牛耕，季宇，陳培坤，寇凌峰，孫樹(shù)敏，滕瑋，張利偉，陳繼開(kāi)

(1．國(guó)網(wǎng)上海能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司，上海市 201203；2．東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林省吉林市 132012；3．國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南市 250002)

0 引 言

作為一個(gè)瀕海大國(guó)，我國(guó)島嶼數(shù)量占世界島嶼總數(shù)的十分之一，豐富的島嶼資源是我國(guó)海洋開(kāi)發(fā)的重要依托[1-2]。然而，由于遠(yuǎn)離陸地，無(wú)法直接從大陸電網(wǎng)獲得電力供應(yīng)，所以海島供電多采用微網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行方式，如何根據(jù)可再生能源發(fā)電規(guī)律并結(jié)合島上負(fù)荷特點(diǎn)，構(gòu)建微網(wǎng)能量?jī)?yōu)化調(diào)度方法，提高島上及周邊海洋可再生能源利用率，降低碳排放和微網(wǎng)運(yùn)行成本，將是未來(lái)我國(guó)海島微電網(wǎng)建設(shè)管控面臨的重要問(wèn)題[3-5]。

與陸上微電網(wǎng)不同，除了風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電，海島微網(wǎng)內(nèi)還包含波浪能、潮汐能發(fā)電等獨(dú)有的發(fā)電形式。考慮到這些可再生能源的出力間歇性、隨機(jī)性和波動(dòng)性，如何使島內(nèi)發(fā)電單元出力互補(bǔ)并實(shí)現(xiàn)源-網(wǎng)-荷能量協(xié)調(diào)調(diào)度就成為目前海島微電網(wǎng)研究的熱點(diǎn)[6-7]。文獻(xiàn)[8]針對(duì)獨(dú)立海島微網(wǎng)中分布式電源容量配置問(wèn)題，分析了風(fēng)-光-儲(chǔ)、風(fēng)-光-柴、光-儲(chǔ)-柴等5種配置方案，通過(guò)靈敏度分析定量考察了系統(tǒng)參數(shù)對(duì)優(yōu)化結(jié)果的影響。文獻(xiàn)[9]針對(duì)微電網(wǎng)組成和控制復(fù)雜的問(wèn)題，提出一種模塊化分布式光伏發(fā)電獨(dú)立微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并在海島進(jìn)行了光、柴、蓄獨(dú)立光伏微電網(wǎng)的實(shí)地研究，在保證海島負(fù)荷不間斷供電的前提下，完成了海島光伏微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)測(cè)試分析。文獻(xiàn)[10]綜合考慮海島發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制策略和容量配置等因素，采用多目標(biāo)優(yōu)化遺傳算法對(duì)發(fā)電系統(tǒng)容量進(jìn)行優(yōu)化配置，并將其應(yīng)用到實(shí)際工程中，提高了島上電力資源的利用率。為解決海島直流微網(wǎng)內(nèi)微源出力變化導(dǎo)致的電壓波動(dòng)問(wèn)題，文獻(xiàn)[11]根據(jù)海洋能集成供電系統(tǒng)功率輸出特點(diǎn)，采用蓄電池與超級(jí)電容混聯(lián)儲(chǔ)能技術(shù)，構(gòu)建了一種新型復(fù)合儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制策略，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制策略的有效性。為了解決海島淡水供應(yīng)問(wèn)題，一些學(xué)者提出利用海島分布式發(fā)電、柴發(fā)和儲(chǔ)能結(jié)合的供電方式，采用新能源發(fā)電預(yù)測(cè)算法，根據(jù)島上海水淡化設(shè)備運(yùn)行特點(diǎn)，制定微網(wǎng)實(shí)時(shí)能量管理調(diào)度策略[12]。文獻(xiàn)[13]根據(jù)海島用水需求及海水淡化系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了含風(fēng)-光-柴-蓄及海水淡化負(fù)荷的微電網(wǎng)多目標(biāo)容量?jī)?yōu)化配置方法，并以某海島微電網(wǎng)為例，驗(yàn)證了所提優(yōu)化配置方法的有效性，為海島微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

上述文獻(xiàn)雖然圍繞海島風(fēng)-光-柴-儲(chǔ)的容量配置及協(xié)調(diào)控制開(kāi)展了相關(guān)研究，但均未涉及海洋能發(fā)電這一海島獨(dú)有的新能源發(fā)電形式，沒(méi)有考慮島嶼海洋能資源與島上傳統(tǒng)分布式能源發(fā)電以及負(fù)荷之間的能量?jī)?yōu)化調(diào)度問(wèn)題。文獻(xiàn)[14]以含波浪、風(fēng)電和光伏等可再生能源的海島微網(wǎng)為研究背景，圍繞海島微網(wǎng)可再生能源多能互補(bǔ)優(yōu)化方法進(jìn)行了研究，利用風(fēng)、光與波浪預(yù)測(cè)模型通過(guò)調(diào)度微網(wǎng)內(nèi)各單元運(yùn)行方式和出力，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)源荷平衡。為研究潮汐發(fā)電與微網(wǎng)儲(chǔ)能單元的配合機(jī)制，文獻(xiàn)[15]分析了潮汐能發(fā)電特點(diǎn)并建立了對(duì)應(yīng)的狀態(tài)模型，指出利用儲(chǔ)能電池可以較好地解決潮汐能發(fā)電功率不足和負(fù)荷波動(dòng)問(wèn)題，并針對(duì)海島微網(wǎng)孤島模式，提出了一種含潮汐能發(fā)電的微網(wǎng)系統(tǒng)可靠性評(píng)估模型。為了更加全面地考慮海島微網(wǎng)孤網(wǎng)條件下源、荷經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題，文獻(xiàn)[16]提出了一種以微電網(wǎng)為底層，通信網(wǎng)絡(luò)為上層的孤島微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度雙層模型，并提出了一種適用于任意通信網(wǎng)絡(luò)的微網(wǎng)系統(tǒng)全分布控制方法，在保證網(wǎng)內(nèi)源荷平衡的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)調(diào)度優(yōu)化。文獻(xiàn)[17]從微網(wǎng)實(shí)時(shí)調(diào)度角度出發(fā)，建立了儲(chǔ)能單元放電機(jī)會(huì)成本和邊際充電成本2種隱性成本模型，將前瞻調(diào)度與實(shí)時(shí)調(diào)度校正相結(jié)合，使儲(chǔ)能系統(tǒng)與可控發(fā)電機(jī)之間的協(xié)調(diào)更加有效。

分析上述文獻(xiàn)可知，目前關(guān)于考慮海洋能發(fā)電的海島微電網(wǎng)能量調(diào)度的研究還處于起步階段，如何將海島獨(dú)特的負(fù)荷需求與潮汐能、波浪能等海洋發(fā)電出力特征納入到海島微電網(wǎng)能量調(diào)度框架，提出一種科學(xué)有效的海島微網(wǎng)能量?jī)?yōu)化調(diào)度方法是目前亟待解決的問(wèn)題。本文以我國(guó)東南沿海某島為例，基于海洋能、光伏、風(fēng)電等分布式電源及負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合儲(chǔ)能及可控負(fù)荷的調(diào)控潛力，以海島微網(wǎng)安全運(yùn)行為約束條件、以運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，提出一種日前與日內(nèi)調(diào)度結(jié)合的微網(wǎng)系統(tǒng)能量滾動(dòng)優(yōu)化調(diào)度方法，并利用算例驗(yàn)證該方法的正確性。

1 典型海島微網(wǎng)系統(tǒng)

與傳統(tǒng)內(nèi)陸微網(wǎng)不同，由于遠(yuǎn)離大陸輸電走廊，輸電距離過(guò)長(zhǎng)，海島微網(wǎng)大多采用獨(dú)立孤島運(yùn)行，以交流中低壓供電為主[18-19]。典型海島微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)分布式新能源主要包括風(fēng)能、太陽(yáng)能、波浪能和潮汐能等發(fā)電單元，各發(fā)電單元通過(guò)能量管理中心調(diào)度來(lái)滿足島上各類負(fù)荷的用電需求，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于分布式新能源發(fā)電功率輸出具有明顯的波動(dòng)性和間歇性，而不同島嶼負(fù)荷類型與用電特點(diǎn)又存在差異，為了科學(xué)管控海島微網(wǎng)內(nèi)的能量流動(dòng)，在保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，需要考慮新能源利用率、環(huán)保性、供電可靠性以及經(jīng)濟(jì)性等問(wèn)題，因此能量管理中心擔(dān)負(fù)著海島源荷協(xié)調(diào)的重要任務(wù)。為了滿足微網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和可靠性的要求，能量管理中心采用一種適用于各類海島微網(wǎng)的通用能量調(diào)度策略，根據(jù)不同海島的源荷特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)日運(yùn)行數(shù)據(jù)，形成有針對(duì)性的預(yù)測(cè)調(diào)度方案，最大限度地利用可再生能源的互補(bǔ)特點(diǎn)和冷庫(kù)、海水淡化等負(fù)荷的可控特性，實(shí)時(shí)完成能量調(diào)度方案修正。

圖1 海島微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of island microgrid system

2 典型海洋能發(fā)電出力特性分析與建模

2.1 波浪能發(fā)電

波浪能是指海洋表面波浪在一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)所具有的動(dòng)能和勢(shì)能的總和。波浪能蘊(yùn)藏量大且能量密度低，同時(shí)具有很強(qiáng)的季節(jié)特性，在我國(guó)海域通常秋冬兩季波浪能發(fā)電功率較大，在海島附近這一特點(diǎn)尤為明顯。波浪能發(fā)電功率密度模型為[14]：

Pb=0.5h2T

(1)

式中：Pb為單位波前寬度的功率密度；h為波浪的高度；T為波浪周期。波浪受海面風(fēng)速度影響較大。波浪能數(shù)據(jù)可以間接通過(guò)風(fēng)力測(cè)算獲得，風(fēng)速與波浪高度和波浪周期的關(guān)系為：

(2)

式中：a、b、c、d、e、f均為待定系數(shù)；V為風(fēng)速。

2.2 潮汐能發(fā)電

潮汐能發(fā)電是通過(guò)捕獲海潮漲、落產(chǎn)生的動(dòng)能發(fā)電，具有綠色環(huán)保無(wú)污染、無(wú)噪聲、功率密度大、發(fā)電規(guī)律性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)榇嬖跀_流、風(fēng)驅(qū)海流等因素的影響，所以潮汐能發(fā)電存在一定的隨機(jī)性[15]。潮汐流速概率分布服從Wakeby分布[20]，定義為：

(3)

式中：Vt(F)為潮汐流速；F=F(V)=p為Wakeby分布的累積概率密度函數(shù)；α、β、γ、σ、ξ分別為Wakeby分布的5個(gè)參數(shù)[15]。潮汐流速在某個(gè)區(qū)間段內(nèi)的概率結(jié)合機(jī)組可用率建立潮汐發(fā)電機(jī)多狀態(tài)模型，潮汐能發(fā)電機(jī)組功率輸出模型可表示為：

(4)

式中：Pout為潮汐能發(fā)電機(jī)組輸出功率；CP為潮汐流式發(fā)電機(jī)組能量捕獲因數(shù)，一般取0.4～0.5；ρ為海水密度；A為潮汐流式發(fā)電機(jī)組葉片掃過(guò)的區(qū)域面積；Vt、Vcutin、Vrated分別為潮汐流速、潮汐能發(fā)電機(jī)組切入速度和額定速度；Prated為潮汐發(fā)電機(jī)組額定輸出功率。

3 能量協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度方法

3.1 日前調(diào)度模型

3.1.1目標(biāo)函數(shù)

針對(duì)不同海島場(chǎng)景實(shí)際情況下的不同需求，選取了3個(gè)優(yōu)化子目標(biāo)函數(shù)，分別為日運(yùn)行成本g1、停電成本g2和系統(tǒng)可再生能源利用率g3。不同海島場(chǎng)景下各個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的重要程度不同，本文采用線性加權(quán)求和法將多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。m1、m2和m3分別為各個(gè)優(yōu)化子目標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，不同場(chǎng)景下可以按照實(shí)際調(diào)度需求進(jìn)行調(diào)節(jié)。目標(biāo)函數(shù)為：

minf=m1g1+m2g2-m3g3

(5)

1)日運(yùn)行成本。

g1=(CW+CPV+CWE+
CTE+CDE+CSB)/CSmax

(6)

式中：g1為微電網(wǎng)1天運(yùn)行維護(hù)成本；CW、CPV、CWE、CTE、CDE、CSB分別為微電網(wǎng)中風(fēng)機(jī)、光伏、波浪能、潮汐能、柴油機(jī)、蓄電池日運(yùn)行成本；CSmax為分布式電源日最大運(yùn)行成本。

各成本分量的表達(dá)式為：

(7)

式中：CW,DP(t)、CW,OM(t)分別為風(fēng)機(jī)投資折舊成本和運(yùn)行維護(hù)成本；t為調(diào)度時(shí)段編號(hào)；N為調(diào)度時(shí)段總數(shù)。

(8)

式中：CPV,DP(t)、CPV,OM(t)分別為光伏投資折舊成本和運(yùn)行維護(hù)成本。

(9)

式中：CWE,DP(t)、CWE,OM(t)分別為波浪能投資折舊成本和運(yùn)行維護(hù)成本。

(10)

式中：CTE,DP(t)、CTE,OM(t)分別為潮汐能投資折舊成本和運(yùn)行維護(hù)成本。

(11)

(12)

式中：CSB,DP(t)、CSB,OM(t)分別為蓄電池投資折舊成本和運(yùn)行維護(hù)成本。

2)停電成本。

g2=CIL/CILmax

(13)

(14)

式中：g2為微網(wǎng)1天內(nèi)對(duì)可中斷負(fù)荷停電的補(bǔ)償費(fèi)用；CIL為可中斷負(fù)荷補(bǔ)償費(fèi)用；M為用戶數(shù)量；CIL,price(i)為用戶i的可中斷負(fù)荷報(bào)價(jià)；CILmax為可中斷負(fù)荷最大補(bǔ)償費(fèi)用；UIL(i,t)是0-1變量，表示用戶i在t時(shí)段是否被選中的狀態(tài)，其值取1表示可中斷負(fù)荷在該時(shí)段被調(diào)用；S(i,t)為用戶i在t時(shí)段的中斷容量。

3)可再生能源利用率。

因?yàn)椴裼桶l(fā)電機(jī)發(fā)電容易產(chǎn)生污染氣體，而不同類型的海島對(duì)環(huán)保性的要求不同，為滿足對(duì)海島微電網(wǎng)系統(tǒng)環(huán)保性的評(píng)價(jià)，本文采用可再生能源利用率來(lái)表征環(huán)保性。系統(tǒng)可再生能源發(fā)電量占總負(fù)荷的比值定義為可再生能源利用率URES。

g3=URES

(15)

(16)

式中：Pload(t)為微網(wǎng)在t時(shí)段的負(fù)荷(含可中斷負(fù)荷)需求；Pwater(t)為海水淡化機(jī)組在t時(shí)段的出力；PDE(t)為柴油發(fā)電機(jī)出力；UWT(t)是0-1變量，表示海水淡化機(jī)組在t時(shí)段是否被調(diào)用，其值取1表示可中斷負(fù)荷在該時(shí)段被調(diào)用。

3.1.2約束條件

1)功率平衡約束。

在任意時(shí)刻都要保證各個(gè)發(fā)電單元和儲(chǔ)能裝置的輸出功率滿足負(fù)荷需求。

Pload(t)-PIL(t)=PW(t)+PPV(t)+
PWE(t)+PTE(t)+PDE(t)+PSB(t)

(17)

(18)

式中：PIL(t)為可中斷負(fù)荷在t時(shí)段的實(shí)際負(fù)荷需求；PW(t)、PPV(t)、PWE(t)、PTE(t)、PDE(t)和PSB(t)分別為t時(shí)段風(fēng)機(jī)、光伏、波浪能、潮汐能、柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池的出力。

2)微電網(wǎng)中各微源出力上下限約束。

Px，min≤Px≤Px,max

(19)

式中：Px分別代表各分布式電源出力；Px,max、Px,min分別代表各分布式電源出力上下限。

3)蓄電池相關(guān)約束。

(1)蓄電池的荷電狀態(tài)約束。

SOCmin≤SOC(t)≤SOCmax

(20)

式中：SOC(t)為蓄電池的荷電狀態(tài)；SOCmax、SOCmin分別為蓄電池荷電狀態(tài)的最大值和最小值。

(2)蓄電池充放電功率限制。

PSBmin≤PSB(t)≤PSBmax

(21)

式中：PSBmax、PSBmin分別為蓄電池充放電功率的最大值和最小值。

(3)蓄電池最大充電率限制。

-PSB(t)≤[SOCmax-SOC(t)]αc

(22)

式中：αc為蓄電池的最大充電率。

4)可中斷負(fù)荷相關(guān)約束。

(1)可中斷負(fù)荷容量約束。

S(i,t)≤Smax(i)

(23)

式中：Smax(i)為用戶i允許中斷容量的上限。

(2)可中斷負(fù)荷中斷持續(xù)時(shí)間約束。

Td(i)≤Tdmax(i)

(24)

式中：Td(i)為第i個(gè)用戶每次允許中斷持續(xù)時(shí)間；Tdmax(i)為第i個(gè)用戶每次允許中斷持續(xù)時(shí)間上限。

(3)可中斷負(fù)荷切斷總次數(shù)約束。

(25)

式中：ΔT為單位調(diào)度時(shí)間；yi為用戶i每天允許中斷的次數(shù)。

(4)可中斷負(fù)荷中斷時(shí)間間隔約束。

(26)

式中：n(i)為用戶i兩次中斷要求的最小時(shí)間間隔。

5)海水淡化系統(tǒng)相關(guān)約束。

(1)海水淡化機(jī)組出力上下限約束。

Pwater-min≤Pwater(t)≤Pwater-max

(27)

式中：Pwater-max、Pwater-min分別為海水淡化機(jī)組出力的上限和下限。

(2)海水淡化蓄水池容量約束。

Swater-min≤Swater(t)≤Swater-max

(28)

式中：Swater(t)為蓄水池t時(shí)段的容量；Swater-max、Swater-min分別為蓄電池容量的上限和下限。

3.2 日內(nèi)調(diào)度模型

日內(nèi)調(diào)度的優(yōu)化除了時(shí)間尺度與日前調(diào)度不同，其優(yōu)化目標(biāo)同日前調(diào)度相似，同樣需要在不同海島場(chǎng)景下兼顧系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和環(huán)保性，使系統(tǒng)在最優(yōu)狀態(tài)下運(yùn)行。海上由于沒(méi)有陸地上的地形起伏，平均風(fēng)速高，風(fēng)向改變頻率低于陸地，因而短時(shí)間內(nèi)海上風(fēng)能較為平穩(wěn)。因此，較陸地而言，海島微網(wǎng)日內(nèi)調(diào)度時(shí)間尺度可適當(dāng)增大，本文日內(nèi)調(diào)度以20 min為間隔，1 h為周期進(jìn)行滾動(dòng)計(jì)算。同時(shí)為了應(yīng)對(duì)海上突發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣對(duì)源荷預(yù)測(cè)的影響，日內(nèi)調(diào)度需要考慮在負(fù)荷平衡約束中添加失負(fù)荷功率Ploss(t)，并加入柴油發(fā)電機(jī)爬坡率約束。

1)負(fù)荷平衡約束。

(29)

2)柴油發(fā)電機(jī)爬坡率約束。

rdown≤|PDE(t)-PDE(t-1)|≤rup

(30)

式中：rup、rdown分別為柴油機(jī)的上、下爬坡率限制。

3.3 調(diào)度優(yōu)化流程

為了盡可能提高可再生能源利用率，降低系統(tǒng)的發(fā)電成本，綜合考慮島上分布式發(fā)電單元出力特點(diǎn)、負(fù)荷用電特性以及相關(guān)約束，根據(jù)預(yù)測(cè)精度與調(diào)度時(shí)間尺度呈現(xiàn)的負(fù)相關(guān)特征，將調(diào)度計(jì)劃分為日前24 h調(diào)度計(jì)劃和日內(nèi)1 h滾動(dòng)調(diào)度計(jì)劃兩部分。

3.3.1日前調(diào)度

根據(jù)下一日風(fēng)、光以及海洋水文預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，利用可再生能源發(fā)電模型預(yù)測(cè)各個(gè)分布式電源出力，結(jié)合負(fù)荷需求預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，推演蓄電池荷電狀態(tài)以及淡水蓄水量，以微電網(wǎng)綜合運(yùn)行成本最低為目標(biāo)函數(shù)，針對(duì)響應(yīng)速度慢、動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)的大功率負(fù)荷制定未來(lái)24 h的調(diào)度計(jì)劃，流程如圖2所示。

圖2 日前調(diào)度流程Fig.2 Flowchart of day-ahead dispatching

3.3.2日內(nèi)調(diào)度

以日前調(diào)度確定的調(diào)度計(jì)劃作為參考，調(diào)用當(dāng)前負(fù)荷、蓄電池荷電狀態(tài)以及淡水儲(chǔ)備情況，根據(jù)下一小時(shí)天氣與海洋預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，對(duì)下一小時(shí)島上的源、荷、儲(chǔ)進(jìn)行預(yù)測(cè)，為實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)內(nèi)系統(tǒng)運(yùn)行綜合成本最低，利用CPLEX進(jìn)行迭代計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與日前調(diào)度計(jì)劃對(duì)應(yīng)時(shí)段進(jìn)行比對(duì)，同時(shí)為避免陷入局部最優(yōu)進(jìn)行剩余時(shí)段預(yù)測(cè)推演，將利用CPLEX迭代計(jì)算獲得的當(dāng)日剩余時(shí)段調(diào)度方案結(jié)果與日前調(diào)度結(jié)果進(jìn)行二次比對(duì)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)日前調(diào)度計(jì)劃的修正，流程如圖3所示。

圖3 日內(nèi)調(diào)度流程Fig.3 Flowchart of intra-day dispatching

4 算例分析

4.1 算例描述

為驗(yàn)證在海島環(huán)境下所提多時(shí)間尺度微電網(wǎng)能量?jī)?yōu)化調(diào)度方案的有效性，本節(jié)以我國(guó)東南沿海某獨(dú)立海島微電網(wǎng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)包含光伏、風(fēng)機(jī)、波浪能和潮汐能發(fā)電裝置、柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池，電源容量配置與設(shè)備運(yùn)維成本及使用年限信息如表1所示，蓄電池充放電深度設(shè)定為0.8，初始容量為400 kW·h，蓄電池的投資安裝成本和維護(hù)安裝成本分別為8 895元/(kW·h)和0.083 2元/(kW·h)。設(shè)定柴油價(jià)格為6.11元/L，柴油發(fā)電機(jī)污染物價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)、罰款標(biāo)準(zhǔn)及污染物排放強(qiáng)度見(jiàn)文獻(xiàn)[21]。居民生活負(fù)荷、海水淡化負(fù)荷、農(nóng)業(yè)灌溉相關(guān)負(fù)荷、海產(chǎn)養(yǎng)殖負(fù)荷、冷庫(kù)負(fù)荷功率分別為800、175、85、75、65 kW。

表1 海島微網(wǎng)系統(tǒng)電源容量配置與參數(shù)Table 1 Source capacity configuration and parameters of island microgrid system

由于負(fù)荷預(yù)測(cè)誤差較小，日前和日內(nèi)調(diào)度計(jì)算均采用典型日負(fù)荷數(shù)據(jù)。島上典型日負(fù)荷數(shù)據(jù)如圖4所示，負(fù)荷峰值分別出現(xiàn)在11:00—13:00和19:00—21:00兩個(gè)時(shí)段，日最大負(fù)荷出現(xiàn)在20:00，其基本反映了島上居民的生產(chǎn)和生活規(guī)律。

圖4 海島典型日負(fù)荷Fig.4 Typical daily loads of the island

海島分布式可再生能源出力預(yù)測(cè)如圖5所示。通過(guò)分析圖5可知，隨著預(yù)測(cè)時(shí)間尺度的減小，可再生能源出力預(yù)測(cè)精度隨之提升，對(duì)其出力隨機(jī)性的細(xì)節(jié)表征更加清晰。同時(shí)可知，風(fēng)能出力一天內(nèi)波動(dòng)比較大，峰值出現(xiàn)在夜間，谷值出現(xiàn)在中午；同時(shí)發(fā)現(xiàn)雖然海面風(fēng)力變化會(huì)對(duì)波浪產(chǎn)生一定程度的影響，但波浪能和風(fēng)能發(fā)電出力規(guī)律依然存在一定差異；太陽(yáng)能發(fā)電工作在06:00—19:00時(shí)段，峰值出現(xiàn)在中午時(shí)段，太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電出力呈現(xiàn)出一定的互補(bǔ)性。潮汐能出力具有明顯的周期性間歇規(guī)律，分別在03:00—07:00和17:00—21:00兩個(gè)時(shí)段出現(xiàn)漲潮，在10:00—13:00和23:00—24:00出現(xiàn)2次落潮，潮汐漲落時(shí)段潮汐能發(fā)電出力相應(yīng)增加。

圖5 海島分布式可再生能源出力預(yù)測(cè)曲線Fig.5 Prediction curve of distributed renewable energy output on the island

4.2 優(yōu)化結(jié)果分析

為研究島上微電網(wǎng)系統(tǒng)能量一天內(nèi)的優(yōu)化調(diào)度情況，通過(guò)日內(nèi)實(shí)時(shí)滾動(dòng)計(jì)算對(duì)日前調(diào)度計(jì)劃不斷修正，對(duì)應(yīng)調(diào)度情況如圖6所示，蓄電池荷電狀態(tài)變化情況如圖7所示。

圖6 海島典型日源荷調(diào)度情況Fig.6 Dispatching situation of typical daily source-load on the island

圖7 蓄電池荷電狀態(tài)Fig.7 Battery state of charge

分析圖6、7可知，在03:00—08:00出現(xiàn)漲潮，潮汐能發(fā)電功率增加，而此時(shí)用電負(fù)荷處于低谷，系統(tǒng)電源出力過(guò)剩，蓄電池于03:00開(kāi)始充電，2 h后蓄電池電量達(dá)到上限，在05:00投入海水淡化機(jī)組進(jìn)一步消納剩余功率，仍然存在147.2 kW功率無(wú)法消納。11:00—14:00時(shí)段，光伏和潮汐能發(fā)電出力增大，雖然用電負(fù)荷增加，但發(fā)電功率仍大于負(fù)荷功率，所以需要投入蓄電池和海水淡化機(jī)組消納多余功率。在16:00—20:00時(shí)段用電負(fù)荷由518 kW開(kāi)始攀升，峰值達(dá)到628 kW，系統(tǒng)最大功率缺額為234 kW，蓄電池優(yōu)先放電。為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)功率平衡，在22:00關(guān)停部分海水淡化機(jī)組，并啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)。隨著蓄電池電量的減少，為保障重要負(fù)荷供電，在23:00切除30.98 kW農(nóng)業(yè)灌溉負(fù)荷。日內(nèi)蓄電池整體呈現(xiàn)出“早充晚放”的規(guī)律，柴油發(fā)電機(jī)基本上僅在夜間用電高峰時(shí)段啟動(dòng)，不僅減少污染物排放，而且節(jié)約了化石能源。

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提調(diào)度策略的合理性，在不考慮新能源發(fā)電切機(jī)和基礎(chǔ)負(fù)荷斷電的前提下，利用不平衡功率來(lái)分析系統(tǒng)日前和日內(nèi)微網(wǎng)能量調(diào)度效果的差異。不平衡功率是指系統(tǒng)內(nèi)由于源荷功率不匹配所引起的功率差值，不平衡功率越小意味著微網(wǎng)內(nèi)新能源發(fā)電利用率和負(fù)荷供電持續(xù)性越高，對(duì)各類源、荷的投切次數(shù)越少。未考慮源荷切除的不平衡功率對(duì)比如圖8所示。

圖8 未考慮源荷切除的不平衡功率對(duì)比Fig.8 Comparison of unbalanced power without source or load shedding

分析圖8可知，在04:00—07:00時(shí)段，由于負(fù)荷處于用電低谷，蓄電池已無(wú)儲(chǔ)電空間，分布式電源輸出功率大于島上負(fù)荷，系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)了功率剩余；而在23:00—24:00時(shí)段，由于電源出力無(wú)法滿足負(fù)荷需求，而蓄電池放電完畢，所以出現(xiàn)了功率缺額。單獨(dú)采用日前調(diào)度方案對(duì)島上微網(wǎng)進(jìn)行控制，雖然能夠完成系統(tǒng)內(nèi)功率不平衡的調(diào)節(jié)任務(wù)，但由于日前預(yù)測(cè)精度和其調(diào)度流程的局限性，上述2個(gè)時(shí)段內(nèi)，網(wǎng)內(nèi)不平衡功率數(shù)量大于日內(nèi)修正調(diào)度方案，這說(shuō)明采用日內(nèi)修正調(diào)度方案能夠進(jìn)一步提升海島微網(wǎng)的能量管理水平。

為驗(yàn)證本文所提優(yōu)化調(diào)度算法在經(jīng)濟(jì)性上的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)表1中的源荷數(shù)據(jù)并結(jié)合圖5、6中的調(diào)度結(jié)果，計(jì)算出日前調(diào)度和日內(nèi)調(diào)度的電源運(yùn)行成本，如表2所示。分析表2可知，與日前調(diào)度相比，雖然日內(nèi)調(diào)度在發(fā)電折舊成本一項(xiàng)略高，但整體而言分布式發(fā)電運(yùn)行總費(fèi)用更低。這是因?yàn)榻?jīng)日內(nèi)調(diào)度修正后的調(diào)度方案減少了新能源切出和柴油機(jī)組的啟停次數(shù)，同時(shí)縮短了可中斷負(fù)荷的停電時(shí)間，所以在保證系統(tǒng)功率平衡的基礎(chǔ)上，降低了系統(tǒng)總運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。

表2 調(diào)度經(jīng)濟(jì)性對(duì)比Table 2 Economic comparison of dispatch schemes元

5 結(jié) 論

根據(jù)波浪能、潮汐能、風(fēng)能等海島可再生能源出力不確定性隨預(yù)測(cè)時(shí)間尺度縮小逐級(jí)降低的特性，結(jié)合島上負(fù)荷用電特點(diǎn)，本文構(gòu)建了面向日前和日內(nèi)2個(gè)時(shí)間尺度的海島微網(wǎng)能量?jī)?yōu)化調(diào)度方法，并通過(guò)算例驗(yàn)證其有效性，繼而得到如下結(jié)論：

1)考慮蓄電池荷電狀態(tài)和海水淡化系統(tǒng)蓄水量等狀態(tài)變量的連續(xù)性，將日前調(diào)度與日內(nèi)實(shí)時(shí)滾動(dòng)計(jì)算結(jié)合，構(gòu)建的海島微網(wǎng)能量調(diào)度方法能夠獲得全局最優(yōu)的調(diào)度計(jì)劃。

2)本文提出的能量調(diào)度方法不但可以充分利用島上可再生能源間的互補(bǔ)特性，提高新能源發(fā)電利用率，而且進(jìn)一步提升了微網(wǎng)系統(tǒng)的供電可靠性，同時(shí)降低了運(yùn)維成本。

3)相比于傳統(tǒng)陸上微網(wǎng)，由于海島微網(wǎng)系統(tǒng)存在波浪能、潮汐能等海洋能發(fā)電單元，其能量調(diào)度復(fù)雜程度隨之增加，要實(shí)現(xiàn)更加有效的島內(nèi)能量調(diào)度，需要從源、荷精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)控入手，開(kāi)展進(jìn)一步研究。