考慮溫度和光照季節差異性的光伏微網“源- 荷- 儲”優化運行策略

曾凡濤，官 軍

（1.強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學），湖北 武漢430074；2.國網湖北省電力有限公司沙洋縣供電公司，湖北 荊門448000）

光伏微網發展迅速。偏遠地區和海洋島嶼上建設的光伏微網一般情況下較難和大電網相連，通常采取獨立運行的模式。而并網型的光伏微網在大電網發生故障或者計劃檢修等期間，也將轉入獨立運行模式。孤網運行的光伏電源輸出功率具有一定的波動性，為了保證獨立微網供電的可靠性，常與儲能系統和柴油機構成具有能量自治管理與控制能力的混合發電供能系統。由于光照及溫度對光伏出力有較大影響，如何在最大化利用太陽能同時，降低微網運行維護成本，是目前光伏發電領域的研究熱點問題之一。

國內外的相關學者在微網優化運行方面已作了長期工作并取得了卓有成效的成果，包括微網的總等年值成本最小模型[1]、分布式供電系統經濟運行最優模型[2，3]、基于市場控制的分布式能量優化方法[4]等。文獻[5]計及碳約束和碳交易，建立了低碳經濟下的微網經濟運行模型，并通過算例表明了模型的有效性；文獻[6-7]基于模糊算法的能量管理基礎上，根據用電時段和儲能的SOC 水平，確定微網運行成本最低的控制運行策略。文獻[8-10]利用多目標隨機動態規劃方法對微網的經濟運行進行研究，并與其他控制策略進行比較，指出動態控制策略效果更佳。文獻[11]建立了優化微網內分布式電源出力的數學模型，提出基于改進粒子群算法的微網動態的經濟運行策略。文獻[12]使用基于協同進化遺傳算法實現微網分布式電源出力運行方法，并對不同控制策略進行比較和分析。前述研究在微網的成本、能量管理、經濟運行方面已取得了豐碩成果。但上述文獻未能充分考慮光照、溫度等外界條件的季節性變化特性，并以此來優化微網“源-荷-儲”系統的運行策略。因此，微網的運行經濟性難以達到最優化目標。

本文針對光柴儲型的獨立微網，根據地區光照特性或溫度特性的周期差異性，以此劃分“源-荷-儲”系統的電源運行區間，作為微網運行優化的基礎，并通過建立計及運維、燃料及停電損失等綜合成本最小化的目標函數，充分考慮電源裝機容量、供電可靠性等約束條件，利用遺傳算法求解微網系統的年度運行優化策略。并通過算例仿真，對比分析了年運行、季節變化運行、光照特性運行、溫度特性運行等四種不同運行策略的綜合費用，驗證了本文所提的根據光照特性或溫度特性的運行策略可以大大降低微網的運維成本，充分利用自然資源。

1 基于地區光照強度和溫度變化特性的微網經濟運行區間劃分

以某偏遠地區的光照強度和溫度的波動變化特征為研究對象，在不同的年份，該地區的光照強度和溫度的每日平均值變化呈現一定規律性，光照強度的變動規律如圖1 所示，溫度變動規律如圖2所示（兩年數據）。

圖1 光照強度的變動規律

圖2 溫度的變動特性

對同一地區而言，在不同的年度，其光照強度和溫度變化都表現出很強的年度周期性規律。因此，光照強度和溫度的包絡線的繪制具體方法如下：

將原數據分成等寬度的104 段（2 段代表1 個星期），每段取一個最高點和最低點所對應的橫坐標和縱坐標平均值，從而生成包絡線；

按照上述方法，利用MATLAB軟件繪制光照強度特性曲線如圖3所示，溫度的特性曲線如圖4所示。

圖3 光照強度特性曲線

圖4 溫度特性曲線

利用上述包絡線，可以據此進行微網經濟運行區間的劃分，從而在不同的劃分區間，微網電源采取不同的出力策略，以此優化微網的運行經濟性。微網經濟運行區間的劃分方法如下：

假設包絡線函數是y＝f（x），取一條平行于x 軸的直線y＝y1將一個周期的包絡線分成上下兩個面積相等的部分其數學表達是為：

可以通過式（1）求解出來y1，直線y＝y1交一個周期的包絡線于點M1，、M2…Mn（n 屬于自然數），其對應的橫坐標x1、x2…xn（n 屬于自然數）所構成的區間[x1，x2]、[x2，x3]…[xn-1，xn]（n 屬于自然數）即為微網經濟運行劃分的區間。

2 獨立光伏微網經濟運行優化策略

2.1 目標函數

獨立微網在保證系統運行穩定和重要負荷供電的前提下，電源出力方式應首要考慮微網運行的經濟性。本文研究的獨立微網內負荷的電能由光伏、柴油機以及儲能電池供給，運行經濟性方面包括：機組折舊成本、運行維護成本和燃料消耗成本。

（1）光伏太陽能發電組件的年成本模型

光伏發電組件的年成本為：

式中Cpv為光伏發電組件運維成本；Cypv為太陽能光伏電池板一年的運行和維護的費用，一般取太陽能光伏電池板單價的1%；Npv為太陽能光伏電池板的數量；Cpvr為太陽能光伏發電補貼金額。

（2）柴油發電設備年成本模型

柴油發電設備年成本為：

Cdie為柴油機發電的年成本；Cvdie為柴油發電設備一年運行和維護的費用，單位為萬元；Ndie為該類柴油發電設備的數量；Cen為環境污染罰金；Cf為柴油發電設備的燃料成本，計算公式如式（5）：

Cf為柴油發電設備消耗柴油及柴油儲備的成本，其單位為萬元；xf為柴油單價，其單位為萬元/m3，Vf和Vfh分別為柴油發電用量和損耗量，其單位為m3/h；Sfc為柴油最少安全儲備量；Tdie為柴油發電設備年平均利用小時數。

（3）儲能設備年成本模型

獨立微網中，因大量接入具有間歇性的能源，所以需要儲能設備作為調節手段。獨立微網中儲能設備的成本為：

Cbat儲能設備年成本，其單位為萬元；Cybat為儲能設備年運維費，其單位為萬元；Nbat為儲能設備的數目。

（4）負荷停電補償費用

當獨立微網的內部電源和備用電源都無法滿足負荷需求，為了保證獨立微網的重要負荷持續不間斷的供電，應根據負荷的綜合權重系數來減載。因此需要對用戶停電帶來的損失進行補償，負荷停電補償的費用由電能的單價、功率和停電時長來計算。獨立微網內負荷停電賠償費用為：

式中Cr為負荷停電賠償費；e 為停電時長內電量的單價；Pi為第i 個停電負荷的功率大小；ti為一年中第i 個停電負荷的停電時間長度。

結合光資源和負荷季節性變化特征，考慮光照強度或溫度相似特性，以按年為運行周期的微網運行總成本最小為目標，進行獨立微網的經濟運行優化，其優化目標函數如下：

式中Cpy、Cdie、Cbat分別為獨立微網內光伏發電設備、柴油發電設備、儲能設備的年運行成本，包含了設備年運行維護、燃料及環境污染罰金等費用：Cr為負荷停電賠償費用。

2.2 約束條件

確定獨立微網在經濟運行策略時，需考慮新能源裝機比例、網內功率平衡、供電可靠性及光資源利用率等約束條件。其具體如下：

2.2.1 功率平衡約束

為了保證獨立微網的負荷的功率平衡，所以可能在部分時段需要切除負荷或者棄光，獨立微網的功率平衡表達式為：

式中Ppv（t）、Pdie（t）表示t 時刻各電源的出力；Pcut（t）、Pdunp（t）表示t 時刻切除負荷和棄掉功率；load（t）為第t 時刻的負荷水平；Pbat 為單個電池的額定功率。

2.2.2 供電可靠性約束

通常情況下，獨立微網采用一年內切段負荷總量占負荷用電總量的比例來表示其停電的概率，為了保證供電的可靠性，所以停電的不能超過某個上限值[13]，其表達式為：

式中fCFL為停電的概率；load（t）為第t 時刻的負荷水平。

2.2.3 光資源利用率約束

在光伏型獨立微網中，當太陽能資源出力超出負荷需求和儲能設備充電能力上限時，就必須選擇棄光，其約束關系為：

式中Pdump（t）為時間段t 內棄光出力，fdump為年棄光率。

2.2.4 儲能設備充放電約束

儲能設備由多塊電池串并聯組成，需要避免頻繁充放電而增加電池的損耗。由于儲能電池充放電只能交替進行，所以需要滿足的約束為：

為了防止儲能設備持續充放電導致嚴重發熱而大大降低使用壽命，故需滿足的不等式約束為：

儲能電池充電到達額定功率后停止充電，放電到額定容量的25%停止放電其不等式約束為：

式中Pbat是單塊儲能電池的額定功率，Sbat 為單快儲能電池的額定容量。S（t）為儲能電池t 時刻的電量，γ 放電剩余電量與額定容量的百分比的最小值，通常取25%。

2.3 求解算法

本文采用遺傳算法求解獨立微網經濟運行策略投運電源數量和種類的流程框圖如圖5 所示。

圖5 遺傳算法求解流程框圖

3 算例分析

現以某偏遠地區的獨立微網為例，該地區太陽能資源充裕，系統中包含太陽能光伏組件、鉛酸儲能系統、柴油機。獨立微網的接線圖如圖6 所示。由于此獨立微網的負荷變化不大，所以我們假設每個節點的負荷參數基本不變。獨立微網內部電源和負荷如表1 所示，獨立微網電源配置表如表2 所示。

圖6 微網主接線圖

表1 微網的電源、負荷參數

表2 獨立微網電源配置

該地區微網電源配置中，光伏太陽能設備、儲能設備、柴油發電設備選的型號分別為JKM270PP-60、VRB-100、ZH4102ZD，三種設備的單個容量分別為：0.26kW、100kW、30kW，-10# 號柴油單價為0.61 萬元/噸，由此可將微網中光柴儲的容量、成本等基本參數整理如表3 所示。

表3 分布式電源成本數據

由表2 和表3 的數據，可以計算出獨立微網建設投資是12927.45 萬元。此外，根據氣象局統計的數據，此地區一年內的光照強度、溫度、負荷分別如圖1、2、7 所示。

圖7 該地區一年的負荷情況

基于上述微網內各設備的數據，利用前文建立的獨立微網經濟運行優化目標函數，以不同類型電源的開機運行方式和數量為變量，調用Matlab 中的遺傳算法求解該獨立微網的經濟運行策略。

在下面仿真分析中，分別對以下四種運行策略進行對比分析和討論：

①按年為周期的運行策略；

②按季節為周期的運行策略；

③按年光照強度分區的運行策略；

④按年溫度變化分區的運行策略；

綜合考慮獨立微網內電源運行維護費用、柴油發電機的燃料費用以及內部負荷缺電罰金等，對比獨立微網在上述①、②、③、④四種運行策略下的綜合費用，從而驗證本文提出的獨立微網經濟運行策略。

采用SPSS 18.0統計學軟件分析數據，兩組患者并發癥發生和血酮體陽性情況用絕對數和構成比表示，用χ2檢驗（不符合應用條件者用確切概率值法）；兩組患者圍術期血糖水平用（±s）表示，用完全隨機設計的兩組資料t檢驗，P＜0.05為差異有統計學意義。

3.1 按年為運行周期的微網運行策略

按年為運行周期策略是指，在一年內微網中投運的各類電源數量和類型不變。用表3 的各微網電源的運行維護單價、燃料費用單價、污染懲罰單價，結合成本計算模型中各項費用計算，得出獨立微網的年運行費用如表4 所示。

表4 獨立微網電源年運行費用

由表4 獨立微網運行時產生的運行維護費用、缺電罰金、環境治理費用、燃料費用、網損費和附加費相加可以得到獨立微網的運行費用，則年運行策略總運行費用為387.7 萬元。

3.2 季節運行方式微網運行策略

按季節為周期的運行策略是指，微網在一年的四個季節中，每個季節投運的各類電源數量和類型不變。獨立微網內光伏的出力受自然因素影響，其數量、接入方式和位置及其拓撲結構不能隨著季節變化而變化。然而，通過改變每個季節柴油發電機運行的數量，從而改變獨立微網運行結構，不僅可以充分利用光伏，還可以減少微網的運行維護費用。在約束條件（8）～（14）下，以（7）獨立微網的為目標函數，春夏秋冬四個季節獨立微網電源運行的類型、數量如表5 所示。

表5 春夏秋冬四個季節電源容量最優運行策略

表3 中按照春夏秋冬四個季節來規劃獨立微網電源容量最優投運結果，春夏秋冬四個季節獨立微網的運行費用如表6 所示。

表6 春夏秋冬四個季節孤島微網的運行費用

由表6 獨立微網運行時產生的運行維護費用、缺電罰金、環境治理費用、燃料費用、網損費和附加費相加可以得到獨立微網的運行費用，則按季度運行策略總運行費用為379.9 萬元。

3.3 按光照變化特性分區的微網運行策略

按光照特性分區的運行策略是指，微網按照光照強度變化特性的時間分區，在每個時間區中采取不同的源儲運行方式。對本例圖3 所示的光照條件，按照前文1.1 中的劃分的方法，經過計算可以得到，按照光照強度390W.h/m2劃分，交光照變化曲線于（t1，390）、（t2，390）、（t3，390）三點，將一個周期（特指一年）的光照強度變化曲線劃分為A1和A2兩個區間如圖8 所示。

圖8 光照強度相似特性分區時間

在約束條件（8）～（14）下，以（7）為獨立微網的為目標函數，獨立微網電源運行的類型、數量等策略如表7 所示。

表7 按光照強度分段運行電源運行策略

表8 按照光照強度分段運行的年費用

由表8 獨立微網運行時產生的運行維護費用、缺電罰金、環境治理費用、燃料費用、網損費和附加費相加可以得到獨立微網的運行費用，則按光照強度運行策略總運行費用為367.8 萬元。

3.4 按溫度變化特性分區的微網運行策略

按溫度變化特性分區的運行策略是指，微網按照當地溫度變化進行時間分區，在每個時間區中采取不同的源儲運行方式。對本例圖2 所示的溫度變化數據，按照前文1.1 中劃分區間的方法，經過計算可以得到按照溫度為17℃劃分，交溫度變化曲線于（T1，17）、（T2，17）、（T3，17）三點，將一個周期（特指一年）的溫度曲線劃分為B1和B2兩個區間，其時間分段如下圖9 所示。

圖9 溫度相似特性分區

獨立微網將按溫度的變化特征調整運行策略，可分為B1和B2兩個運行方案，在約束條件（8）～（14）下，以（7）獨立微網的為目標函數，獨立微網電源運行的類型、數量如表9 所示。

表9 按溫度分段運行電源的策略

表9 為各方案在各時間段內獨立微網在實際投入運行的電源數量。按照溫度的相似性分段運行方案下的獨立微網的運行費用如下表10 所示。

表10 按照溫度和光照強度分段運行的年費用

由表10 獨立微網運行時產生的運行維護費用、缺電罰金、環境治理費用、燃料費用、網損費和附加費相加可以得到獨立微網的運行費用，則按溫度強度運行策略總運行費用為364.8 萬元。

3.5 四種微網運行策略的費用比較

將按年、季節以及按光照和溫度分段運行的微網年度運行費用比較如下圖10 所示：

圖10 不同運行方式下微網的年運行費用比較

由圖10 可知，獨立微網按光照強度或溫度分段運行的策略，使得綜合運行費用比按年為周期（季節）的運行策略分別低19.9（12.1）、22.9（15.1）萬元；可見，按照溫度和光照特性運行的費用較按年運行和按季節運行方式都有明顯的降低。因此，獨立微網按照溫度或光照強度特性分段運行是最優策略，此策略在充分利用可再生資源的同時，也減少了柴油消耗，降低了獨立微網的總運行費用，進一步提高了獨立微網運行的經濟性。

4 結 語

本文針對光伏型獨立微網中的新能源資源的年度周期性變化特征，提出按照溫度或光照強度分區的“源-荷-儲”協調優化運行策略。從算例分析結果可知，所提策略在保證系統安全運行的前提下，充分利用了可再生資源，并降低了微網的總體運行費用，提高了光伏型微網的運行經濟性。需指出的是，按照地區溫度和光照強度的相似性進行分區間運行的年度總費用相差不多，所以對于具體的微網還需采用實際運行數據分析兩種運行策略，以選取費用較少的策略運行。