基于經(jīng)濟性與環(huán)保性的微電網(wǎng)多目標優(yōu)化調(diào)度分析

吳 雪， 田 笑， 肖 瑩， 張 華

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院， 江蘇 南京 210009）

0 引言

近年來，由于全球能源需求的不斷增長和環(huán)境污染問題的日益嚴重，微電網(wǎng)逐漸成為了發(fā)展的熱點。微電網(wǎng)是一種由多種能源和負載組成的小型電力系統(tǒng)，以其能源自給自足、低碳環(huán)保、高效節(jié)能等優(yōu)點，在城市、工業(yè)園區(qū)和農(nóng)村等領域得到了廣泛應用。微電網(wǎng)的應用領域不斷拓展，其應用場景也越來越多樣化，例如在電網(wǎng)薄弱地區(qū)、島嶼、遠程地區(qū)和非洲等地，微電網(wǎng)可以為當?shù)鼐用駧砀哔|(zhì)量的電力服務[1]。然而，微電網(wǎng)系統(tǒng)具有復雜性、不確定性和動態(tài)性等特點，因此需要開展深入研究，探索有效的優(yōu)化調(diào)度方法，以提高微電網(wǎng)的效率和可靠性。

1 微電網(wǎng)概述

微電網(wǎng)是一種由多種分布式能源、存儲設備和負荷組成的小型電力系統(tǒng)，可以獨立運行或與主電網(wǎng)相互連接。微電網(wǎng)是一種新興的能源系統(tǒng)，它具有多種優(yōu)點，包括能源自給自足、低碳環(huán)保、高效節(jié)能等，這些優(yōu)點使得微電網(wǎng)在未來的能源市場中具有廣泛的應用前景。微電網(wǎng)的基本組成部分包括分布式能源、能量存儲設備和負荷。分布式能源包括風力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃料電池和微型燃氣輪機等，能量存儲設備包括電池儲能和儲氫儲能等。這些部分的協(xié)調(diào)和優(yōu)化是微電網(wǎng)的核心問題，需要綜合考慮各個因素，例如天氣條件、負荷需求、能源價格等，以確保微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行和經(jīng)濟效益。

微電網(wǎng)不僅可以提高能源利用效率，還可以通過減少對傳統(tǒng)電網(wǎng)的依賴來減少對化石能源的需求，從而降低對環(huán)境的影響。此外，微電網(wǎng)還可以增加能源的安全性和可靠性，因為它們能夠在主電網(wǎng)發(fā)生故障或災害時繼續(xù)運行。這使得微電網(wǎng)成為了一種備用電源選項，在突發(fā)情況下保障能源供應。在微電網(wǎng)的實現(xiàn)過程中，需要考慮多種因素，例如微電網(wǎng)的規(guī)模、結(jié)構(gòu)和技術(shù)方案等。微電網(wǎng)的規(guī)模和結(jié)構(gòu)決定了所需的分布式能源和能量存儲設備的數(shù)量和類型，而技術(shù)方案則決定了微電網(wǎng)的運行效率和經(jīng)濟性。為了實現(xiàn)微電網(wǎng)的最佳性能，需要仔細評估各種因素，并進行詳細的規(guī)劃和設計。

2 不同種類的分布式電源數(shù)學模型

2.1 風力發(fā)電機數(shù)學模型

風力發(fā)電機數(shù)學模型是風力發(fā)電系統(tǒng)的核心。它由三個主要組成部分構(gòu)成：風速模型、風機特性模型和電機模型。風速模型是用來描述風速在時間和空間上的變化規(guī)律的。風機特性模型描述了風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩特性和輸出功率特性，包括空氣動力學和機械特性。電機模型描述了發(fā)電機的電磁特性和輸出電壓特性。這些模型可以幫助人們更好地理解風力發(fā)電機的運行機理，優(yōu)化風力發(fā)電系統(tǒng)的設計和運行，從而提高風力發(fā)電的效率和經(jīng)濟性。除了風力發(fā)電機數(shù)學模型，還有一些關(guān)鍵因素需要考慮，例如風場的地形、風向、風速和湍流強度。這些因素對風力發(fā)電機的性能和發(fā)電量產(chǎn)生重要影響[2]。因此，在設計和運行風力發(fā)電系統(tǒng)時，必須考慮這些因素，并制定相應的策略來優(yōu)化系統(tǒng)性能。總之，風力發(fā)電機數(shù)學模型是風力發(fā)電系統(tǒng)的核心，它可以幫助人們更好地理解風力發(fā)電機的運行機理，優(yōu)化風力發(fā)電系統(tǒng)的設計和運行，從而提高風力發(fā)電的效率和經(jīng)濟性。同時，還需要考慮其他關(guān)鍵因素，制定相應的策略來優(yōu)化系統(tǒng)性能。

2.2 光伏發(fā)電數(shù)學模型

光伏發(fā)電的數(shù)學模型是一種非常重要的工具，用于描述太陽能發(fā)電系統(tǒng)的特性和性能。這種模型通常包括太陽輻射模型、光伏電池模型和直流電- 交流電轉(zhuǎn)換模型。太陽輻射模型主要用來描述太陽輻射在不同時間和空間中的變化規(guī)律。它可以幫助我們更好地理解太陽能發(fā)電系統(tǒng)的運作機制和影響因素。光伏電池模型則用來描述光伏電池的電學特性和輸出電壓特性。這種模型可以幫助我們更好地了解太陽能電池的性能和限制。直流電- 交流電轉(zhuǎn)換模型則用來描述光伏發(fā)電系統(tǒng)的電力轉(zhuǎn)換過程。它可以幫助我們更好地理解太陽能發(fā)電系統(tǒng)的整個工作流程。通過使用光伏發(fā)電的數(shù)學模型，我們可以更好地設計和優(yōu)化光伏發(fā)電系統(tǒng)，提高光伏發(fā)電的效率和經(jīng)濟性[3]。因此，深入理解和掌握光伏發(fā)電的數(shù)學模型非常重要。

2.3 燃料電池數(shù)學模型

燃料電池的數(shù)學模型是研究燃料電池內(nèi)部工作原理的一種計算模型。它通常包括以下三個部分：燃料供應模型、氫氣輸出模型和電化學反應模型。燃料供應模型主要描述燃料在燃料電池中的供應和流動過程，氫氣輸出模型主要描述燃料電池的輸出特性，電化學反應模型主要描述燃料電池中的電化學反應過程。這些部分的綜合作用決定了燃料電池的性能和特性。燃料電池的數(shù)學模型可以幫助我們更好地理解燃料電池的內(nèi)部工作原理。通過對燃料電池數(shù)學模型的研究，可以分析燃料電池的性能、效率和經(jīng)濟性，并優(yōu)化燃料電池系統(tǒng)的設計和運行，從而提高燃料電池技術(shù)的發(fā)展水平。此外，燃料電池數(shù)學模型還可以用來預測燃料電池在不同工況下的性能表現(xiàn)，為燃料電池的應用和推廣提供科學依據(jù)。

2.4 微型燃氣輪機

微型燃氣輪機是一種能夠?qū)⑷剂限D(zhuǎn)化為電力的設備。它的數(shù)學模型通常包括三個部分：燃氣供應模型、燃氣燃燒模型和旋轉(zhuǎn)機械模型。其中，燃氣供應模型用來描述燃氣的供應和流動過程，燃氣燃燒模型用來描述燃氣在燃氣輪機中的燃燒過程，旋轉(zhuǎn)機械模型用來描述燃氣輪機的旋轉(zhuǎn)特性和輸出功率特性。為了更好地優(yōu)化微型燃氣輪機系統(tǒng)的設計和運行，數(shù)學模型可以被用來預測燃氣輪機的性能和效率[4]。通過優(yōu)化這些模型，可以提高微型燃氣輪機的效率和經(jīng)濟性。此外，微型燃氣輪機也可以被用來代替其他能源設備，以減少對環(huán)境的影響，達到可持續(xù)發(fā)展的目的。因此，微型燃氣輪機的研究和發(fā)展具有重要意義，它可以提供更加清潔和高效的能源解決方案。

3 基于經(jīng)濟性與環(huán)保性的微電網(wǎng)多目標優(yōu)化調(diào)度模型

3.1 目標函數(shù)

在進行微電網(wǎng)的配置時，首先需要對其進行優(yōu)化調(diào)度。為了更好地控制不同種類的能源，必須采用分布式電源，并滿足其功率的需求。此外，還需要建立良好的系統(tǒng)運行機制，以保證微電網(wǎng)的安全運行。本文提出的微電網(wǎng)多目標優(yōu)化調(diào)度模型主要包括兩個目標函數(shù)，即經(jīng)濟性目標和環(huán)保性目標。其中，經(jīng)濟性目標主要包括成本最小化和效益最大化兩個方面。在成本最小化方面，可以考慮采用更具成本效益的能源，以降低系統(tǒng)運行成本。在效益最大化方面，需要重點考慮如何更好地利用微電網(wǎng)的優(yōu)勢，提高其經(jīng)濟效益。環(huán)保性目標主要包括碳排放最小化和環(huán)境污染最小化兩個方面。為了實現(xiàn)碳排放最小化，我們可以采用更清潔、更綠色的能源，如光伏和風能等[5]。為了實現(xiàn)環(huán)境污染最小化，可以采用更環(huán)保的設備，并加強微電網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測和治理。將經(jīng)濟性和環(huán)保性結(jié)合起來，可以實現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。因此，應該在優(yōu)化調(diào)度過程中，注重經(jīng)濟性和環(huán)保性的平衡，以達到最佳的系統(tǒng)運行效果。同時，我們也應該積極探索新的技術(shù)和方法，不斷完善微電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度模型，以應對未來的市場需求和環(huán)境挑戰(zhàn)。

3.2 約束條件

微電網(wǎng)多目標優(yōu)化調(diào)度模型中，有三個重要的約束條件，分別是能量平衡約束、發(fā)電容量約束和儲能容量約束。具體來說，首先能量平衡約束是用來保證微電網(wǎng)系統(tǒng)在每個時刻的能量供需平衡。這意味著，微電網(wǎng)系統(tǒng)在任何時候都必須有足夠的能量供應，以滿足其當前的能源需求。如果系統(tǒng)的能量供應不足，那么它將無法正常運行，這將對整個微電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性造成不利影響。其次，發(fā)電容量約束用來保證各種分布式電源的發(fā)電容量不超過其最大容量。這意味著，各種分布式電源在發(fā)電的過程中，不能超過其最大發(fā)電容量，否則可能會對微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成不利影響。因此，發(fā)電容量約束是確保微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要因素之一。最后，儲能容量約束用來保證儲能設備的儲能容量不超過其最大容量。這意味著，儲能設備在儲存能量的過程中，不能超過其最大儲能容量，否則可能會對微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成不利影響[6]。因此，儲能容量約束也是確保微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要因素之一。通過這些約束條件的實施，微電網(wǎng)系統(tǒng)可以更加穩(wěn)定地運行，從而保證其可靠性和穩(wěn)定性。

4 基于改進遺傳算法的微電網(wǎng)優(yōu)化配置

微電網(wǎng)是指由多個分布式電源、儲能設備和負荷組成的電力系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的中心化電網(wǎng)不同，微電網(wǎng)具有分布式、自治性和可靠性等特點，因此在能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展方面具有重要的意義。然而，由于微電網(wǎng)系統(tǒng)的復雜性和不確定性，其優(yōu)化調(diào)度問題一直是一個難題。本文提出了一種基于改進遺傳算法的微電網(wǎng)優(yōu)化配置算法，該算法主要包括三個步驟：種群初始化、遺傳操作和適應度評估。在這里，將詳細介紹這三個步驟及其實現(xiàn)方法。在種群初始化階段，需要確定微電網(wǎng)的規(guī)模和拓撲結(jié)構(gòu)，以及各個節(jié)點的電氣參數(shù)。這些參數(shù)的確定是非常關(guān)鍵的，因為它們直接影響到微電網(wǎng)的性能和效率。可以通過對微電網(wǎng)的負荷、發(fā)電機和儲能裝置等方面進行分析，來確定這些參數(shù)的取值范圍。還需要考慮微電網(wǎng)系統(tǒng)的能量平衡、發(fā)電容量約束和儲能容量約束等重要因素。能量平衡是用來保證微電網(wǎng)系統(tǒng)在每個時刻的能量供需平衡[7]。如果系統(tǒng)的能量供應不足，那么它將無法正常運行，這將對整個微電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性造成不利影響。發(fā)電容量約束用來保證各種分布式電源的發(fā)電容量不超過其最大容量。儲能容量約束用來保證儲能設備的儲能容量不超過其最大容量。通過這些約束條件的實施，微電網(wǎng)系統(tǒng)可以更加穩(wěn)定地運行，從而保證其可靠性和穩(wěn)定性。

接下來，可以利用遺傳操作來優(yōu)化微電網(wǎng)的配置方案，具體包括發(fā)電機的數(shù)量和容量、儲能裝置的容量和數(shù)量等方面。為了實現(xiàn)這一目標，可以采用交叉和變異操作。交叉操作是將兩個不同的微電網(wǎng)配置方案進行交叉，得到一個新的微電網(wǎng)配置方案。變異操作是對某個微電網(wǎng)配置方案進行隨機的變異操作，得到一個新的微電網(wǎng)配置方案。這些操作可以為更好地探索微電網(wǎng)配置方案空間提供顯著幫助，并找到最優(yōu)的配置方案。同事還通過采用改進的遺傳算法，通過引入新的算子和策略，提高了算法的搜索能力和收斂速度。最后，在適應度評估階段，我們采用經(jīng)濟性和環(huán)保性兩個指標來評估微電網(wǎng)配置方案的優(yōu)劣。經(jīng)濟性是指微電網(wǎng)配置方案的總體成本，包括建設成本、運營成本和維護成本等。環(huán)保性是指微電網(wǎng)配置方案的環(huán)境效益，包括減少碳排放、降低噪音等[8]。通過對這兩個指標的評估，可以確定最優(yōu)的微電網(wǎng)配置方案。還采用了多目標優(yōu)化方法，通過權(quán)衡經(jīng)濟性和環(huán)保性等多個因素，得到更加全面和合理的微電網(wǎng)配置方案。通過改進遺傳算法，可以有效地解決微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度問題，提高微電網(wǎng)系統(tǒng)的效率和經(jīng)濟性。該算法可以應用于各種類型的微電網(wǎng)系統(tǒng)，包括城市微電網(wǎng)、農(nóng)村微電網(wǎng)、海島微電網(wǎng)等。因此，相信這一算法對于微電網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化和發(fā)展有著重要的意義。

5 結(jié)語

本文的研究為微電網(wǎng)的規(guī)劃、設計和運行提供了參考和指導。未來，將繼續(xù)研究微電網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度問題，以提高微電網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展水平。具體而言，需要結(jié)合實際進一步考慮微電網(wǎng)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性等方面的問題，并探索如何將微電網(wǎng)與其他能源系統(tǒng)進行整合，以實現(xiàn)更加高效的能源利用。