含DERs的低压多源并供点状网络经济运行策略

田咏桃 仉志华 孙 东 龙敏敏 曲泽奇



含DERs的低压多源并供点状网络经济运行策略

田咏桃1仉志华2孙 东3龙敏敏4曲泽奇2

（1. 中国石油大学（华东）理学院，山东 青岛 255680； （2. 中国石油大学（华东）信息与控制工程学院，山东 青岛 255680； 3. 中国石化股份胜利油田分公司技术检测中心，山东 东营 257000； 4. 山东广域科技有限责任公司，山东 东营 257081）

低压多源并供点状网络（Spot network）具有极高的供电可靠性，且有利于分布式电源（DERs）就地消纳，是低压配电系统的重要发展方向。但目前对含DERs低压多源并供点状网络优化运行策略的研究较少。本文考虑光伏发电、燃料电池、微型燃气轮机等DERs出力特性，以总体成本最低为目标、以功率平衡为约束，建立了适用于并网与孤网运行模式下的含DERs低压多源并供点状网络经济运行模型。通过加权方式将多目标优化转变为单目标优化问题，且分析了权重系数对优化结果的影响。案例分析结果证明了该方法的有效性。

低压多源并供点状网络；经济优化运行；分布式电源

社会经济的不断发展对供电可靠性提出了更高的要求[1-2]。传统配电网一直遵循“闭环设计，开环运行”原则，难以解决停电转供引起的短时停电问题。随着环境与能源问题的日益突出，基于可再生能源的分布式电源（distributed energy resources, DERs）得到了快速发展，DERs主要通过中低压配电网接入系统。因此，为提高供电可靠性与DERs就地消纳能力，IEEE Std 1547提出了低压多源并供点状网络结构（Spot Network）[3-5]。而在保证该系统稳定运行基础上，结合不同类型DERs出力特性，研究该系统的优化运行调度模型以提高系统运行经济性，现已成为普遍关注的问题。

低压多源并供点状网络中，不同类型的DERs运行特性各异。如何做到相互配合实现经济优化运行需要考虑诸多因素，最终可归结为多目标规划问题。文献[6]分析了低压多源并供点状网络的潮流分布特征，提出利用统一潮流控制器控制低压母线潮流，实现均衡交流进线出力的目的，但未涉及DERs接入以及最优潮流控制问题。文献[7]提出基于熵和距离的多目标粒子群和模糊多权重的DERs优化选址和定容的方法，为多DERs接入电网提供了一种新思路。文献[8]对太阳能供电系统的多目标优化进行研究，提出了综合评价光伏阵列供电可靠性和运行经济性的阵列综合系数，为确定最优太阳电池板和蓄电池阵列设计方案提供了思路。文献[9-10]专门针对配电网中储能系统的多目标优化进行研究。上述文献对接入配电网的DERs选址、定容、经济评估等进行了研究，但针对含DERs的低压多源并供点状网络优化运行问题，未见涉及。

本文对含DERs的低压多源并供点状网络经济运行问题进行研究。首先分析了不同类型DERs稳定运行时的数学模型与成本函数；然后基于运行成本与功率平衡等因素，给出了系统经济运行的目标函数和约束条件，并采用加权的方式将多目标优化转变为单目标优化问题；最后算例分析证明了该方法的有效性。

1 含DERs的低压多源并供点状网络结构

低压多源并供点状网络，作为一种特殊的低压配电结构，具有较高的供电可靠性且有利于DERs的接入管理与控制。典型结构如图1所示。多路中压馈线（一般为3～8路）采用线路-变压器单元接线方式，直接在低压母线上并联供电。中低压侧分别配置了相应保护，图1中的①—④为中压侧馈线出口的过电流保护和接地保护，⑤和⑥为低压侧的逆功率保护，并利用熔断器实现过电流保护。该供电模式下多路低压电源互为备用，负荷无需停电转供，可有效解决短时停电问题，是公认的最为可靠且最为灵活的供电方式，主要用于供电质量要求苛刻且负荷密度较大的地区。目前，国外已有350多个城市采用了该配电网模式，如美国田纳西州St.Jude儿童研究医院、FedExForum体育馆、多伦多皮尔逊国际机场等。点状网络中所有电源和负荷都通过低压母线集中接入，其结构非常有利于DERs的接入控制与能量的就地消纳，在IEEE Std 1547中对此进行了详细说明。具备高供电可靠性且利于DERs接入的点状网络，符合社会经济的发展需求，是未来低压配电模式的重要发展方向。

图1 电压多源并供系统点状结构

2 含DERs的低压多源并供点状网络经济运行调度模型

基于各类DERs的功率成本模型，以成本最低为目标，以功率平衡为约束，建立了含DERs低压多源并供点状网络经济运行优化模型。以是否考虑购电和售电电价，将该系统运行状态分为孤网和并网两种。

2.1 各DERs的功率成本模型

燃气轮机主要以丙烷、汽油为燃料，其适用寿命长且输出调节特性较好，实际运行中可以通过调节进气量调节燃气轮机的出力，单机功率在25～300kW。微型燃气轮机燃料成本与发电效率和输出功率有关，其计算公式为

燃料电池所需的燃料费用和输出功率关系如式（3）所示。

2.2 经济优化调度目标函数

含DERs低压多源并供点状网络的经济优化主要考虑燃料成本、运维成本和环境成本等因素，属于典型的多目标优化问题；为简化求解，通过赋予每个目标函数不同的权重系数，可将多目标优化问题转换为单目标优化问题。

（1）燃料成本和运行维护成本

（2）环境成本

（3）综合收益

为了适应多源并供系统不同应用场合（对成本投入和环境投入的需求差异），采用线性加权的策略综合考虑这两种成本，即

2.3 经济优化调度约束条件

1）等式约束

系统任意时刻负荷与电源发电量相等，即

2）不等式约束

各电源的出力有严格的功率上下限约束，即

3 算例分析

本算例中各DERs设置如下：光伏（PV）出力10kW，燃气轮机（MT）额定容量110kW，燃料电池（FC）40kW。分析不同权重系数下，采用遗传算法观测一天24h各单元出力的最优解，确定该系统中各电源的出力情况。

同时考虑环境和成本，且比例一致时，燃气轮机的发电成本较低，供电能力较强，系统主要由燃气轮机出力，光伏和燃料电池的出力较为稳定，具体如图2所示。图3展示了多源并供系统并网运行时，由于考虑到电网电价的变化，燃气轮机在3∶00—6∶00时发电成本大于电网电价，因此强制停止出力，转由电网供电；20∶00—22∶00时段，电网电价高于燃气轮机发电成本，所以燃气轮机处于满发状态；与此同时燃料电池成本高于电价，因此燃料电池停止供电。从图4中可以看出，低压多源并供点状网络的发电成本并网运行小于孤网运行。这是因为在DERs出力过剩时可以将剩余电量售给电网，并可在特定时段使用较廉价的电力。

图2 孤网模式各DERs出力

图3 并网模式各DERs出力情况

图4 孤网模式与并网模式成本对比

孤网模式的运行情况如图5所示。该权重比例下降低了对环境的重视程度，因此与之前的状况相比，系统让燃料电池的出力减少而增加了燃气轮机的发电量，光伏仍按预测功率出力。

图5 孤网模式各DERs出力情况

并网模式下，各DERs出力情况如图6所示。与之前不同的是14∶00以后，燃料电池的成本高于电网购电成本，所以燃料电池停止供电；燃气轮机在这种权重比例下，12∶00—15∶00、20∶00—22∶00均处于满发状态。从图7中可以看出，并网运行的成本仍旧更低。因此，在考虑经济运行的情况下，并供系统接入电网既有利于并供系统的可靠运行，同时又能充分利用多源并供系统中各电源的剩余 出力。

图6 并网模式各DERs出力情况

图7 孤网模式与并网模式成本对比

孤网模式较多考虑环境成本，燃气轮机和燃料电池的出力情况如图8所示。此时，光伏仍然按照预测出力发电，与前两种情况相比较可以发现，燃料电池对环境的影响最小，燃料电池发电量有所增加，但微型燃气轮机仍是主要发电方式。

图8 孤网模式各DERs出力情况

并网模式下，各DERs出力情况如图9所示。并网模式时，在这种权重因子下，由于在2∶00— 7∶00时间段内，微型燃气轮机的发电成本高于购电电价，故强行关闭微型燃气轮机，未满足的负荷用电量从电网购入。9∶00—10∶00时间段、10∶00— 16∶00时间段、19∶00—23∶00时间段内，由于微型燃气轮机的发电成本低于售电电价，故微型燃气轮机处于满发状态，多余的发电量出售给电网以赚取利润。其中19∶00—23∶00时间段内由于燃料电池的发电成本高于购电电价，故强行停止燃料电池供电，未满足的负荷电量一部分由微型燃气轮机补足，另一部分从电网买入。

图9 并网模式各DERs出力情况

孤网模式和并网模式下成本对比如图10所示。从图中可以看出，并网运行成本要比孤网运行成本小，这是因为在比较了微型燃气轮机和燃料电池与电网购电电价和售电电价之后，合理选择各DERs出力，合理从电网购电或者售电，从而节省了运行成本。

图10 孤网模式与并网模式成本对比

4 结论

本文根据低压多源并供点状网络中各电源的出力数学模型，采用线性加权的多目标规划策略分析整个系统的最优运行问题，并用遗传算法获得最优解。分析结果表明：

1）在低压多源并供点状网络中，合理分配各电源和电网出力能达到经济和环境的良好配合。

2）对于不同权重系数（成本和环境）情况下，燃料电池和燃气轮机的出力需要根据不同时段用电情况来具体确定。

3）为减小发电成本增加系统的可靠性，采用并网策略会更加有利。

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Economic operation strategy of low-voltage multiple-source spot network with DERs

Tian Yongtao1Zhang Zhihua2Sun Dong3Long Minmin4Qu Zeqi2

(1. College of Science, China University of Petroleum, Qingdao, Shandong 266580; 2. College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum, Qingdao, Shandong 266580; 3. Shengli Oilfield Technology Inspection Center, Sinopec, Dongying, Shandong 257000; 4. Shandong Wide Area Technology Co., Ltd, Dongying, Shandong 257081)

Low-voltage multiple-source spot network has high supplying reliability and it is beneficial to integrate DERs (Distributed energy resources). It is the developing direction of low voltage distribution system. Economic operation strategy research of low-voltage multiple-source spot network with DERs is insufficient. Based on the output power characteristic of photovoltaic, fuel cell, micro gas turbin and so on, the economic operation strategy model of low-voltage multiple-source spot network with DERs is presented. Whole cost and power balance is considered in this model. Weight coefficient is adopted to convert the multiple objective optimal problem into one objective optimal problem. The weight coefficient influence is analyzed. Case analysis result shows the optimal operation strategy presented in this article can minize the power cost.

low voltage multi-source spot network; economic optimal operation; distributed energy resources

2018-04-27

田咏桃（1979-），女，湖南涟源人，硕士，讲师，研究方向为低压多源并供系统优化运行控制技术。

国家自然科学基金面上项目（51177096）

中央高校基本科研业务费专项资金资助（18CX05025A）