微网分布式发电备用配置决策

摘要：将电力市场环境下微电网备用分为外部与内部2 类备用，前者为大电网事故支持备用，后者包括不可再生分布式发电备用(non-renewable distributed generation reserve ，NDGR)、储能装置、低电价与高赔偿2 种可中断负荷。在对大电网备用优化配置技术应用于微电网的可行性进行深入分析的基础上，为提高微电网NDGR 配置的经济性，针对微电网各类备用的经济互补特性，运用协调优化理念，从风险管理角度建立优化NDGR 配置的数学模型，提出基于代价对参数的灵敏度来指导优化方向的寻优算法，针对容量事故集对NDGR 的最优配置进行风险决策，量化分析微电网运行模式、储能以及NDGR 价格对NDGR 配置的影响。仿真结果表明，NDGR 配置过高或过低都不合适，而应存在最优值。

0 引言

受风速、光强等自然因素的影响，微电网中可再生分布式发电(distributed generation，DG)[1-3](包括风力发电、太阳能发电等可再生能源发电)具有高度的不确定性，由此所引发的供需不平衡问题轻则影响电能质量，重则降低对重要用户的供电可靠性，因而微电网同样也存在与大电网相类似的供电可靠性问题。为保证微电网安全可靠经济供电，既需要研究确定性负荷需求下分布式供电策略优化，同时也需要研究随机性容量缺额事故下的备用配置策略优化。当微电网出现容量缺额事故时，对于孤岛模式下的微电网，此时可调用的备用资源包括不可再生DG 备用(non-renewable distributed generationreserve，NDGR)(包括燃料电池、燃气轮机等新能源发电备用)、储能装置(energy storing device，ESD)(包括燃料电池、超级电容、燃气轮机等)、低电价可中断负荷(interruptible load with low price，ILL)以及高赔偿可中断负荷(interruptible load with highcompensation，ILH)[4]。对于并网模式下的微电网，此时可调用的备用方式除了上述之外，还将包括大电网事故支持备用容量(reserve capacity of faultsupport，RCFS)，因而RCFS、NDGR、ESD、ILL以及ILH 都可参与微电网备用配置。

微电网备用配置过少，不能满足微电网安全可靠性要求，过多又会不必要地降低经济性，因而存在最优值。为此，从可靠性与经济性协调角度，对微电网备用配置进行优化将具有非常重要的意义。

为应对微电网可再生DG 的高度不确定性，作为微电网备用容量的购买方，配电公司如何从安全性与经济性协调角度去合理配置各类备用资源，已成为当前微电网新能源发电规划与市场运营中迫切需要解决的重要问题之一，同时也是为满足智能电网“自愈、安全、经济”技术特点与要求需要关注的重要方面。为应对微电网中可再生DG 的高度不确定性，完全依赖ESD 的经济性较差，而完全依赖可中断负荷容易导致过控或欠控，因此NDGR 应该成为微电网备用配置的主体。作为微电网一种应急可控紧急发电备用资源，优化NDGR 配置将成为微电网备用服务决策需要研究的重要内容。然而，目前对NDGR 的研究较多侧重于其参与微电网分布式供电[5-8]，有关备用配置优化的研究主要集中在大电网，如优化发电侧备用容量[9-13](reserve capacity ofgeneration side，RCGS)、ILL[14]，对NDGR 配置进行优化的研究较少[15-16]。文献[15]将NDGR 视为大电网备用，针对各类NDGR 的经济互补特性，提出了综合考虑经济性、可靠性、环保性评估的NDGR优化配置模型。文献[16]从风险管理与协调优化角度，提出了NDGR 配置问题。迄今为止，针对微电网可再生DG 的高度不确定性，通过与RCFS、ESD、ILLC 以及ILHC 相协调，从风险管理角度对NDGR配置进行优化的研究一直被长期孤立与忽视。

本文在兼顾安全性与经济性的前提下，从风险管理角度建立优化微电网NDGR 配置的数学模型与寻优算法，针对容量事故集对NDGR 的最优配置进行风险决策，量化微电网运行模式、储能以及NDGR 价格对NDGR 配置的影响。

1 大电网备用优化配置技术应用于微电网的可行性分析

将大电网备用优化配置技术应用于微电网，主要基于2 者在备用配置方面存在以下相似之处：

1)大电网与微电网都存在容量供需不平衡(容量缺额)问题。前者是由大电网中发电机组与系统元件故障、负荷需求的不确定性所引起，而后者则主要是由微电网中可再生DG 的不确定性所引起。

2)大电网与微电网配置备用方式具有一定的相似性。虽然NDGR 是否参与微电网备用配置大多由用户自行确定，但是与电网公司预先指定一定数量的备用发电机组参与系统调峰一样，作为微电网备用容量的购买方，配电公司完全可以采用与之相类似的手段去预先配置一定数量的NDGR 来应对微电网中可再生DG 输出的高度不确定性。

3)为保证大电网与微电网安全可靠运行，都需要配置备用，且各自备用响应特性存在一定的相似性。大电网备用包括RCGS、ILL 以及ILH，而微电网备用则包括RCFS、NDGR、ESD、ILL 以及ILH。大电网的RCGS 存在瞬时、快速、慢速以及冷态4 种形态，而NDGR 中的燃料电池、微型燃气轮机的响应时间分别为ms 级与s 级，这一点非常类似于大电网中的RCGS。

4)大电网与微电网备用服务决策都可以通过市场竞价方式来组织管理。为了提高大电网与微电网备用服务市场公正性、抑制市场力以及激励各方参与备用的积极性，大电网中的RCGS、ILL 以及ILH，微电网中的NDGR、ESD、ILL 以及ILH 都可以通过市场竞价方式来组织管理。

5)为使大电网与微电网各类备用之间具有可比性，都需要量化各类备用的配置成本(容量成本)与调度风险(发电风险或停电赔偿风险)，即都需要引入量化观点。

6)为兼顾安全性与经济性，都需要量化大电网中RCGS 与微电网中NDGR 配置不足所带来的安全风险，即都需要引入风险观点。

7)为使大电网中RCGS 与微电网中NDGR 配置的经济性为最优，都需要通过与其它各类备用相协调，并以各类备用的配置成本与调度风险之和最小为目标函数，而不是仅以配置成本或调度风险为最小进行优化，即都需要引入协调与优化观点。

2 微电网各类备用之间的互补特性

由于RCFS、NDGR、ESD、ILL 以及ILH 都是在容量缺额事故发生后才被执行，故从控制角度相互不具有技术互补特性，都属于事故后控制(包括紧急控制、校正控制)，但相互之间具有较强的经济互补特性。为调用RCFS、NDGR 以及ESD，需要支付确定性的配置成本与风险性的调度风险。为中断ILL 只需支付确定性的配置成本，无需支付风险性的调度风险。为中断ILH，只需支付风险性的调度风险，无需支付确定性的配置成本。与电力系统稳定性预防控制与紧急控制之间的互补性相类似[17]，上述各类备用之间的经济互补特性给综合协调微电网各类备用、风险优化NDGR 配置留下了空间。如果单纯将配置NDGR 视为孤立防御，综合配置微电网各类备用则可视为综合防御。综合防御无论是从技术还是经济层面，都要比孤立防御具有更好的性价比[18]。文献[19]从物理与经济层面对微电网各类备用进行了较为全面地比较。

3 微电网各类备用代价的量化

3.1 NDGR 的配置成本与调度风险

按响应时间的不同，与对大电网中RCGS 的划分相类似，NDGR 同样也可分为瞬时、快速、慢速以及冷态4 种[13]。为调用NDGR 所付出的代价可表示为

4、 优化模型

4.1 问题描述

在满足微电网安全可靠性要求的前提下，图1以容量与代价的关系曲线来描述NDGR 配置的优化过程。从图1 可以看出：1)随Qg 增加，C1 随之增加，而C234 随之减少;2)当Qg>Qg.o 时，如果预先配置的Qg 过高，则C234 的减少量不足以弥补C1的增加量，可适当减少Qg 来减少C;3)当Qg

4.2 模型的建立

在满足微电网安全可靠性要求的前提下，基于风险的NDGR 配置决策模型可表示为

虽然该算法不能得到最优解，但能通过较少的计算量得到满意解，因而较适合工程应用。显然，基于代价的灵敏度技术将大大加快搜索速度。

5 仿真分析

5.1 计算条件

设研究时段tz 为10 h，该时段下RCFS 最大容量为5 MW，其容量与电量出清价格分别为200、400 元/MW·h。表1—4 分别给出了ESD、NDGR、ILL 以及ILH 市场价格与容量限制。表5 为容量事故场景。

5.2 基于风险的NDGR 配置决策

在并网模式下，针对单个容量事故，图2 给出了Qg 与C 的关系。从图2 可以看出：对于不同的容量事故，Qg 与C 关系曲线的相对位置不同;针对不同的容量事故，Qg 过小或过大都不合适，而应存在最优值Qg.o;不同容量事故下的Qg.o 与Cmin 并不相同。为此，在制定NDGR 最优配置决策方案时，需要考虑M。图1 给出的就是考虑M 的决策结果，此时Qg.o 为17 MW，Cmin 为3.80 万元。

5.3 影响NDGR 配置因素的敏感性分析

针对并网与孤岛2 种运行模式，表6 给出了运行模式对NDGR 优化配置结果的影响。在并网模式下，针对有无储能2 种情况同时抬高NDGR 价格(包括容量价格与电量价格)，表7、图3 给出了储能、NDGR 价格对NDGR 优化配置结果的影响。从表6、7 和图3 可看出：1)并网模式下Qg.o、Cmin 要明显小于孤岛模式情况;2)储能参与下的Qg.o、Cmin要明显小于储能不参与情况;3)随NDGR 价格调价比率增加，不同容量事故下的Qg.o 都将随之减少。

6 结论

长期以来，对微电网的研究较多地集中在分布式供电优化、孤岛检测等方面，为兼顾微电网运行可靠性与运营经济性，开展微电网备用服务决策方面的研究一直被长期孤立与忽视。与大电网存在优化RCGS 配置问题相类似，微电网同样也存在优化NDGR 配置问题，其实质为风险最小化与决策最优化问题，即在满足微电网安全可靠性要求的前提下，如何优化NDGR 配置使其配置风险为最小。

本文针对微电网中可再生DG 的高度不确定性，从有效应对微电网供电过程中可能出现的各类容量缺额事故的角度，将电力市场环境下微电网备用分为RCFS、NDGR、ESD、ILL 以及ILH。为提高微电网NDGR 配置的经济性，充分利用上述各类备用之间的经济互补特性，基于风险管理观点与协调优化理念，提出了NDGR 配置的优化模型，并基于灵敏度技术的优化算法进行求解，量化分析了微电网运行模式、储能以及NDGR 价格对NDGR 配置的影响。通过仿真得到如下结论：

1)市场环境下，微电网各类备用之间存在着较强的经济互补特性，从而给协调微电网各类备用、优化NDGR 配置留下了空间。

2)NDGR 配置过高或过低都不合适，存在最优值，且不同容量事故下的NDGR 优化配置结果并不相同。为此，在对其配置进行风险决策时，需要考虑所有容量事故，即容量事故集。

3)针对并网模式要比针对孤岛模式、考虑储能参与要比不考虑储能参与更能提高NDGR 配置经济性，从而验证了综合协调与全局优化的有效性。

4)本文的优化模型不但优化了NDGR 配置，而且实现了微电网内部各类备用之间、RCFS 与微电网内部备用之间的协调。

参考文献

[1] 鲁宗相，王彩霞，闵勇，等.微电网研究综述[J].电力系统自动化，2007，31(19)：100-107.Lu Zongxiang，Wang Caixia，Min Yong，et al.Overview on microgridresearch[J].Automation of Electric Power Systems，2007，31(19)：100-107(in Chinese).

[2] 刘杨华，吴政球，涂有庆，等.分布式发电及其并网技术综述[J].电网技术，2008，32(15)：71-76.Liu Yanghua，Wu Zhengqiu，Tu Youqing，et al.A survey ondistributed generation and its networking technology[J] . PowerSystem Technology，2008，32(15)：71-76(in Chinese).

[3] 梁有伟，胡志坚，陈允平.分布式发电及其在电力系统中的应用研究综述[J].电网技术，2003，27(12)：71-75,88.Liang Youwei，Hu Zhijian，Chen Yunping.A survey of distributedgeneration and its application in power system[J].Power SystemTechnology，2003，27(12)：71-75,88 (in Chinese).

[4] 罗运虎，薛禹胜，Ledwich G，等.低电价与高赔偿2 种可中断负荷的协调[J].电力系统自动化，2007，31(11)：17-21.Luo Yunhu，Xue Yusheng，Ledwich G，et al.Coordination of lowprice interruptible load and high compensation interruptible load[J].Automation of Electric Power Systems，2007，31(11)：17-21(inChinese).

[5] 魏玲,杨明皓.输配分离电力市场中含分布式发电的配电公司购电模型[J].电网技术，2008，32(8)：71-76.Wei Ling，Yang Minghao.A power purchase model for distributedcompany containing distributed power generation in electricity marketwith transmission separated from distribution[J] . Power SystemTechnology，2008，32(8)：71-76(in Chinese).

[6] 李海英，李渝曾，张少华.具有分布式发电和可中断负荷选择的配电公司能量获取模型[J].中国电机工程学报，2008，28(10)：88-93.Li Haiying，Li Yuceng，Zhang Shaohua.An energy acquisition modelfor a distribution company with distributed generation andinterruptible load options[J].Proceedings of the CSEE，2008，28(10)：88-93(in Chinese).

[7] 郑漳华，艾芊，顾承红，等.考虑环境因素的分布式发电多目标优化配置[J].中国电机工程学报，2009，29(13)：23-28.Zheng Zhanghua，Ai Qian，Gu Chenghong，et al.Multi-objectiveallocation of distributed generation considering environmental factor[J].Proceedings of the CSEE，2009，29(13)：23-28(in Chinese).

[8] 喻洁，李扬，夏安邦.兼顾环境保护与经济效益的发电调度分布式优化策略[J].中国电机工程学报，2009，29(16)：63-68.Yu Jie，Li Yang，Xia Anbang.Distributed optimization of generationdispatch schedule considering environmental protection and economicprofits[J].Proceedings of the CSEE，2009，29(16)：63-68(in Chinese).

[9] 王建学，王锡凡，张显.电力市场中弹性运行备用研究[J].中国电机工程学报，2005，25(18)：20-27.Wang Jianxue，Wang Xifan，Zhang Xian.The flexible operatingreserve model in the power market[J].Proceedings of the CSEE，2005，25(18)：20-27(in Chinese).

[10] 王乐，余志伟，文福栓.基于机会约束规划的最优旋转备用容量确定[J].电网技术，2006，30(20)：14-19.Wang Le ， Yu Zhiwei ，Wen Fushuan . A chance-constrainedprogramming approach to determine requirement of optimal spinningreserve capacity[J].Power System Technology，2006，30(20)：14-19(in Chinese).

[11] 吴集光，刘俊勇，牛怀平，等.电力市场环境下最优备用容量的确定[J].电力系统自动化，2005，29(15)：10-13.Wu Jiguang，Liu Junyong，Niu Huaiping，et al.Determination ofoptimal reserve capacity in electricity market environment[J].Automation of Electric Power Systems，2005，29(15)：10-13(inChinese).

[12] 葛炬，张粒子.可中断负荷参与的备用市场的帕累托优化模型[J].电力系统自动化，2006，30(9)：34-37.Ge Ju，Zhang Lizi.Pareto optimally model of reserve marketincluding interruptible load as participants[J].Automation of ElectricPower Systems，2006，30(9)：34-37(in Chinese).

[13] 赖业宁，薛禹胜，汪德星，等.备用容量服务市场的风险决策[J].电力系统自动化，2006，30(16)：1-5.Lai Yening，Xue Yusheng，Wang Dexing，et al.Risk decision-markingfor reserve capacity market[J] . Automation of Electric PowerSystems，2006，30(16)：1-5(in Chinese).

[14] 罗运虎，邢丽冬，王勤，等.市场环境下低电价可中断负荷的最优配置[J].电网技术，2008，32(7)：72-76.Luo Yunhu，Xing Lidong，Wang Qin，et al.Optimal configuration ofinterruptible load with low price in market environment[J].PowerSystem Technology，2008，32(7)：72-76(in Chinese).

[15] 赵国波，刘天琪，李兴源.分布式发电作为备用电源的优化配置[J].电力系统自动化，2009，33(1)：85-89.Zhao Guobo，Liu Tianqi，Li Xingyuan.Optimal deployment ofdistributed generation as backup generators[J].Automation of ElectricPower Systems，2009，33(1)：85-89(in Chinese).

[16] 罗运虎，王冰洁，梁昕，等.电力市场环境下微电网不可再生分布式发电容量的优化配置问题[J].电力自动化设备，2010，30(8)：28-36.Luo Yunhu ，Wang Bingjie ， Liang Xin ， et al .Configurationoptimization of non-renewable energy distributed generation capacity[J].Electric Power Automation Equipment，2010，30(8)：28-36(inChinese).

[17] 薛禹胜.暂态稳定预防控制和紧急控制的协调[J].电力系统自动化，2002，26(4)：1-4.Xue Yusheng.Coordinations of preventive control and emergencycontrol for transient stability[J] .Automation of Electric PowerSystems，2002，26(4)：1-4(in Chinese).

[18] 薛禹胜.时空协调的大停电防御框架(三)：各道防线内部的优化和不同防线之间的协调[J].电力系统自动化，2006，30(3)：1-10.Xue Yusheng . Space-time cooperative framework for defendingblackouts part III：optimization and coordination of defense-lines[J].Automation of Electric Power Systems，2006，30(3)：1-10(inChinese).

[19] 罗运虎，邢丽冬，王勤，等.可靠性需求市场中用户的风险决策[J].中国电机工程学报，2008，28(22)：113-117.Luo Yunhu，Xing Lidong，Wang Qin，et al.Risk decision-markingfor customer in reliability demand market[J].Proceedings of theCSEE，2008，28(22)：113-117(in Chinese).