多能互補微網(wǎng)能量管理

多能互補微網(wǎng)能量管理微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的目標

在滿足系統(tǒng)運行約束以及供能平衡的前提下，微網(wǎng)MGEMS通常以最小系統(tǒng)運行成木、排放成木、網(wǎng)損成木以及停電成本為目標，為分布式電源、儲能以及負荷等提供合理的參考運行點。多能互補微網(wǎng)能量管理技術(shù)、經(jīng)濟及環(huán)境因素之間的關(guān)系如圖3所示。

多能互補微網(wǎng)能量管理微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的工作流程

多能互補微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的構(gòu)成及工作流程如圖4所示。首先根據(jù)分布式電源發(fā)電出力預測、負荷預測、市場清算價格預算等制定生產(chǎn)計劃，然后結(jié)合分布式電源有效出力、儲能水平等進行生產(chǎn)計劃調(diào)整，根據(jù)調(diào)整好的生產(chǎn)計劃對主配網(wǎng)的交換功率、負荷需求以及分布式電源的出力等進行調(diào)整控制。

電力系統(tǒng)中廣域電網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)有著重要作用，目前主要應(yīng)用于系統(tǒng)正常監(jiān)視和事故分析中。其中應(yīng)用電力系統(tǒng)同步相量測量(PMU)進行電網(wǎng)在線動態(tài)分析還不夠成熟，不能實現(xiàn)實際意義上的應(yīng)用功能。而對電網(wǎng)的動態(tài)變化過程進行狀態(tài)估計是在線動態(tài)分析的前提和基礎(chǔ)。

多能互補微網(wǎng)能量管理不同運行模式下的管理策略

多能互補微網(wǎng)系統(tǒng)既可以作為獨立的小型電力系統(tǒng)，又可以作為主網(wǎng)系統(tǒng)的虛擬的電源或者負荷。因此多能互補微網(wǎng)系統(tǒng)的運行控制特性也包含了兩個方而：孤島運行時主要體現(xiàn)了多能互補微網(wǎng)系統(tǒng)自身的運行特性；并網(wǎng)運行時主要體現(xiàn)了多能互補微網(wǎng)與主網(wǎng)的相互作用。圖5定義了多能互補微網(wǎng)系統(tǒng)的各種運行狀態(tài)，包括多能互補微網(wǎng)并網(wǎng)運行狀態(tài)、微網(wǎng)孤島運行狀態(tài)及微網(wǎng)停運狀態(tài)。

多能互補微網(wǎng)能量管理不同時間尺度下的管理策略

不同于傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)，多能互補系統(tǒng)的慣性較小，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較為薄弱，間歇分布式能源比例，孤島運行時需要維持電壓和頻率，還要考慮與主網(wǎng)連接的模式切換問題，因此對EMS的功能性要求高，因此對于能量管理(EMS)的功能性要求更高,對負荷以及間歇性電源出力的短期以及超短期預測作為能量管理的依據(jù)是個難點。為了適應(yīng)系統(tǒng)要求,適用于多能互補系統(tǒng)的能量管理一般分成短期功率平衡和長期功率管理計劃 。

多能互補微網(wǎng)能量管理不同控制模式下的管理策略

如上所述,主要用于研究微網(wǎng)中各分布式能源之間的協(xié)調(diào)與配合的微網(wǎng)整體控制結(jié)構(gòu)通常包括兩種:分層控制結(jié)構(gòu)和對等控制結(jié)構(gòu)。微網(wǎng)的分層控制的結(jié)構(gòu)包括配電網(wǎng)控制器、市場控制器、微網(wǎng)中央控制器、分布式電源單元控制器以及負荷控制器等。其中,配電網(wǎng)控制器負責微網(wǎng)和配網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)以及和微網(wǎng)中央控制器之間進行信息交互；微網(wǎng)中央控制器負責微網(wǎng)的優(yōu)化運行和控制管理,接受配電網(wǎng)控制器的控制信息。在微網(wǎng)的對等控制的結(jié)構(gòu)下微網(wǎng)內(nèi)各個設(shè)備具有高度的智能,它們之間可以相互通信,協(xié)調(diào)實現(xiàn)整體運行性能的最優(yōu)。實現(xiàn)這種模式最好的技術(shù)是多代理系統(tǒng)(MAS),MAS中各智能體具有高度智能,可以根據(jù)和其他智能體之間的信息、交互做出控制決策。因此從系統(tǒng)整體能量管理角度分析,一般也可分為分層控制和對等控制兩種方式。

隨著全球能源、環(huán)境問題的凸顯，風能、太陽能等可再生能源發(fā)電得到蓬勃發(fā)展，為了適應(yīng)可再生能源分布式發(fā)電的規(guī)?；瘧?yīng)用，微網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運而生。微網(wǎng)技術(shù)給電力系統(tǒng)及用戶帶來的技術(shù)經(jīng)濟效益使得它己成為智能電網(wǎng)建設(shè)中的重要組成部分。為了充分發(fā)揮微網(wǎng)的優(yōu)勢，提高其運行管理水平，迫切需要研發(fā)微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)(MGEMS)。

微網(wǎng)中含有諸多種類的分布式電源、儲能設(shè)備、電力電子換流設(shè)備和各類負荷等，具有分散性強、電源運行和用電需求方式靈活多樣、供電與用電互動性強等特點，因此傳統(tǒng)電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)便不再適用于微網(wǎng)的能量管理，故需要開發(fā)針對微網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)。概括說來，微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)(MGEMS )主要面臨著如下新的挑戰(zhàn) ：

1)多元的網(wǎng)絡(luò)化管理。網(wǎng)絡(luò)化管理在微網(wǎng)多能源利用過程中具有重要作用，它能使得微網(wǎng)系統(tǒng)運行時實現(xiàn)多能源供應(yīng)、多能源互補和最大限度額提高能源的利用率，以此降低系統(tǒng)運行的成本；

2)復雜的調(diào)度策略以及調(diào)度計劃?？稍偕茉词軗Q到環(huán)境和地理位置的影響，具有隨機性、間歇性和波動性等特點，其調(diào)度計劃難以預先安排，在加以開發(fā)利用時需要因地制宜，并采取合適的調(diào)度策略以及調(diào)度計劃；

3)多樣的新能源與分布式發(fā)電技術(shù)。新能源與發(fā)電技術(shù)多種多樣，形式不一，各種發(fā)電方式在一個系統(tǒng)中運行時，需要靈活的EMS和系統(tǒng)調(diào)度策略使之互補發(fā)電，從而保證能源的綜合有效利用。

多能互補微網(wǎng)能量管理微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)功能框架

微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)為微網(wǎng)運行調(diào)度提供多種實時信息，保證微網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，并提高微網(wǎng)的經(jīng)濟運行水平。對于大電網(wǎng)來說，微網(wǎng)可以看作可控的電源或者負荷，根據(jù)電網(wǎng)的運行狀況和微網(wǎng)的需求，調(diào)節(jié)微網(wǎng)與大電網(wǎng)之間的能量交換。而微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)則根據(jù)負荷需求、天氣情況、電價以及氣價等信息，協(xié)調(diào)微網(wǎng)中的分布式電源、儲能和主動負荷等設(shè)備，對微網(wǎng)進行調(diào)度決策管理與控制，保證微網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，提高微網(wǎng)電能質(zhì)量和供電可靠性。微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的主要功能框架如圖1所示。

多能互補微網(wǎng)能量管理微網(wǎng)能量優(yōu)化管理技術(shù)

隨著智能電網(wǎng)的起步與發(fā)展，分布式可再生能源電源己成為研究熱點，但是大量分布式能源直接并網(wǎng)運行將對電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量、電網(wǎng)安全以及穩(wěn)定性帶來影響，如何使得分布式電源與電力系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)運行，微網(wǎng)提供了一種切實有效的技術(shù)途徑，而為了實現(xiàn)微網(wǎng)中各分布式電源、儲能單元及負荷之間的最佳匹配，需重點研究微網(wǎng)能量優(yōu)化管理技術(shù) 。

微網(wǎng)能量優(yōu)化管理技術(shù)是從微網(wǎng)整體出發(fā)，統(tǒng)一協(xié)調(diào)當?shù)仉?熱負荷需求、電/氣價格、電網(wǎng)運行的相關(guān)要求、電能質(zhì)量要求、需求側(cè)管理等一系列信息進行多維綜合優(yōu)化決策，以確定微網(wǎng)與大電網(wǎng)之間的交換功率、每個微電源出力計劃及主動負荷運行指令等。微網(wǎng)優(yōu)化運行調(diào)度是微網(wǎng)領(lǐng)域的重要研究課題，在微網(wǎng)能量優(yōu)化管理技術(shù)之中處于核心地位。

微網(wǎng)優(yōu)化運行調(diào)度技術(shù)通過合理地調(diào)度微網(wǎng)中分布式電源和儲能設(shè)備等單元的出力，以及與大電網(wǎng)之間的交換功率，可以在保證微網(wǎng)在安全、穩(wěn)定、可靠運行的前提下，實現(xiàn)其內(nèi)部能量流及其與大電網(wǎng)之間能量交換的優(yōu)化，使微網(wǎng)綜合效益最大化。因此，開展微網(wǎng)優(yōu)化運行調(diào)度方法方面的研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

多能互補微網(wǎng)能量管理多能互補微網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多能互補微網(wǎng)含多種分布式電源和儲能，含有風力發(fā)電、光伏發(fā)電、水輪發(fā)電機、柴油發(fā)電機、微型燃氣輪機以及燃料電池、蓄電池等多種電源形式，還有一些接在熱力用戶附近，為其提供熱源。針對敏感負荷、可中斷負荷、可調(diào)節(jié)負荷等三種負荷對供電質(zhì)量要求的不同，還提出了個性化供電方案。采用多電源為敏感負荷及可調(diào)節(jié)負荷供電，在主網(wǎng)故障時會快速隔離重要負荷與故障，保證其所連敏感負荷及可調(diào)節(jié)負荷供電的不間斷。

多能互補微網(wǎng)能量管理多能互補微網(wǎng)的能量流

多能互補微網(wǎng)能源的多樣化、供電能力的不同以及負荷結(jié)構(gòu)的多樣化導致其內(nèi)部各層次元素的不同和層次聯(lián)結(jié)關(guān)系的差異。智能微網(wǎng)系統(tǒng)供能關(guān)系如圖2所示。

多能互補微網(wǎng)能量管理微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)

微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)通常由三部分構(gòu)成:主網(wǎng)分布式能量管理系統(tǒng)、微網(wǎng)自身的智能能量管理中心以及分布式電源、負荷等的本地控制器。電力系統(tǒng)調(diào)度中心與微網(wǎng)系統(tǒng)間的信息交換由主網(wǎng)的分布式能量管理系統(tǒng)來負責管理;綜合了主網(wǎng)分布式能量管理系統(tǒng)與分布式電源、負荷等的本地控制器提供的信息，基于分布式電源發(fā)電的報價、儲能單元的剩余容量、電網(wǎng)電價以及根據(jù)負荷需求制定的經(jīng)濟發(fā)電計劃，微網(wǎng)智能能量管理中心運用合理的能量管理策略管理各分布式發(fā)電單元以及儲能單元的運行狀態(tài)，來實現(xiàn)微網(wǎng)系統(tǒng)的能量平衡和經(jīng)濟運行;微網(wǎng)智能能量管理中心與分布式電源、負荷等的本地控制器之間的信息交換由本地能量控制器負責 。

微網(wǎng)能量優(yōu)化與控制技術(shù)是一個系統(tǒng)層而的控制問題，其能量優(yōu)化計算結(jié)果作為上層調(diào)度指令下達至下層的換流控制器。因此，如何在系統(tǒng)能量優(yōu)化控制的框架下，根據(jù)上層優(yōu)化指令，克服實際運行時的突發(fā)干擾和系統(tǒng)并網(wǎng)負荷及可再生能源的用電、出力波動，實現(xiàn)下層換流器之間的協(xié)調(diào)穩(wěn)定快速響應(yīng)，是微電網(wǎng)能量優(yōu)化控制研究中的又一重要內(nèi)容。

有文獻對多饋入直流系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制層次結(jié)構(gòu)進行了討論，并對基本協(xié)調(diào)控制的實現(xiàn)方式進行了介紹。也有研究在艦船中壓直流配電系統(tǒng)中考慮系統(tǒng)出現(xiàn)故障后潮流變化對其余工作設(shè)備的沖擊和危害，提出電壓敏感特性算法，以優(yōu)化換流器電壓和功率指令值。在母線電壓穩(wěn)定控制方而，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模及系統(tǒng)通信條件的不同，目前換流接口間的基本協(xié)調(diào)控制模式主要包括電壓下垂控制和主從控制2種。有研究認為主從控制策略的核心是主換流器對系統(tǒng)功率的補償以維持母線電壓的穩(wěn)定。因此，這種策略過分依賴主換流器的性能和容量，將對換流器的選址定容設(shè)計提出諸多限制和要求 。

國內(nèi)外研究結(jié)果表明，協(xié)調(diào)控制中電壓下垂特性的實現(xiàn)可以從程序控制和控制器仿真建模2個層而進行考慮。前者在潮流計算過程中引入下垂參考值，而后者則在控制器中引入獨立的指令修正環(huán)節(jié)或是帶有下垂等效電阻的反饋環(huán)節(jié)以協(xié)調(diào)控制多個換流器，從而滿足系統(tǒng)能量需求。

多能互補微網(wǎng)能量管理結(jié)語

智能微網(wǎng)具有較高的能源利用率及系統(tǒng)穩(wěn)定性。除了先進的控制技術(shù),智能微網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟穩(wěn)定運行也依賴于系統(tǒng)級合理的能量管理與集成控制,微網(wǎng)自身及含微網(wǎng)的配電系統(tǒng)的能量優(yōu)化管理,可以有效提高能源利用效率以及系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。

從多能互補微網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、多能互補微網(wǎng)的能量流、多能互補微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)以及多能互補微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)等四方面分析了多能互補微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的構(gòu)成。具體闡述了多能互補微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的任務(wù),主要從多能互補微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的目標、工作流程以及軟件體系結(jié)構(gòu)等三方面進行。最后分不同運行模式、不同時間尺度、不同控制模式三方面重點闡述了多能互補微網(wǎng)能量管理策略。介紹了獨立模式下的能量管理策略、并網(wǎng)模式下的能量管理策略；長期功率管理計劃、短期功率平衡策略;基于分層控制方式的能量管理、基于對等控制方式的能量管理等。根據(jù)不同的運行模式、時間尺度以及控制模式選擇合理有效的能量管理策略,才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與經(jīng)濟性。

多能互補微網(wǎng)能量管理展望

需要進一步細化多能互補微網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度模型,考慮更多的運行約束條件,細化微網(wǎng)內(nèi)各單元的模型,建立綜合考慮多能互補微網(wǎng)從并網(wǎng)運行狀態(tài)到獨立運行狀態(tài)之間平穩(wěn)過渡的調(diào)度模型,同時,獨立運行狀態(tài)下多能互補微網(wǎng)平抑負荷擾動能力較差,超短期的負荷預測與不可控能源預測是一個非常值得研究的領(lǐng)域,只有精確的預測才能為能量管理提供可靠依據(jù),保證系統(tǒng)經(jīng)濟性和安全性。

為了更深入的研究微網(wǎng)的能量管理策略,還需要建立實際的微網(wǎng)系統(tǒng)的實驗平臺,真正實現(xiàn)實際微網(wǎng)系統(tǒng)的能量管理,以便進一步研究微網(wǎng)系統(tǒng)的能量管理,以及其對電網(wǎng)電能質(zhì)量和穩(wěn)定性的影響。