含多種新能源的微電網經濟調度方法研究

2023-11-20 11:26:18謝瓊瑤王海亮李咸善

電工材料 2023年5期

汪萌，王春，謝瓊瑤，王海亮，鄧玲，李咸善，李飛

（1. 國網宜昌供電公司經濟技術研究所湖北宜昌 443002；2. 三峽大學電氣與新能源學院，湖北宜昌 443002）

0 引言

近年來，隨著我國全面現代化社會建設的迅速發展，人民物質文化生活水平日益提高，導致我國對能源需求量逐步增長，今后我國將長期處于發展中國家并且屬于快速發展階段。然而我國常規能源短缺與國民經濟快速增長的矛盾日益突出。除此之外，煤、石油和天然氣等常規能源燃燒時會排放出大量的CO2和SO2等有害氣體，產生氣溫上升、酸雨等嚴重的環境污染問題。由此看來，很有必要開發新的高效無污染的可再生能源來緩解這一現狀。

在尋找清潔能源的同時也要改善大電網的不足之處。目前，我國大電網已經較為穩定成熟，但傳統的大電網仍然具有部分局限性，例如，可靠性不高、能源消耗較大、對環境污染較嚴重、網絡損耗高等缺點。針對以上不足，微電網的產生從很大程度上解決了這一問題。微型電網是一種由負荷和微型電源共同組成的系統，可以進行熱電聯產；能量以及微電網的控制由電力電子設備來完成；從外部大電網來看，微電網相當于一個整體可控的負荷單元，并且可以滿足用戶對于用電可靠性和電能質量的要求。微電網屬于分布式發電，可與大電網互聯，具有可控性，是一種“網絡化”的能量供需管理運營體系。它是電力系統智能發展道路上一個重要環節，世界各國的電力工作者和研究人員都對微電網開展了廣泛的研究。

本研究主要研究含新能源的微電網的經濟調度問題，參考了許多文獻。文獻[1-2]研究的是含大規模風光互補電力的電力系統經濟調度，根據風能和太陽能天然的互補特性，建立了風電廠和太陽能發電廠的互補調度策略,解決了部分新能源并網帶來的不穩定性的影響。文獻[3]對生物質和太陽能的冷、熱、電聯供系統優化配置與調度進行研究，利用層次分析法綜合考慮多個目標，建立了優化配置模型。文獻[4]研究了生物質與風能的互補運行，對生物質和風能的共同運行進行了優化調度。文獻[5]研究了含分布式微電源的微電網經濟調度問題，給出了包含風力發電機、太陽能光伏電池微型燃氣輪機的微電網經濟調度模型。文獻[6-7]是并網型微電網經濟調度的研究，解決了微電網由于負荷和微電源工作特性的影響產生的微電網和大電網功率交換過于頻繁而引起的損失問題。文獻[8-10]均為研究微電網日前的經濟運行，給出了最優的經濟調度方案。

但是，上述研究大多是基于太陽能、風能的微電網的經濟調度研究，少有文獻涉及生物質發電。此外，多數文獻采用基本算例進行仿真。而本研究主要解決區域的新能源微電網的經濟調度問題。選用地區的新能源發電應用廣泛，有充分的自然條件。本研究基于MATLAB 的微電網經濟調度模型研究，旨在更加環保經濟地分配生物質、光伏、風力發電以及與傳統大電網的銷售和購買。為降低成本，提出具有參考價值的日前經濟調度方案。

1 考慮微電網交易計劃的經濟調度模型

針對含有生物質、風能和太陽能等新能源微電網并網的經濟調度優化問題，按成本最低原則建立目標函數。

1.1 生物質發電特性

秸稈發電，即以農作物秸稈作為主要燃料的一種發電方式[11]，分為秸稈氣化發電和秸稈燃燒發電。秸稈是一種很好的可再生能源，屬于清潔能源，是最具開發利用潛力的新能源之一，具有較好的經濟、生態以及社會效益。

作物秸稈作為傳統的能量轉化方式，直接燃燒具有成本低廉、經濟方便等特點，可在農作物秸稈主產區中小型企業、學校、政府以及鄉鎮居民用于冬季供暖。

生物質直燃發電燃料一般采用農作物秸稈，發電設備與常規燃煤電廠基本相同，由鍋爐、汽輪機和發電機構成，只是在燃料來源與處理上有所區別。首先，對秸稈燃料進行必要的預處理后送入鍋爐直接燃燒，將生物質儲存的化學能通過燃燒轉化為熱能，釋放出的熱能將鍋爐中的水加熱成合格的蒸汽；然后，蒸汽推動汽輪機將熱能轉化為機械能，汽輪機帶動發電機轉動，將機械能轉化為電能。根據燃料性質的不同生物質純燒發電技術可以分為兩類：木質生物質燃料燃燒技術、秸稈燃燒技術。其中生物質直燃發電技術流程如圖1所示。

圖1 生物質直燃發電技術流程圖

宜昌地區生物質資源主要包括農業生物質、林業生物質和水庫大壩漂浮物以及生活垃圾和餐廚廢棄物、畜禽糞便?？傮w來說，宜昌市生物質資源較為豐富，因此針對宜昌現有的兩座農林生物質發電站（當陽市神州新能源生物質發電站、安能生物質熱電廠）進行經濟調度的優化。兩座生物質發電站均是利用生物質直燃發電，且以焚燒秸稈為主?；谏鲜鲫P于秸稈發電特性的定性分析，對兩臺鍋爐的進氣壓力、秸稈耗量與輸出功率進行相關度分析，以進氣壓力和秸稈耗量為自變量，輸出功率為因變量建立秸稈發電的數學模型。采用非線性回歸分析方法，出力模型如下：

式中：PBIO為秸稈發電的輸出功率；K1～K3為汽輪機的相關壓力系數；μ0、μ1、μ2、μ12、μ3、μ4和μ5分別秸稈消耗量的相關系數。由于秸稈發電廠的輸出功率應該優先滿足廠用電負荷需求，然后給微電網負荷供電，最后有多余或者不足的電再向大電網銷售或者購買。

1.2 并網微電網經濟調度模型

使微電網系統通過聯絡線與低壓配電網進行雙向功率交換，使系統內各機組的運行成本與電網的交換總成本達到最低。不考慮線路中的損耗，使包含生物質、風力、光伏的微電網并網時計劃運行成本最小，可將目標函數描述為：

式中：T為調度時刻；PBIO,t為t時段生物質機組有功出力；PPV,t為t時段太陽能發電機組有功出力；PWT,t為t時段風能發電機組有功出力；PEX,t為t時段微電網與大電網交換功率，γ1、γ2、γ3、γ4分別為秸稈、光伏、風力以及大電網發電的成本系數。

1）約束條件1：系統功率平衡約束：

式中：Pload,t為t時段負荷值。

2）約束條件2：各機組出力約束：

式中：上標max和min表示相應量的上下限。

2 調度策略及求解步驟

2.1 調度策略

在建立了目標函數后，為使微電網的經濟調度更加方便，根據微電源自身的發電特點、微電網不同的運行方式，綜合這兩方面來考慮為經濟調度模型提供求解思路。例如風力發電和光伏發電是在自然界中可二次獲取的可再生能源，且對環境污染小，但是這兩種能源發出的有功功率受環境影響大，具有隨機性和不可預測性，為不可控機組，所以在進行微電網的經濟調度時優先使用，且運行在輸出功率最大的狀態。再如在不考慮儲熱及熱力外送的情況下，由于生物質發電的有功出力受自身發電特性和熱負荷的限制，也為不可控機組。

微電網并網運行時，負荷耗量由微電網和大電網一起供給。以大電網為支撐，生物質等優先發電為輔，給出的并網運行時的經濟優化調度如下。

（1）太陽能和風能利用可再生清潔能源發電，燃料成本為零，而且對環境污染小，但是輸出的有功功率具有隨機性和波動性，因此首先要利用其輸出的電量。

（2）在不考慮儲熱及外力傳送時，為滿足微電網系統內的負荷需求，同時實現能量的梯級利用，生物質發電運行在“以熱定電”模式下，其產生的電能屬于“強迫功率”，亦優先利用。

（3）若太陽能、風能和生物質發出的有功功率已經滿足微電網的自身需求，將剩余功率向大電網出售；若太陽能、風能和生物質發出的有功功率不能滿足微電網內本身需求，那么微電網需向大電網購電，以滿足負荷需求。

2.2 求解步驟

在以上調度策略和成本函數模型的基礎上，利用MATLAB 中的二次規劃法優化求解[12]，具體流程如圖2所示。

圖2 含生物質發電的微電網經濟調度計算流程圖

3 算例分析

3.1 算例概述

選取風電、太陽能、生物質發電作為新能源機組的典型機組型式。生物質機組是以焚燒秸稈為主的生物質直燃發電機組。微電網由風電、太陽能和生物質發電和負荷構成，風電裝機100 kW，光伏總裝機60 kW。其中主網與微電網之間視每小時的調度情況進行相應購電和售電。微電網必須滿足相應的等式約束條件，即風力、太陽能以及生物質發電的總和必須滿足總負荷的要求。還應滿足相應的不等式約束條件即各機組所發功率不能超過機組運行的上下限（生物質發電的范圍是10 kW～300 kW；生物質制熱功率范圍是0 kW ～130 kW；交換功率范圍是-200 kW ～200 kW）。

微電網與上級主網交易的分時電價如表1 所示。冬夏兩季典型日的溫度、風速曲線分別見圖3和圖4。冬季典型日的電負荷和熱負荷曲線如圖5所示。