微網低碳減排經濟運行分析

石琪　付立思

摘要：為滿足大面積牧場獨立微網低碳減排的需要，從經濟性和低碳性方面分析運行效益形成機理，綜合考慮風電、光伏時間利用特性，儲能系統的使用壽命及轉換特性，以及環境折舊成本的經濟特性，提出風、光、柴、儲的合理調度策略，在滿足環境效益的同時實現綜合成本最小化。采用遺傳算法算例分析，對比分析四季典型日系統電力平衡情況和系統成本曲線，證明系統的經濟可行性。

關鍵詞：微網；孤島運行；儲能轉換特性；經濟性；環境效益；調度策略

中圖分類號：7341 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2015）03-0043-04

隨著化石能源的枯竭、減排呼聲的日益增長以及用戶對供電可靠性需求的提高，分布式發電正成為許多國家、地區及特殊環境下的重要發展方向之一。為充分發揮可再生能源發電等分布式能源系統的效益，微網將各種分布式電源、負荷、儲能單元及控制裝置等結合在一起，形成一個單一可控的單元，向用戶提供電能。風機、光伏等可再生能源發電具有間歇性、隨機性和不確定性，給微網的安全可靠運行帶來了越來越多的挑戰。儲能系統憑借其可充可放的特性，能有效克服可再生能源發電的波動性，確保偏遠地區及大牧場的獨立微網發電順利進行。

有效的利用可再生能源，使微網系統穩定、可靠、經濟運行，成為近年來微網研究的關鍵核心問題。有些文獻利用隨機概率模型分析光伏、風力發電，并用模擬法分析能源的經濟成本和效益，沒有利用輸出功率等條件優化成本。在些文獻基于經濟性考慮，并未考慮環境性的成本，在單目標下進行運行優化。有的文獻從輸電性分析電網的低碳效益，運用低碳模型分析電力技術新理念。還有的文獻提出延長蓄電池的使用壽命，但通過轉換蓄電池使用次數來延長使用壽命的研究較少。為滿足面積遼闊的牧場自主發電需求，利用蓄電池的有效循環，減少柴油發電機的利用率，減輕對環境的污染，為牧場使用獨立微網系統提供技術支持。

風、光、柴、蓄是典型的獨立微網系統，柴油發電機與蓄電池儲能特性相互結合具有3個作用：1） 考慮低碳減排效益，當可再生能源無法滿足負荷需求時，利用柴油發電排放的氣體破壞環境，使蓄電池的放電特性發揮重要作用。2） 柴油機作為補充電源，考慮負荷需求、綜合成本及蓄電池利用率，經濟調度柴油發電機和蓄電池組的出力。3） 在減少成本、考慮經濟性的前提下，利用柴油發電機作為蓄電池的補充電源，提供穩定充電功率，保證充電時間，延長蓄電池的使用壽命。典型獨立微電網系統如圖1所示。

1 微網系統的規劃建設

1.1 光伏電池出力模型

式中：GAC為光照強度；PSTC為標準測試條件（太陽光入射強度為1 000 W/m2，環境溫度為25 ℃，相對大氣光學質量為AM1.5）下的最大測試功率；GSTC為標準測試條件下的光照強度，其值取1 000 W/m2；K為功率溫度系數；Tc為電池板工作溫度； Tr為參考溫度。

1.2 風機出力模型

式中：N為放電深度為D時的等效循環次數；k1，k2，k3，k4，k5為相關系數。蓄電池的損耗不僅與放電深度相關，還與充電過程有關。

2 優化模型

2.1 目標函數

偏遠牧場獨立供電微網系統由風電機組、光伏電池系統、鉛酸蓄電池儲能及柴油發電機組成，在滿足無風無光的極端情況下，提出2個假設：微電網系統中蓄電池功率能夠滿足最大負荷功率需求；柴油發電機功率能夠滿足最大負荷以及電池充電需求。

微網系統成本包括設備損耗費用、運行維護費用、燃料費用和環境折算費用。在滿足系統供電可靠性的前提下，應達到綜合成本最小及效益最大。

式中：Closs1和Com2分別為柴油發電機自身損耗成本及運行維護成本；Cfuel為燃料費用；Cn1為柴油發電機污染懲罰；EDE為柴油發電機發電量；Cn2為單位電量污染懲罰，柴油發電機發電會產生NOx，SOx，COx等有害氣體，有一定的污染懲罰。

2.1.3 環境效益成本 風力、光伏的發電形式具有環境價值，大大減少環境污染物排放的同時充分利用環境資源。工程的環境效益是指減排單位量污染物所避免的“污染損失”。污染所導致的損失包括兩個方面：一是環境損失，包括過分消耗自然資源所引起的生態環境破壞和污染所引起的環境質量下降；二是環境污染所引起的非環境方面損失，如大氣污染引起的農業損失、有害物質引起的人體健康損害等。

式中：CSB，TZ為蓄電池的投資成本；CSB，YX為蓄電池的運行維護成本；nSB為蓄電池的使用年限；KSB，TZ為蓄電池的單位容量的投資成本；SSB為蓄電池的總容量；KSB，YX為微蓄電池單位容量一年的運行維護成本。

式（18）表示蓄電池成本主要與其容量相關，而與其出力基本無關。

3 算例分析

根據獨立微網運行下的數學模型和經濟原則，利用遺傳算法得出不同季節典型日發電單元的輸出功率，并確定微網系統最佳日運行計劃和最優低碳經濟成本。

蓄電池放電；圖4中同樣有兩個充電時間點和兩個放電時間點，結合系統電力平衡情況和典型日系統成本可以看出，微網中蓄電池的充分利用有效的減少柴油利用率，降低系統成本。

4 結論

以電源成本、蓄電池壽命成本及污染物的排放量為優化目標，利用儲能系統與柴油機在獨立微網系統中作用補充電源，保證不同時段的供電可靠性，減少綜合成本。蓄電池具有使用壽命，因此有效的轉換利用可以控制蓄電池成本，與柴油機結合滿足環境效益需求。蓄電池的容量配置直接影響蓄電池的輸出功率，間接影響蓄電池成本及系統運行的調度策略，滿足低碳性的蓄電容量配置有待進一步探索研究。

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Abstract： For meeting the requirement of independent microgrid low carbon emission reduction of ranch in large area， the article presents reasonable scheduling strategies of wind， light， wood and storage. It analyzes the formation mechanism of operational efficiency from the aspects of economy and low carbon， considers the characteristics of using wind power and photovoltaic time， service life of energy storage system and its conversion characteristics， and economical characteristic of depreciable cost of environment， and at the same time of meeting environmental benefit， it achieves comprehensive cost minimization. The article took genetic algorithm as the example for the analysis， and did comparative analysis of power balance in four seasons typical system and system cost curves to prove the economical feasibility of the system.

Key words： microgrid； island running； energy storage conversion characteristic； economy； environmental benefit； scheduling strategy