傅予,李鐵
(國網(wǎng)遼寧省電力有限公司,遼寧 沈陽 110000)
隨著國家對電網(wǎng)項目的不斷重視和發(fā)展,配電網(wǎng)改造和新建項目日益增多,而以主動配電網(wǎng)為形態(tài)構(gòu)建的微電網(wǎng)對電能調(diào)度也提出了極高的要求。只有不斷提高電力系統(tǒng)的環(huán)保、經(jīng)濟等狀況才能適應(yīng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和功能日益發(fā)展的趨勢。若要實現(xiàn)微電網(wǎng)和主動配電網(wǎng)的良好發(fā)展,需要解決日益增長的能源需求與能源匱乏的沖突、能源污染與環(huán)保的沖突;增強電力能源利用率、優(yōu)化能源分配;為電網(wǎng)的發(fā)展?fàn)I造一個安全高效的環(huán)境[1-2]。
以解決上述問題為目的,首先,合理安排電力燃料種類、污染物分解、電網(wǎng)安全等要素,實現(xiàn)電力發(fā)展環(huán)境最優(yōu)化。其次,電網(wǎng)供電質(zhì)量和供電安全性等問題得到部分緩解,依賴于分布式電源以微電網(wǎng)形式融入到大電網(wǎng)中。但微電網(wǎng)優(yōu)化模式日益繁瑣,導(dǎo)致可再生能源存在隨機性以及間歇性的弊端,這些缺點使得微電網(wǎng)調(diào)度方法以及控制策略的研究增加了難度[3]?;谶@些因素,為了實現(xiàn)微電網(wǎng)電能的最優(yōu)調(diào)度,設(shè)計一種考慮安全可靠性約束下的微電網(wǎng)電能最優(yōu)調(diào)度模型。
位于孤網(wǎng)狀態(tài)下的微電網(wǎng),既要做到排污量和運行成本最低,又要符合熱電負荷的規(guī)定以及其內(nèi)部單元的運轉(zhuǎn)模式。位于并網(wǎng)狀態(tài)下的微電網(wǎng),解決好與大電網(wǎng)潮流雙向流動以及電能互購等難題是關(guān)鍵[4],也要顧及上述的影響因素。設(shè)計的微電網(wǎng)系統(tǒng)電能優(yōu)化調(diào)度公式為
式中:Zcost,Cg,Ce分別為微電網(wǎng)總費用、系統(tǒng)發(fā)電價格和污染氣體排放罰款成本;λ1,λ2分別為Cg,Ce的權(quán)重系數(shù)。
經(jīng)分析可知,發(fā)電成本以及排污罰款成本是微電網(wǎng)系統(tǒng)運行成本的主體。根據(jù)經(jīng)濟杠桿原理,來探究不同要素對發(fā)電成本的影響程度,影響越大其權(quán)重比例就越大,則0≤λ1,λ2≤1。
1.2.1 節(jié)點電壓安全裕度
通過控制節(jié)點電壓的方式來促進微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部元件的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。文章用電壓安全裕度來描述微電網(wǎng)安全性指標(biāo)[5],即微電網(wǎng)最低電壓偏差安全裕度以給定的置信水平要求。
式中:MVSM為最低電壓偏差安全裕度;P為調(diào)整系數(shù);ΔUi,t,δUi分別為 t時段節(jié)點 i的電壓偏差量與其允許的最大節(jié)點電壓偏差,文章取δUi為額定值的-8~+5%;ξ,β分別為電網(wǎng)安全裕度的門限值、電網(wǎng)節(jié)點電壓安全裕度的置信水平;Φ為0-1狀態(tài)變量,具體公式如下:
1.2.2 供電可靠水平
基于微電網(wǎng)的弊端引起高估系統(tǒng)出力,為實現(xiàn)系統(tǒng)安全牢固,文章將失負荷概率看成微電網(wǎng)供電可靠指標(biāo),也就是系統(tǒng)總負荷的功率始終大于微電網(wǎng)系統(tǒng)總輸出功率[5]。所以,用系統(tǒng)失負荷概率PLOLP以給定的置信水平要求來描述處于未知狀態(tài)的微電網(wǎng)供電穩(wěn)定性:
式中:γ為微電網(wǎng)系統(tǒng)真實性的置信水平;m,w,v分別為微電網(wǎng)中可控機組、風(fēng)力發(fā)電機(wind turbine,WT)以及光伏電池(photo voltaic,PV)的數(shù)目;ru,i為i個可控機組爬坡率的最大值;Pline,t,Rline,t分別為t時段中微電網(wǎng)向低電壓配電網(wǎng)(distribution network,DN)購電電量以及旋轉(zhuǎn)待用容量;kx,t為從(0,1)之間任意選取的狀態(tài)變量,其用于描述t時段分布式電源(distributed generation,DG)是開啟還是閉合,x=i,j,l;分別為該時段負荷預(yù)測誤差、WT以及PV出力誤差;Pi,t,Pj,t,Pl,t,PL,t分別為t時段可控機組、WT,PV以及負荷預(yù)測值。
1.3.1 多目標(biāo)模型中各分量的求解
1)系統(tǒng)發(fā)電成本Cg。燃料費用、運行維護費用、和大電網(wǎng)交互電能的費用共同構(gòu)成了隸屬于微電網(wǎng)各單元的發(fā)電成本。因此這幾項也是微電網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)電成本。則
式中:n為處于微電網(wǎng)內(nèi)部的分布式發(fā)電單元量;T為小時數(shù);用 Cfuel,k,Com,k,Cgrid分別為第k個分布式單元的燃料費用、運行維護費用以及微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的交互費。
2)系統(tǒng)燃料成本Cfuel。新式環(huán)保的風(fēng)力以及光伏發(fā)電方式具有無污氣排放、無燃料費用的優(yōu)勢,通過采用這兩種方式來減少發(fā)電成本。所以,除了計算微型燃氣輪以及燃料電池在發(fā)電時所需燃料成本以及維修費用,再加上兩種發(fā)電方式的功率消耗即可[6]。下面公式描述了燃料成本的計算方法:
式中:PDG,k,Ck分別為第k個分布式單元的功率消耗以及燃料費用;f(PDG,k),Cst(PDG,k),Cop(PDG,k)分別為第k個分布式單元的所需燃料、機組啟動所需燃料以及運轉(zhuǎn)階段所需燃料費用。
3)設(shè)備的運行維護成本Com。機器開關(guān)費用、人工費用、網(wǎng)絡(luò)消耗等構(gòu)成了微電網(wǎng)設(shè)備運行的維護成本,一般來說,微電網(wǎng)設(shè)備運行成本與電能的形成用以下公式描述,兩者是線性關(guān)系[7]:
式中:ζk為第k個分布式單元設(shè)備的運轉(zhuǎn)費用消耗。
4)與大電網(wǎng)電能交互成本Cgrid。處于并網(wǎng)運行模式使得微電網(wǎng)可以在短缺電能的情況下向大電網(wǎng)索取電能,在自身正常運轉(zhuǎn)又有多余電能的情況下,向大電網(wǎng)出售電能,為微電網(wǎng)的運行提供了極大的便利[8]。兩者的電能交互成本用下式表示:
式中:Pgrid,Cbuy,Csell分別為微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的交互功率、微電網(wǎng)從大電網(wǎng)購電價格以及向大電網(wǎng)售電價格。
5)污染氣體排放罰款成本Ce?;诓糠职l(fā)電單元在產(chǎn)出電能的階段里,釋放污染性氣體使得生存環(huán)境遭到破壞,我國出臺了關(guān)于污染物排放的罰款政策,采用分析不同發(fā)電單元產(chǎn)出狀況的方式算出關(guān)鍵性污染物的釋放量。碳化物、氮化物、硫化物是排放氣體的主要污染源[9],所以罰款費用主要來源于此類污染物的排放。以下公式表示微電網(wǎng)發(fā)電污染氣體處罰費用:
式中:ζkj為第k個分布式單元第j種污染物處罰系數(shù);fjp,δkj分別為第j種污染物處罰費用率以及污染物數(shù)量種類;Pkj為第k個分布式單元第j種污染物估計電量費用率。
1.3.2 約束條件
微電網(wǎng)運轉(zhuǎn)既要符合式(2)~式(4)又要執(zhí)行如下規(guī)則,以實現(xiàn)其高效便捷安全的運轉(zhuǎn)[10]。
1)DG出力約束:
式中:Pi,max,Pi,min分別為第i個DG出力上、下限。
2)微電網(wǎng)功率平衡約束:
式中:δline,t為t時段DG與微電網(wǎng)交換功率的調(diào)整量。
式(11)中δline,t與Rline,t滿足條件δline,t≤ Rline,t。
3)微電網(wǎng)與主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線傳輸功率約束:
式中:Pline,max,Pline,min分別為聯(lián)絡(luò)線傳輸功率的上、下限。
4)可控機組爬坡率約束:
式中:rd,i為i個可控機組爬坡率的最小值;Δt為可控機組爬坡的時間。
5)輸電線路傳輸功率安全約束。通過將各單元輸送功率控制在允許的最高點以下的方式,使得電能傳輸高效、平穩(wěn)地進行[6]:
式中:Pi,t為節(jié)點i在第t時段內(nèi)的功率;li,t為支路i—j可接受輸出功率的最高點功率;Pi,j,max為支路i—j支路上的最大傳輸功率;M為微電網(wǎng)總節(jié)點量,滿足i≤M條件;Si,j,t為在t時段內(nèi)節(jié)點i輸入功率對i—j的靈敏度。
1.3.3 基于PSO-BF算法的微電網(wǎng)能量優(yōu)化調(diào)度
采用粒子群-細菌覓食算法(particle swarm optimization-bacterial foraging,PSO-BF)修正粒子速度和位置,在避免粒子早熟收斂的情況下,構(gòu)建微電網(wǎng)電能最優(yōu)調(diào)度模型。考慮系統(tǒng)發(fā)電成本、燃料成本、設(shè)備運行維護成本、同大電網(wǎng)運行交互成本以及污染氣體排放罰款成本,對微電網(wǎng)電能調(diào)度問題進行優(yōu)化求解[10]。
粒子群算法能迅速找到解決問題的最佳方式,細菌覓食算法有利于細菌各分子通過趨化階段發(fā)掘最近范圍內(nèi)的最佳值,防止最佳解所處范圍被細菌過濾掉的現(xiàn)象[11]。所以,粒子群-細菌覓食算法是細菌覓食算法有發(fā)展規(guī)律的趨化過程,融入到粒子群算法進行部分查找階段,不僅改進了粒子群算法與細菌覓食算法的弊端,又實現(xiàn)了此算法快速、高效、目標(biāo)明確的工作狀態(tài),改善了局部查找的功能。
PSO-BF算法修正粒子速度和位置表達式為
式中:V'i,X'i分別為修正后的速度和位置;Vi,Xi分別為粒子原速度以及位置;t為某一時間段;w為粒子速度環(huán)境影響系數(shù);pbest,gbest分別為各粒子的最佳位置以及種群內(nèi)全部粒子的最佳位置;c1,c2分別為pbest,gbest粒子的學(xué)習(xí)因子;rand為0或1變量。
以下公式描述了PSO-BF的修正過程:
式中:P(i,m+1,n,M)為粒子i在第m+1代趨向第n代繁殖的位置;P(i,m,n,M)為粒子i在第m代趨向第n代繁殖的位置;c()i為步長;H為最大迭代次數(shù);m為翻轉(zhuǎn)次數(shù);n為趨化次數(shù)。
將PSO-BF進行反復(fù)運算。假設(shè)有這樣一個球,其半徑用ε來表示,球心用粒子整體最佳位置gbest來表示,Xi到球心的長度用D來描述。文章采用以下公式來避免粒子早熟收斂的現(xiàn)象:
式中:N為現(xiàn)有的粒子量。
當(dāng)粒子i在球里面時,則D<ε。
設(shè)置M表示球內(nèi)的粒子量,esp表示可接受的粒子處于球內(nèi)概率的最大值,則有:
1)可隨機將球內(nèi)的粒子分布到空間,應(yīng)滿足M/N>esp的條件。
2)不能將球內(nèi)的粒子分布到空間,應(yīng)滿足M/N<esp的條件。
下文對PSO-BF算法如何進行微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度求解進行了詳細的描述:
1)將分布式電源的出力、負荷、風(fēng)速等數(shù)據(jù)進行還原設(shè)置,重新定義PSO-BF算法的規(guī)模大小、最大迭代次數(shù)、翻轉(zhuǎn)次數(shù)以及趨化次數(shù)分別為s,H,m以及n。
2)求解即刻全局以及個體最佳的分布式電源出力gbest,pbest時,應(yīng)采用目標(biāo)函數(shù)對粒子的適應(yīng)度值實施評估,同時通過公式(16)對分布式電源出力進行修正。
3)對完成修正的粒子i適應(yīng)度J( )i,m同粒子動態(tài)波動時的最佳適應(yīng)度值,以及翻轉(zhuǎn)次數(shù)m值,是否趨近于閾值動態(tài)變化次數(shù)Ns,如果存在J(i , m )<Jlast和m<Ns,粒子應(yīng)持續(xù)變化,再進行修正,否則運行過程4)。
4)觀察趨化次數(shù)n是否超過最大趨化迭代次數(shù)Nc,若超過,執(zhí)行5);若沒超過,執(zhí)行2)。
5)采用式(17)得到各粒子到gbest的長度D,然后決定是否分散粒子。
6)通過公式(15)來修正粒子的速度、位置等數(shù)據(jù)。
7)觀察迭代次數(shù)H是否超過最大迭代次數(shù)Iter的上限,若超過,執(zhí)行8);若沒超過,執(zhí)行2)。
8)最后得到整體的最佳解也就是微電網(wǎng)機組的最佳出力,實現(xiàn)微電網(wǎng)電能的最優(yōu)調(diào)度,得到微電網(wǎng)電網(wǎng)最優(yōu)調(diào)度模型為
式中:Cd,t為t時段微電網(wǎng)出現(xiàn)的交換費用;δi,t為t時段可控機組i的維護費用;δb,i微電網(wǎng)運行費用;CliDe,t為最大允許目標(biāo)函數(shù)偏離程度;PliDe,t為微電網(wǎng)機組運行效率;CMi,t為機組i在第t時段的功率最大值;Pi,t為機組i在第t時段的負荷功率。
為了驗證改進調(diào)度模型的有效性及可行性,實驗以PSO調(diào)度模型[12]、機會約束調(diào)度模型[13]和上文中PSO-BF調(diào)度模型下的某微電網(wǎng)運行成本為基礎(chǔ)進行實驗分析。
表1為不同調(diào)度模型下微電網(wǎng)運行成本表。分析表1數(shù)據(jù)可知,PSO調(diào)度模型的燃料成本遠遠高于其它兩種調(diào)度模型,并且運行維護成本和污染罰款也高于其它兩種調(diào)度模型。機會約束調(diào)度模型和PSO-BF調(diào)度的電能交互結(jié)果是負數(shù),說明兩種模型實現(xiàn)了同主網(wǎng)的交互融合,微電網(wǎng)通過向主網(wǎng)出售多余的電能的方式獲得部分收入,使得總的發(fā)電成本比PSO調(diào)度模型低,并且PSO-BF調(diào)度模型的總發(fā)電成本最低。因此能夠得出,PSO-BF調(diào)度模型下的實驗微電網(wǎng)運行成本最低,模型調(diào)度效果最佳。
表1 不同調(diào)度模型下微電網(wǎng)運行成本Tab.1 Operation cost of microgrid under different scheduling models
系統(tǒng)在孤網(wǎng)運行情況時,熱電功率平衡僅能從微電網(wǎng)內(nèi)部供給,實驗從經(jīng)濟性能最大化出發(fā),得到本文調(diào)度模型的優(yōu)化結(jié)果用圖1和圖2描述。
圖1 不同發(fā)電設(shè)備負荷總功率分析Fig.1 Analysis of load total power with different power equipments
圖2 微型燃氣輪機蓄電池SOC變化趨勢Fig.2 SOC change trend of micro gas turbine battery
由圖1可知,0~7 h中,本文調(diào)度模型下的實驗微電網(wǎng)負荷總功率低于新能源發(fā)電功率,有部分能量殘存,因為蓄電池能量已經(jīng)飽和,所以剩余能量只能使用卸荷負載刪除,7~10 h中,新能源電量不夠充分,應(yīng)及時使用蓄電池放電進行補充,補充不充分的部分根據(jù)發(fā)電成本最小化按順序啟用燃料電池、微型燃氣輪機發(fā)電。
由圖2可知,在7~10 h,蓄電池SOC降低,主要是由于電能負荷需要增大,蓄電池輸出電能用于補貼電能負荷;在10~13 h中,新能源電能在保證負荷的同時剩余能量將補充蓄電池,蓄電池SOC提高。13~15 h中,假使蓄電池的持續(xù)供給量如破容量限制,則充電暫停,在15 h以后,蓄電池輸出電能,蓄電池的SOC下降。綜合分析這些結(jié)果說明,本文調(diào)度模型實現(xiàn)了配電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度,確保微電網(wǎng)電能變化的平穩(wěn)性。
實驗檢測傳統(tǒng)基于PSO的配電網(wǎng)調(diào)度模型和PSO-BF調(diào)度模型在目標(biāo)函數(shù)中運行20次后,兩種調(diào)度模型在微電網(wǎng)電能最優(yōu)調(diào)度過程中的收斂結(jié)果如圖3所示。
圖3 不同調(diào)度模型的收斂曲線Fig.3 Convergence curves of different scheduling models
分析圖3能夠看出,相對于基于PSO的配電網(wǎng)調(diào)度模型,基于PSO-BF模型的收斂效率更高,并且收斂精度比傳統(tǒng)方法更強。PSO-BF模型對細菌覓食算法進行了優(yōu)化,提高了配電網(wǎng)電能調(diào)度的收斂性能。因此得知在全局搜索力和局部搜索過程中,PSO-BF模型的性能最佳,具有搜索精度準(zhǔn)確,收斂時間短,適合全局優(yōu)化的特點,實用性能強。
采用PSO-BF模型和算法進行實時優(yōu)化計算。實驗以文獻[14]提出的微電網(wǎng)系統(tǒng)為例。實驗系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電單元以及含光伏發(fā)電單元、微型燃氣輪機和儲能單元各一臺構(gòu)成,如果不同單元參數(shù)和微電網(wǎng)購售過程的不同峰谷電價存在一定的差異,微電網(wǎng)以及大電網(wǎng)中聯(lián)絡(luò)線的最大客觀傳輸量是50 kW,設(shè)置儲能單元原始SOC為60%[14],采用PSO-BF算法和統(tǒng)計方法,基于Matlab腳本程序在不同的運行狀態(tài)下,實施微電網(wǎng)系統(tǒng)的仿真檢驗實驗。
設(shè)定并網(wǎng)運行模式1為新能源和微型燃氣輪機發(fā)電,儲能單元放電;并網(wǎng)運行模式2為新能源和微型燃氣輪機發(fā)電,從電網(wǎng)中購電,儲能單元不發(fā)揮作用;并網(wǎng)運行模式3為新能源發(fā)電,儲能單元放電,并且將多余的電量進行出售;并網(wǎng)運行模式4為新能源發(fā)電,多余的電量通過儲能單元進行充電。某日并網(wǎng)運行高峰時段的調(diào)度結(jié)果如表2所示。
表2 并網(wǎng)運行高峰時段調(diào)度結(jié)果Tab.2 Dispatching results of grid-connected peak hours
根據(jù)表2描述的PSO-BF調(diào)度模型在并網(wǎng)運行高峰時段調(diào)度結(jié)果可知:如果風(fēng)能、光發(fā)電不能對負荷需求給予充足能量時,假使儲能充分,儲能單元則對缺額電能進行及時補充,可控為電源相對出力;假使儲能不滿,不能對儲能單元實施充電,則微型燃氣輪機及時對缺額電能進行補充,此時應(yīng)向電網(wǎng)購電,并完成燃料電池的發(fā)電;如果風(fēng)能、光發(fā)電量未到達最低值,則PSO-BF模型不再調(diào)控微電源出力;如果微電網(wǎng)中電能量未達到最低值,則PSO-BF調(diào)度模型放電向電網(wǎng)售電;假設(shè)儲能不充分那么則使用剩余電量向儲能單元補充電量。
設(shè)定孤島運行模式1為新能源和微型燃氣輪機發(fā)電,儲能單元放電;孤島運行模式2為新能源、微型燃氣輪機和燃料電池發(fā)電;孤島運行模式3為新能源發(fā)電,多余的電量通過儲能單元進行充電;孤島運行模式4為新能源和微型燃氣輪機發(fā)電,多余的電量通過儲能單元進行充電。孤島運行高峰時段的調(diào)度結(jié)果如表3所示。
由表3可以看出,當(dāng)配電網(wǎng)處于孤島狀態(tài),采用PSO-BF調(diào)度模型的微電網(wǎng)可控微電源不必從上級電網(wǎng)調(diào)度電能,若風(fēng)能、光發(fā)電無法提供微電網(wǎng)負荷需求并且儲能量足夠,則儲能單元放電將補充所缺電能;若微電網(wǎng)儲能缺乏,則從微型燃氣機以及燃料電池獲取電能;當(dāng)以上仍不能達到符合需求那么將依照等級減載。在風(fēng)能、光發(fā)電足夠充分時,剩余電量將對儲能單元充電,在此基礎(chǔ)之上的剩余電量會作用與小光伏單元出力。
表3 孤島運行高峰時段調(diào)度結(jié)果Tab.3 Dispatching results of islanding operation during peak hours
實驗檢測PSO-BF調(diào)度模型的全天調(diào)度結(jié)果時,在上文中風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電以及負荷24 h整點估計信息的基準(zhǔn)上,假設(shè)三者間隔是5 min,1 d的運動信息,采用并網(wǎng)雙向功率流動模式的模擬統(tǒng)計得到的微電網(wǎng)的實際負荷作為評估標(biāo)準(zhǔn),統(tǒng)計PSO調(diào)度模型和PSO-BF調(diào)度模型的實時調(diào)度交互功率以及日供電成本分別如圖4、表4所示。
圖4 微網(wǎng)與電網(wǎng)實時調(diào)度交互功率曲線Fig.4 Interactive power curves for real-time dispatching of micro-network and power grid
表4 采用PSO-BF模型與PSO模型下實時調(diào)度日供電成本Tab.4 Using PSO-BF model and PSO model to dispatch daily power supply cost in real time
分析圖4可得,在7 h以內(nèi),本文模型的實時調(diào)度交互功率較大,隨后出現(xiàn)下降,在7~17 h表現(xiàn)相對平穩(wěn),此后出現(xiàn)較大增幅。本文模型相對于PSO模型,在峰平時段對電網(wǎng)供電更有利,可有效起到平峰填谷的效果。
從表4可看出,PSO模型下微電網(wǎng)實時調(diào)度每天供電成本是44.28元,PSO-BF模型下微電網(wǎng)實時調(diào)度日供電成本是28.36元,每天供電成本比PSO模型降低15.92元,使成本降低到30%之多,說明PSO-BF調(diào)度模型具有較高的經(jīng)濟價值。
文中設(shè)計了一種安全可靠性約束下的微電網(wǎng)電能最優(yōu)調(diào)度模型,該模型采用PSO-BF算法修正粒子速度和位置,在避免粒子早熟收斂的情況下,構(gòu)建微電網(wǎng)電能最優(yōu)調(diào)度模型。可確保管理人員在谷時段通過儲能單元實施充電儲能,在峰平時段對電網(wǎng)供電,可以起到平峰填谷的效果。同時,實現(xiàn)了微電網(wǎng)的安全可靠性以及節(jié)能環(huán)??刂?,提高了微電網(wǎng)總體調(diào)度質(zhì)量。