智慧型微網能量最佳化

智慧型微網能量最佳化是指在一定的控制策略下，以微電網運行經濟性、環保性或電能質量等最優為最佳化目標，通過最佳化分配微電網中的各分散式電源及儲能裝置的輸出功率以滿足負荷需求和保證微電網安全穩定運行。

基本介紹

• 中文名：智慧型微網能量最佳化
• 外文名：Intelligent microgrid energy optimization
• 背景：可再生能源的大規模接入
• 特點：堅強、自愈、兼容、最佳化
• 優點：使微電網的經濟最佳化運行
• 難點：最佳化調度模型更加複雜

背景

智慧型電網是一種智慧型技術系統，它包括優先使用清潔能源、動態定價以及通過調整發電、用電設備功率最佳化負載平衡等特點。終端用戶不僅能從電力公司直接購買用電，同時還可以從儲能設備中獲取新能源和清潔能源，例如太陽能、風能，燃料電池、電動汽車等。另一方面智慧型電網具備高速、雙向的通信系統，供電端與用電端實現實時通信、並且系統能夠保證電網安全、穩定和最佳化運行。具有堅強、自愈、兼容、最佳化等特徵。

微電網是一種新型的網路結構，是實現主動式配電網的一種有效的方式。由一組微電源、負荷、儲能系統和控制裝置構成的系統單元，可實現對負荷多種能源形式的高可靠供給。微電網中的電源多為容量較小的分散式電源，即含有電力電子接口的小型機組，包括微型燃氣輪機、燃料電池、光伏電池、小型風力發電機組以及超級電容、飛輪及蓄電池等儲能裝置，它們接在用戶側，具有成本低、電壓低及污染低等特點。開發和延伸微電網能夠促進分散式電源與可再生能源的大規模接入，使傳統電網向智慧型網路的過渡。

微電網的組成及結構

微電網是由多種分散式電源（既包含有非可再生能源發電的燃料電池、微型燃氣輪機；又包含可再生能源發電的風力和光伏發電單元等），再加上控制裝置、儲能裝置和用電負荷共同組成。微電網的組成結構十分靈活，可以滿足某片區域的特殊供電需求。微電網不僅可以通過公共連線點（PCC）與大電網連線，採用併網運行模式；還可以在大電網電能質量下降或者電網故障而影響到微電網內負荷正常用電時，在公共連線節點（PCC）處與大電網斷開，採用孤島運行模式。

典型的微電網結構如圖 所示。它是由熱電聯產源（CHP）如微型燃氣輪機、燃料電池，非CHP源如風力發電機組、光伏電池組及儲能裝置等組成。微電源和儲能設備通過微電源控制器（MC）連線到饋線 A和C。微電網通過公共連線點（PCC）連線到配網中進行能量交換，雙方互為備用，提高了供電的可靠性。

微電網電源的組成及特性

微型電源的類型多種多樣，包括風力發電機組、太陽能光伏電池、微型燃氣輪機、燃料電池和蓄電池等。

1、 風力機組發電

在各種新能源利用過程中，風力發電是最重要的一種形式。風力發電是通過天然風吹動風機葉片帶動發電機轉子旋轉而發電。風力發電系統主要由風力機、齒輪箱、發電機、電力電子接口、變壓器等主要部分組成。風力發電機(WT)發出的電能是經風能轉化而來。風力發電機通過利用葉輪旋轉將風的動能轉化為機械能，然後葉輪通過機械驅動力系統帶動發電機，發電機再將機械能轉化為磁場的能量，並最終轉化為電能。

風電的輸出功率與風速大小有直接關係，具有明顯的間歇性和隨機性。當風速小於風力發電機組的切入風速時，發電機組不工作，即不發電；當風速大於切入風速後，發電機組開始併網發電，此時風機機組的輸出功率隨著風速的增大而增大；當風速增大到風力發電機組的額定風速時，其輸出功率基本穩定在發電機組的額定輸出功率。當風速繼續增大至超出切出風速時，風力機組將抱閘停機，以保護風力機組不被大風損壞。

2、太陽能光伏發電

光伏發電技術直接將光能轉化為電能，根據太陽電池半導體材料的光伏效應，產生直流電能。太陽能發電技術主要包括了太陽能光伏發電和太陽能熱發電，在微電網中，主要採用太陽能光伏發電。按照運行方式的不同，光伏發電系統分為獨立運行系統和併網運行系統。獨立光伏發電系統是指僅依靠太陽能電池供電的光伏發電系統。併網光伏發電系統是將太陽能電池發出的直流電逆變成交流電，與電力網並聯運行，該方式下可避免了安裝儲能蓄電池，節省費用。

太陽能光伏發電（PV）的基本原理是利用太陽能電池（一種類似於晶體二極體的半導體器件）的光生伏打效應，當光照射到太陽能電池上時，在其PN結兩端就會產生電壓，從而將太陽的輻射能轉變為了電能。太陽能光伏發電的能量轉換器就是太陽能電池，即光伏電池。光伏電池的運行特性與光照強度和光伏電池的運行溫度直接相關，而光照強度和運行溫度的隨機性與波動性較大，這使得光伏電池的發電輸出功率持續變化。光伏電池輸出功率與短路電流隨著光照強度的增強而成比例增大，開路電壓隨著光照強度的增強而緩慢增大，開路電壓和輸出功率與環境溫度成反比，短路電流隨著環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的分散式電源，它不具備有功輸出的調節能力，因此也就無法滿足微電網電壓和頻率調節功能。

3、微型燃氣輪機發電

可再生能源技術和熱電聯產技術是分散式能源技術的兩個重要分支。可再生能源利用技術力求“開源”，而熱電聯產技術重在“節流”。熱電聯產與可再生能源在技術上彼此獨立，而在套用當中優勢互補，集中體現了分散式能源的特點和優勢。微型燃氣輪機正是熱電聯產在微電網中的一個重要套用。

微型燃氣輪發電機組由微型燃氣輪機、燃氣輪機直接驅動的內置式高速逆變發電機和數字電力控制器（DPC）等部分組成，其中的核心設備——微型燃氣輪機（MT）是一種新型的小型熱力發電機，由燃氣輪機、壓氣機、燃燒室、回熱器、發電機及電力控制部分構成，功率範圍在數百千瓦以下，以天然氣、甲烷、汽油、柴油等為燃料，採用回熱式循環。其發電效率可達 30%，如實行熱電聯產，效率可提高到 75%。

微型燃氣輪機的工作原理是：從離心式壓縮機出來的高壓空氣現在回熱器內由渦輪排氣預熱，然後進入燃燒室與燃料混合、燃燒，高溫燃氣送入向心式渦輪做功，帶動高速發電機發電。發電機首先發出高頻交流電，然後轉換成高壓直流電，再轉化為工頻交流電。而通過透平排出的高溫尾氣可用來預熱燃燒室中的壓縮空氣，從而減少燃燒過程中的燃料消耗，提高系統能源的綜合利用效率。回熱器排出的尾氣可以通過溴化鋰制冷機或熱交換器來滿足冷、熱負荷的需求。

4、燃料電池發電

燃料電池發電裝置是一種綜合的能量轉換裝置，反應過程中產生的熱能可回收外供，產生的直流電可由換流器轉換成交流電。燃料電池發電系統由以下幾個部分組成：

1）燃料供給轉換裝置，包括給煤器和煤氣發生器；

2）空氣供給裝置，包括過濾器和空氣壓縮機；

3）電池本體，包括電極、電解質和外電路；

4）熱量回收裝置，即餘熱鍋爐。

作為燃料電池發電系統的最重要裝置——燃料電池（FC）是一種將燃料化學能轉換為電能的發電設備。其發電原理是將天然氣、甲酫等含氫燃料與空氣等氧化劑反應，通過電化學反應過程中氫氧離子的定向移動，在外部電路產生電位差，形成低壓直流電。

5、蓄電池發電

儲能裝置在微電網中主要起到了以下兩種作用：

1）能量緩衝。風力發電、光伏發電等可再生能源發電具有間歇性和不穩定性的特點，而可控微源如微型燃氣輪機和燃料電池對負荷波動反應較慢。因此微電網中必須裝設相當容量的儲能裝置來保證微電網運行的可靠性。

2）削峰填谷。當微電網系統的自然能源充足時，發出的多餘電能可以通過儲能裝置儲存起來，減少能源的浪費；當系統的自然能源匱乏時，儲能裝置又能為系統提供一定的電能，保證系統的正常運行。因此，基於系統可靠性與經濟性的考慮，微電網都應配備一定數量的儲能裝置。

當前的儲能技術主要有以下三類：

1）化學儲能，包括鉛酸電池、液流電池、鈉硫電池等蓄電池；

2）物理儲能，包括抽水蓄能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能等；

3）電磁儲能，包括超級電容器儲能、超導儲能等。而其中蓄電池以價格低廉、性能穩定等優點在微電網中得到了廣泛的套用。

蓄電池的性能參數主要包括：電池容量、荷電狀態、放電深度、充電深度、循環壽命等幾個方面。

微電網的最佳化調度

微電網最佳化調度是一種非線性、多模型、多目標的複雜系統最佳化問題。傳統電力系統的能量供需平衡是最佳化調度首先要解決的問題。微電網作為一種新型的電力系統網路也是如此。微電網能量平衡的基本任務是指在一定的控制策略下，使微電網中的各分散式電源及儲能裝置的輸出功率滿足微電網的負荷需求，保證微電網的安全穩定，實現微電網的經濟最佳化運行。

與傳統的電網最佳化調度相比，微電網的最佳化調度模型更加複雜。

首先，微電網能夠為地區提高熱（冷）/電負荷，因此，在考慮電功率平衡的同時，也要保證熱（冷）負荷供需平衡。

其次，微電網中分散式電源發電形式各異，其運行特性各不相同。而風力發電、光伏發電等可再生能源也易受天氣因素影響。同時這類電源容量較小，單一的負荷變化都可能對微電網的功率平衡產生顯著影響。

最後，微電網的最佳化調度不僅僅需要考慮發電的經濟成本，還需要考慮分散式電源組合的整體環境效益。這就無形中增加了微電網最佳化調度的難度，由原來傳統的單目標最佳化問題轉變成了一個多目標的最佳化問題。

因此，微電網的最佳化調度必須從微電網整體出發，考慮微電網運行的經濟性與環保性，綜合熱（冷）/電負荷需求、分散式電源發電特性、電能質量要求、需求側管理等信息，確定各個微電源的處理分配、微電網與大電網間的互動功率以及負荷控制命令，實現微電網中的各分散式電源、儲能單元與負荷間的最佳配置。

目前，對含多種分散式電源的微電網最佳化調度問題，國內外學者已做了一些相關的研究。