可靠性與經濟性相協調的微電網能量優化

大連理工大學 李泓達

隨著我國社會經濟的不斷發展，能源與環境危機已經成為了當前需要重點解決的問題之一。為了減輕環境污染，降低對化石能源等的依賴度，開始提倡清潔綠色可再生資源。微電網作為比較有效的可再生能源接入電網，已經成為了當前發展的重點。通過做好優化與控制工作，在保障微電網運行穩定的基礎上實現發展目標。

1 發展微電網的意義

微電網擁有自我控制能力強等特點，屬于保護與管理并存的微型配電系統，在分布式電源發電的作用下，能夠提升使用效果。但是在現階段發展中微電網能量管理、微電源調度等方面卻存在著許多的問題。由于微電網能夠滿足并網運行、孤島運行需求，可以展現當地可再生能源優勢，實現對綠色能源、清潔型能源發電的整合，進一步強化就地供電能力。而可靠性、經濟性微電網能量優化則成為發展階段中需要兼顧的重點。目前針對微電網可靠性的研究明顯增加，如使用解析法、蒙特卡洛模擬評估等方式進行可靠性分析等，但是在微電網經濟評價方面卻存在著一定的不足。雖然也有研究人員針對微電網經濟運行進行了研究，但是從整體層面來講與本文可靠性和經濟性相協調研究方面存在差距。而本文中所提出的可靠性、經濟性相協調的微電網能量優化方法中，主要包含：第一，計及微電源出力特性與故障情況。為西安微網與主網交換功率等。第二，計及微電源運行工況、微電網與主網交換成本及微電網運行年限等。通過將經濟性與可靠性融合在一起，在獲取微電網等年值最小時各類微電源的最佳運行容量，進而提升運行管理研究的深入性[1]。

2 微電網的可靠性評價與經濟性評價

2.1 可靠性評價

通過對微電網結構進行分析，在做好自動開關與主網聯系的基礎上依靠并網模式、自治模式等實現自由切換。在微電源中主要涉及到風力發電、太陽能光伏發電、柴油發電、儲能四種。在自動開關的影響下能夠及時將微電源連接到微電網母線中，并及時切除故障微電源，提升對微電源投運容量的有效控制。在微電網能量管理周期取值方面存在較大的差異性，需要從運行完整性等層面進行分析，同時還要明確在單位小時以內微電網功率方面的分布情況。通過借鑒先進電氣可靠技術解決方案聯合會中的要求，明確饋線潮流控制模式，確保微電網與主網交換功率方面的恒定性，在進入到孤島模式以后，依靠當地的微電源調節提升功率平衡效果。

微電源功率輸出。一是WT 與PV。因自然資源在分布方面存在著隨機性較強等特點，所以在微電源出力方面表現出了間歇性、不可控性等。借助HOMER 軟件能夠將風速、光照曲線等模擬出來，在結合相關數據的基礎上獲取輸出功率。二是ES。在這一類型的微電源中能夠平衡WT 出力PWT（t）等，不僅可以穩定系統功率輸出，同時也可以達到平抑負荷波動的效果，同時也可以強化可再生能源發電可調度性特點。三是DE。在這一類型的微電源輸出功率方面存在著可控性較強等特點，同時也可以在保障柴油供應充足性的基礎上滿足需求[2]。

微電源狀態。一是WT、PV、DE。針對配電網所具備的可靠性進行分析時，所使用的元件主要借助雙狀態模型的方式，通過使用相同模型針對微電源實際運行情況進行描述，不僅可以實現對故障狀態概率函數的臭氧，同時也可以確定無故障時間tTTF。由于微電源故障時間相對較小，在兼顧程序存儲空間的基礎上確定故障時間，同時選擇期望值。二是ES。受到工作時間相對較小的影響，主要使用運行狀態模型，所以針對故障并不過多考慮。

負荷。負荷需求主要是借助IEEE-RTS 所提供的年時序模型來進行計算的，當峰值為5MW 時，則需要及時針對停電所產生的損失進行分析，同時還需要掌握用電性質。在負荷中主要是以工業、商業等用電分類模型為主，在合理范圍內模擬出負荷間可靠性要求方面的差距。

停電損失統計。在過去主要使用產電比法與平均電價法來計算出停電損失，但是卻難以計及負荷可靠性要求之間的差距，而這也與微電網需求管理特性之間存在較大差距。但是也要明確的是，停電所產生的損失還受到持續停電的時間等因素的影響。

2.2 經濟性評價

在經濟性評價中主要是借助全生命周期經濟管理方法，以此來保障后續決策的科學性，同時還可以使用微電源經濟計算HOMER 軟件來做好分析工作。通過對微電網年投資運行費用、微電源種類、個數等進行分析，在做好計算工作的基礎上將其轉變成為年單位投資、運行、替代費用以及剩余價值等。通過從DE 角度出發，在選擇運行時段時將重點放在燃料費用方面，而在故障期間維修所產生的費用也與相同時間范圍內燃料費用相似，所以也就可以模擬出運行階段中所產生的費用。而ES 體育DE 運行年限則低于微電網運行年限，其中包含購買新型設備過程中所產生的中間年費用等。在微電網運行年限以內，通過采取一次性支付方式，可以借助經濟學公式將其轉變成為年值[3]。

3 可靠性與經濟型相協調的微電網能力優化措施

3.1 能量優化

當微電網處于孤島運行狀態時，且在供電能力降低、供電經濟性不足時，則可以借助負荷間可靠性要求所產生的差異情況來對部分負荷采取中斷等措施。在并網運行階段中，內部用戶雖然具備微電源、主網的雙重支持優勢，但是為了更好的展現微電源供電作用，在微電源與主網交換功率方面則表現出了滿足內部用戶需求等現象。所以在微電網與傳統電網建設中，就需要從建設目的、功能配置差異等方面出發，做好微電網可靠性、經濟性協調等研究工作，在優化微電源出力的基礎上實現降低損失等目標，將微電網等年值費用控制在最低狀態。因此為了提升優化效果，就需要從微電源運行約束條件入手，滿足可再生能源發電接入約束要求。在考慮可再生能源發電接入約束時還需要做好發電與負荷需求之間的正相關性分析工作[4]。

3.2 優化流程

第一，利用已經使用的方法提煉WT、PV、DE 全面各小時中的輸出功率，同時還可以使用序貫蒙特卡洛仿真，運用不同方法構建出微電源時序狀態轉移過程。通過統計與分析，以此來獲取期望值。通過對微電網、主網交換功率進行分析，在結合可靠性參數等的基礎上做好期望值統計等工作。

第二，WT、PV、ES 供電。在發展階段中需要做好可再生能源發電優化工作，并運用ES 來實現對可再生能源發電與負荷用電中所產生的差值進行補償，進而回去剩余未供負荷時間序列。

第三，確定好WT 與PV 最大接入容量。通過對ES 運行不經濟情況進行分析，以此來確定出ES最小單位容量，同時還要借助單變量法做好調整工作獲取相關數據。

第四，DE 供電策略。通過對剩余未供負荷中針對可靠性要求所產生的不同依次供電情況進行分析，能夠獲取微電網消減負荷時間序列。為了再現真實情況，就需要做好基荷機組全年運行、調峰機組需要時運行設定工作，同時還要針對DE 輸出功率情況進行分析，實現可控目標。

第五，在容量范圍以內，需要針對不同容量狀態下微電源停電損失、投資運行費用等統計工作，同時還要做好等年值費用對比分析，以此來篩選出最為適合的方案，實現對微電源運行的有效管理。

3.3 方案分析

自治模式狀態下的能量模型其實就是并網模式狀態下的一種特殊形式，通過對微電網自治運行價值進行分析，以自治運行微電網系統為典型，針對當地月平均風速等進行分析，從而選擇好適合的風力發電機。

方案1：借助WT 單獨接入，進一步闡述其供電特點，同時還需要針對不同WT 容量方案下微電源所產生的等年值費用等進行分析，明確隨著WT容量的不斷增加，在等年值費用方面表現出了逐漸下降的特點。所以說當WT 發電經濟狀態下，其發電特性表現出了不可控等特點，加之受到負荷用電相關性不佳的影響，使得其難以大量接入自治運行微電網[5]。

方案2：通過對WT 與PV 聯合接入說明情況進行分析可以發現，能夠實現對可再生能源發電優勢的互補，同時也可以保障接入容量的最優化。在不同WT 與PV 最大容量組合狀態下通過對比可以發現在接入PV 以后等年值費用呈現了逐漸下降的趨勢，在WT 接入容量最大時，等年值費用表現出了最小狀態。所以WT 與PV 在發電方面呈現了互補特性，其中WT 發電的經濟性更高，以自治運行狀態中，微電網需要在容量范圍以內作需要最大化WT 接入容量。

方案3：通過對自治運行狀態下不同類型微電源最佳容量、供電策略等進行分析，在確保探索深入性的基礎上來獲取相關信息。當WT 接入容量處于最大狀態時能夠在合理范圍內降低微電網等年值方面的費用，但是也應當要明確的是：第一，PV 在發電互補性方面明顯高于WT，且受到PV 容量不斷增加的影響，在等年值費用方面主要是受到停電損失不斷減小而減小。第二，DE 帶負荷能力相對較強，且在前期階段中受到可靠性要求比較嚴格的影響，在工業與商業負荷供電方面有著明顯變化，且在等年值費用上也是逐漸減少的。但是隨著容量的不斷增加，DE 發電經濟性呈現逐漸降低趨勢，而在等年值費用減少趨勢上則呈現了逐漸放緩的狀態。只有在滿足大部分負荷供電要求以后，通過不斷提升可靠性能夠適當提升等年值費用。

方案4：如在考慮微電網可靠供電核心微電源DE 時，能夠證明當微電源故障率不斷增加以后，對最優方案選擇有著一定影響。第一，當DE 處于不同容量狀態下，等年值費用、年缺電量也是不斷增加的。第二，由于DE 的運行方式有著靈活性較強等特點，所以在接入容量不斷增加背景下，其實際運行容量呈現逐漸減少趨勢，而在故障備用容量方面則表現出了不斷增加現象，在年缺電量方面呈現減少趨勢。第三，DE 接入容量增加勢必會減少對可靠性的影響，但是隨著故障頻率的不斷增加，使得燃料費用也在不斷產生。第四，通過對微電源單位容量、故障率等情況進行分析可以發現，如果在局部范圍以內增加DE 故障率，對微電網經濟運行所產生的影響相對較小。

4 結語

綜上所述，通過從經濟性、可靠性層面出發，在做好能量優化配置模型研究工作基礎上掌握實際情況，明確對經濟性與可靠性等所產生的影響，最大限度降低對環境的不利影響。所以在運行階段中還需要及時針對當地實際發展情況進行分析，確保能量配置的靈活性，采取有效的設計方案，滿足可持續發展要求。