风光联合发电微电网系统电源优化配置

发布时间：2016-06-21 06:42

第 1 章 绪 论 

1.1 课题研究的背景及意义 
随着电力行业不断发展，集中式大电网成本高、运行难度大、对环境污染严重等弊端日益凸显，用户对于用电的安全、可靠及环保、经济等方面要求也越来越高，电力供需矛盾越来越大。尤其在世界范围内，近些年接连发生大面积停电事故，大电网将它的脆弱性暴露出来。同时，发展低碳经济、建设生态文明，实现可持续发展[1]，已经成为全人类的迫切愿望，开发清洁无污染的可再生能源已经成为世界各国的重要发展战略。这样的背景下，分布式发电应运而生。分布式电源非常清洁、能源利用率很高、安装地点极其的灵活[2]，适应了低碳经济发展，与传统发电相比，分布式电源可以实现对电力的就地消化，从而减少大电网输电资源，减少输电线损，极大地提高经济性；分布式发电在提高电网峰谷性能，改善电压质量，提高负荷功率因数等方面也具备极大的优势，这可以极大提高系统运行可靠性，同时，风电、光伏等环境友好型可再生能源发电技术的逐渐发展成熟，分布式电源发电结合大电网发电日益成为一种趋势。现在较成熟的分布式发电技术主要有光伏发电（Photovoltaic，PV）、风力发电（Wind Turbine，WT）、微型燃气轮机（Micro-Gas Turbine，MT）和蓄电池（Battery，Bat）、超级电容器（Capacitor，Cap）等几种形式。  然而，随着分布式电源渗透率不断地提高，很多问题也逐渐凸显。对于大电网来说，分布式电源是一个不可控电源，分布式电源的接入将影响传统配电网潮流、电压、电能质量、网损和保护配置等方面 [3-5]。然而，为了生态文明能够更好地建设，节约不可再生能源势在必行，同时需要大量减少二氧化碳的排放；而且为了确保电网的安全稳定，负荷中心又必须拥有一定比例的电源，从而形成电能就地平衡的运行模式。大电网与分布式发电间的矛盾日益激化，为了解决这些矛盾，我们必须发挥在能源、经济及环境等方面分布式电源所具有的优势，因此，微电网，这种新的分布式能源组织方式和结构应运而生。分布式电源、负荷、储能装置、控制装置结合在一起，构成了微电网系统，运行非常灵活可控，这成为实现能源多元化和高效利用的重要技术手段[6]。
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1.2 微电网研究现状
美国微电网会议于 2006 年开展，美国能源部详细地讨论了微电网今后发展计划。基于国内能源短缺、负荷逐渐增长的现实情况，从而实现对配电网能源结构的优化，同时满足用户对于多种电能质量的要求。目前，该系统被日本作为实现微电网非常重要的形式。欧盟提出了更加全面和完善的微电网模型，采用不全带有电力电子的微电源，采用数字式智能保护设备，采用 CAN 总线实现设备通信。美国、日本、欧盟大力开展微电网研究，与此同时，加拿大、澳大利亚等国也开展了微电网研究。就可靠性、可接入性、灵活性 3 个方面，国外主要国家进行了相关研究，同时各个国家就开展智能化、利用多元化的能源、个性化供给电力等方面技术研究[8]。我国在微电网研究方面处于实验、示范阶段。我国自 2000 年起把微电网技术纳入国家“863”计划、“973”计划专项资助研究。2006 年，清华大学对微电网领域开始展开一系列探索，建设了包含可再生能源发电、储能设备和负荷的微电网试验平台。2008 年，天津大学、合肥工业大学分别展开了对于微电网的实验测试研究。天津大学侧重研究不同形式能源的协调调度；合肥工业大学侧重对于微电网能量管理系统级运行控制的研究。2010 年，国家电网公司在郑州建立“分布式光储联合微电网运行控制综合研究及工程应用”的示范工程项目，同时“分布式发电/储能及微电网控制技术研究”示范项目在西安建成。2010年，“863”计划中的“分布式功能课题冷电联供系统示范工程”由南方电网公司于佛山开展。由国家能源局公布的《可再生能源发展“十二五”规划》也进行了明确阐述：我国计划于 2015 年将建成以智能电网、物联网和储能技术为支撑的 30 个新能源微电网示范工程[9]。  
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第 2 章 风光联合发电微电网系统电源优化配置理论及方法 

2.1 引言
微电网可以在独立运行与并网运行模式间平滑切换，独立运行是在电网需要或发生故障时与主网断开，依靠自身微电源和储能单元进行供能的状态。并网运行即利用公共连接点 PCC 将大电网和微电网相结合，微电网与大电网可以因此而进行电能交换。微电网的两种运行状态能够确保为用户提供更多收益。针对微电网不同运行模式，配置原则各有区别。 图 2-1 展示了微电网基本框架结构，其中，风能发电、光伏发电等多个微电源共同构成了微电网的供电系统，负荷分为重要负荷、过渡负荷及可中断负荷，由于风光出力相关性和负荷功率相关性、不确定性等因素会给系统带来极大风险，为降低风险，提高系统运行稳定性和可靠性，微电网中还引入了微型燃气轮机及多个储能装置。微电网系统采用断路器、公共连接点 PCC 与主网联系，对外看来，微电网即为一个整体。 
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2.2 微电网电源并网及独立运行优化配置研究
根据上节内容所述，微电网有独立运行和并网运行两种运行方式。并网运行时，当负荷电能需求大于微电源发电时，微电网从主网中吸收部分电能，当负荷电能需求小于微电源时，微电网向主网输送多余电能。当主网发生故障或运行需求，微电网过渡到独立运行模式。微电网独立运行时，，要保证独立运行期间微电网能够稳定运行，最大限度地给更多负荷供电。并网运行微电网与大电网连接在一起，它采用了公共连接点 PCC 实现这一连接，当微电源电能产出大于负荷需求时，将多余的电能卖给大电网；反之，微电网缺电或者微电源发电成本大于向大电网购电成本时，向大电网购电来满足供应需求。 并网运行微电电源优化配置时需要从以下几个方面展开研究： (1) 基于 Copula 理论，考虑风光联合出力相关性，考虑不同负荷功率间的相关性，建立风光联合出力模型和负荷模型。基于蒙特卡洛法，考虑不确定性因素，构建低碳价格模型。 (2) 假设系统中只投入新能源发电，由于新能源发电出力和负荷功率不确定性因素会给系统安全可靠运行带来极大风险，采用历史模拟法得到只包含新能源发电的微电网在不同置信水平下的风险价值，基于此投入微型燃气轮机和储能装置，建立微型燃气轮机和储能装置模型。 (3) 在碳排放机制下建立考虑投资成本和运行管理费用、燃料费用、低碳费用和向大电网购售电费用构成的综合经济成本为目标函数，采用随机潮流算法得到节点电压越限率，考虑电压稳定约束，构建微电网电源优化配置模型。 (4) 提出将杂草优化算法应用到微电网电源优化配置中，并结合网格法改进杂草优化算法，分别采用粒子群算法、杂草优化算法和改进的杂草优化算法求解微电网电源优化配置方案，比较分析证明改进杂草优化算法有效性。 (5) 采用算例分析微电网各单元相关性，阐明相关性建立的优化配置模型的优越性，分析系统相关性对可靠性指标的影响。 
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第 3 章 微电网中各单元模型建立 ...... 14
3.1 基于 Copula 理论的新能源发电单元及负荷建模 ......... 14 
3.2 微电网风险价值 ........ 21 
3.2.1 在险价值 ......... 21 
3.2.2 历史模拟法 ....... 21 
3.3 微型燃气轮机模型 ...... 22 
3.4 储能装置模型 .... 22 
3.5 微电网中其他不确定因素模拟 .......... 23 
3.6 本章小结 ........ 24 
第 4 章 并网运行微电网电源优化配置研究 .... 25
4.1 并网运行风光联合微电网系统电源优化配置模型建立 ..... 25 
4.2 算例分析 ....... 30
4.3 本章小结 ....... 35 
第 5 章 独立运行微电网电源优化配置研究 ....... 36 
5.1 独立运行微电网电源优化配置模型 ...... 36
5.2 算例分析 ....... 40 
5.3 本章小结 ....... 42 

第 5 章 独立运行微电网电源优化配置研究

合理地利用地理优势，开发利用太阳能、风能等可再生能源，可以很好地解决山区、边防、海岛等偏远地区用电问题。风能、太阳能出力具有波动性，不确定性，单独使用风力发电或者光伏发电都存在供电缺陷，为提高系统稳定性和可靠性，需要加入大量储能装置平抑功率波动。风能、太阳能具有相关性，互补发电能够“取长补短”，优势互补，从而获得质量较好的电能，在满足供电稳定可靠基础上，实现电源的优化配置。“十二五”时期新能源和可再生能源等低碳技术的发展得到政策扶持，成为发展的一大趋势。通常偏远地区的电网，利用大电网延伸过来，解决这些地区的供电问题耗资巨大，因此这些高度自治地区的电网构成微电网往往独立运行。 然而，目前，石油和天然气依然是当前及未来一段时间内世界最主要一次能源，为满足国民经济和社会发展的需要，我国为了保障国家能源安全不断加大海洋石油勘探开发力度。“十二五”期间，国家将进一步加强海上石油天然气资源的勘探和开发 [52]。在低碳理念、节能减排的压力背景下，为了尽可能的减少二氧化碳的排放，对于海上平台的电源优化配置中我们引入可再生能源，就可以既满足当前石油天然气的开采，又可以顺应环境保护趋势。 海上油气田的电站燃料主要是油田生产的伴生气，因此油田组网机组的发电量很大程度上受天然气产量的限制。为解决供电不足，如果引入岸电实现并网，实际油田离岸边较远，海缆价格昂贵，施工困难等因素导致实际操作的艰难。而引入可再生能源不仅可以弥补发电量不足，利用海上充足的风能资源并且还可以实现无污染、零排放的环境效益。本章以某海上油气田构成的微电网系统为研究对象进行电源配置。 

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结论 

能源需求不断地增加，环境问题也逐渐突显，低碳经济、生态文明、可持续发展的实现成为一大趋势。开发清洁无污染的可再生能源是应对能源环境挑战的重要战略决策。含可再生能源联合发电的微电网——新型能源网络化供应与管理技术，可以灵活地将可再生能源接入电网，实现负荷需求和能源的最大化利用。同时，它能够降低线路损耗、提高供电可靠性等。因此，这些都对于微电网技术的研究有着不可估量的影响。 微电网优化配置是在考虑能源分布、气候条件、地域环境，在国家能源政策基础之上，结合电网运行调度策略，解决微电源与电网协调配合问题，综合考虑微电网并网和独立运行方式，采用科学算法确定微电源的最优位置和容量，从而实现微电网可靠、经济、环保运行。 本文介绍了国内外微电网发展历程及微电网电源优化配置取得成果。在此基础上，对含有风光联合发电微电网系统电源优化配置展开了深入研究。论文的总结及取得成果如下： 
(1) 介绍了微电网基本结构，阐明了微电网在并网运行和独立运行两种模式下电源优化配置的方法思考虑环保、经济、可靠性等方面，提出了不同方式下优化建模模型。 
(2) 考虑同一地区的风能和太阳能的相关性，及不同负荷功率相关性，基于 Copula 理论建立新能源发电单元及负荷单元模型。由于可再生能源发电间歇性、波动性因素，常常会使系统运行具有极大的风险，采用历史模拟方法计算得到微电网运行规划中的风险价值，实现对包含可再生能源发电的微电网的风险评估。为有效地促进系统节能减排，合理地建立碳排放价格模型。 
(3) 以考虑投资成本、低碳费用、并网运行电能交易等综合经济成本为目标，构建微电网电源优化配置模型。采用改进的入侵杂草优化算法求解最优方案。结果表明改进的入侵杂草算法收敛速度快，寻优能力强。最后，以某小区14 节点系统为研究对象，分析了微电网各单元相关性，阐明了结合相关性建立的优化配置模型的优越性，验证了模型和算法有效性。 
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参考文献(略)

本文编号：59671