可靠性与经济性相协调的微电网能量优化

2022-03-17大连理工大学李泓达

电力设备管理 2022年4期

大连理工大学李泓达

随着我国社会经济的不断发展，能源与环境危机已经成为了当前需要重点解决的问题之一。为了减轻环境污染，降低对化石能源等的依赖度，开始提倡清洁绿色可再生资源。微电网作为比较有效的可再生能源接入电网，已经成为了当前发展的重点。通过做好优化与控制工作，在保障微电网运行稳定的基础上实现发展目标。

1 发展微电网的意义

微电网拥有自我控制能力强等特点，属于保护与管理并存的微型配电系统，在分布式电源发电的作用下，能够提升使用效果。但是在现阶段发展中微电网能量管理、微电源调度等方面却存在着许多的问题。由于微电网能够满足并网运行、孤岛运行需求，可以展现当地可再生能源优势，实现对绿色能源、清洁型能源发电的整合，进一步强化就地供电能力。而可靠性、经济性微电网能量优化则成为发展阶段中需要兼顾的重点。目前针对微电网可靠性的研究明显增加，如使用解析法、蒙特卡洛模拟评估等方式进行可靠性分析等，但是在微电网经济评价方面却存在着一定的不足。虽然也有研究人员针对微电网经济运行进行了研究，但是从整体层面来讲与本文可靠性和经济性相协调研究方面存在差距。而本文中所提出的可靠性、经济性相协调的微电网能量优化方法中，主要包含：第一，计及微电源出力特性与故障情况。为西安微网与主网交换功率等。第二，计及微电源运行工况、微电网与主网交换成本及微电网运行年限等。通过将经济性与可靠性融合在一起，在获取微电网等年值最小时各类微电源的最佳运行容量，进而提升运行管理研究的深入性[1]。

2 微电网的可靠性评价与经济性评价

2.1 可靠性评价

通过对微电网结构进行分析，在做好自动开关与主网联系的基础上依靠并网模式、自治模式等实现自由切换。在微电源中主要涉及到风力发电、太阳能光伏发电、柴油发电、储能四种。在自动开关的影响下能够及时将微电源连接到微电网母线中，并及时切除故障微电源，提升对微电源投运容量的有效控制。在微电网能量管理周期取值方面存在较大的差异性，需要从运行完整性等层面进行分析，同时还要明确在单位小时以内微电网功率方面的分布情况。通过借鉴先进电气可靠技术解决方案联合会中的要求，明确馈线潮流控制模式，确保微电网与主网交换功率方面的恒定性，在进入到孤岛模式以后，依靠当地的微电源调节提升功率平衡效果。

微电源功率输出。一是WT 与PV。因自然资源在分布方面存在着随机性较强等特点，所以在微电源出力方面表现出了间歇性、不可控性等。借助HOMER 软件能够将风速、光照曲线等模拟出来，在结合相关数据的基础上获取输出功率。二是ES。在这一类型的微电源中能够平衡WT 出力PWT（t）等，不仅可以稳定系统功率输出，同时也可以达到平抑负荷波动的效果，同时也可以强化可再生能源发电可调度性特点。三是DE。在这一类型的微电源输出功率方面存在着可控性较强等特点，同时也可以在保障柴油供应充足性的基础上满足需求[2]。

微电源状态。一是WT、PV、DE。针对配电网所具备的可靠性进行分析时，所使用的元件主要借助双状态模型的方式，通过使用相同模型针对微电源实际运行情况进行描述，不仅可以实现对故障状态概率函数的臭氧，同时也可以确定无故障时间tTTF。由于微电源故障时间相对较小，在兼顾程序存储空间的基础上确定故障时间，同时选择期望值。二是ES。受到工作时间相对较小的影响，主要使用运行状态模型，所以针对故障并不过多考虑。

负荷。负荷需求主要是借助IEEE-RTS 所提供的年时序模型来进行计算的，当峰值为5MW 时，则需要及时针对停电所产生的损失进行分析，同时还需要掌握用电性质。在负荷中主要是以工业、商业等用电分类模型为主，在合理范围内模拟出负荷间可靠性要求方面的差距。

停电损失统计。在过去主要使用产电比法与平均电价法来计算出停电损失，但是却难以计及负荷可靠性要求之间的差距，而这也与微电网需求管理特性之间存在较大差距。但是也要明确的是，停电所产生的损失还受到持续停电的时间等因素的影响。

2.2 经济性评价

在经济性评价中主要是借助全生命周期经济管理方法，以此来保障后续决策的科学性，同时还可以使用微电源经济计算HOMER 软件来做好分析工作。通过对微电网年投资运行费用、微电源种类、个数等进行分析，在做好计算工作的基础上将其转变成为年单位投资、运行、替代费用以及剩余价值等。通过从DE 角度出发，在选择运行时段时将重点放在燃料费用方面，而在故障期间维修所产生的费用也与相同时间范围内燃料费用相似，所以也就可以模拟出运行阶段中所产生的费用。而ES 体育DE 运行年限则低于微电网运行年限，其中包含购买新型设备过程中所产生的中间年费用等。在微电网运行年限以内，通过采取一次性支付方式，可以借助经济学公式将其转变成为年值[3]。

3 可靠性与经济型相协调的微电网能力优化措施

3.1 能量优化

当微电网处于孤岛运行状态时，且在供电能力降低、供电经济性不足时，则可以借助负荷间可靠性要求所产生的差异情况来对部分负荷采取中断等措施。在并网运行阶段中，内部用户虽然具备微电源、主网的双重支持优势，但是为了更好的展现微电源供电作用，在微电源与主网交换功率方面则表现出了满足内部用户需求等现象。所以在微电网与传统电网建设中，就需要从建设目的、功能配置差异等方面出发，做好微电网可靠性、经济性协调等研究工作，在优化微电源出力的基础上实现降低损失等目标，将微电网等年值费用控制在最低状态。因此为了提升优化效果，就需要从微电源运行约束条件入手，满足可再生能源发电接入约束要求。在考虑可再生能源发电接入约束时还需要做好发电与负荷需求之间的正相关性分析工作[4]。

3.2 优化流程

第一，利用已经使用的方法提炼WT、PV、DE 全面各小时中的输出功率，同时还可以使用序贯蒙特卡洛仿真，运用不同方法构建出微电源时序状态转移过程。通过统计与分析，以此来获取期望值。通过对微电网、主网交换功率进行分析，在结合可靠性参数等的基础上做好期望值统计等工作。

第二，WT、PV、ES 供电。在发展阶段中需要做好可再生能源发电优化工作，并运用ES 来实现对可再生能源发电与负荷用电中所产生的差值进行补偿，进而回去剩余未供负荷时间序列。

第三，确定好WT 与PV 最大接入容量。通过对ES 运行不经济情况进行分析，以此来确定出ES最小单位容量，同时还要借助单变量法做好调整工作获取相关数据。

第四，DE 供电策略。通过对剩余未供负荷中针对可靠性要求所产生的不同依次供电情况进行分析，能够获取微电网消减负荷时间序列。为了再现真实情况，就需要做好基荷机组全年运行、调峰机组需要时运行设定工作，同时还要针对DE 输出功率情况进行分析，实现可控目标。

第五，在容量范围以内，需要针对不同容量状态下微电源停电损失、投资运行费用等统计工作，同时还要做好等年值费用对比分析，以此来筛选出最为适合的方案，实现对微电源运行的有效管理。

3.3 方案分析

自治模式状态下的能量模型其实就是并网模式状态下的一种特殊形式，通过对微电网自治运行价值进行分析，以自治运行微电网系统为典型，针对当地月平均风速等进行分析，从而选择好适合的风力发电机。

方案1：借助WT 单独接入，进一步阐述其供电特点，同时还需要针对不同WT 容量方案下微电源所产生的等年值费用等进行分析，明确随着WT容量的不断增加，在等年值费用方面表现出了逐渐下降的特点。所以说当WT 发电经济状态下，其发电特性表现出了不可控等特点，加之受到负荷用电相关性不佳的影响，使得其难以大量接入自治运行微电网[5]。

方案2：通过对WT 与PV 联合接入说明情况进行分析可以发现，能够实现对可再生能源发电优势的互补，同时也可以保障接入容量的最优化。在不同WT 与PV 最大容量组合状态下通过对比可以发现在接入PV 以后等年值费用呈现了逐渐下降的趋势，在WT 接入容量最大时，等年值费用表现出了最小状态。所以WT 与PV 在发电方面呈现了互补特性，其中WT 发电的经济性更高，以自治运行状态中，微电网需要在容量范围以内作需要最大化WT 接入容量。

方案3：通过对自治运行状态下不同类型微电源最佳容量、供电策略等进行分析，在确保探索深入性的基础上来获取相关信息。当WT 接入容量处于最大状态时能够在合理范围内降低微电网等年值方面的费用，但是也应当要明确的是：第一，PV 在发电互补性方面明显高于WT，且受到PV 容量不断增加的影响，在等年值费用方面主要是受到停电损失不断减小而减小。第二，DE 带负荷能力相对较强，且在前期阶段中受到可靠性要求比较严格的影响，在工业与商业负荷供电方面有着明显变化，且在等年值费用上也是逐渐减少的。但是随着容量的不断增加，DE 发电经济性呈现逐渐降低趋势，而在等年值费用减少趋势上则呈现了逐渐放缓的状态。只有在满足大部分负荷供电要求以后，通过不断提升可靠性能够适当提升等年值费用。

方案4：如在考虑微电网可靠供电核心微电源DE 时，能够证明当微电源故障率不断增加以后，对最优方案选择有着一定影响。第一，当DE 处于不同容量状态下，等年值费用、年缺电量也是不断增加的。第二，由于DE 的运行方式有着灵活性较强等特点，所以在接入容量不断增加背景下，其实际运行容量呈现逐渐减少趋势，而在故障备用容量方面则表现出了不断增加现象，在年缺电量方面呈现减少趋势。第三，DE 接入容量增加势必会减少对可靠性的影响，但是随着故障频率的不断增加，使得燃料费用也在不断产生。第四，通过对微电源单位容量、故障率等情况进行分析可以发现，如果在局部范围以内增加DE 故障率，对微电网经济运行所产生的影响相对较小。