微網分布式發電備用配置決策

摘要：將電力市場環境下微電網備用分為外部與內部2 類備用，前者為大電網事故支持備用，后者包括不可再生分布式發電備用(non-renewable distributed generation reserve ，NDGR)、儲能裝置、低電價與高賠償2 種可中斷負荷。在對大電網備用優化配置技術應用于微電網的可行性進行深入分析的基礎上，為提高微電網NDGR 配置的經濟性，針對微電網各類備用的經濟互補特性，運用協調優化理念，從風險管理角度建立優化NDGR 配置的數學模型，提出基于代價對參數的靈敏度來指導優化方向的尋優算法，針對容量事故集對NDGR 的最優配置進行風險決策，量化分析微電網運行模式、儲能以及NDGR 價格對NDGR 配置的影響。仿真結果表明，NDGR 配置過高或過低都不合適，而應存在最優值。

0 引言

受風速、光強等自然因素的影響，微電網中可再生分布式發電(distributed generation，DG)[1-3](包括風力發電、太陽能發電等可再生能源發電)具有高度的不確定性，由此所引發的供需不平衡問題輕則影響電能質量，重則降低對重要用戶的供電可靠性，因而微電網同樣也存在與大電網相類似的供電可靠性問題。為保證微電網安全可靠經濟供電，既需要研究確定性負荷需求下分布式供電策略優化，同時也需要研究隨機性容量缺額事故下的備用配置策略優化。當微電網出現容量缺額事故時，對于孤島模式下的微電網，此時可調用的備用資源包括不可再生DG 備用(non-renewable distributed generationreserve，NDGR)(包括燃料電池、燃氣輪機等新能源發電備用)、儲能裝置(energy storing device，ESD)(包括燃料電池、超級電容、燃氣輪機等)、低電價可中斷負荷(interruptible load with low price，ILL)以及高賠償可中斷負荷(interruptible load with highcompensation，ILH)[4]。對于并網模式下的微電網，此時可調用的備用方式除了上述之外，還將包括大電網事故支持備用容量(reserve capacity of faultsupport，RCFS)，因而RCFS、NDGR、ESD、ILL以及ILH 都可參與微電網備用配置。

微電網備用配置過少，不能滿足微電網安全可靠性要求，過多又會不必要地降低經濟性，因而存在最優值。為此，從可靠性與經濟性協調角度，對微電網備用配置進行優化將具有非常重要的意義。

為應對微電網可再生DG 的高度不確定性，作為微電網備用容量的購買方，配電公司如何從安全性與經濟性協調角度去合理配置各類備用資源，已成為當前微電網新能源發電規劃與市場運營中迫切需要解決的重要問題之一，同時也是為滿足智能電網“自愈、安全、經濟”技術特點與要求需要關注的重要方面。為應對微電網中可再生DG 的高度不確定性，完全依賴ESD 的經濟性較差，而完全依賴可中斷負荷容易導致過控或欠控，因此NDGR 應該成為微電網備用配置的主體。作為微電網一種應急可控緊急發電備用資源，優化NDGR 配置將成為微電網備用服務決策需要研究的重要內容。然而，目前對NDGR 的研究較多側重于其參與微電網分布式供電[5-8]，有關備用配置優化的研究主要集中在大電網，如優化發電側備用容量[9-13](reserve capacity ofgeneration side，RCGS)、ILL[14]，對NDGR 配置進行優化的研究較少[15-16]。文獻[15]將NDGR 視為大電網備用，針對各類NDGR 的經濟互補特性，提出了綜合考慮經濟性、可靠性、環保性評估的NDGR優化配置模型。文獻[16]從風險管理與協調優化角度，提出了NDGR 配置問題。迄今為止，針對微電網可再生DG 的高度不確定性，通過與RCFS、ESD、ILLC 以及ILHC 相協調，從風險管理角度對NDGR配置進行優化的研究一直被長期孤立與忽視。

本文在兼顧安全性與經濟性的前提下，從風險管理角度建立優化微電網NDGR 配置的數學模型與尋優算法，針對容量事故集對NDGR 的最優配置進行風險決策，量化微電網運行模式、儲能以及NDGR 價格對NDGR 配置的影響。

1 大電網備用優化配置技術應用于微電網的可行性分析

將大電網備用優化配置技術應用于微電網，主要基于2 者在備用配置方面存在以下相似之處：

1)大電網與微電網都存在容量供需不平衡(容量缺額)問題。前者是由大電網中發電機組與系統元件故障、負荷需求的不確定性所引起，而后者則主要是由微電網中可再生DG 的不確定性所引起。

2)大電網與微電網配置備用方式具有一定的相似性。雖然NDGR 是否參與微電網備用配置大多由用戶自行確定，但是與電網公司預先指定一定數量的備用發電機組參與系統調峰一樣，作為微電網備用容量的購買方，配電公司完全可以采用與之相類似的手段去預先配置一定數量的NDGR 來應對微電網中可再生DG 輸出的高度不確定性。

3)為保證大電網與微電網安全可靠運行，都需要配置備用，且各自備用響應特性存在一定的相似性。大電網備用包括RCGS、ILL 以及ILH，而微電網備用則包括RCFS、NDGR、ESD、ILL 以及ILH。大電網的RCGS 存在瞬時、快速、慢速以及冷態4 種形態，而NDGR 中的燃料電池、微型燃氣輪機的響應時間分別為ms 級與s 級，這一點非常類似于大電網中的RCGS。

4)大電網與微電網備用服務決策都可以通過市場競價方式來組織管理。為了提高大電網與微電網備用服務市場公正性、抑制市場力以及激勵各方參與備用的積極性，大電網中的RCGS、ILL 以及ILH，微電網中的NDGR、ESD、ILL 以及ILH 都可以通過市場競價方式來組織管理。

5)為使大電網與微電網各類備用之間具有可比性，都需要量化各類備用的配置成本(容量成本)與調度風險(發電風險或停電賠償風險)，即都需要引入量化觀點。

6)為兼顧安全性與經濟性，都需要量化大電網中RCGS 與微電網中NDGR 配置不足所帶來的安全風險，即都需要引入風險觀點。

7)為使大電網中RCGS 與微電網中NDGR 配置的經濟性為最優，都需要通過與其它各類備用相協調，并以各類備用的配置成本與調度風險之和最小為目標函數，而不是僅以配置成本或調度風險為最小進行優化，即都需要引入協調與優化觀點。

2 微電網各類備用之間的互補特性

由于RCFS、NDGR、ESD、ILL 以及ILH 都是在容量缺額事故發生后才被執行，故從控制角度相互不具有技術互補特性，都屬于事故后控制(包括緊急控制、校正控制)，但相互之間具有較強的經濟互補特性。為調用RCFS、NDGR 以及ESD，需要支付確定性的配置成本與風險性的調度風險。為中斷ILL 只需支付確定性的配置成本，無需支付風險性的調度風險。為中斷ILH，只需支付風險性的調度風險，無需支付確定性的配置成本。與電力系統穩定性預防控制與緊急控制之間的互補性相類似[17]，上述各類備用之間的經濟互補特性給綜合協調微電網各類備用、風險優化NDGR 配置留下了空間。如果單純將配置NDGR 視為孤立防御，綜合配置微電網各類備用則可視為綜合防御。綜合防御無論是從技術還是經濟層面，都要比孤立防御具有更好的性價比[18]。文獻[19]從物理與經濟層面對微電網各類備用進行了較為全面地比較。

3 微電網各類備用代價的量化

3.1 NDGR 的配置成本與調度風險

按響應時間的不同，與對大電網中RCGS 的劃分相類似，NDGR 同樣也可分為瞬時、快速、慢速以及冷態4 種[13]。為調用NDGR 所付出的代價可表示為