孤岛微网系统柴发配置分析

陈柔伊，董旭柱，黄邵远，李登武，陈苗

(1．南方电网科学研究院，广东广州510080; 2．天津天大求实电力新技术股份有限公司，天津300384)

孤岛微网系统柴发配置分析

陈柔伊1，董旭柱1，黄邵远1，李登武2，陈苗2

(1．南方电网科学研究院，广东广州510080; 2．天津天大求实电力新技术股份有限公司，天津300384)

微网技术是新能源及可再生能源并网发电规模化应用的有效途径，可在一定程度上解决孤立海岛或偏远地区的供电问题。利用柴油发电机作为孤岛型微网的主要能源支撑时，其型号选取、容量确定等因素均直接对系统的供电可靠性产生影响，并间接影响系统的经济性能。本文以某海岛孤岛型微网系统为例，提出了柴油发电机设备的优化配置方法。经研究分析表明，在兼顾考虑微网系统经济效益、可再生能源利用比例、污染物排放以及柴发寿命等因素的情况下，可得到具有最佳综合性能的柴发优化配置结果。

孤岛微网;柴发;优化配置;节能减排

1 引言

近年来，世界各国政府对能源危机与环境问题高度重视。“十二五”期间我国明确提出，继续推进“节能减排”政策，重点实施能源环境活动，加强可再生能源利用。将多种分布式能源综合利用，构建优势互补的微网系统，用以缓解资源环境问题。随着微网技术的逐步发展，微网实验室、示范性工程以及实际微网建设在国内外逐步推进。

21世纪初，欧美等发达国家学者已开始对微网进行研究，到目前为止，已形成了较为成熟的理论体系。在微网优化研究方面，有学者以并网中微网运行的综合性能为控制目标，对其优化运行的集中控制进行了探究［1］。也有学者从系统构建角度出发，研究独立微网中分布式电源的管理［2］，另有学者从单个目标出发，分析微网的优化运行［3］。

我国对微网系统的研究起步较晚，目前还处于前期探索阶段。在微网优化研究方面，国内一些学者从微网系统方面出发，探讨微网系统容量的优化运行［4］。也有学者从储能或风光互补角度，分析微网系统的优化问题［5］，从经济调度的角度进行系统研究也是一种解决优化问题的方法［6］。然而，随着我国“节能减排”政策的实施，对于含柴发在内的微网系统的优化配置研究就显得尤为重要，尤其是在可靠性要求较高的孤岛微网中［7］，对柴发的优化是系统构建的关键环节。

本文以孤岛微网系统为分析对象，以微网经济运行为目标，对系统中柴发设备的选型定容进行研究。

综合考虑微网的经济性、可靠性、柴发的使用寿命和污染排放等因素，构建基于孤岛微网的柴发选型定容方法。本文以某海岛为例，构建多能互补的孤岛微网系统，结合当地的自然资源、负荷需求等因素，对微网中的柴发进行配置，实现供电系统的节能减排。

2 孤岛微网

孤岛微网是微网的运行模式之一，相对于并网微网而言具有以下特征:

(1)孤岛微网一般构建在远离大电网的缺电、无电等边远地区以及无大电网供电的海岛上。

(2)孤岛微网中分布式电源是系统唯一电能来源，一般分布式电源包含风机、光伏、柴发、储能等发供电设备，各电源间联系紧密，相互配合［8］。

(3)孤岛微网对系统的经济性和可靠性要求较高，各分布式电源的选型定容均会对其产生较大影响。

综上所述，柴发作为孤岛微网系统的稳定可控能源［9］，不同的选型定容方案直接影响着系统的稳定性，间接地影响着系统的经济性能。

3 柴油发电机的优化配置

柴油发电机的优化配置方法是以目前常用的优化仿真软件homer软件中的柴发优化配置方法为基础，综合考虑柴发的运行控制策略，制定选型优化目标，得到集选型和定容功能为一体的孤岛微网柴发优化配置方法。

3.1 优化配置目标

根据孤岛微网和柴发运行的特点，兼顾微网的协调运行策略，本文在确保供电可靠性的前提下，综合考虑微网系统经济效益、可再生能源利用比例、污染物排放以及柴发寿命等因素，制定系统优化配置的目标如下:

(1)经济性，系统在全寿命周期内的总费用C由微网系统静态费用C1和动态费用C2两部分组成。

(2)系统供电可靠性，用系统运行过程中由于未配置足够的备用产生的可靠性损失Rloss表示。

独立微网的供电可靠性指当风光出力产生波动且储能放电量不能满足负荷需求的情况下，柴发对负荷的满足度。为了保证系统的高可靠性，需要有一定容量的柴发备用以补偿系统净负荷，净负荷与柴发的装机容量的比值能够体现系统负荷满足的程度，进而能够体现系统的可靠性收益水平，将可靠性收益变成未满足可靠性收益的惩罚可满足优化需求。

(3)环境友好性，用系统运行污染物排放量带来的环境成本V来表示。

柴发的运行效率对化石燃料的能量转化率有很大的影响，进而影响到柴发运行过程中污染物的排放量。

图1为典型柴油机的负荷特性曲线。从图1中可以看出，柴发负荷率在0～50%之间时，随着负荷率的增加，系统内单位发电的耗油率呈现迅速递减的趋势;当柴发负荷率超过50%以后，耗油率的减小趋于缓慢。

图1 柴发负荷特性Fig．1Diesel load characteristic

(4)柴发使用寿命，柴发在运行过程中的寿命用寿命影响因子LT表示。其值越大柴发的寿命受到的影响越大，寿命越短。

缩短柴发使用寿命的因素有以下几方面:柴发在非建议效率区间运行，频繁的启停柴发，无法按照要求对柴发进行定时维护。

(5)电能消纳能力，用系统的弃能量惩罚Escpun表示。供电量大于总负荷需求时，系统将舍弃电能，理想系统的舍弃能量应为零。

对优化配置目标进行分析，不难发现合理配置柴发的容量和型号能够使孤岛微网系统达到各优化目标综合指数最高的效果。

3.2 目标函数

3.2.1 定容目标函数

(1)微网系统静态费用

微网系统静态费用考虑独立微网系统在寿命周期内固定费用现值(元)，包括设备初始投资、年固定运行维护费用、更换费用、设备残值。

式中，k为孤岛微网工程设计寿命;r为贴现率; C1I(i)为设备初始投资(元);C1M(i)为年固定的运行维护费用(元);C1R(i)为第i年的替换费用(元); C1S(i)为第k年的设备残值(元)。

设备初始投资的计算公式为:

式中，CPV为光伏发电单元投资(元);CWT为风力发电单元投资(元);Cbat为储能设备投资(元);Cdsl为柴发设备投资(元);Cother为其他配套设备投资(元)。

(2)供电可靠性损失

式中，PLoad为系统负荷(kW);PPV为光伏出力(kW); PWT为风机出力(kW);Sdsl为柴发容量(kW);α为负荷波动率;β为光伏备用率;γ为风机备用率;Gain为建立微网后某地区提高供电可靠性带来的收益(包括经济效益、社会效益及示范意义等)，现将其转换成为未满足的惩罚。

3.2.2 选型目标函数

(1)弃能量惩罚

式中，QLoad为系统负荷电量(kW·h);Qdsl、QPV、QWT分别为柴发、光伏、风机发电量(kW·h);Qbat为储能的协调作用(kW·h)。此处引入弃能量惩罚来表征弃能量，惩罚系数为某地区平均度电成本Avepow-cos(元/(kW·h))。

(2)动态费用

柴发在运行过程中的燃料费、替换费是柴发选型的重要依据。由于柴发效率问题，发出单位电量消耗的燃油量并不是定值。

柴发耗油量具体可以表示为:

式中，Fk为运行时间段k内的耗油量(L);Pidsl为柴发在i时间段内的运行功率;A为单位发电量对应的油耗(L/kW);fi(x)为在i小时内柴发效率对单位发电燃油消耗量的影响因数。

柴发寿命影响因子LT:

式中，Tns为柴发在非建议效率区间运行时间(h); Nsta为柴发启停次数;Nnope为未按要求维护次数;λ、φ、ψ为权重参数，根据不同的柴发类型有部分差距。

由寿命影响因子得到柴发在工程期内的更换次数Nrep:

式中，k为计划工程时间(年);Dlife为柴发在理论状态下的寿命(年)。

综合以上各因素得到系统动态费用表达式:

式中，C2为工程时间内柴发运行花费(元);Dprice为柴油的单价(元/升)。

(3)环境成本

式中，Ve-i为第i项污染物的环境价值(元/kg);Vi(x)为运行过程中第i项污染物的排放量(kg);Vie为排放第i项污染物所受的惩罚(元)。

由式(5)可知柴发耗油量与柴发效率有关，令单位燃油污染排放量为定值，所以污染排放量与柴发效率相关。

3.3 约束条件

(1)柴油发电机的运行时间约束

式中，Tiwork为第i台柴发的运行时间;Tmin为规定的最小运行时间。

(2)多台柴发维护时间不重叠。

(3)功率上下限约束

式中，Pi为第i台设备的出力;Pimax、Pimin为这台设备的规定最大最小出力。

(4)净负荷与柴发用量关系约束

孤岛微网中的净负荷为总负荷减去可再生能源出力负荷，其默认全部由柴发满足，此处约定净负荷功率数与柴发开启台数的对应关系如下:

式中，Nus为处于运行状态的柴发台数;Pre为系统净负荷;a%、b%为系统限制的柴发最小、最大出力百分比。

3.4 配置流程

3.4.1 多目标函数处理

综合分析优化目标，为了达到最终统一确定柴发定容选型的目的，对各目标进行加权求和分析。得到目标函数如下:

式中，λi(i=1，2，3，4，5)为各个优化目标的权重，取值范围为［0，1］。

目标函数中的权重系数通过德尔菲法确定，综合考虑微网建设目标及微网所处区域内的环境等因素，得到各目标权重如表1所示。

表1 权重系数Tab．1Factors weight

优化过程中约束条件(1)、(4)作为运行必要条件出现，约束条件(2)、(3)作为惩罚项出现。

3.4.2 算法流程

针对上述优化模型，运用遍历法对每一种方案进行优化，经过优化算法的计算，确定在某一特定约束条件下的最优解。优化变量包括:风机容量、光伏电池容量、储能容量、柴发容量、柴发单台容量及台数。优化流程如图2所示。

图2 算法流程图Fig.2Flow chart optimization

4 仿真算例

4.1 项目背景

某海岛为中国南海岛屿，位于热带地区，多年平均气温为26.8℃。经多年检测30m高度处年平均风速为4.79m/s。此地区阳光充足，典型年太阳能辐射量总值为6801.4MJ/m2，地区太阳辐射资源丰富，极具开发价值。

海岛总面积为2平方公里左右，岛上建设有部分民用及军用设施，峰值负荷为2200kW，岛上渔民至今没有实现统一供电。为满足其供电需求，拟建风光柴储微网系统对其供电，解决其民生问题。

通过调研，明确各分布式电源设备特性如下:光伏价格2万元/kW，寿命20年;风机价格2.5万元/kW，寿命20年，维护费用0.1万元/年/kW;柴发价格0.21万元/kW，维护费用0.2万元/年/ kW，寿命12年，柴油价格按照7.2元/L计。

4.2 优化仿真

通过本文所述方法对该系统进行研究，分析结果如下。

图3表示风光储容量与单位电价的关系。风机、光伏容量单位为kW，储能容量单位为kW·h。

图3 风光储容量与电价的关系Fig．3Relationship between price and capacity of PV/WT/Bat

该微网系统，在风机容量200kW、光伏容量700kWp、储能容量270kW·h、柴发容量2400～2500kW时，系统综合各指标效果最优。

结合对现有柴发设备的调研，共有三组不同的配置方式的柴发组合适于该容量区间。分别为3台800kW、4台660kW、5台500kW柴油发电机。按照孤岛微网选型分析方法对三组可用柴发配置进行比对分析，分析结果如下。

在上述容量配置下，所构建微网的净负荷波动情况见表2。从表2中得出，净负荷的波动集中在区间0～500kW占84.78%，600kW以上的净负荷波动所占比例仅为10.87%。

表2 净负荷波动分析统计表Tab．2Variation of net load

按照约束得出三组柴发运行功率区间，见表3。

柴发运行效率分布最能够直接展现优化结果，三种方案的柴发运行效率如图4所示。为了便于观察，将实时效率按照递增顺序排列，纵坐标为某种配置对应的效率。可以看出5×500kW柴发运行效率明显高于另两种柴发配置类型。

表3 柴发运行功率区间Tab．3Diesel working power (单位:kW)

图4 柴发效率分布曲线Fig．4Efficiency distribution of diesel

柴发运行费用比较见表4。可以看出5× 500kW柴发的运行经济性略高于其他两组配置。

表4 柴发运行费用Tab．4Cost of diesel running

三种配置下系统年弃能量见表5。可以看出，5 ×500kW柴发弃能量明显少于其他两种类型柴发配置。降低弃能量能够提高微网系统能源利用率，避免能源的浪费，尤其是避免单台柴发开启时风机、光伏发电的舍弃。

表5 弃能量Tab．5Excess electricity

以上列举三种配置类型的对比结果，从结果中可以明显看出，5台500kW的柴油发电机在每一个目标上都具有明显优势，系统的综合目标值最高。

在本算例特定的气象资源、设备特性等条件下，微网系统配置5台500kW的柴油发电机，系统的经济性能最佳，系统污染物排放最少，设备利用率更高，系统的供电可靠性也较佳。

5 结论

本文围绕孤岛微网系统进行柴油发电机设备的定容选型为目标，提出了综合考虑微网系统的经济性、可靠性时柴发设备的优化配置方法。经过案例分析验证，运用本文所述方法进行配置，系统中柴发运行较为经济，对环境的污染较小，柴发的使用效率高、寿命长，对电能消纳能力强。

使用此设计方法配置的柴发满足经济、高效、可靠运行的要求，孤岛微网达到“节能减排”的目的。同时还可实现如下功能:

(1)微网系统经济性最优的目标得到满足。

(2)使用此方法确定的柴发单台类型，能够满足高效运行的要求，降低燃油消耗，减少污染物排放，有助于海岛环境保护。

(3)避免柴发运行在低效率范围内，且降低柴发的启停次数，有效避免对柴发的不利影响，提高了柴发的使用寿命。

(4)降低微网系统的弃能量，提高能量利用率。

随着国内外对微网系统研究的增多，世界各地将加大对微网的利用，合理优化微网中柴发的容量和型号对减少成本的消耗、降低污染物的排放起到重要作用。此研究方法为微网中柴发的选型、定容提供依据，在后续研究中，可从并网的角度丰富优化目标，完善优化方法，建立完善的微网柴发配置优化体系。

［1］Tsikalakis A G，Hatziargyriou N D．Centralized control for optimizing microgrids operation［J］．IEEE Transactions on Energy Conversion，2008，23(1):241-248．

［2］Chakraborty S，Weiss M D，Simoes M G．Distributed intelligent energy management system for a single phase high-frequency AC micro-grid［J］．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2007，54(1):97-109．

［3］Hernandez-Aramburo C A，Green T C，Mugniot N．Fuel consumption minimization of a micro-grid［J］．IEEE Transactions on Industrial Applications，2005，41(3): 673-681．

［4］顾晨，乐秀璠(Gu Chen，Le Xiufan)．基于NSGAII的分布式电源优化配置(Optimal allocation of distributed generation based on NSGAⅡ)［J］．电力系统及其自动化学报(Proceedings of the CSU-EPSA)，2012，24 (4):130-133．

［5］赵晶晶，朱振坤，朱兰，等(Zhao Jingjing，Zhu Zhenkun，Zhu Lan，et al．)．储能系统在微网中的优化配置与成本分析(Optimal allocation and cost analysis of energy storage system in microgrid)［J］．华东电力(East China Electric Power)，2011，39(10):1615-1618．

［6］江岳文，陈冲，温步瀛(Jiang Yuewen，Chen Chong，Wen Buying)．基于随机模拟粒子群算法的含风电场电力系统经济调度(Economic dispatch based on particle swarm optimization of stochastic simulation in wind power integrated system)［J］．电工电能新技术(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2007，26(3):37-41．

［7］薛迎成，邰能灵，刘立群，等(Xue Yingcheng，Tai Nengling，Liu Liqun，et al．)．微电网孤岛运行模式下的协调控制策略(Co-operation control strategies for islanded microgrids)［J］．中国电力(Electric Power)，2009，42(7):36-40．

［8］石庆军，江全元(Shi Qingjun，Jiang Quanyuan)．独立运行方式下的微电网能量优化管理(Optimal energy management of microgrid in standalone operation mode)［J］．机电工程(Journal of Mechanical＆Electrical Engineering)，2012，29(4):428-433．

［9］黄宇淇，董琴，诸嘉惠(Huang Yuqi，Dong Qin，Zhu Jiahui)．飞轮及柴油发电混合储能系统应用于微网的仿真研究(Simulation research on microgrid with flywheel and diesel generators combined energy storage system)［J］．电工电能新技术(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2011，30(3):32-37．

Analysis on optimization allocation of diesel for island microgrid

CHEN Rou-yi1，DONG Xu-zhu1，HUANG Shao-yuan1，LI Deng-wu2，CHEN Miao2
(1．Electric Power Research Institute，CSG，Guangzhou 510080，China; 2．Tianjin Tianda Qiushi Electric Power High Technology Co．Ltd．，Tianjin 300384，China)

Microgrid is an efficient approach for taking advantage of renewable energy resources which can to a certain extent ensure reliability of the important load isolated from the power supply in island or remote area．How to choose the model and confirm the capacity of the diesel generator as a primary energy support in an islanded microgrid has a direct impact on the reliability of power supply and on the economic performance of the system．Based on an island microgrid system as an example，this paper puts forward a method to optimize the performance of diesel generator．Simulation results show that the integrative performance using the optimizing configuration proposed is excellent while taking the microgrid economic performance，the proportion of the renewable energy resources，pollutant-emission and the diesel generator life into considering．

island microgrid;diesel generator;optimization allocation;energy saving and emission reduction

TM715;TM611

A

1003-3076(2014)10-0058-06

2013-03-06

国家高技术研究发展计划“863”项目(2011AA05A114)

陈柔伊(1981-)，女，广西籍，工程师，博士，研究方向为智能电网与电动汽车;董旭柱(1970-)，男，陕西籍，高级工程师，博士，研发方向为智能电网。