微電網(wǎng)能量管理研究

王少波，祖其武，牛玉剛

(1.上海環(huán)保工程成套有限公司,上海, 200070； 2.華東理工大學 信息科學與工程學院,上海, 200237)

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微電網(wǎng)能量管理研究

王少波1，祖其武2，牛玉剛2

(1.上海環(huán)保工程成套有限公司,上海, 200070； 2.華東理工大學 信息科學與工程學院,上海, 200237)

微網(wǎng)作為傳統(tǒng)電網(wǎng)的衍生，由其自身的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及分布式電源等新特性，使得傳統(tǒng)的能量控制方法已不適用于微網(wǎng)。首先對微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點進行了描述，接著從單微網(wǎng)的本地能量調(diào)度延伸到多微網(wǎng)之間的能量協(xié)調(diào)以及經(jīng)濟運行優(yōu)化等方面進行分析，最后對微網(wǎng)能量管理的研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)，指出了微網(wǎng)能量管理的發(fā)展需求和趨勢。

微電網(wǎng)；能量管理；經(jīng)濟調(diào)度；優(yōu)化運行；多代理

0 引 言

能源是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，電能作為最清潔便利的能源形式，是整個社會文明進步的助推劑。自21世紀以來，經(jīng)濟全球化的快速推進，電力需求也得到了飛速發(fā)展，大電網(wǎng)的一些弊端也日益顯露出來：成本高，運行難度大，難以滿足用戶對高電能質(zhì)量的要求。尤其近十幾年，世界范圍內(nèi)發(fā)生幾次大面積停電事故，電網(wǎng)的脆弱性也充分地暴露出來。在能源需求，環(huán)境保護以及安全穩(wěn)定的三重壓力下，國際上已將更多的目光投向了既可提高能源利用效率又能充分利可再生能源的微網(wǎng)研究相關(guān)領(lǐng)域[1-2]。

微網(wǎng)將額定容量為幾十千瓦的分布式單元——分布式發(fā)電(Distributed Generator，簡稱DG)、負荷、儲能(Energy Storage，簡稱ES)及控制裝置等組成一個單一可控的單元；與傳統(tǒng)的集中式發(fā)電系統(tǒng)相比，微網(wǎng)更接近于負荷，減少了不必要的高壓線路建設(shè)及遠距離輸電，減少線損、輸電線路架設(shè)投資和運行費用；微網(wǎng)兼具發(fā)電、供熱、制冷等多種能源形式，實現(xiàn)能源的梯級利用，提高能源綜合利用效率。微網(wǎng)在滿足電網(wǎng)約束和供電經(jīng)濟性的基礎(chǔ)上，充分協(xié)調(diào)各種能源，實時可靠地向用戶提供需求的電能；然而，微網(wǎng)中以風能和太陽能為代表的新能源易受環(huán)境氣候影響，供電輸出具有間歇性和不確定性[3]，新能源的這些特性使得它們在微網(wǎng)控制中不可調(diào)度，增加微網(wǎng)能量管理的難度；另外，微電網(wǎng)包括多種類型的負荷，各用戶負荷對電能質(zhì)量要求也不盡相同，這無疑對微網(wǎng)能量的控制策略提出了挑戰(zhàn)[4]。因此，要保證微網(wǎng)內(nèi)部能源的協(xié)調(diào)與優(yōu)化運行，滿足用戶負荷的電能需求，其中能量的優(yōu)化調(diào)度和管理是核心。

本文分別介紹了微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和特點、單微網(wǎng)的本地能量管理、多微網(wǎng)間的能量調(diào)度以及經(jīng)濟優(yōu)化運行，最后針對微電網(wǎng)能量管理的研究現(xiàn)狀，并闡述了微電網(wǎng)能量管理研究的新進展。

1 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及其特點

微電網(wǎng)(Micro grid)是一種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，主要由開關(guān)，DG，ES，電力電子裝置以及通信設(shè)施等組成的自治系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護和管理，既可與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行，也可孤島運行。

圖1 微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由電力網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)兩部分組成，通信主要包括微網(wǎng)內(nèi)部各分布式單元間的信息交互以及與其他微網(wǎng)或上級電網(wǎng)的互聯(lián)。電力網(wǎng)絡(luò)一般由三條饋線A、B和C和一條母線組成，整個網(wǎng)絡(luò)呈放射狀。微網(wǎng)通過靜態(tài)開關(guān)(Common Connection Point，簡稱PCC)與配網(wǎng)相連，實現(xiàn)微網(wǎng)孤島和并網(wǎng)模式的平滑切換。圖中饋線A和B上有重要負荷，配備多個DG，饋線A上有一個熱電聯(lián)產(chǎn)的DG向用戶傳輸熱能和電能。饋線C為上是非重要負荷，由DGs和主網(wǎng)雙源供電，孤島運行模式下微網(wǎng)根據(jù)內(nèi)部過負荷，通過斷路器對其投切。當大電網(wǎng)發(fā)生故障或供能質(zhì)量問題時，微網(wǎng)控制PCC切斷與主網(wǎng)的聯(lián)系，進入孤島運行。當故障消除后，PCC重新與主網(wǎng)連上，恢復(fù)微網(wǎng)與主網(wǎng)過度到孤島運行前的電壓頻率同步運行狀態(tài)。

2 微電網(wǎng)經(jīng)濟運行與能量優(yōu)化管理

正如傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)可以通過對發(fā)電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)實現(xiàn)節(jié)能減耗，同樣由微網(wǎng)經(jīng)濟運行理論與能量優(yōu)化管理方法的研究，也可實現(xiàn)微電網(wǎng)的高效經(jīng)濟運行。同常規(guī)的電力系統(tǒng)相比，微網(wǎng)中可調(diào)節(jié)變量更加豐富，調(diào)節(jié)方式也更加靈活；微網(wǎng)中DGs滲透，網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，這必然會影響系統(tǒng)中潮流流向，潮流控制不但直接關(guān)系系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，也與網(wǎng)絡(luò)中的能源損耗息息相關(guān)。

新能源是一種清潔能源，符合我國所提的節(jié)能減排政策，但是新能源的接入也給我們的控制帶來了挑戰(zhàn)。我們所熟知的太陽能、風能等都是一種不可調(diào)度的能源，他們易受環(huán)境因素的影響，使得發(fā)電量很難精確預(yù)測，因此，微網(wǎng)的穩(wěn)定運行必須采用新的控制策略；而合理配置微網(wǎng)中新能源的接入容量和位置[5-6]，可以有效地提高系統(tǒng)可靠性，減少系統(tǒng)的運行成本，降低系統(tǒng)運行損耗。

隨著電能消耗的劇增，負荷多樣化的增加，不同負荷對電能質(zhì)量的要求也是有區(qū)別的，考慮到供電成本，不同用戶對電能的支付能力也存在差異。微網(wǎng)的供電范圍包括家庭用電、樓宇用電為主的生活用電，智能電表為代表的小功率負荷以及即插即用電動汽車(Electric Vehicle， 簡稱EV)的新型用電設(shè)備：家庭供電必須保障居民最小能源供應(yīng)和基本生活；智能電表的用電實時性較高，必須持續(xù)地向這類負荷提供穩(wěn)定的電能；EV等新型負荷能隨時隨地接入電網(wǎng)，對用電實時性不高，但必須保證一定的供電時段，當然這種間斷供電也會對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊。微網(wǎng)也可以為學校、工廠、商業(yè)區(qū)以及軍事基地等小區(qū)域性供電，做好對負荷的預(yù)測，制定合理的發(fā)電計劃，平衡功率需求具有重大意義；通過對大電網(wǎng)的能量交換進行預(yù)測，合理控制機組啟停，減少能源損耗，降低生產(chǎn)成本，避免微網(wǎng)電能不足帶來的不必要的經(jīng)濟損失。

3 微電網(wǎng)能量管理技術(shù)

微網(wǎng)包含光伏、風機、燃氣輪機、燃料電池等DGs，如何有效地協(xié)調(diào)DGs出力，合理分配資源，可再生能源優(yōu)化及最低損耗等目標，成為微網(wǎng)經(jīng)濟運行的研究熱點。

3.1 單微電網(wǎng)系統(tǒng)的能量管理

單微網(wǎng)能量管理主要是優(yōu)化內(nèi)部資源，以最小的用電成本安全、可靠地向負荷提供需求電能。針對單微網(wǎng)能量管理問題，可以從以下兩個方面分析：

(1)單目標優(yōu)化函數(shù)模型

針對光伏和風電機組等DGs接入微網(wǎng)，文獻[7]提出一種以降低網(wǎng)損為目標的優(yōu)化模型，采用有功靈敏度分析法確定DGs的最佳接入節(jié)點及容量，有效地減少系統(tǒng)運行損耗，降低了運行成本。文獻[8-9]采用了一種混合能源的模型，利用ES充放電，建立適當?shù)哪芰科胶夥匠?，提高了系統(tǒng)的供電可靠性。

為合理調(diào)度DGs保證微網(wǎng)經(jīng)濟運行，文獻[10]建立基于改進粒子群算法優(yōu)化DGs出力的數(shù)學模型，同時將匯入微網(wǎng)的主網(wǎng)功率也納入優(yōu)化范圍，在考慮微網(wǎng)內(nèi)供電平衡、DGs出力限制和爬坡約束，以微網(wǎng)總用電成本最低為目標。文獻[11]建立了冷熱電聯(lián)產(chǎn)型的微網(wǎng)經(jīng)濟環(huán)保調(diào)度模型，將ES充放電價格計入群體尋優(yōu)目標函數(shù)，結(jié)合協(xié)調(diào)進化遺傳算法，使用群體尋優(yōu)目標函數(shù)和精英尋優(yōu)目標函數(shù)尋求DGs出力調(diào)度最優(yōu)解，最后驗證了孤島和并網(wǎng)運行方式下該調(diào)度策略的有效性。

(2)多目標優(yōu)化函數(shù)模型

微網(wǎng)中采用了不同類型、容量的DGs，其發(fā)電所消耗的燃料、效率、運行和維護費用、溫室氣體的排放量也不同，往往采用單一的控制目標很難準確地描述微網(wǎng)系統(tǒng)，因此通常建立一個多目標多約束的微網(wǎng)系統(tǒng)。文獻[12-13]在充分利用當?shù)厍鍧嵞茉吹耐瑫r，綜合考慮DGs發(fā)電維護成本、污染物排放以及新能源發(fā)電新特性等建立數(shù)學模型，基于智能算法對不同目標權(quán)重進行協(xié)調(diào)和折中處理，使所有目標函數(shù)盡可能達到最優(yōu)。

除了從運行成本和污染物排放補償兩個方面考慮，還可以從時間尺度進行優(yōu)化。文獻[14]考慮多種類型負荷的接入問題，由其自身的功率需求、請求響應(yīng)時間以及持續(xù)工作時間的隨機分布，建立Markov控制的模型，使得微網(wǎng)長期平均運行成本最小。文獻[15]分別從日前和日內(nèi)兩個時間尺度對微網(wǎng)內(nèi)ES運行成本、DGs有功出力值及徐秀策負荷啟停機進行優(yōu)化，優(yōu)化各發(fā)電單元和需求側(cè)管理負荷的啟停機狀態(tài)及其有功出力值，保證微網(wǎng)運行在最低成本。

3.2 多微電網(wǎng)系統(tǒng)的能量管理研究

當考慮區(qū)域內(nèi)多個微網(wǎng)優(yōu)化時，一方面要保證微網(wǎng)本身的穩(wěn)定運行，對微網(wǎng)內(nèi)部的DGs出力進行協(xié)調(diào)，實現(xiàn)本地的能量調(diào)度，另一方面也要考慮與其他微網(wǎng)的配合，實現(xiàn)微網(wǎng)間的信息流和能量流的交互，保證系統(tǒng)總負荷的供需平衡和能量的高效利用。目前，基于多代理系統(tǒng)(Multi Agent System，簡稱MAS)的多微網(wǎng)間經(jīng)濟調(diào)度策略主要有基于各種啟發(fā)式算法的優(yōu)化調(diào)度[16]和基于市場機制的競爭協(xié)調(diào)[17]。

基于啟發(fā)式算法的優(yōu)化調(diào)度是由系統(tǒng)給定的控制目標，在獲取DGs和負荷的狀態(tài)信息及系統(tǒng)約束后，確定經(jīng)濟調(diào)度和優(yōu)化運行策略；基于市場交易的協(xié)調(diào)主要通過MAS提供一個虛擬的電力市場環(huán)境，DGs和負荷將各自的發(fā)電成本和需求向微網(wǎng)中央控制單元(Micro Grid Central Control，簡稱MGCC)投標，MGCC經(jīng)過決策模塊協(xié)調(diào)出結(jié)果。當系統(tǒng)處于合作環(huán)境時，即微網(wǎng)內(nèi)DGs擁有相同且不含有競爭的電力市場環(huán)境，這些啟發(fā)式算法是有效地；而當系統(tǒng)處于非合作環(huán)境時，各微網(wǎng)的控制目標以及DGs自身目標不一致，往往采用博弈的手段來處理。

(1)合作環(huán)境下基于啟發(fā)式算法的優(yōu)化調(diào)度

合作環(huán)境是指多個微網(wǎng)間優(yōu)化目標一致、利益也不發(fā)生沖突。文獻[17]針對微網(wǎng)中的用戶負荷、ES、DGs這些分布式單元，文中建立的MAS系統(tǒng)來協(xié)調(diào)各單元的合作、通信以及協(xié)商。文獻[18]針對多微網(wǎng)間能量協(xié)調(diào)提出了基于MAS的分層控制結(jié)構(gòu)，在JADE(Java Agent DEvelopment Framework)平臺上構(gòu)建了單元層、單微網(wǎng)層、多微網(wǎng)層和配網(wǎng)層的層次化多代理系統(tǒng)模型，兼具集中式和分布式控制的優(yōu)點，實現(xiàn)了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時微網(wǎng)內(nèi)部、多微網(wǎng)間的能量調(diào)度。

(2)非合作環(huán)境下基于市場機制的競爭協(xié)調(diào)

針對不同地區(qū)間的微網(wǎng)能量調(diào)度，往往因為地域和管理上的差異，經(jīng)濟利益和控制目標不盡相同，因此，多個微網(wǎng)交互運行時的非合作現(xiàn)象不容忽視。文獻[19]提出了包括電力市場Agent、微電網(wǎng)Agent、發(fā)電公司Agent及元件級Agent組成的MAS系統(tǒng)的競價結(jié)構(gòu)，微電網(wǎng)Agent與發(fā)電公司Agent的同級利潤最大化競價以及保證新能源充分利用的同時達到微電網(wǎng)Agent與元件級Agent的成本優(yōu)化。

文獻[20]在已知各微網(wǎng)購售電價、ES租用價格以及主網(wǎng)購售電價的基礎(chǔ)上，以各微網(wǎng)運行成本最低為目標，建立效用函數(shù)的經(jīng)濟運行柔性目標函數(shù)，首先將各微網(wǎng)目標函數(shù)解耦然后統(tǒng)一求解，得到非合作環(huán)境下各微網(wǎng)的最佳運行方式，但其中的效用函數(shù)是一種隱式表達，求解時需要通過復(fù)雜的回溯模擬，整個過程耗時過長。接著作者在文獻[21]中設(shè)計了基于MAS的微網(wǎng)動態(tài)博弈架構(gòu)，首先根據(jù)電能用途與歸屬，建立了基于價格差異與時間慣序權(quán)重的微網(wǎng)兩階段快速調(diào)度決策模型，最后考慮新能源出力的不確定，建立基于最大投標風險承受比例的電量決策模型和基于最小用電成本的電價投標決策模型。

文獻[22]提出了一種包括兩個虛擬的電力市場：本地市場和全局市場，并將用戶需求引入到需求側(cè)響應(yīng)智能MAS系統(tǒng)。本地市場維持微網(wǎng)內(nèi)部的能量交換，全局市場是維持不同微網(wǎng)以及公網(wǎng)間的能量交易。根據(jù)系統(tǒng)規(guī)定：優(yōu)先級較低(負荷的容量以及頻率)的用戶設(shè)備只有當電力的成本較低時才能參與到用戶側(cè)需求管理，電力的成本是依據(jù)雙邊交易的市場清算價格決定的。文獻[23]基于MAS解決微網(wǎng)中的DGs資源管理問題，提出一種模擬現(xiàn)實生活里拍賣過程來匹配能源市場中的買賣雙方，當微網(wǎng)以負載形式參與時，它開始為本地負載申請額外的功率，只有達到當申請價格達到其最大可接受價格或者找到其他更好的賣方才停止申請(如自身的柴油發(fā)電機)；當微網(wǎng)以發(fā)電形式參與時，只有當申請者的權(quán)重值大于等于可接受的平均水平時，微網(wǎng)才會接受申請。

4 結(jié)束語

隨著新能源技術(shù)的快速發(fā)展，微網(wǎng)系統(tǒng)運行的安全性、經(jīng)濟性、可靠性已是刻不容緩。微電網(wǎng)能量管理的任務(wù)是優(yōu)化能源分配和合理利用，在滿足一定的技術(shù)條件和系統(tǒng)約束的條件下，實現(xiàn)微網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行，滿足各類負荷電能需求。

針對新能源發(fā)電的間歇性和不確定性，往往加入一些輸出穩(wěn)定DGs作為輔助能源，另外加入一定容量的具有緩沖作用的ES共同維持整個微網(wǎng)的穩(wěn)定運行?？紤]到ES的充放電特性，故可對ES的充放電控制策略進行研究，協(xié)調(diào)各機組出力，實現(xiàn)微網(wǎng)的經(jīng)濟可靠運行。

針對多微網(wǎng)間的能量管理，可以從兩個方面考慮，一是在保證整個系統(tǒng)的目標和利益一致的前提下，保證單個微網(wǎng)的安全運行，實現(xiàn)多個微網(wǎng)能量的統(tǒng)一調(diào)度，這是符合一些大的電網(wǎng)公司或國家對電力的宏觀調(diào)控；二是從單個微網(wǎng)的獨立利益出發(fā)，為實現(xiàn)各自的利益最大化，往往采用一定合同網(wǎng)協(xié)議將多余的能量交換出去，既實現(xiàn)了能量的合理利用，避免了能源的浪費，也為自身增加了收益，這是符合單微網(wǎng)運行機制的。

微電網(wǎng)以先進的信息與通信技術(shù)為基礎(chǔ)，融合并應(yīng)用了先進的傳感和檢測、控制、計算機和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，集成各種具有高級應(yīng)用功能的控制系統(tǒng)，利用智能化的開關(guān)、配電終端設(shè)備，實現(xiàn)微網(wǎng)在穩(wěn)態(tài)下可靠的監(jiān)測、控制、優(yōu)化和保護，并在發(fā)生故障時系統(tǒng)具備自我保護和修復(fù)的能力，最終為終端負荷提供安全、可靠、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟、環(huán)保的電能供應(yīng)和其他服務(wù)需求。

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A Survey on Micro Grid Energy Management

Wang Shaobo1, Zu Qiwu2, Niu Yugang2

(1.Shanghai Environment Protection Complete Engineering Co.,Ltd., Shanghai 200070, China;2. College of Information Science & Engineering, East China University of Science & Technology, Shanghai, 200237, China)

The traditional network structure and new characteristics (distributed generator. etc.) of the micro grid-a derivative of the traditional power grid-make the conventional energy control strategy not applicable to the micro grid any more. This paper describes the structural characters of the micro grid, analyzes the extension from local energy scheduling of a single micro grid to energy coordination among multiple micro grids as well as optimization of economic operation, and finally summarizes the research status of micro grid energy management and points out the development need and trend of micro grid energy management.

micro grid, energy management; economic scheduling; optimized operation; multi agent

本文得到上海市優(yōu)秀學術(shù)/技術(shù)帶頭人計劃資助(16XD1421300)

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.04.025

TM731

A

1000-3886(2016)04-0080-03

王少波(1976-)，男，河南洛寧人，博士，研究方向環(huán)保及新能源工程。 祖其武(1991-)，男，安徽馬鞍山人，碩士，研究方向為微電網(wǎng)能量管理。 牛玉剛(1964-)，男，遼寧營口人，教授，研究方向為，隨機系統(tǒng)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、智能電網(wǎng)。

定稿日期: 2016-04-08