多能互補(bǔ)微網(wǎng)能量管理微網(wǎng)能量優(yōu)化管理概述

隨著全球能源、環(huán)境問題的凸顯，風(fēng)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(yùn)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(jì)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(yùn)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(fù)荷等，具有分散性強(qiáng)、電源運(yùn)行和用電需求方式靈活多樣、供電與用電互動性強(qiáng)等特點(diǎn)，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(yùn)行時實(shí)現(xiàn)多能源供應(yīng)、多能源互補(bǔ)和最大限度額提高能源的利用率，以此降低系統(tǒng)運(yùn)行的成本；

2)復(fù)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(jī)性、間歇性和波動性等特點(diǎn)，其調(diào)度計劃難以預(yù)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(yùn)行時，需要靈活的EMS和系統(tǒng)調(diào)度策略使之互補(bǔ)發(fā)電，從而保證能源的綜合有效利用。

多能互補(bǔ)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(yùn)行調(diào)度提供多種實(shí)時信息，保證微網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，并提高微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(fù)荷，根據(jù)電網(wǎng)的運(yùn)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(fù)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(fù)荷等設(shè)備，對微網(wǎng)進(jìn)行調(diào)度決策管理與控制，保證微網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(bǔ)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(diǎn)，但是大量分布式能源直接并網(wǎng)運(yùn)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(yùn)行，微網(wǎng)提供了一種切實(shí)有效的技術(shù)途徑，而為了實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)中各分布式電源、儲能單元及負(fù)荷之間的最佳匹配，需重點(diǎn)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(dāng)?shù)仉?熱負(fù)荷需求、電/氣價格、電網(wǎng)運(yùn)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(jìn)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(fù)荷運(yùn)行指令等。微網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)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(yùn)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(yùn)行的前提下，實(shí)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(yùn)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(bǔ)微網(wǎng)能量管理多能互補(bǔ)微網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多能互補(bǔ)微網(wǎng)含多種分布式電源和儲能，含有風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、水輪發(fā)電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)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(fù)荷、可中斷負(fù)荷、可調(diào)節(jié)負(fù)荷等三種負(fù)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(fù)荷及可調(diào)節(jié)負(fù)荷供電，在主網(wǎng)故障時會快速隔離重要負(fù)荷與故障，保證其所連敏感負(fù)荷及可調(diào)節(jié)負(fù)荷供電的不間斷。

多能互補(bǔ)微網(wǎng)能量管理多能互補(bǔ)微網(wǎng)的能量流

多能互補(bǔ)微網(wǎng)能源的多樣化、供電能力的不同以及負(fù)荷結(jié)構(gòu)的多樣化導(dǎo)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(bǔ)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(fù)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(fù)責(zé)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(fù)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(fù)荷需求制定的經(jīng)濟(jì)發(fā)電計劃，微網(wǎng)智能能量管理中心運(yùn)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(yùn)行狀態(tài)，來實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)系統(tǒng)的能量平衡和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行;微網(wǎng)智能能量管理中心與分布式電源、負(fù)荷等的本地控制器之間的信息交換由本地能量控制器負(fù)責(zé) 。

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

在滿足系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)行成木、排放成木、網(wǎng)損成木以及停電成本為目標(biāo)，為分布式電源、儲能以及負(fù)荷等提供合理的參考運(yùn)行點(diǎn)。多能互補(bǔ)微網(wǎng)能量管理技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及環(huán)境因素之間的關(guān)系如圖3所示。

多能互補(bǔ)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(bǔ)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(yù)測、負(fù)荷預(yù)測、市場清算價格預(yù)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(jìn)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(fù)荷需求以及分布式電源的出力等進(jìn)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(jìn)行電網(wǎng)在線動態(tài)分析還不夠成熟，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)際意義上的應(yīng)用功能。而對電網(wǎng)的動態(tài)變化過程進(jìn)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(bǔ)微網(wǎng)能量管理不同運(yùn)行模式下的管理策略

多能互補(bǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)既可以作為獨(dú)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(fù)荷。因此多能互補(bǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行控制特性也包含了兩個方而：孤島運(yùn)行時主要體現(xiàn)了多能互補(bǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)自身的運(yùn)行特性；并網(wǎng)運(yùn)行時主要體現(xiàn)了多能互補(bǔ)微網(wǎng)與主網(wǎng)的相互作用。圖5定義了多能互補(bǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)的各種運(yùn)行狀態(tài)，包括多能互補(bǔ)微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、微網(wǎng)孤島運(yùn)行狀態(tài)及微網(wǎng)停運(yùn)狀態(tài)。

多能互補(bǔ)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(bǔ)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(yùn)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(fù)荷以及間歇性電源出力的短期以及超短期預(yù)測作為能量管理的依據(jù)是個難點(diǎn)。為了適應(yīng)系統(tǒng)要求,適用于多能互補(bǔ)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(bǔ)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(fù)荷控制器等。其中,配電網(wǎng)控制器負(fù)責(zé)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(jìn)行信息交互；微網(wǎng)中央控制器負(fù)責(zé)微網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)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(shí)現(xiàn)整體運(yùn)行性能的最優(yōu)。實(shí)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。

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(dá)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(shí)際運(yùn)行時的突發(fā)干擾和系統(tǒng)并網(wǎng)負(fù)荷及可再生能源的用電、出力波動，實(shí)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(xiàn)對多饋入直流系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行了討論，并對基本協(xié)調(diào)控制的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)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(rèn)為主從控制策略的核心是主換流器對系統(tǒng)功率的補(bǔ)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(shí)現(xiàn)可以從程序控制和控制器仿真建模2個層而進(jìn)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(dú)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(bǔ)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(jìn)的控制技術(shù),智能微網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)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(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

從多能互補(bǔ)微網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、多能互補(bǔ)微網(wǎng)的能量流、多能互補(bǔ)微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)以及多能互補(bǔ)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(bǔ)微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的構(gòu)成。具體闡述了多能互補(bǔ)微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的任務(wù),主要從多能互補(bǔ)微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的目標(biāo)、工作流程以及軟件體系結(jié)構(gòu)等三方面進(jìn)行。最后分不同運(yùn)行模式、不同時間尺度、不同控制模式三方面重點(diǎn)闡述了多能互補(bǔ)微網(wǎng)能量管理策略。介紹了獨(dú)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(yùn)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(jì)性。

多能互補(bǔ)微網(wǎng)能量管理展望

需要進(jìn)一步細(xì)化多能互補(bǔ)微網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度模型,考慮更多的運(yùn)行約束條件,細(xì)化微網(wǎng)內(nèi)各單元的模型,建立綜合考慮多能互補(bǔ)微網(wǎng)從并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)到獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)之間平穩(wěn)過渡的調(diào)度模型,同時,獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)下多能互補(bǔ)微網(wǎng)平抑負(fù)荷擾動能力較差,超短期的負(fù)荷預(yù)測與不可控能源預(yù)測是一個非常值得研究的領(lǐng)域,只有精確的預(yù)測才能為能量管理提供可靠依據(jù),保證系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)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(shí)際的微網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺,真正實(shí)現(xiàn)實(shí)際微網(wǎng)系統(tǒng)的能量管理,以便進(jìn)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。