第 1 章 緒 論 

1.1 課題研究的背景及意義 
隨著電力行業(yè)不斷發(fā)展，集中式大電網(wǎng)成本高、運行難度大、對環(huán)境污染嚴重等弊端日益凸顯，用戶對于用電的安全、可靠及環(huán)保、經(jīng)濟等方面要求也越來越高，電力供需矛盾越來越大。尤其在世界范圍內(nèi)，近些年接連發(fā)生大面積停電事故，大電網(wǎng)將它的脆弱性暴露出來。同時，發(fā)展低碳經(jīng)濟、建設(shè)生態(tài)文明，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[1]，已經(jīng)成為全人類的迫切愿望，開發(fā)清潔無污染的可再生能源已經(jīng)成為世界各國的重要發(fā)展戰(zhàn)略。這樣的背景下，分布式發(fā)電應(yīng)運而生。分布式電源非常清潔、能源利用率很高、安裝地點極其的靈活[2]，適應(yīng)了低碳經(jīng)濟發(fā)展，與傳統(tǒng)發(fā)電相比，分布式電源可以實現(xiàn)對電力的就地消化，從而減少大電網(wǎng)輸電資源，減少輸電線損，極大地提高經(jīng)濟性；分布式發(fā)電在提高電網(wǎng)峰谷性能，改善電壓質(zhì)量，提高負荷功率因數(shù)等方面也具備極大的優(yōu)勢，這可以極大提高系統(tǒng)運行可靠性，同時，風(fēng)電、光伏等環(huán)境友好型可再生能源發(fā)電技術(shù)的逐漸發(fā)展成熟，分布式電源發(fā)電結(jié)合大電網(wǎng)發(fā)電日益成為一種趨勢。現(xiàn)在較成熟的分布式發(fā)電技術(shù)主要有光伏發(fā)電（Photovoltaic，PV）、風(fēng)力發(fā)電（Wind Turbine，WT）、微型燃氣輪機（Micro-Gas Turbine，MT）和蓄電池（Battery，Bat）、超級電容器（Capacitor，Cap）等幾種形式。  然而，隨著分布式電源滲透率不斷地提高，很多問題也逐漸凸顯。對于大電網(wǎng)來說，分布式電源是一個不可控電源，分布式電源的接入將影響傳統(tǒng)配電網(wǎng)潮流、電壓、電能質(zhì)量、網(wǎng)損和保護配置等方面 [3-5]。然而，為了生態(tài)文明能夠更好地建設(shè)，節(jié)約不可再生能源勢在必行，同時需要大量減少二氧化碳的排放；而且為了確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定，負荷中心又必須擁有一定比例的電源，從而形成電能就地平衡的運行模式。大電網(wǎng)與分布式發(fā)電間的矛盾日益激化，為了解決這些矛盾，我們必須發(fā)揮在能源、經(jīng)濟及環(huán)境等方面分布式電源所具有的優(yōu)勢，因此，微電網(wǎng)，這種新的分布式能源組織方式和結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生。分布式電源、負荷、儲能裝置、控制裝置結(jié)合在一起，構(gòu)成了微電網(wǎng)系統(tǒng)，運行非常靈活可控，這成為實現(xiàn)能源多元化和高效利用的重要技術(shù)手段[6]。
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1.2 微電網(wǎng)研究現(xiàn)狀
美國微電網(wǎng)會議于 2006 年開展，美國能源部詳細地討論了微電網(wǎng)今后發(fā)展計劃。基于國內(nèi)能源短缺、負荷逐漸增長的現(xiàn)實情況，從而實現(xiàn)對配電網(wǎng)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，同時滿足用戶對于多種電能質(zhì)量的要求。目前，該系統(tǒng)被日本作為實現(xiàn)微電網(wǎng)非常重要的形式。歐盟提出了更加全面和完善的微電網(wǎng)模型，采用不全帶有電力電子的微電源，采用數(shù)字式智能保護設(shè)備，采用 CAN 總線實現(xiàn)設(shè)備通信。美國、日本、歐盟大力開展微電網(wǎng)研究，與此同時，加拿大、澳大利亞等國也開展了微電網(wǎng)研究。就可靠性、可接入性、靈活性 3 個方面，國外主要國家進行了相關(guān)研究，同時各個國家就開展智能化、利用多元化的能源、個性化供給電力等方面技術(shù)研究[8]。我國在微電網(wǎng)研究方面處于實驗、示范階段。我國自 2000 年起把微電網(wǎng)技術(shù)納入國家“863”計劃、“973”計劃專項資助研究。2006 年，清華大學(xué)對微電網(wǎng)領(lǐng)域開始展開一系列探索，建設(shè)了包含可再生能源發(fā)電、儲能設(shè)備和負荷的微電網(wǎng)試驗平臺。2008 年，天津大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)分別展開了對于微電網(wǎng)的實驗測試研究。天津大學(xué)側(cè)重研究不同形式能源的協(xié)調(diào)調(diào)度；合肥工業(yè)大學(xué)側(cè)重對于微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)級運行控制的研究。2010 年，國家電網(wǎng)公司在鄭州建立“分布式光儲聯(lián)合微電網(wǎng)運行控制綜合研究及工程應(yīng)用”的示范工程項目，同時“分布式發(fā)電/儲能及微電網(wǎng)控制技術(shù)研究”示范項目在西安建成。2010年，“863”計劃中的“分布式功能課題冷電聯(lián)供系統(tǒng)示范工程”由南方電網(wǎng)公司于佛山開展。由國家能源局公布的《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》也進行了明確闡述：我國計劃于 2015 年將建成以智能電網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和儲能技術(shù)為支撐的 30 個新能源微電網(wǎng)示范工程[9]。  
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第 2 章 風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電微電網(wǎng)系統(tǒng)電源優(yōu)化配置理論及方法 

2.1 引言
微電網(wǎng)可以在獨立運行與并網(wǎng)運行模式間平滑切換，獨立運行是在電網(wǎng)需要或發(fā)生故障時與主網(wǎng)斷開，依靠自身微電源和儲能單元進行供能的狀態(tài)。并網(wǎng)運行即利用公共連接點 PCC 將大電網(wǎng)和微電網(wǎng)相結(jié)合，微電網(wǎng)與大電網(wǎng)可以因此而進行電能交換。微電網(wǎng)的兩種運行狀態(tài)能夠確保為用戶提供更多收益。針對微電網(wǎng)不同運行模式，配置原則各有區(qū)別。 圖 2-1 展示了微電網(wǎng)基本框架結(jié)構(gòu)，其中，風(fēng)能發(fā)電、光伏發(fā)電等多個微電源共同構(gòu)成了微電網(wǎng)的供電系統(tǒng)，負荷分為重要負荷、過渡負荷及可中斷負荷，由于風(fēng)光出力相關(guān)性和負荷功率相關(guān)性、不確定性等因素會給系統(tǒng)帶來極大風(fēng)險，為降低風(fēng)險，提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和可靠性，微電網(wǎng)中還引入了微型燃氣輪機及多個儲能裝置。微電網(wǎng)系統(tǒng)采用斷路器、公共連接點 PCC 與主網(wǎng)聯(lián)系，對外看來，微電網(wǎng)即為一個整體。 
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2.2 微電網(wǎng)電源并網(wǎng)及獨立運行優(yōu)化配置研究
根據(jù)上節(jié)內(nèi)容所述，微電網(wǎng)有獨立運行和并網(wǎng)運行兩種運行方式。并網(wǎng)運行時，當負荷電能需求大于微電源發(fā)電時，微電網(wǎng)從主網(wǎng)中吸收部分電能，當負荷電能需求小于微電源時，微電網(wǎng)向主網(wǎng)輸送多余電能。當主網(wǎng)發(fā)生故障或運行需求，微電網(wǎng)過渡到獨立運行模式。微電網(wǎng)獨立運行時，，要保證獨立運行期間微電網(wǎng)能夠穩(wěn)定運行，最大限度地給更多負荷供電。并網(wǎng)運行微電網(wǎng)與大電網(wǎng)連接在一起，它采用了公共連接點 PCC 實現(xiàn)這一連接，當微電源電能產(chǎn)出大于負荷需求時，將多余的電能賣給大電網(wǎng)；反之，微電網(wǎng)缺電或者微電源發(fā)電成本大于向大電網(wǎng)購電成本時，向大電網(wǎng)購電來滿足供應(yīng)需求。 并網(wǎng)運行微電電源優(yōu)化配置時需要從以下幾個方面展開研究： (1) 基于 Copula 理論，考慮風(fēng)光聯(lián)合出力相關(guān)性，考慮不同負荷功率間的相關(guān)性，建立風(fēng)光聯(lián)合出力模型和負荷模型。基于蒙特卡洛法，考慮不確定性因素，構(gòu)建低碳價格模型。 (2) 假設(shè)系統(tǒng)中只投入新能源發(fā)電，由于新能源發(fā)電出力和負荷功率不確定性因素會給系統(tǒng)安全可靠運行帶來極大風(fēng)險，采用歷史模擬法得到只包含新能源發(fā)電的微電網(wǎng)在不同置信水平下的風(fēng)險價值，基于此投入微型燃氣輪機和儲能裝置，建立微型燃氣輪機和儲能裝置模型。 (3) 在碳排放機制下建立考慮投資成本和運行管理費用、燃料費用、低碳費用和向大電網(wǎng)購售電費用構(gòu)成的綜合經(jīng)濟成本為目標函數(shù)，采用隨機潮流算法得到節(jié)點電壓越限率，考慮電壓穩(wěn)定約束，構(gòu)建微電網(wǎng)電源優(yōu)化配置模型。 (4) 提出將雜草優(yōu)化算法應(yīng)用到微電網(wǎng)電源優(yōu)化配置中，并結(jié)合網(wǎng)格法改進雜草優(yōu)化算法，分別采用粒子群算法、雜草優(yōu)化算法和改進的雜草優(yōu)化算法求解微電網(wǎng)電源優(yōu)化配置方案，比較分析證明改進雜草優(yōu)化算法有效性。 (5) 采用算例分析微電網(wǎng)各單元相關(guān)性，闡明相關(guān)性建立的優(yōu)化配置模型的優(yōu)越性，分析系統(tǒng)相關(guān)性對可靠性指標的影響。 
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第 3 章 微電網(wǎng)中各單元模型建立 ...... 14
3.1 基于 Copula 理論的新能源發(fā)電單元及負荷建模 ......... 14 
3.2 微電網(wǎng)風(fēng)險價值 ........ 21 
3.2.1 在險價值 ......... 21 
3.2.2 歷史模擬法 ....... 21 
3.3 微型燃氣輪機模型 ...... 22 
3.4 儲能裝置模型 .... 22 
3.5 微電網(wǎng)中其他不確定因素模擬 .......... 23 
3.6 本章小結(jié) ........ 24 
第 4 章 并網(wǎng)運行微電網(wǎng)電源優(yōu)化配置研究 .... 25
4.1 并網(wǎng)運行風(fēng)光聯(lián)合微電網(wǎng)系統(tǒng)電源優(yōu)化配置模型建立 ..... 25 
4.2 算例分析 ....... 30
4.3 本章小結(jié) ....... 35 
第 5 章 獨立運行微電網(wǎng)電源優(yōu)化配置研究 ....... 36 
5.1 獨立運行微電網(wǎng)電源優(yōu)化配置模型 ...... 36
5.2 算例分析 ....... 40 
5.3 本章小結(jié) ....... 42 

第 5 章 獨立運行微電網(wǎng)電源優(yōu)化配置研究

合理地利用地理優(yōu)勢，開發(fā)利用太陽能、風(fēng)能等可再生能源，可以很好地解決山區(qū)、邊防、海島等偏遠地區(qū)用電問題。風(fēng)能、太陽能出力具有波動性，不確定性，單獨使用風(fēng)力發(fā)電或者光伏發(fā)電都存在供電缺陷，為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，需要加入大量儲能裝置平抑功率波動。風(fēng)能、太陽能具有相關(guān)性，互補發(fā)電能夠“取長補短”，優(yōu)勢互補，從而獲得質(zhì)量較好的電能，在滿足供電穩(wěn)定可靠基礎(chǔ)上，實現(xiàn)電源的優(yōu)化配置�！笆濉睍r期新能源和可再生能源等低碳技術(shù)的發(fā)展得到政策扶持，成為發(fā)展的一大趨勢。通常偏遠地區(qū)的電網(wǎng)，利用大電網(wǎng)延伸過來，解決這些地區(qū)的供電問題耗資巨大，因此這些高度自治地區(qū)的電網(wǎng)構(gòu)成微電網(wǎng)往往獨立運行。 然而，目前，石油和天然氣依然是當前及未來一段時間內(nèi)世界最主要一次能源，為滿足國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的需要，我國為了保障國家能源安全不斷加大海洋石油勘探開發(fā)力度�！笆濉逼陂g，國家將進一步加強海上石油天然氣資源的勘探和開發(fā) [52]。在低碳理念、節(jié)能減排的壓力背景下，為了盡可能的減少二氧化碳的排放，對于海上平臺的電源優(yōu)化配置中我們引入可再生能源，就可以既滿足當前石油天然氣的開采，又可以順應(yīng)環(huán)境保護趨勢。 海上油氣田的電站燃料主要是油田生產(chǎn)的伴生氣，因此油田組網(wǎng)機組的發(fā)電量很大程度上受天然氣產(chǎn)量的限制。為解決供電不足，如果引入岸電實現(xiàn)并網(wǎng)，實際油田離岸邊較遠，海纜價格昂貴，施工困難等因素導(dǎo)致實際操作的艱難。而引入可再生能源不僅可以彌補發(fā)電量不足，利用海上充足的風(fēng)能資源并且還可以實現(xiàn)無污染、零排放的環(huán)境效益。本章以某海上油氣田構(gòu)成的微電網(wǎng)系統(tǒng)為研究對象進行電源配置。 

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結(jié)論 

能源需求不斷地增加，環(huán)境問題也逐漸突顯，低碳經(jīng)濟、生態(tài)文明、可持續(xù)發(fā)展的實現(xiàn)成為一大趨勢。開發(fā)清潔無污染的可再生能源是應(yīng)對能源環(huán)境挑戰(zhàn)的重要戰(zhàn)略決策。含可再生能源聯(lián)合發(fā)電的微電網(wǎng)——新型能源網(wǎng)絡(luò)化供應(yīng)與管理技術(shù)，可以靈活地將可再生能源接入電網(wǎng)，實現(xiàn)負荷需求和能源的最大化利用。同時，它能夠降低線路損耗、提高供電可靠性等。因此，這些都對于微電網(wǎng)技術(shù)的研究有著不可估量的影響。 微電網(wǎng)優(yōu)化配置是在考慮能源分布、氣候條件、地域環(huán)境，在國家能源政策基礎(chǔ)之上，結(jié)合電網(wǎng)運行調(diào)度策略，解決微電源與電網(wǎng)協(xié)調(diào)配合問題，綜合考慮微電網(wǎng)并網(wǎng)和獨立運行方式，采用科學(xué)算法確定微電源的最優(yōu)位置和容量，從而實現(xiàn)微電網(wǎng)可靠、經(jīng)濟、環(huán)保運行。 本文介紹了國內(nèi)外微電網(wǎng)發(fā)展歷程及微電網(wǎng)電源優(yōu)化配置取得成果。在此基礎(chǔ)上，對含有風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電微電網(wǎng)系統(tǒng)電源優(yōu)化配置展開了深入研究。論文的總結(jié)及取得成果如下： 
(1) 介紹了微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)，闡明了微電網(wǎng)在并網(wǎng)運行和獨立運行兩種模式下電源優(yōu)化配置的方法思考慮環(huán)保、經(jīng)濟、可靠性等方面，提出了不同方式下優(yōu)化建模模型。 
(2) 考慮同一地區(qū)的風(fēng)能和太陽能的相關(guān)性，及不同負荷功率相關(guān)性，基于 Copula 理論建立新能源發(fā)電單元及負荷單元模型。由于可再生能源發(fā)電間歇性、波動性因素，常常會使系統(tǒng)運行具有極大的風(fēng)險，采用歷史模擬方法計算得到微電網(wǎng)運行規(guī)劃中的風(fēng)險價值，實現(xiàn)對包含可再生能源發(fā)電的微電網(wǎng)的風(fēng)險評估。為有效地促進系統(tǒng)節(jié)能減排，合理地建立碳排放價格模型。 
(3) 以考慮投資成本、低碳費用、并網(wǎng)運行電能交易等綜合經(jīng)濟成本為目標，構(gòu)建微電網(wǎng)電源優(yōu)化配置模型。采用改進的入侵雜草優(yōu)化算法求解最優(yōu)方案。結(jié)果表明改進的入侵雜草算法收斂速度快，尋優(yōu)能力強。最后，以某小區(qū)14 節(jié)點系統(tǒng)為研究對象，分析了微電網(wǎng)各單元相關(guān)性，闡明了結(jié)合相關(guān)性建立的優(yōu)化配置模型的優(yōu)越性，驗證了模型和算法有效性。 
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參考文獻(略)

本文編號：59671