基于改进粒子群算法的微电网优化调度

发布时间：2016-07-22 21:40

1  绪论 

1.1  背景及研究意义 
今年来我国工业和社会经济得到了迅猛的发展，能源在国民经济和工业生产中的作用也越来越重要[1]。世界上使用的能源绝大多数是非再生传统能源，并且储量在逐渐减少，传统能源的大规模使用造成得能源危机、环境污染问题越来越严重，因此急需开发新能源，微电网发电技术是解决这一问题的有效途径之一[2]。 微电网是在以风、光、储、微型燃气轮机、燃料电池作为发电单元的基础上结合电负荷和热负荷组成的热电联供系统。根据微电网与外部电网的连接方式的不同，微电网系统的运行方式有并网运行和孤岛运行。当微电网与外部电网链接时，微电网可以作为大电网的一个可调控负荷，又可以作为发电系统，能为用户提供较高质量的电能或热能，是外部电网的有力补充，改善了外部电网的峰谷性能，保障了供电的可靠性。微电网能比较完善的应对电力系统中负荷的增长，能较大的降低传统能源的消耗，提高了能源利用率，降低了系统的发电成本实现了节能减排。同时为分布式发电单元与带电网的链接提供了较好的平台，充分的利用了分布式电源的发电优势。随着微电网发电技术的不断成熟许多国家都已经开始对微电网进行研究和开发，并在理论和实验方面且取到了一定的成果。 然而，实际中微电网在优化调度、能量管理方面仍然有很多问题没有得到解决，微电网调度与主电网调度有所不同，微电网的调度方案因微电网的运行方式不同而有所差异，使得微电网调度更加困难复杂，微电网的存在能很好的处理能源利用和环境污染之间的矛盾，并且是未来智能电网的核心，因而有比较好的发展前景。现阶段微电网存在技术难题主要是能量分配和调度[3,5]，主要是因为微电网中发电单元的组成方式比较灵活，输出电能波动比较严重。所以制定优化调度策略比较困难，同时对优化调度策略研究的标准也更加严格。 微电网技术和分布式电源能较好应对当今世界面临的能源危机和环境恶化两大难题，因此微电网在优化调度、能量管理方面的研究具有重要的理论意义和工程价值。 
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1.2  国内外研究现状
微电网发电系统有高效性、智能化、高可靠性的优势[6]。利用微电网发电的能够很好的解决当前能源危机的问题，微电网的运行方式比较灵活，既可以孤岛运行又能并网运行降低了分布式电源与主网直接连接时对电网的冲击。微电网优化调度是比较复杂的，是一个包含众多目标优化的问题[8]，由于微电网中各分布式电源的输出容易受到环境因素的影响，其输出具有较大的波动性，当微电源输出不稳定时微电网系统内的功率平衡受到影响，在保证环境污染最低和微电网的综合效益最大的前提下制定优化的调度策略，故在求解微电源的出力时更加困难。可以看出微电网系统的优化调度问题远比主网系统的调度复杂。 国内外许多学者提出了微电网的多目标优化调度。文献[9]研究了基于微电网系统中风能、太阳能发电的特点，建立降低微电网的运行费用和环境治理费用为目标函数，采用模糊控制理论的优化调度策略对微电网模型求解。文献[13]建立了微电网系统中分布式电源的数学模型，综合环境污染罚款和微电网发电费用，采用多通道迭代粒子群算法对模型求解。文献[14]建立了考虑微电网运行经济性和可靠性优化调度模型，采用了线型加权系数法进行求解。文献[18]研究了微电网的发电特点、用电负荷的不规律性运，，用蒙特卡罗模拟遗传算法对微电网模型求解。文献[20]分析了发电系统运行成本最低的机组组合模型，对发电成本和排放成本取不同的加权系数，采用遗传算法进行了求解。文献[22]采用混沌量子遗传算法优化问题的解，在很大程度上克服了微电网系统的输出功率随自然资源变化带来的不确定性。文献[24]在分析了微电网中各发电单元的输出特性和优化模型的基础上，采用混沌蚁群优化算法对微电网模型进行求解。文献[33]对各类微电源的发电原理和发电费用的数学模型进行了介绍，对微电网在收到气候变化等不定因素影响时，采用禁忌粒子群算法对模型进行求解。
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2  微电网发电单元的特性及数学模型 

微电网中分布式电源的种类很多，主要包括风能、太阳能、微型燃气轮机、燃料电池及储能装置。并且各个微电源的运行特性不尽相同，因此对微电源中各分布式发电单元的数学模型进行研究分析是微电网优化调度的基础，本章主要对系统中几种常见的微电源进行说明。 

2.1  风能发电的基本原理及模型 

2.1.1  风能发电的基本原理 
风能属于可再生的清洁能源，有较好的发展前景。风能发电单元主要组成分有风机、变压器、发电机、电子开关接口以及齿轮箱。风能发电单元组成结构如图 2.1 所示。风能发电的基本原理[6]是：风能发电机（Wind Turbine，WT）把风的动能经过风机旋转转化成机械能，然后风能发电机在风机带动下开始工作并将风机的机械能转化成磁能，再由磁能转化成电能。风机的输出功率随风速变化曲线如图  2.2 所示。当风速小于切入风速，风能发电机的有功功率输出为 0；如果风速小于发电机的额定值又大于切入值，则机组的输出与风速大小成线性关系；如果风速小于切出值大于额定值，风能发电机的工作状态输出为额定工作状态；如果风速大于切出值时风能机组将停止工作，风能发电机的输出为 0。 在建立风能发电单元的数学模型时，通常不考虑风机的安装高度、测量风速与实际风速的误差等因素对风能发电机输出功率的干扰。因此，通过对某时刻的风速进行预测，依据风电机组功率与风速特性的关系，即可求得该时刻风能发电机组的出力。 
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2.2  太阳能发电的基本原理及模型

太阳能是在世界上应用很广泛的清洁能源，传统的能源在使用时产生污染并且储存量在逐渐减少，而当今社会发展对能源需求量在逐年递增，在比较重视环境问题的今天，清洁能源越来越受到青睐，并在今后的社会发展中扮演着重要的角色。太阳能发电（photovoltaic cell，PV）[41]也是微电网系统中不可或缺的主要组成部分。由于太阳能收集比较方便，使用比较便捷资源也比较丰富，所以太阳能发电技术在未来的有着比较好市场前景。

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3  微电网系统优化调度模型 .......... 16 
3.1  建立微电网优化调度模型的目标函数 .... 16
3.2  微电网运行约束方程 ........ 19
3.3  微电网的运行模式 .... 20 
3.3.1  孤岛运行方式 .......... 20
3.3.2  并网运行方式 .......... 21 
3.4  微电网的优化调度控制策略 .... 21 
3.4.1  微电网并网运行调度策略 ...... 21 
3.4.2  孤岛调度策略 .......... 22 
3.5  本章小结 .... 22 
4  微电网的优化调度模型求解 ...... 24 
4.1  粒子群算法的简介 .... 24 
4.2  粒子群算法运算及改进过程 .... 25 
4.3  模型的算法求解 ........ 27 
4.4  本章小结 .... 28 
5  算例分析 ...... 30 
5.1  微电网系统组成模型及参数 .... 30 
5.2  微电网系统孤岛运行时仿真分析 .... 34
5.3  微电网系统并网运行时仿真分析 .... 37 
5.4  本章小结 .... 40 

5  算例分析 

本文构建了包括风能发单元、太阳能发电单元、微燃气轮机单元、燃料电池以及蓄电池分布式电源等的微电网系统。根据用电负荷的实际用电情况将一天分为用电高峰期、用电低估期、用电均衡期三个阶段。由于风速、温度、光照强度在一天内是逐渐变化的，所以其发电单元的出力也是不确定的，以一个小时为单位来划分微电网系统的优化调度时间，可以将一天设为 24 调度时段，而将一天作为微电网的一个调度周期，进行调度分布式单元的出力更加合理。以满足微电网系统运行的约束为前提，以优化调度策略为原则，微电网的微电网运行综合效益最大化为目标函数，用改进粒子群优化算法对微电网的目标函数进行求解。分别对微电网并网运行和孤岛运行进行仿真，仿真时以某典型日提供的参数作为依据进行仿真，并在并网运行时和孤岛运行时的调度策略下确定微电网中各分布式电源的最优出力，使整个优化调度周期运行最小成本费用，进而实现微电网系统的最优化运行。

5.1  微电网系统组成模型及参数 
本文以风、光、微型燃气轮机、燃料电池、储能装置为单元构建的微电网系统。微电网系统结构包括额定功率 40kW 风能机组、额定功率 20kW 的太阳能机组、额定功率50kW 的燃料电池组、额定功率 65kW 的微型燃汽轮机及额定功率 40kW 的储能装置。将微电网中负荷构成按照其的对供电可靠性的要求分为三个等级，其中一级负荷的额定容量为 60kW、二级负荷的额定容量为 50kW 及额定容量为 50kW 的三级负荷。微电网处于并网模式时应能保证系统中所有负荷用电的可靠性，当系统工作在孤岛模式下，微电网系统所提供的电能达不到负荷的用电要求时，应根据的负荷的重要程度进行依次切除以使微电网系统达到的供需平衡。微电网系统结构组成图如图 5.1 所示.
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结论 

由于微电网中分布式电源的输出具有波动性和不稳定性在微电网并网运行时将会给主网的安全运行带来影响，也直接影响负荷，本文建立了风、光、微型燃气轮机、燃料电池、储能装置等组成的微电网系统。并制定了微电网在不同运行方式下的调度策略和该策略下的目标函数，给出了微电网在运行时约束微电源出力的条件，确定微电源的出力，并对微电网的优化调度作进一步的研究主要成果如下所述： 
（1）建立了微电网系统中各个分布式单元的发电成本、损失费用数学模型，分析了工作特性微电网的总运行成本考虑了环境污染治理费用及设备运行维护费用。建立微电网优化调度的目标函数，环境成本函数，制定了微电网并网运行时的调度方案和孤岛的调度方案。 
（2）以某典型日负荷参数、自然参数为基础用改进的 PSO 算法对建立的数学模型进行求解，制定了分时段优化调度方案，并确定了微电网孤岛运行时在峰、谷、平三个阶段的出力，分析比较了微电网采用常规调度策略和采用优化调度策略的综合效益；分析当微电源并网运行时，微电源在不同阶段内的出力和不同调度策略下微电源的综合效益。最终验证了算法的正确性和优化调度方案的可行性。 
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参考文献(略)

本文编号：75258