微網日前調度優化方案

巫卿+俞雷

摘 要：隨著化石能源的日益枯竭，由清潔能源組成的分布式電源廣泛受到關注。文章針對微電網的組成，建立了相應的求解模型，分別建立了發電成本、環境成本以及綜合成本的目標函數，以功率平衡以及其他約束分析了相應的調度策略，使得微電網的整體運行成本最低。在綜合效益成本上，考慮了發電成本和環境成本，雖然發電成本和環境成本都沒打到最低，但是綜合效益成本實現了最低的水平，使微網整體運行成本降低，協調了微網的經濟性與環保性。該研究成果對日前的微網調度優化有一定的指導意義。

關鍵詞：微電網；調度；優化方案

中圖分類號：TU852 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）35-0094-03

1 概述

隨著傳統能源的日益枯竭，能源需求卻不斷增長，不僅造成了全球的能源危機，而且環境問題也日益突出[1]。當前對于高效、清潔的能源的需求越來越迫切。為了解決這一問題就產生了以太陽能發電和風力發電為代表的分布式發電。分布式發電具有排放污染氣體低、能源利用效率高、損耗低和安裝靈活等優點，但分布式能源具有出力的隨機性和間歇性的特點，當大規模并網時，會對主網造成沖擊，降低了主網的穩定性、可靠性和安全性[2]。因此，如何妥善管理微網內部分布式電源和儲能運行，實現微網經濟、技術、環境效益的最大化成為重要的研究課題。

關于微電網的經濟運行國內外學者做出了大量研究，先后考慮微電網運行的不同效益得到微電網的最優運行方案[3-5]。文獻[3]針對主動配電系統中間歇性電源和負荷的不確定性問題，基于多場景技術提出一種結合日前調度和實時調度的兩步優化調度模型。文獻[4]以總發電費用最小為目標，建立了微電網負荷分配模型。文獻[5]分別以經濟效益、環境效益和綜合效益為目標，建立了含多種分布式電源的集中控制式微電網經濟運行模型。但以上研究的微電網組成單元比較單一，考慮的利益主體少，無法適用于組成復雜的微網調度問題。

本文主要考慮多個利益主體，如用戶、電網、可再生能源以及蓄電池等，給出微網運行的目標函數及約束條件，在保證不使任意主體的利益嚴重受損的前提下，得到科學合理的發、用電策略，使得綜合效益達到最優。

2 經濟調度數學模型

2.1 目標函數的建立

2.1.1 目標函數1：系統的運行成本最低

為主網運行時需要考慮燃料成本、運行管理成本和與大主網電量交易成本以及制熱收益等。即：

式中，F1為微網在日運行的發電成本；T為總的調度時段數；Cf（t）為第t個調度時段內的燃料成本；Cdp（t）為折舊維護成本；Com（t）為運行管理成本；Cg（t）為與大主網交互成本；CS（t）為CHP系統的制熱效益。CEV（t）為電動汽車車主參與到微網調度的費用。其中，各種的成本計算如下：

（1）燃料成本

微網內的分布式電源，所需要的燃料各不相同，這里的燃料成本是指微型燃氣輪機和燃料電池，計算表達式為：

（2）運行管理成本

管理運行中的微電源產生的費用，可計算如下：

式中：OMi為發電單元類型i的運行管理成本；N為微源類型；Pit為發電單元類型i在時刻t的輸出功率；KOM，it為微源類型i在t時刻的運行維護成本系數。

（3）折舊維護成本

對微源在運行過程中出現的磨損和老化現象進行維護處理產生費用，其計算如下：

式中：DPi為微源類型i的折舊維護成本；Pit為發電類型i在t時刻的輸出功率；ADCCi為微源類型i年均折舊成本；PN，i為微源類型i的最大輸出功率；cfi為微源類型i的容量因素；InsCosti為微源類型i的單位容量安裝成本；CFRi為微源類型i的資本回收系數；di為微源類型i的年折舊率；Li微源類型i的折舊年限。

（4）與大主網電量交易成本

該部分成本費是微網向大主網購售電產生的費用。計算如下：

Cg（t）=c（t）×Pg（t）

式中：c（t）為t時刻聯絡線交換功率的電價；Pg（t）為t時刻聯絡線的交換功率。

2.1.2 目標函數2：系統的環境保護折算成本最低

主要包括微網中各個微電源以及配主網的排污處理費用：

minF2=CDG，i-EM+CGrid-EM

式中：CDG，i-EM為微網中微源i的排污處理費用；CGrid-EM配主網排污處理費用。

其中排污處理費用計算如下：

式中：Ci-EM為微源i的污染物排放治理費用；N為微源類型（MT、FC and Grid）；M為排放類型（NOX、SO2 or CO2）；？琢ik為微源i對污染類型為k時的單元排污處理成本；？姿ik為微源i對污染類型為k時的排放系數；Pit為微源i在t時刻的輸出功率。

2.1.3 目標函數3：系統的綜合效益成本最低

此時將所有的成本考慮在內。

minF3=F1+F2

式中，F3為微網運行時的綜合效益。

2.2 約束條件的確定

在本文中主要考慮微網中的功率平衡、各模塊輸出功率約束、爬坡約束、聯絡線的功率約束等，它們的具體要求如下：

（1）微網中的電功率平衡約束

（2）各微源的輸出功率約束

對微網內的微電源輸出有上下限。

（3）爬坡約束

對于燃氣輪機能量轉化速度有一定的限制，在相鄰調度時間段內功率的增長與減少有規定限值。

（4）聯絡線的功率約束

微網與大主網連接的聯絡線上的功率有上下限值的約束。

3 算例分析

本文的算例選取2017年第十屆“中國電機工程學會杯”全國大學生電工數學建模競賽賽題A題中的數據。微網內含風力發電WT（25kW）、光伏電池PV（10kW）、微型燃氣輪機MT（75kW）、燃料電池FC（40MW）、蓄電池容量BAT（30MW）。蓄電池額定充放電功率為20kW，充放電狀態轉換次數為Nbat=4，充放電效率？濁ch=？濁dis=0.9。電動汽車規模為20輛。其他數據這里不做詳細說明。endprint

圖1為目標函數1的微電網發電計劃，以發電成本最小為目標的調度結果。以在電價低谷期間為例分析如下，在這段時間負荷主要由燃氣輪機、主網和風電提供，此時電動汽車充電降低車主的充電成本，此時段的熱負荷較大但是電負荷較小，電熱聯產的燃氣輪機在此時段為主要供電機組。其他時刻均可從圖中分析得到相應的負荷構成。

圖2為目標函數2的微電網發電計劃，以環境成本最小為目標的調度結果，由于燃料電池的環境污染成本小于主網，所以在調度時段內，在功率不足的情況下，燃料電池優先發電，若依舊不能滿足負荷時，主網向微網傳輸功率。在本目標中，充分利用燃料電池的環保特性，主網又為微網的穩定運行提供支撐。

圖3為目標函數3的微電網發電計劃，綜合效益成本最低為目標的調度結果，既考慮到微網的發電成本又要考慮各分布式電源發電產生的環境成本，其中風光優先全額利用，燃氣輪機依照以熱定電的方式運行；在電價低谷00：00-00：07，在常規負荷的基礎上，大量電動汽車接入主網充電，引發的功率缺額，考慮到此時主網電價及環境污染成本和燃料電池的發電成本及環境污染成本，綜合以上因素，主網的綜合效益成本低于燃料電池，所以此時段由主網向微網輸送電能彌補功率缺額；在平時電價階段07：00-10：00，燃料電池的綜合效益成本低于主網，此時由燃料電池增發功率；在時段10：00-15：00、15：00-18：00，燃料電池優先發電，若燃料電池滿發仍有用電缺額時，缺額部分由主網彌補；在18：00-21：00，電動汽車接入放電，此時依然燃料電池優先發電，功率缺額由主網彌補；夜間21：00-23：00，新能源的出力較大，電動汽車也逐漸由放電狀態轉為充電狀態，此外還有電能富余，則向外部主網傳輸。

三種目標得到的不同優化目標的調度總費用如表1所示。

4 結束語

（1）考慮發電成本與考慮環境成本相比，后者的環境成本降低了18.32%，發電成本提高了3.92%，其環境成本很低，但發電經濟性較低。考慮發電成本與考慮綜合效益相比，后者的環境成本降低了13.2%，但發電成本僅提高了1.33%。

（2）在綜合效益成本上，考慮了發電成本和環境成本，雖然發電成本和環境成本都沒打到最低，但是綜合效益成本實現了最低的水平，使微網整體運行成本降低，協調了微網的經濟性與環保性。

參考文獻：

[1]王成山，李鵬.分布式發電、微網與智能配電網的發展與挑戰[J].電力系統自動化，2010，02：10-14+23.

[2]Lu Zongxiang，Ye Xi，Qiao Ying，etal.Initial exploration of wind farm cluster hierarchical coordinated dispatch based on virtual power generator concept[J].CSEE Journal of Power and Energy Systems，2015，1（2）：62-67.

[3]楊甲甲，趙俊華，文福拴，等.含電動汽車和風電機組的虛擬發電廠競價策略[J].電力系統自動化，2014，13：92-102.

[4]吳雄，王秀麗，王建學，等.微網經濟調度問題的混合整數規劃方法[J].中國電機工程學報，2013，28：1-9.

[5]楊甲甲，趙俊華，文福拴，等.含電動汽車和風電機組的虛擬發電廠競價策略[J].電力系統自動化，2014，13：92-102.endprint