试述一种微电网孤岛模式经济优化运转解决方案

论文导读：
摘要：本文从微电网孤岛运转模式理由分析、目标函数的规划、约束条件的设立及优化理由的求解方案等多方面介绍了一种微电网孤岛模式经济运转方案。
【关键词】微电网 孤岛模式 经济运转 优化
0 前言
传统的电网效益评价只是从经济的角度出发，未计及电网的低碳性、安全性及供电的可靠性。但过于重视电网经济效益投资所带来的理由是电网的设备更新速度下降，对供电的可靠性会造成一定的影响。因此，如何在保证电网的安全可靠的前提下提高电网的经济性效益和低碳效益具有重要的研究作用。关于微电网的建设需要准确合适的微电网评价指标体系是衡量微电网综合效益的基础，有助于电力系统运转人员了解微电网的运转状态及确定最优的潮流方式，制定出合理的运转方案，改善微电网的投资，提高设备的利用率，实现资源的优化配置。

一、孤岛模式理由分析

当微电网处于孤岛运转模式时，为了满足其内部负荷需求，可单纯采用可控电源供电方式，也可采用可再生电源与可控电源联合供电方式。为提高供电企业在孤岛运转模式下的供电经济性，考虑在最极端的情况下，可再生能源都不发电，而负荷达到最大，此时如果可控电源能单独为负荷供电，那么孤岛运转时能保证微电网正常供电不失电。而考虑低碳环保收益和社会效益后，此时需要从经济性和用户停电风险两个角度分析可再生电源与可控电源的最优配置。[1][2]
图1-1 微电网孤岛模式示意图
因为风能和太阳能具有随机性和波动性的特点，处于孤岛运转的微电网会出现发电机出力小于负荷的情况，这时需要储能装置和不间断电源共同补充风能和太阳能出力的不足。
（1）无储能元件情况
孤网运转时，重要负荷的供电可靠性计算如下。首先计算微电网的缺电概率，认为每小时内风能和太阳能等分布式电源的输出功率是恒定的，一年按照8760小时计算，每小时计算一次。当第t小时风机和光伏列阵总发电量远小于用电量时，需要其他不间断电源共同为微电网供电，其总发电量为 ，不间断电源经过组合后最大限度地满足微电网的负荷需求，此时：
（1-1）
当所有微电网电源及储能剩余容量仍不能满足负荷需求时，第t小时的缺电量 为：
（1-2）
转换为全年的缺电概率，即：
（1-3）
微电网孤网运转时，重要负荷的缺电概率如上所述，是微电网稳定运转的一个重要指标。
针对微电网负荷需求、可控电源发电容量特性曲线，量化其供电成本和投资成本，并为了确保对重要负荷的供电，以电力电量平衡及供电可靠性等为约束条件，这样的规划结果更具有实际运用的作用。

(二)有储能元件情况

因为风能和太阳能具有随机性和波动性的特点，处于孤岛运转的微电网会出现发电机出力小于负荷的情况，这时需要储能元件和不间断电源共同补充风能和太阳能出力的不足。
孤网运转时，重要负荷的供电可靠性计算如下。首先计算微电网的缺电概率，认为每小时内风能和太阳能等分布式电源的输出功率是恒定的，将一年分为 8760h，每小时计算一次。
（1-4）
式中： 、 分别为风机和光伏列阵的数量； 、 分别为风机和光伏列阵的第t小时内的发电量，以风速、气温、光照强度等数据作为输入，计算得到； 为其总发电量。
有下面几种情况：
当第 t 小时风机和光伏列阵总发电量大于用电量时，储能充电：
（1-5）
式中： 为第t小时内的用电量； 为第t小时储能元件的容量； 为第t-1小时电池的容量； 为电池自放电系数； 为变换器的效率； 为储能元件的充电效率。
当第 t 小时风机和光伏列阵总发电量小于用电量时，储能元件放电：
（1-6）
当第 t 小时风机和光伏列阵总发电量远小于用电量时，需要其他不间断电源共同为微电网供电，其总发电量为 ，不间断电源经过组合后最大限度地满足微电网的负荷需求，此时：
（1-7）
当所有微电网电源及储能剩余容量仍不能满足负荷需求时，第 t 小时的缺电量 为：
（1-8）
转换为全年的缺电概率，即：
（1-9）
含风机、光伏列阵、储能装置及其他类型分布式电源的全年孤岛运转的微电网电源容量优化配置策略，将从投资成本角度，以总投资最少为目标函数，以电力电量平衡及供电可靠性等为约束条件，将微电网电源的优化配置理由转化为一个多约束条件的非线性整数规划理由[3]。

二、目标函数

假定某微电网含有风机、光伏列阵及其他不间断电源（主要为微型燃气轮机、柴油机、燃料电池），在目标函数建立时主要将设备投资费用、运转和维护费用、燃料费用、环保折算费用 4 部分计入[4][5]，使等年值投资费用最低，同时满足用户要求的供电可靠性。
投资成本的经济性数学模型描述如下：
（2-1）
式中：N 为电源的类型数目；x=[x1， x2，……， ]，为决策变量； 为第 i 种电源的数目； 为第 i 种电源的等年值设备投资费用； 为第 i 种电源的年运转和维一种微电网孤岛模式经济优化运转的解决方案由专注毕业论文与职称论文的www.7ctime.com提供,转载请保留.护费用； 为第 i 种电源的年燃料费用； 为第 i 种电源的环保折算费用。
（1）等年值设备投资费用
分布式发电的装机成本与集中式发电相比偏高，但随着技术的发展，这一制约因素有望得到解决。分布式发电装机成本与具体项目密切相关：
（2-2）
式中： 为电源的等年值设备投资费用； 为装机成本； 为项目全寿命周期年限，13a； 为年资金回收率，其表达式为：
（2-3）式中 r 为折现率，其值为加权平均资本成本，用于测算投资方案的净现值和现值系数，以比较投资方案，进行投资决策。为简化计算，考虑筹资方式如下：
借款利率 Rw为 6.9%（目前银行 5a 以上长期贷款利率为 6.84%），权益收益率 Ew为 15%，负债率 Dw为 80%，所得税率 Tw为 33%。则 r 的计算如下：
（2-4）
（2）运转和维护费用
正比于机组装机容量 ：
（2-5）
式中： 为第 i 种电源的比例系数，$/（kW a）； 为第 i 种电源的年机组启停费用。
不间断电源存在机组论文导读：，为1h，、为单位小时内的充放电功率，即：（3-8）此外，蓄电池在充放电过程中是存在损耗的，由电池的自身放电和充放电损耗组成，通常厂家会给出其双程效率，算例中的充电效率采用双程效率，放电效率认为是100%。采用CEFC公司125V200A-VRB钒电池电堆，其标准额定容量为50kWh，额定功率为25kW，双程效率为72%，每小时自放电率为0
启停费用， 取决于第 j 次启动前的停运时间 ，其表达式：
（2-6）
式中： 为第 i 种电源的热启动费用； δi为第 i 种电源的冷启动费用； 为第 i 种电源的冷启动时间常数； 为第 i 种电源的启停次数。
（3）燃料费用
不间断电源也存在燃料费用。天然气、柴油的上升会恶化分布式发电的经济性。
（2-7）
式中： 为第 i 种电源的年发电量，kW h； 为各种电源燃料费用比例系数。当采用热电联产运转时，产生的废热可以用于用户侧的热水或蒸汽供应，替代供热的燃料成本，客观上会降低燃料费用。
（4）环保折算费用
按照《京都议定书》的规定，包括中国在内的发展中国家从2012 年开始承担温室气体减排义务。中国政府为节约能源、减少污染，实行了节能减排政策，鼓励利用清洁能源和可再生能源发电。以风电和太阳能为主的可再生能源发电是实现节能减排的有效途径之一。为了将微电网电源对环境的影响统一到评估模型，本文根据各种分布式发电技术的污染排放特性来评估环境影响，将环境影响折算成费用：[6]
（2-8）
式中： 为第 k 种污染物的排放系数； 为其污染物的环境价值； 为污染物所受罚款；M 为污染物的种类。

三、约束条件

（1）电源出力约束
基于地理位置所能利用最大可再生能源能量，限制太阳能的发电容量：假设计算得到该地能接受最大的太阳能量为 ，则有
（3-1）
对于第 i 种电源，有：
（3-2）
式中： 为单机容量； 为第i种电源台数。
（2）可靠性约束
因为风能和太阳能具有随机性和波动性的特点，全年处于孤岛运转的微电网会出现发电机出力小于负荷的情况，这时需要不间断电源补充风能和太阳能出力的不足。
（3-3）
式中：RLRSP为缺电概率（loss of power supply probability，LPSP），为全年孤岛运转的微电网可靠性指标； 为系统最大允许缺电概率。 可靠性指标的计算策略如前所述：
（3-4）
（3）蓄电池充放电约束：
蓄电池作为储能元件，储能制约器可以快速制约储能装置充放电来跟踪负荷的变化。蓄电池实际可用容量 是电池温度的函数：
（3-5）
式中： 为蓄电池的温度，即为环境温度 ； 为标准状况下蓄电池的额定容量，通常由厂家提供参数；标准状况下温度 为25℃； 为容量温度系数，通常情况下位0.6%；。
在电池的充放电过程中需要考虑两个约束条件：
1）确保蓄电池的寿命和运转安全。
为电池充电状态（state of charge，SOC），是储能制约器防止电池过度充电和过度放电的一个重要决策变量。当 达到电池最大容量（即 ）时，储能制约器制约电池停止充电，当 达到电池最小充电状态时，储能制约器制约电池停止放电， 通常是电池容量的20%，即
（3-6）
（3-7）
电池的寿命也与其充放电率有关，充放电率过高将降低电池的使用寿命。每小时的充放电容量不能超过其最大容量的20%， 为1h， 、 为单位小时内的充放电功率，即：
（3-8）
此外，蓄电池在充放电过程中是存在损耗的，由电池的自身放电和充放电损耗组成，通常厂家会给出其双程效率，算例中的充电效率采用双程效率，放电效率认为是100%。采用CEFC公司125V200A-VRB钒电池电堆，其标准额定容量为50kWh，额定功率为25kW，双程效率为72%，每小时自放电率为0.01%。
因此要加上以下电源约束条件：
（3-9）
（3-10）
（4）数量约束
受自然条件，市政规划建设所限，分布式电源都有一定的数量限制，比如，风机基本不能安装在市区或者老城区；光伏电池多安装在住宅区或者办公区，工厂中就比较少；而燃气轮机一般应用在对冷或者热负荷有需求的区域，但考虑到效率理由，一般都是以热/冷定电，安装数量和发电量也有限。

1.风机数量约束

风电机组风轮直径数据见一种微电网孤岛模式经济优化运转的解决方案由优秀论文网站www.7ctime.com提供,助您写好论文.下表：
表3-1风轮直径与额定功率的对应关系
最大允许安装风机数量为：
（3-11）
式中， 为风机安装最大数量，（台）； 为新规划总面积，（ ）； 为一台风机占地面积，（ ）； 为空间利用系数，一般为0.3～0.5。

2.光伏电池数量约束

规划中，光伏电池板主要应用于居民楼、市政办公区和商业区，一般安装在建筑物的迎光面和屋顶。由于居民楼屋顶一般有太阳能热水器，光伏电池板安装数量较少，最大安装数量为：
（3-12）
式中， 为光伏电池板安装最大数量，台； 为太阳能电池板可安装的用地面积， ； 为一块光伏电池板的占地面积， ； 分别为居住、市政和商业建筑的空间利用系数。
因此要约束条件中也包括分布式电源数量约束：
风力发电机个数约束条件：
（3-13）
式中， 代表风机台数； 代表风机最大允许安装台数。
光伏电池板个数约束条件：
（3-14）
式中， 代表光伏电池板个数； 代表光伏电池数量最大值。

四、优化理由的求解

前述优化制约理由，将机组组合和功率优化联立起来，本质上是一个含离散和连续变量的非线性复杂优化理由，针对此类理由有一些标准的求解策略，包括数学策略，如混合整数线性规划策略、动态规划策略、序列二次规划策略、混合整数非线性规划策略；以及智能化求解策略，如：遗传算法、模糊多目标决策理论、粒子群优化算法、蚁群优化算法，等；此不再赘述[4]。
五、结论
微网孤岛运转模式下通过调控微网内部微源有功/无功功率、储能功率、电压补偿器、变压器分接头以及与配电网之间的交换功率等，实现微网运转的安全可靠、经济高效，保证负荷的持续、高质量供电。微网的优化运转在进行适当的规划化后，可得到对应的非线性约束优化理由。
参考文献
[1]黄伟，孙昶辉，吴子平，等。含分布式发电系统的微网技术研究综述[J]。电网技术，2009，33（9）：14-34
[2]肖朝霞。微网制约及运转特性分析[D]。天津大学，2008论文导读：研究综述。浙江电力，2010，3：1-5.王成山，肖朝霞，王守相。微网综合制约与分析。电力系统自动化，2008，32（10）：98-103.黄小荣，陈鸣，陈方林。微网运转模式及制约策略研究。华东电力，2012，40（5）：799-802.王新刚，艾芋，徐伟华，等.含分布式发电的微网能量管理多目标优化.电力系统保护与制约，37（20）：79-83.上一页123
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[3]赵波，李鹏，童杭伟，等。从分布式发电到微网的研究综述[J]。浙江电力，2010，3：1-5.
[4]王成山，肖朝霞，王守相。微网综合制约与分析[J]。电力系统自动化，2008，32（10）：98-103.
[5]黄小荣，陈鸣，陈方林。微网运转模式及制约策略研究[J]。华东电力，2012，40（5）：799-802.
[6]王新刚，艾芋，徐伟华，等. 含分布式发电的微网能量管理多目标优化. 电力系统保护与制约，37（20）： 79-83.