孤島運行微網有功功率優化控制研究

鄒 文，吳福保，施 濤，赫衛國

（國網電力科學研究院，江蘇南京210003）

微網是從系統的角度將分布式發電（DG）與負荷組成單一的可控單元[1]。微網中的電源多為微電源，包括光伏電池、風力發電機、燃料電池、微型燃氣輪機等，還包括蓄電池、超級電容器等儲能裝置。它們接在用戶側，具有低污染、低成本、低電壓的特點[2]。微網既可以與大電網聯網運行，也可以在大電網故障時獨立孤島運行。作為微網主要清潔發電設備的光伏電池、風力發電機等對氣候與環境的變化比較敏感，一旦天氣發生劇變，其出力隨之出現大的改變。聯網運行時，由于有大電網的支撐，微網運行不會受到很大影響。在孤島運行模式下，電源出力的較大波動可能會引起微網有功不平衡和頻率大幅偏移，超出安全運行范圍。因此，在孤島運行模式下，有效的微網有功功率優化控制策略非常重要。針對于此，國內外學者做了一些初步研究，給出了抑制微網功率波動和阻止微網頻率大幅偏移的一些方法，主要包括協調控制微電源[3]和設計微電源控制器[4]。一些研究針對微網出現嚴重有功缺額的現象，提出了中斷負荷的想法，或者給出了智能負荷控制的概念[5]。文中引入了需求響應的概念，提出了以微網經濟收益最優為目標，計及可中斷負荷的有功功率優化控制模型和計及可中斷負荷與電源備用的聯合優化控制模型，并對負荷的被迫中斷和用戶自愿中斷加以區分。

1 可中斷負荷

需求響應是指電力用戶針對市場價格信號或激勵機制做出響應并改變正常電力消費模式的市場參與行為[6]。根據美國能源部的研究報告，按照用戶不同的響應方式可將需求響應劃分為2種類型：基于價格的需求響應和基于激勵的需求響應[7]。

可中斷負荷是1種基于激勵的需求側響應，指那些以合約等方式允許有條件停電的負荷。可中斷負荷的方式有折扣電價的事前補償和實際停電后的事后高額賠償2種。低電價可中斷負荷（ILL）是在事故前通過電價打折來換取負荷的可中斷權，高額賠償可中斷負荷（ILH）則是在事故發生且中斷措施實施后才進行賠償[8]。

部分用戶根據自己的實際負荷狀況與微網簽訂可中斷運行合同，對可靠性要求不高的可中斷負荷，簽訂折扣式ILL合同，而對供電可靠性要求相對高一些的可中斷負荷，簽訂ILH高賠償式合同。

2 數學模型

根據微網運行的特點，本文建立的微電網優化運行數學模型基于如下假設。

（1）假設每個可中斷負荷均為定值，通過折扣（賠償）系數來體現各個負荷被中斷意愿的強弱。

（2）將所有可中斷負荷的狀態分為3種情況，分別為：①用戶自行中斷，即用戶根據自身實際需要實施的中斷操作，此時無需繳納電費，也不計及中斷補償費用；②微網調度中斷，需計及中斷補償費用；③運行中，需繳納電費。

（3）忽略后備電源初始安裝費用，只計及燃料成本和固定運行成本。

（4）后備和可中斷負荷在微網有功優化調度過程中的優先級相同，其響應速度滿足要求。

2.1 僅計及可中斷負荷管理

優化目標為微網收益最大，控制變量為所有可中斷負荷的開關狀態xi。數學模型為：

其中，pi和bi分別為第i個可中斷負荷與微網簽訂的合同電價和被微網調度中斷后的單位賠償費用，pi=αip0， bi=βip0，i=1，2，…，I，I為負荷總數，αi為可中斷負荷i的電價系數，βi為中斷賠償系數（對于ILL，αi≤1， βi=0，對于 ILH，αi=1），p0為基本售電電價，元/MW；c0為微網平均購電成本為微網向第g個微電源購電的購電，元/MW，Pg為第g個微電源賣給微網的有功功率，MW，G為微電源的總數；Pi為第i個可中斷負荷的大小，MW；xi為第i個可中斷負荷的開斷狀態，1表示接入電網運行，0表示斷開，表示取反；ui為可中斷負荷的中斷性質，1表示微網調度中斷，0為用戶自中斷；s為可中斷負荷的運行狀態變化次數標識，只要其狀態發生變化，s就將增加1；ΔP為微網的有功缺額；E為開關動作次數的限值；為“異或”運算符；γ為微網優化不匹配量限值：

式中，P為微網的有功發電容量，MW；a為限值的初始因數；t為調節檔數；m為調節幅度大小。

某一時刻微網有功缺額ΔP是確定的，各可中斷負荷的大小也是確定且不可調節的，在優化過程中，往往有功調節量無法準確平衡有功缺額。此時可退而要求有功優化調節后功率差額在限值γ內，以滿足系統頻率要求。初始時，可取調節檔次t=0，當無法計算出優化解時，可逐步改變檔次，但若t已經為最高檔 （即微網所能承受的最大有功不平衡量），仍然無解時，說明通過可中斷負荷的作用已經無法消除出現的有功缺額，此時將目標函數變為：

即以微網安全運行取代微網收益，以最小化有功不平衡量為優化目標。

2.2 同時計及可中斷負荷與備用投入

實際微網運行中，為了提供更好供電質量與更高可靠性的電能，會在網絡中增加后備電源。若后備電源有功出力在限定范圍內連續可調，則同時計及可中斷負荷與電源備用的有功功率優化可實現微網有功的準確平衡。

仍然取優化目標為微網收益最大，優化變量包括所有可中斷負荷的開關狀態xi，后備電源的投入狀態yj和投入有功量Pj，數學模型為：

其中，pi，c0，bi，xi，ui，Pi，s，I，ΔP，E 含義同（1）式；cj，Pj和rj分別為第j個后備電源的單位發電成本、有功出力和運行固定成本；yj為第j個后備電源的投入狀態，1為投入發電，0表示未投入；和分別為第j個后備電源的最小和最大出力限制，j=1，2，…J，J為所有后備電源的個數。

在等式約束中，第一項為可中斷負荷優化調節量，第二項為后備電源優化調節量，二者之和為有功優化總調節量。由于后備電源有功輸出連續可調，因此聯合優化模型可以做到完全消除不平衡量。

文章所構建的優化模型的控制變量包括各可中斷負荷的開關狀態、后備電源的投入狀態和投入有功功率大小，屬于離散變量和連續變量的混合優化問題。文中引入遺傳算法對式（1）和式（4）分別求解，其基本步驟略。

3 算例分析

參照文獻[9]，微網仿真系統如圖1所示。孤島運行時，微網總發電容量P=10 MW。微型燃氣輪機MT2為微網后備電源，其出力限值Pmin=0.1 MW，Pmax=0.85 MW，單位發電成本 cj=300 元 /（MW·h），固定運行成本rj=300元。整個微網中有10個可中斷負荷， 其中 1，2，5，6，8，10，11 為 ILL，3，7，12 為ILH，其相關數據如表1所示。

基本售電電價取為 P0=700 元 /（MW·h），平均購電成本 c0=300元 /（MW·h）；不平衡量限值 γ的初始因數 a=0.3%， 檔數 t=0，1，2， 調節幅度 m=0.35%；開關損耗限值E=7。微網出現的有功不平衡分為有功過剩（ΔP＞0），有功不足（ΔP＜ 0）2種情況。現對微網可中斷負荷開關初始狀態進行設置，如表2所示。其中開關狀態（xiui）為1表示開關閉合，開關狀態為00或者01分別表示開關為用戶自中斷或調度中斷。

圖1 微網仿真系統

表1 可中斷負荷數據

根據不同的有功不平衡量ΔP，模型一（僅計及可中斷負荷）和模型二（同時計及可中斷負荷與后備電源）的優化結果分別如表3和表4所示。由表3和表4可得出以下結論：

表2 可中斷負荷初始開關狀態

（1）一般情況下，優化結果遵循先切 （后投）ILL，再切（先投）ILH的規律。但是表3中當ΔP=1.7 MW時，違背了該規律，這是因為在優化后需要保持有功不匹配量在微網要求的限值內。

（2）有功偏差較小時，模型一比模型二收益更大。這是因為模型一優化無需精確匹配功率差額，因此不需要啟動成本相對較高的后備電源，而僅需啟動運行成本較低的ILL。

（3）有功偏差較大時，模型一通常比模型二收益小。因為模型一中，即使中斷所有的ILL也無法做到補償所有功率缺額，必須中斷高成本的ILH，這樣不僅損失了售電收入，還需要給予高價的賠償。而模型二中啟動后備電源時可以減少甚至避免中斷ILH。

（4）由用戶實施自中斷的負荷，在優化計算時不作為可中斷調度計入。

（5）2組模型對于微網出現的有功不平衡量均具有較好的平衡作用。僅計及可中斷負荷優化模型雖無法保證完全補償有功缺額，但是能保持不匹配量在可以承受的限值范圍之內，加入后備電源的聯合優化模型能夠完全消除有功不平衡量。

表3 計及可中斷負荷優化結果

表4 同時計及可中斷負荷和后備電源優化結果

4 結束語

作為微網主要清潔發電設備的光伏和風力發電具有較大的間歇性，導致微網經常出現較大的有功不平衡量。論文以微網收益最大為優化目標，給出了2種模型，分別為計及可中斷負荷優化模型和同時計及可中斷負荷與備用電源的優化模型，在優化中區別用戶自中斷行為與調度中斷行為。算例仿真表明，所建立的2組模型均能有效補償微網中出現的有功缺額，保證微網運行在安全范圍內。

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[7]US Department of Energy.Benefits of Demand Response in Electricity Markets and Recommendations for Achieving them:a Report to the United State Congress Pursuant to Section 1252 of the Energy Policy Act of 2005[EB/OL].[2010-04-4-23].http://www.oe.energy.gov/Documents and dia/congress_1252d.pdf.

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