汪 萌， 王 春， 谢琼瑶， 王海亮， 邓 玲， 李咸善， 李 飞

（1. 国网宜昌供电公司经济技术研究所 湖北宜昌 443002；2. 三峡大学 电气与新能源学院，湖北宜昌 443002）

0 引言

近年来，随着我国全面现代化社会建设的迅速发展，人民物质文化生活水平日益提高，导致我国对能源需求量逐步增长，今后我国将长期处于发展中国家并且属于快速发展阶段。然而我国常规能源短缺与国民经济快速增长的矛盾日益突出。除此之外，煤、石油和天然气等常规能源燃烧时会排放出大量的CO2和SO2等有害气体，产生气温上升、酸雨等严重的环境污染问题。由此看来，很有必要开发新的高效无污染的可再生能源来缓解这一现状。

在寻找清洁能源的同时也要改善大电网的不足之处。目前，我国大电网已经较为稳定成熟，但传统的大电网仍然具有部分局限性，例如，可靠性不高、能源消耗较大、对环境污染较严重、网络损耗高等缺点。针对以上不足，微电网的产生从很大程度上解决了这一问题。微型电网是一种由负荷和微型电源共同组成的系统，可以进行热电联产；能量以及微电网的控制由电力电子设备来完成；从外部大电网来看，微电网相当于一个整体可控的负荷单元，并且可以满足用户对于用电可靠性和电能质量的要求。微电网属于分布式发电，可与大电网互联，具有可控性，是一种“网络化”的能量供需管理运营体系。它是电力系统智能发展道路上一个重要环节，世界各国的电力工作者和研究人员都对微电网开展了广泛的研究。

本研究主要研究含新能源的微电网的经济调度问题，参考了许多文献。文献[1-2]研究的是含大规模风光互补电力的电力系统经济调度，根据风能和太阳能天然的互补特性，建立了风电厂和太阳能发电厂的互补调度策略,解决了部分新能源并网带来的不稳定性的影响。文献[3]对生物质和太阳能的冷、热、电联供系统优化配置与调度进行研究，利用层次分析法综合考虑多个目标，建立了优化配置模型。文献[4]研究了生物质与风能的互补运行，对生物质和风能的共同运行进行了优化调度。文献[5]研究了含分布式微电源的微电网经济调度问题，给出了包含风力发电机、太阳能光伏电池微型燃气轮机的微电网经济调度模型。文献[6-7]是并网型微电网经济调度的研究，解决了微电网由于负荷和微电源工作特性的影响产生的微电网和大电网功率交换过于频繁而引起的损失问题。文献[8-10]均为研究微电网日前的经济运行，给出了最优的经济调度方案。

但是，上述研究大多是基于太阳能、风能的微电网的经济调度研究，少有文献涉及生物质发电。此外，多数文献采用基本算例进行仿真。而本研究主要解决区域的新能源微电网的经济调度问题。选用地区的新能源发电应用广泛，有充分的自然条件。本研究基于MATLAB 的微电网经济调度模型研究，旨在更加环保经济地分配生物质、光伏、风力发电以及与传统大电网的销售和购买。为降低成本，提出具有参考价值的日前经济调度方案。

1 考虑微电网交易计划的经济调度模型

针对含有生物质、风能和太阳能等新能源微电网并网的经济调度优化问题，按成本最低原则建立目标函数。

1.1 生物质发电特性

秸秆发电，即以农作物秸秆作为主要燃料的一种发电方式[11]，分为秸秆气化发电和秸秆燃烧发电。秸秆是一种很好的可再生能源，属于清洁能源，是最具开发利用潜力的新能源之一，具有较好的经济、生态以及社会效益。

作物秸秆作为传统的能量转化方式，直接燃烧具有成本低廉、经济方便等特点，可在农作物秸秆主产区中小型企业、学校、政府以及乡镇居民用于冬季供暖。

生物质直燃发电燃料一般采用农作物秸秆，发电设备与常规燃煤电厂基本相同，由锅炉、汽轮机和发电机构成，只是在燃料来源与处理上有所区别。首先，对秸秆燃料进行必要的预处理后送入锅炉直接燃烧，将生物质储存的化学能通过燃烧转化为热能，释放出的热能将锅炉中的水加热成合格的蒸汽；然后，蒸汽推动汽轮机将热能转化为机械能，汽轮机带动发电机转动，将机械能转化为电能。根据燃料性质的不同生物质纯烧发电技术可以分为两类：木质生物质燃料燃烧技术、秸秆燃烧技术。其中生物质直燃发电技术流程如图1所示。

图1 生物质直燃发电技术流程图

宜昌地区生物质资源主要包括农业生物质、林业生物质和水库大坝漂浮物以及生活垃圾和餐厨废弃物、畜禽粪便。总体来说，宜昌市生物质资源较为丰富，因此针对宜昌现有的两座农林生物质发电站（当阳市神州新能源生物质发电站、安能生物质热电厂）进行经济调度的优化。两座生物质发电站均是利用生物质直燃发电，且以焚烧秸秆为主。基于上述关于秸秆发电特性的定性分析，对两台锅炉的进气压力、秸秆耗量与输出功率进行相关度分析，以进气压力和秸秆耗量为自变量，输出功率为因变量建立秸秆发电的数学模型。采用非线性回归分析方法，出力模型如下：

式中：PBIO为秸秆发电的输出功率；K1～K3为汽轮机的相关压力系数；μ0、μ1、μ2、μ12、μ3、μ4和μ5分别秸秆消耗量的相关系数。由于秸秆发电厂的输出功率应该优先满足厂用电负荷需求，然后给微电网负荷供电，最后有多余或者不足的电再向大电网销售或者购买。

1.2 并网微电网经济调度模型

使微电网系统通过联络线与低压配电网进行双向功率交换，使系统内各机组的运行成本与电网的交换总成本达到最低。不考虑线路中的损耗，使包含生物质、风力、光伏的微电网并网时计划运行成本最小，可将目标函数描述为：

式中：T为调度时刻；PBIO,t为t时段生物质机组有功出力；PPV,t为t时段太阳能发电机组有功出力；PWT,t为t时段风能发电机组有功出力；PEX,t为t时段微电网与大电网交换功率，γ1、γ2、γ3、γ4分别为秸秆、光伏、风力以及大电网发电的成本系数。

1）约束条件1：系统功率平衡约束：

式中：Pload,t为t时段负荷值。

2）约束条件2：各机组出力约束：

式中：上标max和min表示相应量的上下限。

2 调度策略及求解步骤

2.1 调度策略

在建立了目标函数后，为使微电网的经济调度更加方便，根据微电源自身的发电特点、微电网不同的运行方式，综合这两方面来考虑为经济调度模型提供求解思路。例如风力发电和光伏发电是在自然界中可二次获取的可再生能源，且对环境污染小，但是这两种能源发出的有功功率受环境影响大，具有随机性和不可预测性，为不可控机组，所以在进行微电网的经济调度时优先使用，且运行在输出功率最大的状态。再如在不考虑储热及热力外送的情况下，由于生物质发电的有功出力受自身发电特性和热负荷的限制，也为不可控机组。

微电网并网运行时，负荷耗量由微电网和大电网一起供给。以大电网为支撑，生物质等优先发电为辅，给出的并网运行时的经济优化调度如下。

（1）太阳能和风能利用可再生清洁能源发电，燃料成本为零，而且对环境污染小，但是输出的有功功率具有随机性和波动性，因此首先要利用其输出的电量。

（2）在不考虑储热及外力传送时，为满足微电网系统内的负荷需求，同时实现能量的梯级利用，生物质发电运行在“以热定电”模式下，其产生的电能属于“强迫功率”，亦优先利用。

（3）若太阳能、风能和生物质发出的有功功率已经满足微电网的自身需求，将剩余功率向大电网出售；若太阳能、风能和生物质发出的有功功率不能满足微电网内本身需求，那么微电网需向大电网购电，以满足负荷需求。

2.2 求解步骤

在以上调度策略和成本函数模型的基础上，利用MATLAB 中的二次规划法优化求解[12]，具体流程如图2所示。

图2 含生物质发电的微电网经济调度计算流程图

3 算例分析

3.1 算例概述

选取风电、太阳能、生物质发电作为新能源机组的典型机组型式。生物质机组是以焚烧秸秆为主的生物质直燃发电机组。微电网由风电、太阳能和生物质发电和负荷构成，风电装机100 kW，光伏总装机60 kW。其中主网与微电网之间视每小时的调度情况进行相应购电和售电。微电网必须满足相应的等式约束条件，即风力、太阳能以及生物质发电的总和必须满足总负荷的要求。还应满足相应的不等式约束条件即各机组所发功率不能超过机组运行的上下限（生物质发电的范围是10 kW～300 kW；生物质制热功率范围是0 kW ～130 kW；交换功率范围是-200 kW ～200 kW）。

微电网与上级主网交易的分时电价如表1 所示。冬夏两季典型日的温度、风速曲线分别见图3和图4。冬季典型日的电负荷和热负荷曲线如图5所示。

表1 微电网与上级主网的交易价格表

图3 冬、夏季典型日每时刻平均温度曲线

图4 冬、夏季典型日每时刻平均风速曲线

图5 冬季典型日每时刻热、电负荷曲线

3.2 经济调度结果分析

对微电网各个机组出力进行各时段逐点优化，即通过综合考虑各时段的负荷值、微电源的发电成本安排秸秆、太阳能以及风力微电源机组的最优出力。冬季寒冷，需要供暖，系统采用“以热定电”的方案运行；夏季炎热，需要供冷，采用“以冷定电”运行方案；春秋季只有电力负荷，在满足系统电负荷的情况下采用经济调度方案即可。

正常情况下，微电网与大电网并联运行，并且与大电网相互进行功率交换，从而提高整个系统的经济性和可靠性。在此情况下，选取冬季具有代表性的一天的24 h 逐点优化情况，各微电源出力和交换功率曲线如图6所示。

图6 含生物质发电的新能源微网冬季出力曲线

4 结束语

建立了考虑生物质、太阳能、风能等新能源综合出力的成本最低的目标函数模型及约束条件,通过对新能源微电网的经济调度进行研究，结合算例分析，得出如下结论。

（1）在满足优先使用风能、太阳能、生物质发电的调度策略时可以降低发电成本。

（2）生物质发电和制热在15:00 时会明显降低，之后逐渐升高。

（3）生物质、光伏、风力发电具有不稳定性，受环境因素影响大，因此需要与主网配合，在满足约束条件的情况下优先进行新能源发电。