微电网自发自用运行的经济性分析

赵贺，王坤，井天军

(1. 国网北京市电力公司电力科学研究院，北京市 100075；2.中国农业大学信息与电气工程学院，北京市100083)

微电网自发自用运行的经济性分析

赵贺1，王坤2，井天军2

(1. 国网北京市电力公司电力科学研究院，北京市 100075；2.中国农业大学信息与电气工程学院，北京市100083)

微电网运行经济性是制约其商业化运营的主要因素，通过对其进行有效评价以获取降低成本的方法将成为解决这一问题的有效途径。通过对微电网运行成本进行分析，以微电网经济运行为基础，兼顾电网备用成本，提出了针对不同容量的微电网运行经济性评价指标。基于所提评价指标，对储能容量、储能价格、电价及能量管理策略等因素影响微电网经济性运行的作用进行了评价，最后结合示范工程运行数据，以实例验证了所提评价方法的有效性。

微电网；经济分析；自发自用；分时电价；能量管理；交换功率成本

0 引 言

微电网的建立为用户带来多方面的效益，其中经济效益是设计与建设微电网并将其应用于实际中的最主要原因，也是微电网在电力系统中得以推广的关键所在。而微电网的经济运行优化是在满足负荷需求的同时实现综合成本的最优化，是微电网经济效益得以体现的关键[1-3]。微电网具有安全可靠，节能环保等大电网不具备的优势,能够很好地适应电力市场发展需要[4-5]。微电网运行的经济性是微电网商业化运营的主要障碍，而微电网运行经济性的提高又是涉及到政策、技术、用户使用水平及市场预期等多方面因素，其较为关键的是从技术上实现标准化的评价与优化[6]。

要实现对各个微源的科学管理首先需要对各微源的出力、经济和环境模型进行精确的描述。这种优化问题实际上是离散的、多变量和多约束的非线性组合优化问题，因此需要通过智能优化算法确定最小的发电成本、用户停电损失费用与环境成本。

目前已有的微电网经济运行的研究主要是对发电储能与冷热电三联供的“发用储”计划优化[7]，如将发电机组的优化组合、储能单元的智能管理以及节能环保调度等问题综合为统一的优化；改进粒子群算法对微网系统进行经济运行优化的方法[8]；采用改进粒子群算法对微网系统进行经济运行优化的方法[9]；计及环保因素的改进遗传算法微网孤网三联供系统经济调度[10-11]；风储联合优化调度[12]；通过模糊控制对蓄电池进行充放电的控制策略[13]；微电网的最优机组组合方式和最佳电能交易计划[14-16]；以钠硫电池为储能研究对象的微网系统经济运行优化模型[17]。

目前，上述提高微电网运行经济性的方法对微电网运行进行了大量的优化，但实际运行效益缺乏有效的综合评价方法。评价方法的有效性与微电网运行模式、分布式电源上网电价、投资者目标、政府补贴机制等因素相关。本文通过对微电网运行成本进行分析，以微电网经济运行为基础，兼顾了电网备用成本，形成了针对不同容量的微电网运行经济性评价指标。基于文中提出的评价指标，评价分析了储能容量、储能价格、电价及能量管理策略等因素对微电网运行经济性运行的作用。

1 微电网运行的成本分析

1.1 光伏设备成本

光伏设备成本包括并网逆变器成本(Cinv)、光伏组件成本(Cmod)、光伏支架成本(Cbra)及接入微电网的电气控制设备成本(Ccons)，产品寿命K年，安装施工成本包含在设备中，计算时不计组件清扫维护等费用。

北京地区年发电量Wanu可由homer软件估算得到。

光伏发电度电成本Cpv可由式(1)计算：

Cpv=(Cinvp+Cmod+Cbra+Ccons)/K/Wanu

(1)

1.2 微型燃气轮机发电成本

微型燃气轮机设备成本包括微型燃气发电的整流逆变器成本(CinvT)、发电机组成本(CG)及接入微电网的电气控制设备成本(CconsT)，产品寿命K1年，安装施工成本包含在设备中，年维护等费用为CanuT，燃料成本为每度电M元，发电机组年可用率为α。

微型燃气发电度电成本CT可由式(2)计算：

CT=[(CinvT+CG+CconT)/K1+CanuT]/(8 760α)

(2)

1.3 储能供电成本

微电网储能度电成本CST的计算如式(3)所示：

CST=[CBAT/UBAhN+CinvB(8 760K2α2)]/η

(3)

CBAT为储能电池成本，UB为直流母线电压，Ah为电池安时数，N为循环次数，CinvB为逆变器成本，K2为逆变器寿命，α2为储能系统的年可用率，η为充放电效率。

1.4 微电网用户负荷的分时电价

分时电价可分为居民、商业、工业3种用户类型。根据国家发展与改革委员会关于华北电网实施煤电价格联动有关问题的通知(发改价格[2005]668号)、北京市发改委《关于调整北京市夏季尖峰电价时段的通知》(京发改[2011]1060号)和北京市发改委《关于居民分户电采暖电价问题的通知》(京发改[2006]2039号)等有关文件规定，北京市春秋冬季、夏季峰谷时段划分以及电价情况如表1、表2所示。

工商业峰谷时段划分为：峰段8 h(10：00～15:00；18:00～21:00)；平段8 h(7:00～10:00；15:00～18:00；21:00～23:00)；谷段8 h(23:00～7:00)；夏季尖峰时段：7、8月11:00～13:00和16:00～17:00。

表1北京地区季节性(春、秋、冬季)峰谷分时销售电价表

Tab.1Sellingpriceinspring,autumnandwinterinBeijing元/(kW·h)

表2北京地区夏季峰谷分时销售电价表

Tab.2SellingpriceinsummerinBeijing元/(kW·h)

居民分户电采暖用户峰谷时段划分为：每年采暖季低谷时段(22:00～6:00)；高峰时段(6:00～22:00)。

每年11月1日至3月31日采暖季低谷时段电价0.30元/(kW·h)，高峰时段电价0.4883 元/(kW·h)。

2 微电网运行经济性评价指标

在微电网单相运行中，交换功率的峰谷差越大说明微电网运行越不经济，微电网应增加功率型储能设备，或使用软起动器以降低功率波动，避免电网因瞬时大功率负荷增加系统旋转备用而造成的经济损失。

在微电网三相运行中，微电网交换功率方差δ越大说明发电与负荷波动越频繁，应改进能量管理系统策略，增加微电网储能容量，容量值可参考δ的平方根值。

综合考虑影响微网与配网交换功率因素，结合上述原因，微网运行评价采用如下3个指标，用以判断微电网并网交换功率的波动特性。

指标1：微电网交换功率的峰谷差ΔPmax=Pmax-Pmin

指标2：微电网购电电量与馈电电量；

指标3：微电网交换功率方差：

σ=∑(Pusri-1/n∑Pusri)2

(4)

式中：n为采样时间点数；Pusri为第i时刻的购电功率。

3 微电网运行最小成本模型

3.1 经济运行原则

由于微电网在孤岛模式下主要考虑其运行的稳定性并保证重要负荷供电，暂时不考虑其运行的经济性，因此本文考虑自发自用模式微电网经济运行方案是在微网并网运行前提下进行的。

考虑生产成本及环境因素，对含分布式电源的自发自用模式微电网调度优先利用清洁能源，即光伏发电组件常工作于最大功率点追踪模式，其输出功率受自然条件影响，一定程度上不遵循调度。热电联产系统因能源利用率等原因，多运行于“以热定电”方式，其电力输出功率根据预先制定的供热/供冷计划确定，不遵循调度。因此，为提高自发自用模式微电网运行经济性，可在光伏发电和热电联产系统运行方式确定的情况下，通过制定蓄电池的合理运行方式，优化各时段微电网与主网之间的功率交换量，合理利用时段电价差异和经济运行评价指标，降低微电网运行成本。

综上所述，以光伏和三联供为微电源的微电网并网运行的经济调度基本原则如下：(1)优先利用光伏电池组的出力，跟踪控制最大功率；(2)三联供机组根据冷热负荷确定微型燃气轮机出力；(3)微电网与主网可进行自由功率交换，根据经济性分析确定储能出力。

3.2 综合运行成本

考虑到微电网并网运行时必须要保证所有负荷的正常运行，其用电量不可控制，故其经济运行问题可转化为最小运行成本问题。本文将微电网经济运行成本划分为以下4个部分。

3.2.1 微电源综合运行成本。

微电源不接受调度，且度电成本不随时间变化，其运行成本恒定，如式(5)所示：

(5)

式中：CMG为微电源综合运行成本；PPV(i)为i时段光伏电池组发电功率；PMT(i)为i时段三联供机组发电功率；SPV为光伏电池组的度电成本；SMT为三联供发电部分的综合度电成本；Δt为i时段的时长。

3.2.2 储能综合运行成本

储能作为微电网经济运行的核心，其充放电功率的大小决定了微电网运行状态。本文对蓄电池的运行成本计算时，将综合成本折算到放电的度电成本，运行成本计算如式(6)所示：

(6)

式中：CBAT为储能综合运行成本；PBAT(i)为i时段储能的放电功率；SBAT为储能放电的度电成本。

3.2.3 电网功率交换成本。

微电源和储能供给负载出现发电不足或发电有余情况，要向电网购售电。实时电价根据电网电价政策给定。电网功率交换成本计算如式(7)所示：

(7)

式中：Cnet为电网功率交换成本；Pnet(i)为i时段与电网交换功率；Sbuy为实时购电价格；Ssell为实时售电价格。

3.2.4 交换功率惩罚成本

参考微电网经济性运行评价指标，为减缓微电网过度交换功率对配电网电能质量的影响，均摊配电网旋转备用配置费用，对微电网和配电网交换功率进行统计分析。对统计量设置惩罚因子，计入微电网经济运行成本之中。其交换功率惩罚成本计算如式(8)所示：

(8)

式中：Cpu为交换功率惩罚成本；ε1,ε2,ε3为相应的惩罚因子。

3.3 不同场景下的目标函数

由于微电网中微电源出力基本不接受调度，微电网以控制储能出力的方式实现其经济运行。根据实时电价，通过控制储能充放电，优化不同时刻微电网与主网功率流动方向和功率交换量，进而减小微电网综合运行成本。

考虑到未来储能价格下降以及微网经济运行评价指标，可以从以下2个方面对储能的出力进行研究，比较分析储能价格水平下降和微网经济运行评价指标对自发自用模式微电网经济运行方式的影响。

(1)储能作为备用电源，维持系统稳定运行。当前储能价格水平下，储能度电成本过高，不能以调控储能运行方式降低微电网运行成本，只有在微电网孤岛时其出力才保证重要负荷运行。此状态下，由微电源出力供给负荷，发电不足时向电网购电，发电有余时向电网售电，系统不存在优化调度。其运行成本如式(9)所示：

C1=CMG+Cnet+Cpu

(9)

(2)储能参与能量交换，充分利用阶梯电价降低微电网运行成本。当储能价格下降到一定水平，可利用储能控制不同时段与电网的功率交换量，在电价峰时段向电网售电，在电价谷时段从电网购电。其运行成本如式(10)所示：

minC2=CMG+CBAT+Cnet+Cpu

(10)

3.4 约束条件

若忽略网损及电力电子器件能量损耗，微电网在运行期间需满足下列约束条件：功率平衡约束、蓄电池容量约束和储能出力限值约束。

(1)功率平衡约束为：

PPV+PMT-Pnet-PBAT=Pload

(11)

(2)储能容量约束为：

(12)

式中：Qmax为储能最大容量；Qmin为储能调度容量下限；Qini为储能初始容量。

(3)储能出力限值约束为：

PBATg_max≤PBAT≤PBATc_max

(13)

式中：PBATc_max为储能最大充电功率；PBATg_max为储能最大放电功率，其值设定为负；PBAT为储能实时充放电功率。

4 算例分析

本文选用北京左安门公寓微电网进行分析，微电网结构、机组容量及储能容量等如图1所示。左安门公寓微电网含有光伏发电单元、冷热电联供微型燃气轮机、铅酸蓄电池以及公寓内负荷。光伏发电单元额定功率为40 kW，微型燃气轮机发电部分额定功率为27 kW，蓄电池容量为100 kW·h。储能调度容量下限设定为蓄电池总容量的40%，即40 kW·h。储能最大充放电功率分别为10 kW和100 kW。该微网为三相系统，交换功率惩罚因子选取微网与配网间能量交换总量和交换功率方差。

选取的左安门微电网典型日发电与负荷数据如图2所示，采用Matlab编制程序对前述模型进行非线性规划，得出储能最优运行方式。

图1 左安门微电网结构与容量配置

图2 典型日发电与负荷数据

为了更好地分析储能价格水平下降和微网经济运行评价指标对微电网运行经济性的影响，本文分别从储能参与能量调度和惩罚因子，对储能能量调度的影响2个方面，对微电网运行成本进行计算，分析不同约束下的储能运行方式以及微网与配网间的能量交换。

(1)储能参与能量调度的微网经济运行方式。

微电网参与能量调度后，考虑到分时电价，在电价峰时段向电网售电，在电价谷时段，从电网购电，以实现微电网的经济运行。根据优化计算，得出分时电价下储能运行方式以及电网交换功率如图3所示。由图3可以看出，当在电价谷时段，即23:00～7:00，蓄电池持续充电，在发电有余时，尽量少向配电网售电；在电价峰时段，即10:00～15:00和18:00～21:00，蓄电池快速放电，向配电网售电，实现微电网盈利。受蓄电池充电能力以及蓄电池容量影响，其0:00～7:00缓慢充电，15:00～18:00和21:00～24:00以最大放电速度放电。

(2)计及惩罚成本时，储能参与能量调度的微电网运行方式。

图3 储能参与调度时，微电网经济运行方式

计及惩罚成本后，微电网不能按照自身最经济的运行方式运行，其需要考虑无节制地与电网交换功率给电网带来的危害，并接受电网对其的经济惩罚。本文惩罚因子分别为ε1=ε2=ε3=0；ε1=0，ε2=0.02，ε3=0.5；ε1=0，ε2=0.2，ε3=5 这3种情况，分析惩罚力度变化对最小运行成本下微网与配网功率交换的影响。惩罚因子越大，惩罚力度越大。优化结果如图4所示。

图4 计及惩罚成本后微网与配网功率交换情况

可以看出，随着惩罚力度的增大，微网与配网间的交换功率越来越小。在微电网保存最大功率发电的情况下，要满足负荷的需求，必须加大储能的充放电频率及充放电深度，间接地加大了储能的投资。因此，在未来电网对微电网管理完善之后，储能成本的降低对于微电网的经济运行更加重要。

5 结 论

(1)本文从微电网经济运行出发兼顾配电网效益，提出了微电网运行经济性评价指标，该指标能够反映出微电网整体运行的经济性。

(2)提出了基于最小运行成本的微电网经济运行方法，并利用该方法建立微电网经济运行模型，该方法考虑微电网的建设成本和微电源的使用寿命，更符合实际微电网运行状况。

(3)采用了非线性规划方法，对不同状态下的微电网经济运行方式进行求解。分析了储能参与能量调度后微电网运行方式和惩罚成本变化时微电网经济运行方式的变化。

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(编辑： 张媛媛)

EconomicAnalysisofMicro-GridinEnergySelf-BalanceMode

ZHAO He1, WANG Kun2, JING Tianjun2

(1. Beijing Electrical Power Research Institute, Beijing 100075, China;2.College of Information and Electrical Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

The operation economy of micro grid is the main obstacle of its commercial operation. An effective way to solve this problem is the evaluation and the cost reduction from the evaluation. Through the analysis on the operating cost of micro grid, this paper proposed the evaluation index of operation economy for the micro grids with different generating capacities, with considering the standby cost of grid, based on the economic operation of micro grid. On the basis of this evaluation index, the influence of energy storage capacity and price, electricity price and energy management strategy on the operation economy of micro grid was studied. Finally, the operation data from demonstration project was used to validate the effectiveness of evaluation method.

micro grid; economic analysis; energy self-balance mode; time of use power price; energy management; cost of exchange power

国网北京市电力公司科技项目(52020113026M)。

TM 731；TM 910

： A

： 1000-7229(2014)05-0113-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.05.020

2013-11-02

：2013-12-16

赵贺(1985)，女，工学硕士，工程师，主要从事微电网运行控制、电能质量及配电自动化的研究工作，E-mail：zhaohea@bj.sgcc.com；

王坤(1988)，男，硕士研究生，主要从事微电网运行控制的研究工作，E-mail：wk_cau@163.com；

井天军(1980)，男，工学博士，讲师，主要从事微电网运行控制、新能源发电控制的研究工作，E-mail：jtjy11@cau.edu.cn。