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(shù)應(yīng)用于微電網(wǎng)的可行性進行深入分析的基礎(chǔ)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(xué)模型，提出基于代價對參數(shù)的靈敏度來指導(dǎo)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(jié)果表明，NDGR 配置過高或過低都不合適，而應(yīng)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(yīng)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(shù)特點與要求需要關(guān)注的重要方面。為應(yīng)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(dǎo)致過控或欠控，因此NDGR 應(yīng)該成為微電網(wǎng)備用配置的主體。作為微電網(wǎng)一種應(yīng)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(wù)決策需要研究的重要內(nèi)容。然而，目前對NDGR 的研究較多側(cè)重于其參與微電網(wǎng)分布式供電[5-8]，有關(guān)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(cè)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(xué)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(shù)應(yīng)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(shù)應(yīng)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(yù)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(yù)先配置一定數(shù)量的NDGR 來應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(wù)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(wù)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(shù)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(yù)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(shù)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(yīng)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