基于多目標優化的含電動汽車充換儲一體化設施的微電網能量管理及協調控制策略研究杜進橋

田杰 秦毅 廖貴臏 劉揚揚

摘要：含電動汽車充換儲一體化設施的微電網由于負荷用電的不確定性，使得微電網聯網功率產生隨機性，造成配電系統電壓波動、功率不平衡等問題。為解決上述問題，開展了基于多目標優化的微電網能量管理及協調控制策略研究，通過微電網需求側負荷分類控制、基于多目標優化的微電網動態運行管理以及微電網日前優化調度等控制策略，實現對微電網的能量優化管理;根據建立的多目標優化策略，對微電網系統上層、下層進行協調控制，并通過微電網能量管理策略優化聯網功率，為含電動汽車充換儲一體化設施的微電網的穩定運行提供理論依據。

關鍵詞：電動汽車;充換儲一體化;微電網能量管理;協調控制策略

0 引言

目前發電系統主要以煤炭等化石能源發電為主，電能的大量使用間接產生了大量碳排放量[1]，對環境產生不利影響。隨著風力發電、光伏發電技術的發展，可再生能源及其發電技術得到了廣泛應用，對于減少環境污染、緩解化石能源消耗等方面起到了積極作用。但是可再生能源發電存在隨機性、間歇性以及不可控等缺點，隨著其滲透率的不斷增加，將會威脅到電網的安全穩定運行。

為了解決上述問題，實現節能減排和環境保護目標，需要對可再生能源并網發電技術進行更加深入的研究，以加強電網對可再生能源的消納能力。微電網作為一種用能方式，可對可再生能源發電進行有效管理，以減少對電網的影響。隨著電動汽車的規模化并網運行，建立含電動汽車充換儲一體化設施的微電網能量管理新模式，并對其協調控制策略進行研究顯得尤為重要。

微電網的能量優化管理通常涉及多個利益主體，是一個多目標優化問題。在求解多目標優化問題時，通常是通過加權等方式將多目標問題轉換為單目標問題，再利用數學規劃方法對其進行求解，以此得到基于某種權值下的最優解[2]。

本文基于多目標優化問題的處理方式，開展含電動汽車充換儲一體化設施的微電網能量管理策略研究，并對其協調控制策略進行詳細的設計說明。

1 基于多目標優化的電動汽車微電網能量管理

1.1 ? ?微電網需求側負荷分類

在對含電動汽車充換儲一體化設施的微電網能量管理策略進行研究時，首先需要對微電網用電側負荷進行分類。本文根據不同負荷的重要性程度，將負荷劃分為第一等級負荷、第二等級負荷和第三等級負荷。其中，第一等級負荷與第二等級負荷是不可控負荷，第三等級負荷為可控負荷。同時，將第三等級負荷進行細化，分為可調負荷和可平移負荷兩種。表1為3種不同等級負荷的具體劃分及對應主要設備。

表1中第三等級設備中的可調負荷可根據微電網運行時的電力價格、溫度等情況對其進行微調，以此可以在不影響電動汽車用戶在使用充換儲一體化設施時的舒適度前提下，提升微電網的經濟效益[3]。

可平移負荷中的各類設備可在不影響用戶體驗、不對社會造成影響和危害的前提下進行切除，這一類型的設備可推遲或提前啟動，調度時間相對自由。通過對這一類型設備的調度可在不改變負荷曲線的基礎上改變整個負荷運行模式，以此對負荷進行最優處理，而第一等級和第二等級中的用電設備負荷不可隨意對其進行調試。第三等級負荷的利用相對更加復雜，通過調節可在一定程度上影響用戶感受。

因此，本文只針對第三等級負荷，對其運行管理目標進行設計。

1.2 ? ?基于多目標優化的微電網動態運行管理策略

在微電網運行過程中，根據前一段時間內微電網的運行狀態數據，利用上述建立的多優化目標函數，得出下一段時間內的最優解，并將最優解作為微電網下一時間段內的動態管理目標。

1.3 ? ?微電網日前計劃規劃

本文基于多目標優化的微電網能量管理策略中，在滿足電動汽車常規換電需求的基礎上，集合上述建立的基于多目標優化的微電網動態運行管理策略，對含電動汽車充換儲一體化設施的微電網日前計劃進行統一安排[5]。根據運行管理目標，首先應當保證充換儲一體化設施對電動汽車換電服務的可行性，在微電網中保證每個時間段的可用能量均大于電動汽車的需求量。

本文提出的微電網動態運行管理目標是一種理想化的微電網能量管理目標，在微電網實際運行時受到預測誤差的影響，僅僅依靠管理目標無法實現最佳的運行效果。因此，在實際運行時應當結合實際運行數據對日前運行計劃進行估算，以降低各項影響因素對微電網實際運行的影響[6]。微電網日前優化運行計劃的具體流程如圖1所示。

2 含充換儲一體化設施的微電網能量管理協調控制策略

2.1 ? ?微電網能量管理協調控制策略

微電網能量管理協調控制策略主要包括兩個層級：

其一為上層能量管理優化協調控制，在能量管理系統中根據上述建立的微電網動態運行管理優化策略，對微電網內部的各類微電源的出力進行優化[7]，從而使微電網整體的運行達到優化目標下的最優;

其二為下層能量優化協調控制，根據上層優化指令，對微電網內各微電源進行協調控制，實現對微電網中分布式電源運行功率的控制，使微電網整體的輸出功率能夠跟蹤優化策略的參考功率。

下面針對微電網能量管理分層協調控制中的兩層協調控制方法進行詳細說明。

2.1.1 ? ?微電網上層能量優化協調控制

微電網上層能量管理優化從微電網的安全、經濟運行角度出發，主要對微電網中各區域控制終端、并網控制設備等進行協調控制，實現微電網的優化運行。

在微電網上層能量管理系統中，以數據采集與監測控制系統作為協調控制基礎，基于經濟性目標，在此基礎上進行微電網能量管理的協調優化分析和計算，從而實現微電網的能量優化與經濟運行。

2.1.2 ? ?微電網下層能量優化協調控制

微電網下層能源主要包括分布式電源控制裝置以及負荷控制裝置，通過對微電網下層分布式電源的優化協調控制，可實現對微電網暫態功率的平衡和負荷的自動化控制，提高微電網系統的安全性、穩定性和可靠性。

在微電網下層結構中，基于低壓測控單元、就地控制器、區域控制終端等，實現對各分布式電源的控制。區域控制終端主要根據系統參數和狀態執行不同的控制策略。在微電網進行并網運行時，區域控制終端通過設定各可控設備的功率指令，實現區域內各電源的協調控制;在微電網離網運行時，區域控制終端控制微電網的主電源按電壓/頻率控制模式運行，實現恒壓恒頻輸出，從而維持微電網在運行過程中的電壓、頻率穩定。

本文引入儲能設備用于保證重要負荷的電能供應[8]。當微電網正常運行時，儲能設備作為受控電源或者備用電源。一旦微電網運行出現問題，通過控制儲能出力，保證微電網內部電壓及頻率的穩定。

2.2 ? ?微電網聯網協調控制

由上述可知，在對微電網能量協調控制時，主要將微電網的能量管理分為上層和下層兩個部分，采用集中控制與分散控制兩種不同協調控制方法相結合的方式。下層能量協調控制作為分散控制的主要控制對象，上層用于實現微電網能量優化管理。在聯網狀態下，在每個控制周期中，每個微電網均看作是單一負荷或發電單元，微電網中所有的發電單元將根據微電網能量優化調度結果，確定在該時間段內各分布式發電裝置的發電功率，進而實現微電網的經濟優化運行。

在微電網聯網協調控制過程中，為了實現微電網的優化運行，需要配置儲能等受控電源或者可控負荷等設備。能量管理系統通過通信接口與微電網中其他控制器進行信息的交互[9]，綜合各種電源、負荷、電網等狀態信息，實現源-網-荷優化運行，協調互動。

3 結語

本文主要針對含電動汽車充換儲一體化設施的微電網的多目標優化能量管理和協調策略進行了研究，通過對當前電動汽車的充電及換電應用市場分析，基于負荷分類控制、多目標能量管理以及日前優化調度等功能，提出了微電網的能量管理協調控制策略，為含電動汽車充換儲一體化設施的微電網提供了經濟運行的有效途徑。

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收稿日期：2020-05-08

作者簡介：杜進橋（1988—），男，甘肅白銀人，碩士，工程師，研究方向：新能源與綜合能源服務。