微电网优化调度研究-电气工程硕士论文VIP

国内图书分类号：T M 7 3 4 国际图书分类号：6 2 1 3 硕士学位论文 微电网优化调度研究 硕士研究生 ： 导师 ： 申请学位 ： 学科 ： 专业 ： 所在学院 ： 答辩日期： 授予学位单位： 苗雨阳 卢锦玲副教授 工学硕士 电气工程 电力系统及其自动化 电气与电子工程学院 2 0 1 3 年3 月 华北电力大学 学校代码：1 0 0 7 9 密级：公开 C l a s s i f i e dI n d e x ：T M 7 34 U D C ：6 2 1 3 T h e s i sf o rt h eM a s t e rD e g r e e R e s e a r c ho nS c h e d u l i n gO p t i m i z a t i o no fM i c r o - G r i d C a n d i d a t e ：Y u y a n gM i a o S u p e r v i s o r ： A s s o c i a t eP r o f J i n l i n gL u A c a d e m i cD e g r e eA p p l i e df o r ： M a s t e ro fE n g i n e e r i n g S p e c i a l i t y ： E l e c t r i c a lp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n S c h o o l ： S c h o o lo fE l e c t r i ca n dE l e c t r o n i c sE n g i n e e r i n g D a t eo fD e f e n e e ：M a r c h ，2 013 D e g r e e C o n f e r r i n g - I n s t i t u t i o n ： N o r t h C h i n aE l e c t r i cP o w e r U n i v e r s i t y 华北电力大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文微电网优化调度研究，是本 人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得 的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研 究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：嚆( 动眵。 日期：p 仍年；月b 日 华北电力大学硕士学位论文使用授权书 微电网优化调度研究系本人在华北电力大学攻读硕士学位期间在导师 指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有，本论文 的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关于保存、 使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版本，同意学校将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于( 请在以下相应方框内打“”) ： 保密口，在年解密后适用本授权书 不保密 作者签名： 导师签名： 荡两眵伊 弘年诊 日期：沏J ；年月I DE t 日期：知B 年乡月，口日 摘要 摘要 进入新世纪以来，为了发挥分布式能源的效益，协调分布式电源与大 电网之间的配合问题，微电网成为研究热点。微电网为解决全球所面临的能 源危机和环境恶化这两大问题提供了有效的途径。而微电网优化调度理论作为 微电网的核心技术之一，为微电网的发展和推广奠定了坚实的基础，因而具有 重要的理论价值和工程价值。本文所做的主要工作如下： ( 1 ) 本文建立了微电网系统并网和孤网运行的多目标优化调度模型。考虑以 下三个目标函数：微电网系统的总运行成本最低、污染物排放治理费用最小 以及安全性评价最高，同时考虑了系统功率平衡约束、各微电源出力约束、备 用容量约束和蓄电池运行约束等作为约束条件，比较全面的建立了微电网优化 调度的模型。同时制定了微电网调度策略：并网运行时，考虑大电网系统的实 时电价。孤网运行时，采用热电联供运行策略，通过“以热定电”的方式控制微 型燃气轮机的出力，保证了热力负荷的及时供应。 ( 2 ) 研究了微电网中的蓄电池两种常见的控制策略：削峰填谷和模糊控制 运行策略，并结合本文所提模型建立了可调度的应用模型。同时提出了基于蓄 电池容量的动态规划法对蓄电池进行充放电管理，能够较好地控制蓄电池的出 力，使微电网更加经济安全的运行。 ( 3 ) 本文提出了微电网优化调度的改进多目标优化方案。通过所设计的外部 档案维护策略和粒子全局最优解的选取策略，改善了多目标粒子群算法优化负 荷分配的能力。最后运用模糊决策，使得决策者可以根据对优化目标的偏好以 及负荷水平和风电、光伏出力情况，从多目标粒子群算法所得到的非劣解集中 选取最合适的调度方案。并以某微电网系统的优化调度为例，利用所提算法对 该微电网进行优化调度计划的制定，算例结果验证了改进多目标粒子群算法的 有效性。 关键词：微电网；优化调度；蓄电池；多目标粒子群；模糊决策 A b s t r a c t S i n c et h eb e g i n n i n go ft h en e wc e n t u r y , m i c r o g r i dh a sb e c o m ear e s e a r c h h o t s p o t ，w i t ht h ea b i l i t yo fp l a y i n gt h eb e n e f i t so fd i s t r i b u t e de n e r g ya n d c o o r d i n a t i n gd i s t r i b u t e dp o w e rw i t ht h em a i ng r i d M i c r o g r i dc o u l ds u p p o r ta n e f f e c t i v ew a yt os o l v et w om a j o rp r o b l e m s ，o n ei sg l o b a le n e r g yc r i s i sa n dt h eo t h e r i se n v i r o n m e n t a ld e g r a d a t i o n O p t i m a ld i s p a t c h i n gt h e o r y , a sak i n do f m i c r o g r i d S c o r et e c h n o l o g y , l a y sas o l i df o u n d a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n ta n dp r o m o t i o no ft h e m i c r o g r i d ，w i t hah u g et h e o r e t i c a la n dw o r kv a l u e A n dt h em a i nc o n t e n t so ft h i s p a p e ra r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： ( 1 ) T h i sp a p e rp r o p o s e sam u l t i o b je c t i v ee c o n o m i cd i s p a t c hm o d e lf o r m i c r o - g r i ds y s t e mu n d e rb o t hg r i d c o n n e c t e dm o d ea n di s o l a t e dm o d e T h e o b j e c t i v ef u n c t i o ni n c l u d e st h r e ee l e m e n t s ，t h et o t a lc o s to ft h es y s t e mp o w e r g e n e r a t i o n ，p o l l u t i o ng a se m i s s i o n sa n ds y s t e m sh i g h e s ts e c u r i t y , t o k et h es y s t e m b a l a n c ec o n s t r a i n t s ，m i c r o - g r i do u t p u tc o n s t r a i n t sa n dt h eb a t t e r i e sr u nc o n s t r a i n t s i n t oa c c o u n t ，b u i l tm i c r o g r i do p t i m i z a t i o ns c h e d u l i n gm o d e lm o r ec o m p r e h e n s i v e l y D e v e l o p e dam i c r o g r i ds c h e d u l i n gp o l i c y , c o n s i d e rt h es p o tp r i c eo fl a r g eg r i d s y s t e mw h e ng r i d c o n n e c t e do p e r a t i o n T o k ec o g e n e r a t i o no p e r a t i o ns t r a t e g yw h e n i s o l a t e do p e r a t i o n ，c o n t r o lt h eo u t p u to ft h eg a st u r b i n eb y “e l e c t r i cb a s e do nh e a t ” t oe n s u r et i m e l ys u p p l yo ft h eh e a tl o a d ( 2 ) S t u d yt w oc o m m o nc o n t r o ls t r a t e g yo fb a t t e r yi nm i c r o g r i d ，l o a ds h i f t i n g a n df u z z yc o n t r o lo p e r a t i n gs t r a t e g y , b u i l ds c h e d u l i n ga p p l i c a t i o nm o d e lc o m b i n e d w i t ht h ep r o p o s e dm o d e l I tp r o p o s e sd y n a m i cp r o g r a m m i n gm e t h o db a s e do nt h e b a t t e r yc a p a c i t y , f o rt h eb a t t e r yc h a r g ea n dd i s c h a r g em a n a g e m e n t ，w h i c hc a n c o n t r o lt h eo u t p u to ft h eb a a e r yb e t t e r , m a k e m i c r o g r i do p e r a t i o nm o r eo p t i m i z e d ( 3 ) T h i sp a p e rp r e s e n t sam u l t i - o b je c t i v eo p t i m i z a t i o np r o g r a mf o rm i c r o g r i d s c h e d u l i n g I m p r o v em u l t i p l eo b je c t i v ep a r t i c l es w a r ml o a dd i s t r i b u t i o n o p t i m i z a t i o nb yd e s i g no fe x t e r n a lf i l em a i n t e n a n c es t r a t e g ya n dp a r t i c l eg l o b a l o p t i m a ls o l u t i o ns e l e c t i o n A tl a s t ，b yu s i n gf u z z yd e c i s i o n ，d e c i s i o nm a k e r sc a n s e l e c tt h em o s t a p p r o p r i a t es c h e d u l i n gs c h e m er e s u l t i n gf r o mm u l t i p l eo b je c t i v e p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ，d e p e n do np r e f e r e n c e so ft h et a r g e ta sw e l la st h el o a d l e v e la n dw i n dp o w e r ，p h o t o v o l t a i co u t p u t T a k e o p t i m i z e ds c h e d u l i n go fa m i c r o 。g r i ds y s t e mf o re x a m p l e ，f o r m u l a t e do p t i m i z e ds c h e d u l i n gp l a nb yt h e a l g o r i t h mp r o p o s e di nt h i sp a p e r N u m e r i c a lr e s u l t sv e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so ft h e i m p r o v e dm u l t i - o b je c t i v ep a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n K e y w o r d s ：m i c r o g r i d ，o p t i m a lo p e r a t i o n ，b a t t e r y ，m u l t i p l eo b je c t i v ep a r t i c l e s w a r m ，f u z z yd e c i s i o n 目录 目录 摘要一I A b s t r a c t I I 第1 章绪论l 1 1 课题的背景及其意义l 1 2 国内外研究现状一2 1 2 1 微电网国外研究现状2 1 2 2 微电网国内研究现状3 1 2 3 微电网优化调度国内外研究分析4 1 3 本文的研究内容一5 第2 章微电网系统建模及调度策略一6 2 1 微电源的调度模型一6 2 1 1 光伏发电_ 一6 2 1 2 风力发电：8 2 1 - 3 燃料电池9 2 1 4 微型燃气轮机10 2 1 5 小型内燃机1 1 2 1 6 蓄电池1 1 2 2 微电网的多目标优化调度模型1 2 2 2 1 目标函数k ：12 2 2 2 运行约束条件1 4 2 3 调度策略l5 第3 章微电网中储能装置的运行策略1 6 3 1 储能装置在微电网中的作用1 6 3 2 蓄电池在微电网中的运行策略研究1 6 3 2 1 蓄电池的削峰填谷和调频运行策略1 7 3 2 2 蓄电池的模糊控制运行策略1 7 3 2 3 基于蓄电池容量的动态规划法运行策略1 9 3 3 本章小结2 1 第4 章基于改进多目标粒子群算法的微电网优化调度求解2 2 I l l 目录 4 1 粒子群算法2 2 4 1 1 粒子群算法概述2 2 4 1 2 基本粒子群算法一2 3 4 1 3 多目标粒子群算法2 4 4 2 基于改进多目标粒子群算法的微电网优化调度2 5 4 2 1 改进多目标粒子群算法设计2 5 4 2 2 改进多目标粒子群算法流程2 7 4 4 微电网优化调度算例分析2 9 4 4 1 算例模型2 9 4 4 2 并网运行时算例分析一31 4 4 3 孤网运行时算例分析一3 5 4 5 本章小结3 7 第5 章结论与展望3 9 5 1 结论3 9 5 2 展望4 0 参考文献4 1 附录4 5 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果4 5 攻读硕士学位期间参加的科研工作4 6 致谢4 7 I V 华北电力大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的背景及其意义 传统的电力系统日益显示出很多弊端，同时，全世界目前使用的绝大部 分能源取自化石燃料，即煤炭、石油和天然气等非可再生资源。燃烧化石 燃料会产生诸如硫氧化物、氮氧化物、二氧化碳和粉尘等空气污染物，会 带来很大的环境污染问题。其中氮氧化物发生光化学反应会破坏臭氧层， 而且，硫氧化物和氮氧化物会加剧酸雨的形成，同时，随着二氧化碳排放 量的持续上升，温室效应使得全球性气候变暖的趋势愈演愈烈，成为自然 生态系统需要面临的重大问题，给人类社会的生存和发展造成了一定的威 胁。如果大气温度上升超过一定值，则可能导致气候突变，对自然环境和 生态平衡造成不可逆转的破坏，给整个人类社会带来毁灭性的灾难。 能源危机和环境污染已成为当今世界所面临的两大主要社会问题，关 系到人类社会的生存和发展。为提高国家能源供应安全并应对气候变化， 当前世界各国都在积极寻求发展可替代能源，探索可持续发展的能源战略， 不断地提高能源的利用效率，推进能源低碳化甚至无碳化发展，以缓解能 源危机、改善能源结构，进而实现资源和环境的协调发展以及社会的可持 续发展。可再生能源的大力发展已经成为我国重点推动和鼓励的战略之一， 并列入“十一五”规划之中，可再生能源发电的利用对于保护环境，西部大开发， 解决农村问题和生态建设问题等都能够起到至关重要的作用，同时也是调整全 球能源结构的必由之路【2 训。： 。 微电网在分布式发电技术的基础上，结合分布式电源、储能装置、控制装 置以及热电负荷，以形成可以控制的热电联供装置，在此基础上，能够做到同 时保证系统用户的用电负荷和热能需求【5 J 。微电网在电力系统中具有双重角色： 首先，对于电力系统而言，微电网可作为负荷，并且具有可调度性；然而，对于 用户而言，微电网作为_ 个可以定制的电源，可以满足用户多种多样的供电和 供热需求。微电网概念的提出，使得多种分布式电源能够在配电网中大规模接 入，保证了分布式发电在中低压配电网络中的适用性，具有以下三方面优点 【4 ，6 - 7 1 ( 1 ) 针对微电网和大电网的公共连接点制定了并网标准，由于并网标准与单 个微电源无关，因此，微电网可以灵活的处理分布式电源的接入和退出，解决 华北电力大学硕士学位论文 了分布式电源的大规模接入问题。 ( 2 ) 微电网可以有效提高能源的利用效率，同时可以降低成本、缩短负荷和 电源的距离，使系统的无功供应能力得到提高，进而使得系统电压的分布特性 得到很大程度的改善，降低了上层高压网络的网损； ( 3 ) 微电网可以有效减少各种环境污染气体的排放总量，达到节能减排的效 果；同时，微电网可以通过降低用户的电价以提高用户的经济效益。在系统电网 的发展趋势下，实时电价将会不断普及，在电价较高的时段内，微电网可以充 分发电，以发挥其经济效益，减少从大电网的购电费用；而在电价较低的时段内， 微电网中的蓄电池可以进行能量储存，从电网中购电以保证微电网内的负荷需 求。 通过微电网与大电网的并网运行，可以增强电网的稳定性和可靠性，同时， 由于清洁能源的有效利用，微电网能够很大程度的减少污染气体对环境的危害， 降低不可再生能源的利用率，达到节能减排的效果。随着微电网技术的不断成 熟，越来越多的国家开始研究微电网技术的开发，不论在理论还是实践方面， 微电网技术都已经得到了国内外的认可，并且有了很大的进展。然而，微电网 在能量管理、调度运行等方面仍有很多难题需要攻克【8 1 0 】。在优化调度问题方 面，微电网与传统的大电网具有很明显的区别：由于微电网中一些微电源特殊 的发电特性，能够同时给系统提供电能和热能，即可以通过热电联供的方式来 保证系统更加经济的运行；同时，由于分布式电源的灵活性，使其组合具有多 样性的特点，给微电网系统的优化调度带来了一定的困难。 微电网技术为解决现阶段全球变暖以及环境恶化、不可再生能源的储量减 少等环境问题提供了有效的方法。微电网能量管理和优化调度问题作为微电网 发展的重要研究方面，成为微电网不断推广的关键技术，因而具有重要的理论 价值和工程价值。 1 2 国内外研究现状 微电网解决了多种分布式电源的高效利用问题，同时，可以通过智能的方 式来控制分布式发电系统，使其灵活、可靠地供电。因此，微电网成为很多国 家发展清洁电力，解决能源问题的重点研究方向。 1 2 1 微电网国外研究现状 微电网概念最早由美国电气可靠性技术协会( C E R T S ) 提出【5 】：微电网是一种 由各种分布式电源和负荷共同组成的可以同时提供电能和热能的系统；这些分 华北电力大学硕士学位论文 布式电源称为微电源，其能量的转换和控制由电力电子器件完成。微电网对于 电力体统来说，可以作为单一可控的单元，能够同时满足用户对供电质量和可 靠性的要求I l 。提出微电网的概念以后，美国建设了微电网的第一个示范性工 程，并且命名为M a dR i v e r 微电网，此工程得到了各位专家和学者的一直认可， 并为微电网的建模和仿真提供了平台，形成了微电网的初步的管理政策，分析 了微电网系统的经济收益和控制策略等重点研究问题。该工程对微电网的发展 起到了十分关键的作用，为将来微电网的工程建设构建了基础的框架 1 2 - 1 3 】。 欧洲于2 0 0 5 年提出了“智能电网”的目标，并于第二年颁布了S m a r t G r i d 的 实现方案，通过这一计划，欧洲电网将向着更加灵活、可靠以及可接入的方向 发展。基于以上发展方向，充分利用分布式发电、电力电子控制技术以及智能 技术来实现分布式发电接入大电网集中供电；同时，可以达到积极鼓励独立的 发电商参与市场交易的目的。通过微电网的发展，可以快速推进欧洲电网的智 能化发展脚步，使欧洲电网朝着更加清洁、灵活和高效稳定的方向发展。微电 网以其显而易见的优点，将成为未来电网发展十分重要的组成部分 1 、4 - 1 6 】。 在日本，微电网研究较为深入，居于世界前列。由于国内资源短缺，环境 污染日益严重，用户负荷需求不断增长等实际情况，日本积极开展微电网技术 的开发，在储能技术和控制技术的研究方面取得了一些成果，并且对用户负荷 灵活、多样性的特点准确把握，重点研究了微电网经济和节能的特性【l7 1 。日本 将新能源的开发和利用列为重要发展战略，并且设立了专职机构，即新能源产 业技术综合开发机构( N E D O ) ，对新能源的开发、利用进行管理。在此基础上， 综合协调国内企业、高校和重点实验室对新能源及其应用的研究方向和动态 1 8 - 1 9 】。日本在微电网的开发和研究方面，技术体系主要集中在维持传统电网供 电时如何利用新能源发电，以及如何提供多重的电能质量可靠性和系统的稳定 性方面。 1 2 2 微电网国内研究现状 我国在分布式发电和微电网相关技术的研究方面仍处于初步阶段，在“十 一五”战略中，可再生能源已经被列为中国重点战略项目之一1 2 们。我国8 6 3 、 9 7 3 等科技项目，已经重点出资研究微电网的相关理论和核心技术问题。 中国已经重点着手于分布式能源的建设，并且取得了一定的成果。其中， 由于光伏发电成本高，因此在我国发展尚处于初级阶段，风力发电是我国目前 发展的重点方向【3 训。如今研究分布式电源设备开发的文献还很少，而分布式发 电运行的研究往往是和配网研究相结合的。总的来说，由于微电网很适合中国 华北电力大学硕士学位论文 电力建设的需求，微电网在中国的发展潜力还是相当可观的，但是目前缺乏实 际的微电网示范工程。 在中国，微电网是可再生能源发展的一种战略形式。可再生能源的发展解 决了中国能源匮乏、污染严重、东西部经济不平衡、地域供电不均等多个问题， 具有很重要的战略意义和发展前景。此外，中国重点发展的热电联供系统，也 需要微电网的配合。在容量匹配、距离适宜的前提下，将热力用户与电力用户 结合，构成优化发电的微电网，更可以很好的解决可再生能源解决的众多问题。 微电网与大电网通过相互配合运行，可以起到削峰填谷的调节平衡作用，保证 了电网的可靠性和经济性【2 羽。 目前，我国对微电网的研究与美国、欧洲和日本相比，无论是在研究力量 还是所取成果方面，都存在着一定的差距。 1 2 3 微电网优化调度国内外研究分析 针对微电网灵活、可控的特点，国内外一些学者对微电网的优化调度方法 做了一些相关的研究。文献【4 】从成本和效益两个方面详细分析了微电网的经济 性，提出了一个简化的电、热、气一体化的微电网基本结构，其中，目标函数 考虑了污染气体的排放和微电源的运行费用，利用粒子群优化算法对微电网的 经济调度模型行求解，验证了在大电网中并入微电网可带来较高的经济性。文 献【2 1 】研究了分布式发电的运行方式，分析了分布式发电对节能调度的各方面 影响，在基本节能模型的基础上，提出了更加实际的节能调度新模型，兼顾了 节能减排和经济效益两个重要的方面。文献 2 3 】重点讨论了微电网经济优化运 行策略。以最小化燃料消耗率作为目标函数，同时考虑了热电联供的功能方式， 和蓄电池的最小的能量储备，但是，对环境问题考虑不全面。文献 2 4 】主要研 究了微电网并网运行方式，提出了从电力市场的角度分析微电网的管理策略， 在研究过程中，考虑了微电网系统与传统电力系统的能量交换，重点研究了各 微电源的控制策略，以实现运行的最优化。文献【2 5 】在微电源和负荷的联系问 题上，提出了竞标的方法，并且对比了四种主要的竞标方式，选择了最优的方 式调整各分布式电源的发电，用以满足用户的负荷需求。文献 2 6 】重点介绍了 微型燃气轮机的发电特性，可以作为微电网中常用的微电源。文献【2 7 】研究了 微电网协调运行问题，根据主电网系统的分时电价的差异以及作为储能装置的 蓄电池的充放电特性，提出了微电网和主网间能量流动以及微电源的发电组合 方案。文献【2 8 】介绍了耗费最小的微电网的高级系统设计和机组组合的模型， 并分析了电力价格、能源需求、环境因素等不确定因素对微电网运行的经济效 4 华北电力大学硕士学位论文 益的影响。文献 2 9 】主要研究了储能系统在微电网的应用。分析了目前常用的 储能方式，包括蓄电池、超导储能、飞轮储能、超级电容器储能等，对比了它 们的储能特性、优缺点以及适用情况。文献【3 0 】详细介绍了微电网的概念，分 析了微电网的基本运行方式和控制策略，同时对国外不同特点的典型微电网示 范工程及实验测试系统进行了详细阐述。 1 3 本文的研究内容 根据以上介绍和分析，结合国内外部分研究成果，本课题将对微电网的优 化调度问题进行研究，具体内容包括以下几个方面： ( 1 ) 确立合适的优化调度目标函数，目标函数中考虑微电网系统的总运行 成本、微电网污染物排放治理费用以及微电网系统安全性评价。 ( 2 ) 考虑储能装置的运行策略，通过削峰填谷，模糊控制和动态规划法优 化三种不同的控制方式比较储能装置的运行策略对微电网优化调度的影响。 ( 3 ) 采用改进多目标粒子群算法求解微电网的优化调度模型，针对微电网 中风能和光能的不确定性因素，采取模糊决策控制，决策时可以综合考虑决策 者对各个目标的偏好，以及每个调度时段负荷水平和风光预测情况，最终，得 出最优的调度方案。 华北电力大学硕士学位论文 第2 章微电网系统建模及调度策略 2 1 微电源的调度模型 2 I 1 光伏发电 光伏发电系统是利用半导体界面的光生伏特效应，将光能直接转变为电能 的一种技术。光伏发电采用模块化结构，而且重量轻，故其可以适合于其他分 布式发电技术难以实现的环境【3 。 光伏发电系统主要由光伏电池、电池控制器、蓄电池组、交直流变换器 和交直流用电负载等构成。其中，光伏发电系统的基础和核心器件是光伏 电池，能够起到能量转换器的作用f 3 2 1 。光伏发电系统的基本原理如图2 1 所示。 光伏电池 图2 1 光伏发电系统的基本原理 在光伏发电系统中最重要的是光伏电池，光伏电池的伏安特性决定了 光伏发电功率的输出特性。影响光伏电池转换效率的因素很多，比如光的反 射作用、材料内部的填充因数、禁带宽度以及杂散电阻等，其中最为重要是光 照特性、温度特性和负载特性3 3 1 。图2 2 分别给出了光伏电池在不同幅照度和 不同温度下的输出特性。 华北电力大学硕士学位论文 a ) 不同辐照度下的伏安特性b ) 不同温度下的伏安特性 U c ) 不同辐照度下的功率特性d ) 不同温度下的功率特性 图2 - 2 光伏电池的输出特性与外界环境的关系曲线 由图2 2a ) 、b ) 可知，光伏电池的空载电压沈c 和短路电流五。都受辐照度 的影响。f 和厶。都随着太阳辐照度的增强逐渐增大；随着温度的升高，空载电 压逐渐减小，而短路电流逐渐增大，随着温度的降低，空载电压逐渐增大，而 短路电流逐渐减小。由图2 2c ) 、d ) 可知，光伏电池在不同的辐照度和不同温 度下，都有最大输出功率点。随着太阳辐照度的不断增强，最大输出功率逐渐 增大；随着温度的不断升高，最大输出功率逐渐减小。温度对伏安特性的影响 主要反映在输出功率上，光伏电池具有负的温度系数，即在某一温度范围内， 光伏电池的温度越高，其所能输出的最大功率越小，同时效率也越低。 在光伏发电系统中，其输出功率P ，的表达式为： E = 7 7 s 1 ( 1 0 o o s ( t o + 2 5 ) ) ( 2 1 ) 其中：r 为光伏电池阵列的转换效率，S 为阵列面积，为太阳辐射，乇 为空气温度。 华北电力大学硕士学位论文 采用简化模型时，对同一类光伏电池阵列，可以认为其转换效率固 定，阵列面积S 为单位面积，同时，忽略日照的入射角以及电池板的倾斜 角。这样，输出功率只是大气温度t o 和太阳辐射这两个变量的函数。 2 1 2 风力发电 风电具有与生俱来的随机性、间歇性和不可控性，风电的短期波动较为 显著，风电机组的输出功率大小取决于风速的状况【34 1 。风电机组的标准功 率特性曲线是指，在标准的空气密度条件下，风电机组的输出功率与风速 之间的关系曲线。此曲线可以由厂家提供，如图2 3 所示为华锐S L l5 0 0 7 7 型风机的功率曲线。 ：r A j 壹基 k W 风速 m s 图2 - 3 华锐S L l 5 0 0 1 7 7 型风机的功率曲线 本文可以通过式( 2 - 2 ) 计算风力发电输出功率： l 0 0 V v o , ，圪V P = 厂缈)v o , V ( 2 - 2 ) 【eI V v c o 式中，吃为风电机组的切入风速，为风电机组的切出风速，匕为风电机 组的额定风速。f ( V ) 表示当W 。i V 以时，风电机组的输出功率和风速之间的 函数关系，通常可以通过一次、二次和三次函数进行拟合。例如： 八V ) = A + B V + C V 2 + D V 3 , 其中系数A ，B ，C D 为风机功率特性曲线参数， 可由厂家提供的风电功率曲线得到。为风电机组的额定输出功率。 由以上分析可知，风电机组可以有以下几种运行状态： ( 1 ) 当0 V 圪，圪V 时，即风速小于切入风速值或者大于切出风速值时， 华北电力大学硕士学位论文 风电机组无输出功率。 ( 2 ) 当v o , V K 时，即当风速位于切入和额定风速值之间时，风电机组的输 出功率可根据f ( V ) 变化，在合适的情况下，风电机组可以实现风电功率 的最大转换。 ( 3 ) 当V 圪时，即风速位于额定和切出风速值之间时，风电机组运行在 额定工作状态。 2 1 3 燃料电池 燃料电池的发电原理是将燃料中的化学能直接高效的转化为电能。从理论 上讲，由于它不经过热机过程，所以不受卡诺循环的限制，发电效率高，具有 清洁、可靠、高效等优点，是一种正在逐渐完善的能源利用方式【35 1 。目前，国 内外常见的燃料电池主要有：碱性燃料电池( A F C ) 、磷酸型燃料电池( P A F C ) 、 质子交换膜燃料电池( P E M F C ) 、熔融碳酸型燃料电池( M C F C ) 、固体氧化物 燃料电池( S O F C ) 等，其中适用于微电网发电的燃料电池有质子交换膜燃料电 池( P E M F C ) 、熔融碳酸型燃料电池( M C F C ) 和固体氧化物燃料电池( S O F C ) 【3 6 】 O 燃料电池的典型功率效率曲线如图2 4 所示，图中包括燃料电池的净发电 效率和总效率，两者之间的关系可以通过M a t l a b 进行曲线拟合。 效 率 输出功率l ( W 图2 44 0 K W 燃料电池效率曲线 9 华北电力大学硕士学位论文 燃料电池的效率是电池输出功率与输入燃料的比值，所以燃料电池的发电 成本计算公式【3 7 1 为： 一丁击，莩鲁 协3 ， 其中，c 为天燃气的单价，丁为燃料电池的运行时间，L H V 为天燃气低热值， 取9 7k W h m 3 。弓为时间内燃料电池的输出功率，协为J 时l B - J 内燃料电池 的总效率。 2 1 4 微型燃气轮机 微型燃气轮机具有寿命长，清洁，灵活，可靠性高等优点，单独工作时， 效率可达3 0 左右，在实行热电联产时，其效率可以达到7 5 。热电联产系统 可以在产生电能的同时回收余热，有效地提高了能源的利用率，实现了能量的 阶梯利用。 本文计算使用市场最常用的C a p s t o n eC 6 5 型微燃机作为微型燃气轮机计 算模型【3 8 1 。C 6 5 型微型燃气轮机输出功率与发电效率之间的关系如图2 5 所示。 通过M a t l a b 函数拟合可以得到微型燃气轮机的发电效率和输出功率之间的函 数关系。 图2 - 5C 6 5 型燃气轮机效率和净输出功率关系曲线 微型燃气轮机的发电成本计算公式如下： 一r 刍。莩鲁 协4 ， 1 0 其中，C 为天燃气的单价，丁为燃料电池的运行时间，L H V 为天燃气低热 值，取9 7k W h m 3 。e 为，时间内的微型燃气轮机输出功率，协为，时间内 微型燃气轮机的总效率。 如果微型燃气轮机以热电联产的方式运行，那么，微型燃气轮机热电联产 系统燃烧一定量的燃料之后，其产生的热能与电能的比值为一恒定值，可以定 义为此热电联产系统的额定热电比，如式2 5 所示： 缈= 鲁l o o ( 2 5 ) Q “。 式中，绕为微型燃气轮机热电联产系统的供热量；Q 为微型燃气轮机热电 联产系统的供电量。 2 1 5 小型内燃机 常规电力系统中的主要发电单元类型是同步发电机，微电网系统中同样也 可以包含有一些容量较小的诸如内燃机、常规火力发电机组以及水力发电机组 等同步发电单元类型的分布式电源技术。本为以小型内燃机为例，研究同步发 电单元在微电网系统中的应用。小型内燃机运行时的燃料消耗主要与其有功功 率输出相关，可用二次多项式进行描述，其功率输出特性可表示为： f ( P ) = q 尸2 + 勿P + c ( 2 - 6 ) 其中，P 为小型内燃机的输出功率；a t ，匆q 为小型内燃机的成本函数系 数。 2 1 6 蓄电池 将蓄电池用于微电网系统优化功率输出，可以实现利用较小容量的蓄电池 装置进行快速的电能存取，以实现较大范围的功率调节，增强系统的可靠性， 提高系统的电能质量。在微电网的多种运行方式中，本文主要研究微电网的并 网运行和孤岛运行方式。由于风电和光伏发电具有随机性，同时，微电网中的 燃料电池和微型燃气轮机反应速度不够迅速，如果遇到负荷波动较大的情况， 会给系统的稳定性带来很大的影响1 3 引。所以，在微电网中需要加入储能装置来 保证系统电能的短时平衡。 蓄电池作为微电网应用最广泛的储能方式，具有费用低，装置结构简单， 灵活性好，适合长期储能等优点。通常，衡量蓄电池的主要性能有如下四个指 标：容量( B a t t e r yC a p a c i t y ) 、荷电状态( S t a t eo f C h a r g e S O C ) 、放电深度( D e p t h 华北电力大学硕士学位论文 o f D i s c h a r g e D O D ) 及充电深度( D e p t ho f C h a r g e D O C ) 1 4 0 】。蓄电池的容量即 蓄电池的蓄电能力，也就是将充足电的蓄电池进行放电，当端电压等于其终止 电压时，蓄电池所放出的电量。蓄电池的荷电状态可以反映蓄电池的剩余容量， 也就是蓄电池某个时刻剩余容量与其总容量的比值。蓄电池的放电深度就是蓄 电池放出的容量与其输出总容量的比值；充电深度是指电池可能剩余的电量与 电池的实际容量之比，与蓄电池将来的放电情况有关系，所以比荷电状态更能 反映蓄电池的实际情况。 蓄电池的寿命受很多因素的影响，包括放电深度，过充电程度，温度，充、 放电电流等等。在微电网系统运行中，蓄电池可能会出现充电不足或者是负荷 超常规量放电等状态，如果在一段时间内得不到适当的补充，蓄电池就可能工 作在低荷电状态，对蓄电池的寿命有不利的影响，因此，蓄电池的充放电控制 对微电网优化运行和蓄电池寿命都具有十分重要的影响【4 2 1 。 2 2 微电网的多目标优化调度模型 本文所建立的微电网系统中包含风力发电、光伏发电、燃料电池、微型燃 气轮机、小型内燃机和蓄电池等装置，在考虑系统的优化调度模型时，全面考 虑了各个微电源的发电维护成本以及折旧费用等。同时，由于环境问题日益严 重，在建立模型时考虑了微电网的环境费用：由于微电网中有风电和光伏发电 等不确定因素，虽然在系统中配置了蓄电池作为储能装置，然而储能装置的响 应可能存在一定的延迟，因此必须同时考虑系统的安全稳定问题。 2 2 1 目标函数 微电网优化调度的目标是在满足系统运行约束的条件下，通过优化微电网 系统内各微电源的出力，使微电网的综合目标成本最小，系统的安全性评价最 古 同。 目标1 ：微电网系统的总运行成本最低。运行成本中包括各微电源的发电 成本、折旧成本以及微电网与主网间的能量交换成本。 7 C l = ( Z ( 鼻o ) ) + e 陇( 只p ) ) + 忍删) ) ( 2 7 ) 其中： E ( 霉( f ) ) = C 厅( # ( f ) ) + C ( 黼( 名O ) ) ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) 一够 他 华北电力大学硕士学位论文 = 乏篇，乞浆三 c 2 m ， 式中：C 为微电网系统的总运行成本；丁为微电网的调度周期总时段数； 为微电网内微电源的总数； Z ( 霉( f ) ) 为微电源的发电成本；( 鼻( f ) ) 为微电网系统的折旧成本；为 微电网与主网的购售电价格；( ，) 为微电网与主网交换功率； C 厅( 鼻( f ) ) 为第i 台微电源的燃料成本；( 只( f ) ) 为第i 台微电源的运行维 护成本，其中( P ( f ) ) =