1、中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013 微电网能量管理方法的研究现状及展望微电网能量管理方法的研究现状及展望 卢桥卢桥1,2，杭乃善，杭乃善1,2，苏毅，苏毅1,2，康海云，康海云1,2，丁才文，丁才文1,21广西大学电气工程学院 2广西电力系统最优化与节能技术重点实验室 广西南宁市，530004 摘摘 要：要：微电网良好的能量管理是有效利用新能源，优化资源分配，保证微网安全、可靠、优质运行的关键。本文简要阐述微电网能量管理的特殊性和必要性；从时间长短、运行方式、优化目标、控制方案等不同的角度概述了当前微电网能量管理的基本方法，针对长期和短期规划、
2、联网和孤网运行、不同的调度目的、集中和分散管理等情况做了对比分析，简述其研究现状；探讨了微电网能量管理的研究趋势并做了总结展望。关键词：关键词：新能源；微电网；能量管理；优化；运行制 控 Research Status and Prospect of Microgrid Energy Management Method LU Qiao1,2，HANG Naishan1,2，SU Yi1,2，KANG Haiyun1,2，DING Caiwen1,21 College of Electrical Engineering,Guangxi University 2 Guangxi Key Labor
3、atory of Power System Optimization and Energy Technology Nanning 530004,Guangxi Zhuang Autonomous Region,China Abstract:Good energy management of microgrid is the key of using effectively new energy sources,optimizing distribution of resource and ensuring that microgrid runs safely,reliably and high
4、 quality.This paper briefly describes the particularity and necessity of microgrid energy management;sketches the current basic method of microgrid energy management from different perspective of the length of time,operation,optimization objectives,control programs,does a comparative analysis aimed
5、at some situations such as long and short term planning,connected and isolated network operation,different scheduling purposes,centralized and decentralized management,etc.outlines its research status;explores the microgrid energy management research trends and does a summary outlook.Keywords:New en
6、ergy sources;Microgrid;Energy management;Optimization;Operation Control 1 引言引言 新能源发电的出现为缓解日益增长的经济需求导致的能源危机和环保问题提供了一个良好的出路，其分布式地接入电网是解决电力系统供需空间不均衡矛盾、减少集中供电容量，降低损耗，改善电网峰谷性能的重要途径，但其发电的随机性、控制困难等不足导致对电网的影响也是不容忽视的。微电网就是为解决风力发电、光伏发电和燃料电池等新能源的接入问题，结合微型燃气轮机和储能装置，利用现代电力技术进行能量变换，具有自我保护、协调控制等功能，可向负荷提供电能和热能的相对独立
7、的发配电系统1-3。微电网的能量管理可结合分布式电源发电特点，内部负荷需要，大电网联络要求，环保效益、协调新能源的出力和储能设备的充放管理，协调控制，优化管理，是保证微电网可靠、高效、优质供电的关键和实现微电网的经济效益和环境效益相统一的基础4-6。本文从简述微电网能量管理系统的特殊性和必要性出发，按能量管理的时间长短、运行方式、优化目标、控制方案的不同角度概述了微电网能量管理方法的研究现状，探讨了微电网能量管理的研究趋势并做了总结展望。2 微电网能量管理简介微电网能量管理简介 2.1 微电网能量管理的特殊性微电网能量管理的特殊性 微电网的能量管理的特殊性源于微电网结构与传统电网的不同：1）微
8、电网中分布式电源较多，风力发电、太阳能发电受环境和气候因素影响较大，具有较强的随机性和波动性，相对于传统电网常规能源的发输变电，控制方法差别很大；资助信息：广西研究生教育创新计划项目（YCSZ2012026）；Innovation Project of Guangxi Graduate Education（YCSZ2012026）2）微电网有联网运行和孤网运行两种方式，可看D-229 中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013 成大电网的单一负荷或单一电源，存在与大电网的双向能量流动，运行方式的改变时能量管理系统需要保证平稳过渡。3）微电网能量管理优化
9、时要考虑的不仅仅是发电成本、网络损耗和电能质量，还要考虑储能装置的充放电控制和寿命优化，还有分布式电源发电的环保效益等。4）微电网能量需求中不仅有电负荷，还有热负荷，更注重热电联产的应用，能量管理需要加强热电联合控制。2.2 微电网能量管理的必要性微电网能量管理的必要性 微网中新能源发电系统输出相对的难以预测，运行方式切换的网络变化，还有面对不同的需求负荷等因素都对微网系统能量管理提出来了较高的要求。为了保证在各种情况下微电网都能保持正常稳定运行，能量管理需要针对不同情况采用不同的能量管理策略。配置系统各设备的启停，加强对可再生能源输出的支持，注重环保效益；电/热负荷预测，监控潮流参数；维护管
10、理储能设备，提高其使用寿命；多目标优化调度等，都需要能量管理系统的支持。图 1 微电网能量管理流程及构成 图 1 微电网能量管理流程及构成 微电网能量管理的构成及流程可用图 1 表示9，能量管理的功能包括对分布式电源的控制、储能设备管理、负荷管理、运行方式切换等7。能量管理需要预先进行负荷预测提前给各分布式电源分配预定发电功率，当负荷发生变化时再根据可调电源的输出特性增大或减少发电功率，或控制储能设备的充放电来进行整个网络的有功平衡、无功补偿、电压和功率因数等调节，必要时可以切除一般负荷，保持网络的稳定运行。其中联网和孤网运行方式的切换控制是微电网能量管理的重要内容8。3 微电网能量管理的方法
11、微电网能量管理的方法 3.1 按时间长短划分。按时间长短划分。微电网能量管理可以分为短期功率平衡和长期能量管理。3.1.1 短期功率平衡短期功率平衡 微电网能量管理的短期功率平衡是指依据当前检测的负载变化情况，根据分布式电源的容量、控制技术条件和储能设备的状态，调节电源出力和负荷管理;借鉴微网动态特性标准10，实现微电网电压调整和频率控制来保证供电可靠性，特别是敏感负荷对电能质量的要求。作为单一受控元与主网连接，当主配网故障或电能质量不能满足要求时，断开与主网连接;主配网恢复后，实现与主配网的同期并网，协调控制好微电网的功率平衡。3.1.2 长期能量管理长期能量管理 分布式电源发电量预测 负荷
12、预测 电力市场 价格预测 生产计划 生产计划调整 储能设备 储能状态 分布式电源有效发电量 分布式电源实际发电量负荷需求 管理 主网联络 交换功率 微电网的长期能量管理的主要目的是保证安全可靠供电的基础上进行经济优化运行。根据分布式电源的类型，结合气候环境进行负荷预测，考虑发电费用、检修周期、电源输出限制，依据经济调度和优化运行策略制定各分布式电源的出力。文献11提出微电网智能能量管理系统(SEMS)，该系统以功率预测模块进行提前一天的发电预测、能量存储模块确定最佳的操作策略、优化模块描述负载管理，构建了“功率预测能量存储优化决策”的微电网能量管理模型。长期能量管理还包括制定微网与外网联络线的
13、双向功率交换控制策略;根据负荷预测结果和电力市场需要，准备合适的储能备用容量;制定不同时期的负荷管理策略，如错峰平谷管理等。3.2 按运行方式划分按运行方式划分 微电网可以与大电网联网运行，也可以与其脱离孤网运行，因此能量管理按运行方式划分可以分为联网运行管理和孤网运行管理。3.2.1 联网运行能量管理联网运行能量管理 微电网可看作是整个系统的一个可控负荷模型，必要的时候接受系统的合理调节来提高区域的供电稳定D-229 中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013 性和优化性能，还可适当地用于峰荷管理和负荷平移等。微电网的能量管理则可保持内网一定的独立性
14、，可以对微网内部的分布式能源进行合理调度，提高能源利用率，其配置检测、保护和控制设备可提高电网供电可靠性，加强与外网联系。另外在满足内部供电或外网需要紧急支持的情况下，微网可以看作是系统的一个可调电源模型向外网传输功率，参与电力市场竞价上网，提高微网的综合效益。文献12描述了微网联网的备用和调峰作用，结合双边合同和市场需求，采用模糊成本允许值进行优化，评估了不同微电网配置下的协调策略。文献13讨论了联络线的潮流和频率波动造成的供需不平衡及利用燃气发电机调整负荷和风电场输出造成的波动，结合热电联产提高利用效率。3.2.2 孤网运行能量管理孤网运行能量管理 微电网断开与外网的连接成为孤网运行时，不
15、再有外来功率的联络，微网能量管理系统需要调节微网内部的资源分配，保证供电的可靠稳定。分布式电源、热电负荷等本身的随机性和波动性给电网的电能质量造成的影响在微网表现得更为明显，电压的波动和频率的偏差需要能量管理系统进行调节控制，主要的措施可以改变可调电源例如燃料电池、柴油发电机的输出功率，调节储能设备的充放电容量，还有对负荷侧的控制等，保证整个网络功率输出和需求的平衡及电能质量。图 2 孤网运行能量管理系统 图 2 孤网运行能量管理系统 如图 2，孤岛运行时通过数据采集电路收集蓄电池电压、电流、温度等信号估算蓄电池储能状态，利用全球移动通信系统(GSM)模块TC35i把电站实时状态通知调度人员，
16、利用上、下位机来进行孤网运行时的能量管理，可以优化蓄电池寿命和保障通讯信道，提高能量管理效率18。文献14-16分别讨论了利用储能设备和可调电源调节功率平衡，稳定电压、频率；利用分布式发电基于电压下垂特性、电压调节和负载无功补充制定电源管理策略，最佳容量配置。文献17,19分别从风电、柴油电、太阳能等角度讨论了不同运行情况下相应的能量应对策略。另外，微电网的联网和孤网运行方式的切换对保持重要负荷的供电可靠性至关重要20，加强检测，保证通讯传输，可通过连续监测大电网测和微网电压的幅值和相角为运行方式切换提供依据；通过负序电压正反馈的检测21，或是利用分压器原理，将联络线处系统等值阻抗的变化映射为
17、联络线电压幅值的变化来反映网络参数的变动22，从而为运行方式的切换提供依据，保证系统的稳定过渡。3.3 按优化目标不同划分按优化目标不同划分 由于微电网集成了电能和热能需求，更加接近负荷端，分布式发电的功率输出具有随机波动性，配置管理时要考虑的因素更多，例如降低发电成本，减少损耗，充分利用可再生能源、保护环境，热电联产的可靠性，联网电力市场交易等。因此，从优化目标来说，微电网的能量管理更加复杂。文献23在对实时能量管理的讨论中，考虑功率限制，稳定性约束和运行状态，认为微网的能量管理可看成多目标、多约束的优化问题，优化目标可以是运行成本最低，最大联网功率输送等。文献24-27分别讨论了微电网中包
18、含光电、风电、燃料电池，结合储能设备的优化控制，依据光伏发电、风力发电的预测功能来指导管理蓄电池对系统的实时充放电和燃料发电功率，优化储能设备寿命的条件下以系统的运行成本最小为调度目标。文献28以电压偏差最小、系统网损最小和分布式电源运行效率最大为多目标，在功率约束和电压约束的条件下，利用小生境进化多目标免疫算法求解电源出力。文献29提出考虑微电网污染物排放水平、可再生能源利用率和全寿命周期净费用的优化模型，采用十进制最优保留遗传算法在既定控制策略下求解，获得对电源和储能设备的最优化配置。文献30 基于多微网(multi-microgrids)的最优潮流计算以运行成本、总能耗损失和所有母线的电
19、压偏差最小化为多目标，算法保证系统节点电压在一个合适的安全边界，仿真证明可以改善多微网间联络线的潮流控制器性能。数据采集调理电路 下位机(DSP)隔离驱动 RS-485/RS-232 上位机(工控机)能量管理软件 操作提示 GSM 模块TC35i 蓄电池电流 蓄电池电压 温度 备用柴油发电机可调负载值得注意的是，当前的多目标能量优化管理很多都考虑了环境效益31，这是结合了微电网充分利用新能源的特点响应节能减排的号召，与传统的能量管理D-229 中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013 优化配置是不同的。还有由于微电网能量配置面对的是多变量，多约束，多
20、维的非线性组合优化问题，智能算法以其良好的鲁棒性，平行处理能力和全局搜索能力得到了很好的应用28,29,32。3.4 从控制方案划分从控制方案划分 微电网的能量管理需要通过不同的控制方案来实现能量的优化配置，保证网络运行的安全稳定。按电源逆变器接口类型分为下垂控制(Droop control)，恒功率控制(PQ control)，恒压恒频控制(V/f control)；从网络整体控制策略分为集中控制和分散控制，或是主从控制模式(Master-slave control)、对等控制模式(peer-to-peer control)和分层控制模式(Hierarchical control)33。3.
21、4.1 集中式控制模式集中式控制模式 微电网的集中式控制模式可以是确定一个分布式电源或是足够容量的储能装置作为主DG，采取V/f控制，微网其他电源采用PQ控制，以主DG的电压和频率为参考运行的主从控制；也可以是确定一个中心控制器后再进行平行分层的控制34。集中控制的能量管理有利于根据负荷变化和外电网的联络要求统一对可调分布式电源进行规划调节，降低成本，提高综合效益，但需要可靠的通信线路收集信号和及时发送控制信息。文献35，36讨论了主从控制在联网和孤网运行时采用电流控制和电压控制的可行性，基于单一能量管理系统，执行两种运行模式转换的平滑过渡的问题。文献37提出基于多逆变器的混合方案：逆变器在近
22、距离操作使用主从控制而远端负载的分担使用频率下垂控制。文献38中假设电力市场价格反映现实运营成本和DG出力的条件下，依据可控负荷需求侧竞价原则，优化中心控制主电源与其他分布式电源的功率分配实现最大效益。3.4.2 分散式控制模式分散式控制模式 微电网的分散式控制是依据分布式电源的不同特点，要求各个分散的单元具有一定的智能性和调节裕量。逆变器接口的下垂控制由于具有不需要分布式电源之间的通信联系就能实现控制的能力而得到了较多的研究39-43。文献39应用分布式电源的下垂特性，将发电功率大小转换成以输出电压的频率和幅值为指令的控制信号，在通过调整后的功率反馈作用于输出电压，达到自治调节，分配功率的目
23、的，从而使得各个电源间的调节不会相互影响。文献42提出的单机下垂控制的能量管理系统，采用定性分析和小信号技术，在保证稳定约束的情况下实时EMS调整，具有优化输出功能，适用于分散式的能量控制模式。4 微电网能量管理的研究趋势微电网能量管理的研究趋势 当前对微电网的建模、仿真、实验工作研究已取得了一定的成果，也充分说明了微电网能量管理的重要性。要充分利用好分布式能源，发挥微电网能量的有效分配的作用，提高综合效益，还需要从一下几个方面加强研究：1）储能设备的管理和储能技术的提高。储能设备对微电网的调峰填谷、改善电能质量、优化能量配置等方面对稳定电网作用很大44-46，因此能量管理系统应该注重对储能装
24、置的监测，包括充放电控制手段、优化寿命等。同时要从根本上提高储能容量和转换效率，降低成本。2）联网和孤网运行方式切换的平稳过渡及网络架构变化后的能量转移分析。加强对微电网与外网连接或断开过程的暂态建模分析，提高对可调分布式能源发电功率的调节可靠性和储能设备的投入响应速度。由此架构的变化可能会导致系统中潮流的流向多变，难以预测，相应保护配置和优化分配也要深入讨论。3）适合微电网的热电联供模型。由于微电网负荷类型的特殊性，要满足电能，热/冷负荷的要求，相应电源的设置很关键47,要考虑的因素很多，包括电源位置、容量等，另外也需要建立更加完善的模型来均衡热电分配，特别是孤网运行下的热电联供。4）优化调
25、度模型的丰富和智能化。微电网能量管理的目的就是保证电网安全、稳定、可靠、优质运行，实现能量的优化配置，实现综合效益最大化。经济效益和环境效益的评估模型需要更加全面丰富来反映微电网的整体效益；优化分配需要快速准确地进行就要求提高算法的计算速度和精度；加强微电网的自治能力和智能化，提高负荷突变和事故发生后的应变能力。当然微电网的能量管理的发展和完善是多方面的，例如需要监测、通信、保护装置等各方面的支持和完善，还需要对示范工程的运行实验积累经验，分析数据发现不足，改进管理策略，才能促进微电网稳健发展。5 结语结语 新能源的利用是解决能源危机和环保问题的出路，微电网可以有效接纳分布式能源来解决电力系统
26、供需空间不均衡矛盾，减少集中供电容量，降低损耗，改善电网峰谷性能等。微电网的能量管理可结合分布式电源发电特点、内部负荷需要、大电网联络要求、环保效益、协调新能源的出力和储能设备的充放控制，优化管理，保证微电网安全、可靠、高效、优质供电，是实现微电网的经济效益和环境效益相统一的有力保证。参考文献参考文献 D-229 中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013 1 MARNAY C,RUBIO F J,SIDDIQUI A S.Shape of the MicrogridC.2001 IEEE Power Engineering Society Winte
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