海島微電網(wǎng)組網(wǎng)優(yōu)化研究

楊湛曄，馬紅偉，毛建容

(許繼集團智能電網(wǎng)研究中心，北京市100085)

海島微電網(wǎng)組網(wǎng)優(yōu)化研究

楊湛曄，馬紅偉，毛建容

(許繼集團智能電網(wǎng)研究中心，北京市100085)

闡述了一種海島微電網(wǎng)組網(wǎng)方案的優(yōu)化方法，并結合實際項目運行數(shù)據(jù)進行了驗證。通過對微電網(wǎng)組網(wǎng)方案數(shù)據(jù)的整理分析，研究了利用Homer工具計算并網(wǎng)、離網(wǎng)組網(wǎng)方案的凈現(xiàn)值投資、發(fā)電成本單價、發(fā)電量及可再生發(fā)電比例，分析光伏設備價格、儲能設備使用壽命、風速、柴油價格波動對組網(wǎng)方案的影響，比較出經(jīng)濟性最優(yōu)方案。然后在Powerfactory仿真軟件中搭建經(jīng)濟性方案模型，研究驗證最優(yōu)方案的可行性，實際并網(wǎng)運行數(shù)據(jù)和調(diào)研資料也驗證了現(xiàn)有組網(wǎng)方法合理。

微電網(wǎng)；海島供電；并網(wǎng)運行；離網(wǎng)運行；homer優(yōu)化計算；Powerfactory仿真

0 引 言

海島供電系統(tǒng)接入新能源發(fā)電，組成海島新型智能微電網(wǎng)，可以作為微電網(wǎng)的一種典型運行方式，具有微電網(wǎng)的一般特性，又需結合海島自身特點，形成適合海島可持續(xù)發(fā)展的組網(wǎng)方案。

隨著微電網(wǎng)的發(fā)展，越來越多的國內(nèi)外學者開始關注微電網(wǎng)的組網(wǎng)優(yōu)化問題。文獻[1]提出了采用細菌覓食算法對風-光-儲混合的微電網(wǎng)電源優(yōu)化配置問題進行求解的方法；文獻[2] 提出了一套含有微電網(wǎng)的配電網(wǎng)變電站規(guī)劃及網(wǎng)架規(guī)劃方法；文獻[3] 建立了風-光-儲混合電力系統(tǒng)規(guī)劃的非合作模型和合作博弈模型；文獻[4-5]分別從不同的角度分析了微電網(wǎng)組網(wǎng)方案優(yōu)化；文獻[6-8] 對海島電網(wǎng)能量管理及微電網(wǎng)的優(yōu)化配置做了系統(tǒng)的分析；文獻[9-10]對微電網(wǎng)的全網(wǎng)模型搭建與穩(wěn)定性分析及Powerfactory仿真工具做了介紹；文獻[11-12]中對分布式發(fā)電優(yōu)化及風光互補進行了深入的研究。

上述文獻在理論推導方面，模型完善方面進行了深入的研究。本文汲取上述文獻資料的成果，利用計算及仿真工具，針對特定的海島調(diào)研實際數(shù)據(jù)，進行了海島微電網(wǎng)建設的組網(wǎng)優(yōu)化，并總結了一套含多種分布式能源海島微電網(wǎng)的組網(wǎng)方法。

分布式能源的利用，不是盲目的堆砌，不是接入后的粗放管理，需要結合時間、空間進行統(tǒng)籌協(xié)調(diào)。由于分布式能源存在不穩(wěn)定性，造成了規(guī)劃選擇的多樣性，也形成了運行控制的動態(tài)特性。由于區(qū)域差異的存在，本文從多角度出發(fā)，分析了分布式能源之間，分布式能源與常規(guī)能源之間，發(fā)電與儲能之間，發(fā)電與負荷之間的關系，形成一種分布式能源優(yōu)化互補的方法。該方法分析分布式發(fā)電設備成本、效率、壽命等，形成設備成本與發(fā)電成本的比例關系；分析特定區(qū)域的自然條件，形成自然能源利用的比例關系；分析特定區(qū)域的負荷需求，形成發(fā)電與負荷的比例關系；同時考慮環(huán)境、政策的影響因素，形成相應的比例關系；將上述形成的比例關系統(tǒng)籌起來，就形成了指導微電網(wǎng)組網(wǎng)建設、運行管理的方向。

1 微網(wǎng)組網(wǎng)分析方法與流程

通過對實際海島微電網(wǎng)組網(wǎng)方案的整理與歸納，整個海島微電網(wǎng)的組網(wǎng)方案流程步驟如圖1所示。

圖1 組網(wǎng)優(yōu)化流程

可再生能源互補發(fā)電優(yōu)化建模(hybrid optimization model for electric renewable，Homer)是一個計算機模型，可針對離網(wǎng)或并網(wǎng)的分布式發(fā)電系統(tǒng)，利用優(yōu)化和靈敏度分析的算法，評估系統(tǒng)的經(jīng)濟性和技術選擇的可行性，以及考慮技術成本的變化和能源資源的可用性。

利用電力系統(tǒng)仿真軟件Powerfactory驗證組網(wǎng)方案的可靠性。Powerfactory是數(shù)字仿真和電網(wǎng)計算程序，可以進行潮流計算、故障分析、諧波分析、穩(wěn)定性分析、可靠性分析、保護、最優(yōu)潮流、配網(wǎng)優(yōu)化、低壓網(wǎng)絡分析等。

2 組網(wǎng)需求及優(yōu)化目標

組網(wǎng)方案的優(yōu)化分析，首先是要收集詳細且準確的資料數(shù)據(jù)，匯總整理成表格，為后期計算、仿真、分析備用。

2.1 數(shù)據(jù)資料

(1)自然資源數(shù)據(jù)整理：需要收集海島經(jīng)緯度、面積、地貌、常駐人口、高峰人口、綠化覆蓋面積、島上建筑物、氣候總體特征(惡劣天氣情況)、平均光照強度、平均風速、交通運輸狀況(海島與大陸交通，海島島內(nèi)交通狀況)，海島可開發(fā)占地面積，同時需要考慮柴油等燃料的價格以及價格波動的范圍，數(shù)據(jù)需要年、月、日甚至小時的平均數(shù)據(jù)。

(2)海島電源、電網(wǎng)數(shù)據(jù)整理：需要收集現(xiàn)有海島電網(wǎng)的電源、電網(wǎng)情況，是否有分布式能源接入，是否通過海底電纜并網(wǎng)等，需要海島電力系統(tǒng)結構圖，該部分數(shù)據(jù)搜集不僅要考慮現(xiàn)有數(shù)據(jù)，還要結合海島供電局的規(guī)劃與發(fā)展趨勢。

(3)負荷需求數(shù)據(jù)整理：海島電網(wǎng)的負荷需求及負荷規(guī)劃，以及典型日負荷曲線、年負荷需求總量、年負荷平均值、月平均負荷需求、月負荷峰值分布，負荷需求的數(shù)據(jù)也需要年、月、日甚至24 h的平均數(shù)據(jù)。

特殊負荷需求包括海水淡化、供熱、制冰制冷，電動汽車充放電需求，電動船充電碼頭需求等。

(4)設備數(shù)據(jù)整理：主要設備性能分析，包括儲能設備充放電深度、壽命曲線，風力發(fā)電機特性曲線，柴油發(fā)電機特性曲線等，根據(jù)海島建設實際需求以及海島規(guī)劃有目的地進行技術性能調(diào)查及比較。

在技術性能數(shù)據(jù)整理的同時，也必須關注市場動態(tài)，充分了解設備的投資成本、維護費用以及使用壽命情況等數(shù)據(jù)資料等。

(5)局限數(shù)據(jù)與政策性：全面了解海島建設發(fā)展中的各方面限制，比如某些海島上設有動物保護區(qū)，有些海島是貝類植物保護基地，因此需要考慮該海島在前期開發(fā)建設與后期運行維護時對污染物的排放限制，對燃料使用總量的限制，以及土地開發(fā)方面的限制，所以有必要對政策性法規(guī)文件等進行梳理。

2.2 資料來源

在數(shù)據(jù)整理時，可先制定清晰的收資表，在收資過程中補充完善，后期對數(shù)據(jù)加工，查漏補缺。原始資料的完整與準確直接影響到組網(wǎng)方案工作的效率。

部分數(shù)據(jù)資料可從NASA網(wǎng)站獲取，部分數(shù)據(jù)資料需要跟蹤市場信息，多數(shù)資料數(shù)據(jù)必須與海島及相關各部門溝通聯(lián)系，以便獲得準確、詳細的資料。

2.3 數(shù)據(jù)示例

以下給出案例海島風力發(fā)電相關數(shù)據(jù)的資料，如表1～2，圖2所示。

可參考上述表格，對所有組網(wǎng)數(shù)據(jù)資料進行加工整理，以便優(yōu)化過程中初始邊界條件及迭代刻度的選擇。

2.4 實際組網(wǎng)需求示例

表1 某海島年平均風速

表2海島風機成本資料

Tab.2Costsofwindturbineonisland

圖2 海島風機特性曲線

將組網(wǎng)方法運用于南海某旅游生態(tài)海島的組網(wǎng)規(guī)劃中，選定海島目前已開發(fā)的大規(guī)模風力發(fā)電，風電出力遠遠大于海島需求，多余電量通過海底電纜并網(wǎng)。海島電網(wǎng)每年需保證1個月的離網(wǎng)維修，離網(wǎng)期間僅能憑借柴油機集中供電，柴油燃料受限不能保證供電可靠性，離網(wǎng)同時無法協(xié)調(diào)風電場出力，損失了大量的風電資源，因此需要優(yōu)化組網(wǎng)方案。

2.5 優(yōu)化目標

(1)發(fā)電費用最小。

式中：Pij為不同分布式發(fā)電(distributed generation,DG)的額定功率；ni為該DG電源的種類數(shù)量；ai為發(fā)電成本，包括燃料消耗成本、維護成本、折舊成本、購電成本等。

(2)治理費用最小。

式中：k代表不同治理類型(污染排放、CO2排放、噪音等)，Cikrik(Pi)表示治理發(fā)電Psi所產(chǎn)生的不良影響的費用。

(3)發(fā)電與用電平衡，儲能參與發(fā)電峰谷調(diào)節(jié)與互補。

∑P發(fā)電+∑P用電=∑P儲能調(diào)節(jié)

另外，離網(wǎng)型微電網(wǎng)的最優(yōu)組網(wǎng)，必須確定最優(yōu)微源結構，確定離網(wǎng)最小組網(wǎng)配置，最大組網(wǎng)配置(最大負荷需求)，明確計劃性孤島月份，分析非計劃性孤島方案，分析特定變量的影響等。

3 并網(wǎng)型微電網(wǎng)組網(wǎng)方案優(yōu)化方法

3.1 并網(wǎng)組網(wǎng)方案優(yōu)化原則

(1)并網(wǎng)型的海島微電網(wǎng)，負荷需求滿足最大峰值數(shù)據(jù)，默認不考慮柴油發(fā)電機接入，同時考慮適當規(guī)模的分布式發(fā)電設備，在Homer工具中計算迭代，計算最優(yōu)方案。

(2)歸納典型結構方案，從多種角度考慮分析，例如完全依靠外界電網(wǎng)供電的并網(wǎng)方案、光儲互補的并網(wǎng)方案、單純接入風力發(fā)電的并網(wǎng)方案和具備風、光、儲互補的并網(wǎng)方案等，需根據(jù)實際情況歸納整理。

(3)最優(yōu)典型結構方案對比，針對不同最優(yōu)典型方案的投資金額、發(fā)電量、排放量、可再生能源比例、單位發(fā)電電價，進行對比分析，結合海島實際情況選擇組網(wǎng)方案。

(4)最優(yōu)方案的確定過程中，需保證最優(yōu)方案中任意可選項都通過最小可選刻度值上下浮動的比較。

具體的并網(wǎng)優(yōu)化流程如圖3所示。

3.2 組網(wǎng)方案及敏感性分析

根據(jù)分析，對選取的海島進行逐項分析，設定了8種組網(wǎng)方式，統(tǒng)一計算，進行數(shù)據(jù)迭代對比，最后形成如表3所示的8種最優(yōu)方案。

上述8種不同結構下的最優(yōu)方案，其中第1種方案為當前風電場并網(wǎng)的發(fā)電情況，第5種為風力發(fā)電退出并網(wǎng)發(fā)電的情況。

敏感性分析：由于海底電纜和風電廠的前期投資已經(jīng)完成，且投資規(guī)模較大，因此新增分布式發(fā)電設備價格、維護費用、風速變化、儲能設備使用壽命等敏感性因素對組網(wǎng)方案、投資凈現(xiàn)值、單位發(fā)電成本、污染物排放量的影響較小。現(xiàn)有風力發(fā)電并網(wǎng)效益較高，其余分布式發(fā)電在并網(wǎng)條件下將會增加發(fā)電的成本。

圖3 并網(wǎng)優(yōu)化流程圖

表3 并網(wǎng)型微電網(wǎng)組網(wǎng)典型方案數(shù)據(jù)對比

優(yōu)化結論：并網(wǎng)新增風光柴儲等設備，不可避免地會增加凈現(xiàn)值及發(fā)電成本，但是海底電纜、海上風電的建設并不普遍，考慮新能源發(fā)電的環(huán)境效益及社會效益，以及海島的實際離網(wǎng)供電需求，增加分布式發(fā)電實為海島電網(wǎng)建設的方向。

4 離網(wǎng)型微電網(wǎng)組網(wǎng)方案優(yōu)化方法

4.1 離網(wǎng)組網(wǎng)方案計算

(1)確定典型微源結構。按照統(tǒng)一負荷需求設定邊界條件，枚舉典型微源結構，例如風光柴儲微電網(wǎng)方案、風柴儲微電網(wǎng)方案、光柴儲微電網(wǎng)方案、柴儲微電網(wǎng)方案，通過Homer計算出各自的最優(yōu)方案，然后分析不同最優(yōu)方案的組網(wǎng)配置、投資凈現(xiàn)值、發(fā)電量成本、污染物排放量等數(shù)據(jù)。

(2)確定負荷需求區(qū)限。設定相同的微源組成結構，如風光柴儲微電網(wǎng)，選擇不同的負荷需求(月份、峰值負荷、平均負荷等)，通過Homer計算出各自最優(yōu)方案，分析不同負荷需求條件下的最優(yōu)方案的組網(wǎng)配置、投資凈現(xiàn)值、發(fā)電量成本、排放量等數(shù)據(jù)。

表4 特定海島小/大負荷需求組網(wǎng)數(shù)據(jù)對比

表4對比了特定海島小負荷需求與大負荷需求的相關數(shù)據(jù)，隨著負荷的增加，組網(wǎng)設備容量隨之增加，凈現(xiàn)值隨之增加，發(fā)電成本略微下調(diào)，污染物排放量也會隨之增加。

(3)根據(jù)實際需求優(yōu)化組網(wǎng)方案。針對并網(wǎng)型有離網(wǎng)需求的微電網(wǎng)，由表4可知，不同的負荷需求會影響最優(yōu)方案及其凈現(xiàn)值、發(fā)電量成本、污染物排放量。

可以明確計劃離網(wǎng)月份可以選擇負荷需求較小且分布式發(fā)電出力均較小的月份。

一旦發(fā)生非計劃性離網(wǎng)，組網(wǎng)方案要能滿足大部分時段的負荷需求，又不能盲目最大化投資，可根據(jù)實際情況斟酌。

具體的離網(wǎng)優(yōu)化流程如圖4所示。

4.2 離網(wǎng)組網(wǎng)方案優(yōu)化對比

以案例較小負荷需求為例，計算出的4種典型最優(yōu)方案分別為：風光柴儲方案1、風柴儲方案2、光柴儲方案3、柴儲方案4，結果見表4～7和圖5。

綜合所有優(yōu)化方案數(shù)據(jù)，風光柴儲微電網(wǎng)具有分布式發(fā)電滲透率較高，互補穩(wěn)定性好，環(huán)境效益較好，初期建設成本略大，適宜作為最終方案；風柴儲微電網(wǎng)相比互補性略差，可作為初期可選方案；光柴儲微電網(wǎng)沒有充分考慮該海島風力資源優(yōu)勢，不推薦應用于該島方案；柴儲微電網(wǎng)離網(wǎng)運行穩(wěn)定性最好，不受光、風資源限制，災害天氣等惡劣情況下效果明顯，可是燃料消耗較大，污染物排放較大，可作為后備方案，解決短期極端情況。

4.3 敏感性分析

得出最優(yōu)方案后，針對方案選取中的一些變量進行敏感性分析，例如可分別對柴油價格、光伏設備價格、儲能設備使用壽命、風速等級進行分析，設定邊界條件及最小刻度，逐步迭代求計算特定變量對最優(yōu)方案的影響，結果見表8～9。

圖4 離網(wǎng)優(yōu)化流程圖

表5 組網(wǎng)方案對比

表6 組網(wǎng)方案發(fā)電量對比

圖5 典型離網(wǎng)方案月平均發(fā)電數(shù)據(jù)對比

表7 組網(wǎng)方案排放量對比

表9柴油價格對發(fā)電量的敏感性分析數(shù)據(jù)

Tab.9Sensitivityanalysisofdieselpricestogeneratedenergy萬kW·h/a

數(shù)據(jù)顯示隨著柴油價格的降低，發(fā)電成本也大幅降低，可再生能源利用率也隨之降低。通過敏感性分析，可歸納出變量對最優(yōu)方案的影響，增加方案選擇的靈活性。

因此，該方法形成了根據(jù)不同變量變化的一系列建設方案，指導下一步建設的方向。

5 微電網(wǎng)穩(wěn)定性分析方法

根據(jù)經(jīng)濟性優(yōu)化分析所得的最優(yōu)方案，在Powerfactory仿真環(huán)境中，搭建最優(yōu)組網(wǎng)方案仿真模型，驗證經(jīng)濟性優(yōu)化方案的可靠性。

針對特定海島組網(wǎng)，按最優(yōu)方案搭建了全網(wǎng)模型，分別進行了并網(wǎng)、離網(wǎng)潮流分析，故障分析以及穩(wěn)定性分析，驗證了分布式發(fā)電出力變化、負荷變化對離網(wǎng)微電網(wǎng)的影響，研究配置的儲能設備是否能最大化消納分布式發(fā)電的峰谷差額，并為Homer經(jīng)濟性優(yōu)化提供了反饋信息，最終確定了兼顧經(jīng)濟性和穩(wěn)定性的組網(wǎng)方案。

6 結 論

通過特定海島微電網(wǎng)組網(wǎng)的優(yōu)化分析，提出了一種針對微電網(wǎng)組網(wǎng)方案優(yōu)化的方法，該方法通過并網(wǎng)運行數(shù)據(jù)的驗證，同時有助于離網(wǎng)微電網(wǎng)的互補優(yōu)化配置，不僅適用于海島，也適用于一般性微電網(wǎng)，并得出如下結論：

(1)并網(wǎng)優(yōu)化需側重經(jīng)濟性因素，離網(wǎng)型優(yōu)化則以穩(wěn)定性為出發(fā)點，綜合考慮經(jīng)濟、社會、環(huán)境效益。并網(wǎng)型海島有離網(wǎng)需求的微電網(wǎng)要根據(jù)需求考慮計劃離網(wǎng)、非計劃離網(wǎng)方案的區(qū)別。

(2)經(jīng)濟性分析、穩(wěn)定性分析互為邊界條件，需進行多次計算，以滿足經(jīng)濟性和穩(wěn)定性的需求。

(3)該方法的難點在于原始數(shù)據(jù)的收集整理以及穩(wěn)定性分析時個性化仿真模型的搭建。

(4)該優(yōu)化方法結合實際數(shù)據(jù)，針對優(yōu)化進行了了大量的數(shù)據(jù)比較和仿真分析，為微電網(wǎng)組網(wǎng)規(guī)劃做出了貢獻。

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(編輯：劉文瑩)

OptimalCombinationTechnologyofIslandMicrogrid

YANG Zhanye, MA Hongwei, MAO Jianrong

(Smart Gaid Research Institute of XuJi Co., Ltd., Beijing 100085, China)

This paper introduced the optimal combination scheme of island microgrid, and validated the scheme with using the operation data of actual projects. Through the arrangement and analysis of combination data of microgrid, the net present value of investment, the unit price of generating cost, the generated energy and the renewable power ratio in grid-connected mode or island mode were calculated by software Homer. Then, the equipment price of photovoltaic power generation was analyzed, as well as the influence of energy storage equipment’s service life, wind speed, diesel price on combination scheme, in order to obtain the most economical scheme. Finally, the model for the most economical scheme was built by simulation software PowerFactory, the feasibility of optimal scheme was studied and validated; its rationality was also proved by the actual operation data in grid-connected mode and the investigation materials.

microgrid; islanding power supply; grid-connected; island mode; homer optimization calculation; powerfactory simulation

TM 727，TM 732

： A

： 1000-7229(2014)06-0063-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.012

2013-12-14

：2014-01-14

楊湛曄(1981)，男，碩士，工程師，主要從事微電網(wǎng)及分布式發(fā)電接入的研究，E-mail：kirksharp@foxmail.com；

馬紅偉(1974)，男，碩士，高級工程師，主要從事微電網(wǎng)及分布式發(fā)電接入的研究，E-mail：mahongwei@xjgc.com；

毛建容(1975)，女，碩士，高級工程師，從事微電網(wǎng)及分布式發(fā)電接入的研究，E-mail：maojianrong@xjgc.com。