微網(wǎng)分布式發(fā)電備用配置決策

摘要：將電力市場環(huán)境下微電網(wǎng)備用分為外部與內(nèi)部2 類備用，前者為大電網(wǎng)事故支持備用，后者包括不可再生分布式發(fā)電備用(non-renewable distributed generation reserve ，NDGR)、儲能裝置、低電價與高賠償2 種可中斷負荷。在對大電網(wǎng)備用優(yōu)化配置技術應用于微電網(wǎng)的可行性進行深入分析的基礎上，為提高微電網(wǎng)NDGR 配置的經(jīng)濟性，針對微電網(wǎng)各類備用的經(jīng)濟互補特性，運用協(xié)調(diào)優(yōu)化理念，從風險管理角度建立優(yōu)化NDGR 配置的數(shù)學模型，提出基于代價對參數(shù)的靈敏度來指導優(yōu)化方向的尋優(yōu)算法，針對容量事故集對NDGR 的最優(yōu)配置進行風險決策，量化分析微電網(wǎng)運行模式、儲能以及NDGR 價格對NDGR 配置的影響。仿真結果表明，NDGR 配置過高或過低都不合適，而應存在最優(yōu)值。

0 引言

受風速、光強等自然因素的影響，微電網(wǎng)中可再生分布式發(fā)電(distributed generation，DG)[1-3](包括風力發(fā)電、太陽能發(fā)電等可再生能源發(fā)電)具有高度的不確定性，由此所引發(fā)的供需不平衡問題輕則影響電能質(zhì)量，重則降低對重要用戶的供電可靠性，因而微電網(wǎng)同樣也存在與大電網(wǎng)相類似的供電可靠性問題。為保證微電網(wǎng)安全可靠經(jīng)濟供電，既需要研究確定性負荷需求下分布式供電策略優(yōu)化，同時也需要研究隨機性容量缺額事故下的備用配置策略優(yōu)化。當微電網(wǎng)出現(xiàn)容量缺額事故時，對于孤島模式下的微電網(wǎng)，此時可調(diào)用的備用資源包括不可再生DG 備用(non-renewable distributed generationreserve，NDGR)(包括燃料電池、燃氣輪機等新能源發(fā)電備用)、儲能裝置(energy storing device，ESD)(包括燃料電池、超級電容、燃氣輪機等)、低電價可中斷負荷(interruptible load with low price，ILL)以及高賠償可中斷負荷(interruptible load with highcompensation，ILH)[4]。對于并網(wǎng)模式下的微電網(wǎng)，此時可調(diào)用的備用方式除了上述之外，還將包括大電網(wǎng)事故支持備用容量(reserve capacity of faultsupport，RCFS)，因而RCFS、NDGR、ESD、ILL以及ILH 都可參與微電網(wǎng)備用配置。

微電網(wǎng)備用配置過少，不能滿足微電網(wǎng)安全可靠性要求，過多又會不必要地降低經(jīng)濟性，因而存在最優(yōu)值。為此，從可靠性與經(jīng)濟性協(xié)調(diào)角度，對微電網(wǎng)備用配置進行優(yōu)化將具有非常重要的意義。

為應對微電網(wǎng)可再生DG 的高度不確定性，作為微電網(wǎng)備用容量的購買方，配電公司如何從安全性與經(jīng)濟性協(xié)調(diào)角度去合理配置各類備用資源，已成為當前微電網(wǎng)新能源發(fā)電規(guī)劃與市場運營中迫切需要解決的重要問題之一，同時也是為滿足智能電網(wǎng)“自愈、安全、經(jīng)濟”技術特點與要求需要關注的重要方面。為應對微電網(wǎng)中可再生DG 的高度不確定性，完全依賴ESD 的經(jīng)濟性較差，而完全依賴可中斷負荷容易導致過控或欠控，因此NDGR 應該成為微電網(wǎng)備用配置的主體。作為微電網(wǎng)一種應急可控緊急發(fā)電備用資源，優(yōu)化NDGR 配置將成為微電網(wǎng)備用服務決策需要研究的重要內(nèi)容。然而，目前對NDGR 的研究較多側重于其參與微電網(wǎng)分布式供電[5-8]，有關備用配置優(yōu)化的研究主要集中在大電網(wǎng)，如優(yōu)化發(fā)電側備用容量[9-13](reserve capacity ofgeneration side，RCGS)、ILL[14]，對NDGR 配置進行優(yōu)化的研究較少[15-16]。文獻[15]將NDGR 視為大電網(wǎng)備用，針對各類NDGR 的經(jīng)濟互補特性，提出了綜合考慮經(jīng)濟性、可靠性、環(huán)保性評估的NDGR優(yōu)化配置模型。文獻[16]從風險管理與協(xié)調(diào)優(yōu)化角度，提出了NDGR 配置問題。迄今為止，針對微電網(wǎng)可再生DG 的高度不確定性，通過與RCFS、ESD、ILLC 以及ILHC 相協(xié)調(diào)，從風險管理角度對NDGR配置進行優(yōu)化的研究一直被長期孤立與忽視。

本文在兼顧安全性與經(jīng)濟性的前提下，從風險管理角度建立優(yōu)化微電網(wǎng)NDGR 配置的數(shù)學模型與尋優(yōu)算法，針對容量事故集對NDGR 的最優(yōu)配置進行風險決策，量化微電網(wǎng)運行模式、儲能以及NDGR 價格對NDGR 配置的影響。

1 大電網(wǎng)備用優(yōu)化配置技術應用于微電網(wǎng)的可行性分析

將大電網(wǎng)備用優(yōu)化配置技術應用于微電網(wǎng)，主要基于2 者在備用配置方面存在以下相似之處：

1)大電網(wǎng)與微電網(wǎng)都存在容量供需不平衡(容量缺額)問題。前者是由大電網(wǎng)中發(fā)電機組與系統(tǒng)元件故障、負荷需求的不確定性所引起，而后者則主要是由微電網(wǎng)中可再生DG 的不確定性所引起。

2)大電網(wǎng)與微電網(wǎng)配置備用方式具有一定的相似性。雖然NDGR 是否參與微電網(wǎng)備用配置大多由用戶自行確定，但是與電網(wǎng)公司預先指定一定數(shù)量的備用發(fā)電機組參與系統(tǒng)調(diào)峰一樣，作為微電網(wǎng)備用容量的購買方，配電公司完全可以采用與之相類似的手段去預先配置一定數(shù)量的NDGR 來應對微電網(wǎng)中可再生DG 輸出的高度不確定性。

3)為保證大電網(wǎng)與微電網(wǎng)安全可靠運行，都需要配置備用，且各自備用響應特性存在一定的相似性。大電網(wǎng)備用包括RCGS、ILL 以及ILH，而微電網(wǎng)備用則包括RCFS、NDGR、ESD、ILL 以及ILH。大電網(wǎng)的RCGS 存在瞬時、快速、慢速以及冷態(tài)4 種形態(tài)，而NDGR 中的燃料電池、微型燃氣輪機的響應時間分別為ms 級與s 級，這一點非常類似于大電網(wǎng)中的RCGS。

4)大電網(wǎng)與微電網(wǎng)備用服務決策都可以通過市場競價方式來組織管理。為了提高大電網(wǎng)與微電網(wǎng)備用服務市場公正性、抑制市場力以及激勵各方參與備用的積極性，大電網(wǎng)中的RCGS、ILL 以及ILH，微電網(wǎng)中的NDGR、ESD、ILL 以及ILH 都可以通過市場競價方式來組織管理。

5)為使大電網(wǎng)與微電網(wǎng)各類備用之間具有可比性，都需要量化各類備用的配置成本(容量成本)與調(diào)度風險(發(fā)電風險或停電賠償風險)，即都需要引入量化觀點。

6)為兼顧安全性與經(jīng)濟性，都需要量化大電網(wǎng)中RCGS 與微電網(wǎng)中NDGR 配置不足所帶來的安全風險，即都需要引入風險觀點。

7)為使大電網(wǎng)中RCGS 與微電網(wǎng)中NDGR 配置的經(jīng)濟性為最優(yōu)，都需要通過與其它各類備用相協(xié)調(diào)，并以各類備用的配置成本與調(diào)度風險之和最小為目標函數(shù)，而不是僅以配置成本或調(diào)度風險為最小進行優(yōu)化，即都需要引入?yún)f(xié)調(diào)與優(yōu)化觀點。

2 微電網(wǎng)各類備用之間的互補特性

由于RCFS、NDGR、ESD、ILL 以及ILH 都是在容量缺額事故發(fā)生后才被執(zhí)行，故從控制角度相互不具有技術互補特性，都屬于事故后控制(包括緊急控制、校正控制)，但相互之間具有較強的經(jīng)濟互補特性。為調(diào)用RCFS、NDGR 以及ESD，需要支付確定性的配置成本與風險性的調(diào)度風險。為中斷ILL 只需支付確定性的配置成本，無需支付風險性的調(diào)度風險。為中斷ILH，只需支付風險性的調(diào)度風險，無需支付確定性的配置成本。與電力系統(tǒng)穩(wěn)定性預防控制與緊急控制之間的互補性相類似[17]，上述各類備用之間的經(jīng)濟互補特性給綜合協(xié)調(diào)微電網(wǎng)各類備用、風險優(yōu)化NDGR 配置留下了空間。如果單純將配置NDGR 視為孤立防御，綜合配置微電網(wǎng)各類備用則可視為綜合防御。綜合防御無論是從技術還是經(jīng)濟層面，都要比孤立防御具有更好的性價比[18]。文獻[19]從物理與經(jīng)濟層面對微電網(wǎng)各類備用進行了較為全面地比較。

3 微電網(wǎng)各類備用代價的量化

3.1 NDGR 的配置成本與調(diào)度風險

按響應時間的不同，與對大電網(wǎng)中RCGS 的劃分相類似，NDGR 同樣也可分為瞬時、快速、慢速以及冷態(tài)4 種[13]。為調(diào)用NDGR 所付出的代價可表示為

4、 優(yōu)化模型

4.1 問題描述

在滿足微電網(wǎng)安全可靠性要求的前提下，圖1以容量與代價的關系曲線來描述NDGR 配置的優(yōu)化過程。從圖1 可以看出：1)隨Qg 增加，C1 隨之增加，而C234 隨之減少;2)當Qg>Qg.o 時，如果預先配置的Qg 過高，則C234 的減少量不足以彌補C1的增加量，可適當減少Q(mào)g 來減少C;3)當Qg

4.2 模型的建立

在滿足微電網(wǎng)安全可靠性要求的前提下，基于風險的NDGR 配置決策模型可表示為

雖然該算法不能得到最優(yōu)解，但能通過較少的計算量得到滿意解，因而較適合工程應用。顯然，基于代價的靈敏度技術將大大加快搜索速度。

5 仿真分析

5.1 計算條件

設研究時段tz 為10 h，該時段下RCFS 最大容量為5 MW，其容量與電量出清價格分別為200、400 元/MW·h。表1—4 分別給出了ESD、NDGR、ILL 以及ILH 市場價格與容量限制。表5 為容量事故場景。

5.2 基于風險的NDGR 配置決策

在并網(wǎng)模式下，針對單個容量事故，圖2 給出了Qg 與C 的關系。從圖2 可以看出：對于不同的容量事故，Qg 與C 關系曲線的相對位置不同;針對不同的容量事故，Qg 過小或過大都不合適，而應存在最優(yōu)值Qg.o;不同容量事故下的Qg.o 與Cmin 并不相同。為此，在制定NDGR 最優(yōu)配置決策方案時，需要考慮M。圖1 給出的就是考慮M 的決策結果，此時Qg.o 為17 MW，Cmin 為3.80 萬元。

5.3 影響NDGR 配置因素的敏感性分析

針對并網(wǎng)與孤島2 種運行模式，表6 給出了運行模式對NDGR 優(yōu)化配置結果的影響。在并網(wǎng)模式下，針對有無儲能2 種情況同時抬高NDGR 價格(包括容量價格與電量價格)，表7、圖3 給出了儲能、NDGR 價格對NDGR 優(yōu)化配置結果的影響。從表6、7 和圖3 可看出：1)并網(wǎng)模式下Qg.o、Cmin 要明顯小于孤島模式情況;2)儲能參與下的Qg.o、Cmin要明顯小于儲能不參與情況;3)隨NDGR 價格調(diào)價比率增加，不同容量事故下的Qg.o 都將隨之減少。

6 結論

長期以來，對微電網(wǎng)的研究較多地集中在分布式供電優(yōu)化、孤島檢測等方面，為兼顧微電網(wǎng)運行可靠性與運營經(jīng)濟性，開展微電網(wǎng)備用服務決策方面的研究一直被長期孤立與忽視。與大電網(wǎng)存在優(yōu)化RCGS 配置問題相類似，微電網(wǎng)同樣也存在優(yōu)化NDGR 配置問題，其實質(zhì)為風險最小化與決策最優(yōu)化問題，即在滿足微電網(wǎng)安全可靠性要求的前提下，如何優(yōu)化NDGR 配置使其配置風險為最小。

本文針對微電網(wǎng)中可再生DG 的高度不確定性，從有效應對微電網(wǎng)供電過程中可能出現(xiàn)的各類容量缺額事故的角度，將電力市場環(huán)境下微電網(wǎng)備用分為RCFS、NDGR、ESD、ILL 以及ILH。為提高微電網(wǎng)NDGR 配置的經(jīng)濟性，充分利用上述各類備用之間的經(jīng)濟互補特性，基于風險管理觀點與協(xié)調(diào)優(yōu)化理念，提出了NDGR 配置的優(yōu)化模型，并基于靈敏度技術的優(yōu)化算法進行求解，量化分析了微電網(wǎng)運行模式、儲能以及NDGR 價格對NDGR 配置的影響。通過仿真得到如下結論：

1)市場環(huán)境下，微電網(wǎng)各類備用之間存在著較強的經(jīng)濟互補特性，從而給協(xié)調(diào)微電網(wǎng)各類備用、優(yōu)化NDGR 配置留下了空間。

2)NDGR 配置過高或過低都不合適，存在最優(yōu)值，且不同容量事故下的NDGR 優(yōu)化配置結果并不相同。為此，在對其配置進行風險決策時，需要考慮所有容量事故，即容量事故集。

3)針對并網(wǎng)模式要比針對孤島模式、考慮儲能參與要比不考慮儲能參與更能提高NDGR 配置經(jīng)濟性，從而驗證了綜合協(xié)調(diào)與全局優(yōu)化的有效性。

4)本文的優(yōu)化模型不但優(yōu)化了NDGR 配置，而且實現(xiàn)了微電網(wǎng)內(nèi)部各類備用之間、RCFS 與微電網(wǎng)內(nèi)部備用之間的協(xié)調(diào)。

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