節能減排背景下的微電網優化運行

柳揚 盧志剛 袁進

【摘 要】當今世界對能源的需求不斷擴大，化石資源瀕臨枯竭，生態環日益惡劣。在這樣的形式下，本文以節能減排為背景對微電網優化運行作了研究。首先，建立了由分布式電源、儲能裝置和負荷組成的微電網的數學模型。其次，在節能減排的背景下綜合考慮經濟與環保兩個放面建立了微電網多目標優化運行目標函數。最后，運用改進PSO算法對目標函數進行求解。所得優化結果能較好的減少污染物的排放同時也減少微電網的運行成本。

【關鍵詞】微電網;分布式電源;多目標

中圖分類號： TP18;TM727 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）04-0025-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.04.010

Optimal Operation of Microgrid under the Background of Energy Saving and Emission Reduction

LIU Yang LU Zhi-gang YUAN Jin

（College of Electrical Engineering of Guizhou University，Guiyang Guizhou 550025，China）

【Abstract】Nowadays，the demand for energy is expanding，the fossil resources are on the verge of exhaustion，and the ecological environment is getting worse and worse.In this form，this paper studies the optimal operation of microgrid under the background of energy saving and emission reduction.Firstly，the mathematical model of microgrid composed of distributed power supply，energy storage device and load is established.Secondly，under the background of energy saving and emission reduction，the objective function of multi-objective optimal operation of microgrid is established considering both economic and environmental aspects.Finally，the improved PSO algorithm is used to solve the objective function. The optimized results can reduce pollutant emission and operation cost of microgrid.

【Key words】Microgrid;Distributed Generation;Multiple Target

0 前言

微電網（Microgrid，MG），由于其靈活、能夠實現分布式電源間（Distributed Generation，DG）的互補性和改善系統可靠性的提高，已經成為分布式電源接入的重要手段。微電網的出現以一種新的方式應對了負荷增長，在可持續發展、提高電力系穩定性和靈活性等方面具有廣泛前景。

1 微電網綜合優化運行模型

1.1 分布式電源

微電網包含各種分布式發電單元，例如，風力發電機、光伏發電、燃氣輪機、燃料電池、蓄電池等。而這些單元的數學模型正是微電網能量管理和運行控制的基礎。對于風力發電機組來說，輸出功率與風場的風速有關，可以用三次發電功率模型來表示;光伏電池產生的功率與所處環境的光照強度和溫度有關。采用最大功率點跟蹤策略，能最大程度發揮光伏電池組的發電能力;微型燃氣輪機作為微電網主要的發電單元其輸出功率可以依據系統的工作狀態和負荷情況進行人為調整，其主要的燃料是天然氣，清潔高效，經濟環保;燃料電池是一種利用氧化還原反應，將燃料中的化學能轉化微電能的裝置。因為不受卡諾循環的限制，它的能量轉化效率很高，具有清潔、低噪聲的特點;目前的儲能裝置（Energy Storage System，ESS）主要有電磁儲能、化學儲能、物理儲能等。其中化學儲能中的鉛酸蓄電池儲能在微電網中的應用最廣泛，它具有較高的能量密度、較快的響應速度、對環境要求低等特點。

1.2 優化運行目標函數

經濟性是微電網吸引電力用戶以及電力企業并使其在電力系統中得到認可的重要原因，故微電網一般優化目標函數為微電網的收益，可描述為：

式中：W為微電網的綜合經濟收益;T為1個運行周期，一般取為1天;Csth為t時間段內的制冷、制熱收益;Cse為微電網的售電收益;Cg為微電網與大電網的交互成本。CD為微電網的運行維護成本;CM為設備折舊成本;CF為微電源的燃料成本。

微電網作為新時代電力供配電系統發展的重要產物，微電網不僅要提高經濟效益，同時還要提高環境效益和電力供應的可靠性、多樣性。因此，多目標優化目標函數的建立應考慮經濟、技術和環境評價等方面因素。

（1）環境評價。在節能減排以及可持續發展理念的驅動下，很多專家學者們重點關注環境排污成本，優化目標中包含了能源利用比率、低碳綜合效益。之外，也有一些學者提出了基于環境成本的健康成本目標。

（2）技術指標。除了經濟與環境之外，微電網系統的供電技術指標也是當今學者們研究的熱點。建立了包含經濟性、環境評估、供電可靠性、系統網損的多目標函數。

本文是在節能減排的背景下提出的微電網優化調度。以T=24h為調度周期，時間步長取？駐t=1h。以微電網運行總成本最低以及CO2排放量最少為目標，綜合經濟與環保兩個目標，總目標函數為：

1.3 約束條件

微電網和大電網一樣，要保證系統安全穩定的運行必須滿足一定的約束條件。主要的約束條件有：功率平衡約束，即系統消耗或吸收的功率與系統直接或間接產生的功率相互平衡;聯絡線傳輸功率約束，限制微電網與大電網的交互功率;分布式電源出力約束，即各種微源出力限制;儲能裝置荷電狀態約束等。

2 微電網運行控制策略

在優化微電網的運行時，需要綜合考慮不可控微源的發電量、負荷需求以及分時電價等因素，經濟處置微電源、儲能以及交易電能之間的電能分配。本文設定微網優化運行策略如下：

（1）由于風機和光伏發電的邊際成本幾乎為零，且為清潔能源、無污染，故優先利用其對負荷進行供電，全程工作在最大功率跟蹤狀態。

（2）當風機和光伏的有功出力大于負荷需求時，優先向儲能電池充電，余電向電網出售。

（3）當風機和光伏的有功出力無法滿足負荷需求時，優先考慮儲能電池放電。

（4）當儲能電池達到最大放電限制還無法達到負荷需求時，需要綜合考慮MT、FC的運行成本以及向大電網購電的費用，采用最經濟的運行方式滿足負荷需求;

（5）在滿足負荷需求后根據微電源的發電成本與大電網的電價，采用經濟的辦法向儲能充電。

3 多目標優化模型的求解

3.1 多目標優化問題的求解方法

（1）基于特定權重的目標歸一化法

該類該類方法雖然對問題進行了簡化，將多目標優化問題轉化為單目標優化問題。但在目標歸一化過程中難以客觀地確定各目標的權重，同時也容易掩蓋各目標間潛在的聯系。

（2）Pareto最優解集法

相比于歸一化法，Pareto最優解集法能求得問題的非劣解集，便于決策者從中選出最適合當前狀態的優化方案但同時也對算法的尋優性能提出了更高的要求。

對此，基于Pareto最優解集的現代智能算法在求解此類問題上應用越來越廣泛，其中多目標粒子群算法（Particle Swarm Optimization，PSO）具有收斂速度快、各粒子并行處理和易于實現等優點，能很好的解決電力系統的優化問題。

3.2 改進多目標粒子群算法

經典粒子群算法具有收斂速度快，多粒子并行處理和易于實現等優點，但也存在收斂過于早熟，易于陷入局部最優，計算結果隨機性大等缺點。因此需要對其進行改進使其成為較為理想化的計算工具：

（1）為增強算法的全局搜索能力，在粒子群本身的隨機特性外，需尋找合適的變異操作，提高算法的收斂精度和速度。

（2）如何改進擁擠距離排序，進一步提升Pareto解的分布均勻性。

（3）領導粒子的合理選擇對算法起到至關重要的作用，合適的領導粒子能指導粒子的飛行，增強算法的收斂速度。

4 算例

4.1 算例參數

微電網結構如圖一所示，微電網主要參數如下：風機和光伏的最大出力分別為60kw和40kw，燃氣輪機的出力范圍為30～150kw，燃料電池出力范圍為20～100kw，儲能裝置容量為120kwh，最大功率為30kw。儲能裝置初始SOC取值為0.5，SOC最大值和最小值分別為0.9和0.2，充放電效率為0.95，負荷范圍為41～456kw，主網與微網聯絡線功率交換最大值為±300kw。

4.2 優化結果與分析

本為采用改進多目標粒子群算法，粒子種群規模為50，迭代次數為500。

有優化結果可以看出，改進之后的粒子群算法與原始的粒子群算法相比，改進之后的算法在收斂速度上要快于為改進的算法，對于兩個目標值的適應度值來說，改進之后的算法在結果上也是要優于為改進的算法。即微電網的運行成本更低，溫室氣體排放量更小，更有利于節能減排。

5 結束語

目前國內外專家學者在微電網優化調度的方面的研究已經取得一定成果，但如今大多的微電網建設項目主要目的還是為了展示具體技術，較少實現全面系統優化，因此其研究大多還停留在理論層面，對于工程實際應用的考慮還不夠全面。將電力系統負荷預測和微電網優化調度相結合的研究還很少，通過負荷預測對分布式電源制定日前調度計劃，結合實時調度，對于突發的功率波動應該有較好的應對效果。在節能減排和可持續發展戰略理念的驅動下，電動汽車的發展也越來越快，因此在微電網優化調度中加入電動汽車，將電動汽車作為響應主體進行研究，這也不妨可以作為微電網優化調度的一個研究方向。

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