考虑光伏余电上网的微网出力决策分析及经济效益评估_肖浩.pdf

第卷第期电力系统自动化年月日：考虑光伏余电上网的微网 出力决策分析及经济效益评估肖浩，裴玮，孔力，齐智平，欧阳红，沐连顺中国科学院研究生院，北京 市中国科学院电工研究所，北京市南 瑞集团公司（国网电力科学研究院），北京市摘要：分布式光伏余电上网政策性补贴给微网的优化运行带来了新的机遇与挑战。以微网运行的净收益最大化为目标，分析了光伏余电上网补贴对于微网出力决策的影响，建立了考 虑光伏余电上网的微网 系统综合决策调度模型。采用序列二次规划（算法进行求解，以实际微网 系统为例，对比分析了含光伏的微网分别接入居民区、商业区、工业区等不同场景下的出力及经济效益的优劣，并评估了光伏容量及上网 电价对收益和成本的影响。关键词：微网（微电网）；光伏余电；优化运行；序列二次规划算法；经济效益引言动时产生的电能交易问题，但对于多种电价类型下生体必曰尤您、士八 女产、库、士￥片仇的对比没有给出分析。综合看来已有文献在优化光伏发电具有资源丰、分布广泛、清洁无污染、绝土七曰辱、跌作打中重点大 多聚 焦在智目优化算法在微网经济调等特点，是最具开发潜力的可再生目旨源之一。但士山口、土山工廿电出曰古叫曰姑丨”盼山命成工度中的应用，而且在优化决策中也仅将光伏发电考由于其发电具有明显的间歇 性，而且输出功率受天古廿虑为低维护成本、无燃耗、无排放的不可调度微源，气变化影响大，为了提 高其可靠性，减小其并网时对土、此业体沾、士战匕绝八士取士从、曰八未 涉及光伏的经济性，问时对于微源决策影响的分大电网的冲击，集成光伏、储能等分布式发电的混合￥析及经济 效益评估的研究较为匮乏。能源微网巳成为研究热点，并受到了广泛的关曰：随着国家新政策的密集出分布式光伏发电并网进程开始迈人了个崭新的阶段，根据国家电伏网政策、上网电价、财政 补贴等众多不网公司最新发布的关于做好分布 式光伏 发电并网服 务工作的意见于分 布式光伏发电分散接人低确定侧，针对紗械倾的麵雜的研究多集中在如何平抑光伏 波动题，而对廿山、丨策全额收购苜余电力。这一变 化 给含分布式光其中经济；仃优化问题的研宄仍较少。文献伏的微网仃与优化决策带 来了新的机遇与挑战，中建立了包括光伏发电的各类分布式 发电单兀的经业体么由；光伏余电上网的政策性补贴势必会给光伏的微电网优化运行带来定的影响，因此亟须对于光伏余了上网补贴背景下的微网 出力决策及经济效益作进化调度模型，并分别用不同的优化算法进行了求解，但没有考虑运行策 略及购电电价类型等对运行的影一门在此背 景下，本文以含光伏的微电网为研究对象以其运行的净收益最大化为目标，建立了计及光伏余电上网补贴收益的微电 网综合经济优化模型。浦型可以抽象为类多约束、非 线性的复杂规划机模拟 技木的粒子群优化算法求解模型，但目标考丨、丞田良说丨一了卡袖问题，采 用序列一次规划（算法 进打了求解。虑有些单一。文献中建了曰光伏微网系统的甘、丄在此基础上，以头际不范工程中的光伏微网系统为经济性模型，计及了分时电价的影响和潮流双向流例，首先对比分析了光伏余电上网补 贴与不补贴情形下的微网出力及经济效益，接着讨论了微网分别收稿期：修面曰期：。接人居民区、商业区、工业区等不同场景下的出力及国家自然科学基金资助项目国家电网公司科经济效益的优劣，最后评估了光伏容量及上网 电价技项目“基国际标准的智能营销业务等因素对翻运行收益和成本的影响。化支撑技术研究”。?绿色电力自动化肖浩，等考虑光 伏余电上网的微网出力决策分析及经济效益评估微网出力决策综合模型比例关系取比值为，则有日可调 度微源的燃耗成本可依据各微源的燃耗成本模型得到限于篇幅，各 种分布式电源的 排放及其惩罚因子的具体参 数见文献。微网中蓄电池的充放电过程往往是非固定完整：隨环过程，在不规则的充放电循环中，可利用储能？細寿命损耗快慢程度与放电深度的关系进行等效折算，其中储能完 整循环一次的损耗成本为：本，即获得了收益；另一方面，考虑微网与 主网之间的能量双向互动，微网也可向电网输出富余电力而。获益。因此：为了济式中二蓄电池初 始 投资成本；为储能文考虑以微网运行的净收益最大化为优化目标，其“中微网运行的成本主要考虑有：可调度微源的燃耗彳麵运行巾需要满足的约賴制具体如下。行的收益主要考虑有：向微网内负荷供电的收益、向微网内功率衡束大电网售电 的收益。综合决策模型的目标表述为：一丨是儿、可 调度 微源 的出力上下限 约束：式中：丨；和分 别为第；个微源的最小和最大可能输出功率。“可调度 微源的出力功率爬坡约束；式中：。为微网运行中的总收益；。为微网运行：中的总成本；为向第个可调节负荷 供电式中尺。和分别为可调度微源每小时的上下爬的收益；为向第个不可调节负荷供电坡率限幅值；为次调度之间 的时间间 隔；的收益；为微网向大电网售电的收益；为第个微源在第？个时 段的出力。为第个 微源的燃耗成本。为第联络线传输功率容量限制个微源的运行维护成本；为第个微源的污染排放惩罚成本；为微网向大电网式中：和口分别为 微网与大电网之间 按照合购电的成本；为储能运行损耗的折算成本；同允许 传输的最小和最大功率。为可调节负荷个数为不可调节负荷个数；储能单元的荷电状态约束为第个可调节负荷的功率；为第个不可调节负荷的功率；为微网与大电 网之间的交式中：和分别为储能荷电状态的上下限值。换功率，为正值时表微网向大电网购电，为负值时山、雄：先伏余电上网补 偿对微网出力决策的影表不微网向大电网售电；为微网 中微源个数；。为第个微測出力；，为储鮮元的出力。在某一个时刻，购电与售电不能同时进行，因此考虑光伏余电上网补贴时模型的修正将式（中微网售电收益与购电成 本分别表述如下：根据文献中新出台的政 策的规定，分 布式一光伏余电上网将 享 受一定的财政补贴，这一改变使得第节中的综合模型不再完全适用。因此，为了更加全面地对微网的经济效益进行评估，必须考虑光伏余电上网的补贴收益，并 建立计及光伏余电上式中：和分别为微网向大电 网购电、售电电价。网补贴收益的微网综合 决策模型。各微源的运行维护成本通常与其输出功率成正本文假设光 伏余电上网补 偿后的收购 价格为2014，安力系认劝伐元，且对于光伏余电上网补偿带 来的收终的机组出力会有较大差别，亟须评估不同场景下益的计算规则 如下：若微网系统总装机容量为，含光伏的微网接人的经济性，以便为微网接入的场光伏发电安装容量为，微网与主网之间的交换景选择提供技术指导。功率为，则对于单节点接人下的微网系统，基对于选定的微网接人场景下，不同的光伏安于潮 流追踪的计算结果可知，潮 流的分布与电源容装容量及 不同的余电上网电价也将使得收益与成本量按比例分配的结果基本相近，因此可以考虑对于不一样，因此需要对其影响进行逐一评估，对于光伏总的余电上网电能通过简单的比例分配来 近似计算余电上网不补贴 时的分析可以类推。光伏余电上网的电能。假 设普通余电上网 电价为、光伏余电上网电价为则光伏余电上网背景下微网 向大电网售电的收益为：本文建立的含光伏的微网 的综合出力决策模型可以抽 象描述成如下的优化问题：据此，相应的综合决策模型的目标函数修正为：，一式中：工）为优化目标函数。）为 等式约束，对应微网内功率平衡条件为不等式约束函数。可以看出，微网内分布式电源出力决 策问题属于一个典型的多约束、非 线性规划问题。针对该类非线性规划问题，传统的数值解法 很难求解，本文引人算法对上述优化调度模型进 行求 解。算法是一种尤其适用于求解中小规模且包含约束的光滑非线性问题的求解方法，其原理主要是利用一式中：为考虑光伏余电上网补贴后微网 向大电 网系列的线性规划或二次规划来逐次逼近原非线性规售电的收益。划问题该算法具有很好的全局收敛性，而且具有超光伏余电上网补贴背景下的分析 与评估思路线性的收敛速度。基于算法对构建的综合如 图所示，在建立的考虑光伏余电收益的综模型进行了求解，运行求解的流程图如图所示。合模型基础上，可以从如下个 方面对光伏余电 的影卩向浩。丨数据准备工基础数据丨丨是否补偿对比丨丨场景对比分析：影响评估分析输人当地光照强度、环境温度曲线风速曲线光伏余电上网”随上网电价变补偿；平均电价）一化的影响丨鹏觀觥力丨需要调整设人场景工区场景场景场景重新设定网电￥居区居“区工业商业光伏余电上网么实时电价随光伏容量变（平均电价）（实时电价）区峰谷电价）伏 容量不补偿费居民区化的影响需要调”图影响分析与评估示意图电是否电是否电是否重新设定光伏容昼补偿补偿设定分布 式电对于光伏余电上网补贴与不补贴情形下的出力决策不同进行分析，同时对比种情形下的收益计算余电收益卜基于二法求解丨与成本的变化情况。建目：标函每：存当前浦到由于含光伏的微网可能接入的场景有 多种，丨设定约束条件分布式，化出力包括 居民用户区，商场、医院等商业区，以及工业区等，这些场 景下微网向主网购电的电价不尽相同，居民区购电电价为平均电价，商业区、工业区购电 电价输出结 果计算总收益总成本、净收益为峰谷电价，以及未来可能会推广 实施的居民区实图运行求解流丨呈图、时电价，在这 些不同场景下含 光伏的微网接人后最一?绿色 电力自动化肖浩，等考 虑 光伏余电上网的微网出力决策 分析及经济 效益评估算例分析不同接入 场景下的机组出力对比分析通过输人实际算例系统的准备数 据，采用系统 参 数算法对前面建立的综 合 决策模型进 行 求解，这里假本文选取北已建成仃的光伏 微网为分 析案士士处八化、，八例。微网中 的分布式发电单元包括风电机组、光伏、微型燃气轮机、蓄电池。模型基础数据包括光照民二、丨、民上由二由：度曲线、环境温度曲线、风速曲线等，根据该地点某月的风速、辐照 度、温度气 象数 据可得出单台风电机组和光伏的可输出功率值，将单台风电机组和光伏见附的可输出功 率及负荷曲线作为输人数 据，曲线：欠米姬的作矣粉石主性将其与遗传算法（的优 化计算结果进行了图各类微源的基本性数儿表至表。对比。以工业区峰谷电价场景下为例，计算结果 均取次重 复试验下的平 均值，算法计算得到负荷的一天的净收益为元，计算 时 长为算法计算得到的一天的净收益为光伙元，计算 时长 为。这表明本文所 用算法能够快速、准确地求解，在处理本文图典型曰负荷、风电机组、光伏预测出力曲线的综合 模型上是切实有效的。基于算法求得的种 不同场景下考虑光伏余电上网补贴后的微网曰前优化发电计划如图所示。表微网基本参数凯一乂功率下限上限（、微型燃 气 轮 机；丨蓄 电池一微型燃 气 轮机居民平均电价）（商业谷电价）风电机组表各分布 式电源 排放参数、污 染 排 放 参 数电源类型微型燃气轮 机业区峰谷电价）（居民区实时电价）燃 料电池微画气轮机翻燃气轮机蓄电池；一电网柴油机图种不同场景下分布式电源出力决策结果惩罚价格元表各分布式电源维护参数居民 区场景下，微网中负荷较轻，可再生能源和微型燃气轮机发出的剩余电量优先给维，錄“元（蓄电池 充电；，随着负荷 功率的不断增大，微微机型燃气轮机以最 大输出功率运行，蓄电池 在满足柴油机微网安全可靠运行的基础上，若有剩余电量也可向外网售电来获取更大 收益，故 蓄电池处于放电状态；表各分布式电源燃耗，数末蓄电池的剩余容量已接近下限为保证蓄电池一个调度周期后回到初 始状态，对蓄电池开始充电源类型一、（元电在由于处于晚间负荷高峰 时段，台微型燃气 轮机微型燃气轮机及主网均投人以满足负荷需求。燃 料电池商业区和工业区场景下，由于峰谷 价格的调节作用，微网向主网购电的时段更多地被转移到了2014,38(10)旁彡系认匀劝伙谷价段，如图中的。而在晚间负荷高峰期，分 析，不失一般性，只选 取居民区一种场景进行分如图中的，由于处于电价 峰值区，微网购析，对于商业区及工业区 的分析可以类推；假定上网电成本相比分布式发电单元的成本要高，此时台电价从元变化，光伏容量比例微型燃气轮机成为主要的供电机组。因此，峰谷电从变化，得到各种测试条件下的结果价场景下微网与主网之间交互功率的峰谷差减小，见图至图和附录表。图中，情况有 利于增强微网相对于大电网的“友好性”，同时也，依次表示光伏容量比例为，有 利于提高微网的经济性。实时电价的居民区场景下，主网与微网 的互一动因电价的实时调节作用更趋频 繁，微网向主网的购电成本相比分布式单元发电成本更具经济优势，故在整个周期中的多数时间内，从主网购 电成为微讀网内负荷主要的供电方式，微网的经济性相比峰谷电价下得到了进步提高。不随入線下隨济效制比为了更加清晰地对比不同场 景下的经济效益，可以固定其 他影响因子：如微网余电上网电价及光图总收益随上网 电价和光伏容量变化的影响伏容量等，分别讨论种场景，同时每种场景下均对比了光伏余电上网补贴与不补贴 时的经济效益，求解得到的结 果如图和附录表所示。口！居民区居民区商业区工业区平均电价 实时电价峰谷电价峰谷电价电协余电补偿时的总成本；余电不补偿时的总成本辟余电补偿时的净收益；余电不补偿时的净收益图种场景下经济 效益对比图总成本随上网电价和光伏容 量变化 的影响从图和附录表中 的结果分析可以发现：在同一场景下，考虑光伏余电上网补贴后，相比不补贴时的情形，微网运行的经济效益均有了提高，贤净收益增长了约。这主要是因为光伏余电上“网后的上网 电价高于普通上网电价，进而同优化运行策略站刚饺：程巾絲難馳錢高。另方面，从不雕制絲看，細的居民区场 景下的经济效益更大，更加适合含光伏的微网的接入，这也与节的分析结论一致。主八丄山图净收益随上网电价和光伏容量 变化的影响要有二方面的原因：因为头时电价下微网 向大电网购电的成 本一直可以与分布式电源发电成 本相竞争，竞争的结果是分布式电源的出力和电网的出力会更优由于储能的削峰填谷細，可以将谷时的胃低价电购进，然后负荷 峰值时售出；由于负荷峰与实时电价峰值错开，会引导微网按照低 价购电，高因为上网电价越高，微网向大电 网售电获得的收益也越大；光伏容量 越大时，光伏余电的比例也越大，影响因素评估与分 析相应的余电网收也越 大。时，可以看出总收以上网电价及光伏安装容量为例进行了敏感性益随上网 电价的影响较大，随光伏容量的影响较小，?绿色 电 力自动 化肖浩，等考 虑 光伏 余电上网的微网出力决策分析及经济 效益评 估分析来看 主要因为本文选取的微网算例中光伏的装化有重要的参考 价值，进一步也可为含光伏的微网机容量较小，光伏余电上网部分占总上网电能的比系统如何合理参与电力市场提供一定的理论指导。例较小普通余电上网的电能则比例较大进而导致附 录见本刊网络版（总收益受上网电价的影响会较大。由图可以看出，若上网电价达到一定程度后，总成本随上网电价的增长不再变 化，究其原因是因考文献为上网 电价达到一定 程度后，为了获取更大的收益，可调度分布式电源基本都处于满发电状态来更多地向电 网售电，此时，根据网络功率的平衡约束，微网厂向大电网售出的电也相应地确定下来，因此总成本。也不再变化。由图可以看出，净收益随上网电价的增长和，随光伏容量的增长均呈现增大的趋势。因为上网电丨价的增长会更加刺激微网向大电 网卖出的电能增鲁宗相，王彩 霞，闵勇，等微电 网研究 综 述电力 系统自动化，长，光伏容量的增 长 会进一步地增大光伏余电上网的收益，因此净收与两者之间均呈现问步增 长的趋势综上，考 虑光伏余电上网的补贴后，在一定范围，内，微网运行收益随上网电价和光伏容量的增 长均会呈现增长 的趋势。微网的运行成本会受分布式电。源出力上下限及微网内功率平衡的约束而出现饱：和。虽然此时净收益的增长率会更快，但并不意味着光伏接人越 多越好，方面，由于光伏发电的波动张颖美琴，中控 制 式酬系统的 稳 态 建 模与运行优化电力系统自动化，性和随机性，更多的光伏接人会给微网系统带来更，大的功率波动，在不增大储能容量的条件下，储能为。平抑其波动 则需要更多频 繁及深度的充放电，这无疑会增加储能的运行 成 本，其经济效益 会下降。另。丄从丄从士、，一方面，随着光伏容量增加，若上网电价较 高，为了获取更大的收益，可调 度分布式电源会尽可能地多发电来向外电 网售电，那么在天中的多数时间内，：可调度分布式发电单元的输出功率 会逐渐 趋于上限，如附录图所示，此时微网对光伏波动的调王锐顾伟吴 志含可 再生能源的热电联供型微网经济运行优化电力系统自动化，能力会逐渐 饱和，更多的光伏接人会导致微网运行不可控，最终经济效益的提高将 会以牺牲微网的。安全性及可靠性为代价。、：结语杨佩佩，艾 欣，崔明 勇，等基于粒子群 优化算法的 含多种供能系统的微网经济运行分 析电网技 术，本文考虑光伏佘电上网补偿政策的响，以白光伏的微网运行净收益最大化为目标，建立了考虑光伏余电上网的微网综合决策调 度模型，同时基于实际算 例数据对于光伏余电上网情形下的微网进行。：山士士雄八扣功以社却乂沾、杰牛铭黄 伟郭 佳欢等微网并网时的经济运行研究电 网技了出力决策分析和经济效益的评估，算例分析证明了本 文所提出的模型的合理性。本文的分 析与评估对于含光伏的微网系统的接人场景 选择及其运行优2014,38(10)?力系地食动，：国家电 网公司关于做好分布 式光伏发 电 并网服 务工作的意见：北京：国家电网公司，陈健，王成山，赵波，等考虑储能系 统特性的独立微电网系统经济 运行优化电力系统自动化，：陈达威，朱桂萍微电网负荷优化分配电力系统自动化，：，；，：肖浩（男，通信作者，博士研究生，主要研究方向：微网的能量管理与协调控 制技术。山：裴糾服一）男副研究员主要研究方向：含分布，式能源 的电 力系统分析、微网运行控制和智能电 网。孔力（男，研究贸博士生导师，主要研究方向：电 力电子、分布式发电与微网。，；编辑孔丽蓓），；：；