智能電網(wǎng)中微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度綜述

智能電網(wǎng)中微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度綜述智能電網(wǎng)是一種智能技術(shù)系統(tǒng)，它包括優(yōu)先使用清潔能源、動(dòng)態(tài)定價(jià)以及通過調(diào)整發(fā)電、用電設(shè)備功率優(yōu)化負(fù)載平衡等特點(diǎn)。終端用戶不僅能從電力公司直接購(gòu)買用電，同時(shí)還可以從儲(chǔ)能設(shè)備中獲取新能源和清潔能源，例如太陽能、風(fēng)能，燃料電池、電動(dòng)汽車等。另一方面智能電網(wǎng)具備高速、雙向的通信系統(tǒng)，供電端與用電端實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信、并且系統(tǒng)能夠保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定和優(yōu)化運(yùn)行。具有堅(jiān)強(qiáng)、自愈、兼容、優(yōu)化等特征。微電網(wǎng)是一種新型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式配電網(wǎng)的一種有效的方式。由一組微電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能系統(tǒng)和控制裝置構(gòu)成的系統(tǒng)單元，可實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷多種能源形式的高可靠供給。微電網(wǎng)中的電源多為容量較小的分布式電源，即含有電力電子接口的小型機(jī)組，包括微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、光伏電池、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以及超級(jí)電容、飛輪及蓄電池等儲(chǔ)能裝置，它們接在用戶側(cè)，具有成本低、電壓低及污染低等特點(diǎn)。開發(fā)和延伸微電網(wǎng)能夠促進(jìn)分布式電源與可再生能源的大規(guī)模接入，使傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能網(wǎng)絡(luò)的過渡［1］。1、 微電網(wǎng)的組成及結(jié)構(gòu)微電網(wǎng)是由多種分布式電源（既包含有非可再生能源發(fā)電的燃料電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)；又包含可再生能源發(fā)電的風(fēng)力和光伏發(fā)電單元等），再加上控制裝置、儲(chǔ)能裝置和用電負(fù)荷共同組成。微電網(wǎng)的組成結(jié)構(gòu)十分靈活，可以滿足某片區(qū)域的特殊供電需求。微電網(wǎng)不僅可以通過公共連接點(diǎn)（PCC）與大電網(wǎng)連接，采用并網(wǎng)運(yùn)行模式；還可以在大電網(wǎng)電能質(zhì)量下降或者電網(wǎng)故障而影響到微電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷正常用電時(shí)，在公共連接節(jié)點(diǎn)（PCC）處與大電網(wǎng)斷開，采用孤島運(yùn)行模式。典型的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。它是由熱電聯(lián)產(chǎn)源（CHP）如微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池，非CHP源如風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏電池組及儲(chǔ)能裝置等組成。微電源和儲(chǔ)能設(shè)備通過微電源控制器（MC）連接到饋線A和C。微電網(wǎng)通過公共連接點(diǎn)（PCC）連接到配網(wǎng)中進(jìn)行能量交換，雙方互為備用，提高了供電的可靠性［2］。圖1-1典型的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)微電網(wǎng)電源的組成及特性微型電源的類型多種多樣，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽能光伏電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池和蓄電池等。風(fēng)力機(jī)組發(fā)電在各種新能源利用過程中，風(fēng)力發(fā)電是最重要的一種形式。風(fēng)力發(fā)電是通過天然風(fēng)吹動(dòng)風(fēng)機(jī)葉片帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力機(jī)、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、電力電子接口、變壓器等主要部分組成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)（WT）發(fā)出的電能是經(jīng)風(fēng)能轉(zhuǎn)化而來。風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過利用葉輪旋轉(zhuǎn)將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后葉輪通過機(jī)械驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)的能量，并最終轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)電的輸出功率與風(fēng)速大小有直接關(guān)系，具有明顯的間歇性和隨機(jī)性。當(dāng)風(fēng)速小于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的切入風(fēng)速時(shí)，發(fā)電機(jī)組不工作，即不發(fā)電；當(dāng)風(fēng)速大于切入風(fēng)速后，發(fā)電機(jī)組開始并網(wǎng)發(fā)電，此時(shí)風(fēng)機(jī)機(jī)組的輸出功率隨著風(fēng)速的增大而增大；當(dāng)風(fēng)速增大到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的額定風(fēng)速時(shí)，其輸出功率基本穩(wěn)定在發(fā)電機(jī)組的額定輸出功率。當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增大至超出切出風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力機(jī)組將抱閘停機(jī)，以保護(hù)風(fēng)力機(jī)組不被大風(fēng)損壞。太陽能光伏發(fā)電光伏發(fā)電技術(shù)直接將光能轉(zhuǎn)化為電能，根據(jù)太陽電池半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)，產(chǎn)生直流電能。太陽能發(fā)電技術(shù)主要包括了太陽能光伏發(fā)電和太陽能熱發(fā)電，在微電網(wǎng)中，主要采用太陽能光伏發(fā)電。按照運(yùn)行方式的不同，光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)和并網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)。獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)是指僅依靠太陽能電池供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是將太陽能電池發(fā)出的直流電逆變成交流電，與電力網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，該方式下可避免了安裝儲(chǔ)能蓄電池，節(jié)省費(fèi)用。太陽能光伏發(fā)電（PV）的基本原理是利用太陽能電池（一種類似于晶體二極管的半導(dǎo)體器件）的光生伏打效應(yīng)，當(dāng)光照射到太陽能電池上時(shí)，在其PN結(jié)兩端就會(huì)產(chǎn)生電壓，從而將太陽的輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)榱穗娔?。太陽能光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換器就是太陽能電池，即光伏電池。光伏電池的運(yùn)行特性與光照強(qiáng)度和光伏電池的運(yùn)行溫度直接相關(guān)，而光照強(qiáng)度和運(yùn)行溫度的隨機(jī)性與波動(dòng)性較大，這使得光伏電池的發(fā)電輸出功率持續(xù)變化。光伏電池輸出功率與短路電流隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而成比例增大，開路電壓隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而緩慢增大，開路電壓和輸出功率與環(huán)境溫度成反比，短路電流隨著環(huán)境溫度的上升而緩慢增加。因此，光伏電池是一種間歇性極強(qiáng)的分布式電源，它不具備有功輸出的調(diào)節(jié)能力，因此也就無法滿足微電網(wǎng)電壓和頻率調(diào)節(jié)功能。微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電可再生能源技術(shù)和熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)是分布式能源技術(shù)的兩個(gè)重要分支。可再生能源利用技術(shù)力求“開源”，而熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)重在“節(jié)流”。熱電聯(lián)產(chǎn)與可再生能源在技術(shù)上彼此獨(dú)立，而在應(yīng)用當(dāng)中優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，集中體現(xiàn)了分布式能源的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。微型燃?xì)廨啓C(jī)正是熱電聯(lián)產(chǎn)在微電網(wǎng)中的一個(gè)重要應(yīng)用。微型燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組由微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)直接驅(qū)動(dòng)的內(nèi)置式高速逆變發(fā)電機(jī)和數(shù)字電力控制器（DPC）等部分組成，其中的核心設(shè)備一一微型燃?xì)廨啓C(jī)（MT）是一種新型的小型熱力發(fā)電機(jī)，由燃?xì)廨啓C(jī)、壓氣機(jī)、燃燒室、回?zé)崞?、發(fā)電機(jī)及電力控制部分構(gòu)成，功率范圍在數(shù)百千瓦以下，以天然氣、甲烷、汽油、柴油等為燃料，采用回?zé)崾窖h(huán)。其發(fā)電效率可達(dá)30%，如實(shí)行熱電聯(lián)產(chǎn)，效率可提高到75%。微型燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理是：從離心式壓縮機(jī)出來的高壓空氣現(xiàn)在回?zé)崞鲀?nèi)由渦輪排氣預(yù)熱，然后進(jìn)入燃燒室與燃料混合、燃燒，高溫燃?xì)馑腿胂蛐氖綔u輪做功，帶動(dòng)高速發(fā)電機(jī)發(fā)電。發(fā)電機(jī)首先發(fā)出高頻交流電，然后轉(zhuǎn)換成高壓直流電，再轉(zhuǎn)化為工頻交流電。而通過透平排出的高溫尾氣可用來預(yù)熱燃燒室中的壓縮空氣，從而減少燃燒過程中的燃料消耗，提高系統(tǒng)能源的綜合利用效率?；?zé)崞髋懦龅奈矚饪梢酝ㄟ^漠化鋰制冷機(jī)或熱交換器來滿足冷、熱負(fù)荷的需求。燃料電池發(fā)電燃料電池發(fā)電裝置是一種綜合的能量轉(zhuǎn)換裝置，反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱能可回收外供，產(chǎn)生的直流電可由換流器轉(zhuǎn)換成交流電。燃料電池發(fā)電系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：1）燃料供給轉(zhuǎn)換裝置，包括給煤器和煤氣發(fā)生器；2）空氣供給裝置，包括過濾器和空氣壓縮機(jī)；3）電池本體，包括電極、電解質(zhì)和外電路；4）熱量回收裝置，即余熱鍋爐。作為燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的最重要裝置一一燃料電池（FC）是一種將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電設(shè)備。其發(fā)電原理是將天然氣、甲醛等含氫燃料與空氣等氧化劑反應(yīng)，通過電化學(xué)反應(yīng)過程中氫氧離子的定向移動(dòng)，在外部電路產(chǎn)生電位差，形成低壓直流電。蓄電池發(fā)電儲(chǔ)能裝置在微電網(wǎng)中主要起到了以下兩種作用：1）能量緩沖。風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電具有間歇性和不穩(wěn)定性的特點(diǎn)，而可控微源如微型燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池對(duì)負(fù)荷波動(dòng)反應(yīng)較慢。因此微電網(wǎng)中必須裝設(shè)相當(dāng)容量的儲(chǔ)能裝置來保證微電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。2）削峰填谷。當(dāng)微電網(wǎng)系統(tǒng)的自然能源充足時(shí)，發(fā)出的多余電能可以通過儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)存起來，減少能源的浪費(fèi)；當(dāng)系統(tǒng)的自然能源匱乏時(shí)，儲(chǔ)能裝置又能為系統(tǒng)提供一定的電能，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此，基于系統(tǒng)可靠性與經(jīng)濟(jì)性的考慮，微電網(wǎng)都應(yīng)配備一定數(shù)量的儲(chǔ)能裝置。當(dāng)前的儲(chǔ)能技術(shù)主要有以下三類：1）化學(xué)儲(chǔ)能，包括鉛酸電池、液流電池、鈉硫電池等蓄電池；2）物理儲(chǔ)能，包括抽水蓄能、飛輪儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能等；3）電磁儲(chǔ)能，包括超級(jí)電容器儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能等。而其中蓄電池以價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)在微電網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用。蓄電池的性能參數(shù)主要包括：電池容量、荷電狀態(tài)、放電深度、充電深度、循環(huán)壽命等幾個(gè)方面。3、微電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度是一種非線性、多模型、多目標(biāo)的復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化問題。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的能量供需平衡是優(yōu)化調(diào)度首先要解決的問題。微電網(wǎng)作為一種新型的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)也是如此。微電網(wǎng)能量平衡的基本任務(wù)是指在一定的控制策略下，使微電網(wǎng)中的各分布式電源及儲(chǔ)能裝置的輸出功率滿足微電網(wǎng)的負(fù)荷需求，保證微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行。與傳統(tǒng)的電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度相比，微電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度模型更加復(fù)雜。首先，微電網(wǎng)能夠?yàn)榈貐^(qū)提高熱（冷）/電負(fù)荷，因此，在考慮電功率平衡的同時(shí)，也要保證熱（冷）負(fù)荷供需平衡。其次，微電網(wǎng)中分布式電源發(fā)電形式各異，其運(yùn)行特性各不相同。而風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源也易受天氣因素影響。同時(shí)這類電源容量較小，單一的負(fù)荷變化都可能對(duì)微電網(wǎng)的功率平衡產(chǎn)生顯著影響。最后，微電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度不僅僅需要考慮發(fā)電的經(jīng)濟(jì)成本，還需要考慮分布式電源組合的整體環(huán)境效益。這就無形中增加了微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的難度，由原來傳統(tǒng)的單目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)變成了一個(gè)多目標(biāo)的優(yōu)化問題。因此，微電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度必須從微電網(wǎng)整體出發(fā)，考慮微電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性，綜合熱（冷）/電負(fù)荷需求、分布式電源發(fā)電特性、電能質(zhì)量要求、需求側(cè)管理等信息，確定各個(gè)微電源的處理分配、微電網(wǎng)與大電網(wǎng)間的交互功率以及負(fù)荷控制命令，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)中的各分布式電源、儲(chǔ)能單元與負(fù)荷間的最佳配置。目前，對(duì)含多種分布式電源的微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已做了一些相關(guān)的研究。針對(duì)多目標(biāo)的微電網(wǎng)調(diào)度問題，文獻(xiàn)［3］建立了計(jì)及運(yùn)行成本最低與環(huán)境效益最佳的兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化模型，采用線性相加的方式將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換成單目標(biāo)優(yōu)化問題。文獻(xiàn)［4］針對(duì)不同分布式電源的特性以及成本，對(duì)傳統(tǒng)意義下的微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型進(jìn)行了修正，將環(huán)境成本、發(fā)電成本和旋轉(zhuǎn)備用成本作為多目標(biāo)，建立了環(huán)保經(jīng)濟(jì)的微網(wǎng)多目標(biāo)模型。在研究微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度算法上，文獻(xiàn)[5]針對(duì)分布式發(fā)電的特點(diǎn)，提出分布式發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行成本最低的機(jī)組組合模型，并針對(duì)各類分布式電源的特點(diǎn)，制定相應(yīng)的調(diào)度策略，采用用改進(jìn)的遺傳算法進(jìn)行求解。采用細(xì)菌覓食算法，該算法將多種微網(wǎng)分布式電源組成的空間矢量作為一個(gè)細(xì)菌，優(yōu)化問題的解對(duì)應(yīng)搜索空間中細(xì)菌的健康狀態(tài)，通過對(duì)細(xì)菌的趨向性操作、復(fù)制操作和遷徙操作來迭代計(jì)算來求解問題。當(dāng)前，我國(guó)在微電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行研究中，尤其是優(yōu)化調(diào)度方面，我們的研究還存在不足，主要包括多目標(biāo)優(yōu)化問題的處理、智能優(yōu)化算法的選擇以及與市場(chǎng)運(yùn)行方案相關(guān)的微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行策略對(duì)調(diào)度模型的影響，微電網(wǎng)的調(diào)度模型與運(yùn)行策略、市場(chǎng)方案往往相互分開，沒能做到優(yōu)化調(diào)度與運(yùn)行策略、市場(chǎng)方案一體化。參考文獻(xiàn)王成山，李鵬.分布式發(fā)電、微網(wǎng)與智能配電網(wǎng)的發(fā)展與挑戰(zhàn)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化.黃文濤，伊能靈，鐘勇等.微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特性與分析[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制.雷金勇，謝俊，甘德強(qiáng)等.分布式發(fā)電供能系統(tǒng)能量?jī)?yōu)化及節(jié)能減排效益分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化.丁明，包敏，吳紅斌，馬婉玲，茆美琴.復(fù)合能源分布式發(fā)電系統(tǒng)的機(jī)組組合問題[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化.劉小平，丁明，張穎媛等.微網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào).張貞.基于多種分布式電源的微電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行研究[M].長(zhǎng)沙理工大學(xué).劉同旭.智能電網(wǎng)環(huán)境下的分布式發(fā)電系統(tǒng)研究[M].上海交通大學(xué).陳靖，李雨薇，習(xí)朋，李濤.微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化[J].華東電力.曹相琴，鞠平，蔡昌春.微電網(wǎng)仿真分析與等效化簡(jiǎn)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備.郭力，王成山.含多種分布式電源的微網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化.基于多目標(biāo)的微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度方法及仿真微電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度不僅需要滿足微電網(wǎng)內(nèi)部用戶的各類負(fù)荷要求，考慮包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)等發(fā)電特性各異的分布式電源出力配合，還需要考慮微電網(wǎng)與配電網(wǎng)之間的電能交易。因此，微電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度策略不僅與微電網(wǎng)內(nèi)部的能量結(jié)構(gòu)相關(guān)，也與外部的電力市場(chǎng)方案緊密相連。該方法建立了含風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、蓄電池等分布式電源的微電網(wǎng)模型，考慮了包括運(yùn)行維護(hù)成本、環(huán)境保護(hù)折算成本以及綜合效益成本在內(nèi)的多目標(biāo)函數(shù)，對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)中的功率平衡、發(fā)電單元容量限制、可控微源爬坡率、儲(chǔ)能充放電限制等各類約束進(jìn)行了規(guī)定。同時(shí)，模型考慮了微電網(wǎng)系統(tǒng)與配電網(wǎng)之間交互功率，通過調(diào)節(jié)各微電源和配電網(wǎng)的出力，使微電網(wǎng)的目標(biāo)成本最小。圖1微電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化層次結(jié)構(gòu)基于可再生能源優(yōu)先利用、微型燃?xì)廨啓C(jī)采用以冷/熱定電的模式、蓄電池