海岛微电网组网优化研究

杨湛晔，马红伟，毛建容

(许继集团智能电网研究中心，北京市100085)

海岛微电网组网优化研究

杨湛晔，马红伟，毛建容

(许继集团智能电网研究中心，北京市100085)

阐述了一种海岛微电网组网方案的优化方法，并结合实际项目运行数据进行了验证。通过对微电网组网方案数据的整理分析，研究了利用Homer工具计算并网、离网组网方案的净现值投资、发电成本单价、发电量及可再生发电比例，分析光伏设备价格、储能设备使用寿命、风速、柴油价格波动对组网方案的影响，比较出经济性最优方案。然后在Powerfactory仿真软件中搭建经济性方案模型，研究验证最优方案的可行性，实际并网运行数据和调研资料也验证了现有组网方法合理。

微电网；海岛供电；并网运行；离网运行；homer优化计算；Powerfactory仿真

0 引 言

海岛供电系统接入新能源发电，组成海岛新型智能微电网，可以作为微电网的一种典型运行方式，具有微电网的一般特性，又需结合海岛自身特点，形成适合海岛可持续发展的组网方案。

随着微电网的发展，越来越多的国内外学者开始关注微电网的组网优化问题。文献[1]提出了采用细菌觅食算法对风-光-储混合的微电网电源优化配置问题进行求解的方法；文献[2] 提出了一套含有微电网的配电网变电站规划及网架规划方法；文献[3] 建立了风-光-储混合电力系统规划的非合作模型和合作博弈模型；文献[4-5]分别从不同的角度分析了微电网组网方案优化；文献[6-8] 对海岛电网能量管理及微电网的优化配置做了系统的分析；文献[9-10]对微电网的全网模型搭建与稳定性分析及Powerfactory仿真工具做了介绍；文献[11-12]中对分布式发电优化及风光互补进行了深入的研究。

上述文献在理论推导方面，模型完善方面进行了深入的研究。本文汲取上述文献资料的成果，利用计算及仿真工具，针对特定的海岛调研实际数据，进行了海岛微电网建设的组网优化，并总结了一套含多种分布式能源海岛微电网的组网方法。

分布式能源的利用，不是盲目的堆砌，不是接入后的粗放管理，需要结合时间、空间进行统筹协调。由于分布式能源存在不稳定性，造成了规划选择的多样性，也形成了运行控制的动态特性。由于区域差异的存在，本文从多角度出发，分析了分布式能源之间，分布式能源与常规能源之间，发电与储能之间，发电与负荷之间的关系，形成一种分布式能源优化互补的方法。该方法分析分布式发电设备成本、效率、寿命等，形成设备成本与发电成本的比例关系；分析特定区域的自然条件，形成自然能源利用的比例关系；分析特定区域的负荷需求，形成发电与负荷的比例关系；同时考虑环境、政策的影响因素，形成相应的比例关系；将上述形成的比例关系统筹起来，就形成了指导微电网组网建设、运行管理的方向。

1 微网组网分析方法与流程

通过对实际海岛微电网组网方案的整理与归纳，整个海岛微电网的组网方案流程步骤如图1所示。

图1 组网优化流程

可再生能源互补发电优化建模(hybrid optimization model for electric renewable，Homer)是一个计算机模型，可针对离网或并网的分布式发电系统，利用优化和灵敏度分析的算法，评估系统的经济性和技术选择的可行性，以及考虑技术成本的变化和能源资源的可用性。

利用电力系统仿真软件Powerfactory验证组网方案的可靠性。Powerfactory是数字仿真和电网计算程序，可以进行潮流计算、故障分析、谐波分析、稳定性分析、可靠性分析、保护、最优潮流、配网优化、低压网络分析等。

2 组网需求及优化目标

组网方案的优化分析，首先是要收集详细且准确的资料数据，汇总整理成表格，为后期计算、仿真、分析备用。

2.1 数据资料

(1)自然资源数据整理：需要收集海岛经纬度、面积、地貌、常驻人口、高峰人口、绿化覆盖面积、岛上建筑物、气候总体特征(恶劣天气情况)、平均光照强度、平均风速、交通运输状况(海岛与大陆交通，海岛岛内交通状况)，海岛可开发占地面积，同时需要考虑柴油等燃料的价格以及价格波动的范围，数据需要年、月、日甚至小时的平均数据。

(2)海岛电源、电网数据整理：需要收集现有海岛电网的电源、电网情况，是否有分布式能源接入，是否通过海底电缆并网等，需要海岛电力系统结构图，该部分数据搜集不仅要考虑现有数据，还要结合海岛供电局的规划与发展趋势。

(3)负荷需求数据整理：海岛电网的负荷需求及负荷规划，以及典型日负荷曲线、年负荷需求总量、年负荷平均值、月平均负荷需求、月负荷峰值分布，负荷需求的数据也需要年、月、日甚至24 h的平均数据。

特殊负荷需求包括海水淡化、供热、制冰制冷，电动汽车充放电需求，电动船充电码头需求等。

(4)设备数据整理：主要设备性能分析，包括储能设备充放电深度、寿命曲线，风力发电机特性曲线，柴油发电机特性曲线等，根据海岛建设实际需求以及海岛规划有目的地进行技术性能调查及比较。

在技术性能数据整理的同时，也必须关注市场动态，充分了解设备的投资成本、维护费用以及使用寿命情况等数据资料等。

(5)局限数据与政策性：全面了解海岛建设发展中的各方面限制，比如某些海岛上设有动物保护区，有些海岛是贝类植物保护基地，因此需要考虑该海岛在前期开发建设与后期运行维护时对污染物的排放限制，对燃料使用总量的限制，以及土地开发方面的限制，所以有必要对政策性法规文件等进行梳理。

2.2 资料来源

在数据整理时，可先制定清晰的收资表，在收资过程中补充完善，后期对数据加工，查漏补缺。原始资料的完整与准确直接影响到组网方案工作的效率。

部分数据资料可从NASA网站获取，部分数据资料需要跟踪市场信息，多数资料数据必须与海岛及相关各部门沟通联系，以便获得准确、详细的资料。

2.3 数据示例

以下给出案例海岛风力发电相关数据的资料，如表1～2，图2所示。

可参考上述表格，对所有组网数据资料进行加工整理，以便优化过程中初始边界条件及迭代刻度的选择。

2.4 实际组网需求示例

表1 某海岛年平均风速

表2海岛风机成本资料

Tab.2Costsofwindturbineonisland

图2 海岛风机特性曲线

将组网方法运用于南海某旅游生态海岛的组网规划中，选定海岛目前已开发的大规模风力发电，风电出力远远大于海岛需求，多余电量通过海底电缆并网。海岛电网每年需保证1个月的离网维修，离网期间仅能凭借柴油机集中供电，柴油燃料受限不能保证供电可靠性，离网同时无法协调风电场出力，损失了大量的风电资源，因此需要优化组网方案。

2.5 优化目标

(1)发电费用最小。

式中：Pij为不同分布式发电(distributed generation,DG)的额定功率；ni为该DG电源的种类数量；ai为发电成本，包括燃料消耗成本、维护成本、折旧成本、购电成本等。

(2)治理费用最小。

式中：k代表不同治理类型(污染排放、CO2排放、噪音等)，Cikrik(Pi)表示治理发电Psi所产生的不良影响的费用。

(3)发电与用电平衡，储能参与发电峰谷调节与互补。

∑P发电+∑P用电=∑P储能调节

另外，离网型微电网的最优组网，必须确定最优微源结构，确定离网最小组网配置，最大组网配置(最大负荷需求)，明确计划性孤岛月份，分析非计划性孤岛方案，分析特定变量的影响等。

3 并网型微电网组网方案优化方法

3.1 并网组网方案优化原则

(1)并网型的海岛微电网，负荷需求满足最大峰值数据，默认不考虑柴油发电机接入，同时考虑适当规模的分布式发电设备，在Homer工具中计算迭代，计算最优方案。

(2)归纳典型结构方案，从多种角度考虑分析，例如完全依靠外界电网供电的并网方案、光储互补的并网方案、单纯接入风力发电的并网方案和具备风、光、储互补的并网方案等，需根据实际情况归纳整理。

(3)最优典型结构方案对比，针对不同最优典型方案的投资金额、发电量、排放量、可再生能源比例、单位发电电价，进行对比分析，结合海岛实际情况选择组网方案。

(4)最优方案的确定过程中，需保证最优方案中任意可选项都通过最小可选刻度值上下浮动的比较。

具体的并网优化流程如图3所示。

3.2 组网方案及敏感性分析

根据分析，对选取的海岛进行逐项分析，设定了8种组网方式，统一计算，进行数据迭代对比，最后形成如表3所示的8种最优方案。

上述8种不同结构下的最优方案，其中第1种方案为当前风电场并网的发电情况，第5种为风力发电退出并网发电的情况。

敏感性分析：由于海底电缆和风电厂的前期投资已经完成，且投资规模较大，因此新增分布式发电设备价格、维护费用、风速变化、储能设备使用寿命等敏感性因素对组网方案、投资净现值、单位发电成本、污染物排放量的影响较小。现有风力发电并网效益较高，其余分布式发电在并网条件下将会增加发电的成本。

图3 并网优化流程图

表3 并网型微电网组网典型方案数据对比

优化结论：并网新增风光柴储等设备，不可避免地会增加净现值及发电成本，但是海底电缆、海上风电的建设并不普遍，考虑新能源发电的环境效益及社会效益，以及海岛的实际离网供电需求，增加分布式发电实为海岛电网建设的方向。

4 离网型微电网组网方案优化方法

4.1 离网组网方案计算

(1)确定典型微源结构。按照统一负荷需求设定边界条件，枚举典型微源结构，例如风光柴储微电网方案、风柴储微电网方案、光柴储微电网方案、柴储微电网方案，通过Homer计算出各自的最优方案，然后分析不同最优方案的组网配置、投资净现值、发电量成本、污染物排放量等数据。

(2)确定负荷需求区限。设定相同的微源组成结构，如风光柴储微电网，选择不同的负荷需求(月份、峰值负荷、平均负荷等)，通过Homer计算出各自最优方案，分析不同负荷需求条件下的最优方案的组网配置、投资净现值、发电量成本、排放量等数据。

表4 特定海岛小/大负荷需求组网数据对比

表4对比了特定海岛小负荷需求与大负荷需求的相关数据，随着负荷的增加，组网设备容量随之增加，净现值随之增加，发电成本略微下调，污染物排放量也会随之增加。

(3)根据实际需求优化组网方案。针对并网型有离网需求的微电网，由表4可知，不同的负荷需求会影响最优方案及其净现值、发电量成本、污染物排放量。

可以明确计划离网月份可以选择负荷需求较小且分布式发电出力均较小的月份。

一旦发生非计划性离网，组网方案要能满足大部分时段的负荷需求，又不能盲目最大化投资，可根据实际情况斟酌。

具体的离网优化流程如图4所示。

4.2 离网组网方案优化对比

以案例较小负荷需求为例，计算出的4种典型最优方案分别为：风光柴储方案1、风柴储方案2、光柴储方案3、柴储方案4，结果见表4～7和图5。

综合所有优化方案数据，风光柴储微电网具有分布式发电渗透率较高，互补稳定性好，环境效益较好，初期建设成本略大，适宜作为最终方案；风柴储微电网相比互补性略差，可作为初期可选方案；光柴储微电网没有充分考虑该海岛风力资源优势，不推荐应用于该岛方案；柴储微电网离网运行稳定性最好，不受光、风资源限制，灾害天气等恶劣情况下效果明显，可是燃料消耗较大，污染物排放较大，可作为后备方案，解决短期极端情况。

4.3 敏感性分析

得出最优方案后，针对方案选取中的一些变量进行敏感性分析，例如可分别对柴油价格、光伏设备价格、储能设备使用寿命、风速等级进行分析，设定边界条件及最小刻度，逐步迭代求计算特定变量对最优方案的影响，结果见表8～9。

图4 离网优化流程图

表5 组网方案对比

表6 组网方案发电量对比

图5 典型离网方案月平均发电数据对比

表7 组网方案排放量对比

表9柴油价格对发电量的敏感性分析数据

Tab.9Sensitivityanalysisofdieselpricestogeneratedenergy万kW·h/a

数据显示随着柴油价格的降低，发电成本也大幅降低，可再生能源利用率也随之降低。通过敏感性分析，可归纳出变量对最优方案的影响，增加方案选择的灵活性。

因此，该方法形成了根据不同变量变化的一系列建设方案，指导下一步建设的方向。

5 微电网稳定性分析方法

根据经济性优化分析所得的最优方案，在Powerfactory仿真环境中，搭建最优组网方案仿真模型，验证经济性优化方案的可靠性。

针对特定海岛组网，按最优方案搭建了全网模型，分别进行了并网、离网潮流分析，故障分析以及稳定性分析，验证了分布式发电出力变化、负荷变化对离网微电网的影响，研究配置的储能设备是否能最大化消纳分布式发电的峰谷差额，并为Homer经济性优化提供了反馈信息，最终确定了兼顾经济性和稳定性的组网方案。

6 结 论

通过特定海岛微电网组网的优化分析，提出了一种针对微电网组网方案优化的方法，该方法通过并网运行数据的验证，同时有助于离网微电网的互补优化配置，不仅适用于海岛，也适用于一般性微电网，并得出如下结论：

(1)并网优化需侧重经济性因素，离网型优化则以稳定性为出发点，综合考虑经济、社会、环境效益。并网型海岛有离网需求的微电网要根据需求考虑计划离网、非计划离网方案的区别。

(2)经济性分析、稳定性分析互为边界条件，需进行多次计算，以满足经济性和稳定性的需求。

(3)该方法的难点在于原始数据的收集整理以及稳定性分析时个性化仿真模型的搭建。

(4)该优化方法结合实际数据，针对优化进行了了大量的数据比较和仿真分析，为微电网组网规划做出了贡献。

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(编辑：刘文莹)

OptimalCombinationTechnologyofIslandMicrogrid

YANG Zhanye, MA Hongwei, MAO Jianrong

(Smart Gaid Research Institute of XuJi Co., Ltd., Beijing 100085, China)

This paper introduced the optimal combination scheme of island microgrid, and validated the scheme with using the operation data of actual projects. Through the arrangement and analysis of combination data of microgrid, the net present value of investment, the unit price of generating cost, the generated energy and the renewable power ratio in grid-connected mode or island mode were calculated by software Homer. Then, the equipment price of photovoltaic power generation was analyzed, as well as the influence of energy storage equipment’s service life, wind speed, diesel price on combination scheme, in order to obtain the most economical scheme. Finally, the model for the most economical scheme was built by simulation software PowerFactory, the feasibility of optimal scheme was studied and validated; its rationality was also proved by the actual operation data in grid-connected mode and the investigation materials.

microgrid; islanding power supply; grid-connected; island mode; homer optimization calculation; powerfactory simulation

TM 727，TM 732

： A

： 1000-7229(2014)06-0063-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.012

2013-12-14

：2014-01-14

杨湛晔(1981)，男，硕士，工程师，主要从事微电网及分布式发电接入的研究，E-mail：kirksharp@foxmail.com；

马红伟(1974)，男，硕士，高级工程师，主要从事微电网及分布式发电接入的研究，E-mail：mahongwei@xjgc.com；

毛建容(1975)，女，硕士，高级工程师，从事微电网及分布式发电接入的研究，E-mail：maojianrong@xjgc.com。