裝配蓄電池的考慮電熱儲能的熱電聯(lián)產(chǎn)型微網(wǎng)系統(tǒng)仿真設(shè)計目錄TOC\t"1級標題,1,2級標題,2,3級標題,3"1.緒論 摘要：大規(guī)?；L電和高比例的熱電聯(lián)產(chǎn)機組并存在我國“三北”地區(qū)，供熱期熱電聯(lián)產(chǎn)機組的強熱電耦合運行模式約束限制了其調(diào)峰能力，導(dǎo)致系統(tǒng)靈活性不足，造成了嚴重的棄風，帶來了巨大的經(jīng)濟損失。因此，通過裝配電熱儲能裝置，削弱熱電聯(lián)產(chǎn)機組的耦合程度，提高系統(tǒng)運行的靈活性是我國一項富有重要意義的工作。本文建立了裝配蓄電池的考慮電熱儲能的熱電聯(lián)產(chǎn)型微網(wǎng)系統(tǒng)。針對以上各種系統(tǒng)，分別研究了微型燃氣輪機、風力發(fā)電器組、光伏發(fā)電器組、燃油動力電池以及蓄電池等相關(guān)數(shù)學(xué)模型。并通過結(jié)合系統(tǒng)的功率均值約束、微電源輸出功率的約束、微電源爬坡速度的約束、大電網(wǎng)與微電網(wǎng)之間的交換功率約束以及對蓄電池充電的約束進行了分析。為了有效緩釋目前微電網(wǎng)中各種類型微源的非動態(tài)可控性及隨機變量波動性較大等各種微源動態(tài)變化性質(zhì)，提高其微源供電的安全可靠性，尋求目前微電網(wǎng)最理想的微源供電系統(tǒng)設(shè)計運行以及調(diào)度管理戰(zhàn)略。研究基于多目標動態(tài)優(yōu)化資源調(diào)度的我國微電網(wǎng)物理模型，以直接實現(xiàn)我國微電網(wǎng)在各種不同應(yīng)用領(lǐng)域中的公共經(jīng)濟和社會環(huán)境保護費用最小的優(yōu)化為主要技術(shù)研究任務(wù)目標，建立了一套數(shù)學(xué)物理模型并首先分析確定了該數(shù)學(xué)模型的基本約束構(gòu)成條件，用PSO（Particleswarmoptimization，粒子群動態(tài)優(yōu)化調(diào)度算法）算法對模型進行求解，通過算例分析求得微電網(wǎng)在孤島供電狀態(tài)下正常運行的最優(yōu)綜合調(diào)整體系和協(xié)同資源調(diào)度優(yōu)化計劃。關(guān)鍵詞：熱電聯(lián)產(chǎn)；供電可靠性；多目標優(yōu)化調(diào)度；經(jīng)濟效益；PSO1.緒論1.1研究背景及意義隨著我國不斷地發(fā)展進步，蘊藏在我國境內(nèi)大地之下的化石燃料能源慢慢被我們發(fā)現(xiàn)并挖掘殆盡，能源短缺的窘境近在眼前，為了防止能源短缺的情況出現(xiàn)，如何安全有效地開發(fā)能源使其能夠可持續(xù)發(fā)展，以及高效利用化石燃料發(fā)電已成為我國建立起安全、高效率及環(huán)保的現(xiàn)代能源發(fā)展體系，實現(xiàn)除化石燃料以外的能源的發(fā)展所必需要考慮的重要問題。在“十二五”（即第十二個五年計劃）期間,我國在風力發(fā)電方面的研究有了重大突破，與風力發(fā)電相關(guān)的企業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模有了十足的長進。根據(jù)《風電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》的重要指示,我國光伏風電每年新增并網(wǎng)裝機量將高達8000萬kw以上。風力發(fā)電技術(shù)是一種以風電這種清潔能源為主，利用再生能源發(fā)電的技術(shù),是一種技術(shù)研究方面相對成熟同時擁有廣闊市場和發(fā)展前景的技術(shù)。據(jù)對棄風相關(guān)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，我國風電發(fā)展迅速的“三北”（指東北、華北、西北）地區(qū)棄風現(xiàn)象十分嚴重。一方面的原因是由于電源構(gòu)成部分不是十分的合理，微電網(wǎng)中擁有靈活調(diào)節(jié)能力的微電源比例也不充分，不能達到完美調(diào)峰的要求。在冬季供暖的期間內(nèi)，熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）機組的總數(shù)量很大，占電網(wǎng)總發(fā)電機組數(shù)量的比例較高，通過“以熱定電”的運行模式將會使微電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力變得更弱，風電能源即使是作為清潔能源享有優(yōu)先的調(diào)度權(quán)，但是風電的上網(wǎng)空間還是受到了較為嚴重的限制。尤其是在冬季時節(jié)的寒夜，為了保證供暖使得熱負荷的需求量變多而電負荷的需求量變少，CHP機組出力增加。這個時候的風電機組正處于有功功率較高的水平，系統(tǒng)中的電功率每時每刻都處于一種平衡的狀態(tài)，等到調(diào)峰機組的有功出力達到了一定限度的時候，就再也沒有辦法提供給風電更大的上網(wǎng)空間；在另一方面，若是風電裝機容量持續(xù)增加，而當?shù)仉娯摵尚枨罂偭坑中?，并且當?shù)仉娋W(wǎng)系統(tǒng)的消納能力不足以支持電網(wǎng)運行。那么這個時候就只能憑借集中外送的方案來解決問題了，但是，風電的富集區(qū)域大多處于又偏又遠的荒蕪地段，這對高壓輸電線路的建設(shè)會造成建設(shè)時間過長的缺陷，另外遠距離的風電輸送路途中會受到各種外部因素的影響，進而會使電網(wǎng)在輸電過程中造成較大的資源浪費。從風電的有功功率在發(fā)電過程中展現(xiàn)的圖像來看，其擁有隨機性、波動性的特點，在全球當前頂尖的技術(shù)水平下，風功率的預(yù)測值誤差目前處于五分之一左右的程度，風功率的預(yù)測值準確程度會隨試驗取值時的測量時間的增加而提升。我國以前世代相傳的調(diào)度模式：通過結(jié)合較大誤差的預(yù)測值或者根本就是不正確的預(yù)測數(shù)據(jù)編制出來的日前調(diào)度計劃，通過這種方式得出來的結(jié)論與實際結(jié)果相比有所偏差，將會使電力系統(tǒng)不能在正常運行狀態(tài)時安全穩(wěn)定的運行。當電力系統(tǒng)發(fā)電的有功功率偏差過大或者風力發(fā)電的有功功率受到的干擾程度太大超出其承受限度時，光憑借自動化的發(fā)電管理機組自身的調(diào)節(jié)能力是遠遠不夠的，這個時候我們沒有辦法只能采用加入人為調(diào)控的方法來對電力系統(tǒng)進行實時調(diào)整，使系統(tǒng)重新回到比較節(jié)省成本的安全運行狀態(tài)。所以大力開發(fā)與北部地區(qū)電力系統(tǒng)發(fā)電情況相匹配的優(yōu)化調(diào)度策略可以大大增加我國對于清潔能源的開發(fā)及應(yīng)用效率，有利于提高系統(tǒng)在正常運行時的安全性和遇到負荷波動時系統(tǒng)自我修復(fù)回到穩(wěn)定狀態(tài)的穩(wěn)定性能，具有非常重要的工程實用價值。本論文將會把如何使微電網(wǎng)既能節(jié)省能源又能降低發(fā)電成本，且能夠減少大氣污染物的排放量滿足保護環(huán)境所需要的條件，使發(fā)電總成本達到最低當成主要目的，構(gòu)建熱電聯(lián)產(chǎn)型微電網(wǎng)動態(tài)多目標優(yōu)化調(diào)度的一般模型，借助Matlab軟件通過PSO算法對所建立的模型進行求解，并將典型冬季日熱電聯(lián)產(chǎn)型微電網(wǎng)作為參考案例，通過進行兩者之間的比較借此來分析本文所建的一般模型和研究方法的有效性。1.2熱電聯(lián)產(chǎn)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀目前國內(nèi)對于熱電聯(lián)產(chǎn)的研究課題主要集中兩個方面：一是針對熱電聯(lián)產(chǎn)帶來的效益的探討；二是針對熱電聯(lián)產(chǎn)業(yè)務(wù)發(fā)展過程中存在的一些問題進行探討。黃振光前輩在《熱電聯(lián)產(chǎn)四大社會效益的述評》一文中用簡單的統(tǒng)計數(shù)字并結(jié)合大量案例分析來描述我國熱電產(chǎn)業(yè)聯(lián)產(chǎn)所能帶來的四個主要的社會效益：如何有效節(jié)約當?shù)刭Y金，為什么提高了當?shù)啬茉吹木C合利用率；通過什么方法使當?shù)丨h(huán)境質(zhì)量得到了顯著提升；怎樣來緩解當?shù)仄髽I(yè)的工業(yè)電力與居民的日常用電的沖突；如何提升當?shù)匕l(fā)電系統(tǒng)的使用質(zhì)量，推動工業(yè)生產(chǎn)。并從中得出了這樣的結(jié)論：我們繼續(xù)堅持大力推動和引導(dǎo)發(fā)展扶持熱電產(chǎn)業(yè)聯(lián)產(chǎn)、集中發(fā)電供熱這條可持續(xù)發(fā)展道路，還應(yīng)繼續(xù)大力扶持和引導(dǎo)發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)相關(guān)的各項產(chǎn)業(yè)。綜上所述，國內(nèi)的專家學(xué)者非?？春梦覈鵁犭娫O(shè)備聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)業(yè)為我國能帶來的經(jīng)濟效益，認為其可以讓我國的經(jīng)濟實力有十足的進步，并且認為熱電聯(lián)產(chǎn)這個產(chǎn)業(yè)在我國乃至全世界的市場中都可能具備很廣闊的發(fā)展前景。國內(nèi)各界的頂尖精英最近討論較多的話題主要是目前電力行業(yè)中的熱電聯(lián)產(chǎn)專業(yè)在持續(xù)發(fā)展的過程中所存在的一些實際性問題，尤其是隨著我國國家電力行業(yè)管理和經(jīng)營體制制度改革的不斷改善，電力市場對外開放，我國電力相關(guān)產(chǎn)業(yè)逐漸步入世界的舞臺并且相關(guān)技術(shù)的研究也走在世界前列，但是我國政府對于熱電聯(lián)產(chǎn)實施的優(yōu)惠政策不夠全面以及實施速度較為緩慢等一些外部因素給熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展道路上增添了許多阻礙，引出了許多問題，致使我國熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展進度被拖累，熱電聯(lián)產(chǎn)相關(guān)的發(fā)展速度都變得極為緩慢，嚴重影響了我國的經(jīng)濟發(fā)展。李先瑞前輩在《熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱如何有序發(fā)展》一文中指出，我國當前采暖欠費的狀況嚴重影響了發(fā)展集中供熱技術(shù)的進度，其認為只要將多種綜合供熱管理方式結(jié)合起來并把集中綜合供熱管理當成發(fā)展的基本點，所得到的就是建設(shè)現(xiàn)代化采暖城市集中綜合供熱的重要戰(zhàn)略方針。李先瑞等前輩曾明確指出了我國現(xiàn)代熱電的各項發(fā)展路線和方針與國家頒布的相關(guān)政策不能相輔相成，以及政府所頒布的舉措沒有在對應(yīng)的地區(qū)得到及時的落實施行，熱電聯(lián)產(chǎn)目前還不能超脫于生態(tài)環(huán)境資源的保護并從中獲得利益，只有部分的熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)走向了真正的熱電市場，《中華人民共和國電力法》中沒有明確涉及發(fā)展熱電綜合聯(lián)產(chǎn)的其他相關(guān)法律內(nèi)容等諸多問題，這些都可能是目前以來我國發(fā)展熱電綜合聯(lián)產(chǎn)在電力行業(yè)快速發(fā)展中所面臨到的阻礙，正所謂打鐵還需自身硬，相關(guān)產(chǎn)業(yè)應(yīng)努力發(fā)展自身的硬實力，開放發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)的行業(yè)市場并快速搶占資源，有關(guān)政府部門應(yīng)盡快制訂和推出更多利于熱電聯(lián)產(chǎn)相關(guān)行業(yè)發(fā)展的政策以便于更好地規(guī)范管理和發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)的民營企業(yè)，這就是我們接下來為了推進熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)工作體制改革發(fā)展所需要遵循的核心思想?，F(xiàn)在世界上普遍采用的熱電聯(lián)產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化方案只顧著考慮日前調(diào)度計劃，在熱電聯(lián)產(chǎn)機組并入大規(guī)模風電網(wǎng)后，風電網(wǎng)的隨機性會對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行造成巨大擾動，導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常地進行發(fā)電計劃，所得到的結(jié)果與實際需求負荷存在著較大差異。此類優(yōu)化方案存在一定的局限性，在調(diào)度策略上還需進一步研究與探討。1.2.2國外研究現(xiàn)狀目前國外學(xué)者對熱電聯(lián)產(chǎn)方面的研究主要側(cè)重于節(jié)能科學(xué)技術(shù)與相關(guān)政策等領(lǐng)域，基本上是站在當?shù)毓俜降牧錾险归_討論。國外學(xué)者在熱電聯(lián)產(chǎn)方面研究的這些課題對我國地方政府對于熱電聯(lián)產(chǎn)相關(guān)企業(yè)的管控引導(dǎo)具有一定的啟發(fā)，在一定程度上可以推動熱電聯(lián)產(chǎn)相關(guān)企業(yè)的發(fā)展，推動我國經(jīng)濟的增長。但根據(jù)國外針對熱電聯(lián)產(chǎn)研究方面的相關(guān)資料數(shù)據(jù)分析來看，國外學(xué)者對于熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展中可能存在的問題并不是特別放在心上，在這方面的研究文獻和數(shù)據(jù)短缺嚴重，無法對其進行詳盡的評判，即缺少了系統(tǒng)性的論斷。19世紀70年代末，在國外，尤其是歐洲的部分常住居民數(shù)量眾多的地方，人們對于熱電聯(lián)產(chǎn)方面的研究有了突破性的發(fā)展。當?shù)刈钕瘸霈F(xiàn)利用單機往復(fù)式風力蒸汽機進氣帶動的新型風力渦輪發(fā)電機，并在日后的研究發(fā)展中對從蒸汽機、汽輪機等排出的已經(jīng)做過功的蒸汽加以利用，這就是最早誕生的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的雛形。在20世紀初期，由于目前單片熱電機和其他熱電設(shè)備聯(lián)產(chǎn)相關(guān)技術(shù)已經(jīng)基本打開市場并立足于其中發(fā)展至一定規(guī)模，也給社會帶來了一定的經(jīng)濟收入，為我國經(jīng)濟效益的提升做出了卓越的貢獻。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，全球各個國家都忙于經(jīng)濟恢復(fù)的建設(shè)，此時區(qū)域性熱電供熱系統(tǒng)技術(shù)受到德國、蘇聯(lián)以及一些位于東歐的其他發(fā)達國家的認可，并在他們的電力生產(chǎn)系統(tǒng)中得到了普遍的應(yīng)用，并且也因此促使本國學(xué)者們開始了對于熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備的進一步研究，使其發(fā)電的經(jīng)濟效益變得更高，從而帶動其余各國爭相研究有關(guān)熱電聯(lián)產(chǎn)方面的技術(shù)。而在歐洲其他的發(fā)達地區(qū)，由于當?shù)爻霎a(chǎn)的適用于聯(lián)產(chǎn)鍋爐所消耗的燃料資源十分豐富且價格低廉，導(dǎo)致這些區(qū)域關(guān)于熱電廠的聯(lián)產(chǎn)鍋爐技術(shù)的研究與發(fā)展進度十分落后。在經(jīng)歷過一九七三年到一九七四年和一九七九年到一九八零年兩次全球性的國際石油資源危機后，把石油作為主材料的各類熱電燃氣聯(lián)產(chǎn)形式項目為主的西部地區(qū)燃氣供熱、地區(qū)燃氣供冷安全問題已經(jīng)逐步開始逐漸發(fā)展受到西方各個發(fā)達國家的廣泛關(guān)注。美國把它的區(qū)域能源供熱政策納入了其他國政府的主要節(jié)能政策方案，英國國會則一致認為法國區(qū)域能源供熱不僅可以作為一種國家用來有效減少剩余能源的消耗的主要節(jié)省能源的手段，還能比法國更多地以政府立法的節(jié)能方式更為有效，促進了法國熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。近年來，美國在熱電聯(lián)產(chǎn)方面的技術(shù)研究成果眾多，導(dǎo)致美國現(xiàn)在擁有的熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)發(fā)展尤為迅猛，美國境內(nèi)的熱電聯(lián)產(chǎn)總裝機容量在一九八零年到一九九五年的十五年期間完成了從12000兆瓦到45000兆瓦的飛躍式漲幅，是一項震驚世界的成就。目前，美國的熱電聯(lián)產(chǎn)總裝機容量已占美國電力系統(tǒng)中的總裝機容量的百分之七左右[25]。1.3微網(wǎng)運行時的成本分析微網(wǎng)在正常運行時產(chǎn)生的成本主要包括：使用燃料投入費用折舊成本、投入費用折舊以及費用管理成本、運營費及維修管理費用、環(huán)保維護費用、停電費及賠付管理費用等。我們必須合理投切電熱儲能裝置，安排發(fā)電計劃，使總費用達到最低，促使提高經(jīng)濟效益。2系統(tǒng)模型2.1微型燃氣輪機模型微型燃氣輪機（MT）是熱電聯(lián)產(chǎn)電力系統(tǒng)中的重要一個構(gòu)件，MT在微電網(wǎng)中不光是能夠提供動力使鍋爐運作，還能夠滿足鍋爐在微網(wǎng)內(nèi)部運行時需要消耗的熱量。微型燃氣輪機在熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中的數(shù)學(xué)模型表示為：（1）（2）（3）（4）式中，表示微網(wǎng)中微型燃氣輪機的排氣余熱值；為MT的有功功率；表示MT發(fā)電效率；表示MT應(yīng)該給負荷提供的制熱量大小，表示MT應(yīng)該給負荷提供的制熱量大??；和分別表示了溴化鋰制冷機的制冷系數(shù)和它的制熱系數(shù)；△t表示運行時間；象征著工作在時間段△t內(nèi)的MT消耗的燃料天然氣的量/；代表了燃料質(zhì)量中的一種重要指標（天然氣的低位熱值），通常它取值為97。結(jié)合上文我們能夠知曉MT提供的熱能和電能之間存在著一定的聯(lián)系，彼此之間能夠起到相互約束的作用。對于MT提供的電能采用什么樣的調(diào)度方法。本文主要采取“以熱定電”（以熱定電是聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中一種以供熱負荷大小為基礎(chǔ)來判斷發(fā)電能力的運行方式?！耙詿岫姟钡摹盁帷?指的是各種電壓的熱負荷。以供熱負荷的尺寸和大小來確定它的發(fā)電能力的方式，就將其稱為“以熱定電”。也就是說要根據(jù)鍋爐還有汽輪發(fā)電機組的供熱負載情況來判斷如何選擇配套鍋爐和供熱負載的鍋爐和蒸汽發(fā)電機組，根據(jù)鍋爐和蒸汽使用量的變化來合理地確定該機組的進氣量，相當于將鍋爐所發(fā)出的風力和水資源作為供熱的主要副產(chǎn)品。）的方式，即MT所輸出的電功率由其所提供的熱能確定。2.2風力發(fā)電模型風力發(fā)電機的輸出功率具體計算公式如下：（5）其中，V為風機的實際風速；、分別為風機切入、切出時的風速，實際風速或者切出風速時,風機停止運行；為正常范圍內(nèi)驅(qū)動風機需要的有功輸出。2.3光伏電池模型光伏電池是一類不受人為操作控制的電源，光伏電池會受到光照強度、周圍等因素的影響，具有很高的隨機性和間歇性，十分不穩(wěn)定。光伏電池輸出的功率值大致可以通過下面公式計算：（6）其中，為光伏電池輸出功率；為光伏電池處于標準條件情況下的最大輸出功率；為光伏電池此時實際受到的光照強度；為光伏電池處于標準條件情況下受到的光照強度；k為功率溫度系數(shù)；為光伏電池實際工作時的溫度；為我們自行設(shè)定的參考溫度。2.4燃料電池模型燃料電池模型中的燃料消耗費可以表示為（7）式中，表示在時間間隔△t內(nèi)的燃料電池的純輸出功率/kW；為△t內(nèi)的燃料電池的工作效率；為燃料電池的燃料費用/元2.5蓄電池模型蓄電池是一種可以存儲電能的裝置，在電力系統(tǒng)需要時為其提供電能，在電力系統(tǒng)飽和時存儲一定的電能以備不時之需，在微電網(wǎng)中對電網(wǎng)負荷能夠起到削峰填谷的作用，保障電力系統(tǒng)能可靠地持續(xù)供電，蓄電池的充電狀態(tài)(SOC)可以通過蓄電池的剩余電量與額定電量的比值來表示，處于t+△t時刻的充電狀態(tài)由處于t時刻的電池的剩余電量與此時的充電狀態(tài)共同決定，數(shù)學(xué)模型如下：（8）3微網(wǎng)系統(tǒng)不確定因素的隨機模擬3.1隨機模擬技術(shù)隨機模擬技術(shù)，也被人們廣泛地稱為蒙特卡羅模擬技術(shù)，是一種隨機模擬方法，以概率和統(tǒng)計理論為基礎(chǔ)的一種計算方式，通過使用隨機數(shù)來解決許多問題。其是將所要解答的問題與一定的概率模型相結(jié)合聯(lián)系起來，借此來獲得問題的相似解。由于其解答過程中充滿了隨機性，為了象征性地表明這一方法的概率統(tǒng)計特點，人們借用賭城蒙特卡羅命名。本文主要是利用隨機模擬技術(shù)對微網(wǎng)系統(tǒng)運行時出現(xiàn)的各種可再生能源功率及負載波動進行分析。3.2風電功率波動由于風電運行時發(fā)電功率的波動較大且充滿了隨機性，對于這種情況為了描述它們的統(tǒng)計學(xué)特性我們通常借用風速的概率分布來描述。雖然與風速密度分布情況相吻合的曲線型圖像很多，但是通過大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)的綜合分析研究結(jié)果表明，大部分地區(qū)的風速近似服從威布爾（Weibull）分布，其概率密度函數(shù)表達式為：（9）式中：為風速(m/s)；k和c為Weibull分布的參數(shù)，為形狀參數(shù)，且k>0；為尺度參數(shù)，且c>1。通過平均風速和標準差可以近似計算出Weibull分布的參數(shù)。（10）式中，Γ為Gamma函數(shù)。風電功率與風機輪轂高度處的風速具備的關(guān)系如下所示：（11）式中：指的是額定條件下風力發(fā)電機的輸出功率；、、分別為額定風速、切入風速和切出風速。風速切入風速時，風機并入電網(wǎng)；風速切出風速時，則風機停機，從電網(wǎng)中解列。為了對電網(wǎng)在實際運行情況下的風速進行模仿，我們可以把一天的工作時間大致劃分縮短到24個小時，根據(jù)每個小時的平均實際風速模擬預(yù)測值計算參數(shù)k和c；然后根據(jù)風速的近似分布情況，即式(9)，選用一個隨機生成出來的風速數(shù)據(jù)，利用式(11)計算出處于該條件下的風電功率。將上述操作翻來覆去地完成500次左右，將所得的全部結(jié)果取加權(quán)平均值，最終得到的結(jié)果就可以當作是考慮受到波動因素后的各個時間段的風力發(fā)電機有功出力。電力系統(tǒng)中風力發(fā)電機工作時發(fā)出的功率具有較大隨機性和波動性，這將導(dǎo)致電力系統(tǒng)不能安全可靠地穩(wěn)定運行，另外風力發(fā)電機的反調(diào)峰特性將會導(dǎo)致在風力發(fā)電機在合并入電網(wǎng)的過程中增加系統(tǒng)的調(diào)峰壓力，使電力系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)電能質(zhì)量下降等問題，嚴重影響電力系統(tǒng)運行的安全性。為了改善風功率出力特性我們可以提高其預(yù)測精度，這是解決風電大規(guī)模并網(wǎng)一種的重要手段。3.3光伏電池功率的波動光伏電池的有功出力在電力系統(tǒng)運行的過程中將會受到光照強度和環(huán)境溫度等外部因素的干擾。據(jù)有關(guān)研究報告的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，光伏電池受到的光照強度將會在一定時間內(nèi)近似的服從貝塔（Beta）分布，其概率密度函數(shù)為：（12）式中：為該段時間內(nèi)光伏電池受到的實際光照強度，為該時間段內(nèi)光伏電池所受的最大光照強度；和都是屬于貝塔分布圖像內(nèi)的形狀參數(shù)。由該時間段內(nèi)的光照強度平均值及其方差可以求得上述貝塔分布中的形狀參數(shù)：（13）（14）式中：為時間段內(nèi)平均的光照強度;為光照強度方差。在實際操作過程中，想要直接測量得到光伏電池實時溫度是不太可能的，但是針對封存起來進行實驗的光伏電池，我們可以根據(jù)前人們多年實驗得出來的實際經(jīng)驗公式來計算，然后測量環(huán)境溫度，根據(jù)環(huán)境溫度與正常工作時溫度的比較，大致推測出光伏電池正常工作時的溫度：（15）式中：、為環(huán)境溫度、光伏電池正常工作時的溫度。光伏電池的有功出力能用下面公式來進行表示：（16）式中：為標準條件下的光照強度，?。粸闃藴蕳l件下的最大輸出功率；K為功率溫度系數(shù)；為參考溫度，一般為了符合實際測量環(huán)境，將它取25°C。得到一定時間內(nèi)光伏電池受到的平均光照強度后，我們可以通過公式計算出在該段時間內(nèi)光照強度近似貝塔分布的形狀參數(shù)；然后隨機抽取五百次左右的光強數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)代到式子(15)中計算出光伏電池正常工作時的溫度；將得到的這些光照強度和光伏電池溫度結(jié)果均代到式子(16)中，把計算后得到的結(jié)果進行加權(quán)平均操作，最后得到的平均值就是考慮光伏波動后光伏電池的功率輸出。3.4負荷波動在電力系統(tǒng)中的各時段的電負荷波動一般認為它們服從于下列的正態(tài)分布，，我們可以通過該正態(tài)分布圖像隨機產(chǎn)生微網(wǎng)的電負荷數(shù)據(jù)。本文忽略了熱負荷波動，認為熱負荷的實際取值等效于預(yù)測值。4系統(tǒng)優(yōu)化模型4.1目標函數(shù)在電力系統(tǒng)調(diào)度中，我們通常都會把總煤耗量降到最低作為目標函數(shù)，在文中將會通過考慮節(jié)省能源消耗、減少大氣污染物排放量等因素擬出綜合的經(jīng)濟性目標，在能夠滿足系統(tǒng)正常運行約束的條件下，合理安排微電源的出力狀況，達到總成本最低的目的。①目標一：經(jīng)濟性運行目標函數(shù)（微網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)電成本最?。┪⒕W(wǎng)系統(tǒng)在孤網(wǎng)運行模式下的總的發(fā)電成本要考慮到各微電源的燃料成本、投資折舊成本、運行維護成本、環(huán)境成本以及CHP系統(tǒng)的制熱收益等方面：(17)其中：（18）（19）（20）（21）式中：為微電網(wǎng)運行時的發(fā)電成本；T為調(diào)度的周期數(shù)；n表示考慮系統(tǒng)中的費用系數(shù)；和以及表示微電源在第t個調(diào)度周期中的燃料成本和投資折舊成本以及運行維護成本；為支付微電網(wǎng)切負荷時造成損耗的補償費用；為大電網(wǎng)與微電網(wǎng)交互過程中造成的能量損耗的費用；表示CHP系統(tǒng)制熱收益。指代表安裝第i個微電源一個單位的容量所需要花費的費用；為第i個微電源的容量因素；r為年利率；為第i個微電源的投資償還期；為第i個微電源t時刻的有功出力；N的數(shù)值等同于系統(tǒng)中含有的微電源的數(shù)量；為第i個微電源的運行維護成本系數(shù)；k為所排放污染物(包含、、等)的類型編號；M用來指代統(tǒng)計有多少種污染物的總數(shù)值；為第i個微電源排放k類污染物的系數(shù)；為處理k這類污染物所需要消耗的處理費用；用來表示出售一個單位大小的熱能的價格。②目標二：微電網(wǎng)在運行時產(chǎn)生的環(huán)境效益最大。（22）式中，表示治理微電網(wǎng)排放的污染物的成本，當a的值為零時，表明當前的微電網(wǎng)正處于孤島運行模式；當微電網(wǎng)與大電網(wǎng)進行并網(wǎng)運行時，它們之間會互相傳遞功率，此刻應(yīng)考慮治理微電網(wǎng)中排放的污染物需要的費用，另外當微電網(wǎng)自身電能無法滿足各微電源的需求時，還可能出現(xiàn)微電網(wǎng)從大電網(wǎng)那里有報酬的獲取電能的情形，此時不僅要考慮買點需要花費的費用還要考慮治理大電網(wǎng)排放大氣污染物的成本，這時a的值為1；表示為處理一個單位排放量的污染物所花費用(元/kg)；表示的是大電網(wǎng)發(fā)出的電能時第k種污染物所計排放系數(shù)(g/kWh)。4.2約束條件①系統(tǒng)功率平衡約束電能在電網(wǎng)運行過程中的傳遞時刻都要遵守供應(yīng)量等于需求量這一原則，電網(wǎng)提供的電量既不能多于用戶的需求量，否則將會導(dǎo)致電網(wǎng)過載造成額外的損耗，增加電網(wǎng)運行成本；也不能少于用戶的需求量，不然調(diào)度不當將會引起部分地區(qū)停電，造成額外糾紛。在對一個電力系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度中，我們優(yōu)先要注意有功功率的平衡。有功功率是否平衡是衡量電壓和電網(wǎng)頻率是否穩(wěn)定的一個重要因素。電網(wǎng)中所有機組的有功功率和電網(wǎng)頻率的平衡狀況都與它對應(yīng)的負載和功率息息相關(guān)，如果一臺機組的最大發(fā)出功率超過了它所對應(yīng)的負載的承受能力，將導(dǎo)致電網(wǎng)頻率和功率相對增高的后果，如果負載的承受能力超過了它所對應(yīng)的機組的最大發(fā)出功率，則會使得電網(wǎng)的頻率和功率相對降低。電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定是保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定的根本要素，而有功功率的穩(wěn)定時保證電網(wǎng)頻率的重要影響因素。所以可以推導(dǎo)出結(jié)論：最終的調(diào)度結(jié)果必須要滿足于系統(tǒng)的功率平衡約束。功率平衡約束：機組輸出的總功率等于系統(tǒng)中負荷的總需求：（23）式中，的數(shù)值等同于各個微電源輸出功率的數(shù)值之和；表示大電網(wǎng)與微電網(wǎng)在t時刻交換的總功率；表示蓄電池所發(fā)功率；表示微網(wǎng)中所需負荷功率；Load(t)表示微電網(wǎng)與大電網(wǎng)切掉的負荷的功率。②微電源出力的上下限值約束微電源出力約束。微電源由于受自己的容量約束，在其運行過程中存在一個功率上限值，因此微電源出力不能大于它發(fā)電功率的上限值，否則會導(dǎo)致微電源超載而燒壞。另外微電源運行時存在著一個最小的技術(shù)出力，在微電源的運行過程中，其出力不得小于它發(fā)電功率的下限值，否則將導(dǎo)致微電源停止工作。因此，微電源的出力約束方程式可由下面式子來進行表示：（24）式中：、指微網(wǎng)內(nèi)第i個微電源輸出功率所達到的上限值、下限值。③微電源的爬坡約束機組爬坡約束是相鄰時間斷面機組出力之間的一種耦合關(guān)系，通過觀察機組爬坡率可以看出機組發(fā)電功率的調(diào)節(jié)速率的變化情況。通過調(diào)節(jié)汽輪機的進汽口的流量可以控制調(diào)節(jié)機組的有功功率，機組有功功率會隨著進汽口流量增大而提高；機組有功功率會隨著進汽口流量減小降低。但是這個過程，短時間內(nèi)是不可能完成的，它需要一段運行的時間。因此，單位時間內(nèi)，機組可上調(diào)功率是有一定限度的。微電源的爬坡約束如下式所示：（25）式中，、分別表示第i個微電源在相鄰時間間隔內(nèi)下降和升高的輸出功率極限值。④大電網(wǎng)和微電網(wǎng)之間的相互交換功率約束（26）式中，、分別表示大電網(wǎng)和微電網(wǎng)之間允許交換功率的最小下限值和最大上限值。⑤蓄電池的SOC約束蓄電池能夠把儲能的能量放置于一定的時間范圍內(nèi)，但是并不會對其產(chǎn)生任何的電能，因此蓄電池儲能容量必須在整個壽命的周期內(nèi)始終保持不變，如下列式子所示：（27）式中，表示蓄電池的初始容量；表示蓄電池的終止容量。同時，蓄電池在使用過程中受到容量和充放電功率制約關(guān)系如下：（28）式中，表示蓄電池的最小充電狀態(tài)；表示蓄電池的最大充電狀態(tài)。5模型求解微電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度問題就是一個如何利用系統(tǒng)分析方法，研究相關(guān)構(gòu)件的配置管理等各個方面，并在滿足許多約束性的條件下達成目的問題?，F(xiàn)在有很多關(guān)于微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度建立模型的方法以及與其相關(guān)的計算方法。但是基于PSO算法與它們的公式相比，我們可以發(fā)現(xiàn)與其他計算方法相比較來說，PSO算法對初始參數(shù)選取的要求比較低，但是它的尋優(yōu)計算能力特別強，算法十分簡單方便，對初學(xué)者十分友好等特點。但是其在一些技術(shù)方面上仍有缺陷，因此針對這些算法技術(shù)改進方面仍然存在的不足，我們認為應(yīng)該在深入地重新研究一下PSO優(yōu)化算法(一種粒子群功能優(yōu)化應(yīng)用算法)的發(fā)展過程中，對其技術(shù)進行了一些改善，主要就是對基本PSO優(yōu)化算法在公式速度、位置的自動更新上對公式及其中的各種計算參數(shù)、結(jié)構(gòu)等進行了自動調(diào)節(jié)和優(yōu)化擴展，以進一步提升算法的功能優(yōu)化和應(yīng)用性能。5.1基本粒子群算法粒子群算法的產(chǎn)生來源于對鳥類捕食行為進行深刻思考并從中獲得啟示，鳥類進行捕食這一行為的最終目的是找到食物滿足自身的果腹之欲。因此，我們可以假設(shè)目的是找到食物，而尋找食物的每一只鳥都代表著一個變量。把忽略自身質(zhì)量和體積的鳥可以視成一個粒子，粒子本身有著一定值的初始速度。將無規(guī)則的在空間中覓食的每只鳥看作在空間內(nèi)移動尋優(yōu)的各個粒子，將自己經(jīng)歷過最優(yōu)的位置和種群最優(yōu)的位置在飛行旅途中記錄保存下來，這兩個量將會影響到每一個粒子，并使所有粒子通過交流與競爭，帶動整個粒子群朝向更合適的方向進步，找到最優(yōu)解的能力得到提高，所謂的最優(yōu)解的所在位置就是在最后粒子所停滯的位置。在PSO算法中，每一個n維的向量就代表著一個粒子，每個向量的具體維度會根據(jù)問題的不同而發(fā)生變化，我們稱粒子在向量空間中在單位時間內(nèi)移動的距離為速度。將算法內(nèi)的適應(yīng)度函數(shù)視為具體的目標函數(shù)，過去每個粒子所到過的最優(yōu)位置就是歷史最優(yōu)解，粒子群體最終達到的適應(yīng)度最優(yōu)位置指的就是全局最優(yōu)解。PSO算法在數(shù)學(xué)含義下的具體表現(xiàn)是:設(shè)有D維向量空間，根據(jù)具體問題來決定“D”的數(shù)值具體為多少。首先我們假設(shè)粒子的一個種群中有N個粒子，那么不出意外的話，N的數(shù)值越大，成功找到最優(yōu)解的機會就越大。然而，從另一方面來講N的數(shù)值越大也就說明算法能夠解出答案的難度也會變大、得到最終結(jié)果的時間變得更長、算法本身的計算過程也會變得更為繁雜艱難，反而不利于找到最佳答案，但如果是N的數(shù)值不滿足最低要求，那么種群與種群之間的交流機會就會變少，因此對于N的數(shù)值的決定我們要慎之又慎，只要能夠成功取到適當?shù)腘值，將會使整個計算過程變得極其順利。經(jīng)過研究調(diào)查，我們可以得到這樣一個結(jié)論：值為50的N可以使計算變得更加順利。i粒子的位置可表述成，V意味著粒子位置變動的多少，標記的是種群最優(yōu)位置，憑借下列公式來對標準粒子群算法的位置和速度進行更新?lián)Q代:（29）（30）式中。慣性權(quán)重的表示符號為，粒子本身找到并記錄下來的最優(yōu)位置的加速因子是，全體粒子找到并記錄下來的最優(yōu)位置的加速因子是，和是在零到一間隨機選取的兩個隨機數(shù)，t代表迭代次數(shù)，為了使粒子在規(guī)定范圍內(nèi)飛行，需要對粒子的位置和速度制定約束條件。從上面的公式我們可以明確的看出，一共有三個部分共同對粒子的速度進行約束。第一個部分為粒子接下來的飛行速度將會受到在此之前的飛行速度的影響?；诎２睾涂夏岬蟽晌粚W(xué)者的學(xué)術(shù)研究成果上，一九八八年科研人員施提出了慣性權(quán)重這一因素。粒子本身的速度對粒子行進的方向的影響會受到慣性權(quán)重取值大小的影響，慣性權(quán)重如果取的值特別大，那么算法的收斂性會變得很差，但優(yōu)點是粒子不容易困入局部最優(yōu)的尋找中。與之相反，慣性權(quán)重如果取的值特別小，那么算法的收斂性會變得很高，但缺點是粒子容易進入局部尋找最優(yōu)的窘境。工程上慣性權(quán)重通常取值0.7298，使算法變得更容易收斂。第二個部分為粒子的速度也會受到其經(jīng)歷過的最優(yōu)位置的影響而發(fā)生改變，這被研究學(xué)者們統(tǒng)稱為加速因子,粒子本身的最優(yōu)對粒子尋優(yōu)方向所產(chǎn)生的影響的在一定程度上又會受到加速因子的具體取值大小，驅(qū)使粒子不得不圍繞著在歷史找到的最優(yōu)位置附近飛行，以達到粒子收斂這個最終目的。第三個部分為全體粒子的速度會受到種群的最優(yōu)位置的影響而發(fā)生變化，這被稱為研究學(xué)者們統(tǒng)稱加速因子，全體粒子的最優(yōu)位置對粒子尋找最優(yōu)位置飛行方向的影響程度在很大一部分上會受到加速因子的具體取值大小的影響，驅(qū)使粒子圍繞在全局最優(yōu)位置附近尋優(yōu)，實現(xiàn)使粒子能夠快速收斂的目的，對發(fā)現(xiàn)最優(yōu)解有很大益處。上述的三個部分之間有著很大的關(guān)聯(lián)，可以說三者是息息相關(guān)，缺一不可。無論缺少了哪一部分，都會對粒子的速度產(chǎn)生壞的方面的影響。如果缺少了第一部分，那么粒子在尋找最優(yōu)解的過程中所花費的時間會增加，喪失掉尋找更多空間范圍進行尋找最優(yōu)解的可能性，粒子活動的空間范圍將急劇減少，這樣將使粒子在更小的空間內(nèi)，花費更多的時間尋找最優(yōu)解，大幅度提升了粒子陷入局部最優(yōu)情況出現(xiàn)的概率，對尋找最佳結(jié)果來說沒有好處；如果缺少了第二部分，粒子將丟掉自己所經(jīng)歷的位置的記憶，雖然這樣能夠在更大的空間范圍內(nèi)尋找最優(yōu)結(jié)果，但是會對尋優(yōu)收斂造成更大的負擔；如果缺少第三部分，各個粒子將失去在種群中與其他個體交換信息的能力，導(dǎo)致整個種群沒有一個團隊意識的引導(dǎo)，極大地限制了種群向好的方向發(fā)展的可能性，不利于尋優(yōu)。下圖對粒子尋優(yōu)時所受到的各個因素的影響情況進行了簡略的描述。粒子移動示意圖5.2粒子群算法基本步驟：（1）將粒子種群進行初始化操作；（2）為求各粒子適應(yīng)度值，我們可以依靠建立的目標函數(shù)來進行計算，并在計算結(jié)束后分別對個體和全局第最優(yōu)值進行初始化操作；（3）將結(jié)果與預(yù)設(shè)要求進行比對，并與終止條件相比較進行判斷，滿足終止條件則運算停止搜索，輸出結(jié)果；否則繼續(xù)下一個步驟；（4）通過速度、位置更新公式求得更新后各粒子的速度和所處位置；（5）根據(jù)目標函數(shù)計算各粒子適應(yīng)度值；（6）更新各粒子歷史最優(yōu)值以及全局最優(yōu)值；（7）回到第三個步驟后再次執(zhí)行算法運算。對于終止條件，通?？梢栽O(shè)置為適應(yīng)值誤差達到預(yù)設(shè)要求，或迭代次數(shù)超過最大允許迭代次數(shù)。5.3粒子群算法流程圖：5.4粒子群算法改進標準的粒子群算法雖然收斂的速度快，效率高，但是也存在著計算精度低，較多地依賴于初始取值所設(shè)定的特征，迭代時間到了后期收斂的速度大大降低，很容易就會造成局部收斂的情況，從而直接導(dǎo)致其準確度的降低。為達到算法的整體全局搜索尋優(yōu)能力與局部搜索能力達到平衡的目的，一般希望該算法：除了在后期有更佳的整體局部搜索能力和收斂準確性，還要在前期有著優(yōu)秀的整體全局搜索尋優(yōu)能力，以便于能夠獲得較高適應(yīng)度的粒子。對此，本文做出了如下的改進：修改慣性權(quán)重，使其線性遞減：（31）式中表示其最大的迭代次數(shù)；表示最大慣性權(quán)重值；表示最小慣性權(quán)重值；表示其當前的迭代次數(shù)；對于慣性權(quán)重w，本文取=0.9，=0.4。6仿真與驗證6.1算例介紹及參數(shù)設(shè)置本文的研究對象是處于冬季日的北方地區(qū)內(nèi)的由光伏電池、風力發(fā)電機、微型燃氣輪機、燃料電池以及蓄電池組成的考慮電熱儲能的熱電聯(lián)產(chǎn)型微電網(wǎng)系統(tǒng)，把一天的工作時間劃分縮短到24個小時。對于粒子群算法的基本參數(shù)我們將其設(shè)置為：種群規(guī)模大小200，最大迭代次數(shù)300，加速因子、均為2.05，慣性權(quán)重系數(shù)為0.9；蓄電池最大電量設(shè)為50kWh。微電網(wǎng)的各微電源運行參數(shù)如表1所示；各類污染物的處理成本和排放系數(shù)如表2所示；本文將電價劃分成3個時間段（谷時段電價、平時段電價和峰時段電價），谷時段為23時至7時；平時段為7時至10時、15時至18時、21時至23時；峰時段為10時至15時、18時至21時，微電網(wǎng)處于三個不同時段的售電價如表3所示，風力發(fā)電機和光伏電池出力如圖1所示，熱電負荷如圖2所示。表1各微電源運行參數(shù)微源類型PVWTMTFCSB安裝成本（萬元/kW）6.6502.3751.3064.2750.087功率上限/kW1010654050功率下限/kW010000壽命/年2010101010運行費用/（元/kWh）0.00960.04500.12800.02930.0450容量因數(shù)（%）29.3422.1354.9936.7332.67表2污染物排放系數(shù)及處理成本表3微電網(wǎng)分時電價時段購電價（元/kWh）售電價（元/kWh）峰時0.830.65平時0.490.38谷時0.170.13圖1典型冬季日微網(wǎng)風機和光伏出力曲線圖2典型冬季日微網(wǎng)熱、電負荷曲線6.2優(yōu)化結(jié)果與分析結(jié)合前面對微電網(wǎng)處于孤島運行模式下制定的調(diào)度策略和建立的目標函數(shù)模型，對典型冬季日微電網(wǎng)內(nèi)各微電源運行狀態(tài)進行分析，并采用PSO算法進行求解，經(jīng)優(yōu)化調(diào)度后各微源在每時刻對應(yīng)的輸出功率大小如圖3所示。圖3孤島運行時典型冬季日微電源優(yōu)化結(jié)果從圖3顯示的優(yōu)化結(jié)果以及結(jié)合圖1、圖2綜合來看，我們可以發(fā)現(xiàn)在冬季日，微電網(wǎng)正常處于孤島運行狀態(tài)時，微電網(wǎng)最開始是利用光伏電池（PV）和風力發(fā)電機（WT）兩者來對電網(wǎng)進行供電，微型燃汽輪機（MT）則是工作在“以熱定電”的模式，在從23:00到7:00的這八個小時的時間段內(nèi)，電網(wǎng)一直是處于負荷的低谷時段，蓄電池（SB）工作在不斷充電的狀態(tài)，而在平時段和谷時段電網(wǎng)具有滿足負荷需求的特點，蓄電池（SB）工作在不斷放電的狀態(tài)，同時放電的多少也與系統(tǒng)負荷的大小有一定關(guān)系；在23:00~24:00這一時段，系統(tǒng)內(nèi)部的負荷逐漸減少，這時可以使燃料電池（FC）的發(fā)電量變小，系統(tǒng)所需要的負荷由微型燃汽輪機（MT）來進行提供。圖4蓄電池剩余電量圖5蓄電池所出力從圖4、圖5兩個圖綜合來看，可以看出在0:00~6:00負荷低谷時間段，蓄電池進行充電，并在6:00時刻達到50kWh（設(shè)定的蓄電池最大容量），其后不再進行充電，然后于9:00~14:00時間段進行放電，對電網(wǎng)進行供電，補足所需負荷。在14:00~17:00時間段電網(wǎng)能自給自足的時候停止放電，在17:00~20:00時間段再次放電供能并釋放完所有儲存的電能。在20：00~24:00時間段停止工作退出運行。圖6燃氣輪機供熱圖7燃氣輪機熱儲出力由圖2、圖6、圖7綜合來看，我們可以直觀地看出在任何一個時刻，燃氣輪機的供熱量都是同電網(wǎng)熱負荷與燃氣輪