考慮微電網群和系統經濟運行的配電網儲能優化配置

吳怡

（新疆龍源風力發電有限公司，新疆 烏魯木齊 830054）

1 相關概述

1.1 微電網技術與發展

為了有效地解決電力系統中的問題，充分發揮其對用戶和電網的作用，本文引入了微電網的概念。微電網是由分布式發電、儲能設備、負載、電力電子轉換器、保護與控制設備組成的一種小型電力系統，它可以同時并網，也可以是孤島，二者之間可以相互切換。美國率先提出微電網，并于2003年由美國電力系統安全與技術解決方案協會出版的《微電網概念白皮書》，使得美國在全球范圍內的微電網絡技術領域處于領先地位。美國自從經歷了數次大的斷電事件后，對微型電力網的可靠性和安全問題進行了更多的關注，從2011年起，投資3850萬美元，在三個美軍基地建立了“Sm artPowerInfrastructureDemonstrationforEnergy,ReliabilityandSecurity”。歐洲從20世紀起就對微電網技術進行了重點關注，而日本由于能源緊缺，特別注重發展和利用新能源，所以在電力供應多元化、供電可靠、環保等方面進行了大量的探索。我國在城市、海島、邊遠地區已經進行了大量的微電網示范工程?！丁笆奈濉爆F代能源體系規劃》還明確指出，微電網將是我國發展規劃的重點和資金來源，由示范到推廣，目前全球正在建設、投入和規劃的大規模微電網工程超過400個，遍布北美、歐洲、非洲、亞洲、南美等地區，微電網技術可以實現對新能源的就地消納和利用，是實現“節能減排”、實現能源轉換的關鍵舉措。由于微電網的建設規模越來越大，在一個區域內將會出現多個微電網，但目前我國的電力市場尚未形成一個成熟的、具有一定規模的遠程監測能力，因此，如何有效地調度和管理多個微型網絡成為一個迫切需要解決的問題。

1.2 微電網群技術及其發展

微電網是一種新的多微電網控制和管理的新技術。微電網的初期設想是將鄰近的微電網、分布式發電、蓄能系統進行串聯，并利用群級調整和協調控制指令，以達到最優的運行效果。當前，為有效消納大規模分布式發電，并解決配網容量問題，學者和各電力公司從主動分配網的角度，提出了一種更大規模的微電網概念，即根據區域、容量、環境、供電方式等因素，將分散式發電按照區域、容量、環境、供電方式等不同的小電網進行互聯，以達到能量互濟、經濟運行、減少城市碳排放的目標。就像微電網一樣，在正常條件下，微電網絡在并網運行，即便是在電網發生故障或者需要調度的情況下，也能保持在一個孤島狀態。微電網群是國外首先關注的領域之一，2006年，歐盟通過其資助的“MoreMicrogrids”計劃，初步形成了微電網集群的雛形，即低壓微電網、分布式發電、儲能和負載互聯，微電網與上級電網有著共同的連接點，在該節點上進行有效的控制，從而實現微電網的孤島和并網。隨后，葡萄牙馬杜里拉等人就微電網的組成結構、協調控制、能源管理等問題進行了較為深入的研究，針對孤島和電網的特點，分別從電壓控制、頻率控制、優化算法、實時監測等方面進行了仿真研究。隨后，美國學者以此為基礎，分析了微電網的最佳運行模式和結構；印度學者在對微網負載的需求反應進行研究的基礎上，提出了一種基于負載需求特性的優化方法；加拿大賽義德·阿里·阿雷菲法對微電網的通信結構和控制結構進行了深入的研究，并提出了一種基于虛擬微電網的微電網集群來實現對微電網的自動控制和對其進行最優的運行；ABB公司從電力市場的視角出發，對微電網群進行了可行性分析，提出了基于電網的輔助服務協調優化控制策略。希臘、丹麥等國對電力質量、保護控制、電力系統的運行狀況進行了較深入的研究。

我國對微電網絡集群的研究相對滯后，前期的研究多集中于清華大學、湖南大學、華南理工大學、四川大學、重慶大學、山東大學、中國電力研究所、中國科學院電氣研究所等一些大的研究機構，目前，已在我國高校、科研院所中形成了自己的特色和規模。其中，“微電網集群高效可靠技術及示范”是國內首個自主研究的微電網集群工程，共分7大模塊，分別從規劃、運行、控制、能源管理等7個方面進行了詳細論述。重慶大學以云電科技園區的智能微電網為基礎，以串并聯微電網為基礎，提出了一種分層協作控制方案。山東大學丁磊等研究人員討論了孤島環境下微電網的運行策略和保護方式。針對配電網絡中大規模分布電網的消納問題，提出了一種基于微電網群結構、通信拓撲結構、電網協同控制的方法，并在北京延慶建立了基于微電網群的主動配網示范基地。深圳科陸電力公司還在科陸玉門綜合風光網一體化示范基地（VPP）建設中，建立了一個以能源自主網為主的主動配電網。因此，微電網絡集群是未來智能電網建設中的一個關鍵環節，正引起國內外學者的廣泛關注和研究。然而，微電網的自身結構以及微電源自身的特性，使其內部各個子系統的工作模式日益復雜化，這對微電網的協調控制帶來了極大的困難。因此，對微網的協調控制策略進行深入而系統的研究，將有助于優化我國的能源結構，提高其滲透性，推進我國傳統的配電網絡的轉變。

1.3 微電網群的組網方式及運行控制架構

1.3.1 微電網群的組網方式

微網群組網模式的廣泛應用，使多個微型網同時存在于一個網絡中。將多個微電網、分布式發電、分布式存儲等集成起來，構成了一種互通有無的微電網，使其具有更高的可靠性，并能有效地減少配電網中的新能源。根據微電網的供電模式，現有的研究成果可分為三大類：一種是以交流微電網為基礎的微電網絡集群；介紹了一種新型的電力網絡技術。一種基于交、直流混合的微電網集群。

1.3.2 微電網集群運行控制架構

微電網群的控制方式包括群內的局部控制、微電網內部的協同控制、微電網群的協同控制。本文著重闡述了在微電網的協作控制結構中，集中式和分布式控制結構。

（1）集中式控制體系。中央控制系統的架構主要是基于中央控制器，它包括子微電網、分布式電源和負載，并經由雙向通信網絡將其傳送到MCCC，MCCC將采集的數據進行控制。該系統結構簡單，易于實現復雜的控制算法，并能實現整個微電網的運行。此外， MCCC控制器還可以針對群組內部供求、外部環境、市場交易、用戶對電能質量的需求、電力系統與電力系統的交易，從運行成本、環境效益等方面進行優化設計，對微電系統的運行進行優化設計，并采用最優化的方式對其進行優化設計，以達到優化調度的目的。已有的方法包括混合成型線性規劃、動態規劃、蒙特卡洛仿真、蜂群算法、微粒群算法、遺傳算法、退火仿真算法等。但是，微電網絡的集控系統是以通信網絡為基礎的，而群組中的子網數量越多，數據信息越多，需要的計算量也就越大，而用戶的保密程度越高，獲取信息的難度也就越大。

（2）分布式控制架構。分層控制結構需要多個中心控制器共同工作，因此，對通信的可靠性有較高的要求。本系統基于微電網間的有限通信網絡，通過對各個子微電網的局部信息進行協調，實現了微網整體的功能。在群組中，每個子微電網的中央控制器根據自身及鄰近微電網的運行狀況，對其內部的控制指令進行優化，不需要對微電網絡中心進行集中操作，因此，可以極大地降低微電網絡的運算量。與分層的控制架構相比，目前，在微網中的分布控制還缺乏充分的理論依據，因此，必須進一步開展相關的工作。

2 微電網群和系統經濟運行的配電網儲能優化配置

2.1 儲能選址模型

2.1.1 目標函數

第一期的選址模式，從經濟運行的角度，考慮了微網集群系統中的能量相互作用和對系統的影響。在配電網絡中，考慮了各節點的負載容量，引入了一種新的中斷負載，其目標函數為最大限度地降低了配電網絡的總運營費用，其成本主要包括發電成本、微電網組中子微網的出力成本、減載補償成本、“棄風”“棄光”損耗等，并且卸載策略取決于不同的調度方式。其目標函數為：

式中，F1為配電網絡的總運營費用；ag、bg、cg是發電單位功率g的費用系數；Pg、t是在t周期內發電機組的有功功率；αm，βm，γm是微網m輸出功率的費用系數；Pm,t是在t周期內，微電網m的有功功率；是減少負載的費用因子；Li、t是在t期間分配網絡節點i的負載減少電力；是“棄風”的費用；對裝有風機的配電網絡節點i進行t期“棄風”；是“棄光”的費用；在t周期內，對于安裝了光伏發電的配電網絡節點i進行“棄光”。

2.1.2 微電網群功率約束

（2）、（3）為子微電網出力的上下限約束。式中：

2.2 能量存儲最優模型

從研究能量儲存周期與放電深度之間的關系得相關文獻中可以看出，當每日充電和放電次數相同時，所獲得的存儲容量與電池的使用壽命呈顯著的相關性。但是，大型的能量儲存裝置也會帶來更高的投資費用?；谏鲜鼋Y論，需要進一步優化存儲能力，本文的研究對象是在儲電生命周期中，怎么能使能量消耗最少的問題。

2.3 算例分析

2.3.1 場景設置

這里設置了四個場景進行比較。場景1：想象一個通過微電網集群調度的微電網，然后是風能和光伏的配電網；場景2：設想微電網通過微電網群規劃，然后直接連接，無須風電和光伏。場景3：不考慮微電網，直接接入配電網，不接入風電和光伏；場景4：直接接入配電網，不考慮微電網，直接接入風能和光伏能源。

2.3.2 試驗成果分析

場景1和2顯示了微電網和微電網組，而場景3和4指的是整個配電網，即使場景1和2的納米速度消耗很高，并且在設置中的場景3和場景4這類情況電網容量會很高；微電網組中子微電網的聯合工作，使得系統的能源可以相互補充，充分利用，而方案1和4的可再生能源，包括微電網，經驗證證實能源消耗水平高于方案2和方案3，有助于減少“棄風”和“棄光”。本文認為微電網集群的使用可以有效提高可再生能源的利用效率。

3 結語

（1）在具有風電、光伏接入的配電網中，通過對儲能系統的優化和系統的優化，實現了儲能系統的年投資和配電網的運行費用的降低。

（2）在風電、光伏直接接入的條件下，配電網提高0.95%的新能源消納率，并兼顧經濟運行，降低了儲能的年費用和系統運行費用。

（3）本論文所建立的能量儲存周期壽命損失模型，其影響因子尚不完整，有待于后續的研究改進，以改善已建立的模型的正確性。