光伏板除塵維護(hù)下的高速公路微電網(wǎng)容量規(guī)劃

涂 昊，楊袆潘，付 婷

（1.重慶航運(yùn)建設(shè)發(fā)展（集團(tuán)）有限公司，重慶 401121；2.中鐵長(zhǎng)江交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，重慶 401121）

0 引言

隨著全球化石能源枯竭和環(huán)境污染日益加劇，在高速公路服務(wù)區(qū)建設(shè)光伏-儲(chǔ)能微電網(wǎng)，不僅能實(shí)現(xiàn)綠色低碳用電，還能實(shí)現(xiàn)偏遠(yuǎn)地區(qū)獨(dú)立供電，增強(qiáng)服務(wù)區(qū)電能的自協(xié)調(diào)能力。

目前，高速公路系統(tǒng)微電網(wǎng)建設(shè)問(wèn)題主要集中在道路域光伏發(fā)電項(xiàng)目的選址、容量和投資決策等方面[1]，現(xiàn)有研究很少將服務(wù)區(qū)作為微電網(wǎng)進(jìn)行研究。本研究構(gòu)建了高速公路服務(wù)區(qū)微電網(wǎng)系統(tǒng)的典型架構(gòu)，提出了光伏板除塵維護(hù)優(yōu)化模型。基于此，建立了光伏板除塵維護(hù)下的高速公路服務(wù)區(qū)光伏-儲(chǔ)能微電網(wǎng)容量規(guī)劃模型，并利用NSGA II 求解以系統(tǒng)總投資、運(yùn)行成本最小、微網(wǎng)自洽用電量最大化為目標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。利用計(jì)算的Pareto 最優(yōu)解邊界，從而得到不同微網(wǎng)自洽水平用電量下高速公路服務(wù)區(qū)光伏、儲(chǔ)能和接觸線的容量。

1 高速公路服務(wù)區(qū)微電網(wǎng)系統(tǒng)模型

高速公路服務(wù)區(qū)微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，服務(wù)區(qū)微電網(wǎng)主要由分布式光伏發(fā)電、儲(chǔ)能和負(fù)荷組成，其中，負(fù)荷主要為電動(dòng)汽車充電負(fù)荷和生活用電負(fù)荷。考慮不同氣象情景下供需平衡的多變性，仍有必要接入主電網(wǎng)作為備用和運(yùn)行保障。

圖1 高速公路服務(wù)區(qū)微網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 光伏陣列模型

光伏發(fā)電利用光伏板組件的光伏效應(yīng)，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，根據(jù)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度以及標(biāo)準(zhǔn)條件下光伏陣列的輸出，即可得到電能。

其中Pstc為標(biāo)準(zhǔn)條件下的輸出，Ir，t為時(shí)刻t的實(shí)際太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，Istc=1 kW/m2，aT為光伏板的功率溫度系數(shù)，Tt為光伏板在時(shí)刻t的溫度，Tstc=25 ℃。

當(dāng)不考慮其他因素對(duì)PV 輸出的影響時(shí)，PV 輸出可簡(jiǎn)化為式（2）。

其中It是指在沒(méi)有任何影響因素的情況下，太陽(yáng)到達(dá)地面的輻射強(qiáng)度的最大值。

當(dāng)PV 輸出遮陽(yáng)系數(shù)ηt，可由式（3）計(jì)算得到。

1.2 儲(chǔ)能充放電模型

采用電池組作為儲(chǔ)能系統(tǒng)，電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心功能是通過(guò)能量的快速存儲(chǔ)和釋放來(lái)跟蹤負(fù)載的變化[2]。多時(shí)段儲(chǔ)能之間的能量耦合模型如式（4）所示。

式中Ebess（t）為t時(shí)刻儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)的電量，s為電池裝置的自放電率，hch和hdis分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電和放電效率和分別表示t時(shí)刻儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電和放電功率，△t是步長(zhǎng)。

儲(chǔ)能電量狀態(tài)是衡量電池剩余電量的主要參數(shù)，如式（5）所示。

其中，Erate為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定功率。

2 高速公路微電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)與策略

2.1 高速公路光伏板除塵維護(hù)優(yōu)化模型

偏遠(yuǎn)地區(qū)高速公路在施工和車輛運(yùn)行過(guò)程中路基、路面和邊坡會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，導(dǎo)致光伏板更容易被灰塵覆蓋，隨而影響光伏板清潔維護(hù)成本。因此，確定合適的光伏板清洗周期，獲取光伏電站清洗維護(hù)成本具有重要的研究意義。

光伏發(fā)電功率損失率與積灰時(shí)間的時(shí)變預(yù)測(cè)模型為：

式中，h*為積灰條件下光伏發(fā)電功率損耗率的漸近值，h（q）為光伏發(fā)電功率損耗率，q為積灰時(shí)間，qc為時(shí)間常數(shù)，積灰時(shí)間以天為單位。

光伏電站日失電成本為：

式中，Ppv為光伏電站裝機(jī)容量，Td為光伏電站日平均利用小時(shí)數(shù)，lg為光伏并網(wǎng)電價(jià)。

光伏電站單次清洗維護(hù)成本為：

式中，S為單位容量光伏板的面積，lc為單位面積光伏板的清洗維護(hù)成本。

光伏板積灰造成的電能損耗和清潔維護(hù)的最小總成本為：

式中tc為清洗周期，tall為統(tǒng)計(jì)周期，一般以年為單位。日耗電成本積分表示一個(gè)清洗周期內(nèi)的總耗電成本。

將上述方程結(jié)合起來(lái)，可得到光伏板的清洗周期和運(yùn)維成本作為規(guī)劃模型的輸入條件。

2.2 高速公路服務(wù)區(qū)微電網(wǎng)容量規(guī)劃模型

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

考慮光伏、儲(chǔ)能在服務(wù)區(qū)和微網(wǎng)與主網(wǎng)接觸線上的建設(shè)投資和運(yùn)維成本，以微網(wǎng)向主網(wǎng)購(gòu)電總成本、微網(wǎng)向主網(wǎng)售電總收入、減載懲罰總成本、系統(tǒng)總投資和運(yùn)行成本最小化為目標(biāo)函數(shù)。考慮高速公路服務(wù)區(qū)微網(wǎng)的能源自產(chǎn)自用，最大自洽電量為另一個(gè)目標(biāo)函數(shù)。因此總目標(biāo)函數(shù)可表示為：

式中CIn、CMa、Cgrid、Congrid、Cab分別代表系統(tǒng)投資成本、運(yùn)維成本、購(gòu)電成本、售電收入和損失負(fù)荷懲罰成本，Pload（t）和Pgrid（t）分別表示t時(shí)刻微網(wǎng)的負(fù)載需求功率和微網(wǎng)從電網(wǎng)購(gòu)買的電量。

2.2.2 求解方式

本研究的高速公路服務(wù)區(qū)微網(wǎng)風(fēng)-光電-蓄容量規(guī)劃模型具有多目標(biāo)、多元和非線性的特點(diǎn)。因此采用改進(jìn)的NSGA II 對(duì)模型進(jìn)行求解。采用多目標(biāo)函數(shù)作為適應(yīng)度函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)的求解流程如圖2所示。

圖2 目標(biāo)與適應(yīng)度函數(shù)的求解流程圖

3 案例分析

以華東某大型高速公路服務(wù)區(qū)為例，所有光伏板均采用545 W 單晶硅組件，光伏板尺寸為2.384 m ×1.303 m。

3.1 光伏板除塵維護(hù)成本優(yōu)化

單位面積光伏板的清洗維護(hù)費(fèi)用按0.5 元/m2計(jì)算。光伏電站日平均利用小時(shí)數(shù)取為5 h。光伏發(fā)電進(jìn)入并網(wǎng)平價(jià)時(shí)代，光伏賣給主電網(wǎng)價(jià)格取為0.55元/ kWh。清洗周期為決策變量，在區(qū)間[0，365]上通過(guò)遺傳算法求解[3]，得到545 W 光伏板的最優(yōu)清洗周期為21 天，年合計(jì)除塵維護(hù)費(fèi)用為59.661 元。

3.2 多目標(biāo)容量規(guī)劃模型的求解

根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際光伏輸出水平以及高速公路大型服務(wù)區(qū)的實(shí)際負(fù)荷數(shù)據(jù)，選取服務(wù)區(qū)內(nèi)及周邊的最大可開發(fā)光伏容量為4.046 MW。規(guī)劃周期為20 年，折現(xiàn)率為10%。儲(chǔ)能系統(tǒng)選用磷酸鐵鋰電池。充放電效率為95%，自放電率為0.02% 損失負(fù)荷懲罰成本為1.2 元/kWh。

利用MATLAB 軟件編寫改進(jìn)的NSGA II 求解上述模型，設(shè)置種群規(guī)模為100，最大迭代次數(shù)為500，選擇交叉率為0.7，變異率為0.3。得到的Pareto 最優(yōu)解邊界如圖3 所示，Pareto 解分布均勻且廣泛，為決策者在微電網(wǎng)總投資最小、運(yùn)行成本最小和自恰電量最大這兩個(gè)相互矛盾的目標(biāo)中進(jìn)行選擇提供了大量信息。圖中系統(tǒng)的最低總成本為392.4 萬(wàn)元，主要包括接觸線建設(shè)投資、運(yùn)維費(fèi)用和購(gòu)電費(fèi)用。

圖3 基于NSGAⅡ算法的多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果

自恰率hser為40%、60%、80%時(shí)微網(wǎng)風(fēng)電光伏儲(chǔ)能容量最優(yōu)配置結(jié)果見表1。

表1 高速公路微電網(wǎng)容量?jī)?yōu)化配置結(jié)果

當(dāng)服務(wù)區(qū)安裝光伏板數(shù)量為3028 塊時(shí)，微網(wǎng)用電量自洽率為40%，能量自洽水平較低。當(dāng)光伏板安裝數(shù)為7202 塊時(shí)，用電量自洽率提高到80%。接觸線的額定容量逐漸減小，從一開始接近微網(wǎng)的最大負(fù)荷需求到400 kW 左右。儲(chǔ)能配置容量逐漸增大，儲(chǔ)能系統(tǒng)最終穩(wěn)定在885.4 kW/3600 kWh。此外，光伏除塵維護(hù)費(fèi)用占系統(tǒng)年度綜合成本的5%～10%。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究建立了光伏板除塵維護(hù)下的高速公路服務(wù)區(qū)光伏-儲(chǔ)能微網(wǎng)多目標(biāo)容量規(guī)劃模型，并利用NSGAⅡ求解該模型。研究可為高速公路服務(wù)區(qū)微電網(wǎng)建設(shè)示范工程提供理論支持和參考，并在此基礎(chǔ)上，未來(lái)可繼續(xù)優(yōu)化考慮需求響應(yīng)的高速公路微電網(wǎng)光儲(chǔ)聯(lián)網(wǎng)和接入線路的能量交換策略和容量配置模型。