微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究綜述

李彤彤 蔡艷平 李艾華

摘要：隨著新能源技術(shù)的快速發(fā)展與推廣應(yīng)用，微電網(wǎng)技術(shù)逐步引起了廣泛關(guān)注。本文闡述了微電網(wǎng)的概念及基本特點(diǎn)，介紹了當(dāng)前微電網(wǎng)的研究現(xiàn)狀與最新進(jìn)展，闡釋了交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)與交直流混合微電網(wǎng)三種類型微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)，并梳理總結(jié)了微電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)方法。在此基礎(chǔ)上指出了有待進(jìn)一步研究解決的重點(diǎn)問(wèn)題，為后續(xù)研究指明方向。

Abstract： With the rapid development and popularization and application of new energy technologies， microgrid technology has gradually attracted widespread attention. This article explains the concept and basic characteristics of microgrids， introduces the current research status and latest developments of microgrids， explains the basic structure of three types of microgrids， AC microgrids， DC microgrids， and AC/DC hybrid microgrids. The planning and design methods of the power grid are summarized and studied. On this basis， it points out the key issues that need to be further studied and resolved in the microgrid planning and design， and lays the foundation for further in-depth research.

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng);規(guī)劃設(shè)計(jì);分布式電源

Key words： microgrid;planning and design;distributed power

中圖分類號(hào)：TM715? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）31-0243-02

0? 引言

近年來(lái)，資源危機(jī)與環(huán)境問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)峻，已成為制約經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展、人民生活質(zhì)量改善的關(guān)鍵因素。并且隨著用電負(fù)荷逐年增長(zhǎng)、負(fù)荷形式愈加多樣，傳統(tǒng)大電網(wǎng)的弊端也日益凸顯。在這樣的背景下，風(fēng)力、光能等可再生能源引起了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注與研究。分布式發(fā)電是指憑借靠近用戶、規(guī)模較小的分布式電源實(shí)現(xiàn)靈活、高效、獨(dú)立地發(fā)電[1]。分布式電源既可以利用石油、天然氣等化石能源，也可以利用風(fēng)、光等可再生能源，能量來(lái)源廣、供電形式靈活、電能質(zhì)量高、環(huán)境污染小，因而得到了快速發(fā)展。但是由于風(fēng)、光等可再生能源具有間歇性、隨機(jī)性、波動(dòng)性等特點(diǎn)，并網(wǎng)運(yùn)行后對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗、電壓波動(dòng)、供電可靠性等提出了新的要求[2]?，F(xiàn)有研究表明，以微電網(wǎng)的方式將分布式電源連接到大電網(wǎng)中，與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行、相互支撐，是發(fā)揮其性能的最有效途徑[3]。

1? 微電網(wǎng)的概念與特點(diǎn)

美國(guó)學(xué)者Lasseter教授最早對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行了闡述，此后歐盟等國(guó)家和機(jī)構(gòu)根據(jù)自身實(shí)際需求分別對(duì)微電網(wǎng)的涵義進(jìn)行了進(jìn)一步解釋。目前，國(guó)際上尚未就其定義達(dá)成可普遍接受得統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。在我國(guó)，微電網(wǎng)是指由分布式電源、用電負(fù)荷、配電設(shè)施、監(jiān)控和保護(hù)裝置等組成的小型發(fā)配用電系統(tǒng)。微電網(wǎng)具有自我調(diào)節(jié)能力，可以降低分布式電源并網(wǎng)后帶來(lái)的不良影響。

依據(jù)與大電網(wǎng)連接情況，可將微電網(wǎng)分為兩種類型。若微電網(wǎng)與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行、可以進(jìn)行功率交互，則其為并網(wǎng)型微電網(wǎng)。若微電網(wǎng)不與大電網(wǎng)連接，僅依靠自身分布式電源發(fā)電即可滿足系統(tǒng)內(nèi)部負(fù)荷需求，不從外界獲得能量，則其為獨(dú)立型微電網(wǎng)。并網(wǎng)型微電網(wǎng)有兩種運(yùn)行模式：并網(wǎng)運(yùn)行為主要模式，微電網(wǎng)此時(shí)與大電網(wǎng)相互支撐，能量可雙向交互;孤島運(yùn)行為大電網(wǎng)故障時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源繼續(xù)為重要負(fù)荷供電。

從微觀來(lái)看，微電網(wǎng)自身構(gòu)成一個(gè)規(guī)模較小的電力系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)完整的發(fā)電、輸電、配電、用電功能;從宏觀來(lái)看，微電網(wǎng)又可看做大電網(wǎng)中的一個(gè)“虛擬”電源或者負(fù)荷，與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行。

2? 微電網(wǎng)的研究現(xiàn)狀

目前，微電網(wǎng)已成為各個(gè)國(guó)家和機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究的重點(diǎn)對(duì)象，各國(guó)家都根據(jù)本國(guó)自然資源與使用需求，組織相關(guān)學(xué)者與研究機(jī)構(gòu)投入微電網(wǎng)的研究之中，紛紛提出適合本國(guó)的微電網(wǎng)發(fā)展目標(biāo)與技術(shù)路線，在理論方面不斷取得突破，并且陸續(xù)建設(shè)成一批微網(wǎng)示范工程。

美國(guó)在全世界最早提出微電網(wǎng)概念并積極開展相關(guān)研究，目前已取得很大成果，全國(guó)約建成200多個(gè)微電網(wǎng)示范工程，其研究重點(diǎn)主要在滿足用戶多樣靈活的用電需求，提高重要負(fù)荷的供電可靠性，提升電網(wǎng)智能化程度等。歐洲在微電網(wǎng)研究與建設(shè)方面也取得一定成果。目前，歐盟已經(jīng)建立了多個(gè)微網(wǎng)示范工程，如丹麥的Bornholm微網(wǎng)、意大利的CESI微網(wǎng)等，其研究重點(diǎn)在于提高清潔能源使用效率、提升供電智能化程度、提高供電可靠性等。在亞洲地區(qū)，由于本國(guó)資源匱乏，日本較早開展微電網(wǎng)研究以作為解決本國(guó)能源問(wèn)題的重要渠道。自2003年起陸續(xù)在愛知縣、八戶市等地先后建成微網(wǎng)示范工程。日本的研究重點(diǎn)在于拓展能源來(lái)源，提高可再生能源利用效率，降低污染物的排放水平，滿足用戶個(gè)性化電力需求。

我國(guó)的微電網(wǎng)研究起步相對(duì)較晚，于2004年前后逐漸興起，2008年特大冰雪災(zāi)害引起大面積供電網(wǎng)絡(luò)癱瘓，暴露了我國(guó)在供電方面存在的缺陷，極大程度推動(dòng)了微電網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展。在國(guó)家“863”、“973”等一系列項(xiàng)目資金的支持下，國(guó)內(nèi)眾多科研機(jī)構(gòu)紛紛投入對(duì)可再生能源和微電網(wǎng)的研究中，并已取得了一定成果。天津大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等多家高校和科研單位建設(shè)成了高水平微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);浙江東福山島微電網(wǎng)、天津中新生態(tài)城微電網(wǎng)等一批實(shí)際工程已經(jīng)投入運(yùn)行。針對(duì)我國(guó)目前能源對(duì)外依存度持續(xù)走高、環(huán)境治理任務(wù)依然艱巨的現(xiàn)實(shí)國(guó)情，研究重點(diǎn)主要在于提高電網(wǎng)接納能力、降低能耗、提高供電穩(wěn)定性、逐步建成智能電網(wǎng)。

3? 微電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

依據(jù)微電網(wǎng)的供電模式，可將其分為如下三類：

3.1 交流微電網(wǎng)

交流微電網(wǎng)是研究起步最早的微電網(wǎng)形式，同時(shí)也是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的微電網(wǎng)形式。分布式電源、儲(chǔ)能設(shè)備以及負(fù)荷等接入交流母線中，交流母線在公共聯(lián)結(jié)點(diǎn)處與大電網(wǎng)相連。隨著負(fù)荷逐年增加及供電需求日益多樣，交流微電網(wǎng)在電能質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)損耗等方面逐漸暴露處較大弊端，面臨著巨大挑戰(zhàn)。

3.2 直流微電網(wǎng)

直流微電網(wǎng)有著形式簡(jiǎn)單、控制方便、損耗較小、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)。直流微電網(wǎng)中，分布式電源、儲(chǔ)能裝置與負(fù)荷等接入直流母線上，直流母線再接入交流大電網(wǎng)中。由于直流微電網(wǎng)目前尚處于起步階段且未有相應(yīng)制度與標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，因此大規(guī)模的推廣與應(yīng)用仍需要一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間周期。

3.3 交直流混合微電網(wǎng)

交直流混合微電網(wǎng)兼顧交流微電網(wǎng)與直流微電網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，可有效避免分布式電源、儲(chǔ)能裝置及負(fù)荷接入單一交流微電網(wǎng)或直流微電網(wǎng)時(shí)因多次換流而產(chǎn)生的一系列問(wèn)題，被認(rèn)為是未來(lái)智能微電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。交直流混合微電網(wǎng)對(duì)于不同形式的分布式電源均有較好的兼容性，交流母線與直流母線通過(guò)雙向換流器進(jìn)行連接并實(shí)現(xiàn)能量雙向交互。

4? 微電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)方法

4.1 規(guī)劃設(shè)計(jì)建模方法

微電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，本質(zhì)上是多場(chǎng)景非線性綜合規(guī)劃問(wèn)題，需要根據(jù)設(shè)計(jì)需求形成合適的數(shù)學(xué)描述。

4.1.1 優(yōu)化變量

變量通常為光伏電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、燃料電池等微電源、蓄電池等儲(chǔ)能設(shè)備以及換流器等微電網(wǎng)中主要設(shè)備的類型、容量與安裝位置等。

4.1.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的目標(biāo)，一般包括經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)、可靠性目標(biāo)和環(huán)保性目標(biāo)三類：

①經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)通常為綜合成本最小化、項(xiàng)目收益最大化等。微電網(wǎng)成本主要包括安裝建設(shè)成本、運(yùn)維成本、燃料成本、環(huán)保成本、購(gòu)電成本、損耗成本等;項(xiàng)目收益則主要包含售電收益、節(jié)能減排效益、可再生能源發(fā)電補(bǔ)貼等。從時(shí)間跨度來(lái)看，經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)的計(jì)算時(shí)期既可為全壽命周期內(nèi)，也可取為年平均值。

②環(huán)保性目標(biāo)通常為污染物排放量、化石燃料消耗量、棄風(fēng)光率等，主要反映微電網(wǎng)系統(tǒng)的環(huán)境效益。

③可靠性目標(biāo)需要能夠真實(shí)客觀反映微電網(wǎng)系統(tǒng)及內(nèi)部設(shè)備的運(yùn)行狀況及對(duì)用戶供電的影響等，主要指標(biāo)有自平衡率、供電不足率、平均停電時(shí)間、平均停電頻率等。

4.1.3 約束條件

微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中的約束條件，既需要考慮系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行策略時(shí)的約束條件，也需要考慮規(guī)劃問(wèn)題自身的約束條件。約束條件主要有：功率平衡約束、自平衡率約束、潮流約束、電壓波動(dòng)約束、設(shè)備安裝容量約束、設(shè)備出力約束、聯(lián)絡(luò)線功率約束、能源利用率約束、儲(chǔ)能設(shè)備充放電約束等。

4.2 優(yōu)化求解算法

求解電網(wǎng)規(guī)劃問(wèn)題，可采用的方法有傳統(tǒng)算法與智能算法兩種。

傳統(tǒng)算法包含枚舉法、混合整數(shù)規(guī)劃方法、分支界定法等。當(dāng)求解空間較小時(shí)，采用傳統(tǒng)方法簡(jiǎn)單高效，效率高。但當(dāng)規(guī)劃模型中的優(yōu)化變量數(shù)量增多、求解空間較大時(shí)，解的組合指數(shù)式增長(zhǎng)，采用傳統(tǒng)方法時(shí)計(jì)算速度會(huì)指數(shù)式下降，極為耗費(fèi)時(shí)間。

智能算法主要包括模擬退火算法、群智能算法和混合算法等。智能算法多為隨機(jī)算法，對(duì)于不同模型的適應(yīng)性好，并且思路簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)。目前在求解微電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃模型時(shí)，常用到的算法有遺傳算法、粒子群算法、量子粒子群算法、細(xì)菌覓食算法、人工魚群算法、天牛須算法等以及其改進(jìn)算法和融合算法。由于當(dāng)前微電網(wǎng)規(guī)劃問(wèn)題需充分考慮分布式電源的不確定性規(guī)劃模型且約束條件較多，采用傳統(tǒng)算法進(jìn)行求解時(shí)受到諸多限制并且求解效果較差，而智能算法則可有效解決傳統(tǒng)算法存在的不足，因而成為了微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)問(wèn)題中優(yōu)化求解算法的首選。

5? 研究展望

目前已有很多學(xué)者多角度對(duì)微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)問(wèn)題展開研究并取得豐碩成果，但仍有一些關(guān)鍵技術(shù)尚需要進(jìn)一步進(jìn)行深入系統(tǒng)探討。

①交直流混合微電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)。交直流混合微電網(wǎng)由于具備架構(gòu)靈活、多源供能等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為微電網(wǎng)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。然而當(dāng)前學(xué)者主要致力于交流微電網(wǎng)的規(guī)劃問(wèn)題，對(duì)于交直流混合微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)方法的研究仍處于起步階段，取得成果較少，有待進(jìn)一步深化。

②微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)研究。目前關(guān)于微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的研究，尚未形成系統(tǒng)完整的結(jié)構(gòu)體系，很多機(jī)構(gòu)在進(jìn)行研究時(shí)均采用微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)存在差異，并未達(dá)成統(tǒng)一認(rèn)知。加強(qiáng)相關(guān)研究，可促進(jìn)微電網(wǎng)技術(shù)和微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)方法的發(fā)展。

③儲(chǔ)能設(shè)備的規(guī)劃研究。儲(chǔ)能設(shè)備在微電網(wǎng)中起著吸納多余能量、平衡系統(tǒng)功率等重要作用，是微電網(wǎng)系統(tǒng)能夠正常高效運(yùn)行的關(guān)鍵裝置。目前對(duì)于微電網(wǎng)中儲(chǔ)能設(shè)備的規(guī)劃問(wèn)題研究考慮較為簡(jiǎn)單，采用假設(shè)條件較多，關(guān)于儲(chǔ)能設(shè)備的自身特性及其對(duì)于微電網(wǎng)的影響的探討并不充分，實(shí)踐性與適用性較差。因此，開展相關(guān)研究，對(duì)于提高微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)方法的合理性與現(xiàn)實(shí)性有著重要意義。

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