考慮負荷中斷的微網并網經濟調度

趙猛，丁曉群，劉遠龍，王萍

(1.河海大學能源與電氣學院，南京市 211000；2.國網山東省電力公司，濟南市 250000；3.國網山東青島供電公司，山東省青島市 266000)

考慮負荷中斷的微網并網經濟調度

趙猛1，丁曉群1，劉遠龍2，王萍3

(1.河海大學能源與電氣學院，南京市 211000；2.國網山東省電力公司，濟南市 250000；3.國網山東青島供電公司，山東省青島市 266000)

為了降低微網并網時的運行成本，同時協助電網“削峰填谷”，提出一種考慮負荷中斷的微網并網經濟調度模型。模型以微網為中間環節，構建一種新型負荷中斷補償機制，同時引入浮動補償電價，該電價受到中斷功率與中斷時間的影響，可以反映用戶滿意度的變化。以一個包含風力發電機、光伏電池、微型燃氣輪機、燃料電池、蓄電池以及可中斷負荷的典型微網為例，通過Cuckoo-Search算法求解模型，給出最優中斷組合、調度結果和運行成本，并求出極限中斷電量。結果表明，該文模型與算法可行，可以為各參與方創造可觀的經濟效益。

微網；經濟調度；補償機制；浮動補償電價；Cuckoo-Search算法

0 引 言

隨著分布式發電的發展，微網作為一種高效的“源、網、荷”一體化運行與管理平臺逐漸受到了人們的重視[1-2]。對于電網而言，微網表現為單一可控單元，并可在并網與孤島運行狀態間自由轉換，提高了局部電網的供電可靠性，為用戶提供高質量的電能[3]。

微網投資巨大，因此其運行經濟性一直受到人們的關注。微網經濟調度主要研究微網運行成本最小的問題，運行成本通常包括燃料成本、折舊成本、運行維護成本、環境成本和購售電成本等。目前，國內外對微網經濟調度的研究已經有很多，但是在現有研究成果中，對可中斷負荷的管理卻不夠重視。微網中的可中斷負荷主要包括空調、暖氣等一些需求可變的家庭負荷以及生產計劃靈活的工業負荷[4]。絕大部分的研究僅僅在孤島運行時才考慮進行負荷中斷，主要用于應對微源出力的不足。但是可中斷負荷作為一種寶貴的調度資源，對于電網的“削峰填谷”卻有著重要意義，如果同時結合補償電價，還能為微網帶來可觀的收益，達到降低運行成本的目的。文獻[5]梳理了臺灣電力工業的管理體制、市場模式和電價體系，分析了負荷中斷的實施策略及包含的“削峰填谷”思想，構建了各參與方的成本效益模型，并通過計算驗證了模型的可行性和有效性。文獻[6]將需求側的可中斷負荷處理成一種可以主動參與微網規劃與運行的電源，利用需求側響應實現“削峰填谷”，最后運用非線性規劃工具求解模型。

本文以一個包含可中斷負荷的典型微網為例，設計了一種新型負荷中斷補償機制，該機制將微網作為中間環節，兼顧電網需求與用戶利益；同時引入了浮動補償電價，將補償電價與中斷功率、中斷時間掛鉤，更好地反映用戶滿意度的變化。本文通過新型的Cuckoo-Search算法求解微網并網經濟調度問題，給出最優中斷組合、調度結果和運行成本，并通過計算得到了電網所需的極限中斷電量。

1 微源模型

1.1 風力發電機

風力發電機(wind turbine，WT)的輸出與風速相關，一般呈三次方關系。可以通過風力發電機廠家提供的輸出功率曲線，經擬合得到輸出功率函數[7]。本文采用的風力發電機輸出功率函數為

(1)

式中：vi、vr、vo、Pr分別為風力發電機的切入風速、額定風速、切出風速和額定功率。

1.2 光伏電池

光伏(photovoltaic，PV)電池的輸出受到溫度與光照強度的影響。工程應用中，通常采用如下簡化模型：

(2)

式中：Tpv(t)、Gpv(t)分別為光伏電池組件的溫度以及受到的光照強度；PSTC為光伏電池組件在標準測試條件下(1 000 W/m2，25 ℃)的最大測試功率；TSTC為標準測試條件下的環境溫度；GSTC為標準測試條件下的光照強度；k為功率-溫度系數[8]。

1.3 蓄電池

蓄電池(storage battery，SB)是一種目前應用比較廣泛的儲能裝置，對于平衡微網中的功率波動、優化調度策略具有重要的作用。蓄電池在t+1時刻的剩余容量可表示為

充電時：

S(t+1)Ec=(1-δ)S(t)Ec+Pch(t)ηch

(3)

放電時：

(4)

式中：S(t+1)、S(t)分別為蓄電池在t+1和t時刻的荷電狀態；Pch(t)、Pdis(t)為充放電功率；ηch、ηdis為充放電效率；Ec為蓄電池的總容量；δ為自放電率[9]。

微型燃氣輪機(micro turbine，MT)的模型參考文獻[10]，燃料電池(fuel cell，FC)的模型參考文獻[11]。

2 負荷中斷模型

傳統上，電網一般給予負荷中斷固定的補償電價[5,12-13]，但是這種補償機制無法反映不同中斷功率和中斷時間對用戶滿意度的影響。為了解決以上矛盾，本文設計了一種新型的負荷中斷補償機制。首先，電網不需要改變傳統的補償方式，但是補償費用支付給微網而非用戶；其次，在微網內部實施浮動補償電價，浮動補償電價與中斷功率、中斷時間相關，微網按照浮動補償電價支付給用戶負荷中斷的補償費用。在這個機制中，微網進行負荷中斷的補償成本為

Cc=(Kc2-Kc1)PilTil

(5)

式中：Kc1為電網賠付微網的固定補償電價；Kc2為微網賠付用戶的浮動補償電價；Pil、Til分別為中斷功率和中斷時間。

浮動補償電價與中斷功率、中斷時間具有如下關系：

(6)

(7)

式中：EP、ET分別為Kc2-Pil系數和Kc2-Til系數，反應的是浮動補償電價隨中斷功率、中斷時間的變化關系[14]；EPP、ETT分別為EP-Pil系數和ET-Til系數，反應的是EP隨中斷功率、ET隨中斷時間的變化關系；EP、ET、EPP、ETT都應該大于0。

由此，建立浮動補償電價模型為

Kc2=f(Pil,Til) =

aPil2Til2+bPil2Til+cPilTil2+dPilTil+e

(8)

本文采用最小二乘擬合來求取上述模型中的系數，擬合數據根據現有研究成果中的用電電價、補償電價合理選取[11,15]，最終得到浮動補償電價模型為

Kc2=-0.000 9Pil2Til2+0.008 3Pil2Til+

0.011 7PilTil2-0.018 3PilTil

(9)

3 并網經濟調度模型

3.1 目標函數

微網并網經濟調度的目的是使微網并網時總的運行成本最小，本文中微網的運行成本由燃料成本、折舊成本、運行維護成本、環境成本、購售電成本、中斷補償成本、制熱收益和補貼收益構成，經濟調度的目標函數為

Cg(t)+Cc(t)-Che(t)-Csub(t)]

(10)

式中：Cf(t)、Cd(t)、Cm(t)、Ce(t)分別為t時刻微網的燃料成本、折舊成本、運行維護成本和環境成本；Cg(t)為t時刻微網與電網交互功率時產生的購售電成本；Cc(t)為t時刻微網進行負荷中斷的補償成本；Che(t)、Csub(t)分別為t時刻微網的制熱收益以及風電、光伏的補貼收益。

3.2 約束條件

(1)功率平衡約束：

Pwt(t)+Ppv(t)+Pmt(t)+Pfc(t)+
Psb(t)+Pg(t)=Pl(t)-Pil

(11)

式中Pl(t)為微網在t時刻的總負荷。

(2)可控機組出力約束：

Pimin≤Pi(t)≤Pimax

(12)

式中：Pimax、Pimin分別為第i臺可控機組的出力上下限。

(3)可控機組爬坡率約束：

-Ridown≤Pi(t)-Pi(t-1)≤Riup

(13)

式中：Riup、Ridown分別為第i臺可控機組單位時間內出力增加、減少的限值。

(4)聯絡線傳輸功率約束：

Pgmin≤Pg(t)≤Pgmax

(14)

式中：Pgmax、Pgmin分別為聯絡線傳輸功率的上下限。

(5)蓄電池儲能約束：

Smin≤S(t)≤Smax

(15)

式中：Smax、Smin分別為蓄電池荷電狀態的上下限。

3.3 并網調度策略

經濟調度是求解最小運行成本的問題，但是單純追求降低運行成本有可能破壞系統內部的協調運行。微網運行過程中面臨的一些問題，例如：清潔能源的優先利用、蓄電池的充放電控制[16]等，需要采取一些措施加以限制，因此本文提出了如下調度策略。

(1)WT、PV跟蹤最大出力，實現清潔能源的充分利用。

(2)MT采用“以熱定電”方式運行，提高其綜合利用效率。

(3)WT、PV、MT出力過剩時，優先向SB充電，其次考慮向電網售電，目的是為了維持SB的荷電狀態；WT、PV、MT出力不足時，優先利用SB放電，其次考慮從電網購電或FC出力。

(4)平、谷時段，SB不放電，減少其充放電次數；峰時段，SB不充電，從而盡可能使微網向電網售電，降低運行成本；谷時段，檢查SB的荷電狀態，當S<0.9時，以最大功率充電。

(5)只在峰時段考慮負荷中斷，配合電網“削峰填谷”的需求。

4 Cuckoo-Search(CS)算法

4.1 算法原理

Cuckoo-Search算法是由Xinshe Yang和Suash Deb于2009年提出的一種新型啟發式搜索算法[17]，算法原理是模擬布谷鳥尋窩產卵的行為，具有設置參數少、搜索范圍大等特點。CS算法的2個基本組件是萊維飛行和偏好隨機游動，二者平衡了算法的全局和局部搜索能力。

算法根據萊維飛行更新鳥窩位置的公式如下：

(16)

式中：xi(t)、xi(t+1)分別為第t和t+1代第i個鳥窩的位置；α為步長控制量；L(λ)為萊維飛行隨機搜索路徑；?為點對點乘法。

4.2 求解步驟

通過分析經濟調度的過程可以發現，為了降低運行成本，微網中的微源會在峰時段最大出力，從而盡可能減少從電網購電、增加售電。因此，峰時段的負荷中斷不會影響各個微源的出力。假設峰時段微源出力之和大于總負荷，此時，微網的總運行成本可以分解為

C=C0+Cil=C0+(KsPilTil-Cc)

(17)

式中：C0為不進行負荷中斷時的總運行成本；Cil定義為中斷收益。

因此，可以將求解過程分為2步：

(1)求解Cil的最小值，并得到最優(Pil,Til)組合。

(2)基于上一步的結果，求解微網并網經濟調度問題，并得到各個時刻的最優(Pwt(t),Ppv(t),Pmt(t),Pfc(t),Psb(t),Pg(t))組合。

2次求解均采用CS算法，算法中的最大迭代次數Tmax設置為4 000次；鳥窩數量n設置為20個；發現概率Pa設置為0.25。

5 算例分析

5.1 基礎數據

本文所研究的微網包含有風力發電機、光伏電池、微型燃氣輪機、燃料電池和蓄電池，系統結構如圖1所示。

圖1 微網系統結構Fig.1 Configuration of microgrid system

微網在峰時段的最大可中斷負荷為15 kW；電網賠付微網的固定補償電價為0.72元/( kW·h)；風電、光伏的發電補貼為0.4元/( kW·h)；制熱收益為0.35元/( kW·h)；天然氣價格為2.28元/m3；電網谷時段為24:00～06:00，平時段為07:00～09:00、14:00～16:00、21:00～23:00，峰時段為10:00～13:00、17:00～20:00。

5.2 求解最優(Pil,Til)組合微網的中斷收益曲線如圖2所示。

圖2 中斷收益曲線Fig.2 Profit of load interruption

通過計算可以得到中斷收益最大時的中斷功率為4.853 kW、中斷時間為3.4 h，最大中斷收益為20.23元。

5.3 并網經濟調度

本文中，調度周期為1 d，時間間隔為1 h。算例采用的是青島某小區冬季典型日負荷、熱負荷數據以及WT、PV出力數據，如圖3所示。

圖3 冬季典型日負荷、熱負荷以及WT、PV出力Fig.3 Electric and heating loads, power of WT and PV on a typical day in winter

5.3.1 無負荷中斷

當不考慮負荷中斷時，微網并網經濟調度的結果如圖4所示。

圖4 無負荷中斷時的調度結果圖Fig.4 Dispatch result without load interruption

從圖4中可以看出，平谷時段，FC的發電成本高于購電電價，因此FC不出力；峰時段，FC的發電成本低于購電電價，因此FC滿發。平谷時段，SB根據調度策略不放電，一方面減少了SB的充放電次數，另一方面也保證SB能夠在峰時段以最大功率放電，獲得售電收益，降低微網的總運行成本；在24:00，由于檢測到SB的荷電狀態低于0.9，因此SB開始充電，從而使其剩余電量能夠滿足下一個調度周期的需求。平谷時段，微網始終從電網購電，充分利用平谷時段的低電價；峰時段，微網盡可能向電網售電，獲得售電收益。

通過計算可得，無負荷中斷時，微網一天內的總運行成本為495.74元。

5.3.2 進行負荷中斷

當進行負荷中斷時，中斷功率為4.853 kW、中斷時間為3.4 h，微網并網經濟調度的結果如圖5所示。

圖5 進行負荷中斷時的調度結果圖Fig.5 Dispatch result under load interruption

從圖5中可以看出，進行負荷中斷并不會對并網時微源的出力產生影響，能夠保證微網運行的穩定性，但是可以增加峰時段微網向電網的售電量，從而提高了售電收益，降低了總運行成本。此時的微網運行成本如圖6所示。

圖6 進行負荷中斷時的微網運行成本圖Fig.6 Operation cost of microgrid under load interruption

從圖6中可以看出，平谷時段，由于微源的發電以及向電網購電產生了運行成本；峰時段，由于微源出力增多，微網大量向電網售電，一方面抵消了微源的發電成本，另一方面也使微網獲得了較大收益。當進行負荷中斷時，微網能夠向電網售出更多的電量，同時可以作為中間環節獲得補償電價差，因此此時的發電成本要比無負荷中斷時低。

進行負荷中斷時，微網一天內的總運行成本為455.28元。和無負荷中斷相比，總運行成本降低了8.16%；峰時段，微網向電網的售電量增加了33.390 kW·h，實現了微網與電網的雙贏。

5.3.3 極限中斷電量

對于電網而言，更多地考慮到負荷中斷對電網“削峰填谷”的促進意義。因此，電網希望知道在不損害微網利益的基礎上，微網所能夠達到的極限中斷電量。

經計算可得，當中斷功率為7.650 kW，中斷時間為4 h時，微網達到電網所希望的極限中斷電量61.200 kW·h，此時中斷收益為0。和無負荷中斷相比，微網峰時段向電網的售電量增加了24.7%，“削峰填谷”意義明顯。

6 結 論

本文提出了一種考慮負荷中斷的微網并網經濟調度方法，該方法充分利用微網內存在的可中斷負荷，實現并網時微網運行成本的降低和滿足電網“削峰填谷”的需求。文中針對現有負荷中斷補償機制的缺點，設計了一種以微網為中間環節的新型補償機制。該機制的核心內容是浮動補償電價，浮動補償電價與中斷時間、中斷功率相關，從而能夠有效反映用戶滿意度的變化，更加貼近實際。文中采用新型的Cuckoo-Search算法求解微網并網經濟調度問題，該算法具有設置參數少、搜索范圍大等特點。算例表明，本文所提出的機制、模型以及策略切實可行，算法有效，能夠實現預期的目標。

今后可進一步研究更加多樣化的補償機制，制定更加精確的補償電價模型，將負荷中斷納入到電網營銷體系中去，這也是電力需求側管理的重要內容之一。兼顧“經濟性”與“削峰填谷”的微網多目標調度應該成為以后研究的重點。

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(編輯 張媛媛)

Economic Dispatch of Grid-Connected Microgrid Considering Load Interruption

ZHAO Meng1, DING Xiaoqun1, LIU Yuanlong2, WANG Ping3

(1. College of Energy and Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing 211000, China;2. State Grid Shandong Electric Power Company, Jinan 250000, China;3. State Grid Qingdao Power Supply Company, Qingdao 266000, Shandong Province, China)

To reduce the operation cost of grid-connected microgrid and give assistance to load shifting in power grid, this paper proposes an economic dispatch model of grid-connected microgrid with considering load interruption. The model regards microgrid as an intermediate link and establishes a new load interruption compensation mechanism. Floating compensation price is introduced to reflect user satisfaction, which is affected by interrupting power and time. We select a typical microgrid consisting of wind turbines, photovoltaic cells, micro turbines, fuel cells, storage battery and interruptible load as example, adopt Cuckoo-Search algorithm to solve the model, obtain the optimal interrupting combination, dispatch result and operation cost, as well as the limit interrupting energy. The results show that the model and algorithm are feasible and can create remarkable economic revenue for all participants.

microgrid; economic dispatch; compensation mechanism; floating compensation price; Cuckoo-Search algorithm

國網山東省電力公司2015年科技項目(5206021400NP)

TM 73

A

1000-7229(2016)04-0057-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.04.009

2015-11-25

趙猛(1989)，男，碩士，本文通信作者，主要研究方向為分布式發電、微網、無功優化及AVC；

丁曉群(1956)，男，教授，博導，主要研究方向為分布式發電、配電網節能降損、無功優化及AVC；

劉遠龍(1971)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向為電網調控運行管理；

王萍(1973)，女，碩士，高級工程師，主要研究方向為電網無功電壓和新能源管理。