微電網孤島運行模式下的能量管理與優化控制

【關鍵詞】微電網；孤島運行；能量管理；優化控制

引言

微電網孤島運行模式下，通過調節分布式電源出力，對滿足負荷需求及保障系統供電可靠性具有促進意義。微電網工程持續深化趨勢下，光伏發電、風力發電及儲能技術不斷革新，微電網孤島運行模式雖然在海島、邊防等偏遠地區得到廣泛運用，但在實際運行中，極易受到自然災害影響[1]。目前，微電網孤島運行控制結構主要由集中式控制、分布式控制形式組成，其中，集中式控制依賴于中央控制器與多個從控制器的協調工作，實現微電網的能量管理；分布式控制則無需中央控制器，各微電網單元獨立進行能量管理，并通過個體間的協商達成能量的有效管理，為確保微電網孤島運行模式下系統的高效穩定運行，科學、合理的能量管理和控制系統至關重要。因此文章對微電網孤島運行模式下的能量管理與優化控制展開研究，旨在為廣大學者提供參考幫助及建議[2]。

一、微電網孤島運行模式下能量管理系統設計

（一）設計目標及系統結構

微電網的運行方式靈活多變，既可以與主電網連接并網運行，也可以與主電網斷開連接在孤島模式運行。作為分布式發電的一種高效組織形式，微網在緩解供應緊缺問題、解決環境問題及削弱分布式發電對電網沖擊等方面發揮著重要作用。微網既可以與大電網并網運行也可以孤島運行，孤島運行時微網需由其內部一個或多個微電源提供穩定的電壓和頻率，該類微電源稱為電壓/頻率支撐單元，其余的微電源稱為非電壓/頻率支撐單元[3]。其多存在于偏遠地區、海島、工業園區。由于孤島微電網沒有大電網的支撐，所以必須有優良的能量管理方法保證其內部電力供給端與需求端實現平衡，保證孤島微電網的穩定運行。本次系統設計目標如下。

1.設計目標

微電網孤島運行模式下能量管理系統的主要設計目標有三個。

（1）確保微電網孤島運行模式的安全穩定運行，系統頻率、電壓都在一定范圍之內。一般系統頻率在50±0.5 Hz，電壓在額定電壓的±7%。充分利用能源，提高可再生能源消納率及降低能耗。

（2）提高供電可靠性，保障各種等級負荷用電。

（3）系統按照負荷等級對不同負荷進行分類，保障各種重要等級負荷的用電，使發電系統始終能夠滿足負荷需求。

2.系統結構

微電網孤島運行模式下能量管理系統由監測模塊、控制模塊、通信模塊和執行模塊4個部分構成。

（1）監測模塊。微電網中各分布式電源、儲能裝置、負荷、母線等的電壓、電流、功率、頻率等運行參數，經過高精度電壓/電流互感器、功率分析儀、頻率測量儀等監測設備采集到模擬信號后，轉換成數字信號并依次傳送到數據采集卡及控制模塊。

（2）控制模塊。控制模塊自評為整個系統的控制系統，接收監測模塊的監測數據并根據預設的控制策略，對各個電源和儲能裝置的出力實施優化調度。控制模塊常采用高性能微處理器、數字信號處理器及優化調度算法、功率平衡算法等復雜控制算法運行平臺作為其控制核心。

（3）通信模塊。通信模塊負責各模塊間和外部設備的數據傳輸，保持信息暢通。數據傳輸方式主要是以太網、光纖通信、無線通信。以太網和光纖通信速度較快、穩定性好，但適用于場合距離限制性較高的情況，對數據傳輸實時性要求較高；無線通信的適用場合為一些需要靈活設置但又布線困難的場所，通常成本較低，但具有無電磁輻射、傳輸速度相對較慢、距離遠限制等特點[4]。

（4）執行模塊。執行模塊根據來自控制模塊的指令，調節各分布式電源的輸出功率、儲能裝置的充放電狀態等，實現對能量管理系統進行充放電的功能。

（二）系統運行方式

微電網孤島運行模式下能量管理系統有兩種運行方式，根據負荷預測和各電源的發電能力制定優化調度計劃，通常使用時間序列分析方法、人工神經網絡、支持向量機等方法預測一定時間范圍內的負荷需求，根據負荷預測結果制定調度計劃[5]。對微電網孤島運行模式下常規電源的調度規則如下。

（1）微電網孤島運行模式首選使用可再生能源發電，人員可再生能源電源不足時，通過儲能裝置補充，當儲能裝置電量不足以滿足負荷需求時，啟動柴油發電機組等備用電源。

（2）發生系統故障時，能量管理系統對故障位置進行快速檢測與隔離，且根據其他電源和儲能裝置重新調整自身運行狀況以保證非故障區域的穩定供電。

（3）故障檢測一般采用基于電流、電壓等特征的保護算法，如過流保護、過壓保護、欠壓保護等，如發生故障，則通過斷路器等開斷設備迅速隔離故障的線路或設備，阻止故障擴散。

二、微電網孤島運行模式下能量管理

微電網孤島運行模式下，能量管理的策略至關重要。下面是對微電網孤島運行模式下能量管理中最關鍵的系統控制策略和運行狀態分析的介紹。

（一）系統控制策略

1.下垂控制

下垂控制作為常見的分布式控制方法，主要依據并網傳統同步發電機的外特性，模擬各分布式電源自動按照有功-頻率、無功-電壓下垂曲線調整其輸出的功率，實現功率分配[6]。系統負荷增加引起頻率降低時，各分布式電源根據各自的下垂曲線自動增加有功輸出；系統負荷減少引起頻率升高時，自動減少有功輸出。下垂控制無需任何電源之間復雜的交互通信，具有較強的獨立性及靈活性，適用于分布式電源分散接在微電網系統。但由于在系統參數的變化較大時，如線路阻抗大小相差大或分布式電源的容量不同，會出現下垂控制引起的“搶功率”現象，導致其功率分配精度降低。

2.分層控制

分層控制將微電網控制分為一次控制、二次控制和三次控制，其中一次控制主要負責快速的頻率和電壓調節，利用下垂控制等方法完成。當系統功率不平衡時，一次控制能夠快速響應，即可快速調節各分布式電源的出力，使系統頻率、電壓初步恢復至正常水平。二次控制對一次控制偏差進行修正，實現系統頻率與電壓恢復正常水平，通常采用基于通信的集中控制方式，由中央控制器收集各分布式電源及負荷運行數據，計算頻率、電壓的偏差，再向各分布式電源發送調節指令，改變其出力，二次控制響應時間一般為幾秒至幾十秒。三次控制按經濟或優化目標優化調度各分布式電源的出力。以系統最小運行成本為目標，綜合考量各電源的發電成本、維護成本及儲能裝置的充放電成本，經過遺傳算法、粒子群優化算法等優化算法，計算出電源的出力分配方案。

3.模型預測控制

模型預測控制泛指在系統預先建立微電網的預測模型，對未來時間范圍內的系統狀態進行預測，根據最小化運行費用、最大化可再生能源消納等指標進行優化，求取最優的控制序列，提前調整各電源及儲能器件出力，應對負荷及電源出力的變化。具體實施中，應建模建立微電網的精確數學模型，包括分布式電源、儲能及負荷模型和網絡模型等，根據當前系統狀態與預測負荷、電源出力的變化，使用滾動優化算法得到未來時間內的最優控制序列，在各控制周期實施當前控制動作，及時更新當前時刻最新的系統狀態，進而重新進行優化計算，實現滾動優化。模型預測控制能夠考慮系統電源出力約束條件、儲能容量約束條件等約束條件，具有較好的魯棒性與適應能力。

（二）運行狀態分析

運行狀態分析作為微電網孤島運行模式下能量管理的關鍵，本次研究按照柴油機組不啟動、柴油機組啟動兩種狀態進行分析，具體如下。

1.柴油機組不啟動

可再生能源發電及儲能裝置的電量可供負荷用能，此時柴油機組可不開啟，微電網主要依靠太陽能光伏、風力發電等可再生能源供電，儲能裝置根據系統功率的平衡情況充放電控制，若白天光照足風力合適，太陽能光伏、風力發電可滿足負荷的大部分，多出的能量可通過儲能設備儲存。

2.柴油機組啟動

風能、太陽能發電能力不足且儲能裝置電量耗盡的情況下，柴油機組作為備用電源，可對負荷的變動進行快速響應，提供穩定的有功功率、無功功率，以此保持系統頻率和電壓的穩定運行[7]。柴油機組高效快速啟動，并快速提供額定功率輸出。柴油機組運行會帶來相當高的燃料成本以及對環境的污染，因此能量管理系統在啟動柴油機組后，需盡可能地調整能量管理系統的運行策略。在可再生能源發電恢復或儲能裝置電量充足時，減少柴油機組的運行時間，減低運行成本和污染排放[8]。此外，能量管理系統根據天氣預報可預見次日的天氣，預測光照和風速，確定柴油機組最適運行時間，在可再生能源恢復發電前較長時間內停止柴油機組運行，避免燃料的浪費。

綜合上述分析可以看出，此文針對包含柴油發電機、光伏發電、儲能裝置以及負荷的獨立微網系統，提出孤島運行模式下微網實時能量管理策略。通過實時監測儲能裝置數據對下一時刻儲能裝置能量狀態進行預測，結合凈負荷功率大小采用相應的調度策略。柴油發電機通常關閉作為備用電源，以降低環境污染，充當電壓/頻率支撐單元的儲能裝置不接受功率調度，通過留有一定調節余量以自動吸納微網內剩余功率，非電壓/頻率支撐單元的儲能裝置接受功率指令調度參與負荷供電。當儲能裝置能量狀態接近下限時，考慮柴油發電機計劃開機時間提前將其開啟，保證負荷不間斷供電；柴油發電機投入運行后，計算儲能裝置的折舊成本，建立能量優化模型，采用粒子群優化算法，對各設備進行功率優化調度，保證供電可靠性的同時實現微網運行成本最低。

三、新型技術在微電網孤島運行模式下的優化控制

（一）人工智能在微電網孤島運行模式下的優化控制

神經網絡能夠通過學習大量歷史運行數據，對微電網運行狀態和控制策略建立映射關系，并進行準確的系統運行狀態預測和優化控制。在可再生能源出力預測中，利用長短時記憶（Long ShortTerm Memory，LSTM）網絡可解決時間序列數據帶來的困難，通過訓練來學習光照強度、風速等因素與太陽能光伏發電、風力發電出力間的復雜非線性關系[9]。例如，依托LSTM網絡預測某地區的太陽能光伏電站出力，在輸入歷史光照強度、溫度、時間等數據進行訓練，其預測結果平均絕對誤差小于5%，為微電網能量管理提供了較準確的參考[10]。負荷預測中，卷積神經網絡與循環神經網絡混合模型可以同時提取空間特征和時間特征，提高負荷預測精確度。利用準確的可再生能源和負荷預測值，神經網絡可為能量管理系統提供優化運行的調度策略，可提前調整儲能和其他電源的狀態，提高可再生能源的消納水平。

（二）區塊鏈在微電網孤島運行模式下的優化控制

區塊鏈技術具備去中心化、防篡改、可追溯等特性，對于微電網孤網運行模式下的能量管理來說，必將引發新的變革。微電網中的各分布式電源、儲能和用戶均可視為區塊鏈網絡中的節點，各節點均可用區塊鏈技術來實現分布式能源的交易與共享，提升能源利用水平，并且可以利用區塊鏈技術將微電網各節點的運行數據和認證信息存儲于鏈上，將各節點的數據信息記錄上區塊鏈，并保證數據真實可靠，為微電網優化控制和故障診斷提供科學依據。例如，當微電網發生故障時，基于區塊鏈存儲的各節點信息可實現對故障前系統運行狀態的追溯，以此有助于快速定位系統運行的故障點。同時，通過區塊鏈的技術將各節點的數據進行存儲和傳遞，保證其不被篡改，減少偽造，有利于提升微電網的可靠運行。

（三）數字孿生技術在微電網孤島運行模式下的優化控制

數字孿生泛指在微電網物理系統的基礎上構建相應的數字化雙胞胎實體，實現實時感知微電網運行狀態、仿真優化運行方式。當微電網處于孤島運行狀態時，數字孿生能夠基于微電網物理系統實時采集的運行信息，實時模擬微電網運行行為，預測微電網的未來發展狀態。數字孿生建模在考慮微電網電氣結構基礎上，詳細建模了微電網每個分布式電源、儲能和負荷等設備的動態行為，如對于光伏發電系統，數字孿生建模考慮光伏發電器件的溫度特性、太陽光照強度和發電功率之間的關系等；對于風力發電機，考慮風速、風向對風力發電機發電功率的影響、風力發電機組的機械動力學等。

結語

微電網孤島運行模式下的能量管理與優化控制，對于保障分布式能源高效利用及提高供電可靠性具有深遠意義。文章對微電網孤島運行模式下的能量管理與優化控制展開研究，通過優化控制策略和能量管理技術，能夠有效應對可再生能源的波動性和不確定性，保證系統的穩定運行。通過優化系統設計和運行策略，可以有效降低儲能成本，提高能源利用效率，以此實現更高的經濟效益。盡管微電網孤島運行模式下能量管理系統在理論上具有優勢，但在實際應用中仍存在一些問題。未來，需要與人工智能、區塊鏈和數字孿生等新興技術相融合，以實現更優的能量管理。

參考文獻：

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