微電網多目標優化運行綜述

孫慧君，閆志彬，余 蕾，康 健，何永秀

（1.華北電力大學經濟與管理學院，北京 102206；2.國網寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750000）

0 引言

隨著傳統能源日趨減少，國家電網有限公司提出的一系列促進新能源消納、推進分布式發電和智能電網建設的重要戰略越來越受到人們的重視，微電網是可再生分布式電源與電網融合的有力支撐，對推動能源革命有重要意義。微電網可以有效調節各分布式電源之間的出力，平抑其波動性，并且能夠與大電網進行有效交互，提高發電效率和電力系統穩定性，具有廣闊發展前景。

微電網中包含大量分布式電源、儲能系統以及控制系統，這些系統的協調優化對微電網優勢的發揮起決定性作用。如何在保證微電網系統供電可靠性的同時滿足微電網運行經濟性和環保性成為當下微電網運行優化的研究熱點。然而，現有的相關研究大多集中在微電網的靜態調度上，缺乏對各時間點聯系與影響的考慮；部分學者雖從動態角度較為全面地考慮了微電網運行的經濟性和環保性，但是對于微電網中分布式能源的隨機性仍考慮不周，無法滿足多種能源形式下微電網多時間尺度運行的協調優化要求。

本文闡明了微電網的總體結構和運行特點，提出了一套科學合理的整體運行優化策略，并詳細敘述了微電網多目標優化的目標函數、約束條件和優化算法的研究現狀，為微電網的發展研究提供參考。

1 微電網結構和運行特點

1.1 微電網結構

微電網以分布式發電技術為基礎，緊靠非集中資源或用戶的微型發電廠，形成了具有結合用能管理及能階利用技術的網絡。

微電網是未來分布式能源的重要載體，也是大電網的有力補充，可作為一個整體實現孤網獨立運行，也可以由主網協調控制在大電網中并網運行，提高了能源的利用效率，能夠在大電網電能缺失時提供電能，提高了供電系統的可靠性。此外，微電網中分布式電源的應用減少了對環境的污染，且還能根據用戶的需求靈活調整調度，與用戶靈活互動，提供用戶增值服務。微電網主要由靈活小型的分布式電源、提高系統穩定性的儲能系統、各類用戶以及具有調節能力的控制系統組成，其結構如圖1 所示。

圖1 微電網組成

1.2 微電網運行模式及特點

微電網具有孤網運行和并網運行兩種不同的運行模式。微電網孤網運行是指在調度計劃需要或大電網發生故障時，微電網系統斷開與主網配電系統的連接，由微電源、儲能系統和負荷三者構成系統實現獨立運行。離網運行模式下的儲能變流器PCS，可以實現對微電網負荷的繼續供電，在母線恢復供電的狀態下光伏系統可繼續發電，而儲能系統僅對負載供電。微電網孤網運行模式如圖2 所示。

微電網并網運行是將微電網系統接入公用大電網中，閉合微電網斷路器，使得微電網系統與主網配電系統實現電能交互的一種運行方式。光伏系統的接入提高了大電網中發電的平穩性，并網模式下的儲能系統可根據需要同時實現充放電，通過控制裝置可將微電網從并網運行模式切換到離網運行模式。微電網并網運行模式如圖3 所示。

圖2 微電網孤網運行模式

圖3 微電網并網運行模式

通過分析微電網主要結構以及運行模式，可總結出微電網主要具備以下特點：

1）依靠新能源網絡化智能技術支撐的微電網，使得小型分散的各類分布式電源實現協調互動，配電網運行的安全可靠性得以提高，且可再生系統接入微電網中，極大程度地促進了可再生能源的消納，實現了資源的有效配置；

2）微電網運行方式靈活，能在孤網與并網兩種運行模式間轉換，并可通過平抑可再生電源的波動性，提高分布式電源在大電網中的平穩性，分布式能源可通過微電網系統的優化配置，為電網和用戶帶來價值和效益；

3）微電網促進了能源就地轉換，使得新能源的消納變得切實可行，發電效率大大提高，減少了對環境的污染，避免了長距離輸電的電能損耗，極大提高了能源利用效率；

4）微電網系統中的控制裝置可以合理協調微電網中各部分系統的運行，除可以向用戶提供電能以外，還能為用戶提供熱、冷、燃氣等多種能源增值服務。

2 微電網多目標優化運行模型的研究現狀

對微電網運行進行優化能夠減少其運行費用、提高能源利用效率、降低環境污染。從目標函數和約束條件兩個方面研究微電網運行優化模型。

2.1 微電網優化運行目標函數

提升經濟效益是微電網得以推廣和發展的關鍵，優化微電網運行首先要降低其運行的費用；節能減排是加速我國能源革命進程的重要戰略，微電網運行也要兼顧環境效益；此外，微電網的智能化結構為供電可靠性的提高以及用戶需求滿意度的提高提供了有利條件，因此，在構建微電網運行優化的目標函數時，通常考慮微電網的經濟效益、環境效益、供電可靠性與用戶滿意度。

在經濟效益方面，文獻［1］通過對微電網中DG的特點分析，構建以DG 整體運行成本最低為目標函數的微電網運行優化模型；文獻［2］提出了一種冷電聯供的能源系統優化模型，綜合考慮了微電網從主網購電價格、燃料價格、燃氣輪機的發電成本等成本要素；文獻［3］基于日前、日內時間尺度同時對分布式電源和需求側負荷進行優化協調，提出一種以微電網“源-網-荷”整體運行成本最低為目標函數的多時間尺度能源系統優化模型；文獻［4］基于實時電價，分別對包含風、光、儲的微電網設計經濟運行方案，以并網運行模式下微電網整體運行費用最小化為目標，比較不同微源的微電網運行經濟性。以上研究雖考慮了微電網運行的經濟效益，但缺乏對其環境效益的分析。

不少學者兼顧經濟效益和環境效益對微電網運行優化的目標函數進行研究。文獻［5］將微電網運行費用和污染物排放量設立為優化目標，不斷調整兩個目標的權重關系，并分析不同權重對微電網運行的經濟性和環境效益的影響；文獻［6］考慮DG 的燃料成本和發電環境成本，提出了一種孤島運行模式下以DG 整體運行成本最低為目標函數的微電網運行優化模型；文獻［7］以機組啟停次數約束及污染物排放量約束為前提，提出了一種以微電網發電總成本最小化為優化目標的微電網優化調度模型；文獻［8］對一個同時涵蓋燃氣輪機、光伏電池、燃料電池、風力機和柴油發電機的微電網系統，提出一種計及運行費用最小和環境破壞費用最小的微電網調度優化模型。

除了考慮經濟效益與環境效益之外，也有不少學者將安全可靠性作為微電網運行優化目標。如文獻［9］在設立微電網安全運行可靠性指標的置信區間的前提下，提出一種兼顧微電網運行安全可靠性與經濟性的運行優化模型；文獻［10］通過建立微電網系統仿真，從動態角度構建孤島微電網運行成本及可靠性成本優化模型；文獻［11］在以微電網經濟運行為優化目標的基礎上，加入對安全可靠性及環境的考量，提出微電運行決策優化模型。

上述文獻大多基于供能角度考慮微電網優化運行，缺乏考慮用戶側對微電網優化運行的影響。文獻［12］在分析包含光伏資源、儲能資源、負荷資源的微電網負荷運行特性的基礎上，建立固定、時移和可調3 類負荷模型；并結合對分時電價的考慮，提出一種以用戶體驗最優為目標函數的微電網調度優化模型。文獻［13］主要研究存在有序充放電負荷模型的電動汽車并網后對微電網DG 電源出力的影響。首先針對電動汽車的行駛特性，加入對電動汽車用戶響應度和用戶滿意度的考慮，構建了電動汽車有序充放電模型，并計及分時電價，建立以微電網運行經濟性和環保性為目標函數的能源管理模型，實現以用戶滿意度為前提的微電網運行經濟和環保優化。文獻［14］在構建微電網運行優化模型時，考慮了5個方面的目標優化，在保證微電網系統運行經濟、環保、可靠的同時，也考慮了用戶側成本以及用戶滿意度的影響。

2.2 微電網優化運行約束條件

微電網運行中的約束條件，大多考慮微電源功率約束以及微電網功率平衡約束。但以上約束難以保證微電網系統運行可靠性，例如為了平抑分布式電源波動對系統平衡性的影響，文獻［15］在傳統約束條件的基礎上，增加了對發電機爬坡速率和起停時間、機組啟停次數約束；文獻［16］考慮到風力出力具有很大的不確定性，可能對微電網運行穩定性造成影響，加入了旋轉備用約束來提高運行的安全可靠性；文獻［17］為了削弱微電網系統對電網的影響，在已有約束條件基礎上，對電網和微電網間聯絡線的輸送功率加以約束；多數學者集中對維持微電網系統有功平衡、控制微電源和負荷有功約束進行研究，文獻［18］為保證微電網源荷協調運行，在以分布式電源出力上下限為約束的前提下，既考慮爬坡速率約束又考慮微電網有功功率平衡約束，同時考慮可控用電特性約束，建立微電網優化調度模型；文獻［19］以微電網功率平衡為基礎，引入對電壓、頻率偏移、潮流以及開關損耗的約束，建立以微電網總收益最大為目標函數的微電網功率優化模型。

但以上研究缺乏對系統無功的考慮，為此，部分學者提出了對系統無功及微源無功出力約束的考慮。文獻［20］在對微電網并網支路的交互功率進行約束基礎上，加入對節點電壓以及節點相角的約束；文獻［21］為了保證微電網運行的可靠性與穩定性，同時實現微電網有功無功的協同優化，在傳統約束條件上加入了潮流約束；此外，對于熱電聯產微電網系統，應考慮熱能平衡約束、熱能爬坡約束以及冷熱功率供應約束等，例如，文獻［22］考慮不同設備的耦合及能量傳遞形式，對不同能量傳遞加以約束。

由于微電網系統優化運行模型中通常涉及耦合性較強的多時段、多變量約束條件，約束條件的處理對微電網整體優化效果產生很大的影響。文獻［23］首先對微電網系統中各元件提出物理極限約束，并加以硬約束處理，基于此加入在多個時段耦合性較強的多變量約束并進行柔性約束處理，以懲罰項的形式在總目標約束中融入約束條件。研究表明，約束方式越精細，越能促進系統的安全穩定運行，后續研究可根據需要加入能源概率預測等約束條件，約束條件的增加對微電網系統的靈活性提出了更高要求，因此通常加入儲能系統約束。文獻［24］為防止儲能系統超負荷運行，約束條件既考慮了電池組定容比例約束，也考慮了充放電最大功率約束；文獻［25］提出了同時以連續充放電過程約束條件和總充放電次數約束條件來控制儲能頻繁充放電。

3 微電網多目標優化問題求解的研究方法現狀

最初解決多目標優化問題的傳統方法包括：分層序列法、約束法，而后又相繼出現了功效系數法和評價函數法，但由于微電網中的分布式間歇性可再生電源通常由光伏、風能等組成，微電網的優化運行問題受到眾多非線性相關變量、眾多約束條件的影響，傳統方法難以求解最優化問題。對比傳統算法，智能優化算法具備極迅速極精準的搜索特性，且尋解范圍不僅僅是局部，所以在微電網優化領域被廣泛應用。近年來新興的智能優化算法如多目標遺傳算法、粒子群算法、改進的多目標免疫算法以及多目標進化算法等，這些算法的尋優范圍遍布整體，能精準迅速地同時進行多個目標尋優。

根據微電網運行模式，可以將微電網運行優化求解分為并網與孤島兩種模式進行分析。

對于并網運行模式下的微電網，文獻［26］根據微電網的發電成本及污染物的影響度，提出同時考慮經濟、環境的優化數學模型，考慮到多目標優化可能存在不止一個最優解，但某個最優解只能適應于對應的子目標，優化效果對另外的子目標較弱，采用Pareto 算法尋求多目標的最優解。文獻［27］利用遺傳算法結合矩陣實數和0、1 整數的混合編碼方式求解微電網需求側用電模式優化模型。文獻［28］對已有的直流微電網實例進行研究，以可控負荷優化調度的24 h 費用最低為優化目標構建調度模型，根據粒子群多目標算法對其進行求解，證明了該模型的可操作性。文獻［29］以微電網負荷供電安全可靠為前提，構建以微電網運行經濟、環保為目標的優化調度，通過序數優化算法尋求最優解，研究可知相比于魯棒類優化算法，序數優化算法的迭代次數更少，全局搜索能更強。

對于孤島運行模式下的微電網，文獻［30］主要基于對需求側響應的考慮，構建以微電網運行費用最低和停電缺失成本最小為目標的孤島微電網日前調度優化模型，并利用具有滾動優化特點的改進的人工免疫算法來尋優求解，該算法基于混沌搜索可以實現對日前調度指令的不斷修正。文獻［31］以孤島運行方式下保證微電網供電安全可靠及滿足負荷需求功率為前提，加入對環境影響度的考慮構建微電網的日前調度優化模型，采用改進后計算復雜性降低的協同遺傳算法尋優求解，研究表明，該算法求解效率更高，在質量方面比一般遺傳算法更優。文獻［32］關注孤島模式下微電網的能源規劃。基于對分布式電源的特征分析，提出微電網多目標優化模型，以多目標約束為前提，利用改進的粒子群算法對微電網分布式電源的最優輸出功率進行求解，研究表明，改進的粒子群優化求解速度快，算法簡單且易于優化系統參數。文獻［33］提出一種孤島模式下微電網多時段實時策略優化調度模型，并采用差分進化算法進行求解，仿真證實了微小增加微電網經濟成本可極大提高供電可靠性，進而實現微電網整體成本最低，研究表明，該算法結構簡單、易實現、收斂快、魯棒性強，適用于全局優化。

此外，2009 年新生的萬有引力搜索算法也在微電網運行優化求解中廣泛應用。文獻［34］應用基于萬有引力定律的二進制搜索算法對微電網動態優化模型尋求最優解，該算法尋解速度極快，但容易陷入局部解。文獻［35］將改進后的萬有引力搜索算法對微電網調度模型求取最優解，該算法以萬有引力算法為基礎，融合了精英算法，并強化群體之間的相互交流，及記憶與記憶間的存儲來增快尋解，其迭代尋優的過程因加入群體反向學習機制而得以更準確，進而其尋解的可靠性也得以提高，由于速度更新公式得到改進其粒子搜尋能力大大增強，提高了優化精度。

綜上，微電網優化運行屬于非線性規劃問題，且含有多個優化目標及非單一約束條件。因此，在進行微電網運行優化求解時盡量選擇簡單、可操作、尋解速度快、全局搜索能力強、求解精準的智能算法。

4 結語

在傳統能源日益枯竭、生態破壞危機日益加劇的今天，新能源發展勢在必行，“三型兩網”重要戰略的提出，進一步推動了可再生能源的推廣應用及智能電網的建設。微電網很好地融合了分布式電源，對促進新能源消納、推動能源轉型有重要意義。

為深化電力體制改革，營造微電網健康、有序發展的良好環境氛圍，構建多元融合、供需互動、高效配置的聯合集中能源產消體系，國家發改委、國家能源局提出要建設微型、清潔、自治、友好的并網型微電網，并形成“源-網-荷”一體化創新運營模式［36］；2019 年國家電網“三型兩網”重要戰略提出：未來園區微電網系統、冷熱電聯供分布式能源系統等綜合能源系統將發展成為深度融合物理信息、多能互補、協調互動的形式。

因此，在微電網優化目標選取上，要考慮更綜合、全面的優化目標，同時要在結合分布式電網結構及負荷特性詳細分析的基礎上，實現對微電網供需平衡、合理供電的研究；對于不同的能源形式，應構建不同的約束條件；為了保證尋優的快速、準確，要盡量選取智能、科學的數學優化算法實現微電網綜合優化。

目前已有不少學者為微電網及其經濟優化運行的研究做出努力，但隨著冷熱電聯供、新型儲能系統等概念的提出，微電網的整體經濟運行優化更加復雜。未來研究可將微電源優化調度與需求側管理結合起來構建整體運行優化模型，利用負荷預測的方法實現對分布式電源發電計劃及儲能充放電計劃的合理安排。