智能電網(wǎng)中微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度綜述剖析

智能電網(wǎng)中微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度綜述

智能電網(wǎng)是一種智能技術(shù)系統(tǒng)，它包括優(yōu)先使用清潔能源、動態(tài)定價(jià)以及通過調(diào)整發(fā)電、用電設(shè)備功率優(yōu)化負(fù)載平衡等特點(diǎn)。終端用戶不僅能從電力公司直接購買用電，同時(shí)還可以從儲能設(shè)備中獲取新能源和清潔能源， 例如太陽能、風(fēng)

能，燃料電池、電動汽車等。另一方面智能電網(wǎng)具備高速、雙向的通信系統(tǒng)，供電端與用電端實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信、并且系統(tǒng)能夠保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定和優(yōu)化運(yùn)行。具有堅(jiān)強(qiáng)、自愈、兼容、優(yōu)化等特征。

微電網(wǎng)是一種新型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)主動式配電網(wǎng)的一種有效的方式。 由

一組微電源、負(fù)荷、儲能系統(tǒng)和控制裝置構(gòu)成的系統(tǒng)單元，可實(shí)現(xiàn)對負(fù)荷多種能源形式的高可靠供給。微電網(wǎng)中的電源多為容量較小的分布式電源，即含有電力電子接口的小型機(jī)組，包括微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、光伏電池、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以及超級電容、飛輪及蓄電池等儲能裝置，它們接在用戶側(cè)，具有成本低、電壓低及污染低等特點(diǎn)。開發(fā)和延伸微電網(wǎng)能夠促進(jìn)分布式電源與可再生能源的大規(guī)模接入，使傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能網(wǎng)絡(luò)的過渡［1］。

1、微電網(wǎng)的組成及結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)是由多種分布式電源（既包含有非可再生能源發(fā)電的燃料電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)；又包含可再生能源發(fā)電的風(fēng)力和光伏發(fā)電單元等），再加上控制裝置、儲能裝置和用電負(fù)荷共同組成。微電網(wǎng)的組成結(jié)構(gòu)十分靈活，可以滿足某片區(qū)域的特殊供電需求。微電網(wǎng)不僅可以通過公共連接點(diǎn)（PCC）與大電網(wǎng)連接，采用并網(wǎng)運(yùn)行模式；還可以在大電網(wǎng)電能質(zhì)量下降或者電網(wǎng)故障而影響到微電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷正常用電時(shí)，在公共連接節(jié)點(diǎn)（PCC）處與大電網(wǎng)斷開，采用孤島運(yùn)行模式。

典型的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。它是由熱電聯(lián)產(chǎn)源（CHP）如微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池，非CHP源如風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏電池組及儲能裝置等組成。微電源和儲能設(shè)備通過微電源控制器（MC）連接到饋線A和Co微電網(wǎng)通過公共連接點(diǎn)（PCC）連接到配網(wǎng)中進(jìn)行能量交換，雙方互為備用，提高了供電的可靠性［2］。

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圖1-1典型的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2,微電網(wǎng)電源的組成及特性

微型電源的類型多種多樣，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽能光伏電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池和蓄電池等。

風(fēng)力機(jī)組發(fā)電

在各種新能源利用過程中，風(fēng)力發(fā)電是最重要的一種形式。風(fēng)力發(fā)電是通過天然風(fēng)吹動風(fēng)機(jī)葉片帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力機(jī)、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、電力電子接口、變壓器等主要部分組成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)（WT）發(fā)出的電能是經(jīng)風(fēng)能轉(zhuǎn)化而來。風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過利用葉輪旋轉(zhuǎn)將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后葉輪通過機(jī)械驅(qū)動力系統(tǒng)帶動發(fā)電機(jī)， 發(fā)電機(jī)再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為磁場

的能量，并最終轉(zhuǎn)化為電能。

風(fēng)電的輸出功率與風(fēng)速大小有直接關(guān)系，具有明顯的間歇性和隨機(jī)性。當(dāng)風(fēng)速小于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的切入風(fēng)速時(shí)，發(fā)電機(jī)組不工作，即不發(fā)電；當(dāng)風(fēng)速大于切入風(fēng)速后，發(fā)電機(jī)組開始并網(wǎng)發(fā)電，此時(shí)風(fēng)機(jī)機(jī)組的輸出功率隨著風(fēng)速的增大而增大；當(dāng)風(fēng)速增大到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的額定風(fēng)速時(shí)， 其輸出功率基本穩(wěn)定在發(fā)電機(jī)

組的額定輸出功率。當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增大至超出切出風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力機(jī)組將抱閘停機(jī)，以保護(hù)風(fēng)力機(jī)組不被大風(fēng)損壞。

太陽能光伏發(fā)電

光伏發(fā)電技術(shù)直接將光能轉(zhuǎn)化為電能，根據(jù)太陽電池半導(dǎo)體材料的光伏效

應(yīng)，產(chǎn)生直流電能。太陽能發(fā)電技術(shù)主要包括了太陽能光伏發(fā)電和太陽能熱發(fā)電，在微電網(wǎng)中，主要采用太陽能光伏發(fā)電。按照運(yùn)行方式的不同，光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)和并網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)。獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)是指僅依靠太陽能電池供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是將太陽能電池發(fā)出的直流電逆變成交流電，與電力網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，該方式下可避免了安裝儲能蓄電池，節(jié)省費(fèi)用。

太陽能光伏發(fā)電（PV）的基本原理是利用太陽能電池（一種類似于晶體二極管的半導(dǎo)體器件）的光生伏打效應(yīng)，當(dāng)光照射到太陽能電池上時(shí)，在其PN結(jié)兩端就會產(chǎn)生電壓，從而將太陽的輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)榱穗娔?。太陽能光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換器就是太陽能電池，即光伏電池。光伏電池的運(yùn)行特性與光照強(qiáng)度和光伏電池的運(yùn)行溫度直接相關(guān)，而光照強(qiáng)度和運(yùn)行溫度的隨機(jī)性與波動性較大， 這使得

光伏電池的發(fā)電輸出功率持續(xù)變化。光伏電池輸出功率與短路電流隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而成比例增大，開路電壓隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而緩慢增大，開路電壓和輸出功率與環(huán)境溫度成反比，短路電流隨著環(huán)境溫度的上升而緩慢增加。 因此，光

伏電池是一種間歇性極強(qiáng)的分布式電源，它不具備有功輸出的調(diào)節(jié)能力，因此也就無法滿足微電網(wǎng)電壓和頻率調(diào)節(jié)功能。

微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電

可再生能源技術(shù)和熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)是分布式能源技術(shù)的兩個(gè)重要分支。 可再生

能源利用技術(shù)力求“開源”，而熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)重在“節(jié)流”。熱電聯(lián)產(chǎn)與可再生能源在技術(shù)上彼此獨(dú)立，而在應(yīng)用當(dāng)中優(yōu)勢互補(bǔ)，集中體現(xiàn)了分布式能源的特點(diǎn)和優(yōu)勢。微型燃?xì)廨啓C(jī)正是熱電聯(lián)產(chǎn)在微電網(wǎng)中的一個(gè)重要應(yīng)用。

微型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組由微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)直接驅(qū)動的內(nèi)置式高速逆變發(fā)電機(jī)和數(shù)字電力控制器（DPC）等部分組成，其中的核心設(shè)備一一微型燃?xì)廨啓C(jī)（MT）是一種新型的小型熱力發(fā)電機(jī)，由燃?xì)廨啓C(jī)、壓氣機(jī)、燃燒室、回?zé)崞?、發(fā)電機(jī)及電力控制部分構(gòu)成，功率范圍在數(shù)百千瓦以下，以天然氣、甲烷、汽油、柴油等為燃料，采用回?zé)崾窖h(huán)。其發(fā)電效率可達(dá) 30%,如實(shí)行熱電聯(lián)

產(chǎn)，效率可提高到75%o

微型燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理是：從離心式壓縮機(jī)出來的高壓空氣現(xiàn)在回?zé)崞鲀?nèi)由渦輪排氣預(yù)熱，然后進(jìn)入燃燒室與燃料混合、燃燒，高溫燃?xì)馑腿胂蛐氖綔u輪做功，帶動高速發(fā)電機(jī)發(fā)電。發(fā)電機(jī)首先發(fā)出高頻交流電，然后轉(zhuǎn)換成高壓直流電，再轉(zhuǎn)化為工頻交流電。而通過透平排出的高溫尾氣可用來預(yù)熱燃燒室中的壓縮空氣，從而減少燃燒過程中的燃料消耗，提高系統(tǒng)能源的綜合利用效率。回?zé)崞髋懦龅奈矚饪梢酝ㄟ^澳化鋰制冷機(jī)或熱交換器來滿足冷、熱負(fù)荷的需求。

燃料電池發(fā)電

燃料電池發(fā)電裝置是一種綜合的能量轉(zhuǎn)換裝置，反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱能可回收外供，產(chǎn)生的直流電可由換流器轉(zhuǎn)換成交流電。燃料電池發(fā)電系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：1）燃料供給轉(zhuǎn)換裝置，包括給煤器和煤氣發(fā)生器；2）空氣供給裝置，包括過濾器和空氣壓縮機(jī)；3）電池本體，包括電極、電解質(zhì)和外電路；4）熱量回收裝置，即余熱鍋爐。

作為燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的最重要裝置一一燃料電池（FC）是一種將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電設(shè)備。其發(fā)電原理是將天然氣、甲處等含氫燃料與空氣等氧化劑反應(yīng)，通過電化學(xué)反應(yīng)過程中氫氧離子的定向移動，在外部電路產(chǎn)生電位差，形成低壓直流電。

蓄電池發(fā)電

儲能裝置在微電網(wǎng)中主要起到了以下兩種作用： 1）能量緩沖。風(fēng)力發(fā)電、

光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電具有間歇性和不穩(wěn)定性的特點(diǎn)，而可控微源如微型燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池對負(fù)荷波動反應(yīng)較慢。因此微電網(wǎng)中必須裝設(shè)相當(dāng)容量的儲能裝置來保證微電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。2）削峰填谷。當(dāng)微電網(wǎng)系統(tǒng)的自然能源充足時(shí)，發(fā)出的多余電能可以通過儲能裝置儲存起來，減少能源的浪費(fèi)；當(dāng)系統(tǒng)的自然能源匱乏時(shí)，儲能裝置又能為系統(tǒng)提供一定的電能，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此，基于系統(tǒng)可靠性與經(jīng)濟(jì)性的考慮，微電網(wǎng)都應(yīng)配備一定數(shù)量的儲能裝置。

當(dāng)前的儲能技術(shù)主要有以下三類：1）化學(xué)儲能，包括鉛酸電池、液流電池、鈉硫電池等蓄電池；2）物理儲能，包括抽水蓄能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能等；3）電磁儲能，包括超級電容器儲能、超導(dǎo)儲能等。而其中蓄電池以價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)在微電網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

蓄電池的性能參數(shù)主要包括：電池容量、荷電狀態(tài)、放電深度、充電深度、循環(huán)壽命等幾個(gè)方面。

3、微電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度

微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度是一種非線性、多模型、多目標(biāo)的復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化問題。傳統(tǒng)

電力系統(tǒng)的能量供需平衡是優(yōu)化調(diào)度首先要解決的問題。微電網(wǎng)作為一種新型的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)也是如此。微電網(wǎng)能量平衡的基本任務(wù)是指在一定的控制策略下，使微電網(wǎng)中的各分布式電源及儲能裝置的輸出功率滿足微電網(wǎng)的負(fù)荷需求， 保證

微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行。

與傳統(tǒng)的電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度相比，微電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度模型更加復(fù)雜。首先，微電網(wǎng)能夠?yàn)榈貐^(qū)提高熱（冷）/電負(fù)荷，因此，在考慮電功率平衡的同時(shí)，也要保證熱（冷）負(fù)荷供需平衡。其次，微電網(wǎng)中分布式電源發(fā)電形式各異，其運(yùn)行特性各不相同。而風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源也易受天氣因素影響。同時(shí)這類電源容量較小，單一的負(fù)荷變化都可能對微電網(wǎng)的功率平衡產(chǎn)生顯著影響。 最

后，微電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度不僅僅需要考慮發(fā)電的經(jīng)濟(jì)成本，還需要考慮分布式電源組合的整體環(huán)境效益。這就無形中增加了微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的難度，由原來傳統(tǒng)的單目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)變成了一個(gè)多目標(biāo)的優(yōu)化問題。

因此，微電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度必須從微電網(wǎng)整體出發(fā)，考慮微電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性，綜合熱（冷）/電負(fù)荷需求、分布式電源發(fā)電特性、電能質(zhì)量要求、需求側(cè)管理等信息，確定各個(gè)微電源的處理分配、微電網(wǎng)與大電網(wǎng)間的交互功率以及負(fù)荷控制命令，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)中的各分布式電源、儲能單元與負(fù)荷間的最佳配置。

目前，對含多種分布式電源的微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度問題， 國內(nèi)外學(xué)者已做了一些

相關(guān)的研究。針對多目標(biāo)的微電網(wǎng)調(diào)度問題，文獻(xiàn) ［3］建立了計(jì)及運(yùn)行成本最低

與環(huán)境效益最佳的兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化模型，采用線性相加的方式將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換成單目標(biāo)優(yōu)化問題。文獻(xiàn)［4］針對不同分布式電源的特性以及成本，對傳統(tǒng)意義下的微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型進(jìn)行了修正，將環(huán)境成本、發(fā)電成本和旋轉(zhuǎn)備用成本作為多目標(biāo)，建立了環(huán)保經(jīng)濟(jì)的微網(wǎng)多目標(biāo)模型。在研究微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度算法上，文獻(xiàn)［5］針對分布式發(fā)電的特點(diǎn)，提出分布式發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行成本最低的機(jī)組組合模型，并針對各類分布式電源的特點(diǎn)，制定相應(yīng)的調(diào)度策略，采用用改進(jìn)的遺傳算法進(jìn)行求解。采用細(xì)菌覓食算法，該算法將多種微網(wǎng)分布式電源組成的空間矢量作為一個(gè)細(xì)菌，優(yōu)化問題的解對應(yīng)搜索空間中細(xì)菌的健康狀態(tài)，通過對細(xì)菌的趨向性操作、復(fù)制操作和遷徙操作來迭代計(jì)算來求解問題。

當(dāng)前，我國在微電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行研究中，尤其是優(yōu)化調(diào)度方面，我們的研究還

5

存在不足，主要包括多目標(biāo)優(yōu)化問題的處理、智能優(yōu)化算法的選擇以及與市場運(yùn)行方案相關(guān)的微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行策略對調(diào)度模型的影響， 微電網(wǎng)的調(diào)度模型與

運(yùn)行策略、市場方案往往相互分開，沒能做到優(yōu)化調(diào)度與運(yùn)行策略、市場方案一體化。

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基于多目標(biāo)的微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度方法及仿真

微電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度不僅需要滿足微電網(wǎng)內(nèi)部用戶的各類負(fù)荷要求， 考慮包括

風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)等發(fā)電特性各異的分布式電源出力配合，還需要考慮微電網(wǎng)與配電網(wǎng)之間的電能交易。 因此，微電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度策略不僅

與微電網(wǎng)內(nèi)部的能量結(jié)構(gòu)相關(guān)，也與外部的電力市場方案緊密相連。

該方法建立了含風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、蓄電池等分布式電源的微電網(wǎng)模型，考慮了包括運(yùn)行維護(hù)成本、環(huán)境保護(hù)折算成本以及綜合效益成本在內(nèi)的多目標(biāo)函數(shù)，對微電網(wǎng)系統(tǒng)中的功率平衡、發(fā)電單元容量限制、可控微源爬坡率、儲能充放電限制等各類約束進(jìn)行了規(guī)定。同時(shí)，模型考慮了微電網(wǎng)系統(tǒng)與配電網(wǎng)之間交互功率，通過調(diào)節(jié)各微電源和配電網(wǎng)的出力，使微電網(wǎng)的目標(biāo)成本最小。

目標(biāo)層 微電網(wǎng)第n標(biāo)優(yōu)化

指標(biāo)僅 經(jīng)濟(jì)性 環(huán)保也 可靠性

措施層 運(yùn)行成本 污雜物排放 網(wǎng)報(bào) 用戶停電損失

圖1微電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化層次結(jié)構(gòu)

基于可再生能源優(yōu)先利用、微型燃?xì)廨啓C(jī)采用以冷/熱定電的模式、蓄電池削峰填谷模式等。從微電網(wǎng)與外部配電網(wǎng)電能交易的角度出發(fā)，制定了如下的微電網(wǎng)運(yùn)行控制策略：實(shí)行分時(shí)電價(jià)，微電網(wǎng)與配網(wǎng)進(jìn)行雙向購售電。采用24時(shí)段3級分時(shí)電價(jià)的電力市場方案。

仿真參數(shù)設(shè)定

項(xiàng)目

額定功率

（KW

運(yùn)行成本（元

/Kwh）

安裝成本（萬元

/Kw）

容量因素

（%

折舊年限

（年）

WT

10

0.045

2.375

22.13

10

PV

10

0.0096

6.65

29.34

20

MT

65

0.128

1.306

54.99

10

FC

40

0.0293

4.275

36.73

10

BT

50

0.045

0.087

32.67

10

以某微電網(wǎng)為一居民區(qū)供電為例，居民區(qū)夏季典型日的負(fù)荷（冷、電負(fù)荷）預(yù)測曲線如圖2所示。該典型日風(fēng)速預(yù)測曲線、光照強(qiáng)度預(yù)測曲