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1、第6章智能微电网规划技术第6章 智能微电网的规划设计主讲人：XXX2016年8月1.智能微电网规划设计方法2.智能微电网规划设计流程3.智能微电网规划设计软件的应用内容1.了解智能微电网规划设计的方法；2.熟悉智能微电网规划设计的流程；3.掌握智能微电网规划设计软件HOMER的使用方法和使用步骤；4.了解智能微电网规划设计的优化方法；5.熟悉智能微电网规划设计中优化目标和能量调度策略的选择方法。学习目标 智能微电网的建设需要进行充分的技术、经济和环境效益等方面的可行性分析。技术可行性分析决定了智能微电网能否建立，经济可行性分析则是智能微电网是否具备建设和运行的关键，环境效益分析则是从保护环境的
2、角度考虑智能微电网接入带来的好处。在技术、经济、环境效益分析的基础上合理选择智能微电网结构和容量配置，才能保证智能微电网以较低的成本取得较大的效益。主体的规划设计主要完成以下几方面的内容：6.1.1 智能微电网规划设计方法（1）分析智能微电网内可再生能源与负荷需求 对智能微电网内可再生能源和负荷需求的分布特性进行分析，主要采用确定性和不确定性两种分析方法。 确定性分析是指分析智能微电网规划设计中所涉及到的风、光等资源情况与负荷需求情况，确定性分析的依据主要来源于历史记录数据，一种典型的分析方法是利用风速、光照强度与负荷等信息的全年8760h的历史数据，对智能微电网的运行情况进行分析； 不确定分
3、析主要是基于概率统计理论对可再生能源与负荷的变化特性进行建模。（2）依据智能微电网内可再生能源与负荷需求，建立智能微电网稳态运行的数学目标函数 依据分布式能源情况、负荷需求情况，基于各设备的准稳态运行模型，从技术、经济和环境等不同的目标角度选定合理的优化变量形成规划设计问题的数学描述。其中的优化变量主要包括分布式电源、储能装置与冷/热/电联供系统所含设备等的型号、容量和位置、光伏阵列的倾斜角、风机轮毂高度、运行调度策略类型、智能微电网中联络开关的位置等变量。（3）基于建立的目标函数，依据设立的目标和约束条件，通过各种算法求出智能微电网的最优解集，从而得到智能微电网的最优配置。 智能微电网规划设
4、计的目标：系统总成本的最小化、投资净收益的最大化、污染物排放的最小化、系统供电可靠性的最大化、系统网损的最小化、燃料消耗量的最小化等目标中的一个或多个； 智能微电网规划设计的约束条件，如潮流约束、热稳定约束、电压约束、联络线功率约束；设备运行约束，设备出力上、下限限制、爬坡率限制、运行时间限制、储能存储容量约束等; 监管约束，其他约束，如光伏安装角度约束、风光互补特性约束、联络线功率波动约束等。 求解算法包括：粒子群算法、进化算法、遗传算法、模拟退火算法等，利用算法针对目标函数和约束条件进行求解，得到智能微电网配置的最优解集，形成智能微电网内各单元容量配置的最优方案。 智能微电网的规划设计首先
5、要设定智能微电网的运行方式，即设定智能微电网是与大电网并网运行还是孤岛运行；其次是要进行数据的获取和分析，主要是获取智能微电网所建设地点的历史气象数据（包括风速、光照、温度等）和负荷数据；再次是要对分布电电源进行规划，要依据当地的地理和气象信息及负荷的能量需求状况，合理规划间歇性分布式电源和可控性分布式电源的分布和容量；然后要对储能系统进行规划和设计，包括对储能系统的容量和储能系统的型号进行选择和规划；最后，在上述分析、规划与设计的基础上形成多种方案，并通过技术及经济性手段的评估得出智能微电网的最优规划设计方案。6.1.2 智能微电网规划设计流程 智能微电网规划设计软件，例如: HOMER、H
6、ybrid2、PDMG等软件，其特点对比如下： 表6-1 三种软件功能对照表智能微电网规划设计软件的应用功能HOMERHybrid2PDMG系统应用负荷平衡负荷平衡 多种实际应用场景容量优化功能单目标列举比较法无多目标多种优化方法逆变器设计无无三种典型结构设计储能串并联设计功能 无无根据逆变器与储能电压匹配进行设计模型仿真简化准确准确能源类型多种风、光风、光电价单一/分时单一单一/分时混合储能多种类型无蓄电池和超级电容器灵敏度分析有无无 案例导入：本部分结合一个风光柴蓄型海岛独立智能微电网的优化配置来阐述HOMER软件的应用。具体要求是结合该海岛生活用电的实际负荷和用电特征，采用风光蓄柴混合供
7、电的方式，以总净现成本最低为配置目标即以最小的投资成本满足海岛负载的用电要求为目标，针对各供电电源的的功率配置问题采用HOMER软件进行仿真分析，最终确定相应负荷条件和供电要求下的最优功率配置方案，使得该风光蓄柴混合供电系统能最大程度地发挥其优越性、经济性，降低其供电成本。智能微电网规划设计软件的应用案例一、风光蓄柴混合供电智能微电网系统简介 风光蓄柴混合供电智能微电网系统由风力发电机组、光伏发电装置、蓄电池组、柴油发电机组、DC总线控制器、DC-DC及AC-DC转换器、用电负载等组成，其结构图如下图所示。图6-2 风光蓄柴混合供电智能微电网系统结构图二、海岛负荷情况 为保障该智能微电网系统的
8、可靠性和稳定性，风力发电和光伏发电利用其互补特性作为整个智能微电网系统的主供电单元，柴油发电机作为备用供电单元，蓄电池作为储能单元，整个智能微电网的负荷如下表所示。空调/W路灯/W室内照明/W电脑/W灶具/W通信/W其他/W6005005001000300010001000表6-2 海岛用电设备的功率表海岛各月平均每小时的用电负荷情况如下表所示。图6-4 海岛居民每月平均每小时的用电负载功率曲线图三、利用HOMER软件进行优化配置 （1）新建一个HMR文件 打开HOMER软件，点击 新建一个文件HOMER文件，并以“风光蓄柴仿真文件.hmr”为文件名保存在指定的文件夹中。 （2）绘制风光蓄柴的
9、原理框图 在图65所示的图中点击 ，弹出添加智能微电网系统单元界面，勾选Primary Load1、 PV 、Wind Turbine 1 、Generator 1 Battery选择，构成如图6-6所示的风光蓄柴智能微电网系统原理框图。图6-5 添加智能微电网系统单元界面图6-6 风光蓄柴智能微电网原理框图 （3）输入负荷的日用电功率信息 在图6-6所示的风光蓄柴智能微电网原理框图中点击 ，打开负载输入框，依据图6-4海岛居民每月平均每小时的用电负载功率，在图6-7中 Load(kW)栏中输入每月用电负荷的平均日功率数据。图6-7 用电负荷每月日平均用电功率输入表 （4）输入发电机组和发电装
10、置的详细信息 输入发电机组和发电装置的详细技术选项、单元成本、每个发电机组或发电装置的尺寸和号码，进行模拟。单击原理框图中的Generator 1 打开柴油发电机输入框，在图6-9所示柴油发电机组参数输入窗口中，输入相应的值。图6-9 柴油发电机组参数输入窗口 在原理框图中单击PV 打开光伏发电装置输入窗口，在窗口里输入光伏发电装置的型号、初始安装成本、更换成本及操作维护成本等，具体的参数设置如图6-10光伏发电装置参数输入窗口。图6-10光伏发电装置参数输入窗口 在原理框图中单击Wind Turbine 1 打开风力发电机组输入窗口，在窗口里输入风力发电机组的型号，初始安装成本、更换成本及操
11、作维护成本等，具体的参数设置如图6-11风力发电机组参数输入窗口。图6-11 风力发电机组参数输入窗口 在原理框图中点击Battery 打开电池输入框。在电池类型（battery type）下拉菜单中，选择Trojan L16P，HOMER会显示电池属性。填写cost表和size to consider表，具体的参数输入如图6-12 蓄电池参数输入窗口所示。图6-12 蓄电池参数输入窗口 点击OK回主窗口，完成发电机组或装置单元信息的输入，输完信息后的原理框图如图6-13所示。图6-13 输完发电机组和发电装置信息后的原理框图 （5）输入太阳能、风能等资源的详细信息 资源的详细信息描述的是一年
12、中每个小时可用的太阳辐射，风力，水力，燃料资源的值，在如图6-8所示的原理图中点击 打开风力资源输入窗口见图6-14所示，选择Import hourly data file，点击Import File，打开Sample_Wind_Data.wnd或根据当地的风速情况直接输入相应的风速值。在这里根据表6-3所示的海岛历史风速记录直接输入。图6-8已输入负荷信息的原理框图表6-3 海岛每月的风速记录图6-14 风力资源输入窗口点击 打开太阳能资源输入窗口如图6-15所示，在该窗口中可以输入海岛的地理位置信息从而得到当地的太阳能的资源信息，由于条件的限制，我们采用表6-4所示的海岛每月的日平均辐照度
13、表中的数据在图6-15中直接输入。表6-4 海岛每月的日平均辐照度表mouthJanFebMarAprMayJunJulAugSetOctNocDecA v e r a g e daily radiation3.213.454.114.955.325.425.544.994.624.343.843.31图6-15 太阳能资源输入窗口点击 打开柴油资源输入窗口，输入每公升柴油的价格如图6-16所示。图6-16 柴油资源输入窗口 点击主窗口 中的 ，查看详细信息。在原理框图中可以看到，没有箭头从DC指向负载，这表示由光伏发电装置和风力发电机组发出的直流电无法加在交流负载上，警告信息建议添加一个转换
14、器。点击add/remove按钮，添加一个转换器，如图6-17所示。图6-17 添加变换器后的原理框图 然后点击图6-17中的 打开变换器输入窗口，在图6-18所示的变换器输入窗口中输入变换器的技术参数和成本等信息。图6-18 变换器参数输入窗口 （6）设置和查看优化变量 在窗口工具条中，点击 查看优化变量，弹出的Search Space窗口如图6-19所示，窗口中包含所有你输入的优化变量，可以在表中增加，删除，编辑。图6-19 优化变量查看和编辑窗口 （7）查看优化结果 点击 开始进行优化分析，当HOMER运行时，进度指示器显示分析结束剩余时间，如图6-20变量优化进度图所示。图6-20 变
15、量优化进程图 当模拟结束时点击优化结果表（Optimization Results），再点击全部（Overall），查看所有的可行组合（配置），如图6-21所示。图6-21 变量优化结果表 如果以分类查看的方式查看结果，点选Categorized选项，则可显示所有组合类型中最具成本效益的组合，如图6-22所示。图6-22 最具成本效益的组合图 （8）完善优化结果 如果系统中减少光伏发电组件，将会减少系统产生的多余电量。点击原理框图中的 按钮，打开光伏发电装置参数输入窗口，在Sizes to consider表格中，增加1和2，HOMER将会用1、2、3、4、5、6、8进行模拟。如图6-24所示
16、。图6-24 减少光伏组件的配置 点击 计算按钮 进行计算。当仿真计算完成后，在结果表中将显示新结果，刚添加的值也被算入其中。在图6-22中将能看到，光伏/风力/柴油/转换器组合类型中最具成本效益的组合包含光伏发电组件功率是1。在分类优化结果表中，双击第二行，显示详细信息如图6-25和图6-26所示，系统产生的多余电量由5%下降为1%。图6-25 减小光伏组件后的仿真优化组合图6-26 减小光伏组件后的仿真优化结果 （9）添加敏感性变量的优化 通过改变输入风速的scaled annual average值和柴油的价格等敏感性变量，并利用这些变量进行敏感性仿真分析。敏感性仿真分析能够探究年平均风
17、速的变化和柴油价格的变化对系统优化设计的影响。点击 打开风力资源输入框，点击 打开敏感性输入框，在图6-27所示的表中输入4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0等值。图6-27 增加风力发电的风速比例因子 再点击 打开柴油发电机组输入框。在图6-28的柴油价格信息输入框中输入0.5、0.6、0.7等柴油价格值。图6-28 柴油价格值变量值的输入 （10）对添加了敏感性变量的系统进行仿真并查看仿真优化结果 点击 进行仿真分析，点击Optimization Results 标签，再点选Categorize得到敏感性变量的仿真优化结果如图6-29所示。图6-29 敏感性变量的仿真优化结果 上
18、图显示了当年均风速为7，柴油价格为0.7时，光伏/风力/柴油/蓄电池是最佳系统类型比光伏/柴油/电池类型更具成本效益。 海南中学风光蓄型智能微电网工程规划设计案例 1.地理位置和气象数据信息的获取 （1）地理位置信息的获取 智能微电网建设地点选取在海口市海南中学的男生宿舍楼，其地理位置信息如图图6-30所示。6.3 智能微电网规划设计的应用案例图6-30 智能微电网建设点海南中学位置图 （2）气象数据信息的获取 从NASA气象资料查询网站上获得的太阳光辐照度信息、温度信息、风速信息如图6-31所示。6.3 智能微电网规划设计的应用案例图6-31 太阳光日辐射量、温度、风速、月平均降雨量图 2.
19、负荷用电功率信息的获取 海南中学男生宿舍楼有6层，每层楼有30间宿舍，总共180间学生宿舍。宿舍内的用电器的功率情况如表6-5所示。6.3 智能微电网规划设计的应用案例用电器日光灯节能灯吊扇功率/kW0.040.0150.065每间宿舍/个数232总功率/kW14.48.123.4负载的重要程度及其日平均用电如表6-7所示。6.3 智能微电网规划设计的应用案例用电器用途及特点重要程度日用电量/kWh日光灯室内照明保障43.2节能灯阳台、卫生间照明可切除32.4电扇夏季使用可切除257.4表6-7 负荷的重要程度及其日平均用电量表 3.智能微电网相关设备或装置安装位置的选择 选择在宿舍楼顶建设新
20、能源发电的装置，如发电风机、光伏电池板及逆变器、锂电池储能及逆变装置，其大致的安装位置图如图图6-32所示。6.3 智能微电网规划设计的应用案例图6-32 智能微电网相关设备的安装位置图图6-33 智能微电网相关设备安装尺寸图 4.光伏电池组件及风力发电机组、蓄电池组型号的选择由表6-7可以看出不使用风扇的月份，日用电负荷为75.6 kWh，而当使用风扇时，日用电负荷达到峰值，为333kWh。其中必须保障的用电负荷为43.2 kWh，根据图6-33所示的安装尺寸，可选择型号为GH300W的光伏电池板，其对应的峰值功率300W，每块电池板所占面积为1950*990（mm），即1.9305 m2。
21、楼顶可用面积大概为1850m2，（1850/1.9305=958.3即大概可以安装958左右的光伏电池板，但考虑要为光伏电池板留有一定的间距及留下足够大的运维通道，实际上是装不了这么多数量的电池板的），再考虑当地各月份的平均日照时间（最低在4h左右），可以在楼顶放置20kW的太阳能光伏电池板用于发电，并相应地选取功率为20KW的光伏逆变器（如型号为SOL-20K-TL的光伏逆变器）。另外，风机可以选10KW的风力发电机组（如型号为EW10KW的风力发电机组）。使用蓄电池组来进行储能，以便白天发电供晚上使用，可以选取12V200AH的锂电池，例如型号为GH-TMN-0820(12V200AH)的
22、锂电池。6.3 智能微电网规划设计的应用案例5.利用HOMER软件进行优化(1)输入相关优化变量的参数在HOMER软件中设置相应的参数，设置的优化变量组合如图图6-34所示。6.3 智能微电网规划设计的应用案例图6-34 优化变量选择及相关参数输入(2)通过软件计算出优化组合经过Calculate计算得到的优化结果如图6-35和图6-36所示。6.3 智能微电网规划设计的应用案例图6-35 智能微电网不并网时的优化组合(2)通过软件计算出优化组合经过Calculate计算得到的优化结果如图6-35和图6-36所示。6.3 智能微电网规划设计的应用案例图6-36 智能微电网并网时的优化组合(2)
23、通过软件计算出优化组合经过Calculate计算得到的优化结果如图6-35和图6-36所示。通过图6-35和图6-36可以看出并网是智能微电网更为合理的运行方式。6.3 智能微电网规划设计的应用案例图6-36 智能微电网并网时的优化组合新大陆智能微电网设计规划平台应用设计案例 新大陆智能微电网应用实训平台集成了一个能源互联网仿真规划平台EISP，该仿真规划平台是国内首次使用三维全景式交互仿真沙盘为实训载体，融合仿真建模、空间数据处理、信息通信，分布计算及显示控制领域的核心技术，模拟再现多元化的能源供需网络情景，通过真实地形地貌的模拟，使能源规划和智能微电网设计过程以3D 图像的形式进行立体化全
24、方位展示。用它来进行智能微电网规划设计的具体步骤和过程分为以下几个部分：6.3 智能微电网规划设计的应用案例新大陆智能微电网设计规划平台应用设计案例 新大陆智能微电网应用实训平台集成了一个能源互联网仿真规划平台EISP，该仿真规划平台是国内首次使用三维全景式交互仿真沙盘为实训载体，融合仿真建模、空间数据处理、信息通信，分布计算及显示控制领域的核心技术，模拟再现多元化的能源供需网络情景，通过真实地形地貌的模拟，使能源规划和智能微电网设计过程以3D 图像的形式进行立体化全方位展示。用它来进行智能微电网规划设计的具体步骤和过程分为以下几个部分：6.3 智能微电网规划设计的应用案例 1.进行智能微电网
25、沙盘系统气候参数模型的设计 新大陆能源互联网仿真规划平台中的智能微电网沙盘系统是由园区模块、地形模块、能源模块、用能模块、天气模块等组成。通过地形模块、能源模块、用能模块、天气模块的设置，分析分布式发电与用能之间的关系，达到智能微电网电能平衡设置的要求。图6-37为沙盘系统实物与部件对应图。6.3 智能微电网规划设计的应用案例图6-37沙盘系统实物与部件对应图 (1)运行沙盘系统管理平台系统。如图6-38所示。6.3 智能微电网规划设计的应用案例图6-38 登录界面 (2)点击管理员登录，进入沙盘设置系统，用户名：admin1，密码：123456。如图6-39所示。6.3 智能微电网规划设计的
26、应用案例图6-39 沙盘管理平台 (2)点击管理员登录，进入沙盘设置系统，用户名：admin1，密码：123456。如图6-39所示。在进入的沙盘管理平台中选择所需要的地形，本例以“许昌城乡设计规划”图为例。6.3 智能微电网规划设计的应用案例图6-39 沙盘管理平台(3)点击“许昌城乡设计规划”地图，进入下载地图界面，系统会弹出一个对话框如图6-40所示，要求输入模型名称，在模型名称对话框中输入“许昌城乡规划设计模型”后，点击保存按钮，完成“许昌城乡规划设计模型”项目的新建。6.3 智能微电网规划设计的应用案例图6-40 地图模型项目建立对话框(4)建立新的地图模型项目后，将显示地图列表界面
27、，在地图列表界面中点击“进入”按钮如图6-41所示，将进入“许昌市城乡总体规划模型”界面，如图6-42所示。6.3 智能微电网规划设计的应用案例图6-41 地图模型参数设备进入对话框6.3 智能微电网规划设计的应用案例图6-42 许昌市城乡总体规划模型界面(5)进入设计模型界面后，在右边菜单栏中点击“气候参数修正”进入气候参数修正界面，如图6-43所示。6.3 智能微电网规划设计的应用案例图6-43气候参数修正界面(6)设置不同的“气候参数修正”。在进行气候参数修正的过程中，在设置一种气候参数后要点击“保存”按钮，完成相应的气候参数修正值的调整。如图6-44所示。6.3 智能微电网规划设计的应
28、用案例图6-44气候参数修正完成界面2.进行智能微电网沙盘系统土地类型模型的设计 (1)进入沙盘土地模型设置界面,如图6-45所示。6.3 智能微电网规划设计的应用案例图6-45沙盘土地类型模型设计界面()进行沙盘系统土地类型的修正智能微电网的用地应该根据当地政府相关文件要求设置土地类型。例如设置工业用地方法为，在右边菜单栏选中工业用地图标，然后在相对应位置点击区域，点击保存，即可完成土地类型的设置，如图6-46所示。6.3 智能微电网规划设计的应用案例图6-46 沙盘土地类型模块设计效果界面3.进行智能微电网沙盘系统建筑模型的设计建筑结构不仅关系到智能微电网建设的可行性，同时也与智能微电网内
29、的负荷能耗息息相关，因此，针对智能微电网所建区域的建筑，进行合理的建筑模型设计对智能微电网的规划设计来说也是非常重要的，建筑模型设计的具体步骤如下：(1)进入沙盘建筑模型设置界面如图6-47所示。6.3 智能微电网规划设计的应用案例图6-47沙盘建筑模型设计界面(2)进行沙盘系统建筑模型的设置建筑模型设置应该根据当地实际情况及规划进行模型设置。建筑模型设置方法为：在右边菜单栏选中建筑模型图标，然后在相对应的位置点击区域，点击保存即可完建筑模型的设置，如图6-48所示。6.3 智能微电网规划设计的应用案例图6-48沙盘建筑模型设计效果图4.进行智能微电网沙盘系统分布式电源模型的设计沙盘系统分布式
30、能源模型设计的详细步骤如下：(1)进入沙盘分布式能源设置系统，使用用户名：user1和密码：123456进行登录，如图6-49所示。6.3 智能微电网规划设计的应用案例图6-49 分布式能源设置登录界面(2)点击登录按钮进入分布式能源模型设置界面。如图6-50所示。6.3 智能微电网规划设计的应用案例图6-50 分布式能源模型设置界面(3)新建一个分布式能源模型设计方案，选择模型（模型1），点击方案列表（+），添加一个新的方案。如图6-51所示。6.3 智能微电网规划设计的应用案例图6-51 分布式能源模型设置方案界面(4)选择“方案1”进入方案设置界面，如图6-52所示。6.3 智能微电网规
31、划设计的应用案例图6-52 分布式能源模型方案设置界面(5)在方案设置界面点击“修改设计”，进入方案修改界面。如图6-53所示。6.3 智能微电网规划设计的应用案例图6-53 分布式能源模型方案修改界面(5)在方案设置界面点击“修改设计”，进入方案修改界面。如图6-53所示。在方案修改中，提供了“太阳能”、“风能”、“生物质能”、“地热能”、“储能电站”、等分布式能源种类。6.3 智能微电网规划设计的应用案例图6-53 分布式能源模型方案修改界面(6)能源种类添加与放置。如果要在区域内仿真“太阳能”分布式能源，首先在右边菜单中选择“太阳能”，在相关区域内点击就可以完成太阳能分布式能源的设置。如图6-54所示为一个区域内放置的多种分布式能源效果图。6.3 智能微电网规划设计的应用案例图6-54 分布式能源种类添加与放置界面(7)运行以测试分布式电源设置的合理性。根据前面设计的天气模型、建筑模型、用能模型及上面设置的分布式能源模型测试分布式能源设置的合理性。测试效果图如图6-55所示。6.3 智能微电网规划设计的应用案例图6-55 分布式电源模型运行效果图总之，通过新大陆智能微电网实训平台中的仿真规划平台，能够完美呈现智能微电网系统规划设计、部署实施、能源调配、能效监控等开发利用的全过程。6.3 智能微电网规划设计的应用案例谢谢