微网低碳减排经济运行分析

石琪　付立思

摘要：为满足大面积牧场独立微网低碳减排的需要，从经济性和低碳性方面分析运行效益形成机理，综合考虑风电、光伏时间利用特性，储能系统的使用寿命及转换特性，以及环境折旧成本的经济特性，提出风、光、柴、储的合理调度策略，在满足环境效益的同时实现综合成本最小化。采用遗传算法算例分析，对比分析四季典型日系统电力平衡情况和系统成本曲线，证明系统的经济可行性。

关键词：微网；孤岛运行；储能转换特性；经济性；环境效益；调度策略

中图分类号：7341 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2015）03-0043-04

随着化石能源的枯竭、减排呼声的日益增长以及用户对供电可靠性需求的提高，分布式发电正成为许多国家、地区及特殊环境下的重要发展方向之一。为充分发挥可再生能源发电等分布式能源系统的效益，微网将各种分布式电源、负荷、储能单元及控制装置等结合在一起，形成一个单一可控的单元，向用户提供电能。风机、光伏等可再生能源发电具有间歇性、随机性和不确定性，给微网的安全可靠运行带来了越来越多的挑战。储能系统凭借其可充可放的特性，能有效克服可再生能源发电的波动性，确保偏远地区及大牧场的独立微网发电顺利进行。

有效的利用可再生能源，使微网系统稳定、可靠、经济运行，成为近年来微网研究的关键核心问题。有些文献利用随机概率模型分析光伏、风力发电，并用模拟法分析能源的经济成本和效益，没有利用输出功率等条件优化成本。在些文献基于经济性考虑，并未考虑环境性的成本，在单目标下进行运行优化。有的文献从输电性分析电网的低碳效益，运用低碳模型分析电力技术新理念。还有的文献提出延长蓄电池的使用寿命，但通过转换蓄电池使用次数来延长使用寿命的研究较少。为满足面积辽阔的牧场自主发电需求，利用蓄电池的有效循环，减少柴油发电机的利用率，减轻对环境的污染，为牧场使用独立微网系统提供技术支持。

风、光、柴、蓄是典型的独立微网系统，柴油发电机与蓄电池储能特性相互结合具有3个作用：1） 考虑低碳减排效益，当可再生能源无法满足负荷需求时，利用柴油发电排放的气体破坏环境，使蓄电池的放电特性发挥重要作用。2） 柴油机作为补充电源，考虑负荷需求、综合成本及蓄电池利用率，经济调度柴油发电机和蓄电池组的出力。3） 在减少成本、考虑经济性的前提下，利用柴油发电机作为蓄电池的补充电源，提供稳定充电功率，保证充电时间，延长蓄电池的使用寿命。典型独立微电网系统如图1所示。

1 微网系统的规划建设

1.1 光伏电池出力模型

式中：GAC为光照强度；PSTC为标准测试条件（太阳光入射强度为1 000 W/m2，环境温度为25 ℃，相对大气光学质量为AM1.5）下的最大测试功率；GSTC为标准测试条件下的光照强度，其值取1 000 W/m2；K为功率温度系数；Tc为电池板工作温度； Tr为参考温度。

1.2 风机出力模型

式中：N为放电深度为D时的等效循环次数；k1，k2，k3，k4，k5为相关系数。蓄电池的损耗不仅与放电深度相关，还与充电过程有关。

2 优化模型

2.1 目标函数

偏远牧场独立供电微网系统由风电机组、光伏电池系统、铅酸蓄电池储能及柴油发电机组成，在满足无风无光的极端情况下，提出2个假设：微电网系统中蓄电池功率能够满足最大负荷功率需求；柴油发电机功率能够满足最大负荷以及电池充电需求。

微网系统成本包括设备损耗费用、运行维护费用、燃料费用和环境折算费用。在满足系统供电可靠性的前提下，应达到综合成本最小及效益最大。

式中：Closs1和Com2分别为柴油发电机自身损耗成本及运行维护成本；Cfuel为燃料费用；Cn1为柴油发电机污染惩罚；EDE为柴油发电机发电量；Cn2为单位电量污染惩罚，柴油发电机发电会产生NOx，SOx，COx等有害气体，有一定的污染惩罚。

2.1.3 环境效益成本 风力、光伏的发电形式具有环境价值，大大减少环境污染物排放的同时充分利用环境资源。工程的环境效益是指减排单位量污染物所避免的“污染损失”。污染所导致的损失包括两个方面：一是环境损失，包括过分消耗自然资源所引起的生态环境破坏和污染所引起的环境质量下降；二是环境污染所引起的非环境方面损失，如大气污染引起的农业损失、有害物质引起的人体健康损害等。

式中：CSB，TZ为蓄电池的投资成本；CSB，YX为蓄电池的运行维护成本；nSB为蓄电池的使用年限；KSB，TZ为蓄电池的单位容量的投资成本；SSB为蓄电池的总容量；KSB，YX为微蓄电池单位容量一年的运行维护成本。

式（18）表示蓄电池成本主要与其容量相关，而与其出力基本无关。

3 算例分析

根据独立微网运行下的数学模型和经济原则，利用遗传算法得出不同季节典型日发电单元的输出功率，并确定微网系统最佳日运行计划和最优低碳经济成本。

蓄电池放电；图4中同样有两个充电时间点和两个放电时间点，结合系统电力平衡情况和典型日系统成本可以看出，微网中蓄电池的充分利用有效的减少柴油利用率，降低系统成本。

4 结论

以电源成本、蓄电池寿命成本及污染物的排放量为优化目标，利用储能系统与柴油机在独立微网系统中作用补充电源，保证不同时段的供电可靠性，减少综合成本。蓄电池具有使用寿命，因此有效的转换利用可以控制蓄电池成本，与柴油机结合满足环境效益需求。蓄电池的容量配置直接影响蓄电池的输出功率，间接影响蓄电池成本及系统运行的调度策略，满足低碳性的蓄电容量配置有待进一步探索研究。

参考文献

[1] 杨秀，陈洁，朱兰，等.基于经济调度的微网储能优化配置[J].电力系统保护与控制，2013（1）：1.

[2] MORAIS H， KADAR P，FARIA P， et al.Optimal scheduling of a renewable microgrid in an isolated load area using mixedinteger linear programming [J].Renewable Energy，2010，35（1）：151-156.

[3] GUAN Xiaohong， XU Zhanbo，JIA Qingshan.Energy-efficient builiings facilitated by microgrid[J].IEEE Trans on Smart Grid，2010，1（3）：343-252.

[4] ROSS M， HIDALGO R， ABBEY C， et al. Energy storage system scheduling for an isolated microgrid[J]. IET Renewable Power Generation，2011，5（2）：117-123.

[5] CHEN C， DUAN S，CAL T， et al. Smart energy management system for optimal microgrid economic operation[J].IET Renewable Power Generation，2011：5（3）：258-2679.

[6] 康重庆，周天睿，陈启鑫，等.电网低碳效益评估模型及其应用[J].电网技术，2009，33（17）：1-6.

[7] 梁惠施，程林，苏剑.微网的成本效益分析[J].中国电机工程学报，2011，31（S1）：38-44.

[8] 陈健，王成山.考虑储能系统特性的独立微电网系统经济运行优化[J].电力系统自动化，2012，20（5）：1 000-1 026.

Abstract： For meeting the requirement of independent microgrid low carbon emission reduction of ranch in large area， the article presents reasonable scheduling strategies of wind， light， wood and storage. It analyzes the formation mechanism of operational efficiency from the aspects of economy and low carbon， considers the characteristics of using wind power and photovoltaic time， service life of energy storage system and its conversion characteristics， and economical characteristic of depreciable cost of environment， and at the same time of meeting environmental benefit， it achieves comprehensive cost minimization. The article took genetic algorithm as the example for the analysis， and did comparative analysis of power balance in four seasons typical system and system cost curves to prove the economical feasibility of the system.

Key words： microgrid； island running； energy storage conversion characteristic； economy； environmental benefit； scheduling strategy