孤島和并網模式下的微網能量管理

張麗娜，王金梅，霍 達

（寧夏大學物理與電子電氣工程學院，寧夏銀川750021）

孤島和并網模式下的微網能量管理

張麗娜，王金梅，霍 達

（寧夏大學物理與電子電氣工程學院，寧夏銀川750021）

針對微網運行時分布式電源的出力對微網經濟性的影響，提出一種優化微網經濟運行的能量管理模型。該模型在孤島和并網兩種模式下分別構建以系統運行成本最小為目標的目標函數，設計了經濟運行策略，并采用粒子群優化算法進行求解，實現微網在孤島和并網兩種模式下的經濟運行。以一個小型直流母線型微網系統為例，驗證所提模型的有效性，驗證結果表明，該能量管理模型能夠有效實現微網的經濟運行。

微網；能量管理；分布式電源；粒子群算法

1 引言

微電網優化運行中的重要內容之一是微網的經濟性。微網孤島運行時分布式電源之間的出力，以及并網運行時微網與大電網間的能量交換，都會對微網經濟運行造成影響，因此如何協調分布式電源以及大電網的出力，已成為微網經濟運行的關鍵。

文獻［1］從日前與日內兩個時間尺度對微網能量進行協調控制，優化各發電單元和需求側管理負荷的啟停機狀態，及其有功出力值；文獻［2］提出的能量管理策略對儲能單元與分布式電源統一建模，將儲能智能管理、經濟負荷分配、運行效益優化等多目標優化問題轉化成單目標優化問題進行求解；文獻［3］建設了實驗室微網監控平臺，提出了能量管理系統的構成、任務和工作流程，并對其中經濟調度和優化運行的數學建模方法進行了詳細描述。文獻［4］將切負荷和卸負荷作為調節功率的手段，提出微網實時能量優化調度方法來解決獨立運行模式下的微網能量管理問題。

本文主要研究微網在孤島和并網兩種模式下運行時分布式電源的出力對微網經濟性的影響，構建了能量優化管理模型，來優化分布式電源、儲能單元、負荷和電網之間的能量流通，實現微網在孤島和并網兩種模式下運行成本最低的目標，提高微網系統運行的經濟性。

2 微網的基本結構

微網系統的網絡拓撲結構通常根據系統中母線類型的不同劃分為直流母線型微網、交流母線型微網和交直流混合母線型微網3種。本文以直流母線型微網系統為例，其結構如圖1所示，系統中的光伏電池（PV）等直流發電單元、蓄電池等直流儲能單元都通過直流－直流變換器連到直流母線上，風力發電機（WT）等交流發電單元、交流儲能單元都通過交流－直流變換器連到直流母線上，接著直流母線再通過逆變裝置連接到外部大電網或給本地負荷供電。直流母線型微網系統通過電力電子變換裝置可以向不同電壓等級的交流、直流負荷提供電能，儲能裝置可在直流側補償分布式電源和負荷產生的波動。

圖1 直流母線型微網系統

3 能量管理模型

以一天的24小時為一個運行周期來考慮分布式電源出力情況、儲能單元剩余容量、負荷需求和電價信息，合理規劃分布式電源和儲能單元的出力，使總體運行成本降到最小。采用的經濟運行策略如下。

（1）由于WT和PV是再生能源，不直接消耗燃料，環境污染小，則優先使用該機組發出的電能；

（2）燃氣輪機（MT）的出力由負荷決定；

（3）當分布式電源發出的電能能夠滿足負荷需求時，可將剩余電能出售給大電網；

（4）當分布式電源發出的電能不能滿足負荷需求時，根據 MT的電量成本，經濟調度其出力或從大電網購電能來補充剩余負荷需求。

2.1 目標函數

（1）孤島模式下，在保證本地負荷需求的前提下，以總的發電成本最小為目標構建目標函數，即

式中：N為分布式電源的個數；T為一個運行周期劃分的時段數；PGi（t）、BGi（t）分別為第i個分布式電源在時段t發出的功率和電量報價。

（2）并網模式下，綜合考慮分布式電源的發電成本以及微網與大電網之間的能量交換情況，以微網運行成本最小為目標建立目標函，即

式中：G（t）為t時段微網與大電網能量的交互情況，當 G（t）大于 0 時表示從電網購電，當 G（t）小于0時表示向電網賣電；B（t）為t時段電網電價。

2.2 約束條件

（1）功率平衡約束

式中：PG（t）為t時段發電單元輸出的功率；PE（t）為t時段儲能單元發出或吸收的功率；PL（t）為t時段負荷需求的功率。

（2）有功出力約束（孤島和并網模式）

（3）蓄電池的充放電約束（孤島和并網模式）

用蓄電池的剩余能量狀態Ssoc來衡量儲能裝置的剩余儲能量，則：

式中：PB（t）為充放電功率；Δt為充放電時間；Bstor為儲能裝置的總容量。

則蓄電池的充放電約束為：

4 算例分析

以一個小型直流微網系統為例，采用可更新權重因子和學習因子的粒子群算法對模型進行求解，算法流程如圖2所示。

圖2 算法流程圖

求解過程中的主要數據如表1所示。

表1 分布式電源的出力及電量報價

一天中的負荷需求曲線如圖3所示。

圖3 負荷曲線

圖4所示為孤島模式下采用可更新權重因子和學習因子的粒子群算法的能量管理的優化計算結果。在00：00－08：00時負荷需求較小，光伏電池PV還未啟動，風機WT單獨運行發出的電能不足以滿足負荷電能要求，則系統啟動燃氣輪機MT，由兩者共同給負荷供電。隨著PV的啟動，由PV和WT發出的電能足以滿足負荷的需求，同時可將剩余能量儲存在蓄電池當中，此時MT發電所占比例很小甚至關閉。當下次負荷高峰來臨時，蓄電池儲存的能量可以釋放出來給負荷供電，會減小MT的發電量。這樣，不僅充分利用了可再生能源發出的電能，還減小了燃氣輪機的燃料損耗，既具有經濟性又具有環保價值。

圖4 孤島模式能量管理的優化結果

并網模式下，由于微電網要與大電網進行能量交互，則在不同時段從電網購電的電價和向電網售電的電價對能量管理的優化結果有一定的影響。電網時段的劃分及每時段從電網購電和向電網售電的電價如表2所示。

表2 購電、售電電價表

并網模式下，采用可更新權重因子和學習因子的粒子群算法的能量管理進行優化計算，其結果如圖5所示。電價谷時段（00：00－08：00）時電網電價較低，從電網購電，在滿足本地負荷需求的基礎上向蓄電池充電；電價平時段盡量不從電網購電，由蓄電池儲存的能量給剩余負荷供電；電價峰時段（11：00－15：00）由于向電網的售電電價較高，將蓄電池儲存的能量以及PV、WT的剩余能量最大化地輸送給電網。在整個運行期間，由于燃氣輪機的電量成本高于從電網購電的成本，所以燃氣輪機處于停機狀態，這樣既保證了供電的穩定性，又節約了燃料成本。同時使蓄電池工作在“削峰填谷”模式下，有利于充分利用電能、緩解供電壓力。

通過算法的計算結果可以得出下面結論。不采用能量管理總運行成本為1296元。采用能量優化管理策略后，孤島模式下微網總的運行成本為1010.8元；并網模式下微網總的運行成本為894.67元。采用這種能量管理模型無論對微網系統還是大電網都有一定的好處。對微網系統來說，孤島運行時，能量管理模型充分考慮了負荷需求和分布式電源的電量成本，降低了燃料成本，具有一定的環保價值；與大電網并網運行時，不僅提高了微網系統的供電可靠性，還提高了微網運行的經濟性。對于大電網來說，微網系統的存在，有助于減小電網阻塞，緩解電網高峰時段的電力供需矛盾。

5 結束語

本文主要研究微網孤島和并網運行時分布式電源的出力對微網經濟性的影響。構建了使微網系統運行成本最小的能量優化管理模型，以優化分布式電源、儲能單元、負荷和電網之間的能量流通。并采用可更新權重因子和學習因子的粒子群算法對模型進行求解，驗證結果表明，該模型能夠實現微網系統的經濟運行。

［1］郭思琪，袁 越，張新松等.多時間尺度協調控制的獨立微網能量管理策略［J］.電工技術學報，2014，（02）：122－129.

［2］陳昌松，段善旭，蔡 濤等.基于改進遺傳算法的微網能量管理模型［J］.電工技術學報，2013，（04）：196－201.

［3］張建華，蘇 玲，陳 勇，蘇 靜，王 利.微網的能量管理及其控制策略［J］.電網技術，2011，（07）：24－28.

［4］張建華，蘇 玲，陳 勇等.微網的能量管理及其控制策略［J］.電網技術，2011，（07）：24－28.

［5］石慶均，耿光超，江全元.獨立運行模式下的微網實時能量優化調度［J］.中國電機工程學報，2012，（16）：26－35.

［6］李越，李姝.孤島模式下微網能量管理系統控制策略的仿真研究［J］.華東電力，2014，（06）：1174－1179.

［7］陳 杰，陳 新，馮志陽等.微網系統并網/孤島運行模式無縫切換控制策略［J］.中國電機工程學報，2014，（19）：3089－3097.

［8］王新剛，顧 臻，莊葛巍等.含多個分布式電源的微電網協調控制［J］.華東電力，2014，（11）：2339 －2344.

［9］茆美琴，張永寧，王楊洋等.削峰填谷策略下微電網多時間尺度能量優化［J］.南方電網技術，2016，（08）：23－31.

［10］張 紅，李生珠.一種改進的光伏微網能量管理模型的管理［J］.山東工業技術，2016，（13）：74.

Microgrid energy management in islanding and grid connection mode

ZHANG Li－na，WANG Jin－mei，HUO Da
（School of Physics and Electronic and Electrical Engineering，Ningxia University，Yinchuan 750021，China）

Aiming at the influence of the output power of the distributed power supply on the microgrid economy，an energy management model is proposed to optimize the microgrid economic operation.In the island model and grid－connected mode，the objective function of minimizing the system running cost is constructed.The economic operation strategy is designed and the particle swarm optimization algorithm is used to solve the model to achieve the microgrid economic operation in the modes.Finally，taking a small DC bus type microgrid as an example，the validity of the proposed model is verified.The results show that the energy management model can realize the economical operation of microgrid.

microgrid；energy management；distributed power supply；PSO

TM731

A

1005—7277（2017）03—0045—04

張麗娜（1992－），女，寧夏石嘴山人，碩士研究生，主要研究方向為電工電子新技術及微網相關技術研究。

王金梅（1968－），女，寧夏中衛人，博士研究生、教授，主要研究方向為電力電子技術及新能源發電研究。

霍 達（1992－），男，陜西榆林人，碩士研究生，主要研究方向為電子與通信工程。

2017－01－06