基于风光互补的独立微网系统容量优化

李 成， 杨 秀， 何海国， 汪志浩， 唐 伟

(1.国网浙江长兴县供电公司，浙江湖州313000；2.上海电力学院，上海200090)

基于风光互补的独立微网系统容量优化

李 成1， 杨 秀2， 何海国1， 汪志浩1， 唐 伟1

(1.国网浙江长兴县供电公司，浙江湖州313000；2.上海电力学院，上海200090)

相比单一的光伏或风能独立供电系统，风光互补发电系统利用风能和太阳能的互补特性，其输出功率波动小，能很好地适应环境的变化。针对独立风光柴储微电网电源容量优化配置问题，建立了设备初始投资成本、运行和维护成本、燃料成本和污染物治理费用经济性模型，同时在优化过程中引入了停电惩罚费用与能量浪费惩罚费用模型，以总投资最少为目标函数，以供电可靠性、风光互补、蓄电池充放电次数等为约束条件，采用遗传算法探讨系统中各个电源在给定调度策略下最优容量配置。该方法充分利用风光互补特性，只需较小的蓄电池和柴油发电机容量即可保证高供电可靠性，并减少了蓄电池的充放电次数和放电深度。算例验证了模型和算法的合理性。

微网系统；优化配置；经济性；遗传算法

随着能源危机和环境问题的不断出现，分布式发电成为世界范围内的研究热点。太阳能与风能存在随机性、间歇性和能量波动大等特点，单独的光伏发电或风力发电的输出功率波动大，独立运行时需要配置大容量的储能和其他分布式能源才能满足负荷的需求。

实际上，太阳能和风能在时间和地域上天然具有很强的互补性，与独立风力发电或光伏发电相比，风光互补混合供电系统能使电力输出更平稳、可靠，同时降低了对储能和其他分布式能源的要求，是更经济、可靠的选择。文献[1-3]研究了微网容量优化配置，在保证负荷供电可靠性的前提下，得到使系统成本最小的微源容量组合。但是，这些研究没有考虑如何充分利用风光互补特性，较少考虑蓄电池的充放电次数约束条件，未考虑风能、太阳能的随机性和波动性给分布式电源优化配置带来的影响以及储能的容量配置问题。

本文研究了孤岛下微网电源容量优化配置方法，以总投资最少为目标函数，以供电可靠性、风光互补特性、蓄电池充放电次数等为约束条件，采用遗传算法探讨系统中各个电源在给定调度策略下最优容量配置。

1 微网系统结构图

如图1所示，该微网系统由风力发电机组、光伏组件、柴油发电机、蓄电池、电负荷和变换器组成。微网孤岛稳定运行时，公共连接点处断路器处于断开状态，微网中各微源通过变换器共同为电负荷供电，满足负荷需求。

图1 微网系统结构

2 经济性模型

2.1 目标函数

本文的优化目标是在满足系统供电可靠性的基础上，考虑设备投资费用、运行和维护费用、燃料费用、惩罚费用、环保折算费用和发电补贴这6部分成本，使微网综合投资费用最低。

(1)设备投资费用

(2)运行和维护费用

(3)燃料费用

本文中微源中只有柴油发电机存在燃料费用，其燃料能耗成本主要与其有功功率输出有关，可表示为：

(4)惩罚费用

为了减少微源总出力高于负荷需求所造成的能量浪费和微源总出力低于负荷需求所造成的电力不足，本文引入了停电惩罚费用和能量浪费惩罚费用。

(5)环保折算费用

在柴油发电机的发电过程中，排放CO2、CO、SO2及各种氮化物，需要将柴油发电机对环境的影响统一到评估模型中，将环境影响折算成费用：

(6)发电补贴

对于风光柴储微网系统而言，政府要对风力和光伏新能源发电给予相应的补贴。

2.2 评价指标

(1)蓄电池等效充放电次数

蓄电池失效的循环次数与放电深度的关系曲线如式(9)：

图2 某型号蓄电池循环寿命与放电深度的关系

据图2所示蓄电池寿命曲线，本文采用等效充放电循环次数来计算，表达式如下：

(2)微电网可靠性

当风力发电机、光伏电池、蓄电池及柴油发电机可提供的能量不能满足负荷需求时，本文负荷缺电率LPSP：

式中：T为评估周期，T=24 h，负荷缺电率LPSP越小，微网系统供电可靠性越高。

(3)风光互补特性

2.3 约束条件

(1)微源功率约束

(2)个数约束

(3)蓄电池电量约束

(4)蓄电池等效循环寿命约束

(5)供电可靠性约束

(6)风光互补特性约束

3 优化配置方法

3.1 调度策略

调度策略为：(1)优先利用风机和光伏机组的出力，跟踪控制最大功率输出；(2)当风机和光伏的有功出力超过电负荷时，首先给蓄电池充电，同时监控蓄电池的充放电状态，当蓄电池充满时可以考虑切出部分发电成本较高的风机或光伏机组；(3)当风机和光伏的有功出力无法满足微网中电负荷时，优先调用蓄电池来提供有功功率，如仍存在有功缺额则再调用柴油发电机来输出有功功率；(4)若所有微源在出力范围内仍不能满足微网安全可靠运行，则按照负荷的重要性，切除非重要负荷，出现部分范围的停电。

3.2 优化方法

图3 计算流程图

4 算例分析

4.1 数据来源

本文中单台风机、光伏电池、柴油发电机的容量分别为0.3、0.2、0.5 kW，单个蓄电池的额定容量为1.2 kWh，额定功率1.2 kW，蓄电池初始剩余电量、最小剩余电量、最大剩余电量分别取0.5、0.1、1，蓄电池的充放电效率相等，取为90%，逆变器效率为90%，假设各个电源的使用年限均为15 a。电力不足惩罚系数、能量浪费惩罚系数，都为1.78元/kWh，柴油价格为7.36元/L(含运输费用)。各微源的相关信息如表1所示[4]，单个风机和光伏出力、电负荷的日负荷曲线如图4所示。柴油发电机污染物排放数据、污染物价值标准、罚款等级如表2所示[5]。

表1 各个电源成本与运行管理系数

图4 已知机组出力及电负荷

表2 柴油发电机的污染物排放系数及环境评价指标

4.2 微电网的经济性分析

计算2种方案：(1)未考虑风光互补特性的传统优化方案；(2)考虑风光互补特性的改进优化配置方案。2种方案的容量配置结果如表3所示，最优方案经济成本如表4所示。

表3 微网系统最优配置结果

表4 系统设计方案经济成本对比

对比方案1和方案2，显然采用方案2是经济的，其原因如下：方案2考虑了风光互补特性，虽然增加了系统对风机和光伏组件的容量配置，增大了设备投资成本。但是它降低了系统对蓄电池容量的配置，减少了柴油发电机的出力，大大降低了燃料成本；提高了微网供电可靠性，大幅降低了电力不足惩罚成本；减小了环保折算成本。随着技术的进步，风能和光伏组件的成本有望大幅下降，柴油价格将继续上涨，加上政府和企业对节能减排方面的重视，基于风光互补特性的微网经济性将得到更大的体现。

考虑风光互补特性，最优配置结果下风机装机容量为23.1 kW，光伏电池装机容量为24.4 kW，蓄电池容量为31.2 kWh，柴油发电机容量为2 kW，此时的实际综合成本费用最小为362.721元。风机容量和光伏电池容量很接近，这主要是因为所选地区典型日的风力资源和光照资源具有互补性，白天光照强时，风比较小；晚上没有光照时，风能有所加强。因此二者容量很接近。

与可再生能源发电比较，柴油发电机在发电成本上存在很大优势，在各个时刻其输出功率不受自然条件的约束；但是柴油发电机在运行过程中会释放出许多对环境有害的气体，会增加环保折算成本，另外，目前柴油价格上涨等因素，也都限制了柴油发电机的配置容量。

微网中各微源功率输出曲线见图5。

由图5可以看出，在1～4、10～12和23～24时段，由于风机和光伏电池发电功率大于负荷功率，需要蓄电池来吸收过剩功率，来配合风机和光伏共同维持和负荷之间的功率匹配。在5～9和16～20时段，风机和光伏电池发电功率低于负荷功率，出现了功率缺额，首先依靠蓄电池放电来弥补。在20～22时段，蓄电池由于能量或功率约束，无法达到负荷功率要求时，柴油发电机作为备用电源来提供剩余功率。

4.3 风光互补特性对柴油机和储能的影响分析

在方案1和方案2下，柴油发电机的出力和蓄电池出力及其剩余电量的变化如图6所示。可以看出在方案1下，柴油发电机在13～22时段，一直在以额定功率输出。而在方案2中，柴油发电机仅仅在20～22时段才输出功率，并且不全是以额定功率输出。方案2下蓄电池的剩余电量一直高于方案1下蓄电池的荷电状态，这可以提高蓄电池的等效充放电次数。在基准放电深度为50%，蓄电池失效循环次数为1 768次时，可以将蓄电池的等效充放电次数从23.03提高到43.46，大大提高了蓄电池的使用寿命。

图6 风光互补特性对储能和柴油机影响

5 结论

相较于未考虑风光互补特性的情况，本文提出的方法，提升了微网系统的经济性，提高了系统的供电可靠性，同时降低了系统中蓄电池的配置容量，延长了蓄电池的使用寿命。今后可进一步研究风光互补特性对并网下微网容量优化配置的影响。

[1]赵国波，刘天琪，李兴源.分布式发电作为备用电源的优化配置[J].电力系统自动化，2009，33(1)：85-89.

[2]BELFKIRA R,HAJJI O,NICHITA C,et al.Optimal sizing of stand-alone hybrid wind/PV system with battery storage[C]//2007 European Conference on Power Electronics and Applications.Aalborg,Denmark:2007 European Conference on Power Electronics and Applications,2007:1-10.

[3]王锐，顾伟，吴志.含可再生能源的热电联供型微网经济运行优化[J].电力系统自动化，2011，35(8)：22-27.

[4]丁明，张颖媛，茆美琴，等.包含钠硫电池储能的微网系统经济运行优化[J].中国电机工程学报，2011，31(4)：7-14.

[5]钱科军，袁越，石晓丹，等.分布式发电的环境效益分析[J].中国电机工程学报，2008，28(29)：11-15.

Optimization allocation of standalone microgrid system capacity based on complementary characteristic of wind and solar

Compared with a single standalone photovoltaic or wind power systems,wind and solar complementary characteristics were used by hybrid wind-solar power generation system,the output power fluctuation was smaller,it could adapt to environmental changes.For the optimal sizing problem of solar-wind-diesel-battery hybrid microgrid, the economic model of optimal sizing was built with the objective that takes daily costs of equipment,operation and maintenance,fuels,environment protection into account.Meanwhile the blackout penalty fee and wasted energy penalty fee also were included in the economic model.The optimal capacity configurations of different power sources in the system were solved by genetic algorithm under optimal investment condition and considering constraints of the reliability of power supply,the complementary of wind and solar,battery charge and discharge times.The proposed method took fully advantage of the complementary characteristic of wind and solar, could achieve a high power supply reliability while require less battery capacity in standalone mode.Moreover, the depth of discharge and charge/discharge cycles of battery was reduced.The reasonableness of the proposed models was verified by case study results.

microgrid system;optimal allocation;economy;genetic algorithm

TM 61

A

1002-087(2016)03-0610-04

2015-08-27

李成(1988—)，男，安徽省人，硕士生，主要研究方向为微网系统中储能的优化配置及变电站运维。