分布式发电作为备用电源的优化配置
分布式发电作为备用电源的优化配置
赵国波 , 刘天琪 , 李兴源
(四川大学电气信息学院 , 四川省成都市 610065)
摘要 : 通过计算不同分布式电源配置方案的年发电费用、用户停电损失、环保成本 ,建立了综合经
济性、可靠性、环保性评估的分布式电源优化配置模型。基于电力不足概率对分布式电源配置方案
进行可靠性评估 ,给出不同可靠性目标下的最优配置方案 ,并对用户不同停电成本对配置方案的影
响进行了敏感性分析。同时 ,将分布式电源对环境的影响也纳入了优化评估中 ,考虑了 SO2 和
NO x 等各种污染气体的排放特性 ,以及不同地区环保成本差异对优化配置结果的影响。算例分析
表明 ,该模型能够全面评估各种分布式电源的性能 ,并针对不同用户的可靠性和环保要求提出了最
优配置方案。
关键词 : 分布式发电 ; 备用电源 ; 供电可靠性 ; 环境影响
中图分类号 : TM61 ; TM732
收稿日期 : 2008206230 ; 修回日期 : 2008209210。
国家自然科学基金资助项目(50577044) 。
0 引言
集中发电、远距离输电和大电网互联是目前电
力生产、输送和分配的主要方式。全世界 90 %的电
力负荷都由这种集中单一的大电网供电。随着社会
对电力供应的质量与安全可靠性要求越来越高 ,大
电网由于自身缺陷已经不能满足这种要求。大电网
中任何一点故障所产生的扰动都会对整个电网造成
较大影响 ,严重时可能引起大面积停电甚至是全网
崩溃 ,造成灾难性后果。将分布式发电与大电网相
结合被世界许多能源、电力专家公认为是能够节省
投资、降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性的供
电方式 ,是 21 世纪电力工业的发展方向[1] 。
分布式发电是在用户现场或靠近用电现场配置
容量较小的发电机组(一般低于 50 MW) ,以满足特
定用户的需要 ,支持现存配电网的经济运行 ,或者同
时满足这 2 个方面的要求。分布式电源(D G) 包括 :
太阳能发电系统、风力发电站、微型燃气轮机、柴油
发电机、燃料电池、生物质能发电及储能装置等。根
据用户的需求不同 ,D G 可以用来实现备用电源、电
力调峰、热电联产以及向偏远地区供电等用途[2] 。
目前 , D G 规划与运行在国内外已有较多研
究[325 ] ,但是关于不同类型 D G 优化配置问题的文献
尚不多见。文献[6 ]考虑了不同类型 D G 连接到电
网后对输电损耗的影响 ,引入网损调节系数和工作
系数 ,给出了以最大 D G 容量为优化目标的不同类
型 D G 最优组合配置方案。文献[7 ]对于不同类型
的电力用户进行停电成本分析 ,将用户缺电损失作
为 D G 规划的成本—效益分析的重要依据 ,给出了
D G 的优化配置方案。但文献[627 ]均未充分考虑环
境危害、公共健康和其他重要的外部环境因素 ,因而
无法全面评价各种分布式发电技术的优劣 ,未体现
出某些清洁能源发电技术的优越性。
根据中国电力企业联合会电力可靠性管理中心
发布的中国 2004 年全国 294 个城市用户供电可靠
性指标报告 ,2004 年平均供电可靠率为 99. 820 % ,
用户年平均停电时间为 15. 8 h/ 户。统计显示 ,占
总数 57 %的供电企业供电可靠率已达到“三个九”
(即达到 99. 9 %) , 有 14 %的供电企业已经超过
99. 980 % ,但是占总数 16 %的供电企业供电可靠率
仍低于 99. 700 %。在电力市场条件下 ,随着用户对
供电质量和可靠性的要求越来越高 ,对于重要和敏
感的负荷 ,应根据不同的可靠性指标要求 ,制定相应
的电源组合配置方案 ,以满足用户的差异化用电需
求。同时 ,随着公众环保意识的增强 ,发电排放物对
环境和公众健康的影响也应该纳入电源配置评价
中。
基于以上背景 ,本文在 D G 配置中纳入了可靠
性和环境影响评估 ,给出了 D G 的经济性、可靠性、
环保性综合评价模型 ,根据用户需求提出了最优组
合配置方案。
1 DG优化配置模型
本文讨论的 D G 限于可控式分布式发电 ,即利
用不间断燃料发电 ,能够根据系统负荷需要即时调
—58—
第 33 卷 第 1 期
2009 年 1 月 10 日
Vol. 33 No. 1
Jan. 10 , 2009
节出力 ,如微型燃气轮机、柴油机、燃料电池等 ,主要
用于不间断电力变电站和重要工业/ 商业用电现场。
在正常情况下 ,用户的负荷由供电系统供应 ;当系统
发生故障时 ,由储能装置如蓄电池提供短时电力供
应 ,以保证 D G完成启动 ,逐渐将负荷转移到 D G ,从
而保证对用户持续的电力供应。
本文将 D G 的投资维护费用、发电费用、用户停
电损失和 D G 的外部成本 (发电排放物对环境的影
响) 计入目标函数 ,建立了使总成本最小、用于不间
断电力变电站和重要用户的 D G优化配置模型。数
学模型描述如下。
1. 1 目标函数
目标函数为总成本最小(式(1) ) ,由 3 个部分组
成 :第 1 部分为各种电源的年投资、维护、发电成本
(式(2) ) ;第 2 部分为用户停电损失费用(式(3) ) ;第
3 部分为外部成本(式(4) ) 。
min F = CT + CL + CE (1)
CT = ∑
n
j = 1
bj C j N j +
∑
n
j = 1
∑
8 760
h = 1
( CM j + CFj ) Pjh t h (2)
CL = 8 760 PLOLP CO (3)
CE = ∑
p
m = 1
Y m D m (4)
式中 : CT 为折算到每年的 D G 投资成本及每年
(8 760 h) 的维护和燃料耗费成本 ; j 代表内燃机、燃
气轮机、燃料电池、微型燃机以及供电网等不同发电
技术; bj 为第 j 种电源的固定投资年平均费用系
数; Cj 为第 j 种电源的固定投资费用; N j 为第 j 种
电源的数目; h 代表各个小时段 ; CM j 为第 j 种电源
的维护费用 ; CFj 为第 j 种电源的燃料成本; Pjh 为第
j 种电源第 h 小时段的发电出力; th 为各种电源每
小时段的运行时间 ; CL 为用户的停电损失费用 ;
PLOL P 为电力不足概率 ; CO 为每小时停电成本 ; CE 为
外部环境成本 ; Y m 为第 m 种污染物的产生量; Dm
为第 m 种污染物对环境影响的成本折算; p 为污染
物的种类数。
1. 2 可靠性指标的计算
本文基于可靠性指标 PLOLP 进行供电可靠性评
估。PLOL P为给定时间区间内系统不能满足负荷需
求的概率。本文采用等效负荷持续曲线计算得到
PLOL P 。假设系统中有 n 台发电机组 ,考虑到随机停
运的影响 ,运用负荷持续曲线 f (0) ( x) 加以修正 ,得
到等效负荷持续曲线 f ( n) ( x) ,在此基础上可以得到
PLOL P 。等效负荷持续曲线与 PLOL P 的关系如图 1 所
示。
图 1 等效持续负荷曲线与可靠性指标
Fig. 1 Equivalent load duration curve and
reliability indices
具体的推导方法如下[8 ] :
f (1) ( x) = (1 - a1 ) f (0) ( x) + a1 f (0) ( x - P1 )
…
f ( n- 1) ( x) = (1 - an- 1 ) f ( n- 2) ( x) +
an- 1 f ( n- 2) ( x - Pn- 1 )
f ( n) ( x) = (1 - an) f ( n- 1) ( x) + an f ( n- 1) ( x - Pn)
(5)
PLOL P = f ( n) ( PT ) (6)
式中 : ai 为第 i ( i = 1 ,2 , ?, n) 台 D G 的强迫停运率;
Pi 为第 i 台 D G 的有功容量 ; PT 为系统总的电源容
量 ; f ( x) 为系统负荷不小于 x 的概率; f (1) ( x) 由电
源 1 的停运概率与负荷持续曲线 f (0) ( x) 的卷积公
式得到 ,以次类推。
通过式(5) 迭代得到 f ( n) ( x) ,再由式(6) 可求出
PLOL P ,代入目标函数式(1) 中。
1. 3 环境影响评估
随着世界环境问题的加剧 ,各国对环保问题越
来越重视 ,京都议定书对各国的污染气体排放量也
做了限制。中国为节约能源 ,减少污染 ,实行了节能
减排政策 ,鼓励利用清洁能源和可再生能源发电 ,为
分布式发电提供了政策支持。本文依据文献[9 ]中
内燃机、燃气轮机、燃料电池、微型燃机等各种分布
式发电技术的污染气体排放特性来评估环境影响 ,
气体排放参数见表 1。
表 1 各种分布式发电技术的污染气体排放特性
Table 1 Characteristic of pollutant emission for
different DGs
kg/ (MW ·h)
DG SO2 NO x CO2
内燃机 0. 206 2. 13 650
燃气轮机 0. 004 0. 521 678. 2
微型燃机 0. 004 0. 2 724. 6
燃料电池 0. 003 0. 014 489. 4
供电网 3. 587 1. 544 639. 2
为了进行比较 ,将传统电网的发电排放气体特
性也记入表中。为了使各种分布式发电技术对环境
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2009 , 33 (1)
的影响统一到评估模型中 ,需对气体排放量进行环
保成本计算。本文根据文献[10 ]对 SO2 ,NO x ,CO2
等各种污染气体对环境影响的罚款数量级进行分
析 ,确定了污染气体排放量与环境保护成本的关系 ,
其中 SO2 为 1 000 元/ t ,NO x 为1 500 元/ t ,CO2 为
10 元/ t 。
本文根据 D G 的优化配置方案 ,得到各种污染
物的排放量 ,求出外部环境成本 ,加到目标函数 (式
(1) ) 中。
1. 4 约束条件
1) 功率平衡约束
各种 D G组合需满足功率平衡约束 ,即每小时
段所有 D G总的出力应该不小于用电负荷。对于任
意时段 h ,应满足 :
∑i ∈GAC
Pih +ηinv ∑j ∈GDC
Pjh ≥L h (7)
式中 : Pih 和 P jh 为第 h 小时段各电源的出力 ; GAC 和
GDC 分别为交流、直流类型的 D G;ηinv 为直流电源的
交流转换效率 ;L h 为用户第 h 小时段的用电负荷。
2) 电源出力约束
对于第 j 种电源 ,
Pjh ≤ Pj N j (8)
式中 : Pj 为单机容量; N j 为第 j 种电源的数目。
3) 可靠性目标约束
设定 R = 1 - PLOL P ,为可靠性目标 ,则
“三个九”目标 : 99. 9 % ≤R < 99. 99 %
“四个九”目标 :99. 99 % ≤R < 99. 999 %
“五个九”目标 :99. 999 % ≤R < 99. 999 9 %
4) 环境约束
每年发电产生的总的气体排放量需被限制到某
一水平。用变量 m 表示 SO2 ,NO x , CO2 等污染气
体 , Fjm 为对应第 j 种电源的第 m 种气体排放系数;
Y m ,limit 代表第 m 种气体排放量的限制 ,对于任意电
源方案 ,有
∑
n
j = 1
∑
8 760
h = 1
U jh F jm ≤Y m,limit (9)
2 求解方法
D G和供电网联合向用户供电 ,可作为发电系
统可靠性问题处理 ,本文采用随机生产模拟方法求
解模型中各种 D G 组合的发电成本和可靠性。
电力系统随机生产模拟是一种通过优化发电机
组的生产情况 ,考虑机组的随机故障及电力负荷的
随机性 ,从而计算出最优运行方式下各电厂的发电
量、系统的生产成本及可靠性指标的算法[8] 。随机
生产模拟求解 D G 配置方案的步骤如下 :
1) 形成原始持续负荷曲线 z (0) ;
2) 确定 D G 组合的出力优先顺序 ,发电顺序安
排原则为 :将供电网作为第一优先电源 ,D G 作为备
用电源 ,发电顺序按燃料成本由小到大安排 ;
3) 计算第 j 个 D G的发电量 ;
4) 用式(5) 求等效负荷持续曲线 z ( j) ;
5) 重复步骤 3、步骤 4 ,直至所有电源完成安排 ;
6) 用式 (6) 计算可靠性指标 PLOL P ,并根据各
D G 发电量计算发电成本和环境成本 ;
7) 由式(1) 求得方案的目标函数值。
本文运用直接优化法对各种 D G组合配置方案
进行优化比较 ,根据各配置方案的目标函数值和供
电可靠性目标比较选择最优配置方案。
3 算例分析
设某地区一工厂由配电网向其供电 ,该地区配
电网供电可靠性为 99. 8 % ,每年平均停电时间达
17. 5 h ,由于停电损失很高 ,工厂为提高供电可靠性
(99. 9 %以上) ,考虑配置 D G。该工厂的最大负荷
为 820 kW ,日负荷曲线参照文献[11 ] 。算例以 1 年
(8 760 h) 为时间周期进行分析。为简单起见 ,不考
虑该工厂的年负荷特性 ,因此每天的负荷曲线相同。
备选的 D G包括内燃机、燃气轮机、微型燃机、燃料
电池。发电燃料都采用天然气 ,机组数目不限。配
电网供电能力为 1 000 kW ,强迫停运率为 0. 002 %。
算例用到的各种 D G参数如表 2 所示。
表 2 DG机组特性
Table 2 Characteristic of different DGs
DG 机组成本/
(元 ·kW - 1)
维护
成本
燃料
成本
单机容
量/ kW
强迫停运
率/ ( %)
内燃机 4 200 0. 01 0. 70 500 5. 2
燃气轮机 4 500 0. 04 0. 77 500 4. 5
微型燃机 6 300 0. 12 0. 89 500 0. 5
燃料电池 20 000 0. 21 0. 58 200 0. 5
注 : 维护成本、燃料成本的单位为元/ (kW ·h) 。
3. 1 不同可靠性目标的最优配置方案
为了满足工厂不同的可靠性要求 ,设定了“三个
九”( 99. 9 %) 、“四 个 九”( 99. 99 %) 、“五 个 九”
(99. 999 %) 的目标 ,假设停电损失为10 万元/ h ,计
及环境因素 ,得出以上 3 个可靠性目标的配置方案
分别如下(详细成本见表 3) :
1) 达到 99. 9 %供电可靠性需配置 D G 容量
1 000 MW ,最优配置方案为供电网加 2 台 500 MW
燃气轮机 ,供电可靠性可达到 99. 986 %。
2) 达到 99. 99 %供电可靠性需配置 D G 容量
1 000 MW ,最优配置方案为供电网加 2 台 500 MW
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·绿色电力自动化 · 赵国波 ,等 分布式发电作为备用电源的优化配置
微型燃机 ,供电可靠性可达到 99. 998 42 %。
3) 达到 99. 999 %供电可靠性需配置 D G 容量
1 500 MW ,最优配置方案为供电网加 3 台燃气轮
机 ,供电可靠性可达到 99. 999 06 %。
表 3 电源最优配置方案
Table 3 Optimal deployment schemes of generators
可靠
性目
标/ ( %)
最优配
置方案
总成
本/ 元
投资及发
电成本/ 元
停电损
失/ 元
环境成
本/ 元
可靠性/
( %)
99. 9 2 台燃气
轮机 615 017 417 048 122 760 75 209 99. 986
99. 99 2 台微型
燃机 677 331 583 436 13 844 80 051 99. 998 40
99. 999 3 台燃气
轮机 710 956 622 252 8 207 80 497 99. 999 06
3. 2 不同停电成本下的敏感性分析
为分析停电成本对优化配置结果的影响 ,拟定
了不同的停电损失 ,范围从 1 万元/ h 至50 万元/ h ,
基于 99. 9 %可靠性要求计算最优配置方案。计算
结果得出 :若停电成本小于 3. 3 万/ h ,最优配置方案
为供电网加 2 台 500 MW 内燃机 ;若停电成本大于
3. 3 万/ h ,最优配置方案为供电网加 2 台 500 MW
燃气轮机。较高可靠性的燃气轮机在停电损失敏感
的场合将优于内燃机。可见 ,不同停电损失对 D G
的配置方案影响显著。对于某些对停电非常敏感的
用户 ,即使承担较高的投资和发电成本 ,用户也愿意
配置高可靠性的 D G来减少停电造成的损失。
3. 3 环保成本对配置方案的影响分析
由于配置 D G 的场所大多处于经济发达且人口
密集的城市开发区 ,发电造成的环境影响需特别重
视 ,对不同电源配置方案的污染气体排放要进行环
保影响分析。但是 ,环境污染造成的损失和环境治
理的费用因所在地区经济社会发展阶段不同而有较
大差异。本文对于环保成本差异对配置方案的影响
进行了分析 ,基于 99. 9 % ,99. 99 % ,99. 999 %这3 个
可靠性要求 ,对不同的 SO2 和 NO x 环保成本进行
了敏感性计算 ,计算结果如表 4 所示。
从表 4 中看出 ,若不计入 SO2 和 NO x 环保成
本 ,或 SO2 和 NO x 排 放 收 费 小 于 730 元/ t 时 ,
99. 9 %可靠性目标下最优配置方案为供电网加 2 台
内燃机 ;当 SO2 和 NO x 排放收费大于 730 元/ t 时 ,
最优 配 置 方 案 为 供 电 网 加 2 台 燃 气 轮 机。在
99. 99 %可靠性目标下 ,由于微型燃机的排放低、投
资小 ,供电网加 2 台微型燃机的配置方案优势较明
显 ,对环保成本不敏感。在 99. 999 %可靠性目标
下 ,当 SO2 和 NO x 排放收费小于 8. 5 万元/ t ,最优
配置方案为供电网加 3 台燃气轮机 ;当 SO2 和 NO x
排放收费大于 8. 5 万元/ t ,最优配置方案为供电网
加 2 台微型燃机再加 1 台燃料电池。可见 ,对于环
保要求较高的场合 ,清洁的低排放 D G 将具有竞争
优势。
表 4 不同环保成本下的最优配置方案
Table 4 Optimal schemes under different environment costs
可靠性
目标/ ( %)
环保成本(SO2
和 NO x) 最优配置方案 可靠性/ ( %)
99. 9
99. 99
99. 999
< 730 元/ t
≥730 元/ t
不敏感
< 8. 5 万元/ t
≥8. 5 万元/ t
2 台内燃机
2 台燃气轮机
2 台微型燃机
3 台燃气轮机
2 台微型燃机 +
1 台燃料电池
99. 983 8
99. 986 0
99. 998 4
99. 999 06
99. 999 33
4 结语
本文建立了计及可靠性和环境影响的 D G 最优
配置模型 ,综合评估发电成本、停电损失和环保成
本 ,并根据用户不同的可靠性要求 ,得到相应的最优
配置方案。计算分析表明 ,用户停电损失的大小对
配置方案有较大影响 ,用户停电损失较高的场合需
要配置高可靠性的 D G。同时 ,将环境影响纳入优
化模型中 ,能够更加全面地评估各种 D G 的优势 ,在
环保要求较高的场合 ,低排放的 D G 将具有显著的
优势。
本文主要研究了 D G作为供电网故障备用的优
化配置问题 ,对于 D G 如何在提供备用的同时并网
参与调峰 ,是下一步研究的方向。
参 考 文 献
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赵国波 (1985 —) ,男 ,硕士研究生 ,主要研究方向 :电力
系统优化运行与控制、分布式发电。E2mail : sailor0727 @
163. com
刘天琪 (1962 —) ,女 ,通信作者 ,教授 ,博士生导师 ,主要
研究方向 :电力系统分析计算与稳定控制、高压直流输电、调
度自动化。E2mail : tqliu @sohu. com
李兴源 (1945 —) ,男 ,博士生导师 ,教授 ,主要研究方向 :
电力系统分析计算与稳定控制、高压直流输电。
Optimal Deployment of Distributed Generation as Backup Generators
Z HA O Guobo , L IU Tianqi , L I Xingyuan
(Sichuan University , Chengdu 610065 , China)
Abstract : A mathematical model for deploying distributed generation is proposed to consider overall economic performance ,
reliability and environment assessment at the same time , by calculating annual generation costs , the consumer’s economic loss
of power outage and environment protection costs. Loss of load probability is used to evaluate the reliability of power supply.
Different optimal deployment scheme for distributed generators are given under different reliability targets. The sensitivity of
different consumer’s outage loss is also analysed. Meanwhile , environment influence of distributed generators is considered in
the optimization evaluation process. Research on SO2 , NO x emission characteristic of different kinds of distributed generators is
given and deployment results under different environment protection costs are analyzed. Simulation results indicate that this
model can evaluate the performance of distributed generators comprehensively and establish optimal deployment scheme which
can satisfy consumers’different demands for reliability and environment protection.
This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 50577044) .
Key words : distributed generation ; backup generator ; reliability of power supply ; environmental influence
(上接第 84 页 continued from page 84)
A Protection Scheme for Distribution System with Distributed Generations
S U N J ingliao , L I Yongli , L I S hengwei , J I N Qiang
( Key Laboratory of Power System Simulation and Control of Ministry of Education ,
Tianjin University , Tianjin 300072 , China)
Abstract : When distributed generation (DG) is connected to the distribution system , it may have some effect on the traditional
current protection and lead to the protection of maloperation. By improving the traditional protection configuration , a new
protection scheme is introduced to solve this problem. According to the connected point of DGs , the protected feeders are
divided into different zones , with directional pilot protection configured at the upstream side of DG and the overcurrent
protection retained for the whole feeder. In order to make the value setting convenient and the fault clearing quick , the definite2
time or inverse2time overcurrent protection is adopted for the feeders based on different locations of DGs. No matter how the
output power of the DG changes , the fault can be reliably cleared with this protection scheme. Simulation results on a 10 kV
distribution system have verified the validity of the scheme proposed.
This work is supported by Special Fund of the National Basic Program of China (No. 2009CB219704) , National High2
Tech Research and Development Program of China ( No. 2007AA05Z241 ) and Natural Science Foundation of Tianjin
Municipality (No. 08J CYBJ C13500) .
Key words : distributed generation ; distribution network ; protection scheme
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