0 引言
近年来, 基于可再生能源的分布式发电技术得到了越来越广泛的应用, 但当大量分布式电源接入电网时, 可能造成电网对其不可控和难以管理的局面, 进而引发诸如稳定性和电能质量等相关问题[1-2]。为了有效解决电网与分布式电源之间的矛盾, 充分发挥分布式电源的优势, 进一步提升电力系统的运行性能, 微电网应运而生。
微电网是指由多种分布式电源、储能系统、能量转换装置、负荷及监控保护装置汇集而成的小型发配电系统, 是一个能够实现自我控制、保护和管理的独立自治系统[3-5]。微电网内部的分布式电源包括微型燃气轮机、风/光等可再生能源, 其内部的负荷既包含电力负荷, 也包含冷、热负荷。微电网正常情况下工作在并网模式, 通过公共连接点 (PCC点) 与主网连接;当PCC点断开与主网联络时, 微电网能够运行在孤网模式下, 持续对微电网内的重要负荷供电。
目前, 国内外研究学者和工程技术人员从理论层面、技术层面、实验平台和示范工程建设方面对微电网开展了大量研究, 取得了一定的成果, 但是针对微电网规划设计阶段的优化配置方面研究较少。近年来, 有文献通过HOMER软件对微电网优化配置进行了研究[6-8], 但大部分局限于某一类电源或者给定储能容量等单一目标, 且对于微电网的经济性分析也较为简单。
本文针对并网型微电网中风电、光伏和储能的优化配置进行了研究, 基于某地区的风光储并网型微电网案例进行多目标优化和分析, 并通过HOMER软件仿真得到满足不同要求的微电网优化配置方案。
1 影响微电网优化配置的主要因素
微电网优化配置是根据用户所在地的地理位置、气象条件、电网资料、分布式电源特性、用能需求及其他限制性因素等数据来确定微电网各组成部分的类型、容量和相应运行策略等参数, 以使微电网尽可能工作在最优状态, 达到可靠性、经济性和环保性等方面的要求。
微电网优化配置是一个复杂的寻优问题, 在实际应用中需要考虑综合因素的影响, 包括电源出力的不确定性、负荷功率的随机性、储能系统容量大小和联络线交换功率限制等诸多因素。
考虑不确定性因素。微电网优化配置问题的不确定性因素包括风电实际出力、光伏实际出力和负荷大小。风电、光伏和负荷功率具有一定的随机性, 但是这种随机性功率满足一定的概率分布, 因此本文基于历史年数据, 采用确定历史场景的优化配置方法, 模拟全年各个时刻风速、光照强度和负荷发生一定程度波动的实际运行状态。
考虑负荷功率随机因素。微电网中的负荷按照不同的供电要求, 可分为重要负荷、可转移负荷和可调整负荷3类。重要负荷是指规定时间内必须得到满足的负荷, 如电梯负荷等;可转移负荷是指负荷供电时间内可以进行一定程度变动的负荷, 如储水式电热水器负荷等;可调整负荷是指负荷功率可进行一定调整的负荷, 如空调负荷等。通过将可转移负荷从负荷高峰时段转移到负荷低谷时段, 可有效减小峰谷差;通过在负荷高峰时段适当中断一部分可调整负荷, 也能达到减轻负荷高峰时段供电压力的目的。
考虑储能因素。储能系统因具有能量双向流动、充放电功率连续可调等优点, 还可以作为主电源提供电压频率支撑以维持系统稳定运行, 使其成为微电网的重要组成部分。
考虑联络线功率因素。风光资源具有明显的间歇性和波动性, 其输出功率受天气变化影响较大, 导致微电网与主网交换功率的波动, 进而引起电压波动和电能质量等问题。联络线功率控制通过微电网内部的功率调节, 使联络线功率满足一定的运行目标。通过联络线功率控制能够缓解风光发电输出功率波动, 利用储能装置等功率调节手段, 实现微电网与主网的友好连接。另外, 为了提高可再生能源利用率, 利用储能装置的双向功率调节特性, 实现联络线功率的优化和控制。
2 优化配置变量和约束条件
微电网中既可能包含冷/热/电三联供的微型燃气轮机等易于控制的电源, 也可能包含如风电、光伏等具有间歇性和不易控制的电源。根据微电网的特性来确定最优的分布式电源定容选址方案, 以实现多种能源的协调优化。在进行定容选址时, 不同分布式电源对位置和容量的选择有不同的要求, 需要充分考虑经济性、环保等约束条件;同时, 微电网本身供电可靠性、孤岛运行、远景发展等要求同样需要考虑在内。
2.1 优化配置变量
微电网优化配置包含容量优化和位置优化两个子问题。容量优化变量包括分布式电源、储能装置等设备的类型和数量、微电网内部和联络线潮流;位置优化变量包括分布式电源、储能装置等设备的接入位置、运行电压等。通常情况下, 微电网优化配置指容量优化问题。因此, 本文主要从容量优化方面展开研究。
2.2 约束条件
在进行微电网优化配置时, 需要设定若干约束条件。并网型微电网优化配置问题中需要考虑的因素较离网型微电网更多, 除了系统级运行约束条件、设备级运行约束条件和工程约束条件外, 还需要考虑PCC点处的电能质量、微电网与主网的功率交互、微电网自身的控制策略等多方面因素。
2.2.1 系统性能约束条件
系统性能约束条件是针对自平衡率、自发自用率等微电网的并网性能指标设置的期望值约束, 在不能兼顾多方面系统性能时, 使部分重要的性能指标达到一定的期望值水平。
自平衡率约束:
式中, Rself是自平衡率, Rself＿set是自平衡率期望值, Eself是并网型微电网自身所能满足的负荷用电量, Etotal是负荷的总需求量。
自发自用率约束:
式中, Rsuff是自发自用率, Rsuff＿set是自发自用率期望值, Eself是并网型微电网自身所能满足的负荷用电量, EDG是并网型微电网分布式电源总发电量。
冗余率约束:
式中, Rredu是冗余率, Rredu＿set是冗余率期望值, Egrid-out是并网型微电网出售给大电网的电量, EDG是并网型微电网分布式电源总发电量。
由于微电网优先自发自用, 冗余率越小说明微电网倒送电量越少, 因此将冗余率期望值作为约束上限;而自平衡率和自发自用率越大说明微电网自治能力越强, 因此对应期望值作为约束下限。
2.2.2 公共连接点约束条件
PCC点是微电网和主网的分界点, 不仅对电压水平、功率因数等有要求, 对交互功率、功率方向和功率波动情况也有明确限制, 并且根据控制策略要求还需要分运行方式、分时段改变交互功率。
电压约束:
式中, Upcc是PCC点电压水平, Upcc＿lower是PCC点电压下限值, Upcc＿upper是PCC点电压上限值。
功率因数约束:
式中, λpcc是PCC点功率因数, λpcc＿set是PCC点功率因数期望值, Ptieline是PCC点有功交互功率, Qtieline是PCC点无功交互功率。通过设置PCC点功率因数期望值, 可以实现微电网的无功功率就地平衡, 避免无功功率传输。
交互功率约束:
式中, Spcc是PCC点交互功率限值, Spcc＿set是PCC点交互功率期望值, Ptieline是PCC点有功交互功率, Qtieline是PCC点无功交互功率。
功率波动约束:
式中, δline是自平滑率, δline＿set是自平滑率期望值, Pline, i是第i个时刻的联络线功率, Pline＿ave是评估周期内联络线平均功率。通过设置PCC点自平滑功率期望值, 限制微电网与主网交互功率的波动情况, 降低微电网对主网的影响。
3 案例分析
3.1 案例概况
负荷情况:某供电区域年用电量为864万k Wh, 日平均用电量为23671kWh, 年最大负荷为5028kW, 年平均负荷为986kW。年用电高峰期出现在7～8月份, 低谷期出现在12月份和1月份。
风光出力与负荷相关性:基于当地历史年数据, 得出本工程光伏和风电出力与本地负荷的匹配情况, 如图3所示。
3.2 边界条件
根据上述分析结果和本工程实际, 本工程设定如下边界条件来进行微电网中风光储的优化配置:
微电网的设计寿命为20年, 只有蓄电池在寿命周期内考虑置换的可能性, 其他设备不考虑置换成本, 蓄电池寿命周期暂按照10年考虑。
基于本工程实际空间限制考虑, 本工程光伏最大安装容量为10MW;风电最大安装容量为30MW;锂电池的最大安装容量为8MWh。
蓄电池荷电状态 (SOC) 运行限制设置为0.40～0.95, 充放电转换效率为90%;变流器综合效率均取95%;微电网与主网最大交换功率按照3000kW考虑。
风电初始投资成本10000元/k W, 运维费用2%/年;光伏初始投资成本7000元/k W, 运维费用1%/年;蓄电池初始投资成本1200元/kWh, 运维费用1%/年;储能变流器初始投资成本500元/k W, 运维费用1%/年;电网购/售电价0.8元/kWh。
3.3 优化配置方案与结果分析
根据上述边界条件, 通过HOMER软件仿真计算, 按照净现成本、发电量、弃电量、与电网交换功率、度电成本、风光渗透率等指标进行比选, 优选了以下3个方案。
方案一:考虑净现成本最小。
方案一考虑风光储组合, 净现成本最低, 初始投资和运维费用少;弃电量最少, 但是风光发电量低, 缺电量最高, 与电网净交换电量高, 自发自用电量低。
方案二:考虑与电网净交换电量最小。
方案二考虑风光储组合, 与电网净交换电量最少, 风光发电量较高, 但是弃电量和缺电量均较高, 自发自用电量较低。
方案三:考虑度电成本最小。
方案三考虑风光储组合, 缺电量最低, 与电网净交换电量较低, 自发自用电量较高, 但是净现成本最高, 投资和运维成本高。
为了进一步分析风光储不同电源组成对微电网优化配置的影响, 本报告选择方案三进行仿真分析, 方案三具体仿真结果如图5～图8所示。
综合上述仿真结果可以看出, 得益于储能容量较高, 方案三缺电量最少, 自发自用率最高。但是, 由于该地区风资源一般, 全年风电出力较低, 年发电量较低。
4 结论和展望
本文分析了影响微电网优化配置的主要因素, 提出了微电网电源优化配置变量、系统性能约束条件与公共连接点约束条件。
本文选取某地区的风光储并网型微电网进行实例分析, 通过设定微电网约束条件和技术经济等参数, 基于HOMER软件进行小时级仿真计算, 在弃电量、缺电量、与电网净交换电量、净现成本和度电成本等不同优化指标下, 得到满足不同要求的微电网风光储优化配置组合。
