謝逸豐，資容濤，高偉鵬，鄒學(xué)翔，黃智華，張偉

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，昆明 650000）

0 前言

近年來(lái)，霧霾問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了人們的正常工作和出行，尤其是在冬天，取暖負(fù)荷的升高，使得大量的燃煤電廠滿負(fù)荷運(yùn)行，在這種條件下，電廠就會(huì)自發(fā)地排放大量的煙塵和碳氧硫氧化合物，這些排放物日積月累給城市帶來(lái)了嚴(yán)重的困擾。因此，清潔能源發(fā)電給我國(guó)的電力事業(yè)注入了新鮮的血液，微電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)而生，微電網(wǎng)裝置一般包含風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能光伏電池、柴油發(fā)電機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)、蓄電池等。這些裝置會(huì)消耗自然資源，產(chǎn)生排放物，如何實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性，是當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了廣泛的研究。

文獻(xiàn)[1-2]以獨(dú)立風(fēng)光儲(chǔ)為研究對(duì)象，考慮了優(yōu)化模型的初始投資，運(yùn)行管理費(fèi)用，以及污染物治理費(fèi)用和收益，以微電網(wǎng)總投資最低來(lái)研究微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)[3]提出包含海水淡化負(fù)荷的風(fēng)光柴儲(chǔ)獨(dú)立微電網(wǎng)進(jìn)行仿真和優(yōu)化，提出了包含微電網(wǎng)全壽命周期成本，可再生能源利用率以及污染物排放水平的多目標(biāo)優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[4]針對(duì)包含風(fēng)光燃?xì)廨啓C(jī)，電池，柴油發(fā)電機(jī)組成的微網(wǎng)，建立基于經(jīng)濟(jì)調(diào)度的的熱電聯(lián)供型微網(wǎng)儲(chǔ)能優(yōu)化模型，利用最小儲(chǔ)能容量方法分析微電網(wǎng)在孤網(wǎng)和并網(wǎng)狀態(tài)下的經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[5-6]考慮了微電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行和蓄電池自身累計(jì)損傷和充放電深度的影響，建立了總成本最小的模型，來(lái)進(jìn)行容量配置，研究經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[7]針對(duì)風(fēng)光柴儲(chǔ)獨(dú)立微電網(wǎng)的系統(tǒng)成本，污染物排放以及未利用能源等多個(gè)目標(biāo)，使用仿真電磁學(xué)（ELM）來(lái)進(jìn)行最佳容量的配置研究。文獻(xiàn)[8]以包含可再生能源的微電網(wǎng)為研究對(duì)象，考慮可再生能源的出力要求，利用加權(quán)移動(dòng)平均控制法來(lái)平滑發(fā)電的輸出功率，同時(shí)提出上下限約束控制法來(lái)進(jìn)行削峰填谷。文獻(xiàn)[9-12]針對(duì)微電網(wǎng)，在最大限度利用風(fēng)光資源的前提下，通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)和光伏電池的出力，配電網(wǎng)傳輸功率進(jìn)行優(yōu)化，使微電網(wǎng)最經(jīng)濟(jì)最環(huán)保。

上述文章在研究微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性時(shí)，均只考慮單一的目標(biāo)函數(shù)來(lái)對(duì)微電網(wǎng)的容量進(jìn)行優(yōu)化配置。本文對(duì)上述文章的研究思路進(jìn)行改進(jìn)。利用一個(gè)并含風(fēng)光柴儲(chǔ)以及微型燃?xì)廨啓C(jī)的微電網(wǎng)同時(shí)考慮成本指標(biāo)，污染物排放懲罰費(fèi)用，年失負(fù)荷容量，年容量缺電量這四個(gè)目標(biāo)函數(shù)來(lái)進(jìn)行多目標(biāo)微電網(wǎng)進(jìn)行研究。首先得出成本最小的優(yōu)化結(jié)果，在改變各子目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重，優(yōu)化得到在不同權(quán)重組合下的微源出力，為微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度提供重要參考。

1 微電網(wǎng)模型介紹

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要有風(fēng)機(jī)，齒輪箱，發(fā)電機(jī)，電力電子器件，變壓器組成。

圖1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型

在當(dāng)前的可再生能源形式中，風(fēng)能是一種清潔，高效的新能源，風(fēng)能取之不盡，用之不竭。19世紀(jì)丹麥?zhǔn)紫壤蔑L(fēng)力發(fā)電。當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)較為成熟，在十三五規(guī)劃相關(guān)政策的推動(dòng)下，風(fēng)力發(fā)電占據(jù)了新能源發(fā)電的半壁江山。它主要通過(guò)旋轉(zhuǎn)的葉輪將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能來(lái)發(fā)電，在風(fēng)機(jī)的工作系統(tǒng)中，當(dāng)風(fēng)速小于風(fēng)機(jī)的切入風(fēng)速時(shí)，不發(fā)電，當(dāng)風(fēng)速大于風(fēng)機(jī)的切出風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)抱閘停機(jī)，防止被損壞，只有當(dāng)風(fēng)速在切入風(fēng)和切出風(fēng)速之間時(shí)，風(fēng)機(jī)才能正常發(fā)電。

圖2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)示意圖

1.2 光伏發(fā)電模型

主要原理是利用了太陽(yáng)能光伏電池板的光生伏打效應(yīng)，當(dāng)有太陽(yáng)光照射到電池板上時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電能。太陽(yáng)光伏電池板的運(yùn)行特性與運(yùn)行的環(huán)境溫度，光照強(qiáng)度等有直接的關(guān)系。由于太陽(yáng)光，溫度等環(huán)境因素極不穩(wěn)定，隨機(jī)性較大，因此，太陽(yáng)能光伏發(fā)電的輸出功率不穩(wěn)定會(huì)隨著環(huán)境因素的改變而改變。

圖3 光伏發(fā)電原理圖

1.3 柴油發(fā)電機(jī)與微型燃汽輪機(jī)模型

由于風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電存在隨機(jī)性的特點(diǎn)，為了保證供電的可靠性，滿足微電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)用電負(fù)荷的需求。還需對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)的供電裝置加設(shè)柴油發(fā)電機(jī)和微型燃?xì)廨啓C(jī)。本文的柴油發(fā)電機(jī)與微型燃?xì)廨啓C(jī)主要考慮它們的功率特性曲線，化石燃料的消耗特性以及污染物廢棄物等對(duì)環(huán)境造成的傷害程度。

2 多目標(biāo)微網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化模型

2.1 分布式發(fā)電系統(tǒng)評(píng)估指標(biāo)

本文的發(fā)電單元包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能光伏電池板、微型燃?xì)廨啓C(jī)、柴油發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能電池等。由于微電網(wǎng)綠色環(huán)保的要求，使得其必須具有一定的環(huán)境效益。節(jié)能減排效益是衡量它的一個(gè)重要參考指標(biāo)。運(yùn)用可再生能源或者污染較小的分布式電源技術(shù)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石能源發(fā)電可以減少污染物氣體的排放量。其中微型燃?xì)廨啓C(jī)以天然氣為消耗能源，燃燒會(huì)產(chǎn)生CO2，柴油發(fā)電機(jī)在發(fā)電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生SO2和氮氧化物（NOχ）。這些都是對(duì)環(huán)境有害的氣體[13]。在利用分布式發(fā)電技術(shù)后，這些氣體的排放量均會(huì)得到有效的控制。

此外，為了保證供電的可靠性與經(jīng)濟(jì)性還需要考慮：

1）成本指標(biāo)：總投資費(fèi)用C；

2）環(huán)境兼容性指標(biāo)：可再生能源年發(fā)電量Eren；

3）負(fù)荷可靠性指標(biāo)：年失負(fù)荷容量PL；

4）系統(tǒng)可靠性指標(biāo)：年容量缺電量Ps。這四個(gè)指標(biāo)之間存在著一些關(guān)系。比如可再生能源年發(fā)電量Eren越大，則風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能發(fā)電的總裝機(jī)容量越大，會(huì)造成系統(tǒng)總投資費(fèi)用C增大。風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電的大力投入會(huì)帶來(lái)輸出功率不穩(wěn)定，導(dǎo)致PL，Ps的變化。

2.2 目標(biāo)函數(shù)

1）成本指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)

式中m表示分布式電源類型數(shù)，N表示每種發(fā)電類型數(shù)所含微源數(shù)量，αij,βij,γij,aij,bij分別表示單位容量的分布式單元投資成本，運(yùn)行維護(hù)成本，置換成本，消耗的燃料費(fèi)用和設(shè)備殘值。為微源的容量，dt為電網(wǎng)電價(jià)，微源單元在電量充足時(shí)向電網(wǎng)售電，在微網(wǎng)區(qū)域內(nèi)負(fù)荷較大時(shí)，可以向電網(wǎng)購(gòu)電，表示微電網(wǎng)向大電網(wǎng)售電，表示微電網(wǎng)向大電網(wǎng)購(gòu)電。其中售電時(shí)取負(fù)號(hào)，購(gòu)電時(shí)取正號(hào)。其中，置換成本指發(fā)電裝置在完成壽命周期的任務(wù)后，不能再使用，需要對(duì)其更換所花成本，殘值指的是壽命周期結(jié)束后，該分布式微電源所剩余的資金價(jià)值。

2）其它目標(biāo)函數(shù)

F2中，為了滿足環(huán)保效益，須最大限度的利用風(fēng)能，太陽(yáng)能等零排放資源發(fā)電。目標(biāo)函數(shù)F3和F4中為了滿足負(fù)荷和系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，必須讓負(fù)荷失電量PL與年容量缺電量PS最小。其中，PL和PS的計(jì)算依據(jù)下式。

和分別表示某時(shí)刻的失負(fù)荷容量和容量缺電量，它們的計(jì)算由下式得到。

和分別表示某時(shí)刻總的需要的容量和某時(shí)刻需要的實(shí)際容量。

Lt表示負(fù)荷容量，Rt表示備用容量；表示第i種類型的微電源的第j個(gè)發(fā)電裝置在t時(shí)刻輸出的最大功率，PGrid,max表示輸電線路輸送的最大功率。

為了使電網(wǎng)能夠保證負(fù)荷的的正常供電，在緊急情況下應(yīng)對(duì)負(fù)荷的突然增加，需對(duì)電網(wǎng)配置一定的備用容量。備用容量不但要滿足符合一定小時(shí)的平均裕度。還要滿足風(fēng)力發(fā)電，光伏發(fā)電的隨機(jī)性導(dǎo)致的出力突然減小等問(wèn)題。

α1,α2,α3分別表示負(fù)荷，風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏電池的出力備用因子。

3 目標(biāo)函數(shù)的處理

3.1 統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)

本文中一共包括四個(gè)目標(biāo)函數(shù)，F(xiàn)1表示成本函數(shù)，單位是元，F(xiàn)2表示最大限度的利用可再生能源發(fā)電，是無(wú)量綱的。這給多目標(biāo)函數(shù)的處理帶來(lái)了困難。但是最大限度的利用可再生能源發(fā)電意味著將會(huì)最小化化石能源在發(fā)電中的利用。而化石能源的燃燒將會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染物氣體?？梢砸胍粋€(gè)環(huán)境污染物懲罰費(fèi)用使其最小就可以代替目標(biāo)函數(shù)F2。這樣兩個(gè)函數(shù)就有了統(tǒng)一的量綱。

式中，K表示污染物排放種類，M表示分布式電源數(shù)量，δik表示第i種分布式電源的第k類污染物排放出發(fā)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，Yik表示第i中分布式電源的第k類污染物排放量。

函數(shù)F3與F4的處理可借助F2的處理方式，分別引入一個(gè)處罰收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)θ1，θ2。對(duì)失負(fù)荷容量和年容量缺電量進(jìn)行處理，使其懲罰費(fèi)用最低。

3.2 轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù)

通過(guò)3.1節(jié)對(duì)四個(gè)目標(biāo)函數(shù)的統(tǒng)一，將各個(gè)函數(shù)的量綱轉(zhuǎn)化為相同的單位?？蓪⒏髯幽繕?biāo)函數(shù)值統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為對(duì)優(yōu)化結(jié)果的滿意度，從而可將多目標(biāo)優(yōu)化轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。本文采用線性加權(quán)求和法將多目標(biāo)優(yōu)化轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解。再利用二元對(duì)比定權(quán)法確定權(quán)系數(shù)[14]。按照上述線性加權(quán)平均求和法構(gòu)造單目標(biāo)函數(shù)為：

式中：λi≥ 0，且λi表示權(quán)系數(shù)，它能夠反映每個(gè)目標(biāo)函數(shù)在總體單目標(biāo)函數(shù)下的重要程度。其中通過(guò)λi的設(shè)置可反映四個(gè)不同指標(biāo)的重要程度。所以，重要的目標(biāo)函數(shù)應(yīng)設(shè)置權(quán)系數(shù)λi的值較大（通常不超過(guò)1），不重要的目標(biāo)函數(shù)應(yīng)設(shè)置權(quán)系數(shù)λi的值較?。ㄍǔ２恍∮?）。

4 算例分析

不同季節(jié)的負(fù)荷有著一定的波動(dòng)，本文采用冬季、夏季、春季工作日和周末的負(fù)荷來(lái)模擬微電網(wǎng)內(nèi)一定的負(fù)荷變化。根據(jù)不同的負(fù)荷情況，可統(tǒng)計(jì)出該地的峰荷為47 kW，平均負(fù)荷為30 kW，平均風(fēng)速為8.6 m/s。微型燃?xì)廨啓C(jī)最大出力為80kw，平均光照強(qiáng)度3.7（kw.h）/m2，備用因子α1，α2，α3分別為 3%，10%，10%。其它參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[15]。

圖4 不同季節(jié)全天負(fù)荷曲線

根據(jù)以上的負(fù)荷數(shù)據(jù)，利用HOMER軟件進(jìn)行優(yōu)化，將一年內(nèi)的時(shí)間段進(jìn)行分解，計(jì)算和模擬分析每個(gè)時(shí)間段的發(fā)電單元出力情況，可以得到如下的優(yōu)化結(jié)果，見(jiàn)表1。同時(shí)根據(jù)計(jì)算得到的優(yōu)化結(jié)果，可以確定四個(gè)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的結(jié)果。表2為子目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化結(jié)果。

表1 優(yōu)化結(jié)果表

表2 子目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化結(jié)果

上述表格為實(shí)現(xiàn)總成本最小的優(yōu)化結(jié)果，在得到該最優(yōu)結(jié)果的同時(shí)可以確定出λ1=0.4，λ2=0.3，λ3=0.15，λ4=0.15。

在上述最優(yōu)結(jié)果已知的情況下，還可以繼續(xù)研究在不同權(quán)重因子下各微源的出力情況。不同的λi取值會(huì)影響微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)取發(fā)電成本與排放成本同等重要時(shí)，即λ1=λ2，具體取值為λ1=λ2=0.45，λ3=λ4=0.05。在HOMER軟件中對(duì)冬季工作日優(yōu)化并得到優(yōu)化結(jié)果如下圖所示。

圖5 冬季總成本最小各種成本

根據(jù)該地區(qū)的一天的負(fù)荷曲線可以看出，在冬季一天的1、2、3時(shí)，周末的負(fù)荷大于工作日的負(fù)荷，而它們相應(yīng)的發(fā)電成本與排放成本是一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，所以周末的總成本應(yīng)該大于工作日的總成本。優(yōu)化的結(jié)果與理論分析是一致的，驗(yàn)證了結(jié)果的正確性。

只考慮總投資費(fèi)用最小忽略其它三個(gè)目標(biāo)函數(shù)，即將λ1=1，λ2=0，λ3=0，λ4=0，或者將λ1=0，λ2=1，λ3=0，λ4=0，研究各種微電源一天的出力情況。優(yōu)化結(jié)果如下圖所示。

圖6 冬季工作日總投資或排放成本最小時(shí)微源出力

根據(jù)上圖由于新能源發(fā)電的排放成本和發(fā)電成本比較低，所以優(yōu)先安排新能源發(fā)電這與圖中優(yōu)化的曲線相符合。驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果的正確性。

再來(lái)選取夏季工作日進(jìn)行研究，將發(fā)電成本與排放成本權(quán)重設(shè)為10：1時(shí)，即將λi設(shè)置為λ1=0.9，λ2=0.09，λ3=0.005，λ4=0.005， 或者將排放成本與發(fā)電成本設(shè)為10：1時(shí)，即將λ1=0.09，λ2=0.9，λ3=0.005，λ4=0.005 時(shí)，進(jìn)行優(yōu)化可以得到各微源的出力進(jìn)行優(yōu)化可以得到如下曲線。根據(jù)曲線，在偏重發(fā)電成本和排放成本時(shí)，都優(yōu)先考慮新能源發(fā)電，符合實(shí)際。

圖7 夏季工作日偏重發(fā)電成本或排放成本時(shí)微源的出力

5 結(jié)束語(yǔ)

本文將四個(gè)目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一量綱進(jìn)行研究，根據(jù)子目標(biāo)函數(shù)影響力的不同，設(shè)置不同的權(quán)重，然后將四個(gè)子目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到成本最小的結(jié)果。同時(shí)根據(jù)某地的負(fù)荷數(shù)據(jù)，改變各子目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重，研究最優(yōu)條件下各分布式電源（DG）的出力，這對(duì)電力的經(jīng)濟(jì)調(diào)度是很有意義的。由于微電網(wǎng)內(nèi)部面臨著負(fù)荷水平、燃料供給、自然資源等多方面的不確定因素，考慮隨機(jī)性和模糊性的多目標(biāo)經(jīng)濟(jì)性研究是下一步研究的主要工作。