電能路由器在互聯(lián)微網(wǎng)中的應用研究

梁東義 周建強 呂曉娟 董 巖

（鄭州電力高等專科學校能源與動力工程學院，河南 鄭州 450000）

0 引言

微電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)自我管理、保護和控制，既可以與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行，也能脫離大電網(wǎng)獨立運行。微電網(wǎng)是分布式電源，如分布式光伏、分布式風電、儲能裝置與智能配電系統(tǒng)的有機組合，可以和現(xiàn)有電力系統(tǒng)結(jié)合形成高效靈活的電力系統(tǒng)。微電網(wǎng)包含交流微網(wǎng)和直流微網(wǎng)兩類。其中交流微網(wǎng)具有電壓轉(zhuǎn)換簡單、使用方便等特點；而直流微網(wǎng)是將電源和負荷均連接至直流母線上，直流母線通過電力電子變換裝置連接至外部交流電網(wǎng)，直流微網(wǎng)具有穩(wěn)定高效的特點[1]。因此，未來的電力系統(tǒng)必將是一個包含無數(shù)交、直流微網(wǎng)的系統(tǒng)[2]。電力能量路由器簡稱電能路由器，可根據(jù)實際需要方便地進行電能的轉(zhuǎn)換與分配，電能路由器在多微網(wǎng)互聯(lián)中能夠起到轉(zhuǎn)換樞紐的作用。

將微電網(wǎng)與電能路由器相結(jié)合，在滿足微網(wǎng)自身用電安全的前提下，可以按照市場規(guī)律，根據(jù)電源和負載的功率預測進行發(fā)電、儲能、用電的調(diào)節(jié)與分配[3]。每個微網(wǎng)既能提供電能也在使用電能，同樣可以成為市場交易的主體，通過與大電網(wǎng)進行電量交易，可實現(xiàn)經(jīng)濟效益的最大化。

1 基于電能路由器的多微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

為研究電能路由器在互聯(lián)微網(wǎng)中的應用，設計了多微網(wǎng)互聯(lián)試驗系統(tǒng)，包含三個微網(wǎng)，三者可通過以下三種方式實現(xiàn)靈活互聯(lián)。兩個交流微網(wǎng)可分別或同時與市電系統(tǒng)并網(wǎng)運行；兩個交流微網(wǎng)可實現(xiàn)互聯(lián)，組成單一交流微網(wǎng)，離網(wǎng)或并網(wǎng)運行；三個微網(wǎng)通過四端口電能路由器實現(xiàn)互聯(lián)，通過電能路由器實現(xiàn)電量的調(diào)度與分配，可離網(wǎng)和并網(wǎng)運行。并網(wǎng)方式分為通過能量路由器并網(wǎng)和通過交流微網(wǎng)并網(wǎng)兩種。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中交流微網(wǎng)的母線電壓為380 V。交流微網(wǎng)Ⅰ主要設備包括：4 kWp單晶硅光伏發(fā)電系統(tǒng)1套；12 kVA鉛酸電池與0.5 kW超級電容聯(lián)合儲能系統(tǒng)1套；1 kW垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)1套；10 kW RLC可編程負載1套；智能交流充電樁1套，智能空調(diào)1臺。交流微網(wǎng)Ⅱ配置與交流微網(wǎng)Ⅰ基本相同，主要設備有：4 kWp多晶硅光伏發(fā)電系統(tǒng)1套；12 kVA鉛酸電池與0.5 kW超級電容聯(lián)合儲能系統(tǒng)1套；1 kW水平軸風力發(fā)電系統(tǒng)1套；3 kW模擬風力發(fā)電系統(tǒng)1套；空氣能熱水器1套；10 kW RLC可編程負載1套。另一個為直流微網(wǎng)，母線電壓為300 V。直流微網(wǎng)主要設備：2 kWp薄膜非晶硅光伏發(fā)電系統(tǒng)1套；10 kW磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)1套；5 kW直流可編程負載系統(tǒng)1套。

圖1 基于電能路由器的多微網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)

三個微網(wǎng)通過電能路由器與實驗室380 V配網(wǎng)連接并網(wǎng)。電能路由器功率為30 kW，有3個0.4 kV交流端口、1個300 V直流端口，2個交流端口分別接交流微網(wǎng)Ⅰ和交流微網(wǎng)Ⅱ，第3個交流端口與交流0.4 kV市電系統(tǒng)連接，1個直流端口與直流微網(wǎng)進行連接。通過電能路由器，微電網(wǎng)可以從外網(wǎng)獲取能量，也可以向大電網(wǎng)輸送能量，還可以在不同的微電網(wǎng)之間進行能量輸送，從而實現(xiàn)電能的競價購銷。

2 基于電能路由器的多微網(wǎng)互聯(lián)調(diào)度策略

在多微網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)中，為實現(xiàn)微網(wǎng)間的能量監(jiān)控與調(diào)度功能，配置微網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和微網(wǎng)間的智能調(diào)度系統(tǒng)。其中三個微網(wǎng)各配一個專用的微網(wǎng)控制系統(tǒng)、獨立的通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)對單個微網(wǎng)的監(jiān)控；另外，對三個微網(wǎng)配置一套互聯(lián)微網(wǎng)控制系統(tǒng)，能夠?qū)﹄娔苈酚善鳌⒙?lián)網(wǎng)設備進行監(jiān)控；為監(jiān)測氣象數(shù)據(jù)及電能質(zhì)量，安裝氣象監(jiān)測儀和電能質(zhì)量監(jiān)測儀，配置基于D5000平臺的多微網(wǎng)智能調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)對三個微網(wǎng)的集中管理和能量優(yōu)化調(diào)度。

2.1 優(yōu)化調(diào)度原則

多微網(wǎng)智能調(diào)度是本系統(tǒng)的最高調(diào)度層，通過電能路由器完成多個微電網(wǎng)之間的能量優(yōu)化分配，驗證多微網(wǎng)互聯(lián)的運行模式及應用場景。調(diào)度層包括數(shù)據(jù)服務器和監(jiān)控服務器，能實時發(fā)布多微網(wǎng)互聯(lián)的發(fā)電、用電信息，以實現(xiàn)信息共享。優(yōu)化調(diào)度原則：首先是安全原則，即保證各微電網(wǎng)自身的負載需求及能量平衡[4]；當無法滿足自身需求時，進行微網(wǎng)間的能量分配與調(diào)度，同時，不能滿足能量平衡的微電網(wǎng)可根據(jù)負載情況切除次要負載或切除電源；如某個微電網(wǎng)發(fā)生故障，能夠迅速自動隔離。其次是經(jīng)濟效益最大化原則，根據(jù)多微網(wǎng)互聯(lián)調(diào)度策略，實現(xiàn)電能的經(jīng)濟調(diào)度。基于電能路由器的多微網(wǎng)互聯(lián)智能調(diào)度系統(tǒng)接收到微電網(wǎng)發(fā)出的電量需求時，根據(jù)已知的發(fā)電、用電以及天氣狀況等信息向其他微網(wǎng)發(fā)出調(diào)度指令，并通過電能路由器進行分配；單個微網(wǎng)控制系統(tǒng)也可根據(jù)自身運行情況實施優(yōu)化調(diào)度，自主確定剩余電量是上網(wǎng)、存儲還是響應能量調(diào)度系統(tǒng)的調(diào)度。

該調(diào)度系統(tǒng)還具有對發(fā)電功率和負荷需求進行預測的功能，可根據(jù)預測結(jié)果制定調(diào)度計劃。同時接受當?shù)嘏渚W(wǎng)的調(diào)度，并主動上傳多微網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)的基本信息。

2.2 多微網(wǎng)互聯(lián)優(yōu)化調(diào)度

2.2.1 基于新能源電能消納的優(yōu)化調(diào)度

按照一定的調(diào)度策略來調(diào)節(jié)分布式電源的發(fā)電功率和運行狀態(tài)，以確保在滿足負荷的條件下盡可能多地使用清潔能源，同時要保證分布式電源電量全部就地消納，且不向電網(wǎng)反送功率，避免逆功率保護動作造成系統(tǒng)停電。為了實現(xiàn)這一控制目標，需對三個微網(wǎng)的分布式電源發(fā)電功率、負載功率、氣象信息等一系列參數(shù)進行實時采集，在綜合分析的基礎上，實時計算出對每個微網(wǎng)分布式電源的調(diào)節(jié)目標，并采用遙調(diào)遠傳通道下達調(diào)節(jié)命令，改變分布式電源的輸出功率，改變電能路由器傳輸功率的大小和方向；通過遙控控制開關(guān)分、合閘以切入或切除分布式電源。

2.2.2 基于微網(wǎng)自身經(jīng)濟效益最大的優(yōu)化調(diào)度

根據(jù)當前的新能源并網(wǎng)政策，微網(wǎng)不僅可以和大電網(wǎng)進行電能交易，微網(wǎng)間也可以自由進行電量交易。基于電能路由器的多微網(wǎng)互聯(lián)電能交易策略是在此基礎上進行的、開放交易環(huán)境下的多微網(wǎng)互聯(lián)調(diào)度方法。首先是以單個微電網(wǎng)收益最高為目標的優(yōu)化問題，可通過對微網(wǎng)內(nèi)部各分布式電源制定合理的調(diào)度策略，再根據(jù)電網(wǎng)分時段峰谷電價與自身電量需求，合理安排每個微網(wǎng)的電源功率、儲能系統(tǒng)荷電狀態(tài)，最終實現(xiàn)微網(wǎng)經(jīng)濟效益最優(yōu)，降低運行成本；基于電能路由器的多微網(wǎng)互聯(lián)智能調(diào)度系統(tǒng)還能夠?qū)ξ⒕W(wǎng)間的優(yōu)化問題進行協(xié)調(diào)，如可能引發(fā)的交易沖突等。

3 基于電能路由器的多微網(wǎng)互聯(lián)經(jīng)濟調(diào)度實驗

3.1 基于電能路由器的微網(wǎng)間電量交易條件

當多微網(wǎng)系統(tǒng)中的微電網(wǎng)進行電能交易時，需滿足以下條件：

1）各微網(wǎng)首先滿足自身重要負荷的需要，仍有多余的電量時才進行網(wǎng)間交易。

2）網(wǎng)間交易之前，各微網(wǎng)向調(diào)度系統(tǒng)提供其售電價格，微網(wǎng)的售電價格Ps應滿足PTD＜Ps＜PTS，其中，PTD代表某個微網(wǎng)有多余電量時向大電網(wǎng)售電的價格；PTS代表某微網(wǎng)電量不足時向大電網(wǎng)購電的價格。只有某微網(wǎng)有多余電量且滿足其在微網(wǎng)間的售電價格低于其他微電網(wǎng)向大電網(wǎng)購電的價格，高于其向大電網(wǎng)售電的價格時交易才能實現(xiàn)。

3）微網(wǎng)間電量交易時還需要外部電網(wǎng)的支持，比如配網(wǎng)的線路容量等。使用線路容量就需要一定的配套服務費，服務費用的多少視線路交易電量的多少而定。

4）如果各微網(wǎng)均有需求，但微網(wǎng)內(nèi)部電量不足時，使用采購價格優(yōu)先的策略，即競價購電的原則，優(yōu)先保證出價高的微網(wǎng)的用電需求。

5）微網(wǎng)內(nèi)可以根據(jù)氣象數(shù)據(jù)預測及負荷需求預測確定其售電和購電價格，并將這些信息上傳至多微網(wǎng)互聯(lián)調(diào)度層。

6）多微網(wǎng)互聯(lián)調(diào)度層收集所有數(shù)據(jù)并公布給下屬所有三個微電網(wǎng)控制層。

7）微電網(wǎng)控制層根據(jù)所公布數(shù)據(jù)設立的優(yōu)化目標函數(shù)，考慮多個約束條件，運用求解算法得出各自的最優(yōu)調(diào)度計劃，并上報給多微網(wǎng)互聯(lián)調(diào)度層。

8）多微網(wǎng)互聯(lián)調(diào)度層審核各微網(wǎng)的調(diào)度方案，按照優(yōu)化調(diào)度原則協(xié)調(diào)各微網(wǎng)交易中的沖突問題，并將協(xié)調(diào)結(jié)果反饋給各微網(wǎng)，各微網(wǎng)按照多微網(wǎng)互聯(lián)調(diào)度系統(tǒng)的指令執(zhí)行電量交易。

3.2 基于電能路由器的微網(wǎng)間電量交易方案

微網(wǎng)間根據(jù)電價、內(nèi)部電量需求與發(fā)電預測信息，制定內(nèi)部可調(diào)電源的調(diào)度方案和購售電計劃，并上報多微網(wǎng)智能調(diào)度系統(tǒng)。多微網(wǎng)互聯(lián)調(diào)度系統(tǒng)對各微網(wǎng)上報的購電和售電計劃進行協(xié)調(diào)，確定最佳交易方案。各微網(wǎng)均把自身經(jīng)濟效益最大作為調(diào)度目標，設立優(yōu)化目標函數(shù)，綜合考慮交易成本及微網(wǎng)自身的運行維護費用、電池充放電經(jīng)濟效益等因素，同時考慮微網(wǎng)負荷平衡約束、儲能系統(tǒng)運行充放電深度約束等條件，得出最優(yōu)運行計劃[5]。

3.3 基于電能路由器的調(diào)度方法

各微網(wǎng)根據(jù)自身的發(fā)用電需求得到各自的調(diào)度方案，并將此方案上傳至多微網(wǎng)互聯(lián)調(diào)度系統(tǒng)。多微網(wǎng)互聯(lián)調(diào)度系統(tǒng)來協(xié)調(diào)解決微網(wǎng)間調(diào)度計劃的沖突問題，具體的協(xié)調(diào)方法如下：

1）根據(jù)各微網(wǎng)的交易方案生成交易矩陣Amn，其表示微網(wǎng)m計劃與微網(wǎng)n交易的電量。對三個微網(wǎng)交易矩陣中的元素進行匹配，如果交易中有需求的重合，則重合部分視為匹配成功，沒有得到滿足的電量作為電量缺額或電量余額進行再次匹配。

2）有電量需求的微網(wǎng)根據(jù)其購電價格的高低進行排序，購電價格高的優(yōu)先得到滿足，根據(jù)各微網(wǎng)的購電價格確定其購電的次序。

3）互聯(lián)微網(wǎng)通過電能路由器與大電網(wǎng)相連，當微網(wǎng)內(nèi)部的電量經(jīng)過調(diào)度后仍有缺額，則由大電網(wǎng)補足，如果微網(wǎng)內(nèi)部有多余電量無法交易，則由大電網(wǎng)接收多余電量，從而實現(xiàn)微網(wǎng)的能量平衡。

3.4 基于電能路由器的優(yōu)化調(diào)度實驗

該多微網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)為微電網(wǎng)能量交易調(diào)度算法開發(fā)了專門的實驗模塊，用于對調(diào)度算法的研究及實驗效果進行分析。優(yōu)化調(diào)度算法需要各微網(wǎng)分布式發(fā)電設備信息、負荷曲線、分時電價信息等。本實驗系統(tǒng)采用真實系統(tǒng)信息與部分人工設定信息相結(jié)合的原則，具體如下：

3.4.1 配置信息

微電網(wǎng)的分布式發(fā)電設備信息使用三個微電網(wǎng)的真實信息，各個微電網(wǎng)內(nèi)的風電和光伏運行在最大功率跟蹤模式，發(fā)電預測信息使用系統(tǒng)真實的發(fā)電預測結(jié)果數(shù)據(jù)。日負荷曲線、分時電價采用人工設定信息，外部配電系統(tǒng)服務費采用人工設定。

整個優(yōu)化調(diào)度實驗需在微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和多微網(wǎng)互聯(lián)調(diào)度系統(tǒng)中協(xié)同完成，產(chǎn)生調(diào)度指令對微電網(wǎng)進行實時控制，實驗結(jié)束后可對實驗結(jié)果進行對比分析，如可分析不同分時電價政策下的各微電網(wǎng)交易量、微電網(wǎng)效益優(yōu)化結(jié)果等。

用瀏覽頁面配置系統(tǒng)參數(shù)，如圖2所示，該視圖分為價格信息配置和預測數(shù)據(jù)配置，價格信息配置顯示電價相關(guān)配置信息，預測數(shù)據(jù)配置顯示負載、風速、光照強度的配置信息。

圖2 配置預覽界面

3.4.2 優(yōu)化計算

程序根據(jù)用戶配置的數(shù)據(jù)，以經(jīng)濟最優(yōu)為目標，進行經(jīng)濟優(yōu)化計算，并將計算出的結(jié)果顯示在優(yōu)化計算界面。執(zhí)行優(yōu)化計算前，配置文件必須為正常狀態(tài)。優(yōu)化計算界面分為調(diào)度計劃和預計結(jié)果，如圖3所示。

圖3 調(diào)度計劃

3.4.3 實驗結(jié)果分析

調(diào)度執(zhí)行以后，程序?qū)凑諆?yōu)化計算所獲得的調(diào)度計劃，發(fā)送控制命令，以達到調(diào)度的目的，下發(fā)的調(diào)度命令將顯示在命令監(jiān)視窗口。達到調(diào)度結(jié)束時間后，調(diào)度將自動停止，調(diào)度執(zhí)行涉及的界面為調(diào)度監(jiān)測界面，分為交流微電網(wǎng)1、交流微電網(wǎng)2和直流微電網(wǎng)。調(diào)度監(jiān)測界面將顯示能源互聯(lián)網(wǎng)的實時數(shù)據(jù)、計劃數(shù)據(jù)以及當前電價信息。

調(diào)度結(jié)果界面將顯示各微電網(wǎng)之間以及微電網(wǎng)和配電網(wǎng)之間的實際交互電量和計劃交互電量，并顯示實際收益和計劃收益。調(diào)度結(jié)果界面如圖4所示。

圖4 運行結(jié)果

4 結(jié)束語

基于電能路由器的互聯(lián)微網(wǎng)調(diào)度實驗，驗證了在當前電網(wǎng)電價政策的基礎上，利用設計的調(diào)度策略，可以在保證自身重要負荷用電需求的前提下實現(xiàn)微網(wǎng)經(jīng)濟價值的最大化，同時，不同的交易條件也會有不同的運行結(jié)果。電能路由器對電量的合理分配，對于新能源電力消納以及微網(wǎng)、大電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行都將起到有力的支撐作用。