基于多目標(biāo)優(yōu)化的含電動汽車充換儲一體化設(shè)施的微電網(wǎng)能量管理及協(xié)調(diào)控制策略研究杜進(jìn)橋

田杰 秦毅 廖貴臏 劉揚揚

摘要：含電動汽車充換儲一體化設(shè)施的微電網(wǎng)由于負(fù)荷用電的不確定性，使得微電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)功率產(chǎn)生隨機性，造成配電系統(tǒng)電壓波動、功率不平衡等問題。為解決上述問題，開展了基于多目標(biāo)優(yōu)化的微電網(wǎng)能量管理及協(xié)調(diào)控制策略研究，通過微電網(wǎng)需求側(cè)負(fù)荷分類控制、基于多目標(biāo)優(yōu)化的微電網(wǎng)動態(tài)運行管理以及微電網(wǎng)日前優(yōu)化調(diào)度等控制策略，實現(xiàn)對微電網(wǎng)的能量優(yōu)化管理;根據(jù)建立的多目標(biāo)優(yōu)化策略，對微電網(wǎng)系統(tǒng)上層、下層進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，并通過微電網(wǎng)能量管理策略優(yōu)化聯(lián)網(wǎng)功率，為含電動汽車充換儲一體化設(shè)施的微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電動汽車;充換儲一體化;微電網(wǎng)能量管理;協(xié)調(diào)控制策略

0 引言

目前發(fā)電系統(tǒng)主要以煤炭等化石能源發(fā)電為主，電能的大量使用間接產(chǎn)生了大量碳排放量[1]，對環(huán)境產(chǎn)生不利影響。隨著風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，可再生能源及其發(fā)電技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，對于減少環(huán)境污染、緩解化石能源消耗等方面起到了積極作用。但是可再生能源發(fā)電存在隨機性、間歇性以及不可控等缺點，隨著其滲透率的不斷增加，將會威脅到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

為了解決上述問題，實現(xiàn)節(jié)能減排和環(huán)境保護目標(biāo)，需要對可再生能源并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)進(jìn)行更加深入的研究，以加強電網(wǎng)對可再生能源的消納能力。微電網(wǎng)作為一種用能方式，可對可再生能源發(fā)電進(jìn)行有效管理，以減少對電網(wǎng)的影響。隨著電動汽車的規(guī)?；⒕W(wǎng)運行，建立含電動汽車充換儲一體化設(shè)施的微電網(wǎng)能量管理新模式，并對其協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行研究顯得尤為重要。

微電網(wǎng)的能量優(yōu)化管理通常涉及多個利益主體，是一個多目標(biāo)優(yōu)化問題。在求解多目標(biāo)優(yōu)化問題時，通常是通過加權(quán)等方式將多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)問題，再利用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法對其進(jìn)行求解，以此得到基于某種權(quán)值下的最優(yōu)解[2]。

本文基于多目標(biāo)優(yōu)化問題的處理方式，開展含電動汽車充換儲一體化設(shè)施的微電網(wǎng)能量管理策略研究，并對其協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計說明。

1 基于多目標(biāo)優(yōu)化的電動汽車微電網(wǎng)能量管理

1.1 ? ?微電網(wǎng)需求側(cè)負(fù)荷分類

在對含電動汽車充換儲一體化設(shè)施的微電網(wǎng)能量管理策略進(jìn)行研究時，首先需要對微電網(wǎng)用電側(cè)負(fù)荷進(jìn)行分類。本文根據(jù)不同負(fù)荷的重要性程度，將負(fù)荷劃分為第一等級負(fù)荷、第二等級負(fù)荷和第三等級負(fù)荷。其中，第一等級負(fù)荷與第二等級負(fù)荷是不可控負(fù)荷，第三等級負(fù)荷為可控負(fù)荷。同時，將第三等級負(fù)荷進(jìn)行細(xì)化，分為可調(diào)負(fù)荷和可平移負(fù)荷兩種。表1為3種不同等級負(fù)荷的具體劃分及對應(yīng)主要設(shè)備。

表1中第三等級設(shè)備中的可調(diào)負(fù)荷可根據(jù)微電網(wǎng)運行時的電力價格、溫度等情況對其進(jìn)行微調(diào)，以此可以在不影響電動汽車用戶在使用充換儲一體化設(shè)施時的舒適度前提下，提升微電網(wǎng)的經(jīng)濟效益[3]。

可平移負(fù)荷中的各類設(shè)備可在不影響用戶體驗、不對社會造成影響和危害的前提下進(jìn)行切除，這一類型的設(shè)備可推遲或提前啟動，調(diào)度時間相對自由。通過對這一類型設(shè)備的調(diào)度可在不改變負(fù)荷曲線的基礎(chǔ)上改變整個負(fù)荷運行模式，以此對負(fù)荷進(jìn)行最優(yōu)處理，而第一等級和第二等級中的用電設(shè)備負(fù)荷不可隨意對其進(jìn)行調(diào)試。第三等級負(fù)荷的利用相對更加復(fù)雜，通過調(diào)節(jié)可在一定程度上影響用戶感受。

因此，本文只針對第三等級負(fù)荷，對其運行管理目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計。

1.2 ? ?基于多目標(biāo)優(yōu)化的微電網(wǎng)動態(tài)運行管理策略

在微電網(wǎng)運行過程中，根據(jù)前一段時間內(nèi)微電網(wǎng)的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，利用上述建立的多優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，得出下一段時間內(nèi)的最優(yōu)解，并將最優(yōu)解作為微電網(wǎng)下一時間段內(nèi)的動態(tài)管理目標(biāo)。

1.3 ? ?微電網(wǎng)日前計劃規(guī)劃

本文基于多目標(biāo)優(yōu)化的微電網(wǎng)能量管理策略中，在滿足電動汽車常規(guī)換電需求的基礎(chǔ)上，集合上述建立的基于多目標(biāo)優(yōu)化的微電網(wǎng)動態(tài)運行管理策略，對含電動汽車充換儲一體化設(shè)施的微電網(wǎng)日前計劃進(jìn)行統(tǒng)一安排[5]。根據(jù)運行管理目標(biāo)，首先應(yīng)當(dāng)保證充換儲一體化設(shè)施對電動汽車換電服務(wù)的可行性，在微電網(wǎng)中保證每個時間段的可用能量均大于電動汽車的需求量。

本文提出的微電網(wǎng)動態(tài)運行管理目標(biāo)是一種理想化的微電網(wǎng)能量管理目標(biāo)，在微電網(wǎng)實際運行時受到預(yù)測誤差的影響，僅僅依靠管理目標(biāo)無法實現(xiàn)最佳的運行效果。因此，在實際運行時應(yīng)當(dāng)結(jié)合實際運行數(shù)據(jù)對日前運行計劃進(jìn)行估算，以降低各項影響因素對微電網(wǎng)實際運行的影響[6]。微電網(wǎng)日前優(yōu)化運行計劃的具體流程如圖1所示。

2 含充換儲一體化設(shè)施的微電網(wǎng)能量管理協(xié)調(diào)控制策略

2.1 ? ?微電網(wǎng)能量管理協(xié)調(diào)控制策略

微電網(wǎng)能量管理協(xié)調(diào)控制策略主要包括兩個層級：

其一為上層能量管理優(yōu)化協(xié)調(diào)控制，在能量管理系統(tǒng)中根據(jù)上述建立的微電網(wǎng)動態(tài)運行管理優(yōu)化策略，對微電網(wǎng)內(nèi)部的各類微電源的出力進(jìn)行優(yōu)化[7]，從而使微電網(wǎng)整體的運行達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)下的最優(yōu);

其二為下層能量優(yōu)化協(xié)調(diào)控制，根據(jù)上層優(yōu)化指令，對微電網(wǎng)內(nèi)各微電源進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)對微電網(wǎng)中分布式電源運行功率的控制，使微電網(wǎng)整體的輸出功率能夠跟蹤優(yōu)化策略的參考功率。

下面針對微電網(wǎng)能量管理分層協(xié)調(diào)控制中的兩層協(xié)調(diào)控制方法進(jìn)行詳細(xì)說明。

2.1.1 ? ?微電網(wǎng)上層能量優(yōu)化協(xié)調(diào)控制

微電網(wǎng)上層能量管理優(yōu)化從微電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟運行角度出發(fā)，主要對微電網(wǎng)中各區(qū)域控制終端、并網(wǎng)控制設(shè)備等進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)微電網(wǎng)的優(yōu)化運行。

在微電網(wǎng)上層能量管理系統(tǒng)中，以數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測控制系統(tǒng)作為協(xié)調(diào)控制基礎(chǔ)，基于經(jīng)濟性目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行微電網(wǎng)能量管理的協(xié)調(diào)優(yōu)化分析和計算，從而實現(xiàn)微電網(wǎng)的能量優(yōu)化與經(jīng)濟運行。

2.1.2 ? ?微電網(wǎng)下層能量優(yōu)化協(xié)調(diào)控制

微電網(wǎng)下層能源主要包括分布式電源控制裝置以及負(fù)荷控制裝置，通過對微電網(wǎng)下層分布式電源的優(yōu)化協(xié)調(diào)控制，可實現(xiàn)對微電網(wǎng)暫態(tài)功率的平衡和負(fù)荷的自動化控制，提高微電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性。

在微電網(wǎng)下層結(jié)構(gòu)中，基于低壓測控單元、就地控制器、區(qū)域控制終端等，實現(xiàn)對各分布式電源的控制。區(qū)域控制終端主要根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)和狀態(tài)執(zhí)行不同的控制策略。在微電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)運行時，區(qū)域控制終端通過設(shè)定各可控設(shè)備的功率指令，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)各電源的協(xié)調(diào)控制;在微電網(wǎng)離網(wǎng)運行時，區(qū)域控制終端控制微電網(wǎng)的主電源按電壓/頻率控制模式運行，實現(xiàn)恒壓恒頻輸出，從而維持微電網(wǎng)在運行過程中的電壓、頻率穩(wěn)定。

本文引入儲能設(shè)備用于保證重要負(fù)荷的電能供應(yīng)[8]。當(dāng)微電網(wǎng)正常運行時，儲能設(shè)備作為受控電源或者備用電源。一旦微電網(wǎng)運行出現(xiàn)問題，通過控制儲能出力，保證微電網(wǎng)內(nèi)部電壓及頻率的穩(wěn)定。

2.2 ? ?微電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)協(xié)調(diào)控制

由上述可知，在對微電網(wǎng)能量協(xié)調(diào)控制時，主要將微電網(wǎng)的能量管理分為上層和下層兩個部分，采用集中控制與分散控制兩種不同協(xié)調(diào)控制方法相結(jié)合的方式。下層能量協(xié)調(diào)控制作為分散控制的主要控制對象，上層用于實現(xiàn)微電網(wǎng)能量優(yōu)化管理。在聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下，在每個控制周期中，每個微電網(wǎng)均看作是單一負(fù)荷或發(fā)電單元，微電網(wǎng)中所有的發(fā)電單元將根據(jù)微電網(wǎng)能量優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，確定在該時間段內(nèi)各分布式發(fā)電裝置的發(fā)電功率，進(jìn)而實現(xiàn)微電網(wǎng)的經(jīng)濟優(yōu)化運行。

在微電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)協(xié)調(diào)控制過程中，為了實現(xiàn)微電網(wǎng)的優(yōu)化運行，需要配置儲能等受控電源或者可控負(fù)荷等設(shè)備。能量管理系統(tǒng)通過通信接口與微電網(wǎng)中其他控制器進(jìn)行信息的交互[9]，綜合各種電源、負(fù)荷、電網(wǎng)等狀態(tài)信息，實現(xiàn)源-網(wǎng)-荷優(yōu)化運行，協(xié)調(diào)互動。

3 結(jié)語

本文主要針對含電動汽車充換儲一體化設(shè)施的微電網(wǎng)的多目標(biāo)優(yōu)化能量管理和協(xié)調(diào)策略進(jìn)行了研究，通過對當(dāng)前電動汽車的充電及換電應(yīng)用市場分析，基于負(fù)荷分類控制、多目標(biāo)能量管理以及日前優(yōu)化調(diào)度等功能，提出了微電網(wǎng)的能量管理協(xié)調(diào)控制策略，為含電動汽車充換儲一體化設(shè)施的微電網(wǎng)提供了經(jīng)濟運行的有效途徑。

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收稿日期：2020-05-08

作者簡介：杜進(jìn)橋（1988—），男，甘肅白銀人，碩士，工程師，研究方向：新能源與綜合能源服務(wù)。