直流微电网的优化配置与经济运行研究

摘要：直流微电网优化配置建模通常综合考虑经济性、可靠性和环保性，但它们之间存在一些矛盾。本文对此进行介绍，并对其应用优化以消除局限性，比较优化前后的成本，以促进直流微电网的经济运行发展。

關键词：直流微电网;优化配置;经济运行

前言

21世纪初，是工业文明向生态文明转变的关键时期。与传统化石能源相比，风能、太阳能等新能源具有极大的环保优势，但存在不稳定的特点。在自然气候的影响下，光伏和风电的输出功率不易控制，严重影响供电安全和质量。为充分利用直流化光伏等清洁能源，直流微电网应运而生。直流微电网是一种可以实现能源独立和自稳管理的微型发电系统。现阶段大多数实际项目通常使用经验方法来调整分布式电源。这种粗糙的配置往往使电源难以与实际负载相匹配，并使系统中的每个单元都难以在完美状态下运行。因此，研究微直流电网的优化配置和经济运行对于降低初始投资成本和损耗，并提高系统中的电源质量尤为重要。直流微电网中的负载（冷/热/电负载、负载是否可管理等）对能源管理系统在需求预测和管理方面提出了新的挑战。在完成微直流电网优化配置的基础上，以系统负载供电成本与负载损耗系数为基础，综合考虑运行期间的经济因素。

1.直流微电网的的优势与结构

1.1直流微电网的的优势

直流微电网在近年来，已成为电力系统研究的热点之一。世界各国对直流微电网的研究内容和发展状况不同，因此对直流微电网的具体定义存在一定差异，但对其拓扑结构、系统组成、功能和目标的理解基本相同。从局部来看，。直流微电网是一种可以实现能源独立和自稳管理的微型发电系统，可以通过自身的内部系统实现局部电力平衡。现有多项科学研究和实践项目表明，直流微电网与公网相辅相成，比如经过分析光伏清洁能源发电和变频负载用电等体现本质直流，

因此直流微电网成为当前研究的热点。如风电与光伏的互补性，一般在白天，当阳光最强时，风非常弱;在晚上，日落之后，光线微弱，但是由于地球温度的大变化，风能得到增强。夏季日照强度高而风弱，冬季日照强度弱但风速高。因此，直流微电网应用的主要优点是时间上的互补性较强，可以为电网提供更稳定的电力供应[2]。此外，尽管太阳能的稳定性较高，但是生产太阳能的成本较高。尽管风能发电具有很强的随机性并且供电可靠性低，但是发电成本非常低。直流微电网应用的组合可以使用一套通用的电力传输和转换设备来降低工程成本。另外，通过优化光伏模块的功率和风能涡轮机的功率，可以基于满足供电需求来降低发电成本。目前关于直流微电网的成熟研究相对较少，根据负荷，直流微电网适当调整发电系统是一项重要的挑战。B.D.澳大利亚墨尔本大学的Shakya开发了一种利用压缩氢能量存储的风光互补发电系统，并分析了该系统的技术可行性和经济性[1]。我国的直流微电网项目研究主要集中在优化发电系统的设计、基础设备的管理和系统的建模上。中国科学院电气工程研究所讨论了直流微电网系统的非线性优化方法，并使用遗传算法找到确定了最优控制策略和最优系统配置方案[2]。西安交通大学解决了直流微电网系统设计中设备配置随机导致的投资大的问题，并提出了直流微电网系统的最佳设计方法[3]。

1.2直流微电网结构分析

直流微电网拓扑直流电流更加灵活多样，对各种电气设备不再有统一的电能质量要求。目前主要有环型、辐射型、馈线型等直流微电网结构。

（1）环型结构：电源相对可靠，可以满足用户对不同电能质量的需求。环型结构的优点是供电可靠，缺点是投资较大，主要适用于综合写字楼、数据中心、工业园区等。

（2）辐射型结构：拓扑结构通常为串联或并联结构，（如图2所示）。辐射型结构系统故障识别和维护协调相对简单。当负载过载时，转换器的相互调节可以减少系统过载引起的振动，但其供电可靠性高[4]。

（3）馈线型结构：通常是简单的串联结构（如图3所示）。微型直流馈线系统结构简单，但供电可靠性较差，主要适用于偏远地区[5]。

2.优化配置与经济运行研究

2.1优化原则

直流微电网的优化配置与经济运行研究为确保高效稳定运行，规划过程应遵循以下策略：（1）优先利用风能和光伏能满足负荷需求;（2）如果风电和光伏的输出功率不能满足负载的需求，调用电池组和并联逆变器匹配它们之间的功率分配。如果电池和并联逆变器的功率输出仍不能满足满载需求，可考虑去除一些非必要负载，以保证关键负载的可靠供电;（3）如果风电和光伏的输出功率在满足满负荷需求的基础上仍有剩余，则调用蓄电池和逆变器来协调它们之间的功率分配。如果电池充电和接入电网的逆变器仍在输出范围内，如果有多余的功率，可以考虑关闭一些风力发电机或光伏电池，以平衡微直流系统的功率。

2.2优化研究

电力系统最为重要的是确保供电可靠性，因此直流微电网应用的优化是在可靠性的基础上尽量降低经济成本。对于直流微电网应用而言，通过适当合理的选择风电与太阳能发电的运行组合，合理用储能和网侧逆变器配合以适应不断变化的负载状况，并考虑有足够的储备容量降低电网损耗，提高电网的运行稳定性。在实际操作中，由于电力系统负载的不断变化，存在峰值负载和最小负载。在峰值负载下，可以使用系统中更多的发电设备（例如风能涡轮机和太阳能光伏电池）来满足要求;在低负载下，如果仍运行相同数量的发电设备，则可能不经济。在低负载时甚至负载也可能低于最小系统出力。因此，有必要根据负荷的大小和白天的负荷趋势来合理用储能和网侧逆变器配合。由于这些配合之间的转换涉及额外成本（例如风能涡轮机启动成本，每个单元停止时的维护成本等）和转换约束，因此无法单独根据负载水平确定单元的组合。应从每天的全面运行状况考虑每个单元的工作和停机时间。主要考虑以下几点进行优化：

（1）经济运行数学模型：在保证系统发电安全的条件下，应合理选择发电装置的投入。比如，本文使用一天为研究周期来确定适应度函数，表示为：minF=∑mi=1（C1（Xi）+C2（xi））+∑nj=1C3（yj）。其中xi是风能涡轮机、光伏电池、电池和柴油发动机的实际功率输出;c1（xi）是其发电成本;c2（xi）是风能涡轮机、光伏电池、电池和柴油发动机运行期间的额外维护费用;yj是风能涡轮机、光伏电池、电池和柴油发动机的额定功率输出;c3（yj）是服务费用;mi是工作的设备数量;n是设备总数。发电系统的主要任务是确保系统可以安全运行，以使系统提供的电能在所有情况下都能最大程度地满足负载需求。发电系统总数显的限制尤为重要，可用数学表达式表示为：Pt≤∑mi=1xi.t。在公式中，Pt是系统在时间t所承受的负载;xi.t是此时第i个发电设备的功率;m是正在运行的发电设备的数量。发电设备功率范围的限制：ximin≤xi≤ximax。在公式中，xi是风能涡轮机、光伏电池、电池和柴油发动机的实际功率输出;ximin，ximax是它们的最小和最大功率。

（2）优化求解：根据上面的讨论，经济运行数学模型可以表示为：minF=∑mi=1（C1（Xi）+C2（xi））+∑nj=1C3（yj）;Pt≤∑mi=1xi.t;ximin≤xi≤ximax。以某系统为例，由75kW、45kW共120kW的两台风力发电机组、4个30kW的光伏发电阵列、一个80kWh的蓄电池和柴油发电机组成。根据某一天的负荷、光照强度、风速情况，运用上述模型进行求解。代入后计算可发现节约共429.81-270.97=158.84元，产生的经济效益显著。

（3）优化分析：在优化配置方面，直流微电网和交流微电网构建的优化模型在优化系统有功功率损耗和电压偏差方面存在差异。对于并网的低压直流微电网，需要考虑分布式电源的类型和发电的不稳定性，并结合使用过程中的电价、初期投资成本、运营和维护成本以及直流微电网的改造成本。最小值是一个目标函数，建议在目标函数中添加估计值，例如额外的风能和太阳能特性、负载损失系数和可再生能源利用系数。约束函数形式参与优化配置，从不同角度评价系统性能。采用线性减重的粒子群优化算法寻找最优配置方案，对优化结果进行分析验证，得出合适的结论。对于并网的低压微直流电网，着眼于系统设备的初始投资成本、输出功率波动和负载波动，并结合使用时间消耗的电能价格，构建综合风电的动态优化模型。光伏发电组件、电源可靠性和环境性能作为约束参与优化配置。因此，在满足负荷需求的基础上，智能设置负荷损耗系数和新能源利用系数，减少系统初期投资;利用系统风电附加特性作为工作指标参与优化配置，可有效减缓风电和光伏总发电量的波动，间接降低蓄电池和逆变器连接的容量。

3.进一步发展直流微电网需要解决的问题

当前，国内外对直流微电网的研究大多集中在发电系统的静态架构、基础发电的建立和管理、储能设备以及系统仿真上。为了促进直流微电网的发展并充分利用绿色能源，还需要做以下工作：（1）做好直流微电网场地的风能资源和太阳能光照资源的研究和统计工作，为直流微电网的建设奠定基础;（2）进一步研究直流微电网的系统结构，寻找更好的储能和后备发电装置，对直流微电网进行智能调整，以降低建设成本;（3）研究直流微电网的能源管理与控制，实现动态优化组合，降低系统运行成本。

结束语：

微直流电网中分布式电源的位置和功率与实际负载的匹配会影响系统的性能。因此在完成优化配置的基础上，以供电成本最低和系统负荷可靠性最大為目标函数。比如根据风能、光强度和系统负荷的变化，使用经济模型优化直流微电网可以有效降低系统的供电成本，并增加直流微电网的经济效益。

参考文献：

[1]王成山，许洪华.直流微电网技术及应用[M].北京：科学出版社，2016：2-3.

[2]李霞林，郭力，王成山，等.直流微电网关键技术研究综述[J].中国电机工程学报，2016，36（1）：2-17.

[3]杨新法，苏剑，吕志鹏，等.直流微电网技术综述[J].中国电机工程学报，2014，34（1）：57-70.

[4]柴润泽，窦竟明，张保会.含电压源换流器的交直流混合电网潮流统一表达与可行解求取[J].中国电机工程学报，2016，36（5）：1260-1268.

[5]丁明，王波，赵波，等.独立风光柴储微网系统容量优化[J].电网技术，2013，37（3）：575-581.

作者简介：

袁金荣（1990-），男，汉族，陕西白河，工程师，硕士研究生，珠海格力电器股份有限公司，近用户侧能源互联网及新能源直流电器研究。