考慮運行方式優化的微電網經濟調度模型研究

楊繼黨

（云南電網有限責任公司保山供電局，云南 保山 678000）

0 引 言

微電網主要位于低壓側，與用戶距離較近，線路損耗較少。大部分微電源都具有環保性能，但是引入清潔能源后，功率穩定性相對較差，需要與大電網進行配合?？傮w來說，微電網的發電成本比大電網，還具有削峰填谷的性能，在儲能方面具有重要的作用。為了進一步優化電網的運行方式，可以對粒子群優化等智能算法進行應用，得到最優的調度結果。

1 微電網的結構

微電網結構中包含多個設備和裝置，其中微電源負責供電，能量存儲設備具有存儲的功效，控制管理設備能夠進行統一管控。此外，微電網中還安裝了復合裝置。微電源的類型較多，對于電池來說，主要有蓄電池以及光伏電池；對于發電機來說，主要有柴油和風力發電機。微電源中還包含微型燃氣輪機，這些微電源能夠組合應用，滿足持續供電的要求，如果電能較多，還可以對多余的電能進行轉化。需要注意的是，新能源的微電源并不穩定，很容易受到環境的影響，具有不可抗性。因此，微電網經濟調度并不考慮新能源微電源。與之相比，微型燃氣輪機以及柴油發電機更加穩定，能夠持續輸出功率，而且還能人工進行控制并調整功率參數。儲能裝置的操作和控制比較靈活，可將其當成補償裝置，減少不可控因素對微電網的影響，以此來提升電網輸電的穩定性。

微電網的結構并不固定，有不同類型的結構，還有靈活的組網形式。我國網架結構形式較多，從高低壓的角度來看，主要有高壓和低壓組合結構。除此之外，還有單向和三相組合結構的微電網。微電網主要是為了預防大范圍的停電事故，保證穩定供電。美國微電網的電源主要是分布式電源，微電網結構中還包含控制管理系統等。結構中含有敏感負荷和非敏感負荷，當電網系統故障，功率無法滿足運行需求時，就會切除對應的線路，對非敏感負荷進行控制，確保持續供電。如今，各個國家的用電負荷不斷增加，發電原料短缺，微電網模型能夠提高能源的利用率。在微電網模式下，對刀閘進行控制。閉合的情況下，微電網會進入到并網運行的狀態，實現雙向流動，此時微電網就是一個大型電網的電源。刀閘斷開的情況下，進入到孤網運行的狀態，對電源機組進行控制，以此來調整負荷，保證微電網運行的穩定性。

2 微電網的數學模型

2.1 風力發電

對微電網的經濟調度進行研究的過程中，最先要做的就是建立數學模型，主要包含微電源的模型以及儲能裝置的模型。由于發電時需要遵循不同的約束條件，因此數學模型也存在約束條件，在某種約束條件下形成非線性函數，需要使用更先進、更高效的智能算法。對風力發電機的特點和模型進行分析，風力發電機可以有效利用自然環境中的風能，具有廣闊的發展前景。圖1顯示了風力發電機的工作流程，可以根據該步驟進行建模。建模的過程中，先設定初始風速，與實際風速進行比較。如果比初始風速低，則發電機組不會運行；如果比初始風速高，則發電機組就會正常運行。風速變大后，輸出功率也會逐漸增加，超過限定最高值后，功率就不會再升高或降低，而是會一直保持最大值的狀態。需要注意的是，如果實際風速過大，工作人員要及時關閉發電機，避免發電機設備發生故障。

圖1 風力發電機工作流程

2.2 光伏電池

光伏發電對太陽能資源進行了利用，這是一種可再生的資源，使用該能源不會對環境造成破壞，光伏發電的發電量和太陽能量聯系緊密。在能源短缺的環境條件下，應當加強對清潔能源和可再生能源的利用，大力開發太陽能，發展和應用光伏電池。光伏電池中比較常用的為硅電池，電子在吸收和釋放光能方面具有重要的作用，能夠形成電子-空穴對，進而形成電動勢差。如果將硅電池和外部電路相連，就會向外部輸電。光伏電池的發電方式受環境影響較大，晶體結構和負載阻抗也會對光伏發電的穩定性產生影響，在不同的條件下，輸出功率也會產生較大的差異。

光伏電池輸出功率公式為：

式中：P表示光伏電池輸出功率；γ表示光輻射強度；ηm表示最大功率點處于跟蹤狀態時的效率；Ap表示太陽能發電面積；ηp表示利用效率；θ表示照射角度。在優化的過程中，考慮到眾多影響因素，給出各個時段的出力曲線，根據出力曲線進行優化調度。

2.3 微型燃氣輪機

該裝置屬于微型熱動裝置，是一種新發明的裝置。微型燃氣輪機是發電系統的重要組成部分，系統中還存在永磁發電機。系統的設備主要有整流器、逆變器、濾波器這3種設備，額定功率處于25～300 kW。在移動氣體的過程中，可以轉化機械能，在發電機的作用下轉化動能，最終形成電能。微型燃氣輪機具有較強的環保性能，不會嚴重破壞自然環境。機組非常輕，沒有安裝潤滑和減速等系統，減少了發電的成本。發電的時候，可以對燃料和空氣體積進行調整，減少對大電網的影響，表現出較好的輸出性能。

燃料成本的計算公式為：

式中：C表示天然氣費用；LHV表示天然氣低熱值；PMT表示輸出功率；ηPMT表示工作效率。

2.4 柴油發電機

該設備運行之后，柴油燃燒會產生一定的能量，可以將這部分能量轉化為電能。旋轉曲軸和推動活塞，空氣和柴油蒸汽彼此相混，壓縮時會出現升溫現象，到達燃點后，氣體開始燃燒。曲軸將柴油機和發電機相連，在電磁感應的作用下形成電動勢，在閉合回路中產生電流。

3 微電網經濟調度模型的構建方法

3.1 微電網能量管理系統

系統中最主要的就是軟硬件以及通信技術，采用了歐洲微電網結構標準，管理系統有3個體系，主要為基礎體系、管理體系以及并網體系，表現為網狀結構，圖2為微電網的集中控制架構。其中，基礎體系主要有負荷控制器（LC），還有微電源控制器（MC）；管理體系為分布式管理，即DMS；并網體系主要有中央控制器，即MGCC。3個體系互相輔助，在開關控制器閉合的情況下，分布式管理會向中央控制器發送命令，進一步將命令發送給負荷控制器與微電源控制器，以此來帶動系統運行，其運行過程如圖3所示。在開關控制器斷開的情況下，中央控制器無法接受命令，可以直接發出決定，確保微電網能夠進行經濟調度。微電網能源管理系統能夠做出科學的決策，其中包含多種可調解變量，能夠更好地進行優化。例如，優化電壓逆變器接口母線，以此來調整電壓，還可以對電流逆變器進行調整，使接口電流更加優化[1]。

圖2 微電網集中控制架構

圖3 能量管理系統運行過程

3.2 微電網運行調度策略

對于并網微電網系統的運行調度來說，必須要讓系統滿足負載的需求，充分考慮微電源的輸出功率，使微電網的電能和大電網進行交互。在實際進行調度時，風力和光伏發電的輸出功率不夠穩定，要根據最大跟蹤功率點的情況進行調度，按照最大功率的情況出力。對于微型燃氣輪機的優化調度來說，在發電的過程中會產生一部分熱能，能夠按照梯級利用的方式使用電能，可以優先使用微型燃氣輪機。在優化調度的過程中，還可以參考負荷需求，在微電源和大電網的共同作用下滿足用電負荷的需求。為達到這一目的，可以制定購售電計劃，如果微電網總電量無法滿足需求時，可以從大電網進行購電。反之，如果微電網存在過多的電能，可以用蓄電池進行存儲，也可以將多余的電能出售給大電網。大電網購電和售電的價格如表1所示[2]。

表1 微電網在不同時段向大電網購電和售電的價格

對于孤網微電網系統的運行調度來說，不必考慮購電和售電，在孤網運行的狀態下，微電源的發電和儲電基本能夠滿足用電負荷的需求。能源發電的調度策略同并網運行狀態下的調度策略一致。計算4種微電源的最小輸出功率綜合，將其與負荷需求進行比較，分析兩者的關系。如果最小輸出功率總和≥負荷需求，那么微型燃氣輪機和柴油發電機就是最小輸出功率，對蓄電池進行控制時，確保放出電量恰好能夠與負荷需求相適應。如果最小輸出功率總和＜負荷需求，放出的電量無法滿足需求，此時需要讓蓄電池處于完全放電的狀態。將放電電量的總和與負荷需求進行比較，如果4種微電源放電量的總和較大，就按照粒子群算法進行優化[3]。

3.3 運行模型算法的選擇

微電網多目標優化經濟運行有較多難以控制的影響因素，過去一般會采用線性算法，但是無法得到最優解。對此可以采用粒子智能算法，經過多次迭代后，找到電網經濟運行的最優解。粒子群優化算法即POS算法，運用該算法時要先初始化位置和速度等參數，根據值函數進行評估，判斷各個粒子是否適合，根據判斷分析的結果更新最優位置。比較新的粒子與原本的粒子，如果新粒子所在位置更高，就用新的位置代替原本的位置，通過逐步比較的方式更新算法位置，最終得出微電網經濟調度的最優解。

4 結 論

微電網經濟調度的數學模型需要考慮運行成本、環境成本，對微電源處理模型進行設計，分析各個微電源輸出功率的影響因素，在并網運行模式和孤網運行模式下采用不同的經濟調度策略和優化運行策略。利用粒子群智能算法時，應當參考環境、運行和綜合成本，在多種約束條件下得出最優解，根據最優解進行優化調度。