分布式微網能量管理系統結構和管理研究

張鐘平，宣施超

（1.國家能源分布式能源技術研發（實驗）中心，浙江 杭 州310030；2.浙富水電國際工程有限公司，浙江 杭 州310030）

1 引言

隨著石油、煤炭資源等化石能源的使用產生了大量的CO2，引起全球變暖問題，使人類的生存受到威脅。天然氣、風能、太陽能這些“綠色能源”由于其具有清潔、無污染、可再生特點引起全世界的關注，其中分布式能源作為一種可以有效利用新能源的發電形式，成為研究的熱點。我國微網的管理系統研究尚處于起步階段，目前清華大學、中國科學院電工研究所、天津大學、河海大學等單位相繼開始了微網管理系統技術的研究，同時微網的能量管理系統技術已經慢慢是國內近年的研究熱點。本文主要對分布式微網能量管理系統結構和能量管理方案的介紹和分析。

2 微網管理系統概念

分布式微網能量管理系統（Microgrid－EMS，簡稱MEMS系統）是分布式能源（分布式DR）的控制核心，以計算機為基礎的現代電力系統的綜合自動化系統。分布式微電網自身容量較小，加上光伏、風電、和負荷的變化，分布式能源本身具有波動性和間歇性，且具有大量的電力電子設備接口，電力電子設備具有較快的反應速度、輸出阻抗小、過載能力低等特點，所以增加了微網控制的難度，微網電壓和頻率的變動較大，微網能量協調控制通過對微電源的P／Q控制、V／f控制和下垂控制進行組合對微網整體進行協調控制，控制系統需要統籌各個分布式電源運行方式，在電力系統中扮演重要的中間角色，并完成系統內部各微電源之間、獨立微網與主微網、多個微網間、區域微網間的多種協作和管理。

3 微網管理系統結構

分布式微網能量管理系統一般分為微網就地設備控制器層、中間控制層能量分析和管理層的分布式能量管理系統（見圖1）。

圖1 分布式微網能量管理系統典型結構

3.1 系統分層結構

微網就地控制器層主要包括燃氣分布式電源控制器、光伏逆變器、儲能PCS設備、負荷控制器；中間控制層包括數據通信模塊、運行控制模塊、儲能管理模塊、負荷管理模塊；能量分析和管理層包括數據通信與監控模塊、數據監測和分析、性能計算、經濟調度和優化運行模塊、預測模塊和控制策略管理等。

不同微網的就地設備控制層之間不需要通信，而不同中間控制層之間實現數據交互和通信，根據不同微網之間的運行和負荷特性進行協調控制，微網能量分析和管理系統將所有中間控制層上送的數據進行匯總和分析，并根據微網運行情況和需求發送指令至中間控制層，實現能源的綜合分析和管理。

3.2 系統分層管理

3.2.1 微網就地設備控制層

微網就地設備層主要完成實時數據采集、分布式電源輸出控制、負荷控制，并將數據上送至中間管理層。

數據采集主要包含分布式電源本體、儲能系統、光伏系統和負荷系統的實時數據，主要包含電氣參數和熱力參數，具體見表1。

微網就地設備控制層的控制主要是對分布式電源的輸出功率、出力、燃料進氣量、冷熱負荷和接收運行模式指令的控制，運行模式控制主要有PQ運行模式、VF運行模式、下垂特性運行模式，根據用戶需求和電網狀態調節微網在并網、離網和并離網切換的運行模式。

表1 數據采集

3.2.2 微網中間控制層

微網中間控制層接收就地控制層發送的設備運行數據，通過分析制定控制策略，對各控制器進行管理和調度。當檢測到大電網故障時，發命令給就地設備控制層，實現微網與電網斷開，并切換到并／離網控制模式，微網進入孤島運行模式。當檢測到大電網恢復后，運行控制模塊指令切換到離／并網模式，微網進入并網運行。微網中間控制層儲能系統的充放電狀態進行檢測，根據系統需求對蓄電池進行充放電管理，并對儲能裝置的運行方式（PQ、VF）、輸出有功、無功功率進行控制。中間控制層對微網內的負荷根據重要程度分為敏感負荷、一般負荷、可中斷負荷，根據檢測到的負荷大小分配微電源的處理，保持微電源與負荷之間的平衡，在微電網孤網運行時，切除可中斷負荷或一般負荷，保證敏感負荷的正常供電。

3.2.3 微網能量管理層

能量管理層采集中間控制層上傳的微網實時數據信息、分布式電源信息、負荷信息等，實現微網的調度、管理和控制，實現冷、熱、電各種能源的綜合優化，跟根據用戶需求和電網狀態，實時調整控制策略和運行模式，實現微網的經濟和安全穩定運行（圖2）。具體主要有以下幾個方面。

圖2 分布式微網能量管理系統網絡結構

（1）數據通信和管理。完成能量管理層與中間控制層的數據信息通訊，將中間層上傳的數據進行畫面顯示、告警處理、曲線顯示等，包含傳統電網能量管理系統中SCADA功能，如報表打印、數據統計、歷史數據存儲、權限管理等。

（2）預測功能。主要包含供能預測和負荷預測。其中供能預測是指太陽能發電、風能發電單元的短期及長期發電能力，根據分布式電源的類型、一次能源的變化、發電費用、環境因素、檢修周期等預測分布式電源出力。負荷預測包括冷、熱、電負荷預測，需要根據負荷長期歷史信息和氣象信息，通過預測算法來預測下一時刻負荷信息。根據不同能源價格情況和電網狀態不斷優化運行方式，得到最優最經濟的運行工況。

（3）經濟調度和優化運行。主要指微網并網運行時，不僅要考慮分布式DR提供冷熱電能、有效利用可再生能源、保護環境、減小燃料費用等，還需要考慮微網與大電網之間的電能交易。在滿足微網安全性、可靠性和供電質量要求條件下，考慮購售電價、微網安全性、各分布式電源技術性能、環保等因素，經濟調度各分布式電源和儲能設備的功率以及與大電網之間的功率交換，實行微網運行的經濟成本最小。

（4）控制策略管理。微網系統采用了大量電力電子元件，且存在多種運行模式，微網系統旋轉儲能較低，缺乏負荷跟蹤能力，在并網運行和孤島運行模式變化下，與傳統電網相比缺少穩定性，微網系統的過負荷能力與傳統電網相比很差。所以對微網系統采用多種控制策略和控制方法，對提高微網穩定性具有重要意義。

分布式DR控制方法主要有PQ控制、下垂控制和VF控制三種。在正常情況下，微電網并網運行，所有分布式DR采用PQ運行方式，此時為電網的電壓和頻率就是微網的電壓和頻率，微網內部的分布式電源工作在電壓源或電流源狀態，在不同控制策略的控制下，調整各自功率輸出。微網中分布式電源提供的功率滿足不了微網中負荷的需求時，微網可以從配電網吸收能量，反之，當微網中分布式電源功率過剩時，微網可以向配電網輸送能量。當配網出現電壓驟升、驟降、不平衡和諧波等電能質量問題或有計劃檢修時，微電網轉入孤島運行模式，此時一個分布式DR采用PQ作為主電源運行，而其他分布式DR采用VF運行模式，此時的電壓和頻率由主電源負責調節。

4 微網能量管理和控制方案

微網能量管理系統在并網運行方式下，分布式能量管理系統控制微電源采用PQ運行方式，并根據用電負荷、供熱負荷、供冷負荷，調節分布式DR煙氣量、輸出功率、調節光伏逆變器運行方式、通過BMS和PCS調節儲能系統存儲狀態，并根據電網的電壓、頻率、電流和輸入功率實現調節微電網中間層的控制策略（表2）。

在孤島運行方式下，分布式能量管理系統控制一個穩定的微電源采用VF，其余分布式DR采用PQ控制運行方式（表3）。

微網能量管理系統根據分布式電源的類型、一次能源的變化、發電費用、環境因素、檢修周期情況預測分布式電源出力，不同能源價格情況下的經濟運行情況，優化運行方式，得到最優最經濟的運行工況。

表2 并網運行管理

根據能源價格和供能價格，微網管理系統進行運行統計數據實時計算，根據表4可以計算出系統供能成本、收入、發電量、供熱量、供冷量，并根據一次能源價格、電價、蒸汽價格和冷價格進行實時統計和調整，指導微網供能系統優化運行。

5 結語和展望

隨著分布式微網和多能源互補微網的快速發展，而微網的能量管理和控制技術是微網的核心，同時也是微網技術研究重點和難點，本文對分布式微網能量管理系統結構和能量管理方案進行介紹和簡要分析，研究了微網管理系統分層控制結構、優化管理方案和控制策略。

表3 孤網運行管理

表4 能效管理計算

未來的微網結構設計應以其結構特性為基礎，考慮基本因素對微網結構影響，在滿足用戶對電能多樣性需求以及微網靈活配置功能實現的基礎上，微網結構設計還需要考慮運行的經濟性、可擴展性以及易維護等，并將做進一步研究。

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