分布式微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和管理研究

張鐘平，宣施超

（1.國(guó)家能源分布式能源技術(shù)研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心，浙江 杭 州310030；2.浙富水電國(guó)際工程有限公司，浙江 杭 州310030）

1 引言

隨著石油、煤炭資源等化石能源的使用產(chǎn)生了大量的CO2，引起全球變暖問(wèn)題，使人類的生存受到威脅。天然氣、風(fēng)能、太陽(yáng)能這些“綠色能源”由于其具有清潔、無(wú)污染、可再生特點(diǎn)引起全世界的關(guān)注，其中分布式能源作為一種可以有效利用新能源的發(fā)電形式，成為研究的熱點(diǎn)。我國(guó)微網(wǎng)的管理系統(tǒng)研究尚處于起步階段，目前清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院電工研究所、天津大學(xué)、河海大學(xué)等單位相繼開(kāi)始了微網(wǎng)管理系統(tǒng)技術(shù)的研究，同時(shí)微網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)慢慢是國(guó)內(nèi)近年的研究熱點(diǎn)。本文主要對(duì)分布式微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和能量管理方案的介紹和分析。

2 微網(wǎng)管理系統(tǒng)概念

分布式微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)（Microgrid－EMS，簡(jiǎn)稱MEMS系統(tǒng)）是分布式能源（分布式DR）的控制核心，以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代電力系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。分布式微電網(wǎng)自身容量較小，加上光伏、風(fēng)電、和負(fù)荷的變化，分布式能源本身具有波動(dòng)性和間歇性，且具有大量的電力電子設(shè)備接口，電力電子設(shè)備具有較快的反應(yīng)速度、輸出阻抗小、過(guò)載能力低等特點(diǎn)，所以增加了微網(wǎng)控制的難度，微網(wǎng)電壓和頻率的變動(dòng)較大，微網(wǎng)能量協(xié)調(diào)控制通過(guò)對(duì)微電源的P／Q控制、V／f控制和下垂控制進(jìn)行組合對(duì)微網(wǎng)整體進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，控制系統(tǒng)需要統(tǒng)籌各個(gè)分布式電源運(yùn)行方式，在電力系統(tǒng)中扮演重要的中間角色，并完成系統(tǒng)內(nèi)部各微電源之間、獨(dú)立微網(wǎng)與主微網(wǎng)、多個(gè)微網(wǎng)間、區(qū)域微網(wǎng)間的多種協(xié)作和管理。

3 微網(wǎng)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分布式微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)一般分為微網(wǎng)就地設(shè)備控制器層、中間控制層能量分析和管理層的分布式能量管理系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）。

圖1 分布式微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

3.1 系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)

微網(wǎng)就地控制器層主要包括燃?xì)夥植际诫娫纯刂破?、光伏逆變器、?chǔ)能PCS設(shè)備、負(fù)荷控制器；中間控制層包括數(shù)據(jù)通信模塊、運(yùn)行控制模塊、儲(chǔ)能管理模塊、負(fù)荷管理模塊；能量分析和管理層包括數(shù)據(jù)通信與監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和分析、性能計(jì)算、經(jīng)濟(jì)調(diào)度和優(yōu)化運(yùn)行模塊、預(yù)測(cè)模塊和控制策略管理等。

不同微網(wǎng)的就地設(shè)備控制層之間不需要通信，而不同中間控制層之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互和通信，根據(jù)不同微網(wǎng)之間的運(yùn)行和負(fù)荷特性進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，微網(wǎng)能量分析和管理系統(tǒng)將所有中間控制層上送的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和分析，并根據(jù)微網(wǎng)運(yùn)行情況和需求發(fā)送指令至中間控制層，實(shí)現(xiàn)能源的綜合分析和管理。

3.2 系統(tǒng)分層管理

3.2.1 微網(wǎng)就地設(shè)備控制層

微網(wǎng)就地設(shè)備層主要完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、分布式電源輸出控制、負(fù)荷控制，并將數(shù)據(jù)上送至中間管理層。

數(shù)據(jù)采集主要包含分布式電源本體、儲(chǔ)能系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)和負(fù)荷系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，主要包含電氣參數(shù)和熱力參數(shù)，具體見(jiàn)表1。

微網(wǎng)就地設(shè)備控制層的控制主要是對(duì)分布式電源的輸出功率、出力、燃料進(jìn)氣量、冷熱負(fù)荷和接收運(yùn)行模式指令的控制，運(yùn)行模式控制主要有PQ運(yùn)行模式、VF運(yùn)行模式、下垂特性運(yùn)行模式，根據(jù)用戶需求和電網(wǎng)狀態(tài)調(diào)節(jié)微網(wǎng)在并網(wǎng)、離網(wǎng)和并離網(wǎng)切換的運(yùn)行模式。

表1 數(shù)據(jù)采集

3.2.2 微網(wǎng)中間控制層

微網(wǎng)中間控制層接收就地控制層發(fā)送的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)分析制定控制策略，對(duì)各控制器進(jìn)行管理和調(diào)度。當(dāng)檢測(cè)到大電網(wǎng)故障時(shí)，發(fā)命令給就地設(shè)備控制層，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)與電網(wǎng)斷開(kāi)，并切換到并／離網(wǎng)控制模式，微網(wǎng)進(jìn)入孤島運(yùn)行模式。當(dāng)檢測(cè)到大電網(wǎng)恢復(fù)后，運(yùn)行控制模塊指令切換到離／并網(wǎng)模式，微網(wǎng)進(jìn)入并網(wǎng)運(yùn)行。微網(wǎng)中間控制層儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)系統(tǒng)需求對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電管理，并對(duì)儲(chǔ)能裝置的運(yùn)行方式（PQ、VF）、輸出有功、無(wú)功功率進(jìn)行控制。中間控制層對(duì)微網(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷根據(jù)重要程度分為敏感負(fù)荷、一般負(fù)荷、可中斷負(fù)荷，根據(jù)檢測(cè)到的負(fù)荷大小分配微電源的處理，保持微電源與負(fù)荷之間的平衡，在微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，切除可中斷負(fù)荷或一般負(fù)荷，保證敏感負(fù)荷的正常供電。

3.2.3 微網(wǎng)能量管理層

能量管理層采集中間控制層上傳的微網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息、分布式電源信息、負(fù)荷信息等，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的調(diào)度、管理和控制，實(shí)現(xiàn)冷、熱、電各種能源的綜合優(yōu)化，跟根據(jù)用戶需求和電網(wǎng)狀態(tài)，實(shí)時(shí)調(diào)整控制策略和運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)和安全穩(wěn)定運(yùn)行（圖2）。具體主要有以下幾個(gè)方面。

圖2 分布式微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)通信和管理。完成能量管理層與中間控制層的數(shù)據(jù)信息通訊，將中間層上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行畫面顯示、告警處理、曲線顯示等，包含傳統(tǒng)電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)中SCADA功能，如報(bào)表打印、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、權(quán)限管理等。

（2）預(yù)測(cè)功能。主要包含供能預(yù)測(cè)和負(fù)荷預(yù)測(cè)。其中供能預(yù)測(cè)是指太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電單元的短期及長(zhǎng)期發(fā)電能力，根據(jù)分布式電源的類型、一次能源的變化、發(fā)電費(fèi)用、環(huán)境因素、檢修周期等預(yù)測(cè)分布式電源出力。負(fù)荷預(yù)測(cè)包括冷、熱、電負(fù)荷預(yù)測(cè)，需要根據(jù)負(fù)荷長(zhǎng)期歷史信息和氣象信息，通過(guò)預(yù)測(cè)算法來(lái)預(yù)測(cè)下一時(shí)刻負(fù)荷信息。根據(jù)不同能源價(jià)格情況和電網(wǎng)狀態(tài)不斷優(yōu)化運(yùn)行方式，得到最優(yōu)最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行工況。

（3）經(jīng)濟(jì)調(diào)度和優(yōu)化運(yùn)行。主要指微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，不僅要考慮分布式DR提供冷熱電能、有效利用可再生能源、保護(hù)環(huán)境、減小燃料費(fèi)用等，還需要考慮微網(wǎng)與大電網(wǎng)之間的電能交易。在滿足微網(wǎng)安全性、可靠性和供電質(zhì)量要求條件下，考慮購(gòu)售電價(jià)、微網(wǎng)安全性、各分布式電源技術(shù)性能、環(huán)保等因素，經(jīng)濟(jì)調(diào)度各分布式電源和儲(chǔ)能設(shè)備的功率以及與大電網(wǎng)之間的功率交換，實(shí)行微網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)成本最小。

（4）控制策略管理。微網(wǎng)系統(tǒng)采用了大量電力電子元件，且存在多種運(yùn)行模式，微網(wǎng)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)能較低，缺乏負(fù)荷跟蹤能力，在并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行模式變化下，與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比缺少穩(wěn)定性，微網(wǎng)系統(tǒng)的過(guò)負(fù)荷能力與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比很差。所以對(duì)微網(wǎng)系統(tǒng)采用多種控制策略和控制方法，對(duì)提高微網(wǎng)穩(wěn)定性具有重要意義。

分布式DR控制方法主要有PQ控制、下垂控制和VF控制三種。在正常情況下，微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，所有分布式DR采用PQ運(yùn)行方式，此時(shí)為電網(wǎng)的電壓和頻率就是微網(wǎng)的電壓和頻率，微網(wǎng)內(nèi)部的分布式電源工作在電壓源或電流源狀態(tài)，在不同控制策略的控制下，調(diào)整各自功率輸出。微網(wǎng)中分布式電源提供的功率滿足不了微網(wǎng)中負(fù)荷的需求時(shí)，微網(wǎng)可以從配電網(wǎng)吸收能量，反之，當(dāng)微網(wǎng)中分布式電源功率過(guò)剩時(shí)，微網(wǎng)可以向配電網(wǎng)輸送能量。當(dāng)配網(wǎng)出現(xiàn)電壓驟升、驟降、不平衡和諧波等電能質(zhì)量問(wèn)題或有計(jì)劃?rùn)z修時(shí)，微電網(wǎng)轉(zhuǎn)入孤島運(yùn)行模式，此時(shí)一個(gè)分布式DR采用PQ作為主電源運(yùn)行，而其他分布式DR采用VF運(yùn)行模式，此時(shí)的電壓和頻率由主電源負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)。

4 微網(wǎng)能量管理和控制方案

微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)在并網(wǎng)運(yùn)行方式下，分布式能量管理系統(tǒng)控制微電源采用PQ運(yùn)行方式，并根據(jù)用電負(fù)荷、供熱負(fù)荷、供冷負(fù)荷，調(diào)節(jié)分布式DR煙氣量、輸出功率、調(diào)節(jié)光伏逆變器運(yùn)行方式、通過(guò)BMS和PCS調(diào)節(jié)儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)狀態(tài)，并根據(jù)電網(wǎng)的電壓、頻率、電流和輸入功率實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)微電網(wǎng)中間層的控制策略（表2）。

在孤島運(yùn)行方式下，分布式能量管理系統(tǒng)控制一個(gè)穩(wěn)定的微電源采用VF，其余分布式DR采用PQ控制運(yùn)行方式（表3）。

微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)根據(jù)分布式電源的類型、一次能源的變化、發(fā)電費(fèi)用、環(huán)境因素、檢修周期情況預(yù)測(cè)分布式電源出力，不同能源價(jià)格情況下的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況，優(yōu)化運(yùn)行方式，得到最優(yōu)最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行工況。

表2 并網(wǎng)運(yùn)行管理

根據(jù)能源價(jià)格和供能價(jià)格，微網(wǎng)管理系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算，根據(jù)表4可以計(jì)算出系統(tǒng)供能成本、收入、發(fā)電量、供熱量、供冷量，并根據(jù)一次能源價(jià)格、電價(jià)、蒸汽價(jià)格和冷價(jià)格進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)和調(diào)整，指導(dǎo)微網(wǎng)供能系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)和展望

隨著分布式微網(wǎng)和多能源互補(bǔ)微網(wǎng)的快速發(fā)展，而微網(wǎng)的能量管理和控制技術(shù)是微網(wǎng)的核心，同時(shí)也是微網(wǎng)技術(shù)研究重點(diǎn)和難點(diǎn)，本文對(duì)分布式微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和能量管理方案進(jìn)行介紹和簡(jiǎn)要分析，研究了微網(wǎng)管理系統(tǒng)分層控制結(jié)構(gòu)、優(yōu)化管理方案和控制策略。

表3 孤網(wǎng)運(yùn)行管理

表4 能效管理計(jì)算

未來(lái)的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)以其結(jié)構(gòu)特性為基礎(chǔ)，考慮基本因素對(duì)微網(wǎng)結(jié)構(gòu)影響，在滿足用戶對(duì)電能多樣性需求以及微網(wǎng)靈活配置功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，微網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還需要考慮運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、可擴(kuò)展性以及易維護(hù)等，并將做進(jìn)一步研究。

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