微電網(wǎng)協(xié)調(diào)能量管理

趙添羽，劉天堡

（齊齊哈爾工程學(xué)院，機電工程系，黑龍江 齊齊哈爾 161005）

微電網(wǎng)協(xié)調(diào)能量管理

趙添羽，劉天堡

（齊齊哈爾工程學(xué)院，機電工程系，黑龍江 齊齊哈爾 161005）

文章針對含有多種不同特性分布式能源的微電網(wǎng)，為在復(fù)雜環(huán)境狀況下提供關(guān)鍵負(fù)載持續(xù)高質(zhì)量的電能輸出，提出一種應(yīng)用模糊推理機制的能量管理策略。由于微電網(wǎng)中不同分布式能源具有多種運行模態(tài)，利用可再生能源發(fā)電的風(fēng)機和光伏的輸出電能會隨著天氣的變化而變化。為有效地跟蹤負(fù)荷功率變化，確保能量合理高效地分配，根據(jù)模糊推理設(shè)計能量分配管理策略，保證微電網(wǎng)在孤島模式運行下系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。

微電網(wǎng)；模糊推理；協(xié)調(diào)切換；能量管理策略

0 引言

微電網(wǎng)不僅可以與大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行，為其充當(dāng)補充電能的角色，提供關(guān)鍵負(fù)荷的供電可靠性；而且還可以切斷公共連接點獨立自主地運行，滿足本地用戶側(cè)的需求。由風(fēng)機和光伏陣列構(gòu)成的分布式電源(Distributed Generators，DGs)作為微網(wǎng)中的主要電能輸出裝置，其對隨機自然環(huán)境有著很高的依賴，供電具有間歇性的特點。為保證本地負(fù)載的電能質(zhì)量就需要微電網(wǎng)中的儲能裝置發(fā)揮補充電能的作用。

為確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運行，本文提出了利用電壓頻率的下垂特性支配微電網(wǎng)運行模態(tài)協(xié)調(diào)切換的分區(qū)控制，在得到的DG與負(fù)載功率偏差中，應(yīng)用模糊推理機制進行微電網(wǎng)的功率分配制定能量管理策略。最后將該策略應(yīng)用到微網(wǎng)的孤島運行模式中，在應(yīng)對復(fù)雜變換的環(huán)境情況時，能夠使系統(tǒng)快速準(zhǔn)確反應(yīng)，為關(guān)鍵負(fù)載提供高質(zhì)量的電能。

1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)包含不同種類的智能體用來滿足負(fù)載需要。在環(huán)境和系統(tǒng)所需電能變化的情況下，分布式能源和儲能單元都可在不同的工作模式下運行。微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)，其由光伏、風(fēng)機、蓄電池、燃料電池和負(fù)載智能體構(gòu)成。在交直流總線間設(shè)置了切換逆變器用來在微源間分配功率。智能體之間的虛線代表信息的交互[3]。

2 電壓頻率分區(qū)協(xié)調(diào)控制

對于微電網(wǎng)，電壓穩(wěn)定性被視作最重要的指標(biāo)之一。電壓不穩(wěn)定通常體現(xiàn)在崩潰點會有電壓的驟降。由于不同分布式發(fā)電設(shè)備在接入系統(tǒng)時會對電能質(zhì)量造成不同程度的影響[2]，上層智能體要求切換運行模態(tài)時必須遵循安全性指標(biāo)信息。發(fā)電設(shè)備的臨界有功和無功功率可通過電壓臨界值得到。電壓安全性指標(biāo)在本質(zhì)上充當(dāng)了功率平衡的指示器。

微電網(wǎng)中第i條總線的動態(tài)電壓通過估測方法被檢測出，如式(1)所示：

監(jiān)測的第i個節(jié)點第j時刻的瞬時電壓平均值：

計算得第j時刻瞬時電壓值與平均值百分比：

第j時刻不同波形下電壓穩(wěn)定性判據(jù)，如式(5)所描述。伴隨著環(huán)境的突然改變，微電網(wǎng)將會遭受大的擾動，導(dǎo)致電壓值可能會超出預(yù)警值。εthreshold被定義為電壓安全閾值，以此判斷系統(tǒng)安全性。

3 基于模糊推理的能量管理策略

依據(jù)電壓安全性指標(biāo)，為使微電網(wǎng)穩(wěn)定高效地運行，MGCC會根據(jù)環(huán)境變化制定切換運行模態(tài)的命令，并根據(jù)“黑板”的信息規(guī)劃能量管理策略。最優(yōu)化地調(diào)節(jié)分配能量去滿足負(fù)載需求。

3.1 多模態(tài)運行模型

微電網(wǎng)中，DER運行模態(tài)會隨著環(huán)境而改變。智能體將會根據(jù)閾值來激活各個模態(tài)，相鄰模態(tài)的權(quán)值和置信度都不同。利用模糊Petri-Net(Fuzzy Petri-Net，F(xiàn)PN)理論可以將離散的控制命令和連續(xù)的控制輸入很好地結(jié)合起來。本文依據(jù)以上特點，采用FPN理論來建立各單元的多模態(tài)模型。

風(fēng)力發(fā)電機的運行模態(tài)受風(fēng)速等級的影響。為使經(jīng)濟利益最大化，這類單元通常工作在MPPT模態(tài)。當(dāng)風(fēng)速超過設(shè)備承載能力時，為保護發(fā)電機必須將其切換至恒功率輸出模態(tài)，其輸出功率是額定功率。在運行模態(tài)的FPN模型中，每個托肯的閾值與功率輸出是一一對應(yīng)的關(guān)系。太陽輻照和環(huán)境溫度是影響光伏輸出功率的兩個主要因素。與風(fēng)機一樣，它通常也工作在MPPT模態(tài)下以最大程度利用太陽能。由蓄電池組成的儲能設(shè)備在負(fù)載增多或受到大的擾動時，可以及時地增加電能來支撐系統(tǒng)。由于其快速反應(yīng)的特性，在微電網(wǎng)的負(fù)荷跟蹤中實現(xiàn)短期能量平衡。電荷狀態(tài)(State of Charge，SOC)是蓄電池性能的瞬時指標(biāo)，最大值和最小值分別是容量的100%和20%。微電網(wǎng)中，儲能智能體扮演著充電和放電角色。當(dāng)輸出功率不足時，運行在放電模態(tài)下的儲能補充所欠缺的電能；反之，如果輸出功率超出負(fù)載需求，蓄電池就會像負(fù)載一樣進入充電模態(tài)。在系統(tǒng)中同樣有兩類不同的負(fù)載，重要和非關(guān)鍵負(fù)載。微電網(wǎng)要保證供給重要負(fù)載不間斷高質(zhì)量電能。一旦功率衰減呈現(xiàn)出不可遏制的趨勢時，MGCC得到信息后會做出甩負(fù)荷的決定。當(dāng)系統(tǒng)能夠再一次維持能量平衡時，甩掉的非關(guān)鍵負(fù)載會重新連入微電網(wǎng)。蓄電池工作在充電模態(tài)下，當(dāng)達到容量的最大值時會轉(zhuǎn)入空閑模態(tài)；而在輸出功率低于負(fù)荷需求時，其從空閑模態(tài)切換到放電模態(tài)。激活負(fù)荷智能體的閾值只有電壓安全閾值，燃料電池是被視為當(dāng)風(fēng)機、光伏和儲能單元輸出功率都不能使系統(tǒng)電壓脫離危險時的額外補充單元。

3.2 邏輯協(xié)調(diào)控制命令

4 仿真分析

仿真研究部分，選取的光伏、風(fēng)機、燃料電池和儲能的額定輸出功率分別是90kW，60kW，50kW和40kW。為更好地舉例說明系統(tǒng)的工作情況和對緊急情況的反應(yīng)能力，并通過能量管理策略解決危機的能力。光伏和風(fēng)機單元作為主要的輸出單元都是單一機組，儲能單元由5組蓄電池構(gòu)成。首先，自然風(fēng)速由4個不同特性的函數(shù)通過MATLAB工具箱進行模擬。在風(fēng)速達到最大值后在很大范圍內(nèi)波動。光照強度通常在中午時達到最高，但在接近夜晚時幾乎趨近于0。

從圖1中可知，光伏的輸出功率波動很大并且不穩(wěn)定。主要受到在一天中大約只有7個小時的高強度自然光照影響。負(fù)載所需的電能大部分時間在下午和夜晚達到峰值。風(fēng)機設(shè)備所提供的輸出功率相對穩(wěn)定，但是通常會在深夜達到最高。到那時，負(fù)載的需求電能是非常低的而且光伏的輸出功率更是幾乎為0?；谝陨显颍侠砬袚Q儲能和燃料電池智能體的模態(tài)，以保證微電網(wǎng)連續(xù)地提供電能。

圖1 48小時風(fēng)機和光伏輸出功率曲線

儲能和燃料電池之間依據(jù)功率平衡方程：

相互協(xié)調(diào)的功率曲線。正值和負(fù)值分別代表了充電和放電狀態(tài)。在這48小時的時間內(nèi)，儲能主要在天氣變化的條件下保持功率平衡，同時也維持了關(guān)鍵負(fù)載的安全。隨著電壓安全判據(jù)的增大趨勢，微電網(wǎng)必須增加功率輸出以遏制其繼續(xù)增長。系統(tǒng)電壓與危險值越接近，就需要微電網(wǎng)越多地將電能供給負(fù)載。同時，通過切換命令和能量管理策略控制的充放電曲線，也體現(xiàn)了儲能和燃料電池的工作優(yōu)先級。通過實驗觀察，所有蓄電池的電能在31～32小時區(qū)間全部用盡。MGCC讀取信息并發(fā)送命令要求燃料電池智能體連入微電網(wǎng)，彌補所欠缺的電能。但是燃料電池的發(fā)電能力也是有限的，從44～46小時由于蓄電池的狀態(tài)到達了20%SOCmin，必須強制停止放電；而此時負(fù)載所需要的電能超出了燃料電池額定功率，其只能提供恒定的功率輸出。在此期間，已經(jīng)超出閾值很多。微電網(wǎng)僅僅能夠支撐關(guān)鍵負(fù)載，所以系統(tǒng)必須暫時甩掉非重要負(fù)載。在整個典型的事件中，體現(xiàn)了能量協(xié)調(diào)管理策略不僅能保證微電網(wǎng)安全運行，而且還具有經(jīng)濟性，實現(xiàn)了微電網(wǎng)自治、靈活、智能地運行。

5 結(jié)語

本文為微電網(wǎng)制定了能量管理策略和依據(jù)電壓安全性指標(biāo)判據(jù)的協(xié)調(diào)切換命令來保證系統(tǒng)穩(wěn)定地運行，同時也包括了分布式能源不同優(yōu)先級的經(jīng)濟性。基于MAS的分層控制可以總結(jié)為，最大限度地利用可再生能源提供高質(zhì)量的電能，并合理利用儲能填補電能的不足。仿真結(jié)果說明各智能體能夠互相協(xié)調(diào)滿足負(fù)載電能需求。

[1]陳樹勇，宋書芳，李蘭欣，等. 智能電網(wǎng)技術(shù)綜述[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（8）：1-7.

[2]康重慶，陳啟鑫，夏清. 低碳電力技術(shù)的研究展望[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（2）：1-7.

Microgrid coordinated energy management

Zhao Tianyu, Liu Tianbao
(Mechanical and Electrical Engineering Department Qigihar Institute of Technology, Qigihar 161005, China)

In this paper, according to the different characteristics of the micro grid contains a variety of distributed energy, critical load sustained high quality power output in complex environment conditions, we propose a fuzzy inference mechanism of energy management strategy. Because of the micro grid distributed energy with a variety of different operation modes, the use of renewable energy power generation wind power output machine and photovoltaic will change with the change of the weather. In order to effectively track the change of load power, ensure the reasonable allocation of energy ef fi cient, energy management strategy design based on fuzzy reasoning, and ensure the safe and stable operation of microgrid in islanding mode under the system.

microgrid; fuzzy inference; coordinated switching; energy management strategy

趙添羽（1989— ），男，黑龍江齊齊哈爾人，碩士。