多能互補微網能量管理

多能互補微網能量是對微網進行調度決策管理以及控制，提供微網的各種實時信息給調度管理人員，能夠提高電能質量，保證微網安全運行以及改善電網運行經濟性。它是整個微網系統的協調控制核心，可以根據天氣情況、熱電負荷需求、電價信息、燃氣價信息等，協調整個微網系統內的分散式電源以及負荷等設備，是微網系統安全、經濟、可靠、環保、高效運行的可靠保障。

基本介紹

• 中文名：多能互補微網能量管理
• 外文名：Multi - complementary microgrid energymanagement
• 學科：電氣工程
• 領域：能源利用
• 功能：實現微電網能量管理
• 優點：提高分散式電源的能量利用率

微網能量最佳化管理概述

隨著全球能源、環境問題的凸顯，風能、太陽能等可再生能源發電得到蓬勃發展，為了適應可再生能源分散式發電的規模化套用，微網技術應運而生。微網技術給電力系統及用戶帶來的技術經濟效益使得它己成為智慧型電網建設中的重要組成部分。為了充分發揮微網的優勢，提高其運行管理水平，迫切需要研發微網能量管理系統(MGEMS)。

微網中含有諸多種類的分散式電源、儲能設備、電力電子換流設備和各類負荷等，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，因此傳統電網的能量管理系統便不再適用於微網的能量管理，故需要開發針對微網的能量管理系統。概括說來，微網能量管理系統(MGEMS )主要面臨著如下新的挑戰：

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

2)複雜的調度策略以及調度計畫。可再生能源受換到環境和地理位置的影響，具有隨機性、間歇性和波動性等特點，其調度計畫難以預先安排，在加以開發利用時需要因地制宜，並採取合適的調度策略以及調度計畫；

3)多樣的新能源與分散式發電技術。新能源與發電技術多種多樣，形式不一，各種發電方式在一個系統中運行時，需要靈活的EMS和系統調度策略使之互補發電，從而保證能源的綜合有效利用。

微網能量管理系統功能框架

微網能量管理系統為微網運行調度提供多種實時信息，保證微網安全穩定運行，並提高微網的經濟運行水平。對於大電網來說，微網可以看作可控的電源或者負荷，根據電網的運行狀況和微網的需求，調節微網與大電網之間的能量交換。而微網能量管理系統則根據負荷需求、天氣情況、電價以及氣價等信息，協調微網中的分散式電源、儲能和主動負荷等設備，對微網進行調度決策管理與控制，保證微網安全、穩定、經濟運行，提高微網電能質量和供電可靠性。微網能量管理系統的主要功能框架如圖1所示。

圖1 微網能量管理系統主要功能框架

微網能量最佳化管理技術

隨著智慧型電網的起步與發展，分散式可再生能源電源己成為研究熱點，但是大量分散式能源直接併網運行將對電力系統的電能質量、電網安全以及穩定性帶來影響，如何使得分散式電源與電力系統之間協調運行，微網提供了一種切實有效的技術途徑，而為了實現微網中各分散式電源、儲能單元及負荷之間的最佳匹配，需重點研究微網能量最佳化管理技術。

微網能量最佳化管理技術是從微網整體出發，統一協調當地電/熱負荷需求、電/氣價格、電網運行的相關要求、電能質量要求、需求側管理等一系列信息進行多維綜合最佳化決策，以確定微網與大電網之間的交換功率、每個微電源出力計畫及主動負荷運行指令等。微網最佳化運行調度是微網領域的重要研究課題，在微網能量最佳化管理技術之中處於核心地位。

微網最佳化運行調度技術通過合理地調度微網中分散式電源和儲能設備等單元的出力，以及與大電網之間的交換功率，可以在保證微網在安全、穩定、可靠運行的前提下，實現其內部能量流及其與大電網之間能量交換的最佳化，使微網綜合效益最大化。因此，開展微網最佳化運行調度方法方面的研究具有重要的理論意義和套用價值。

微網能量管理系統的構成

多能互補微網的系統結構

多能互補微網含多種分散式電源和儲能，含有風力發電、光伏發電、水輪發電機、柴油發電機、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、可調節負荷等三種負荷對供電質量要求的不同，還提出了個性化供電方案。採用多電源為敏感負荷及可調節負荷供電，在主網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節負荷供電的不間斷。

多能互補微網的能量流

多能互補微網能源的多樣化、供電能力的不同以及負荷結構的多樣化導致其內部各層次元素的不同和層次聯結關係的差異。智慧型微網系統供能關係如圖2所示。

圖2 智慧型微網供能系統

微網能量管理系統的分層結構

微網能量管理系統通常由三部分構成:主網分散式能量管理系統、微網自身的智慧型能量管理中心以及分散式電源、負荷等的本地控制器。電力系統調度中心與微網系統間的信息交換由主網的分散式能量管理系統來負責管理;綜合了主網分散式能量管理系統與分散式電源、負荷等的本地控制器提供的信息，基於分散式電源發電的報價、儲能單元的剩餘容量、電網電價以及根據負荷需求制定的經濟發電計畫，微網智慧型能量管理中心運用合理的能量管理策略管理各分散式發電單元以及儲能單元的運行狀態，來實現微網系統的能量平衡和經濟運行;微網智慧型能量管理中心與分散式電源、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。

微網能量管理系統的任務

微網能量管理系統的目標

在滿足系統運行約束以及供能平衡的前提下，微網MGEMS通常以最小系統運行成木、排放成木、網損成木以及停電成本為目標，為分散式電源、儲能以及負荷等提供合理的參考運行點。多能互補微網能量管理技術、經濟及環境因素之間的關係如圖3所示。

圖3 微網能量管理的技術、經濟和環境因素分析

微網能量管理系統的工作流程

多能互補微網能量管理系統的構成及工作流程如圖4所示。首先根據分散式電源發電出力預測、負荷預測、市場清算價格預算等制定生產計畫，然後結合分散式電源有效出力、儲能水平等進行生產計畫調整，根據調整好的生產計畫對主配網的交換功率、負荷需求以及分散式電源的出力等進行調整控制。

圖4 能量管理系統構成及流程

微網能量管理策略

電力系統中廣域電網監測技術有著重要作用，目前主要套用於系統正常監視和事故分析中。其中套用電力系統同步相量測量(PMU)進行電網線上動態分析還不夠成熟，不能實現實際意義上的套用功能。而對電網的動態變化過程進行狀態估計是線上動態分析的前提和基礎。

不同運行模式下的管理策略

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

圖5 微網運行狀態及相互轉化

不同時間尺度下的管理策略

不同於傳統的電力系統，多能互補系統的慣性較小，網架結構較為薄弱，間歇分散式能源比例，孤島運行時需要維持電壓和頻率，還要考慮與主網連線的模式切換問題，因此對EMS的功能性要求高，因此對於能量管理(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是個難點。為了適應系統要求,適用於多能互補系統的能量管理一般分成短期功率平衡和長期功率管理計畫。

不同控制模式下的管理策略

如上所述,主要用於研究微網中各分散式能源之間的協調與配合的微網整體控制結構通常包括兩種:分層控制結構和對等控制結構。微網的分層控制的結構包括配電網控制器、市場控制器、微網中央控制器、分散式電源單元控制器以及負荷控制器等。其中,配電網控制器負責微網和配網之間的協調以及和微網中央控制器之間進行信息互動；微網中央控制器負責微網的最佳化運行和控制管理,接受配電網控制器的控制信息。在微網的對等控制的結構下微網內各個設備具有高度的智慧型,它們之間可以相互通信,協調實現整體運行性能的最優。實現這種模式最好的技術是多代理系統(MAS),MAS中各智慧型體具有高度智慧型,可以根據和其他智慧型體之間的信息、互動做出控制決策。因此從系統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。

最佳化指令協調控制

微網能量最佳化與控制技術是一個系統層而的控制問題，其能量最佳化計算結果作為上層調度指令下達至下層的換流控制器。因此，如何在系統能量最佳化控制的框架下，根據上層最佳化指令，克服實際運行時的突發乾擾和系統併網負荷及可再生能源的用電、出力波動，實現下層換流器之間的協調穩定快速回響，是微電網能量最佳化控制研究中的又一重要內容。

有文獻對多饋入直流系統的協調控制層次結構進行了討論，並對基本協調控制的實現方式進行了介紹。也有研究在艦船中壓直流配電系統中考慮系統出現故障後潮流變化對其餘工作設備的衝擊和危害，提出電壓敏感特性算法，以最佳化換流器電壓和功率指令值。在母線電壓穩定控制方而，根據網路規模及系統通信條件的不同，目前換流接口間的基本協調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功率的補償以維持母線電壓的穩定。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計提出諸多限制和要求。

國內外研究結果表明，協調控制中電壓下垂特性的實現可以從程式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，而後者則在控制器中引入獨立的指令修正環節或是帶有下垂等效電阻的反饋環節以協調控制多個換流器，從而滿足系統能量需求。

結語與展望

結語

智慧型微網具有較高的能源利用率及系統穩定性。除了先進的控制技術,智慧型微網系統的經濟穩定運行也依賴於系統級合理的能量管理與集成控制,微網自身及含微網的配電系統的能量最佳化管理,可以有效提高能源利用效率以及系統運行的經濟性。

從多能互補微網的系統結構、多能互補微網的能量流、多能互補微網能量管理系統的分層結構以及多能互補微網能量管理系統的分層結構等四方面分析了多能互補微網能量管理系統的構成。具體闡述了多能互補微網能量管理系統的任務,主要從多能互補微網能量管理系統的目標、工作流程以及軟體體系結構等三方面進行。最後分不同運行模式、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能量管理策略。介紹了獨立模式下的能量管理策略、併網模式下的能量管理策略；長期功率管理計畫、短期功率平衡策略;基於分層控制方式的能量管理、基於對等控制方式的能量管理等。根據不同的運行模式、時間尺度以及控制模式選擇合理有效的能量管理策略,才能保證系統的穩定性與經濟性。

展望

需要進一步細化多能互補微網的最佳化調度模型,考慮更多的運行約束條件,細化微網內各單元的模型,建立綜合考慮多能互補微網從併網運行狀態到獨立運行狀態之間平穩過渡的調度模型,同時,獨立運行狀態下多能互補微網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域,只有精確的預測才能為能量管理提供可靠依據,保證系統經濟性和安全性。

為了更深入的研究微網的能量管理策略,還需要建立實際的微網系統的實驗平台,真正實現實際微網系統的能量管理,以便進一步研究微網系統的能量管理,以及其對電網電能質量和穩定性的影響。