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考虑温度和光照季节差异性的光伏微网“源- 荷- 储”优化运行策略

2019-12-27曾凡涛

时代农机 2019年9期
关键词:微网柴油储能

曾凡涛,官 军

(1.强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学),湖北 武汉430074;2.国网湖北省电力有限公司沙洋县供电公司,湖北 荆门448000)

光伏微网发展迅速。偏远地区和海洋岛屿上建设的光伏微网一般情况下较难和大电网相连,通常采取独立运行的模式。而并网型的光伏微网在大电网发生故障或者计划检修等期间,也将转入独立运行模式。孤网运行的光伏电源输出功率具有一定的波动性,为了保证独立微网供电的可靠性,常与储能系统和柴油机构成具有能量自治管理与控制能力的混合发电供能系统。由于光照及温度对光伏出力有较大影响,如何在最大化利用太阳能同时,降低微网运行维护成本,是目前光伏发电领域的研究热点问题之一。

国内外的相关学者在微网优化运行方面已作了长期工作并取得了卓有成效的成果,包括微网的总等年值成本最小模型[1]、分布式供电系统经济运行最优模型[2,3]、基于市场控制的分布式能量优化方法[4]等。文献[5]计及碳约束和碳交易,建立了低碳经济下的微网经济运行模型,并通过算例表明了模型的有效性;文献[6-7]基于模糊算法的能量管理基础上,根据用电时段和储能的SOC 水平,确定微网运行成本最低的控制运行策略。文献[8-10]利用多目标随机动态规划方法对微网的经济运行进行研究,并与其他控制策略进行比较,指出动态控制策略效果更佳。文献[11]建立了优化微网内分布式电源出力的数学模型,提出基于改进粒子群算法的微网动态的经济运行策略。文献[12]使用基于协同进化遗传算法实现微网分布式电源出力运行方法,并对不同控制策略进行比较和分析。前述研究在微网的成本、能量管理、经济运行方面已取得了丰硕成果。但上述文献未能充分考虑光照、温度等外界条件的季节性变化特性,并以此来优化微网“源-荷-储”系统的运行策略。因此,微网的运行经济性难以达到最优化目标。

本文针对光柴储型的独立微网,根据地区光照特性或温度特性的周期差异性,以此划分“源-荷-储”系统的电源运行区间,作为微网运行优化的基础,并通过建立计及运维、燃料及停电损失等综合成本最小化的目标函数,充分考虑电源装机容量、供电可靠性等约束条件,利用遗传算法求解微网系统的年度运行优化策略。并通过算例仿真,对比分析了年运行、季节变化运行、光照特性运行、温度特性运行等四种不同运行策略的综合费用,验证了本文所提的根据光照特性或温度特性的运行策略可以大大降低微网的运维成本,充分利用自然资源。

1 基于地区光照强度和温度变化特性的微网经济运行区间划分

以某偏远地区的光照强度和温度的波动变化特征为研究对象,在不同的年份,该地区的光照强度和温度的每日平均值变化呈现一定规律性,光照强度的变动规律如图1 所示,温度变动规律如图2所示(两年数据)。

图1 光照强度的变动规律

图2 温度的变动特性

对同一地区而言,在不同的年度,其光照强度和温度变化都表现出很强的年度周期性规律。因此,光照强度和温度的包络线的绘制具体方法如下:

将原数据分成等宽度的104 段(2 段代表1 个星期),每段取一个最高点和最低点所对应的横坐标和纵坐标平均值,从而生成包络线;

按照上述方法,利用MATLAB软件绘制光照强度特性曲线如图3所示,温度的特性曲线如图4所示。

图3 光照强度特性曲线

图4 温度特性曲线

利用上述包络线,可以据此进行微网经济运行区间的划分,从而在不同的划分区间,微网电源采取不同的出力策略,以此优化微网的运行经济性。微网经济运行区间的划分方法如下:

假设包络线函数是y=f(x),取一条平行于x 轴的直线y=y1将一个周期的包络线分成上下两个面积相等的部分其数学表达是为:

可以通过式(1)求解出来y1,直线y=y1交一个周期的包络线于点M1,、M2…Mn(n 属于自然数),其对应的横坐标x1、x2…xn(n 属于自然数)所构成的区间[x1,x2]、[x2,x3]…[xn-1,xn](n 属于自然数)即为微网经济运行划分的区间。

2 独立光伏微网经济运行优化策略

2.1 目标函数

独立微网在保证系统运行稳定和重要负荷供电的前提下,电源出力方式应首要考虑微网运行的经济性。本文研究的独立微网内负荷的电能由光伏、柴油机以及储能电池供给,运行经济性方面包括:机组折旧成本、运行维护成本和燃料消耗成本。

(1)光伏太阳能发电组件的年成本模型

光伏发电组件的年成本为:

式中Cpv为光伏发电组件运维成本;Cypv为太阳能光伏电池板一年的运行和维护的费用,一般取太阳能光伏电池板单价的1%;Npv为太阳能光伏电池板的数量;Cpvr为太阳能光伏发电补贴金额。

(2)柴油发电设备年成本模型

柴油发电设备年成本为:

Cdie为柴油机发电的年成本;Cvdie为柴油发电设备一年运行和维护的费用,单位为万元;Ndie为该类柴油发电设备的数量;Cen为环境污染罚金;Cf为柴油发电设备的燃料成本,计算公式如式(5):

Cf为柴油发电设备消耗柴油及柴油储备的成本,其单位为万元;xf为柴油单价,其单位为万元/m3,Vf和Vfh分别为柴油发电用量和损耗量,其单位为m3/h;Sfc为柴油最少安全储备量;Tdie为柴油发电设备年平均利用小时数。

(3)储能设备年成本模型

独立微网中,因大量接入具有间歇性的能源,所以需要储能设备作为调节手段。独立微网中储能设备的成本为:

Cbat储能设备年成本,其单位为万元;Cybat为储能设备年运维费,其单位为万元;Nbat为储能设备的数目。

(4)负荷停电补偿费用

当独立微网的内部电源和备用电源都无法满足负荷需求,为了保证独立微网的重要负荷持续不间断的供电,应根据负荷的综合权重系数来减载。因此需要对用户停电带来的损失进行补偿,负荷停电补偿的费用由电能的单价、功率和停电时长来计算。独立微网内负荷停电赔偿费用为:

式中Cr为负荷停电赔偿费;e 为停电时长内电量的单价;Pi为第i 个停电负荷的功率大小;ti为一年中第i 个停电负荷的停电时间长度。

结合光资源和负荷季节性变化特征,考虑光照强度或温度相似特性,以按年为运行周期的微网运行总成本最小为目标,进行独立微网的经济运行优化,其优化目标函数如下:

式中Cpy、Cdie、Cbat分别为独立微网内光伏发电设备、柴油发电设备、储能设备的年运行成本,包含了设备年运行维护、燃料及环境污染罚金等费用:Cr为负荷停电赔偿费用。

2.2 约束条件

确定独立微网在经济运行策略时,需考虑新能源装机比例、网内功率平衡、供电可靠性及光资源利用率等约束条件。其具体如下:

2.2.1 功率平衡约束

为了保证独立微网的负荷的功率平衡,所以可能在部分时段需要切除负荷或者弃光,独立微网的功率平衡表达式为:

式中Ppv(t)、Pdie(t)表示t 时刻各电源的出力;Pcut(t)、Pdunp(t)表示t 时刻切除负荷和弃掉功率;load(t)为第t 时刻的负荷水平;Pbat 为单个电池的额定功率。

2.2.2 供电可靠性约束

通常情况下,独立微网采用一年内切段负荷总量占负荷用电总量的比例来表示其停电的概率,为了保证供电的可靠性,所以停电的不能超过某个上限值[13],其表达式为:

式中fCFL为停电的概率;load(t)为第t 时刻的负荷水平。

2.2.3 光资源利用率约束

在光伏型独立微网中,当太阳能资源出力超出负荷需求和储能设备充电能力上限时,就必须选择弃光,其约束关系为:

式中Pdump(t)为时间段t 内弃光出力,fdump为年弃光率。

2.2.4 储能设备充放电约束

储能设备由多块电池串并联组成,需要避免频繁充放电而增加电池的损耗。由于储能电池充放电只能交替进行,所以需要满足的约束为:

为了防止储能设备持续充放电导致严重发热而大大降低使用寿命,故需满足的不等式约束为:

储能电池充电到达额定功率后停止充电,放电到额定容量的25%停止放电其不等式约束为:

式中Pbat是单块储能电池的额定功率,Sbat 为单快储能电池的额定容量。S(t)为储能电池t 时刻的电量,γ 放电剩余电量与额定容量的百分比的最小值,通常取25%。

2.3 求解算法

本文采用遗传算法求解独立微网经济运行策略投运电源数量和种类的流程框图如图5 所示。

图5 遗传算法求解流程框图

3 算例分析

现以某偏远地区的独立微网为例,该地区太阳能资源充裕,系统中包含太阳能光伏组件、铅酸储能系统、柴油机。独立微网的接线图如图6 所示。由于此独立微网的负荷变化不大,所以我们假设每个节点的负荷参数基本不变。独立微网内部电源和负荷如表1 所示,独立微网电源配置表如表2 所示。

图6 微网主接线图

表1 微网的电源、负荷参数

表2 独立微网电源配置

该地区微网电源配置中,光伏太阳能设备、储能设备、柴油发电设备选的型号分别为JKM270PP-60、VRB-100、ZH4102ZD,三种设备的单个容量分别为:0.26kW、100kW、30kW,-10# 号柴油单价为0.61 万元/吨,由此可将微网中光柴储的容量、成本等基本参数整理如表3 所示。

表3 分布式电源成本数据

由表2 和表3 的数据,可以计算出独立微网建设投资是12927.45 万元。此外,根据气象局统计的数据,此地区一年内的光照强度、温度、负荷分别如图1、2、7 所示。

图7 该地区一年的负荷情况

基于上述微网内各设备的数据,利用前文建立的独立微网经济运行优化目标函数,以不同类型电源的开机运行方式和数量为变量,调用Matlab 中的遗传算法求解该独立微网的经济运行策略。

在下面仿真分析中,分别对以下四种运行策略进行对比分析和讨论:

①按年为周期的运行策略;

②按季节为周期的运行策略;

③按年光照强度分区的运行策略;

④按年温度变化分区的运行策略;

综合考虑独立微网内电源运行维护费用、柴油发电机的燃料费用以及内部负荷缺电罚金等,对比独立微网在上述①、②、③、④四种运行策略下的综合费用,从而验证本文提出的独立微网经济运行策略。

采用SPSS 18.0统计学软件分析数据,两组患者并发症发生和血酮体阳性情况用绝对数和构成比表示,用χ2检验(不符合应用条件者用确切概率值法);两组患者围术期血糖水平用(±s)表示,用完全随机设计的两组资料t检验,P<0.05为差异有统计学意义。

3.1 按年为运行周期的微网运行策略

按年为运行周期策略是指,在一年内微网中投运的各类电源数量和类型不变。用表3 的各微网电源的运行维护单价、燃料费用单价、污染惩罚单价,结合成本计算模型中各项费用计算,得出独立微网的年运行费用如表4 所示。

表4 独立微网电源年运行费用

由表4 独立微网运行时产生的运行维护费用、缺电罚金、环境治理费用、燃料费用、网损费和附加费相加可以得到独立微网的运行费用,则年运行策略总运行费用为387.7 万元。

3.2 季节运行方式微网运行策略

按季节为周期的运行策略是指,微网在一年的四个季节中,每个季节投运的各类电源数量和类型不变。独立微网内光伏的出力受自然因素影响,其数量、接入方式和位置及其拓扑结构不能随着季节变化而变化。然而,通过改变每个季节柴油发电机运行的数量,从而改变独立微网运行结构,不仅可以充分利用光伏,还可以减少微网的运行维护费用。在约束条件(8)~(14)下,以(7)独立微网的为目标函数,春夏秋冬四个季节独立微网电源运行的类型、数量如表5 所示。

表5 春夏秋冬四个季节电源容量最优运行策略

表3 中按照春夏秋冬四个季节来规划独立微网电源容量最优投运结果,春夏秋冬四个季节独立微网的运行费用如表6 所示。

表6 春夏秋冬四个季节孤岛微网的运行费用

由表6 独立微网运行时产生的运行维护费用、缺电罚金、环境治理费用、燃料费用、网损费和附加费相加可以得到独立微网的运行费用,则按季度运行策略总运行费用为379.9 万元。

3.3 按光照变化特性分区的微网运行策略

按光照特性分区的运行策略是指,微网按照光照强度变化特性的时间分区,在每个时间区中采取不同的源储运行方式。对本例图3 所示的光照条件,按照前文1.1 中的划分的方法,经过计算可以得到,按照光照强度390W.h/m2划分,交光照变化曲线于(t1,390)、(t2,390)、(t3,390)三点,将一个周期(特指一年)的光照强度变化曲线划分为A1和A2两个区间如图8 所示。

图8 光照强度相似特性分区时间

在约束条件(8)~(14)下,以(7)为独立微网的为目标函数,独立微网电源运行的类型、数量等策略如表7 所示。

表7 按光照强度分段运行电源运行策略

表8 按照光照强度分段运行的年费用

由表8 独立微网运行时产生的运行维护费用、缺电罚金、环境治理费用、燃料费用、网损费和附加费相加可以得到独立微网的运行费用,则按光照强度运行策略总运行费用为367.8 万元。

3.4 按温度变化特性分区的微网运行策略

按温度变化特性分区的运行策略是指,微网按照当地温度变化进行时间分区,在每个时间区中采取不同的源储运行方式。对本例图2 所示的温度变化数据,按照前文1.1 中划分区间的方法,经过计算可以得到按照温度为17℃划分,交温度变化曲线于(T1,17)、(T2,17)、(T3,17)三点,将一个周期(特指一年)的温度曲线划分为B1和B2两个区间,其时间分段如下图9 所示。

图9 温度相似特性分区

独立微网将按温度的变化特征调整运行策略,可分为B1和B2两个运行方案,在约束条件(8)~(14)下,以(7)独立微网的为目标函数,独立微网电源运行的类型、数量如表9 所示。

表9 按温度分段运行电源的策略

表9 为各方案在各时间段内独立微网在实际投入运行的电源数量。按照温度的相似性分段运行方案下的独立微网的运行费用如下表10 所示。

表10 按照温度和光照强度分段运行的年费用

由表10 独立微网运行时产生的运行维护费用、缺电罚金、环境治理费用、燃料费用、网损费和附加费相加可以得到独立微网的运行费用,则按温度强度运行策略总运行费用为364.8 万元。

3.5 四种微网运行策略的费用比较

将按年、季节以及按光照和温度分段运行的微网年度运行费用比较如下图10 所示:

图10 不同运行方式下微网的年运行费用比较

由图10 可知,独立微网按光照强度或温度分段运行的策略,使得综合运行费用比按年为周期(季节)的运行策略分别低19.9(12.1)、22.9(15.1)万元;可见,按照温度和光照特性运行的费用较按年运行和按季节运行方式都有明显的降低。因此,独立微网按照温度或光照强度特性分段运行是最优策略,此策略在充分利用可再生资源的同时,也减少了柴油消耗,降低了独立微网的总运行费用,进一步提高了独立微网运行的经济性。

4 结 语

本文针对光伏型独立微网中的新能源资源的年度周期性变化特征,提出按照温度或光照强度分区的“源-荷-储”协调优化运行策略。从算例分析结果可知,所提策略在保证系统安全运行的前提下,充分利用了可再生资源,并降低了微网的总体运行费用,提高了光伏型微网的运行经济性。需指出的是,按照地区温度和光照强度的相似性进行分区间运行的年度总费用相差不多,所以对于具体的微网还需采用实际运行数据分析两种运行策略,以选取费用较少的策略运行。

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