selling in different periods

由 圖10 可 知：0：00-2：00 及22：00-23：00時(shí)， 外購(gòu)電全部供給EH 與電負(fù)荷，EH 將電能轉(zhuǎn)化為熱能全部供給TES 充熱；3：00-8：00 時(shí)，EH向TES 供熱達(dá)到最大值后逐漸減小，BS 進(jìn)行充電，由于6：00 以后，CSP 電站與PP 開(kāi)始發(fā)電，微網(wǎng)的供電壓力逐漸減小， 外購(gòu)電量也隨之下降；9：00-15：00 時(shí)，微網(wǎng)內(nèi)的供電量十分充足，PP 與CSP 電站出力達(dá)到較大值， 微網(wǎng)內(nèi)部熱電負(fù)荷無(wú)法消納， 將部分多余電能售出獲取一定的經(jīng)濟(jì)效益；15：00-21：00 時(shí)， 隨著光照強(qiáng)度的下降，CSP電站與PP 的輸出功率不斷減小，需通過(guò)外購(gòu)電保證微網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。 全天微網(wǎng)的購(gòu)電總量為6 191.4 kW·h，售電總量為1 055.9 kW·h。

圖11 為微網(wǎng)的運(yùn)行成本。

圖11 微網(wǎng)的運(yùn)行成本Fig.11 Operation costs of microgrid

由圖11 可知：微網(wǎng)與外部電網(wǎng)交互成本為3 273.2 元，約占運(yùn)行總成本的74.6%；各設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本為1 056.2 元， 而B(niǎo)S 老化成本為60元。 由以上數(shù)據(jù)可知，CHP 型微網(wǎng)的運(yùn)行成本為4 389.4 元。

表2 微網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行數(shù)據(jù)Table 2 Optimization operation data of microgrid

由表2 可知： 微網(wǎng)的購(gòu)電量及售電量分別為6 191.4 kW·h 與1 055.9 kW·h， 其中購(gòu)電量約占熱電總負(fù)荷需求的40.5%， 使購(gòu)電總成本達(dá)到4 389.4 元。

3.2.2 模型有效性分析

為了驗(yàn)證本文模型的有效性， 構(gòu)建兩種不同的模型進(jìn)行對(duì)比說(shuō)明。 模型1：微網(wǎng)中僅考慮CSP電站參與運(yùn)行；模型2：微網(wǎng)中考慮EH 與CSP 電站參與運(yùn)行。

為了防止發(fā)生供熱不足的現(xiàn)象， 模型1 假設(shè)購(gòu)熱成本為0.9 元/kW[8]，微網(wǎng)內(nèi)各設(shè)備電功率情況及微網(wǎng)內(nèi)各設(shè)備熱功率情況分別如圖12，13 所示。

圖12 微網(wǎng)內(nèi)各設(shè)備電功率情況Fig.12 Electric power of various devices in the microgrid

圖13 微網(wǎng)內(nèi)各設(shè)備熱功率情況Fig.13 Electric power of various devices in the microgrid

由圖12，13 可知： 模型1 中微網(wǎng)的購(gòu)電量明顯減小，WP 與PP 承擔(dān)了電負(fù)荷的主要供給，購(gòu)電量?jī)H為1 376.4 kW·h， 微網(wǎng)內(nèi)部電源滿足了大部分電力需求； 而熱負(fù)荷主要通過(guò)外購(gòu)熱及TES供熱兩種方式滿足，6：00-15：00，TES 儲(chǔ)熱以滿足其他時(shí)段熱負(fù)荷需求， 該時(shí)段需從外部購(gòu)熱以滿足微網(wǎng)內(nèi)熱功率供需平衡。

不同模型運(yùn)行成本對(duì)比如圖14 所示。

圖14 不同模型運(yùn)行成本對(duì)比Fig.14 Comparison of operation costs of different models

由圖14 可知：模型1 的購(gòu)電購(gòu)熱成本為3 937.6 元，比本文模型高664.4 元；而各設(shè)備運(yùn)維成本模型1 為682.2 元，低于本文模型374 元，儲(chǔ)能系統(tǒng)老化成本皆為60 元。 模型1 運(yùn)行總成本4 679.8 元，比本文模型運(yùn)行成本高290.4 元。由此可知， 本文模型運(yùn)行成本較低， 具有良好的經(jīng)濟(jì)性。 進(jìn)一步，本文將研究CSP 電站規(guī)模對(duì)運(yùn)行成本的影響。

3.2.3 不同CSP 電站規(guī)模對(duì)運(yùn)行成本的影響

本文中的CSP 電站的發(fā)電機(jī)組上限分別取100，150，200，250 及300 kW，分別對(duì)以上情況進(jìn)行求解，不同CSP 電站規(guī)模下的運(yùn)行成本及出力對(duì)比如圖15 所示。

圖15 不同光熱電站發(fā)電規(guī)模下的運(yùn)行成本及出力對(duì)比Fig.15 Comparison of operation costs and output power with different capacities CSP plant

由圖15 可知： 隨著CSP 電站出力上限的增加， 系統(tǒng)的運(yùn)行成本由4 775.4 元降為4 389.4元；而CSP 電站的出力從1 096 kW·h 增加至1 780.9 kW·h， 并且從100 kW 增至200 kW 時(shí)增長(zhǎng)較快。 這說(shuō)明在一定范圍內(nèi)增加CSP 電站發(fā)電規(guī)模，不僅可以提高CSP 電站的發(fā)電能力，而且有效降低了系統(tǒng)的運(yùn)行成本，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

4 結(jié)論

本文引入CSP 電站與EH， 構(gòu)建了一種新能源CHP 型微網(wǎng)，提出了一種計(jì)及微網(wǎng)運(yùn)行成本的新能源CHP 型微網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化模型，經(jīng)過(guò)算例分析得到以下結(jié)論。 ①該策略實(shí)現(xiàn)了微網(wǎng)內(nèi)部的100%可再生能源發(fā)電供應(yīng)，內(nèi)部電源不僅可滿足59.5%的熱電負(fù)荷需求， 而且微網(wǎng)通過(guò)外售多余電能獲取部分經(jīng)濟(jì)利益以減小運(yùn)行成本； 而購(gòu)電量約占熱電總負(fù)荷需求的40.5%，表明CHP 型微網(wǎng)對(duì)外部電網(wǎng)的依賴度較高， 需保持與外部電網(wǎng)的實(shí)時(shí)互動(dòng)才可以保證內(nèi)部的供需穩(wěn)定。 ②EH配合CSP 電站可以提高微網(wǎng)的運(yùn)行靈活性，實(shí)現(xiàn)電-熱能量的雙向流動(dòng)，且依據(jù)電價(jià)信號(hào)，將負(fù)荷低谷時(shí)段電能轉(zhuǎn)換為熱能， 在負(fù)荷高峰時(shí)段將收集的熱能轉(zhuǎn)化為電能，降低了微網(wǎng)的運(yùn)行成本。③本文所提模型的全天微網(wǎng)運(yùn)行成本僅為4 389.4元，低于對(duì)比模型約6.2%，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。④靈敏度分析表明，CSP 電站的發(fā)電規(guī)模會(huì)影響微網(wǎng)的運(yùn)行成本，當(dāng)已知光照強(qiáng)度預(yù)測(cè)曲線時(shí)，增大發(fā)電規(guī)?？梢蕴岣逤SP 電站的發(fā)電能力，降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本。