汪 萌， 王 春， 謝瓊瑤， 王海亮， 鄧 玲， 李咸善， 李 飛

（1. 國(guó)網(wǎng)宜昌供電公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究所 湖北宜昌 443002；2. 三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443002）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)全面現(xiàn)代化社會(huì)建設(shè)的迅速發(fā)展，人民物質(zhì)文化生活水平日益提高，導(dǎo)致我國(guó)對(duì)能源需求量逐步增長(zhǎng)，今后我國(guó)將長(zhǎng)期處于發(fā)展中國(guó)家并且屬于快速發(fā)展階段。然而我國(guó)常規(guī)能源短缺與國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)的矛盾日益突出。除此之外，煤、石油和天然氣等常規(guī)能源燃燒時(shí)會(huì)排放出大量的CO2和SO2等有害氣體，產(chǎn)生氣溫上升、酸雨等嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題。由此看來(lái)，很有必要開發(fā)新的高效無(wú)污染的可再生能源來(lái)緩解這一現(xiàn)狀。

在尋找清潔能源的同時(shí)也要改善大電網(wǎng)的不足之處。目前，我國(guó)大電網(wǎng)已經(jīng)較為穩(wěn)定成熟，但傳統(tǒng)的大電網(wǎng)仍然具有部分局限性，例如，可靠性不高、能源消耗較大、對(duì)環(huán)境污染較嚴(yán)重、網(wǎng)絡(luò)損耗高等缺點(diǎn)。針對(duì)以上不足，微電網(wǎng)的產(chǎn)生從很大程度上解決了這一問(wèn)題。微型電網(wǎng)是一種由負(fù)荷和微型電源共同組成的系統(tǒng)，可以進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)；能量以及微電網(wǎng)的控制由電力電子設(shè)備來(lái)完成；從外部大電網(wǎng)來(lái)看，微電網(wǎng)相當(dāng)于一個(gè)整體可控的負(fù)荷單元，并且可以滿足用戶對(duì)于用電可靠性和電能質(zhì)量的要求。微電網(wǎng)屬于分布式發(fā)電，可與大電網(wǎng)互聯(lián)，具有可控性，是一種“網(wǎng)絡(luò)化”的能量供需管理運(yùn)營(yíng)體系。它是電力系統(tǒng)智能發(fā)展道路上一個(gè)重要環(huán)節(jié)，世界各國(guó)的電力工作者和研究人員都對(duì)微電網(wǎng)開展了廣泛的研究。

本研究主要研究含新能源的微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度問(wèn)題，參考了許多文獻(xiàn)。文獻(xiàn)[1-2]研究的是含大規(guī)模風(fēng)光互補(bǔ)電力的電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度，根據(jù)風(fēng)能和太陽(yáng)能天然的互補(bǔ)特性，建立了風(fēng)電廠和太陽(yáng)能發(fā)電廠的互補(bǔ)調(diào)度策略,解決了部分新能源并網(wǎng)帶來(lái)的不穩(wěn)定性的影響。文獻(xiàn)[3]對(duì)生物質(zhì)和太陽(yáng)能的冷、熱、電聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化配置與調(diào)度進(jìn)行研究，利用層次分析法綜合考慮多個(gè)目標(biāo)，建立了優(yōu)化配置模型。文獻(xiàn)[4]研究了生物質(zhì)與風(fēng)能的互補(bǔ)運(yùn)行，對(duì)生物質(zhì)和風(fēng)能的共同運(yùn)行進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)度。文獻(xiàn)[5]研究了含分布式微電源的微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度問(wèn)題，給出了包含風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能光伏電池微型燃?xì)廨啓C(jī)的微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。文獻(xiàn)[6-7]是并網(wǎng)型微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的研究，解決了微電網(wǎng)由于負(fù)荷和微電源工作特性的影響產(chǎn)生的微電網(wǎng)和大電網(wǎng)功率交換過(guò)于頻繁而引起的損失問(wèn)題。文獻(xiàn)[8-10]均為研究微電網(wǎng)日前的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，給出了最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度方案。

但是，上述研究大多是基于太陽(yáng)能、風(fēng)能的微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度研究，少有文獻(xiàn)涉及生物質(zhì)發(fā)電。此外，多數(shù)文獻(xiàn)采用基本算例進(jìn)行仿真。而本研究主要解決區(qū)域的新能源微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度問(wèn)題。選用地區(qū)的新能源發(fā)電應(yīng)用廣泛，有充分的自然條件。本研究基于MATLAB 的微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型研究，旨在更加環(huán)保經(jīng)濟(jì)地分配生物質(zhì)、光伏、風(fēng)力發(fā)電以及與傳統(tǒng)大電網(wǎng)的銷售和購(gòu)買。為降低成本，提出具有參考價(jià)值的日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度方案。

1 考慮微電網(wǎng)交易計(jì)劃的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型

針對(duì)含有生物質(zhì)、風(fēng)能和太陽(yáng)能等新能源微電網(wǎng)并網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題，按成本最低原則建立目標(biāo)函數(shù)。

1.1 生物質(zhì)發(fā)電特性

秸稈發(fā)電，即以農(nóng)作物秸稈作為主要燃料的一種發(fā)電方式[11]，分為秸稈氣化發(fā)電和秸稈燃燒發(fā)電。秸稈是一種很好的可再生能源，屬于清潔能源，是最具開發(fā)利用潛力的新能源之一，具有較好的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)以及社會(huì)效益。

作物秸稈作為傳統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化方式，直接燃燒具有成本低廉、經(jīng)濟(jì)方便等特點(diǎn)，可在農(nóng)作物秸稈主產(chǎn)區(qū)中小型企業(yè)、學(xué)校、政府以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民用于冬季供暖。

生物質(zhì)直燃發(fā)電燃料一般采用農(nóng)作物秸稈，發(fā)電設(shè)備與常規(guī)燃煤電廠基本相同，由鍋爐、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)構(gòu)成，只是在燃料來(lái)源與處理上有所區(qū)別。首先，對(duì)秸稈燃料進(jìn)行必要的預(yù)處理后送入鍋爐直接燃燒，將生物質(zhì)儲(chǔ)存的化學(xué)能通過(guò)燃燒轉(zhuǎn)化為熱能，釋放出的熱能將鍋爐中的水加熱成合格的蒸汽；然后，蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。根據(jù)燃料性質(zhì)的不同生物質(zhì)純燒發(fā)電技術(shù)可以分為兩類：木質(zhì)生物質(zhì)燃料燃燒技術(shù)、秸稈燃燒技術(shù)。其中生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)流程圖

宜昌地區(qū)生物質(zhì)資源主要包括農(nóng)業(yè)生物質(zhì)、林業(yè)生物質(zhì)和水庫(kù)大壩漂浮物以及生活垃圾和餐廚廢棄物、畜禽糞便?？傮w來(lái)說(shuō)，宜昌市生物質(zhì)資源較為豐富，因此針對(duì)宜昌現(xiàn)有的兩座農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電站（當(dāng)陽(yáng)市神州新能源生物質(zhì)發(fā)電站、安能生物質(zhì)熱電廠）進(jìn)行經(jīng)濟(jì)調(diào)度的優(yōu)化。兩座生物質(zhì)發(fā)電站均是利用生物質(zhì)直燃發(fā)電，且以焚燒秸稈為主?；谏鲜鲫P(guān)于秸稈發(fā)電特性的定性分析，對(duì)兩臺(tái)鍋爐的進(jìn)氣壓力、秸稈耗量與輸出功率進(jìn)行相關(guān)度分析，以進(jìn)氣壓力和秸稈耗量為自變量，輸出功率為因變量建立秸稈發(fā)電的數(shù)學(xué)模型。采用非線性回歸分析方法，出力模型如下：

式中：PBIO為秸稈發(fā)電的輸出功率；K1～K3為汽輪機(jī)的相關(guān)壓力系數(shù)；μ0、μ1、μ2、μ12、μ3、μ4和μ5分別秸稈消耗量的相關(guān)系數(shù)。由于秸稈發(fā)電廠的輸出功率應(yīng)該優(yōu)先滿足廠用電負(fù)荷需求，然后給微電網(wǎng)負(fù)荷供電，最后有多余或者不足的電再向大電網(wǎng)銷售或者購(gòu)買。

1.2 并網(wǎng)微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型

使微電網(wǎng)系統(tǒng)通過(guò)聯(lián)絡(luò)線與低壓配電網(wǎng)進(jìn)行雙向功率交換，使系統(tǒng)內(nèi)各機(jī)組的運(yùn)行成本與電網(wǎng)的交換總成本達(dá)到最低。不考慮線路中的損耗，使包含生物質(zhì)、風(fēng)力、光伏的微電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)計(jì)劃運(yùn)行成本最小，可將目標(biāo)函數(shù)描述為：

式中：T為調(diào)度時(shí)刻；PBIO,t為t時(shí)段生物質(zhì)機(jī)組有功出力；PPV,t為t時(shí)段太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)組有功出力；PWT,t為t時(shí)段風(fēng)能發(fā)電機(jī)組有功出力；PEX,t為t時(shí)段微電網(wǎng)與大電網(wǎng)交換功率，γ1、γ2、γ3、γ4分別為秸稈、光伏、風(fēng)力以及大電網(wǎng)發(fā)電的成本系數(shù)。

1）約束條件1：系統(tǒng)功率平衡約束：

式中：Pload,t為t時(shí)段負(fù)荷值。

2）約束條件2：各機(jī)組出力約束：

式中：上標(biāo)max和min表示相應(yīng)量的上下限。

2 調(diào)度策略及求解步驟

2.1 調(diào)度策略

在建立了目標(biāo)函數(shù)后，為使微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度更加方便，根據(jù)微電源自身的發(fā)電特點(diǎn)、微電網(wǎng)不同的運(yùn)行方式，綜合這兩方面來(lái)考慮為經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型提供求解思路。例如風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電是在自然界中可二次獲取的可再生能源，且對(duì)環(huán)境污染小，但是這兩種能源發(fā)出的有功功率受環(huán)境影響大，具有隨機(jī)性和不可預(yù)測(cè)性，為不可控機(jī)組，所以在進(jìn)行微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度時(shí)優(yōu)先使用，且運(yùn)行在輸出功率最大的狀態(tài)。再如在不考慮儲(chǔ)熱及熱力外送的情況下，由于生物質(zhì)發(fā)電的有功出力受自身發(fā)電特性和熱負(fù)荷的限制，也為不可控機(jī)組。

微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷耗量由微電網(wǎng)和大電網(wǎng)一起供給。以大電網(wǎng)為支撐，生物質(zhì)等優(yōu)先發(fā)電為輔，給出的并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度如下。

（1）太陽(yáng)能和風(fēng)能利用可再生清潔能源發(fā)電，燃料成本為零，而且對(duì)環(huán)境污染小，但是輸出的有功功率具有隨機(jī)性和波動(dòng)性，因此首先要利用其輸出的電量。

（2）在不考慮儲(chǔ)熱及外力傳送時(shí)，為滿足微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的負(fù)荷需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用，生物質(zhì)發(fā)電運(yùn)行在“以熱定電”模式下，其產(chǎn)生的電能屬于“強(qiáng)迫功率”，亦優(yōu)先利用。

（3）若太陽(yáng)能、風(fēng)能和生物質(zhì)發(fā)出的有功功率已經(jīng)滿足微電網(wǎng)的自身需求，將剩余功率向大電網(wǎng)出售；若太陽(yáng)能、風(fēng)能和生物質(zhì)發(fā)出的有功功率不能滿足微電網(wǎng)內(nèi)本身需求，那么微電網(wǎng)需向大電網(wǎng)購(gòu)電，以滿足負(fù)荷需求。

2.2 求解步驟

在以上調(diào)度策略和成本函數(shù)模型的基礎(chǔ)上，利用MATLAB 中的二次規(guī)劃法優(yōu)化求解[12]，具體流程如圖2所示。

圖2 含生物質(zhì)發(fā)電的微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度計(jì)算流程圖

3 算例分析

3.1 算例概述

選取風(fēng)電、太陽(yáng)能、生物質(zhì)發(fā)電作為新能源機(jī)組的典型機(jī)組型式。生物質(zhì)機(jī)組是以焚燒秸稈為主的生物質(zhì)直燃發(fā)電機(jī)組。微電網(wǎng)由風(fēng)電、太陽(yáng)能和生物質(zhì)發(fā)電和負(fù)荷構(gòu)成，風(fēng)電裝機(jī)100 kW，光伏總裝機(jī)60 kW。其中主網(wǎng)與微電網(wǎng)之間視每小時(shí)的調(diào)度情況進(jìn)行相應(yīng)購(gòu)電和售電。微電網(wǎng)必須滿足相應(yīng)的等式約束條件，即風(fēng)力、太陽(yáng)能以及生物質(zhì)發(fā)電的總和必須滿足總負(fù)荷的要求。還應(yīng)滿足相應(yīng)的不等式約束條件即各機(jī)組所發(fā)功率不能超過(guò)機(jī)組運(yùn)行的上下限（生物質(zhì)發(fā)電的范圍是10 kW～300 kW；生物質(zhì)制熱功率范圍是0 kW ～130 kW；交換功率范圍是-200 kW ～200 kW）。

微電網(wǎng)與上級(jí)主網(wǎng)交易的分時(shí)電價(jià)如表1 所示。冬夏兩季典型日的溫度、風(fēng)速曲線分別見圖3和圖4。冬季典型日的電負(fù)荷和熱負(fù)荷曲線如圖5所示。

表1 微電網(wǎng)與上級(jí)主網(wǎng)的交易價(jià)格表

圖3 冬、夏季典型日每時(shí)刻平均溫度曲線

圖4 冬、夏季典型日每時(shí)刻平均風(fēng)速曲線

圖5 冬季典型日每時(shí)刻熱、電負(fù)荷曲線

3.2 經(jīng)濟(jì)調(diào)度結(jié)果分析

對(duì)微電網(wǎng)各個(gè)機(jī)組出力進(jìn)行各時(shí)段逐點(diǎn)優(yōu)化，即通過(guò)綜合考慮各時(shí)段的負(fù)荷值、微電源的發(fā)電成本安排秸稈、太陽(yáng)能以及風(fēng)力微電源機(jī)組的最優(yōu)出力。冬季寒冷，需要供暖，系統(tǒng)采用“以熱定電”的方案運(yùn)行；夏季炎熱，需要供冷，采用“以冷定電”運(yùn)行方案；春秋季只有電力負(fù)荷，在滿足系統(tǒng)電負(fù)荷的情況下采用經(jīng)濟(jì)調(diào)度方案即可。

正常情況下，微電網(wǎng)與大電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，并且與大電網(wǎng)相互進(jìn)行功率交換，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。在此情況下，選取冬季具有代表性的一天的24 h 逐點(diǎn)優(yōu)化情況，各微電源出力和交換功率曲線如圖6所示。

圖6 含生物質(zhì)發(fā)電的新能源微網(wǎng)冬季出力曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

建立了考慮生物質(zhì)、太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源綜合出力的成本最低的目標(biāo)函數(shù)模型及約束條件,通過(guò)對(duì)新能源微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度進(jìn)行研究，結(jié)合算例分析，得出如下結(jié)論。

（1）在滿足優(yōu)先使用風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)發(fā)電的調(diào)度策略時(shí)可以降低發(fā)電成本。

（2）生物質(zhì)發(fā)電和制熱在15:00 時(shí)會(huì)明顯降低，之后逐漸升高。

（3）生物質(zhì)、光伏、風(fēng)力發(fā)電具有不穩(wěn)定性，受環(huán)境因素影響大，因此需要與主網(wǎng)配合，在滿足約束條件的情況下優(yōu)先進(jìn)行新能源發(fā)電。