船舶直流微電網(wǎng)多目標優(yōu)化運行和經(jīng)濟調(diào)度研究進展

潘繼元, 孫 強, 黃 萱

(1.上海電機學院 電子信息學院, 上海201306;2.國網(wǎng)海安市供電公司 輸變電運檢中心, 南通226600)

隨著全球貿(mào)易的迅速發(fā)展,海運因其運輸成本低廉和運輸量大的綜合優(yōu)勢,一直是世界貿(mào)易運輸最重要的方式之一,海洋船舶數(shù)量愈來愈多的同時也造成了嚴重的環(huán)境污染。為了實現(xiàn)節(jié)能減排和能源的可持續(xù)發(fā)展,聯(lián)合國氣候變化談判決定將海運、航空和運輸業(yè)納入溫室氣體減排目標,因此,使用清潔可再生能源的船舶成為船舶制造業(yè)未來的發(fā)展方向[1-2]。但是太陽能發(fā)電和風力發(fā)電等清潔能源的間歇性、波動性和不可控性制約了新能源發(fā)電技術(shù)在船舶上的應(yīng)用。

在傳統(tǒng)陸地電網(wǎng)中,微電網(wǎng)是一種將分布式電源、儲能裝置、用電負荷、電力電子器件等有機組合在一起的小型發(fā)配電系統(tǒng)。微電網(wǎng)作為主網(wǎng)的補充構(gòu)建于用戶側(cè)附近,通過對微電網(wǎng)運行控制和能量管理等技術(shù)的應(yīng)用,可以最大限度地利用分布式電源出力,提高電能質(zhì)量和供電可靠性。直流微電網(wǎng)作為微電網(wǎng)的一種組網(wǎng)方式,因其能量變換環(huán)節(jié)少、控制方便等優(yōu)勢,可以降低微電網(wǎng)運行成本,進一步提高新能源利用率[3-5]。

光伏發(fā)電、風力發(fā)電、燃料電池和儲能電池等分布式電源技術(shù)在船舶微電網(wǎng)的發(fā)展應(yīng)用日益廣泛,相比于交流系統(tǒng),分布式電源與直流母線的連接形式更加簡便,更易于實現(xiàn)分布式電源間的協(xié)調(diào)控制,且母線電壓是衡量船舶直流微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)有功功率平衡的唯一指標,沒有船舶交流微電網(wǎng)中需要調(diào)節(jié)無功功率平衡的要求,因此,船舶直流微電網(wǎng)的研究和發(fā)展受到廣泛關(guān)注[6]。

但是船舶直流微電網(wǎng)與陸地直流微電網(wǎng)有所不同,它是一個集發(fā)電、輸電、變電、配電和用電于一體的緊湊型完整的電力系統(tǒng),系統(tǒng)中分布式電源種類繁多、運行狀態(tài)多樣以及控制方式各異,使得船舶直流微電網(wǎng)成為一個多變量、運行復(fù)雜、不確定性強的多維復(fù)雜系統(tǒng)。同時當船舶微電網(wǎng)出現(xiàn)故障的時候,必須通過自身的應(yīng)急電網(wǎng)對關(guān)鍵負荷提供供電保障。因此,船舶直流微電網(wǎng)不僅要解決新能源技術(shù)在船舶上應(yīng)用的問題,還要保障船舶的電能質(zhì)量,并且對船舶電力系統(tǒng)的運行方式進行優(yōu)化和經(jīng)濟調(diào)度。

船舶直流微電網(wǎng)的優(yōu)化運行和經(jīng)濟調(diào)度是微電網(wǎng)能量管理中的重要內(nèi)容,其目的是在滿足負荷正常需求和系統(tǒng)運行約束的前提下,通過合理調(diào)節(jié)發(fā)電單元和儲能單元的出力,實現(xiàn)經(jīng)濟性、可靠性和環(huán)保性的最優(yōu)化目標,但往往這些目標間彼此并不相容,甚至彼此矛盾,優(yōu)化某一目標,會使得另一目標劣化。因此,傳統(tǒng)技術(shù)不再適用,新的經(jīng)濟調(diào)度策略控制算法受到人們的關(guān)注[7]。

本文分析了船舶直流微電網(wǎng)不同類型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的利弊,歸納不同目標函數(shù)和約束條件下的優(yōu)化調(diào)度模型,并介紹了目前常見的求解該模型的方法。

1 船舶直流微電網(wǎng)

傳統(tǒng)陸地電網(wǎng)采用微電網(wǎng)技術(shù)解決了分布式電源大規(guī)模介入時對電網(wǎng)沖擊和新能源間歇性不可控的問題。借鑒陸地微電網(wǎng)的研究經(jīng)驗,微電網(wǎng)同樣適用于船舶電力系統(tǒng)。

文獻[8]指出船舶直流微電網(wǎng)是以一組海上可再生新能源發(fā)電和傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電為集群,結(jié)合船舶運行特性和直流微電網(wǎng)的部分重要負荷電能質(zhì)量管理所形成的可分割供能網(wǎng)絡(luò)。船舶直流微電網(wǎng)系統(tǒng),實際上就是將多種新能源、儲能裝置、能量變換裝置以及負載等組成一個整體,構(gòu)建一個能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護和管理的強耦合、非線性、高協(xié)同的自治系統(tǒng),具有以下特點[9]:

(1) 船舶大多數(shù)時間在海上運行,船舶直流微電網(wǎng)不是當主電網(wǎng)故障或異常運行時才進入孤島狀態(tài),而是大部分時間都處于孤島運行的狀態(tài),微電網(wǎng)本身就看作是船舶電力系統(tǒng)的主電網(wǎng)。

(2) 船舶面積有限,線路較短,通常可忽略網(wǎng)損對系統(tǒng)經(jīng)濟性和穩(wěn)定性帶來的影響。

(3) 船舶所處環(huán)境相比陸地更為惡劣,光伏電池、風力發(fā)電機受天氣影響較大,不能穩(wěn)定地輸出功率,對微電網(wǎng)供電可靠性和電能質(zhì)量的考驗更大。此時,優(yōu)化運行對于船舶直流微電網(wǎng)而言更為重要。

(4) 船舶直流微電網(wǎng)改善了對潮流的控制,帶來更好的動態(tài)響應(yīng)和機動性。此外,還消除了無功潮流和相應(yīng)的電壓降對電力系統(tǒng)的影響。

船舶直流微電網(wǎng)根據(jù)母線結(jié)構(gòu),可分為單母線結(jié)構(gòu)、雙層式母線結(jié)構(gòu)、雙母線結(jié)構(gòu)和冗余式母線結(jié)構(gòu)。單母線結(jié)構(gòu)的船舶直流微電網(wǎng)中僅有一條直流母線,其形式簡單、組網(wǎng)容易、方便與現(xiàn)有的船用交流設(shè)備兼容。但其供電可靠性差,適用于用電設(shè)備電壓等級單一,僅用于裝載第3類負荷的小型民用船舶。雙層式母線結(jié)構(gòu)的船舶直流微電網(wǎng)中含有一條高壓直流母線和一條低壓直流母線,通過變壓器實現(xiàn)兩條母線間的電壓轉(zhuǎn)換,一般適用于多電壓等級的中小型民用船舶。雙母線結(jié)構(gòu)的船舶直流微電網(wǎng)中采用雙極性供電方式,有正、負兩條直流母線。可根據(jù)用電設(shè)備的不同電壓需求靈活供電,一般用于對電力輸送要求較高的大型船舶。冗余式母線結(jié)構(gòu)的船舶直流微電網(wǎng)采用多條母線供電形式,通常為兩條,其中一條母線帶電,另外一條母線備用。當帶電母線發(fā)生故障或檢修時,可由備用母線持續(xù)供電,保證用電設(shè)備不間斷供電,適用于對供電可靠性和電能質(zhì)量要求較高的商用船舶。

船舶直流微電網(wǎng)一般采用分層控制結(jié)構(gòu)[10],如圖1所示。分層控制結(jié)構(gòu)總體分為三層控制,1次控制根據(jù)電壓和電流控制系統(tǒng)功率的輸入輸出;2次控制通過對電能質(zhì)量的分析,可彌補1次控制中造成的電壓降落;3次控制作為最頂層的控制,其核心是優(yōu)化策略及優(yōu)化算法,通過對電能質(zhì)量的調(diào)控,響應(yīng)船舶運行的需求,并實現(xiàn)系統(tǒng)高效、低成本運行。

圖1 船舶直流微電網(wǎng)分層控制結(jié)構(gòu)

2 船舶直流微電網(wǎng)多目標優(yōu)化運行和經(jīng)濟調(diào)度模型

船舶直流微電網(wǎng)能量管理的核心是實現(xiàn)微電網(wǎng)優(yōu)化運行和經(jīng)濟調(diào)度[11]。其目標是在滿足系統(tǒng)負荷需求的情況下,以電力容量約束、充放電上下限約束、功率平衡約束、熱能平衡約束、系統(tǒng)備用約束、線路潮流約束、母線電壓限值約束等為約束條件,以發(fā)電成本低、污染物排放少、電能質(zhì)量好、供電可靠性高等為目標,從而達到船舶直流微電網(wǎng)經(jīng)濟、環(huán)保、穩(wěn)定運行的要求。由于有多個運行目標,船舶直流微電網(wǎng)優(yōu)化運行和經(jīng)濟調(diào)度模型可以描述成多目標優(yōu)化模型[12-14]。描述如下:

式中:X為優(yōu)化變量;f i為第i個優(yōu)化目標;Ω為可行解空間;G為等式約束構(gòu)成的集合;H為不等式約束構(gòu)成的集合。

2.1 主要目標函數(shù)

(1) 經(jīng)濟成本。經(jīng)濟成本為船舶直流微電網(wǎng)在全壽命周期內(nèi)所產(chǎn)生的凈費用,可用全壽命周期內(nèi)所有成本和收入的資金現(xiàn)值表示[15]。其中,成本部分包括初始投資、設(shè)備更新、運行維護、燃料費用;收入部分為設(shè)備殘值。數(shù)學表達式為

式中:T為整個系統(tǒng)的壽命;r為貼現(xiàn)率;B(t)為設(shè)備殘值,用于設(shè)備壽命最后一年的剩余價值評估;而

式中:C(t)為第t年的成本;CI為初始投資成本;CR(t)為第t年的更新費用;CM(t)為第t年的維護費用;CF(t)為第t年的燃料費用。

式中:CIpv、CIwind、CIMT、CIBT和CIFC分別為光伏陣列、風電機組、微型燃氣輪機、蓄電池和燃料電池的投資費用。

式中:CRpv、CRwind、CRMT、CRBT和CRFC分別為光伏陣列、風電機組、微型燃氣輪機、蓄電池和燃料電池的更新費用。

式中:CMpv、CMwind、CMMT、CMBT和CMFC分別為光伏陣列、風電機組、微型燃氣輪機、蓄電池和燃料電池的維護費用。

式中:Ci為第i類發(fā)電單元燃料成本;n為發(fā)電單元的個數(shù);P i(t)為第i類發(fā)電單元在t時刻的有功功率輸出;Cng為天然氣的價格;Lng為天然氣低熱值,取9.7 kW·h/m3;ωi(t)為第i類發(fā)電單元在t時刻有功功率P i(t)下的機組效率[16]。

(2) 環(huán)境成本。新能源、可再生能源的開發(fā)利用和優(yōu)化配置體現(xiàn)了分布式發(fā)電的環(huán)境效益。環(huán)境成本包括兩個方面:①排放污染物所受到的罰款;②消耗的環(huán)境資源,即由于使用燃料所引起的空氣污染和不可再生資源的損耗,為了反映不同類型污染物排放對環(huán)境影響的差異。計算環(huán)境成本的數(shù)學表達式為[17]

式中:V i為第i類污染物的環(huán)境價值,我國電力工業(yè)污染物環(huán)境價值數(shù)據(jù)參考文獻[18];n為污染物類型;Q it(X)為第i類污染物在第t年的排放量;E i為第i類污染物排放的處罰收費標準,我國主要大氣污染物處罰數(shù)量級參考文獻[19]。

2.2 主要約束條件

(1) 分布式電源輸出的有功功率約束

式中:PGi(t)為第i種分布式電源在t時段的有功功率輸出;PGi(t)min為第i種分布式電源在t時段有功功率輸出的最小值;PGi(t)max為第i種分布式電源在t時段有功功率輸出的最大值[16]。

(2) 分布式電源爬坡速率約束

式中:Rdi、Rui分別為第i種分布式電源向下和向上的爬坡速率[20]。

(3) 有功功率平衡約束

由式(11)可知,任意時刻都應(yīng)保證船舶直流微電網(wǎng)中有功功率平衡,即發(fā)電單元、儲能單元和負荷功率之和為零。其中,設(shè)發(fā)出有功功率為正,吸收有功功率為負。

(4) 節(jié)點潮流約束

式中:i=1,2,…,n,n為系統(tǒng)的節(jié)點數(shù);Gij、B ij分別為系統(tǒng)導(dǎo)納的實部和虛部;q ij為ij兩端節(jié)點的相角差;P is為注入i節(jié)點的有功功率;V i、V j分別為節(jié)點i和j的電壓幅值。

(5) 節(jié)點運行電壓約束

式中:U j為節(jié)點j的運行電壓;U jmin、U jmax分別為運行電壓的下限和上限。

3 經(jīng)濟調(diào)度優(yōu)化算法

船舶直流微電網(wǎng)多目標優(yōu)化運行和經(jīng)濟調(diào)度屬于動態(tài)多維非線性優(yōu)化問題,一般采用優(yōu)化算法求解此類問題。按照使用的優(yōu)化方法分類,可以將其分為兩類:①傳統(tǒng)優(yōu)化算法;②智能優(yōu)化算法。

3.1 傳統(tǒng)優(yōu)化算法

傳統(tǒng)優(yōu)化算法一般采用圖解法[21]、迭代法[22]和隨機優(yōu)化法[23]來求解船舶直流微電網(wǎng)多目標優(yōu)化運行和經(jīng)濟調(diào)度問題的解。

3.2 智能優(yōu)化算法

船舶直流微電網(wǎng)屬于多目標、多變量、多約束的系統(tǒng),建立的數(shù)學模型屬于非線性、不連續(xù)、不可導(dǎo)的模型。由于初始值隨機,需要在全局變量范圍內(nèi)找到最經(jīng)濟、最優(yōu)化的運行方式,應(yīng)用傳統(tǒng)優(yōu)化算法求解其全局最優(yōu)化問題將會相當困難。而采用基于“群體”的智能仿生算法由于具有更好處理大規(guī)模隨機混雜優(yōu)化模型的能力,可以搜索全局解空間,同時防止陷入局部最優(yōu)和過早收斂的困境,因此也被應(yīng)用在船舶上。當前的研究主要集中在利用遺傳算法(Genetic Algorithm,GA)、粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)和蟻群算法(Ant Colony Algorithm,ACA)等智能算法來解決直流微電網(wǎng)優(yōu)化運行和經(jīng)濟調(diào)度的多目標優(yōu)化問題。

3.2.1 GA GA起源于20世紀六七十年代對自然和人工自適應(yīng)系統(tǒng)的研究,最早由Holland[24]提出,是一類借鑒生物界的進化規(guī)律,即適者生存,優(yōu)勝劣汰遺傳機制演化而來的隨機化搜索方法。

劉大寶等[25]在第39屆北美電力研討會上提出了遺傳算法在船舶電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。文獻[26]采用遺傳算法,以安全性和可靠性為目標,對包含光伏發(fā)電、風力發(fā)電、柴油發(fā)電機發(fā)電和蓄電池儲能的微電網(wǎng)系統(tǒng)進行容量優(yōu)化。文獻[27]采用遺傳算法,以負荷缺電率為約束條件,以年總支出最少為目標,優(yōu)化了光伏板傾斜角度和風力機組高度。文獻[28]提出一個船舶電力系統(tǒng)優(yōu)化問題,以功率需求和選擇發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模為目標,利用GA求解最優(yōu)問題,并在每種船舶運行情景下給出每臺發(fā)電機的最優(yōu)尺寸、負荷率和機組組合。文獻[29]以熱電聯(lián)供型微網(wǎng)作為多目標經(jīng)濟運行模型,滿足能量平衡、電能質(zhì)量和蓄電池充放電深度等約束條件,在考慮實時電價的并網(wǎng)運行方式下,運用改進GA優(yōu)化各微源出力,實現(xiàn)經(jīng)濟成本和環(huán)境成本最低的多目標經(jīng)濟調(diào)度。改進的非支配排序遺傳算法(NSGA-Ⅱ),相較于傳統(tǒng)的GA,NSGA-Ⅱ非劣解分布更加均勻,魯棒性和收斂性也更好。文獻[30]采用NSGA-Ⅱ,求解以總成本限值和污染物排放量為目標,以有功功率平衡和負荷容量缺失率為約束條件的微電網(wǎng)多目標優(yōu)化模型,得到分布式單元類型和數(shù)量的非劣解。文獻[31]以降低運營成本和減少溫室氣體排放為目標,并將發(fā)電機和能量存儲系統(tǒng)集成到全電驅(qū)船舶微電網(wǎng)的發(fā)電調(diào)度中,建立船舶微電網(wǎng)多目標優(yōu)化模型,采用改進的NSGA-Ⅱ求解該模型,以提高收斂性。文獻[32]強調(diào)了船舶運行環(huán)境問題,并將溫室氣體減排作為一個單獨的目標,從而將優(yōu)化擴展到多目標。為實現(xiàn)這兩個目標,提出了全電驅(qū)船舶的儲能系統(tǒng)一體化發(fā)電和航次聯(lián)合調(diào)度方法,即將發(fā)電調(diào)度、負荷管理和儲能系統(tǒng)調(diào)度相結(jié)合,實現(xiàn)船舶微電網(wǎng)的優(yōu)化運行并使用NSGA-Ⅱ求解。文獻[33]運用GA以降低化石燃料的消耗、燃料電池和鋰離子電池之間的最優(yōu)功率共享為目標,在不同功率需求下保持船舶電力系統(tǒng)在安全運行范圍內(nèi)為約束條件,優(yōu)化船舶微電網(wǎng)調(diào)度。

GA魯棒性強,但適應(yīng)度低的粒子不易到達空間最優(yōu)位置,更易發(fā)生局部最優(yōu)的問題,應(yīng)用于船舶直流微電網(wǎng)優(yōu)化運行和經(jīng)濟調(diào)度中,可能達不到目標要求,所得解不是全局最優(yōu)解。

3.2.2 PSO PSO 算法是一種模擬鳥群覓食的啟發(fā)式進化算法,于1995年由Kennedy等[34]在國際神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會議上提出。文獻[35]運用二進制PSO算法,以改善船舶電力系統(tǒng)電能質(zhì)量為目標,提出了一種分布式電源優(yōu)化配置的方法。文獻[36]針對并網(wǎng)運行的熱電聯(lián)供型船舶微電網(wǎng)系統(tǒng),采用機會約束規(guī)劃建立了經(jīng)濟運行和優(yōu)化調(diào)度數(shù)學模型,并利用PSO 算法對模型求解。文獻[37]提出了模糊自適應(yīng)PSO 算法,以經(jīng)濟成本和環(huán)境成本為雙目標構(gòu)造微電網(wǎng)發(fā)電調(diào)度模型,充分利用新能源發(fā)電,降低燃料的使用,減少污染物的排放。文獻[38]仍以經(jīng)濟成本和環(huán)境成本為雙目標,為了解決新能源發(fā)電出力的不確定性,在PSO 算法的基礎(chǔ)上,融合混沌局部搜索與模糊自適應(yīng)架構(gòu),提出多目標自適應(yīng)改進的PSO算法。文獻[39]以燃料電池、微型燃氣輪機和柴油機組為發(fā)電單元組建立微電網(wǎng)模型,以24 h的運行成本最低為目標,并運用自適應(yīng)改進的PSO 算法求解該模型。文獻[40]以發(fā)電成本最低、環(huán)境污染最小、系統(tǒng)運行穩(wěn)定性最高為目標,構(gòu)建多目標船舶微電網(wǎng)實時優(yōu)化調(diào)度模型;在PSO算法的基礎(chǔ)上,融合模糊化處理技術(shù),提出綜合禁忌搜索思想的改進PSO 算法求解該模型。文獻[41]提出了一種混合電力船舶儲能系統(tǒng)的最優(yōu)調(diào)度技術(shù),該技術(shù)基于多目標PSO 和NSGA-II算法,以蓄電池的使用壽命為約束條件,將蓄電池的放電深度與蓄電池的可用容量作為設(shè)計變量,優(yōu)化目標是安裝的儲能系統(tǒng)容量和化石燃料總消耗最少。

PSO算法原理簡單,易于實現(xiàn),參數(shù)少,不需要梯度信息。對于求解船舶直流微電網(wǎng)經(jīng)濟調(diào)度的復(fù)雜非線性問題具有較強的尋優(yōu)能力,可更好地找到滿足經(jīng)濟成本低、綠色環(huán)保和供電可靠性高的解,因此應(yīng)用較為廣泛。

3.2.3 ACA ACA 是由意大利學者Colorni[42]于20世紀90年代首先提出來的。文獻[43]以船舶電力系統(tǒng)損耗最小為目標,以分布式電源最大容量限制為約束條件,通過ACA 優(yōu)化分布式電源配置位置和容量。文獻[44]以故障恢復(fù)后提高船舶微電網(wǎng)的可靠性和保障功率平衡為目標構(gòu)建模型,并通過ACA 求解,算法的計算速度快、收斂性好。文獻[45]以微電網(wǎng)運行成本低、環(huán)境污染小為目標,以系統(tǒng)功率平衡約束、儲能約束和分布式電源出力約束為約束條件,建立微電網(wǎng)模型。文獻[46]構(gòu)建包含光伏發(fā)電、風力發(fā)電、微型燃氣輪機發(fā)電和蓄電池發(fā)電的微電網(wǎng)模型,同文獻[45]類似,運用序列運算理論所改進的ACA 驗證了微電網(wǎng)模型的經(jīng)濟性和可靠性。

雖然ACA具有并行性、較強的魯棒性以及編程簡易的特點,但也存在搜索時間較長,易出現(xiàn)早熟現(xiàn)象的問題,因而并不適用于求解模型復(fù)雜、計算量大的船舶直流微電網(wǎng)模型。

4 總結(jié)與展望

船舶直流微電網(wǎng)優(yōu)化運行和經(jīng)濟調(diào)度是船舶直流微電網(wǎng)能量管理的核心問題,本文給出了相關(guān)數(shù)學模型,將問題歸結(jié)為動態(tài)多目標非線性優(yōu)化問題,并對目前針對該問題的優(yōu)化方法進行了分析和比較。

目前,船舶直流微電網(wǎng)的研究還處于起步階段,現(xiàn)有的經(jīng)濟調(diào)度模型還不夠全面,比如缺乏對船舶類孤島運行微電網(wǎng)的研究和對分布式電源隨機性的考慮;對于環(huán)境問題的轉(zhuǎn)化也不能準確反映現(xiàn)實存在的環(huán)境污染問題;多目標不夠全面,還需考慮供電可靠性等因素的影響,并設(shè)置相應(yīng)的罰函數(shù);對于多目標問題的求解,多局限于雙目標的優(yōu)化,對于三目標以上的模型涉及甚少。因此,還有待進一步建立系統(tǒng)完善的船舶直流微電網(wǎng)經(jīng)濟調(diào)度模型。此外,針對多目標優(yōu)化模型的求解,也未形成統(tǒng)一的觀點,需要根據(jù)優(yōu)化目標所需達到的收斂速度、計算精度、魯棒性等要求選擇合適的智能算法,尚未有同時滿足上述要求的算法。因此,對于現(xiàn)有的智能算法,有待進一步改進,或者各個算法間取長補短,有機融合。

另外,評估船舶直流微電網(wǎng)運行經(jīng)濟性的方法是對船舶進行全壽命周期成本分析,在分析中應(yīng)對采購、運營和維護成本等因素綜合考慮,這是未來需要深入研究的另一個關(guān)鍵問題。