李根巖

（國(guó)家電投集團(tuán)山西可再生能源有限公司）

0 引言

基于多能源系統(tǒng)的微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度分析是指利用優(yōu)化算法和經(jīng)濟(jì)模型，對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)的多種能源資源和負(fù)荷進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益。在微電網(wǎng)中，存在多種能源資源，如太陽(yáng)能、風(fēng)能、電池能量等，同時(shí)存在多種負(fù)荷需求，如供電需求、冷暖需求等。為了實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行，需要對(duì)能源資源和負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。由于技術(shù)和地理限制，分布式能源的整合在偏遠(yuǎn)地區(qū)仍然是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。它們的技術(shù)方面取決于來(lái)源的類型、控制方案、規(guī)模和最佳調(diào)度。經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度分析的目標(biāo)是在滿足負(fù)荷需求和能源供給的前提下，最大化經(jīng)濟(jì)效益［1-3］。

1 數(shù)學(xué)模型研究

對(duì)于與電網(wǎng)隔離的選定社區(qū)位置，圖1中顯示了具有電能和熱能來(lái)源及其能量流的MES。熱能流由燃煤氣化器單元控制，該單元由燃燒室、氣化器單元和吸附式冷卻器組成，制冷機(jī)組運(yùn)行一個(gè)冷藏機(jī)組，作為系統(tǒng)的熱負(fù)荷。對(duì)于冷庫(kù)的連續(xù)運(yùn)行，該系統(tǒng)連接到蒸汽壓縮系統(tǒng)，該系統(tǒng)依靠電能運(yùn)行，如光伏（SPV）、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（BESS）、燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)或電網(wǎng)［4-5］。

圖1 氣化爐燃料消耗與負(fù)荷的關(guān)系

1.1 微電網(wǎng)系統(tǒng)

在微電網(wǎng)中，常見(jiàn)的能源包括電力、燃?xì)?、太?yáng)能、風(fēng)能等。這些能源可以相互之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，以滿足用戶的能源需求。

太陽(yáng)能光伏（PV）：太陽(yáng)能取決于太陽(yáng)輻照度（ipv）和已安裝光伏電池板的總面積（Apv），公式如下。

式中，ηpv是PV模塊的效率，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的額定功率為15kW。

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)：蓄電池在電量不足的情況下充當(dāng)發(fā)電站，以保持連續(xù)的負(fù)載供應(yīng)。電池在能量過(guò)剩時(shí)儲(chǔ)存電荷。存儲(chǔ)在電池中的能量（Eb）是根據(jù)充電狀態(tài)（SoC）和電池衰減率（δb），由式（2）給出。

電池壽命由制造商給定，取決于充放電循環(huán)次數(shù)和放電深度（DoD）。以下等式提供了DoD和周期計(jì)數(shù)之間的關(guān)系。

每個(gè)充放電循環(huán)的退化成本計(jì)算如下

式中，Pb是電池功率，ηcηb分別表示充電和放電效率，Eb是電池存儲(chǔ)的總能量容量，Cb是以元/千瓦時(shí)為單位的電池成本，a、b和c的值分別為4982、1.98和0.016，Pb是時(shí)間間隔?t的平均電池功率，Eb是時(shí)間t的實(shí)際電池容量，Cb，d是每個(gè)、每周期平均降解成本。

燃煤氣化爐：氣化器單元同時(shí)產(chǎn)生熱能和電能。氣化過(guò)程產(chǎn)生的熱量（Ph）被送入氨基吸附系統(tǒng)，以將冷藏室的工作溫度保持在4℃。相反，生產(chǎn)者氣體被供給到與交流發(fā)電機(jī)相連的氣化器發(fā)動(dòng)機(jī)以產(chǎn)生電力（Pe）。生物質(zhì)氣化器產(chǎn)生大約12.5kW的熱能和20kW的電力。氣化器的輸出特性通過(guò)圖1中的曲線獲得，方程如下。

式中，y，m是y軸截距，滿足生物質(zhì)氣化器負(fù)載和比燃料消耗x的曲線斜率，具有系數(shù)m＝-11.364和Pe＝350。λx是功率熱比，zb是表示氣化器運(yùn)行狀態(tài)的二元變量。

燃燒室是一種基于直接燃燒的熱水發(fā)生器，它消耗燃煤來(lái)產(chǎn)生熱量。燃燒室容量限制為：

Hcmin及Hcmаx是燃燒室的最小和最大熱輸出，zc是顯示燃燒室可用性狀態(tài)的二元變量。電動(dòng)制冷機(jī)是一種基于蒸汽壓縮機(jī)的系統(tǒng)，它消耗電力來(lái)產(chǎn)生冷卻輸出。電動(dòng)壓縮機(jī)的熱輸出（Hec）如下所示。

Pec是冷卻器的電力消耗，CoPec是性能系數(shù)，zec是電動(dòng)制冷機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的二進(jìn)制變量。

微網(wǎng)負(fù)載：微網(wǎng)負(fù)荷包括一個(gè)5kW的加工廠，一個(gè)3kW加工單元，可以在白天或晚上運(yùn)行，以及在社區(qū)的冷藏24*7運(yùn)行。通過(guò)對(duì)冷庫(kù)的負(fù)荷循環(huán)試驗(yàn)，得到了冷庫(kù)的平均負(fù)荷。影響冷藏室溫度的因素有環(huán)境溫度、冷藏室產(chǎn)品比熱容引起的散熱和室內(nèi)空氣變化引起的熱量。

1.2 優(yōu)化調(diào)度

經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度框架，通常包括能源資源優(yōu)化配置。根據(jù)微電網(wǎng)所處的地理環(huán)境和可用的能源資源，通過(guò)優(yōu)化算法確定最佳的能源資源配置方案。例如，對(duì)于太陽(yáng)能充電站，可以通過(guò)優(yōu)化算法確定最佳的太陽(yáng)能板的數(shù)量和容量。

負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度：根據(jù)負(fù)荷需求以及能源供給情況，通過(guò)優(yōu)化算法確定最佳的負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度方案。例如，可以通過(guò)預(yù)測(cè)負(fù)荷需求，并結(jié)合能源供給情況，確定最佳的負(fù)荷供給方式，以最大程度地減少能源的消耗和成本。

經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估：通過(guò)經(jīng)濟(jì)模型評(píng)估微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度方案的經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)濟(jì)模型考慮了能源成本、負(fù)荷需求滿足程度、能源供應(yīng)的可靠性等因素，通過(guò)對(duì)比不同優(yōu)化調(diào)度方案的經(jīng)濟(jì)效益，確定最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度方案。

上述MES需要一個(gè)能源管理方案，以最大限度地降低整個(gè)系統(tǒng)的燃料成本、氣化爐升級(jí)、熱啟動(dòng)成本、電池退化成本、運(yùn)行和維護(hù)成本。以下部分分為兩部分（а）成本函數(shù)和（b）操作約束。本節(jié)的后半部分討論了在各種約束條件下的資源優(yōu)化，給出了擬議微電網(wǎng)的成本效益運(yùn)行時(shí)間表。調(diào)查后獲得的負(fù)荷概況如圖2所示，在夏季每天按小時(shí)計(jì)算。

圖2 社區(qū)小時(shí)負(fù)荷概況

成本函數(shù)：基于當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，可以在最佳利用資源的情況下制定最大限度的成本節(jié)約計(jì)劃。因此，對(duì)于總成本最小化，在方程中給出了公式

Cf為氣化爐中使用的燃料成本是多少

式中，Cω是產(chǎn)生一個(gè)單位能量所需的燃料的成本，Cs是氣化器單元的啟動(dòng)成本，它有兩個(gè)組成部分，熱啟動(dòng)成本Chot和冷啟動(dòng)成本Ccold，t0是氣化器處于關(guān)閉狀態(tài)的時(shí)間，T是時(shí)間常數(shù)。

CT是對(duì)違反冷藏室溫度限制的熱處罰

Cpv是太陽(yáng)能光伏的運(yùn)行和維護(hù)成本，Cb電池維護(hù)成本，Cg用于氣化爐維護(hù)費(fèi)用。

上述問(wèn)題是非線性的，因此已經(jīng)使用非線性規(guī)劃來(lái)解決。該問(wèn)題公式的解決方案給出了MES微電網(wǎng)的最優(yōu)調(diào)度。它是通過(guò)使用解算器實(shí)現(xiàn)的。該解決方案是通過(guò)在以下提到的限制條件下最小化燃料和運(yùn)營(yíng)成本而產(chǎn)生的。

操作限制：發(fā)電和負(fù)荷約束用于等式中的熱能和電能平衡

燃煤氣化爐的上升和下降限制包括

氣化器、燃燒室和電動(dòng)制冷機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的二進(jìn)制變量

電池的限制條件是：

冷藏室的溫度范圍限制為：

1.3 經(jīng)濟(jì)分析

對(duì)上述測(cè)試場(chǎng)景進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)分析，給出了考慮N年投資回收期的項(xiàng)目的平準(zhǔn)化能源成本（LCoE）和凈現(xiàn)值（NPV）。為了找到LCoE，壽命費(fèi)用的現(xiàn)值可以等同于壽命能量產(chǎn)生。假設(shè)MES在t=0時(shí)開(kāi)始發(fā)電，并且在一開(kāi)始就支付了所有資本費(fèi)用，則費(fèi)用和發(fā)電量相等可以等式如下：

其可以被重寫(xiě)以給出MES的LCoE，如下：

式中，初始投資成本Io、燃料成本Fn和運(yùn)行維護(hù)成本Mn。分母中，E是一年內(nèi)的總能源輸出，r是提供的貼現(xiàn)率（以%為單位），N是年數(shù)。

2 實(shí)例分析

安裝的微電網(wǎng)系統(tǒng)具有20kW的燃煤氣化器容量和15kW的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)，電池儲(chǔ)能單元為96kWh。太陽(yáng)輻射和環(huán)境溫度的每小時(shí)數(shù)據(jù)取自數(shù)據(jù)庫(kù)。此處使用的荷載剖面圖是從社區(qū)進(jìn)行的調(diào)查中獲得的，并在上節(jié)中提到。模擬選擇的參數(shù)如下：96kWh，Pre=24kW，T=4℃，ηc=ηd=0.9，δb=0.002，Δt=1h，SoCmin=0.25，SoCmаx=0.95，CoPec=0.6，ΔT=1℃，a=4982，b=1.98，c=0.016。

對(duì)于所提出的MES微電網(wǎng)，在一年中不同月份的24h計(jì)劃中獲得了各種測(cè)試結(jié)果。隨著季節(jié)的變化，不同地點(diǎn)的太陽(yáng)輻射量也不同。BESS還在低日照和夜間提供負(fù)載。由于氣化爐操作需要人員，因此僅在白天和晚上運(yùn)行。在低SoC水平的情況下，電池由太陽(yáng)能光伏或氣化器系統(tǒng)充電。氣化器的電力輸出充當(dāng)混合逆變器的電網(wǎng)電源，用于電池充電，熱機(jī)組通過(guò)吸附過(guò)程運(yùn)行冷卻器。電池電量的正極在圖表中顯示其消耗量，負(fù)極提供充電。電池的快速充放電循環(huán)會(huì)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間內(nèi)導(dǎo)致退化和更換。微電網(wǎng)不同月度運(yùn)行的結(jié)果如圖3所示。

圖3 多能源系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間表

所提供的結(jié)果表明，在陽(yáng)光充足的季節(jié)，即分別在4月和11月，太陽(yáng)能光伏輸出受到氣候條件的影響，導(dǎo)致太陽(yáng)能輻照度降低，因此氣化爐必須運(yùn)行更長(zhǎng)的小時(shí)數(shù)才能滿足11月的負(fù)荷需求?？紤]到政府在綠色能源倡議下提供的動(dòng)機(jī)，初始資本成本由政府承擔(dān)。然而，每年產(chǎn)生的運(yùn)行和維護(hù)成本來(lái)自社區(qū)成員出售電力和使用冷藏庫(kù)的收入。根據(jù)獲得的最佳時(shí)間表，計(jì)算出年發(fā)電量為102.461MW h，氣化器消耗的燃料成本約為10169元，一年的運(yùn)維成本為14951元，包括人員配備。然后，盈虧平衡時(shí)的LCOE為4.19。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文為基于MES的微電網(wǎng)提出了一種最佳控制策略。為該MES選擇的安裝能源是在考慮社區(qū)微電網(wǎng)中存在的負(fù)載類型的情況下選擇的。此外，還運(yùn)用仿真程序，以找到MES的最佳負(fù)荷和發(fā)電調(diào)度時(shí)間表，從而確保社區(qū)負(fù)荷的不間斷運(yùn)行，并最大限度地利用可用的分布式能源（DER）。擬議MES的LCOE為4.19，幾乎處于電網(wǎng)平價(jià)。因此，所提出的系統(tǒng)也可以擴(kuò)展到其他遠(yuǎn)程位置。然而，通過(guò)實(shí)際觀察，可以看出，這種孤立的微電網(wǎng)可能面臨需求不足和未售出能源過(guò)剩的問(wèn)題。因此，本工作中開(kāi)發(fā)的技術(shù)可以擴(kuò)展到多微電網(wǎng)系統(tǒng)之間的能量交換。然而，微電網(wǎng)之間的相互作用可能面臨不適當(dāng)?shù)挠白佣▋r(jià)、網(wǎng)絡(luò)擁塞和電力損失增加的額外問(wèn)題。因此，廣泛研究微電網(wǎng)之間的最佳能量交換可能是未來(lái)研究方向。