徐迅，高蓉，管必萍，周江昕，程浩忠，馮露，龔小雪

（1.電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（上海交通大學(xué)），上海200240；2.上海市電力公司市區(qū)供電公司，上海200080；3.上海市電力公司松江供電公司，上海201600；4.國(guó)家電網(wǎng)西北規(guī)劃評(píng)審中心，陜西 西安 710065）

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電力需求增長(zhǎng)迅速，當(dāng)前的電網(wǎng)已無(wú)法滿足用戶越來(lái)越高的安全性、可靠性和多樣化的供電要求。此外，煤炭、石油等傳統(tǒng)能源是不可再生的，儲(chǔ)量有限，現(xiàn)在又遇到節(jié)能減排的需求，而分布式發(fā)電可靠性高、能源利用效率高、安裝地點(diǎn)靈活，成為解決上述問題的有效途徑。但分布式發(fā)電單機(jī)接入成本高，且對(duì)大電網(wǎng)來(lái)說(shuō)是不可控的，直接接入電網(wǎng)還存在諸多問題。在這種背景下，提出了微電網(wǎng)的概念[1-9]。本文給出了美國(guó)電氣可靠性技術(shù)協(xié)會(huì)關(guān)于微電網(wǎng)的定義，總結(jié)了微電網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)，介紹了微電網(wǎng)規(guī)劃的體系和算法，并重點(diǎn)探討了微電網(wǎng)規(guī)劃中待研究的問題。

1 微電網(wǎng)的概念

美國(guó)電氣可靠性技術(shù)協(xié)會(huì)（CERTS，Consortium for Electric Reliability Technology Solutions）最早給出了微電網(wǎng)的定義[1]：微電網(wǎng)由負(fù)荷和分布式電源組成，為用戶提供電能和熱能；其內(nèi)部采用先進(jìn)的電力電子器件實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)控制；微電網(wǎng)對(duì)外是可控的，對(duì)內(nèi)可以更好地滿足用戶的各種電力要求。

2 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[10-15]介紹了美國(guó)CERTS提出的微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)，其中展示了光伏發(fā)電、微型燃?xì)廨啓C(jī)等多種分布式電源形式，并示范了對(duì)有不同供電要求用戶的供電方案。文獻(xiàn)[16]給出了考慮不同負(fù)荷類型的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)圖中，商業(yè)用電采用光伏發(fā)電供電，居民公寓用電采用燃料電池、燃?xì)廨啓C(jī)或風(fēng)力機(jī)供電，個(gè)別居民用戶還安裝了蓄電池。文獻(xiàn)[17]給出的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)通過(guò)把分布式電源和負(fù)荷組合成微電網(wǎng)，來(lái)有效降低分布式發(fā)電直接接入電網(wǎng)帶來(lái)的不良影響。文獻(xiàn)[18]介紹了歐洲R&D微電網(wǎng)項(xiàng)目中采用的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，它包含一個(gè)低壓網(wǎng)絡(luò)、負(fù)荷、可控或不可控的微電源和儲(chǔ)能設(shè)備，并通過(guò)一套分級(jí)管理控制方案來(lái)調(diào)控微電源和負(fù)荷。文獻(xiàn)[19-22]給出了含熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，用于確定微電網(wǎng)中每種設(shè)備的數(shù)目和容量，進(jìn)而對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。文獻(xiàn)[23-24]顯示了含2種類型微電網(wǎng)的多微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)：公共微電網(wǎng)和工業(yè)/商業(yè)微電網(wǎng)，2種微電網(wǎng)在大小、供電范圍等方面存在一定差異。文獻(xiàn)[25]所示微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用光伏發(fā)電作為主要微電源，遠(yuǎn)景規(guī)劃增加一臺(tái)微型燃?xì)廨啓C(jī)。文獻(xiàn)[26]探討了微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的互連結(jié)構(gòu)、多個(gè)微電網(wǎng)間的互連結(jié)構(gòu)，并分別評(píng)估其供電穩(wěn)定性。

目前，雖然國(guó)際上微電網(wǎng)種類、結(jié)構(gòu)繁多，但其本質(zhì)相似，均是包含有多個(gè)分布式電源和儲(chǔ)能系統(tǒng)，聯(lián)合向負(fù)荷供電，整個(gè)微電網(wǎng)對(duì)外是一個(gè)整體，通過(guò)一個(gè)PCC和上級(jí)電網(wǎng)變電站相聯(lián)。從用戶負(fù)荷側(cè)來(lái)說(shuō)，微電網(wǎng)可以看成一個(gè)自治的電力系統(tǒng)，它可以滿足用戶對(duì)電力質(zhì)量和可靠性的要求；從大電網(wǎng)側(cè)來(lái)看，微電網(wǎng)和電網(wǎng)中發(fā)電機(jī)或負(fù)荷一樣，是一個(gè)模塊化的整體。

3 微電網(wǎng)規(guī)劃體系

3.1 微電網(wǎng)孤島規(guī)劃

Joydeep Mitra等人[27-30]研究了微電網(wǎng)中分布式電源的選址定容優(yōu)化問題，在約束條件中加入可靠性指標(biāo)約束，采用智能算法實(shí)現(xiàn)了分布式電源位置和容量的優(yōu)化。文獻(xiàn)[31]介紹了AHP方法在孤島微電網(wǎng)規(guī)劃中的應(yīng)用，如確定微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、微電網(wǎng)中分布式電源的組合、切負(fù)荷位置等。文獻(xiàn)[32]以加拿大Ontario地區(qū)的一個(gè)電網(wǎng)為案例，考慮該地區(qū)的風(fēng)能和太陽(yáng)能資源，從經(jīng)濟(jì)性、靈敏度和環(huán)保的角度規(guī)劃微電網(wǎng)。Hiroshi Asano等人[19，21]探討了確定微電網(wǎng)中各種設(shè)備數(shù)目和容量的方法，分析了基于CHP的微電網(wǎng)的能量?jī)?yōu)化，并探討了微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)可行性以及作為快速備用的可行性。文獻(xiàn)[33]研究了含分布式電源的孤立系統(tǒng)的電網(wǎng)規(guī)劃方法，建立了分布式電源的經(jīng)濟(jì)模型。

國(guó)外已經(jīng)開展了大量微電網(wǎng)自身規(guī)劃的研究工作，對(duì)分布式電源的選址定容、微電網(wǎng)容量的確定，以及考慮經(jīng)濟(jì)性、可靠性和環(huán)境效益的規(guī)劃方法等都進(jìn)行了深入的研究，并取得了一定的成果。而我國(guó)對(duì)微電網(wǎng)的研究還處于起步階段，目前的研究主要體現(xiàn)在對(duì)孤立系統(tǒng)中分布式電源的規(guī)劃上，還沒有形成系統(tǒng)的研究體系。

3.2 微電網(wǎng)并網(wǎng)規(guī)劃

文獻(xiàn)[34]探討了微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)的不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性分析，得出微電網(wǎng)的接入可以提高系統(tǒng)可靠性和簡(jiǎn)化配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的結(jié)論。文獻(xiàn)[35]分析了微電網(wǎng)接入對(duì)配電網(wǎng)可靠性、電能質(zhì)量以及擴(kuò)展規(guī)劃等的影響，并提出了微電網(wǎng)的設(shè)計(jì)理念。國(guó)外目前對(duì)微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)的研究主要關(guān)注微電網(wǎng)的運(yùn)行與控制，對(duì)規(guī)劃方面的研究還比較少，主要集中在經(jīng)濟(jì)性可靠性分析以及微電網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)的影響探討方面。

我國(guó)對(duì)微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)的規(guī)劃研究也還處于起步階段，主要體現(xiàn)在對(duì)分布式發(fā)電和儲(chǔ)能設(shè)備的規(guī)劃研究上。文獻(xiàn)[36]研究了分布式電源加入輻射型配電網(wǎng)后負(fù)荷電壓的變化，并對(duì)分布式電源的可選接入點(diǎn)及容量進(jìn)行了探討。文獻(xiàn)[37]以網(wǎng)損最小化為目標(biāo)對(duì)分布式電源的位置和容量進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[38]介紹了2種分布式發(fā)電技術(shù)，并從保證重要負(fù)荷供電的角度，研究分布式電源的規(guī)劃問題。文獻(xiàn)[39]考慮分布式電源的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保效益，衡量分布式電源的并網(wǎng)運(yùn)行價(jià)值并以此指導(dǎo)規(guī)劃。文獻(xiàn)[40]考慮了分布式電源對(duì)配電網(wǎng)潮流和線路負(fù)載能力的影響，對(duì)分布式電源的位置和容量進(jìn)行優(yōu)化，并規(guī)劃擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)[41]以網(wǎng)損最小、分布式電源運(yùn)行成本最小、分布式電源安裝容量最大為目標(biāo)函數(shù)建立了計(jì)及分布式發(fā)電的配電網(wǎng)規(guī)劃多目標(biāo)優(yōu)化模型。

4 微電網(wǎng)規(guī)劃算法

4.1 傳統(tǒng)算法

傳統(tǒng)算法主要有傳統(tǒng)啟發(fā)式算法如逐步加線法、傳統(tǒng)數(shù)學(xué)優(yōu)化算法如分支定界法和動(dòng)態(tài)規(guī)劃法[27]等。傳統(tǒng)啟發(fā)式算法是早期求解網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃問題時(shí)的常用方法，其原理簡(jiǎn)單、求解速度快，但精度較差，并且很難考慮分布式電源的隨機(jī)性等不確定因素，在微電網(wǎng)規(guī)劃中應(yīng)用較少；傳統(tǒng)數(shù)學(xué)優(yōu)化算法具有嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)，能夠求得規(guī)劃模型的全局最優(yōu)解，但隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的增大，其計(jì)算速度也呈級(jí)數(shù)降低，因此該方法主要適用于中小規(guī)模的微電網(wǎng)規(guī)劃。

4.2 智能算法

智能算法主要包括遺傳算法[40]、模擬退火算法[30，40]、粒子群算法[37，41]等。智能算法的思想源于生物學(xué)、物理學(xué)和人工智能領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)不同規(guī)劃模型的適應(yīng)性好且實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)單，特別適用于求解非線性組合優(yōu)化問題。隨著智能算法的發(fā)展，大部分智能算法都得到了改進(jìn)，或多種智能算法混合使用，以彌補(bǔ)各個(gè)算法的缺陷，并充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

微電網(wǎng)規(guī)劃需要充分考慮分布式電源的不確定性，規(guī)劃模型約束條件較多，傳統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)起來(lái)可能比較困難，因此目前微電網(wǎng)的規(guī)劃研究主要采用智能算法求解。

5 微電網(wǎng)規(guī)劃研究展望

目前國(guó)際上對(duì)微電網(wǎng)規(guī)劃的研究均不完善，還有很多待研究的問題沒有涉及到或研究較少。本文認(rèn)為，在微電網(wǎng)規(guī)劃研究中，以下幾個(gè)方面應(yīng)得到足夠的重視。

1）適合多微電網(wǎng)接入的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)研究。配電網(wǎng)有多種結(jié)構(gòu)，而不同的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)微電網(wǎng)的接納能力是不同的。微電網(wǎng)在不同配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的滲透率水平研究極具有理論價(jià)值和工程意義。同時(shí)，微電網(wǎng)接入不同的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性、可靠性、電能質(zhì)量等的影響也不同。如何確定哪種結(jié)構(gòu)適合微電網(wǎng)的接入是微電網(wǎng)規(guī)劃中很值得探討的課題。合理規(guī)劃、設(shè)計(jì)的含微電網(wǎng)的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)能夠提高分布式電源的利用效率，提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、安全性和對(duì)重要負(fù)荷供電的可靠性。當(dāng)前，上海交通大學(xué)、天津大學(xué)等高校正在進(jìn)行相關(guān)的研究，研究表明，微電網(wǎng)接入相對(duì)簡(jiǎn)單的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，例如輻射型結(jié)構(gòu)，對(duì)可靠性等的提高更加顯著，并且在考慮可靠性效益、環(huán)保效益后，經(jīng)濟(jì)性也有所改善。

2）微電網(wǎng)的等效研究。微電網(wǎng)通過(guò)一個(gè)公共連接點(diǎn)與配電網(wǎng)連接，在規(guī)劃過(guò)程中，微電網(wǎng)將作為一個(gè)整體進(jìn)行規(guī)劃。微電網(wǎng)中同時(shí)含有負(fù)荷和分布式電源，以及一些控制設(shè)備，如何將規(guī)劃中需要的微電網(wǎng)特性描述出來(lái)，對(duì)其進(jìn)行合理等效，是微電網(wǎng)并網(wǎng)規(guī)劃的關(guān)鍵。

3）微電網(wǎng)與配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)規(guī)劃。在特定的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，研究微電網(wǎng)最佳的接入點(diǎn)、容量以及加入微電網(wǎng)后網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)布線方式。微電網(wǎng)接入點(diǎn)、容量不同，對(duì)配電網(wǎng)的可靠性等影響也不同；對(duì)配電網(wǎng)布線進(jìn)行優(yōu)化，可以最大限度地優(yōu)化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，充分發(fā)揮微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)的效能。作為微電網(wǎng)規(guī)劃的核心問題之一，該問題的解決是實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)概念在配電網(wǎng)中應(yīng)用的最有效途徑。

4）微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)研究。目前很多國(guó)家或研究機(jī)構(gòu)都提出了自己認(rèn)可的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，但正如微電網(wǎng)的定義尚未統(tǒng)一一樣，這些結(jié)構(gòu)也存在差別。目前還沒有相關(guān)的研究使之形成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系，這一工作的開展無(wú)疑能幫助更好地理解微電網(wǎng)的概念，并對(duì)后續(xù)的規(guī)劃研究，尤其是微電網(wǎng)的等效不無(wú)裨益。

5）微電網(wǎng)中DG選址定容研究。微電網(wǎng)中既可能包含冷/熱/電聯(lián)供微型燃?xì)廨啓C(jī)等易于控制的電源，也可能包含如風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等具有間歇性和不易控制的電源。不同DG對(duì)位置和容量的選擇有不同的要求，在進(jìn)行選址定容時(shí)，需要充分考慮這些約束條件。同時(shí)，由于微電網(wǎng)本身具有的特點(diǎn)，如保證重要負(fù)荷的可持續(xù)供電、可孤島運(yùn)行等，在進(jìn)行DG的選址定容時(shí)，同樣需要考慮在內(nèi)，根據(jù)微電網(wǎng)的特性確定最優(yōu)的DG選址定容方案。

6）微電網(wǎng)規(guī)劃相關(guān)課題的研究。除了上述幾點(diǎn)外，對(duì)微電網(wǎng)評(píng)價(jià)體系的研究也是未來(lái)研究的重要方向，包括經(jīng)濟(jì)性、可靠性和電能質(zhì)量評(píng)價(jià)等。微電網(wǎng)尚未在實(shí)際中廣泛采用和驗(yàn)證，其對(duì)配電網(wǎng)的影響還無(wú)法估計(jì)。為了保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定，需要評(píng)估微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)后的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，并據(jù)此設(shè)立專門的微電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)語(yǔ)

微電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)分布式電源在中低壓配電網(wǎng)絡(luò)中的大規(guī)模接入，提供了一種充分利用分布式發(fā)電單元的理念和方法，是發(fā)揮分布式發(fā)電供能系統(tǒng)效能的最有效方式。目前微電網(wǎng)規(guī)劃在我國(guó)的研究還處于起步階段，還存在很多待研究和解決的問題，如微電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)、適合微電網(wǎng)接入的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等。本文介紹了微電網(wǎng)的概念和結(jié)構(gòu)，概述了微電網(wǎng)規(guī)劃的體系和算法，并重點(diǎn)分析了微電網(wǎng)規(guī)劃中待研究的問題，為未來(lái)相關(guān)課題的研究奠定了基礎(chǔ)。

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