微電網能量管理優化技術研究

天津平高易電科技有限公司 房凱龍 楊 霞

1 引言

微電網在應用過程中是依托公共連接點（PCC）來實現與對應的大電網進行連接的，而當相關電網彼此進行連接，則微電網將處于并網運行的情況之下，其范圍之內的負荷一方面可以依托新能源發電來進行全面滿足，另一方面也可以通過大電網進行電能的獲取，從而對負荷情況進行滿足[1]。

2 微電網的基本結構

如果在實際應用過程中，微電網自身的電能存在一定富余的時候，其也可以將自身剩余的電力通過與大電網之間的連接，來進行出售，從而實現新能源發電的經濟價值。而當相關電網之間彼此斷開的情況下，則對應的微電網將會處于孤島運行的狀態之下，所產生的電量也只會用于對覆蓋范圍內部的負荷進行使用。

在類型劃分方面，微電網可以分為直流微電網、交流微電網和交直流混合微電網三種類型，交流與直流微電網在整體結構與具體的工作模式方面存在不通電，直流微電網匯集母線是直流電壓，在運行過程中一般不需要對系統各分布式電源的頻率同步狀況進行考量，在應用過程中能夠有效地保證各發電單元之間的彼此協同。微電網內部的負荷以交流為主，在面對這種情況的時候，需要采取逆變器來實現轉換并網。而交流微電網的匯流母線是交流母線，分布式電源、儲能裝置、負荷等電網之中的要素需要依托換流器來實現與母線之間的有效連接[2]。

從實際情況來看，現階段交直流混合微電網是未來的主要發展方向，這種微電網模式同時具有兩種微電網模式的優勢，能夠更好地對能源進行利用，從而可以實現對微電網運行成本的有效節約。隨著當前我國能源形勢的緊張，當前的微電網結構也越來越復雜，其電能來源往往包括可控微源、不可控微源、儲能裝置等多重要素，其中可控微源包括微型燃氣輪機、燃料電池等，這些能量來源的主要特征就是可以人為進行對其發電功率的調節。微電網結構如圖1所示。

圖1 微電網結構

3 微電網能量管理優化的目標及技術

3.1 微電網能量管理優化的目標

微電網的能量管理需要實現。

一是保證微電網系統運行的經濟性。在實際運行過程中，如果微電網與大電網處于并網狀態，則微電網可以依托PCC 來與大電網進行對應的能量交換過程，基于此，微電網的運行成本評估相對較為復雜，成本主要包括微電網向大電網購售電的經濟成本、新能源發電的管理成本、發電的燃料成本、電網的管理成本和裝置的維護成本等多個組成部分。

在進行運行管理的過程中，相關的能量管理優化工作需要確保微電網在一個調度周期內（24h）的整體成本最低，同時要保證在對應時間段內微電網從大電網購電成本的最低，以及在對應時間段之內，向大電網售電收入的最高，在這些條件均得到充分滿足之后，則微電網的整體運行經濟效益最大[3]。而為了實現這些目標，在進行調度周期內運行成本控制的時候，需要對可控微源的運行個數和運行時間進行盡可能減少，從而可以節約燃料費用和設備維護費用，而對于不可控微源，則需要盡可能延長其應用時間。

在進行時間段內購電成本控制的時候，則需要基于大電網的購電價格、兩個電網之間的交互功率進行把握，從而確保其購電成本的相對最低。在向大電網售電的過程中，也需要對售電電價、電網之間的交互功率進行把握，最終保證售電收入的最大化。

二是保證微電網污染氣體處理成本的最低。在微電網能量管理優化過程中，對污染成本進行控制也是相關工作之中比較重要的問題，微電網之中可控微源是以化石燃料作為基礎進行供電的，在這種情況下將會不可避免地產生污染，同時從大電網進行電力的采購時，由于大電網所采取的往往是傳統的化石燃料發電，因此也會產生污染成本。不過微電網之中的太陽能和風力發電系統，在使用的時候則不會產生污染問題。針對這種現象，在進行污染成本控制的時候，需要根據所產生污染物類型、微電網與大電網交互的排放、可控微源的電源類型等進行能量的管理與優化，在這種方式之下，充分地平衡從大電網購電產生的污染成本與可控微源發電產生的污染成本，最終將能夠促進微電網的生態效益的最大化。

三是對綜合效益成本的有效把控。這一階段的控制就是需要尋求微電網運行成本與污染費用成本之間的平衡，保證其綜合成本的最低，其具體的影響因素主要包含微電網系統運行的經濟成本和污染成本兩個方面。

3.2 微電網運行的約束條件分析

為了確保微電網在運行過程中的安全性、穩定性和經濟性，在實際工作之中還需要對各類約束條件進行考量，而相關的約束條件主要包括功率平衡約束、可控微源處理約束、聯絡線功率約束、蓄電池功率約束等。

功率平衡約束所指的是微電網在運行過程中，需滿足電網的功率需求，只有在這一條件得到滿足的情況下，微電網才具有較強的實際意義。

聯絡線路功率約束則是指微電網與大電網之間交互過程中，相關線路的功率值，這一因素會直接影響到從大電網進行購電的成本和向大電網售電的收入。蓄電池功率約束則是指微電網之中蓄電池的充電功率和放電功率，其變化狀況也會影響到微電網的實際運行成本。當在進行微電網能量管理的過程中，相關單位和人員需要對這些約束條件進行考量，并分析對應約束條件的具體影響因素，從而制定與實際情況相符的能量管理策略。微電網運行約束條件的影響因素詳見表1。

表1 微電網運行約束條件的影響因素

3.3 微電網能量管理優化技術

在明確微電網的能量管理控制目標之后，相關單位和人員可以針對性地進行相關控制方案的優化，從而實現最佳的微電網能量管理和控制目標。實踐過程中可以首先從不同的發電單元和儲能單元入手進行控制，具體實施策略如下。

一是太陽能發電單元控制。微電網之中太陽能發電單元通常采取電壓閉環模式切換，其主要控制模式包括MPPT 和LPTC 兩種，在自由模式下，相關的控制依據可以采取對光照強度的把握，分析相應的光照強度之下太陽能發電的最大功率點電壓，在此前提下進行調節。在切換至調度模式之后，相關的工作之中可以通過LPTC 算法來得到對應的電壓參考值，并將其與太陽能發電單元的實際輸出電壓進行比較后，進行電路的控制，在這種方法之下即可實現對光伏輸出功率的有效控制，保證這一單元功率的最優化。

二是風力發電單元的控制。風力發電單元在控制過程中可以通過將變換器接入到交流母線之中，在處于自由模式的狀態下，通過對設備運行過程中所面對的風速進行把握，并通過相應的調節措施，來確保對應設備運行功率的最優化，從而提升電網運行的經濟性。

三是對儲能單元的控制。儲能單元是微電網之中的重要組成部分，相關人員在控制的過程中可以采取處于并網模式下，以恒流充電的方式來進行對蓄電池的充電，同時采用針對蓄電池的參考充放電電流值進行跟蹤控制的方式，來達到對蓄電池整體充放電過程的控制效果。

從污染成本的角度來看，通過充分地應用不會產生污染成本的太陽能發電和風力發電單元的方式，將能夠比較有效地降低污染成本。同時針對兩種不可控微源繼續擰控制的時候，通過其運行在最大功率點跟蹤模式以及對新能源發電和微電網內的負荷進行預測，即可了解到不可控微源的凈負荷值，如果當凈負荷值＞0，則說明現階段微電網內的新能源負荷無法充分地滿足電網內負荷需求，需要從大電網進行購電，而如果凈負荷值＜0，則提示不可控微源的發電量能夠充分滿足電網內的負荷需求。當需要其與大電網進行交互的時候，則可以通過分時電價機制來進行微電網的能量調度工作，該過程中優先讓維護費用最小的儲能電池發揮其作用，來實現對能量需求的平衡以及降低電能成本。

大電網按照用電水平的差異，一般可以將全天的用電情況分為峰、平、谷三個時段，三個時段之中電能售價是存在差異的，因此可以在每個時段之中，對現階段新能源發電狀況和用電負荷狀況進行監測評估，根據時刻的負荷用電量，可控微源和儲能電池的發電成本以及大電網的電能售價來實現對能量的調度工作。相關調度過程中需要在峰時多售電，平谷時多購電的原則來進行控制。平谷時購電策略如圖2所示。

圖2 平谷時購電策略

在谷時段，相關的微電網之中不可控微源無法滿足用戶需求，且由于這個階段之中大電網的電價相對較低，因此可以優先采取蓄電池進行供電的方式滿足用戶需求。

在平時段，電價相對較低，蓄電池則可以優先進行充電，如果充電功率和電網內的凈負荷之和沒有達到不可控微源工作時候的最大功率，則可以優先采取可控微源進行發電，如果發電量超過需求，則向大電網出售電能。

峰時段則優先進行已經完成蓄電的電池的使用，如果負荷需求過大，則按照最大功率進行放電，此后以可控微源發電，如果這一情況下能夠充分地滿足需求，則可以向大電網進行剩余電量的出售。

4 結語

在進行微電網方案應用的過程中，相關單位和人員需要全面地分析微電網的具體特征，并選擇合理的電網管理優化調度技術和策略，促進其經濟效益和生態效益的全面提升。