陶思钰，葛晓慧，陈 健

（1.浙江大学电气工程学院，杭州 310027；2.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）

0 引言

目前并入大电网的DG（分布式电源）多为单一的发电系统，如光伏发电和风力发电机组等，尚无法有效利用资源和及时满足用户的用电需求。此外，由于可再生能源发电的不可控性，将其直接接入电网会影响配电网的电能质量。研究表明，含多种形式的发电系统及储能单元的混合型微网可以充分利用自然资源，形成能量互补和调控，经济性和环境效益较好。

杭州是中国东部经济发达的省会城市，有着较大的负荷需求，但煤炭等化石能源资源匮乏。随着城市的不断发展，能源供应日益呈现供不应求的状况。钱塘江与杭州城区临近，光照、风力和水能等可再生能源丰富，在钱塘江南岸进行微网建设，可有效缓解当地电能供应问题，具有较好的节能减排效果。

对于微网优化配置问题，国内外均有相关研究。文献[1，2]对含可再生能源的独立微网进行系统配置优化计算，对不同配置组合及影响系统配置和运行参数的因素进行分析，但没有考虑并网型微网；文献[3]运用改进遗传算法，对海岛分布式微网系统展开案例计算，为微网建设提供了决策参考；文献[4]研究了DG定容问题，同时考虑了有功网损、电压改善程度和环境改善程度这3个重要指标，将DG优化定容问题转化为多目标非线性规划问题，但仅针对单个DG，没有考虑组成微网后DG之间的相互影响。

本文结合杭州市自然资源情况，采用优化软件HOMER对含多种形式微电源的并网型微网进行优化，实现资源最优配置，以期达到投资运行费用最少、效益最高的目标。

1 系统建模

1.1 优化软件

HOMER（Hybrid Optimization Model for Electric Renewable）是专门针对可再生发电系统配置分析的仿真软件，可以仿真并网和独立的微网系统。HOMER基于技术和经济特性来比较不同的设计方案，在备选方案中寻求经济最优解，还可以帮助分析输入数据的变化及不确定性所带来的影响。

1.2 自然资源

杭州的太阳能资源分布表现为南部和东部多、北部和西部少，城区的太阳能资源较为丰富。在杭州的东部和南部，可以考虑利用太阳能发电[5]。据中国风能网介绍，与中国西部等风能资源丰富的地区相比，除部分区域外，杭州各地年平均风速较小（1.0～2.0 m/s），东北部平原地区则较大（2.0 m/s以上），特别是钱塘江口南岸的滨海平原年平均风速在3.0 m/s以上，对风能资源开发利用较为有利[4]。

此外，由于钱塘江具有丰富的水能资源，可进行小水电建设。文献[6]分析了钱塘江的水资源情况，指出其径流季节和年季变化较大的特性并给出了不同时段平均径流量数据，可据此数据进行计算。

1.3 微网元件模型

1.3.1 光伏模型

光伏发电量易受光照强度、环境温度等因素影响，首先要对入射到电池板上的光照辐射强度进行计算，同时考虑温度和积尘等其他因素对发电量的修正，得到光伏阵列的发电量计算模型[7，8]。入射到电池板斜表面的太阳总辐射量HT由斜面直接辐射量HbT、空气散射量HdT和地面反射量HrT组成，可表示为：

式中：H，Hd分别为水平面总辐射量和散射量；β为电池板的倾角；η为地面反射率；RB为倾斜面上的直接辐射分量与水平面上直接分量之比。

光伏发电量随温度的升高而减小，由工程经验可知，温度每升高1℃，光伏发电量减少0.4%，所以温度对光伏发电的影响不可忽视，其发电量在第t小时内组件平均温度为T时可由温度修正因子 ξt（t）进行修正。

PV电池板在t小时内的发电量为：

式中：EPV（t）为光伏单元在第t小时内的发电量；PPV为光伏组件安装容量（峰瓦）；ξ1，ξ2，ξ3分别为污浊系数、性能失配系数和老化系数。

1.3.2 风机模型

风机的发电量与其输出的功率密切相关，文献[9]对风机的输出功率特性曲线进行拟合，为保证拟合后二项式的精度，采用了多段拟合方法。风机的输出特性拟合方程表达式为：

式中：P（v）是风速为v时的风机输出功率，v取风机轮毂高度处风速[10]；vcin和vcout分别为风机的切入和切出风速；a1，a2，…，an；b1，b2，…，bn；c1，c2，…，cn为多项式拟合系数。考虑到空气密度对风机发电量的影响，发电机组在第t小时内的发电量可表示为：

式中：Ew（t）为风力发电机组在第t小时内的发电量；ρ为空气密度；vt为第t小时轮毂处的风速；n为风机台数。

1.3.3 小水电模型

小水电出力可表示为：

式中：Ehyd（t）为水轮机在第t小时内的发电量；ηhyd为水轮机效率系数；ρwater为水的密度；hnet为净水头；Qturbine（t）为第t小时流过水轮机的流量。

1.3.4 柴油发电机模型

柴油发电机是可控电源，有最低功率限制，可表示为：

式中：Pde-rate，Pde为柴油发电机额定功率和实际输出功率；k为柴油发电机最低出力系数，一般取0.3。

耗油量F（L/kWh）是与其输出功率相关的线性函数，可表示为：

式中：F0，F1是柴油消耗曲线截距系数，分别取0.08415 和0.246[11]。

1.3.5 蓄电池模型

蓄电池的荷电状态（SOC）由上一时刻SOC和相邻时刻内充/放电功率决定，其充/放电状态计算公式如下：

式中： SOC（t+Δt）和SOC（t）分别为 t+Δt和t时刻蓄电池组SOC值；δ为自放电率；Pbess（t）为相邻时刻内蓄电池功率，正表示充电，负表示放电；Cbess为蓄电池总容量；Kb为充/放电效率，放电时其值假设为1，充电时0.65≤Kb≤0.85，其值与充电功率有关。

蓄电池存在SOC值约束和充放电功率约束：

式中：SOCmax，SOCmin分别为蓄电池SOC允许上下限；Pc_max和Pd_max分别为蓄电池充电功率和放电功率限值。

1.3.6 锅炉

HOMER将锅炉视为可满足所有热负荷的理想元件，系统的热负荷基本全由其供应。对锅炉的燃料消耗量没有限制。

2 仿真与分析

2.1 系统结构

仿真对象为含风、光、柴、水、储的并网型混合微网，如图1所示，负荷则包括电负荷和热负荷。该微网与外部大电网连接，可与外部大电网进行功率交换。

图1 并网型混合微网结构

2.2 元件参数

负荷取杭州钱塘江南岸某小区日负荷曲线。该小区每日电负荷均值为7666 kWh，峰值为1399 kW。日热负荷均值为500 kWh，峰值为51.07 kW，具体参数设置见表1。风、光、水资源参数见表2—4。

表1 微网24 h电负荷和热负荷

表5和表6分别给出了微网各元件费用、容量和寿命等参数设置。其中风机额定功率为10 kW，轮毂高度为25 m。选用额定电压6 V、额定容量250 Ah的铅酸蓄电池。

2.3 优化配置结果与分析

由于HOMER采用穷举法进行计算分析，结果有上百种组合，现仅对其中5组优化结果的部分数据进行分析。

表2 杭州月晴空指数和日辐射量

表3 钱塘江南岸月平均风速

表4 钱塘江支流流量数据

由表7可知，相同类型组合下，不同容量配置的计算结果有较大差异。总体上可再生能源容量越大，柴油发电机运行时间也越少，与实际设计原则相符。然而，总净现成本最小的配置并不一定是最合理的选择，适当增加成本可以使蓄电池避免深度放电，有利于延长蓄电池的使用寿命，或减少柴油发电机的运行时间。所以，最终系统配置不仅由其总净现成本决定，还要根据优先考虑的因素并综合其他各种因素来进行选择。

下面选择总净现成本最小的配置结果做进一步分析，即方案1。第1年微网产生的费用主要为初始设备投资，此后每年消耗近似等量的燃料费用和少量运行维护费用。在第10和15年时分别有少量设备需要更换，将产生一定的更换费用；第20年时，由于大多数设备寿命已到，所以需要进行大量更换，因此产生大量的更换费用。在第25年时，该工程结束，此时可对设备进行回收改造并获得收益。

表5 微网各元件费用设置

表6 微网各元件容量及寿命参数设置

不同元件所占费用差异较大，光伏单元的初始投资和更换费用是最高的，原因是建造的光伏单元容量较大；与此同时，光伏单元回收利用所产生的效益也是最高的。运行费用主要由向外电网购电的电费组成，还包含少量变换器及其他元件的维护费用。燃料费用主要由柴油发电机和锅炉产生。

发电量方面，相较于其他发电形式，风力发电占总发电量的比例最小。因为杭州风力资源较少，季节性强。综合考虑各种成本因素，风机的建设投入不宜过多。由于钱塘江有丰富的水能和太阳能资源，所以水电和光伏发电可在整个电力供应中占较大比率。在夏、秋季（6—9月）不仅光照充足而且水流量大，而此时正值杭州用电高峰时期，充分利用太阳能和水能可以有效缓解大电网供电压力，且具有节能减排的效果。由于电网电价相对较低，外电网在可再生能源发电量无法满足用电负荷的情况下可作为主要的后备支持。柴油发电机也能起到后备的作用，但由于其需要消耗化石能源，且污染气体排放量较高，从经济和环保角度考虑，在微网并网运行时应将其退出运行。

表7 微网不同容量配置结果

表8给出了微网每年所排放的各种污染物。这些有害气体对环境会产生不利影响，为实现节能减排，需要对其进行处理，治理费用可参考表9。排放量最大的是CO2，主要由柴油发电机、锅炉和电网所产生。SO2和NOX也占了不小的比例，主要由燃料中的杂质（氮、硫化物）燃烧产生，可通过选择较优质的其他燃料，或对燃料进行脱硫、脱氮处理来加以改进。CO和未充分燃烧的碳氢化合物（CHX）所占比例较小，对柴油发电机和锅炉的燃烧装置进行改进后可以减小其排放量。

表8 污染物排放

表9 污染物治理成本

2.4 敏感性分析

通过对风速、光照等自然条件或装机容量、最大未满足负荷等参数的改变有助于确定输入数据的变化及不确定性所带来的影响。本节讨论柴油价格和微网与接入电网的距离对NPC（总净现成本）的影响。

2.4.1 柴油价格的影响

与独立型微网不同，柴油价格的上涨并未显著影响NPC的值。这是由于微网并网运行时主要由外电网提供后备支持，柴油发电机出力较少。如图2所示，当柴油价格涨幅为125%时，NPC的价格仅增长了7.7%。然而，值得注意的是，柴油价格的增长可以显著减少环境排放，如图3所示，因为在这种情况下供能的选择会从柴油转换为可再生能源，提高柴油价格至某一较高水平可以使NPC值减小。

图2 净现值-柴油价格变化曲线

图3 CO2排放-柴油价格变化曲线

2.4.2 与主网距离和最优经济距离的影响

如图4所示，当微网与外电网的距离非常近时，微网的NPC值会显著减小。随着与主网连接距离的增加，NPC值增加，但仍比未接入主网的情况要低。微网与主网之间的经济距离为175 km，当微网与主网间的距离小于经济距离时，微网并网运行比独立运行更具有经济性。而当微网与主网间的距离超过该经济距离时，微网独立运行的经济性更好。这一结果对微网选址及是否接入电网具有指导意义。

图4 净现值-微网与主网距离变化曲线

在资源（光照强度、平均风速、柴油价格等）相同的前提下，光伏发电模块的功率越大，微网的单位发电成本越高。由于目前生产光伏电池的成本还较高，在保证有效利用太阳能资源的前提下，要合理选取太阳能发电模块的功率大小。

各模块的发电量与自然资源的状况有紧密联系。杭州为亚热带季风气候，夏季高温多雨，东南风向；冬季寒冷干燥，西北风向[5]。在6—8月份时阳光辐射量较大，钱塘江径流量也较大，在这几个月中，光伏发电和水力发电占的比重相对较多。相较于其他可再生能源，风能资源比较匮乏，年平均风速较低，季节性较强，考虑到安装及维护成本，风机台数设置不宜过多。

要合理控制外电网的输入功率。如果外电网输入的电量过大，会造成一定量污染气体排放，这样就违背了以利用可再生能源为主的环保要求。在软件仿真时，可以采用提高电价，或设定可再生能源占有较大的比例，以达到系统设计的预期目的。

3 结语

通过对杭州市的日照、风速等气象数据的分析，初步确定在可再生能源资源丰富的钱塘江南岸开展微网建设，并对其并网运行情况进行优化设计和敏感性分析。全面考虑了微网的经济性、环境友好性等因素，可供并网型微网的前期规划时参考。

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