【《计及负荷需求响应的微电网模型的建立分析》8800字】

计及负荷需求响应的微电网模型的建立分析目录TOC\o"1-3"\h\u240计及负荷需求响应的微电网模型的建立分析 193141.1微电网的基本结构 163751.2微电网的基本数学模型 257541.1.1光伏发电单元 2259341.1.2风力发电单元 4223671.1.3微型燃气轮机 615241.1.4燃料电池 7190841.1.5储能单元 8122031.1.6负荷需求响应模型 9153041.3微电网优化调度模型分析 10103551.3.1建立优化模型的目标函数 1095021.3.2微电网运行约束条件 12179301.4优化调度策略 13建立微电网模型是微电网进行优化调度的基础，本章建立了包含光伏发电单元、风力发电单元、微型燃气轮机、燃料电池和储能系统的微电网模型，引入了负荷需求响应模型，然后确定了优化模型的目标函数和运行约束条件，并制定了微电网在并网和离网运行模式下的优化控制策略。1.1微电网的基本结构微电源是微电网的重要组成部分，一般是指安装在微电网内部的分布式电源和储能装置互相结合形成的装置，对于微电网中由于风力和光伏发电的不可控性造成的负荷随机性，就需要储能装置来控制功率的波动。微电源在微电网中不仅可以给系统提供足够的电能，而且对于保证系统稳定运行和电能质量[41]都具有重要作用，在未来的应用范围将会越来越广。多源互补的微电网电源种类丰富，且其独特的分布式供电方法使各微电源之间可以达到能源互补利用的目的。本章主要是对本文研究的微电网中涉及到的微电源进行数学建模，基本架构如图2-1所示，包括光伏发电单元、风力发电单元、微型燃气轮机、燃料电池、储能电池以及需求侧负荷部分，其中微型燃气轮机的发电效率最高，是目前最成熟的分布式电源。图2-1微电网基本架构1.2微电网的基本数学模型1.1.1光伏发电单元无论是在中国还是全世界，常规能源的储值都是极为有限的，尤其是中国，储量仅占全世界总比例的十分之一，与平均水平相差甚远。但是，作为新兴能源的太阳能，确是一种无论是在安全性能，还是清洁性上都具有相当优异表现的可再生能源，势必成为未来全世界广泛使用的新能源之一[42]。因此，鉴于太阳能的这种优异性，越来越多的研究转向用光伏发电代替常用的火力发电系统，如在2019年6月3日召开的“SNEC2019国际太阳能光伏与智慧能源（上海）展览会暨论坛”上，就有研究者和专家提出并支持了这一观点。光伏发电是将太阳能转化为电能，由于太阳能的安全性、可再生性等特性，光伏发电也具有安全可靠、清洁环保、高质量等特点。光伏发电系统[43]主要是由光伏组件、充电控制器、储能装置、放电控制器以及逆变器这些设备组成，如图2-2所示，其中光伏组件是完成能量转换的器件，在有光照的情况下吸收光能并转换成电能；储能装置的存在是为了储存光伏电池在阳光下发出的电能，并且在任何时候都可以向负载供给电能，同时还要求其自身放电率低且充电效率相对要高；充放电控制器的作用是防止在有光照时储能电池的过充和需要向负载供电时储能电池的过放；逆变器在光伏发电系统中是不能缺少的，它是储能电池与负载之间的过渡组件，经过逆变器能将电池输出的直流电进行逆变，然后输送给是交流电的负载。图2-2光伏发电原理光伏电池(Photovoltaic，PV)是光伏发电系统中最基础但又最为重要的元件，虽然一个光伏电池的功率很低，但是经过串并联处理，可将其组成能担负产能这个重要任务的光伏电池。在微电网中，由多个光伏电池串并联组成的光伏阵列来进行功率输出，才能保证功率的输出足够大以满足用户的日常需求。根据实际工程经验，光伏电池的输出特性是会根据其所处环境的温度和光照强度的不同而发生变化的。图2-3和图2-4分别为某个光伏阵列在不同光照强度或不同环境温度下的I-U曲线及P-U曲线。简单分析可知，在周围环境温度不变的情况下，若光照强度增大，则短路电流、开路电压和输出功率都会随之增大；在光照强度不变的情况下，环境温度的上升会影响组件的伏安特性，即短路电流随之增大，但开路电压和最大输出功率却在不断减小，这是因为在此过程中，电压的减小值会高于电流的增大值，这就导致了正常温度范围内的光伏组件运行效率会随温度的升高而降低。图2-3不同环境温度和不同光照强度下的I-U曲线图图2-4不同环境温度和不同光照强度下的P-U曲线图在工程实践中，光伏阵列的输出功率模型可以表示为 (1.1) (1.2)其中，表示光伏阵列的输出功率，单位为kW；光伏阵列由于雨雪等不可控因素造成的额定输出功率的损耗，由实际输出功率和额定输出功率的比值来表示，即降额因数，一般取0.9；表示标准测试环境中光伏阵列的输出功率，单位为kW；表示光伏阵列表面的实际光照强度，单位为kW/m2；表示标准测试环境中的光照强度，为1kW/m2；k为温度校正系数，一般取-0.0047/℃；表示光伏阵列表面的实际温度，单位为℃；表示标准测试环境中光伏阵列的参考温度，为25℃；表示实际的环境温度，单位为℃。我国大力支持发展光伏发电项目，根据国家政策，光伏发电项目可根据计量审核结果申请电价补贴，所以其发电成本较低，而且对环境无污染。因此在微电网优化调度中一般都要求光伏处于满发状态，最大程度达到在特定条件下的最大功率输出。1.1.2风力发电单元风作为清洁能源之一，它对环境是没有危害的，而且它具有可再生和永不枯竭的优点。从能源和地理位置方向来看，比较适合进行风力发电的地区主要包括缺乏一次能源且无法进行大规模水力发电的地点以及不适于运输的岛屿和山区高原地带。我国幅员辽阔，因此拥有大量风能，总体储存风能可以达到31.26亿kW左右，其中可进行开发利用的风能达到了近三分之一，分别为陆地上的1.53亿kW和近海区域的7.5亿kW。去年一整年，我国风力发电站发电总量的增长率约为10.5%，达到了4146.0亿kWh。因此在我国可再生能源发展领域中海上风力发电占据了重要地位，既可以有力推动能源技术进步和工业近代化进程，又可以进一步提升新能源结构[44]。基于我国丰富的海上风能资源，研究人员可以将风电项目列入发展重点以帮助管理海域的空气问题、能源结构问题以及经济发展方法。风力发电机(WindTurbine，WT)[45]的能量转变原理主要分为两个步骤，分别是风的动能到机械能的转变和机械能到电动能的转变。风力发电机组的基本结构是由塔筒为基本构架的对风轮和发电机的支承，为获得较大的风力且使其均匀有力，需要修建得比较高，一般在6-20米范围内。首先风轮上的叶片因为风的带动产生气动力从而使风轮开始旋转，然后考虑到风力大小和方向的不确定性，会导致风轮的转速在大多数时间内由于风力不足而偏低，此时需要配有一个齿轮变速箱，它的作用是将风轮从较低的转速提升到发电机的额定转速，然后通过调速装置使其保持稳定地输送向发电机，然后由发电机利用从风轮处得到的恒定转速来维持自身的匀速运作，最终将机械能转换为电能。目前我国主要采用的两种较为广泛的风力发电机组驱动方式，分别为如图2-5所示的双馈异步式WT和如图2-6所示的永磁直驱同步式WT。图2-5双馈异步风力发电机组结构图图2-6永磁直驱同步风力发电机组结构图影响风力发电机输出功率的因素有很多，其中最重要的就是风速，除此之外，还有天气和环境等。本文仅采用简单模型对其输出特性进行描述，在不考虑除风速外的其他因素的情况下，做出的风力发电机输出特性曲线图如图2-7所示。图2-7风力发电机输出功率特性曲线图风力发电机的出力与风速之间存在的函数关系为 (1.3)其中，表示风轮机轮毂位置的实际风速；表示风力发电机的切入速度；表示风力发电机的额定速度；表示风力发电机的切出速度；表示风力发电机的额定功率。综上可知，当风轮机轮毂位置的实际风速比其切入速度小时，风力发电机组不出力；当实际风速处于切入速度和额定速度之间时，风力发电机组开始进入出力状态，此时为使风轮转速能快速反应跟上风速的变化，需要通过变流器对发电机的电磁转矩进行控制调节，以获得最大风能；当实际风速处于额定速度和切除速度之间时，风力发电机组的出力即为其额定功率；当实际风速比切除速度大时，风力发电机组重新进入不出力的状态。出于经济合理考虑，适宜发电的风速大概在每秒4米以上。但是很多地方的平均风速远超这种水平，大概在每秒3米，特别是一些高原地区比如西南和东北，还有一些沿海区域，平均风速很大，甚至有一些地方，超过半年的时间都是大风，在这种地方进行风力发电的效率是很高的[46]。国家政策日益改善，在十多年的发展过程中，风电行业也发生了翻天覆地的变化，逐渐向质量好并且成本低的方向转变，目前，风电行业已经开始稳定并持续的增长，我国的风电产业最多的是陆上集中式风电，同时还伴有海上分散式风电，我国已经形成了完整的风电产业链，一些零部件也逐渐减少了对国外的依赖。风电的运维迅速发展，现在已经到了需求激增的阶段，规模也发生了持续的扩容。现在来看，风电产业在未来有着很好的发展态势，当然盈利也保持在稳步提升的状态。1.1.3微型燃气轮机微型燃气轮机[47](Micro-Turbine，MT)是一种以天然气为介质的旋转式热力发动机。无论是中心城市还是偏远郊区，它都能得到良好的应用，主要是基于其具有低噪声、低排放的优点，所以可以进行具有较高质量的多种用途下的可靠的发电，而且其在分布式发电中也具有很好的发展前景。由此可见，微燃机发电技术的进步可能会形成一种将电源分散化管理的能源趋势。目前微型燃气轮机的主要商业供电范围基本在30-350kW左右，且发电效率基本保持在80%以上。就目前来看，它是一种十分具有产业价值的节能环保型微电源，尤其是对于分布式发电的冷热电联产中具有广阔的发展前景。微型燃气轮机的耗量特性模型可表示为 (1.4)其中，表示天然气的价格，单位为元；表示天然气的低热值，单位为，一般取；表示微型燃气轮机在t时段内的输出功率；表示微型燃气轮机在t时段内的输出效率。基于我国电力发展不平衡的现状，微型燃气轮机以其独特的优点已经在我国得到广泛使用，应用领域包括但不限于微电网建设，同时研究人员还在不断改善其发电技术及结构，为微型燃气轮机未来的发展奠定了良好的基础，也提供了极好的发展平台。1.1.4燃料电池燃料电池(FuelCell，FC)是一种基于电化学发电理论制成的设备，它的结构较为简单，即它没有机械传动部件且不需要通过其他手段，只需要不断向它提供燃料的支持，燃料电池就能随时将其中的化学能转换成电能进行发电。经过不断地发展，它以经在以水力发电、热能发电和原子能发电为主的发电技术领域占据了一席之地。燃料电池作为目前最具有发展前景的发电技术之一，具有以下优点：首先，从发电效率来看，燃料电池[48]由于其电化学发电原理，所以在发电过程中不会受到卡诺循环效应的影响，发电效率较高基本可以超过80%；其次，从能源的角度来看，燃料电池的燃料主要是含氢物质，除了石油、天然气等化石能源外，还可以使用沼气、酒精等物质，所以可以很大程度地缓解目前化石能源稀缺的现象；最后从环境保护的角度来看，由于其燃料的多样性和特殊性，能从减少CO2等的污染排放的方向来有效降低对环境的污染，对缓解温室效应具有重要意义。燃料电池的耗量特性模型与微型燃气轮机相似，可以表示为 (1.5)其中，表示天然气的价格，单位为元；表示天然气的低热值，单位为，一般取；表示燃料电池在t时段内的输出功率；表示燃料电池在t时段内的输出效率。目前，在国家“支持动力电池、燃料电池新能源车发展”政策的支持下，燃料电池正在不断朝公共交通领域发展[49]，发展前景十分美好，比如已经有许多燃料电池汽车被研发出来并投入使用。1.1.5储能单元储能系统在易受环境及天气影响而产生波动和不确定性的微电网中可以起到提高微电网稳定性的作用，是微电网调度优化中不可缺少的一部分。储能系统要承担的任务目标简单来说就是要解决能源供需上的时间差问题，产生这种问题的情况主要有两种，一种是由能量需求量发生增加引起的，此时储能系统就能够在负荷高峰段起到缓冲调节的作用；另一种是由一次能源和能源转换装置引起的，此时储能系统主要负责使能源分配尽量均匀，即同时削减输出的高峰和填充输出的低谷。常用的储能系统[50]按充放电时间响应特性进行分类，可分为以下两大类，一是以超级电容、超导及飞轮储能为主的功率型储能系统，比较适合进行短时间内的功率波动补偿，因为其具有响应速度快的优点，但同时它也有储量小、成本高的缺点；二是以抽水储能、压缩空气和蓄电池为主的能量型储能系统，比较适合进行长时间内的功率波动补偿，因为其具有储量大、安全性好的优点，但它响应速度较慢。其中，蓄电池由于其运行稳定、安全经济等优点，成为了目前市面上使用最为广泛的储能装置，同时既可在微电网交流线路中单独使用，又可接在直流侧使用，反应速度较快。因此微电网优化调度中，储能系统的第一选择就是使用蓄电池。蓄电池[51](EnergyStorage，ES)与燃料电池一样都是通过电化学发电原理进行发电的，但是与之不同的是，其内部的化学反应是可逆的。它不仅可以在放电时将化学能转换为电能进行供电，还可以在充电时将电能转换成化学能进行储存。一般来说，蓄电池的性能指标主要有：电池容量(BC)、充电深度(DOC)、放电深度(DOD)、荷电状态(SOC)。（1）电池容量(BC)电池容量的大小代表其储存电能的能力，其单位为安时(Ah)。（2）充、放电深度充电深度(DOC)是指在充电过程中充进的电量与其完全充电状态时的电量之比，跟将来的放电情况有关。放电深度(DOD)与其寿命息息相关，即在放电过程中放出的电量与其额定容量之比越大，其寿命就越短。（3）荷电状态(SOC)荷电状态是通过某一时刻蓄电池当前电量与其额定容量的比值来说明其目前的能量存储状态。荷电状态的两个极端是0%和100%，前者是指蓄电池能量耗尽，不能再进行放电，后者是指蓄电池能量充满，不能再进行充电。蓄电池在t时刻的荷电状态由其在t-1时刻的荷电状态、两个时刻间的充放电量以及单位时刻内的电量衰减决定。充电时，，t时刻的电池荷电量为 (1.6)放电时，，t时刻的电池荷电量为 (1.7)其中，分别表示蓄电池t时刻、t-1时刻的荷电状态；表示蓄电池在单位时刻内的充放电功率；分别为充、放电效率；表示蓄电池容量；表示蓄电池自放电率。蓄电池在t时刻的运行成本模型建立为 (1.8)其中，表示蓄电池在t时刻的状态，运行时，，不运行时，；表示蓄电池维护系数；表示蓄电池寿命损耗成本。1.1.6负荷需求响应模型在微电网优化调度过程中，若负荷达到各微电源出力峰值或系统某部分出现故障时，调度部门将会发送信号，通知需求侧用户减少或终端用电，随着微电网的逐步完善，考虑需求响应(DemandResponse，DR)[52]将在未来将逐渐成为一种常态。由于用电类型的不同，需求侧负荷类型也会不同，按其重要程度可以分为三大类，分别为重要负荷、可转移负荷和可中断负荷。（1）重要负荷：必须保证此类负荷的安全平稳运行，一旦切断将会造成严重后果；（2）可转移负荷：可以将一个单位时间内的负荷平移到另一个单位时间内，可以灵活地根据实际情况对负荷进行管理，以满足实际需求；（3）可中断负荷：重要程度较低，在需要时可对该种负荷进行切断处理，但是会给予一定的经济补偿，补偿模型为 (1.9)其中，为可中断负荷的单位补偿系数；为补偿成本；为单位时间内进行中断的负荷。负荷需求响应旨在使微电网系统的供需差异尽可能缩小。在微电网优化调度中，不可避免地会出现一些突发情况，此时就需要用户侧参与负荷需求响应，要求调度后的负荷曲线要与光伏、风电之类的可再生能源的出力曲线尽可能贴近，使可再生能源的利用达到最大化，使系统供需差异尽可能小，其模型建立为 (1.10)1.3微电网优化调度模型分析微电网的优化调度就是在提前一天预测未来一天各个时段的可再生能源出力和负荷需求，并根据所得数据，按照目标要求来计算得出未来一天各个时段各微电源的最优出力情况。本文选取1h作为单位时段。本文以实现系统的经济稳定运行为目标，建立了在微电网在并网和离网两种运行方式下的以目标函数和约束条件为基础的多源互补的微电网优化调度模型。1.3.1建立优化模型的目标函数本文建立的多源互补的微电网优化模型由光伏发电单元、风力发电单元、微型燃气轮机、燃料电池和储能单元组成，在以24个小时为标准的优化调度框架中对以上各微电源的出力作优化调度，实现微电网的最环保经济运行。（1）目标函数一：经济性，使微电网在未来一日的运行成本最低。微电网的运行成本包括各微源的燃料成本、运行维护成本、并网时与大电网电力交互的成本以及离网时的停电补偿成本，可表示为 (1.11)其中，表示微电网的运行成本；表示燃料成本；表示各微电源的运行维护成本；表示微电网与大电网发生电能交互时的成本；表示停电补偿成本；为前置系数，并网运行时，，，离网运行时，，。①燃料成本微电网中，光伏发电单元和风力发电单元所使用的一次能源为可再生能源，而蓄电池通过化学反应产生电能，因此都不需要消耗燃料；微型燃气轮机和燃料电池都是通过燃烧天然气发电，燃烧成本模型分别由式(1.4)和式(1.5)表示，则微电网系统的总燃料成本可表示为 (1.12)其中，为微电源在单位调度时段的燃料成本；为微电源的个数。②运行维护成本微电网运行中，为保证微电网的安全可靠运行，各微电源都需要进行维护以解决运行中出现的故障，不同微电源出现的故障不同，运行维护成本也就不同。一般情况下，将运行维护成本的计算简化为各微电源运行维护系数与其出力的乘积，可表示为 (1.13)其中，为微电源的运行维护系数。③与大电网的电能交互成本当微电网系统与大电网并网运行时，若所有微电源满发都无法满足负荷需求，则需要向大电网进行购电，若微电源在满足负荷需求后仍有多余电力，则可想大电网进行售电。微电网与大电网的电能交互成本可表示为 (1.14)其中，、分别表示向大电网购电、售电的价格；、分别表示微电网的购、售电量。④停电补偿成本当微电网系统离网运行时，若各微电源无法满足微电网的负荷需求，就需要被迫切除部分负荷，然后对向用户支付停电补偿费用。一般情况下，将停电补偿成本简化为需切除的负荷量和对单位负荷需补偿的费用的乘积，可表示为 (1.15)其中，表示微电网的单位停电成本；表示切负荷功率。（2）目标函数二：环保性，使微电网在未来一日运行时对环境影响最小。环保性最优可以看作是环保成本最低，即微电网运行中，所需处理的各微电源所产生的等污染气体的费用最低。微电源中光伏发电单元和风力发电单元所使用的一次能源为可再生能源，而蓄电池通过化学反应产生电能，因此都不会产生污染气体。微型燃气轮机和燃料电池通过燃烧天然气发电，燃烧产生的气体会污染环境。除此之外，并网运行时，若大电网向微电网输送电能，大电网中的火电机组也会产生污染气体。污染气体处理成本为 (1.16)其中，表示微电网的环保成本；表示污染物的处理系数；表示微电源产出污染物的大小。根据微电网经济性和环保性目标建立其综合目标，即令微电网在未来一天发电的综合效益达到最大的目标函数，可表示为 (1.17)其中，分别为经济性目标和环保性目标的分布权重，权重取值的大小将直接影响系统优化结果，本文都取为0.5。1.3.2微电网运行约束条件微电网优化调度中，要求解目标函数，同时需要满足以下约束条件。（1）功率平衡约束 (1.18)其中，表示微电网的所需负荷；表示储能电池的充放电功率，为正值时，蓄电池处于充电状态，为负值时，蓄电池处于放电状态。（2）微电源出力约束 (1.19)其中，、分别表示微电源的出力上、下限。（3）爬坡速率约束增负荷时： (1.20)减负荷时： (1.21)其中，、分别表示微电源爬坡速率上、下限制常数。（4）大电网联络线传输功率约束 (1.22)其中，、分别表示联络线上能够通过的最大、最小功率。（5）蓄电池充放电约束 (1.23) (1.24)其中，、分别表示蓄电池的最大、最小容量；、分别表示蓄电池的最大、最小充放电功率。1.4优化调度策略在微电网系统中，除了满足用户的负荷需求外，在调度中还要考虑光伏发电单元、风力发电单元、微型燃气轮机、燃料电池、蓄电池之间的输出功率配合，以及并网时微电网与大电网的电能交互和离网时若无法满足负荷需求考虑切除部分负荷。一般来说，大众普遍认可的优化调度运行策略如下所示：（1）可再生能源的使用既弥补了一次能源不足的缺憾，又减轻了化石能源燃烧给环境带来的负担，其在微电网中唯一的缺点在于它的不稳定性。所以在保证微电网系统稳定安全