考慮微電網(wǎng)群和系統(tǒng)經(jīng)濟運行的配電網(wǎng)儲能優(yōu)化配置

吳怡

（新疆龍源風(fēng)力發(fā)電有限公司，新疆 烏魯木齊 830054）

1 相關(guān)概述

1.1 微電網(wǎng)技術(shù)與發(fā)展

為了有效地解決電力系統(tǒng)中的問題，充分發(fā)揮其對用戶和電網(wǎng)的作用，本文引入了微電網(wǎng)的概念。微電網(wǎng)是由分布式發(fā)電、儲能設(shè)備、負載、電力電子轉(zhuǎn)換器、保護與控制設(shè)備組成的一種小型電力系統(tǒng)，它可以同時并網(wǎng)，也可以是孤島，二者之間可以相互切換。美國率先提出微電網(wǎng)，并于2003年由美國電力系統(tǒng)安全與技術(shù)解決方案協(xié)會出版的《微電網(wǎng)概念白皮書》，使得美國在全球范圍內(nèi)的微電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。美國自從經(jīng)歷了數(shù)次大的斷電事件后，對微型電力網(wǎng)的可靠性和安全問題進行了更多的關(guān)注，從2011年起，投資3850萬美元，在三個美軍基地建立了“Sm artPowerInfrastructureDemonstrationforEnergy,ReliabilityandSecurity”。歐洲從20世紀起就對微電網(wǎng)技術(shù)進行了重點關(guān)注，而日本由于能源緊缺，特別注重發(fā)展和利用新能源，所以在電力供應(yīng)多元化、供電可靠、環(huán)保等方面進行了大量的探索。我國在城市、海島、邊遠地區(qū)已經(jīng)進行了大量的微電網(wǎng)示范工程?！丁笆奈濉爆F(xiàn)代能源體系規(guī)劃》還明確指出，微電網(wǎng)將是我國發(fā)展規(guī)劃的重點和資金來源，由示范到推廣，目前全球正在建設(shè)、投入和規(guī)劃的大規(guī)模微電網(wǎng)工程超過400個，遍布北美、歐洲、非洲、亞洲、南美等地區(qū)，微電網(wǎng)技術(shù)可以實現(xiàn)對新能源的就地消納和利用，是實現(xiàn)“節(jié)能減排”、實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵舉措。由于微電網(wǎng)的建設(shè)規(guī)模越來越大，在一個區(qū)域內(nèi)將會出現(xiàn)多個微電網(wǎng)，但目前我國的電力市場尚未形成一個成熟的、具有一定規(guī)模的遠程監(jiān)測能力，因此，如何有效地調(diào)度和管理多個微型網(wǎng)絡(luò)成為一個迫切需要解決的問題。

1.2 微電網(wǎng)群技術(shù)及其發(fā)展

微電網(wǎng)是一種新的多微電網(wǎng)控制和管理的新技術(shù)。微電網(wǎng)的初期設(shè)想是將鄰近的微電網(wǎng)、分布式發(fā)電、蓄能系統(tǒng)進行串聯(lián)，并利用群級調(diào)整和協(xié)調(diào)控制指令，以達到最優(yōu)的運行效果。當前，為有效消納大規(guī)模分布式發(fā)電，并解決配網(wǎng)容量問題，學(xué)者和各電力公司從主動分配網(wǎng)的角度，提出了一種更大規(guī)模的微電網(wǎng)概念，即根據(jù)區(qū)域、容量、環(huán)境、供電方式等因素，將分散式發(fā)電按照區(qū)域、容量、環(huán)境、供電方式等不同的小電網(wǎng)進行互聯(lián)，以達到能量互濟、經(jīng)濟運行、減少城市碳排放的目標。就像微電網(wǎng)一樣，在正常條件下，微電網(wǎng)絡(luò)在并網(wǎng)運行，即便是在電網(wǎng)發(fā)生故障或者需要調(diào)度的情況下，也能保持在一個孤島狀態(tài)。微電網(wǎng)群是國外首先關(guān)注的領(lǐng)域之一，2006年，歐盟通過其資助的“MoreMicrogrids”計劃，初步形成了微電網(wǎng)集群的雛形，即低壓微電網(wǎng)、分布式發(fā)電、儲能和負載互聯(lián)，微電網(wǎng)與上級電網(wǎng)有著共同的連接點，在該節(jié)點上進行有效的控制，從而實現(xiàn)微電網(wǎng)的孤島和并網(wǎng)。隨后，葡萄牙馬杜里拉等人就微電網(wǎng)的組成結(jié)構(gòu)、協(xié)調(diào)控制、能源管理等問題進行了較為深入的研究，針對孤島和電網(wǎng)的特點，分別從電壓控制、頻率控制、優(yōu)化算法、實時監(jiān)測等方面進行了仿真研究。隨后，美國學(xué)者以此為基礎(chǔ)，分析了微電網(wǎng)的最佳運行模式和結(jié)構(gòu)；印度學(xué)者在對微網(wǎng)負載的需求反應(yīng)進行研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于負載需求特性的優(yōu)化方法；加拿大賽義德·阿里·阿雷菲法對微電網(wǎng)的通信結(jié)構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)進行了深入的研究，并提出了一種基于虛擬微電網(wǎng)的微電網(wǎng)集群來實現(xiàn)對微電網(wǎng)的自動控制和對其進行最優(yōu)的運行；ABB公司從電力市場的視角出發(fā)，對微電網(wǎng)群進行了可行性分析，提出了基于電網(wǎng)的輔助服務(wù)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略。希臘、丹麥等國對電力質(zhì)量、保護控制、電力系統(tǒng)的運行狀況進行了較深入的研究。

我國對微電網(wǎng)絡(luò)集群的研究相對滯后，前期的研究多集中于清華大學(xué)、湖南大學(xué)、華南理工大學(xué)、四川大學(xué)、重慶大學(xué)、山東大學(xué)、中國電力研究所、中國科學(xué)院電氣研究所等一些大的研究機構(gòu)，目前，已在我國高校、科研院所中形成了自己的特色和規(guī)模。其中，“微電網(wǎng)集群高效可靠技術(shù)及示范”是國內(nèi)首個自主研究的微電網(wǎng)集群工程，共分7大模塊，分別從規(guī)劃、運行、控制、能源管理等7個方面進行了詳細論述。重慶大學(xué)以云電科技園區(qū)的智能微電網(wǎng)為基礎(chǔ)，以串并聯(lián)微電網(wǎng)為基礎(chǔ)，提出了一種分層協(xié)作控制方案。山東大學(xué)丁磊等研究人員討論了孤島環(huán)境下微電網(wǎng)的運行策略和保護方式。針對配電網(wǎng)絡(luò)中大規(guī)模分布電網(wǎng)的消納問題，提出了一種基于微電網(wǎng)群結(jié)構(gòu)、通信拓撲結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)協(xié)同控制的方法，并在北京延慶建立了基于微電網(wǎng)群的主動配網(wǎng)示范基地。深圳科陸電力公司還在科陸玉門綜合風(fēng)光網(wǎng)一體化示范基地（VPP）建設(shè)中，建立了一個以能源自主網(wǎng)為主的主動配電網(wǎng)。因此，微電網(wǎng)絡(luò)集群是未來智能電網(wǎng)建設(shè)中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，正引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究。然而，微電網(wǎng)的自身結(jié)構(gòu)以及微電源自身的特性，使其內(nèi)部各個子系統(tǒng)的工作模式日益復(fù)雜化，這對微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制帶來了極大的困難。因此，對微網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制策略進行深入而系統(tǒng)的研究，將有助于優(yōu)化我國的能源結(jié)構(gòu)，提高其滲透性，推進我國傳統(tǒng)的配電網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)變。

1.3 微電網(wǎng)群的組網(wǎng)方式及運行控制架構(gòu)

1.3.1 微電網(wǎng)群的組網(wǎng)方式

微網(wǎng)群組網(wǎng)模式的廣泛應(yīng)用，使多個微型網(wǎng)同時存在于一個網(wǎng)絡(luò)中。將多個微電網(wǎng)、分布式發(fā)電、分布式存儲等集成起來，構(gòu)成了一種互通有無的微電網(wǎng)，使其具有更高的可靠性，并能有效地減少配電網(wǎng)中的新能源。根據(jù)微電網(wǎng)的供電模式，現(xiàn)有的研究成果可分為三大類：一種是以交流微電網(wǎng)為基礎(chǔ)的微電網(wǎng)絡(luò)集群；介紹了一種新型的電力網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。一種基于交、直流混合的微電網(wǎng)集群。

1.3.2 微電網(wǎng)集群運行控制架構(gòu)

微電網(wǎng)群的控制方式包括群內(nèi)的局部控制、微電網(wǎng)內(nèi)部的協(xié)同控制、微電網(wǎng)群的協(xié)同控制。本文著重闡述了在微電網(wǎng)的協(xié)作控制結(jié)構(gòu)中，集中式和分布式控制結(jié)構(gòu)。

（1）集中式控制體系。中央控制系統(tǒng)的架構(gòu)主要是基于中央控制器，它包括子微電網(wǎng)、分布式電源和負載，并經(jīng)由雙向通信網(wǎng)絡(luò)將其傳送到MCCC，MCCC將采集的數(shù)據(jù)進行控制。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，并能實現(xiàn)整個微電網(wǎng)的運行。此外， MCCC控制器還可以針對群組內(nèi)部供求、外部環(huán)境、市場交易、用戶對電能質(zhì)量的需求、電力系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的交易，從運行成本、環(huán)境效益等方面進行優(yōu)化設(shè)計，對微電系統(tǒng)的運行進行優(yōu)化設(shè)計，并采用最優(yōu)化的方式對其進行優(yōu)化設(shè)計，以達到優(yōu)化調(diào)度的目的。已有的方法包括混合成型線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃、蒙特卡洛仿真、蜂群算法、微粒群算法、遺傳算法、退火仿真算法等。但是，微電網(wǎng)絡(luò)的集控系統(tǒng)是以通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的，而群組中的子網(wǎng)數(shù)量越多，數(shù)據(jù)信息越多，需要的計算量也就越大，而用戶的保密程度越高，獲取信息的難度也就越大。

（2）分布式控制架構(gòu)。分層控制結(jié)構(gòu)需要多個中心控制器共同工作，因此，對通信的可靠性有較高的要求。本系統(tǒng)基于微電網(wǎng)間的有限通信網(wǎng)絡(luò)，通過對各個子微電網(wǎng)的局部信息進行協(xié)調(diào)，實現(xiàn)了微網(wǎng)整體的功能。在群組中，每個子微電網(wǎng)的中央控制器根據(jù)自身及鄰近微電網(wǎng)的運行狀況，對其內(nèi)部的控制指令進行優(yōu)化，不需要對微電網(wǎng)絡(luò)中心進行集中操作，因此，可以極大地降低微電網(wǎng)絡(luò)的運算量。與分層的控制架構(gòu)相比，目前，在微網(wǎng)中的分布控制還缺乏充分的理論依據(jù)，因此，必須進一步開展相關(guān)的工作。

2 微電網(wǎng)群和系統(tǒng)經(jīng)濟運行的配電網(wǎng)儲能優(yōu)化配置

2.1 儲能選址模型

2.1.1 目標函數(shù)

第一期的選址模式，從經(jīng)濟運行的角度，考慮了微網(wǎng)集群系統(tǒng)中的能量相互作用和對系統(tǒng)的影響。在配電網(wǎng)絡(luò)中，考慮了各節(jié)點的負載容量，引入了一種新的中斷負載，其目標函數(shù)為最大限度地降低了配電網(wǎng)絡(luò)的總運營費用，其成本主要包括發(fā)電成本、微電網(wǎng)組中子微網(wǎng)的出力成本、減載補償成本、“棄風(fēng)”“棄光”損耗等，并且卸載策略取決于不同的調(diào)度方式。其目標函數(shù)為：

式中，F(xiàn)1為配電網(wǎng)絡(luò)的總運營費用；ag、bg、cg是發(fā)電單位功率g的費用系數(shù)；Pg、t是在t周期內(nèi)發(fā)電機組的有功功率；αm，βm，γm是微網(wǎng)m輸出功率的費用系數(shù)；Pm,t是在t周期內(nèi)，微電網(wǎng)m的有功功率；是減少負載的費用因子；Li、t是在t期間分配網(wǎng)絡(luò)節(jié)點i的負載減少電力；是“棄風(fēng)”的費用；對裝有風(fēng)機的配電網(wǎng)絡(luò)節(jié)點i進行t期“棄風(fēng)”；是“棄光”的費用；在t周期內(nèi)，對于安裝了光伏發(fā)電的配電網(wǎng)絡(luò)節(jié)點i進行“棄光”。

2.1.2 微電網(wǎng)群功率約束

（2）、（3）為子微電網(wǎng)出力的上下限約束。式中：

2.2 能量存儲最優(yōu)模型

從研究能量儲存周期與放電深度之間的關(guān)系得相關(guān)文獻中可以看出，當每日充電和放電次數(shù)相同時，所獲得的存儲容量與電池的使用壽命呈顯著的相關(guān)性。但是，大型的能量儲存裝置也會帶來更高的投資費用?；谏鲜鼋Y(jié)論，需要進一步優(yōu)化存儲能力，本文的研究對象是在儲電生命周期中，怎么能使能量消耗最少的問題。

2.3 算例分析

2.3.1 場景設(shè)置

這里設(shè)置了四個場景進行比較。場景1：想象一個通過微電網(wǎng)集群調(diào)度的微電網(wǎng)，然后是風(fēng)能和光伏的配電網(wǎng)；場景2：設(shè)想微電網(wǎng)通過微電網(wǎng)群規(guī)劃，然后直接連接，無須風(fēng)電和光伏。場景3：不考慮微電網(wǎng)，直接接入配電網(wǎng)，不接入風(fēng)電和光伏；場景4：直接接入配電網(wǎng)，不考慮微電網(wǎng)，直接接入風(fēng)能和光伏能源。

2.3.2 試驗成果分析

場景1和2顯示了微電網(wǎng)和微電網(wǎng)組，而場景3和4指的是整個配電網(wǎng)，即使場景1和2的納米速度消耗很高，并且在設(shè)置中的場景3和場景4這類情況電網(wǎng)容量會很高；微電網(wǎng)組中子微電網(wǎng)的聯(lián)合工作，使得系統(tǒng)的能源可以相互補充，充分利用，而方案1和4的可再生能源，包括微電網(wǎng)，經(jīng)驗證證實能源消耗水平高于方案2和方案3，有助于減少“棄風(fēng)”和“棄光”。本文認為微電網(wǎng)集群的使用可以有效提高可再生能源的利用效率。

3 結(jié)語

（1）在具有風(fēng)電、光伏接入的配電網(wǎng)中，通過對儲能系統(tǒng)的優(yōu)化和系統(tǒng)的優(yōu)化，實現(xiàn)了儲能系統(tǒng)的年投資和配電網(wǎng)的運行費用的降低。

（2）在風(fēng)電、光伏直接接入的條件下，配電網(wǎng)提高0.95%的新能源消納率，并兼顧經(jīng)濟運行，降低了儲能的年費用和系統(tǒng)運行費用。

（3）本論文所建立的能量儲存周期壽命損失模型，其影響因子尚不完整，有待于后續(xù)的研究改進，以改善已建立的模型的正確性。