基于系统等效电价最低的微网系统设计方案及测试平台

摘要

本发明提供了一种基于系统等效电价最低的微网系统设计方案及测试平台，微网系统的各子系统至少包括风电机组、光伏机组、储能装置、水轮机组、柴油机或者燃气机组，通过分析微网系统的各个子系统不同的负荷特性、自然资源、电源类型，确定微网系统的结构，建立微网各子系统电气、成本模型，综合考虑微网构建的投资成本、电源发电的等效成本、负荷功率需求增长等变化参数进行分布式发电电源的选取以及容量配置，以系统等效电价最低为目标构建微网系统，从而快速得到满足经济性要求的微网系统设计方案，并采用MVC模式形成微网系统测试平台。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统分布式发电微网系统的技术领域，涉及一种基于系统等效电价最低的微网系统设计方案及测试平台。

背景技术

随着分布式发电技术的不断发展及常规能源的逐渐衰竭和环境污染的日益加重，世界各国日益关注分布式发电技术(DistributedGeneration—DG)。分布式发电一般是指发电功率在数千瓦至数兆瓦的模块化、分散式、布置在用户附近为用户供电的连接到配电系统的小型发电系统，将分布式发电系统以微网的形式接入大电网并网运行，与大电网互为支撑，是发挥分布式发电系统效能的最有效方式。微网是指由分布式电源、储能装置、能量变换装置、负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统。微网是分布式发电的重要形式之一，微网既可以通过配电网与大型电力网并联运行，形成一个大型电网与小型电网的联合运行系统（并网运行模式），也可以独立地为当地负荷提供电力需求（孤岛运行模式）。

随着智能电网的大力推广，微网系统为我国解决边远山区、边疆海防哨所、海上钻井平台、远离大陆的岛屿、公路铁路信号站、新能源照明系统等传统电网无法覆盖地区的缺电问题提供了最佳的解决方案，有着非常好的市场前景和经济效益。

为了发挥微网系统的优势，根据当地的负荷需求特性、自然资源情况来设计微网系统，新能源与传统电源的成本构成不一致，新能源首次投资成本较大，操作运行与维护成本较少，而传统电源首次投资成本较少，操作运行与维护成本较大。这些特性增加了微网系统设计的复杂性和难度。国内外对微网系统设计进行了多年的研究，其目标为：实现传统电源与新能源、储能单元和负荷之间的最佳匹配，最大效率的利用微网中各分布式电源的输出功率，以经济性最优来设计微网系统。

例如中国专利文献公开号为CN102354334A，公开日为2012年02月15日，发明名称为基于全寿命周期净费用最小的微网系统优化设计方法，公开内容为：用于按照微网系统的运行策略，根据微网系统内可再生能源资源、负荷需求等情况,确定微网系统内部各分布式电源、储能的最佳容量配置,保证微网系统在全寿命周期内的净费用,即成本最小。该文献公开的具体实施方式包括：建立微网系统的基于全寿命周期净费用的目标函数；根据微网系统的运行策略确定目标函数的优化变量；根据微网系统的运行策略确定目标函数的约束条件；按照约束条件对目标函数进行准稳态仿真,通过标准遗传算法的交叉和变异操作,产生最佳优化变量组合,获取优化计算结果；根据优化计算结果确定微网系统的系统参数。

通过现有的微网系统设计研究可知，根据不同的负荷特性、自然资源分布情况、电源类型，确定微网系统的结构，基于微网系统的能量管理策略，以稳定运行为前提，确定微网系统内部各分布式电源、储能的最佳容量配置,保证微网系统成本最小。业主的不同微网系统设计目标，导致不同的微网系统设计方案。以满足当地的负荷功率需求为目的，综合考虑微网构建的投资成本、电源发电的等效成本、负荷功率需求增长等因素进行分布式发电电源的选取以及容量配置，在微网稳定运行前提下，以系统等效电价最低为目标构建微网系统，是一种近期可以全面推广的微网系统。

发明内容

本发明的目的是结合电力系统的现状，提出一种基于系统等效电价最低的微网系统设计及测试平台，能够根据自然资源数据、以满足当地的负荷功率需求为目的，综合考虑微网构建的投资成本、电源发电的等效成本、负荷功率需求增长等因素进行分布式发电电源的选取以及容量配置，在微网稳定运行前提下，以系统等效电价最低为目标设计微网系统。

为此，本发明采取如下技术方案：

基于系统等效电价最低的微网系统设计方案，微网系统是指由分布式电源、储能装置、能量变换装置、负荷和监控装置、保护装置形成的发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，微网系统的各子系统至少包括风电机组、光伏机组、储能装置、水轮机组、柴油机或者燃气机组等，其特性在于：通过对负荷特性、自然资源、电源类型的分析确定微网系统的结构，建立微网系统的各子系统的电气模型和成本模型，同时设定步长为N；根据微网运行能量管理策略，结合微网系统构建的变化参数进行分布式发电电源的选取以及容量配置，以微网系统的等效电价最低为目标构建微网系统，得到所需的微网系统设计方案。

所述基于系统等效电价最低的微网系统设计及测试平台的基本方式为：对负荷特性、自然资源、各电源的发电特性进行分析，建立负荷模型、自然资源模型、各电源等效的电气模型、成本模型，根据微网运行能量管理策略，进行时序仿真，分析每种不同电源配置下微网系统所需的总净现值成本、各电源等效电价等情况，以系统等效电价最低为目标构建微网系统，形成微网系统设计方案。

所述电气模型包括负荷模型、自然资源模型、各电源的电气模型，根据需求领域的不同，得到负荷年功率曲线、各电源输出功率曲线。

所述负荷模型为负荷年功率曲线P_load，可通过人工输入历史的负荷数据，也可通过拟合生成；当无法获取到历史数据时，根据负荷工作日和非工作日的日功率曲线，通过日扰动值与步长扰动值拟合，生成负荷年功率曲线，，其中：P_load-1，P_load-2……P_load-N为每个步长的负荷功率。

所述自然资源模型至少包括风速模型、太阳能模型、水能模型、不同地域具有不同的自然资源；风速模型为得到年风速曲线U_wind，太阳能模型为得到年光照强度曲线G_solar，水能模型为得到年水流速曲线Q_stream。

风速模型的年风速曲线U_wind既可由人工输入历史的年风速数据得到，也可通过拟合算法得到：通过月平均风速曲线，根据威布尔系数、自相关系数、昼夜模式强度系数、最大风速时刻可生成年风速曲线，，其中：U_wind-1，U_wind-2……U_wind-N为每个步长的风速值；

太阳能模型的年光照强度曲线G_solar既可由人工输入历史的年光照数据得到，也可通过光照强度拟合算法得到：通过月平均光照强度，晴空指数（通过纬度可查），采用相应的光照模型，可生成年光照强度曲线，，其中：G_solar-1，G_solar-2……G_solar-N为每个步长的光照值；

水能模型的年水流速曲线Q_stream既可由人工输入历史的水流量曲线，也可通过水流量分析模型进行算法拟合：通过月平均水流量来拟合，假设在一个月内，水流量是恒值，可生成年水流速曲线，，其中：Q_stream-1，Q_stream-2……Q_stream-N为每个步长的水流量。

所述各电源的电气模型至少包括风电机组的电气模型、光伏机组的电气模型、储能装置的电气模型、水轮机组的电气模型、柴油机或者燃气机组的电气模型，各电源的电气模型结合自然资源模型，就可得到电源年功率曲线。所述电源年功率曲线包括风电年功率曲线S_wind，光伏年功率曲线S_pv，水轮机年功率曲线S_stream，柴油机或者燃气机年功率曲线S_gen，储能电池年最大充放电功率曲线S_battery，剩余荷电状态曲线Q_battery。

风电机组的电气模型，是通过风速模型得到年风速曲线S_wind；根据年风速曲线、测风仪高度等得到风力机轮毂高处对应的风速，然后通过风电机组的风速-功率输出曲线得到风力机的标准输出功率，根据风力机的标准输出功率、空气密度得到风电机组的实际输出功率，即可得到风电机组年功率曲线S_wind，，其中：S_wind-1，S_wind-2……S_wind-N为每个步长的风电机组输出功率；

光伏机组电气模型：通过太阳能模型得到年光照强度G_solar，可以计算得到不同降额因数、倾角、方位角、地面反射因数、转换效率、温度等下光伏机组的输出功率，即可得到光伏机组年功率曲线S_pv，，其中：S_pv-1，S_pv-2……S_pv-N为每个步长的光伏机组输出功率。

储能装置的电气模型：储能装置为储能电池，储能电池采用KineticBatteryModel（KiBaM）进行建模，该模型由两个井组成：可用电荷和束缚电荷。可用电荷向负荷提供电能，束缚电荷以一定的速度转化为可用电荷（可用负荷部分可以被立即充放电，而束缚电荷部分只能以一定的速率进行充放电）。根据电池的充放电特性曲线、寿命曲线、容量曲线数据，可以得到不同荷电状态下电池所允许的最大充放电功率，以及采用一定功率进行充放电后电池的剩余荷电状态，即可得到储能电池年功率曲线S_battery，荷电状态曲线Q_battery，

，其中：S_battery-1，S_battery-2……S_battery-N为每个步长的电池输出功率；Q_battery-1，Q_battery-2……Q_battery-N为每个步长电池电量；步长不同N不同。

水轮机组的电气模型，即得到年水流速曲线Q_stream，通过年水流速曲线Q_stream得到水轮机组中不同的输出功率，通过不同输出功率得到水轮机组年功率曲线S_stream，

，其中：S_stream-1，S_stream-2，S_stream–N为每个步长的水轮机组输出功率；

柴油机或者燃气机组的电气模型：根据机组的燃料-功率曲线，发电机-效率曲线，可以通过理论公式计算得到机组的输出功率，即可得到柴油机/燃气机机组年功率曲线S_gen，

，其中：S_gen-1，S_gen-2……S_gen-N为每个步长的柴油机/燃气机机组输出功率。

成本模型：在微网系统中，各电源（风电、光伏、储能电池、水轮机、柴油/燃气机组）在整个工程周期中的所有费用可以分为：首次投资成本、更换成本、操作运行与维护成本、燃料成本。新能源与传统电源的成本构成不一致，新能源首次投资成本较大，操作运行与维护成本较少，而传统电源首次投资成本较少，操作运行与维护成本较大。为了能够直接的反映各个结构的微网系统成本，将通过“年度成本”来反映各电源在整个工程周期中的成本。首先，通过计算微网各组件的首次投资成本、更换成本、操作运行与维护成本、燃料费用，并考虑设备残值，得到各子系统在整个项目周期的所有成本，再结合实际利率，通过资本回收函数，得到在整个项目周期内的年度成本以及整个微网系统的总净现值成本（NPC，TotalNetPresentCost），即各电源年度成本的总和。

通过成本分析，可得到每个电源产品的年度成本，则不同微网系统设计方案的的总净现值成本NPC等于微网系统中各电源的年度成本的总和，

，

其中，表示第X种微网系统设计方案，共M种电源。

微网运行能量管理策略：电源分为可控电源、不可控电源，其中柴油机或者燃气机、储能电池为可控电源，新能源（风电、光伏、水轮机）为不可控电源。微网运行能量管理策略包括：

（1）不可控电源与可控电源之间的能量管理策略：在微网系统稳定运行前提下，不可控电源优先发电，无法满足负荷功率需求时，再调节可控电源；当可控电源发电时，还需要考虑到新能源发电功率波动以及负荷需求变化的情况，保证可控电源的发电裕度，确保新能源发电以及负荷波动情况下满足微网的稳定运行；

（2）可控电源内的能量管理策略：用于解决可控电源需要发电时，多台发电机、储能电池的发电能量问题。

微网运行能量管理策略的目标是系统功率平衡，系统稳定运行：

通过微网能量管理策略，进行系统时序仿真，分析每种不同电源配置下每种微网系统方案的总净现值成本NPC，即各电源年度成本的总和。

按照步长，时序仿真，得到多组满足负荷特性，并稳定运行的微网系统设计方案。以等效电价最低的微网系统，确定微网系统的结构、电源种类、数量、容量。例如：当光伏机组容量有M种选择，风电机组容量有N种选择，柴油机/燃气机发电机容量有X种选择，储能电池的数量有Y种选择，微网系统将有P=M*N*X*Y种方案，在所有的微网系统设计方案中，以系统等效电价最低为目标函数：

其中，MinCOEx表示系统等效电价最低；COEx表示系统等效电价；为第X种微网设计方案电源年度成本的总和；为第X种微网设计方案中电源满足的负荷部分大小。根据该参数，可以反映电源为单位kWh电力负荷供电的平均成本。

通过求解目标函数，就可得到一个以系统等效电价最低的微网系统设计方案。

基于上述微网系统设计，采用MVC（ModelViewController，模型-视图-控制器）模式形成微网系统测试平台，该平台包括：

1.控制器（Controller）：控制器接受用户的输入并调用模型和视图去完成用户的需求。该部分是用户界面与Model的接口。一方面它解释来自于视图的输入，将其解释成为系统能够理解的对象，同时它也识别用户动作，并将其解释为对模型特定方法的调用；另一方面，它处理来自于模型的事件和模型逻辑执行的结果，调用适当的视图为用户提供反馈。

2.模型(Model)：模型是应用程序的主体部分。模型表示业务数据和业务逻辑。一个模型能为多个视图提供数据。由于同一个模型可以被多个视图重用，所以提高了应用的可重用性，模型包括了：负荷、自然资源模型，电气模型，成本模型以及目标函数，求解算法等。

3.视图(View)：视图是用户看到并与之交互的界面。视图向用户显示相关的数据，并能接收用户的输入数据，但是它并不进行任何实际的业务处理。视图可以向模型查询业务状态，但不能改变模型。视图还能接受模型发出的数据更新事件，从而对用户界面进行同步更新。

在本发明中，所述步长不同N不同，当步长选定后，以1年为周期，则可确定N值。

本发明的有益效果如下：

本发明通过分析不同的负荷特性、自然资源、电源类型，确定微网系统的结构，建立微网各子系统电气、成本模型，根据微网运行能量管理策略，综合考虑微网构建的投资成本、电源发电的等效成本、负荷功率需求增长等变化参数进行分布式发电电源的选取以及容量配置，以系统等效电价最低为目标构建微网系统，从而快速得到满足经济性要求的微网系统设计方案。

本发明采用MVC模式形成微网系统测试平台，只要输入当地的负荷参数、当地的自然资源以及业主的约束条件，可快速得到系统等效电价最低的微网系统设计方案，形成微网系统设计方案标准，具有对比测试功能。

附图说明

图1是本发明的微网系统设计流程图；

图2是本发明的微网系统测试平台示意图。

具体实施方式

参见图1所示，本发明提出的基于系统等效电价最低的微网系统设计方案及测试平台，所述微网是指由分布式电源、储能装置、能量变换装置、负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，包括：风电机组、光伏机组、储能装置、柴油/水轮发电机等。其特性在于：通过分析不同的负荷特性、自然资源、电源类型，确定微网系统的结构，建立微网各子系统电气、成本模型，根据微网运行能量管理策略，综合考虑微网构建的投资成本、电源发电的等效成本、负荷功率需求增长等变化参数进行分布式发电电源的选取以及容量配置，以系统的等效电价最低为目标构建微网系统，从而快速得到满足经济性要求的微网系统设计方案。

参见图2，本发明是采用MVC模式形成微网系统测试平台，只要输入当地的负荷参数、当地的自然资源以及业主的约束条件，可快速得到系统等效电价最低的微网系统设计方案，形成微网系统设计方案标准，具有对比测试功能。

基于系统等效电价最低的微网系统设计：根据负荷特性、自然资源数据、电源的发电特性，分别建立负荷模型、自然资源模型、电源的电气模型，以分钟/小时为步长，“1年”为周期，以负荷模型生成一年的负荷需求数据，以自然资源模型生成一年的风速、光照、水流量等数据，以电源的等效电气模型描述电源的功率输出特性，以满足负荷需求为目的，在微网稳定运行的前提下，计算各种电源配置方案下，微网构建所需的总净现值成本（NPC，TotalNetPresentCost），以系统的等效电价最低为目标构建微网系统。

微网系统测试平台基本方式为：MVC（ModelViewController）基于一个应用的输入、处理、输出流程按照模型(Model)、视图(View)、控制（Controller）的方式进行分离，形成了三个核心模块：模型、视图、控制器，它们担负不同的任务，包括：界面视图模块、显示/输出模块、参数配置模块、数据处理模块、负荷模型、自然资源模型、电气模型、成本模型、数据文件生成模块和数据库等，只要输入当地的负荷参数、当地的自然资源以及业主的约束条件，通过微网系统设计软件，可快速得到系统等效电价最低的微网系统设计方案，形成微网系统设计方案标准，具有对比测试功能。

基于系统等效电价最低的微网系统设计及测试平台，可快速得到经济性最优的微网设计方案。其方法主要为：

（1）微网系统从需求侧出发，分析工业、生活领域中的各种负载，每种负载的特性不相同，负荷模型得到负荷年功率曲线P_load，可通过人工输入历史的负荷数据，也可通过拟合生成；当无法获取到历史数据时，根据负荷工作日和非工作日的日功率曲线，通过日扰动值与步长扰动值拟合，生成以分钟/小时为步长，1年为周期的负荷年功率曲线P_load。

（2）不同区域的自然资源也不相同，自然资源主要包括风速，太阳能，水能、燃料等，其中风速资源主要受大气流、区域、高度的影响，太阳能光照强度主要受纬度、气候的影响，水能主要受当地的降雨量、地形的影响，燃料主要受当地燃料价格的影响。自然资源模型可生成以分钟/小时为步长，1年为周期年风速曲线U_wind、年光照强度曲线G_solar、年水流速曲线Q_stream。

（3）电气模型主要包括风电机组、光伏机组、储能装置、水轮机组、柴油/燃气机组等模型，结合自然资源模型，就可生成以分钟/小时为步长，1年为周期的风电年功率曲线S_wind，光伏年功率曲线S_pv，水轮机年功率曲线S_stream，柴油机/燃气机年功率曲线S_gen，储能电池年功率曲线S_battery，剩余荷电状态曲线Q_battery。

（4）防止储能电池的过充与过放。由于过充、过放、大充、大放等对电池的损伤较大，对电池的充放电电流、端电压、电池的剩余电量SOC(StateofCharge)以及电池的充放电斜率进行检测，并设定上限值，SOC最佳维持在30%~70%设定范围内。

（5）成本模型，电源（风电、光伏、储能电池、水轮机、柴油/燃气机组）在整个工程周期中的所有费用可以分为：首次投资成本、更换成本、操作运行与维护成本、燃料成本。新能源与传统电源的成本构成不一致，新能源首次投资成本较大，操作运行与维护成本较少，而传统电源首次投资成本较少，操作运行与维护成本较大。为了能够直接的反映各个结构的微网系统成本，将通过“年度成本”来反映各电源在整个工程周期中的成本。

（6）微网能量管理策略，其的目标是系统功率平衡，系统稳定运行，通过微网能量管理策略，进行系统时序仿真，分析每种不同电源配置下微网系统方案的总净现值成本NPC，即各电源年度成本的总和。

（7）目标函数，以系统等效电价最低为目标函数，，通过求解目标函数，就可得到一个以系统等效电价最低的微网系统设计方案。

（8）MVC（ModelViewController）模式基于一个应用的输入、处理、输出流程，按照模型(Model)、视图(View)、控制（Controller）的方式进行分离，形成了三个核心模块：模型、视图、控制器，它们担负不同的任务。其中模型(Model)是应用程序的主体部分，包括：负荷模型、自然资源模型，电气模型，成本模型以及目标函数，求解算法等，采用MVC模式形成微网系统测试平台。

（9）微网系统测试平台，只要输入当地的负荷参数、当地的自然资源以及业主的约束条件，采用MVC模式的微网测试平台，可快速得到系统等效电价最低的微网系统设计方案，形成微网系统设计方案标准，具有对比测试功能。