侯 爽 ，侯杰繽 ，牟 黎

（1.國網(wǎng)濱州供電公司，山東 濱州 256600；2.國網(wǎng)菏澤供電公司，山東 菏澤 274100；3.國家電網(wǎng)有限公司技術(shù)學(xué)院分公司，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

可再生能源在我國能源結(jié)構(gòu)中的占比越來越大。利用清潔能源發(fā)電與國家節(jié)能減排政策相符［1］，但風(fēng)能、太陽能這類清潔能源具有間歇性，發(fā)電時(shí)存在一定的不穩(wěn)定性。微電網(wǎng)將多個(gè)分布式電源、儲能系統(tǒng)、負(fù)荷等組合在一起，不但具有分布式電源的優(yōu)點(diǎn)，而且解決了清潔能源間歇性帶來的問題。同時(shí)，多個(gè)微電網(wǎng)可以組合在一起，形成一個(gè)規(guī)模較大的微電網(wǎng)群，增加系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性［2］。微電網(wǎng)群內(nèi)各微電網(wǎng)如何調(diào)度直接影響微電網(wǎng)運(yùn)行的高效和穩(wěn)定。目前配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度主要以分布式電源、可控負(fù)荷和微電網(wǎng)3個(gè)不同側(cè)重點(diǎn)為主體進(jìn)行研究，在主動(dòng)配電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度方面的研究仍需進(jìn)一步加強(qiáng)。本文在微電網(wǎng)重要資源需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了優(yōu)化調(diào)度方法，用具體算例進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明該方法可以提高微電網(wǎng)的可靠性。

1 微電網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)

圖1為一種典型的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。該微電網(wǎng)由冷/熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、不可控分布式電源（太陽能、風(fēng)能）、可控分布式電源（燃料電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)）、用電負(fù)荷和儲能單元構(gòu)成，包含3條饋線網(wǎng)絡(luò)。圖中每個(gè)分布式發(fā)電單元連接一個(gè)分段斷路器，若某個(gè)分布式發(fā)電單元出現(xiàn)了故障，其對應(yīng)的分段斷路器斷開，將故障快速切除，不會對其他分布式發(fā)電單元的運(yùn)行造成影響。圖中CB4斷路器可將微電網(wǎng)在孤立運(yùn)行模式和并網(wǎng)運(yùn)行模式之間進(jìn)行切換。當(dāng)CB4閉合時(shí)，微電網(wǎng)和上級電網(wǎng)連接并且進(jìn)行功率交換，微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行；當(dāng)上級電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，CB4斷開，將微電網(wǎng)與故障電網(wǎng)分離，微電網(wǎng)孤立運(yùn)行。微電網(wǎng)的孤立運(yùn)行有兩種模式：一是CB4斷開，微電網(wǎng)整個(gè)退出電網(wǎng)運(yùn)行；二是CB1和CB3斷開，微電網(wǎng)部分退出電網(wǎng)運(yùn)行。

圖1 典型的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2 微電網(wǎng)接入主動(dòng)配電網(wǎng)

微電網(wǎng)接入主動(dòng)配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示［3］。微電網(wǎng)通過中央控制器與主動(dòng)配電網(wǎng)建立連接。

圖2 微電網(wǎng)接入主動(dòng)配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)圖

在圖2中，配電網(wǎng)潮流的流動(dòng)方向用帶箭頭的實(shí)線表示，配電網(wǎng)信息的流動(dòng)方向用帶線頭的虛線表示。各個(gè)微電網(wǎng)群和分布式電源由主動(dòng)配電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度。當(dāng)主動(dòng)配電網(wǎng)進(jìn)行信息交互或者存在潮流流動(dòng)時(shí)，微電網(wǎng)、分布式電源可以對其起到支撐作用，從而實(shí)現(xiàn)安全可靠運(yùn)行。

微電網(wǎng)控制方式可以分為集中式、集中-分散式和分布式3種［4］。

2.1 集中式控制方式

圖3是微電網(wǎng)的集中式控制方式，其主動(dòng)配電網(wǎng)調(diào)度中心可以控制每個(gè)微電網(wǎng)，進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度。但當(dāng)微電網(wǎng)中分布式電源增加時(shí)，一個(gè)調(diào)度中心無法對多個(gè)微電網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，不能滿足未來電網(wǎng)快速發(fā)展的要求。

圖3 集中式控制方式

2.2 集中-分散式控制方式

圖4是集中-分散式控制方式。該方式在微電網(wǎng)與主動(dòng)配電網(wǎng)調(diào)度中心之間加入微電網(wǎng)調(diào)度中心。當(dāng)多個(gè)微電網(wǎng)并聯(lián)形成復(fù)雜的微電網(wǎng)群時(shí)，可以通過微電網(wǎng)調(diào)度中心控制內(nèi)部的分布式發(fā)電單元，從而減輕主動(dòng)配電網(wǎng)調(diào)度中心的壓力。微電網(wǎng)與微電網(wǎng)之間會協(xié)同出力，同時(shí)又相互博弈。采用這種控制方式，主動(dòng)配電網(wǎng)調(diào)度中心的壓力有一定程度的減小。

圖4 集中-分散式控制方式

2.3 分布式控制方式

圖5是分布式控制方式。此種控制方式考慮微電網(wǎng)內(nèi)部調(diào)度方式的同時(shí)，在每個(gè)微電網(wǎng)間建立了通信互聯(lián)，使每個(gè)微電網(wǎng)可以協(xié)同出力。主動(dòng)配電網(wǎng)調(diào)度中心只需考慮每個(gè)微電網(wǎng)間穩(wěn)定的出力和電網(wǎng)公司的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)單個(gè)調(diào)度中心出現(xiàn)故障時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性不會受到影響。

3 優(yōu)化調(diào)度方法

本文提出一種控制方法來實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)之間的能量優(yōu)化調(diào)度。微電網(wǎng)群根據(jù)主動(dòng)配電網(wǎng)調(diào)度中心某一時(shí)段的出力情況確定微電網(wǎng)出力。在微電網(wǎng)群中，每個(gè)微電網(wǎng)都是獨(dú)立的，并且出力的上下限固定，同時(shí)微電網(wǎng)之間存在能量交互。通過負(fù)荷預(yù)測，微電網(wǎng)群制定出力計(jì)劃，并把此出力計(jì)劃上傳到主動(dòng)配電網(wǎng)調(diào)度中心。當(dāng)主動(dòng)配電網(wǎng)調(diào)度中心分配負(fù)荷時(shí)，考慮每個(gè)微電網(wǎng)的出力上下限，按照出力計(jì)劃分配負(fù)荷，同時(shí)考慮微電網(wǎng)內(nèi)部運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，以成本最低為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。

圖5 分布式控制方式

進(jìn)行微電網(wǎng)與主動(dòng)配電網(wǎng)優(yōu)化時(shí)，以電網(wǎng)公司收益最大作為目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為式（1）。目標(biāo)函數(shù)由兩部分組成：電網(wǎng)公司的售電收益和政府補(bǔ)貼、網(wǎng)損支出和電網(wǎng)公司購電支出，這兩部分構(gòu)成了電網(wǎng)公司在一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)的總體收益，用C表示。

式中：CbDG，t和 CbMG，t分別為分布式發(fā)電單元和微電網(wǎng)電量上網(wǎng)過程中政府給予電網(wǎng)公司的補(bǔ)貼；Ci，t和CSMGi，t分別為在時(shí)間段t內(nèi)負(fù)荷、微電網(wǎng)購入電量的單價(jià)；Pi，t、PMGi，t、PDGi，t分別為在時(shí)間段 t內(nèi)負(fù)荷、微電網(wǎng)和分布式發(fā)電單元 3 個(gè)節(jié)點(diǎn)的功率；ρ1i，t和 ρ2i，t滿足 ρ1i，tρ2i，t=0，且 PMGi，t>0 時(shí)，ρ2i，t=1，PMGi，t<0 時(shí)，ρ1i，t=1；Pgrid，t和 Ploss，t分別為電網(wǎng)交換過程中產(chǎn)生的功率及網(wǎng)損；CBMGi，t、CBDGi，t、CB分別為電網(wǎng)公司向微電網(wǎng)、分布式發(fā)電單元和上級電網(wǎng)購電的費(fèi)用。

式（1）中各量應(yīng)滿足以下約束條件：

式中：Gik、Bik分別為節(jié)點(diǎn)i和k間的互電導(dǎo)和電納；ei，t、fi，t分別為時(shí)間段 t內(nèi)電壓的實(shí)部和虛部。每個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓、功率、分布式發(fā)電單元出力和微電網(wǎng)出力又有相對應(yīng)的不等式約束條件：

式中：Vi，t為時(shí)間段t內(nèi)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行電壓，為其最大值，為其最小值；Pgrid，t為配電網(wǎng)與上級電網(wǎng)之間的交換功率；PDGi，t為時(shí)間段t內(nèi)分布式發(fā)電單元的功率；PMGi，t為微電網(wǎng)的出力。

單個(gè)微電網(wǎng)內(nèi)部以運(yùn)行成本最低為目標(biāo)，其數(shù)學(xué)模型為：

式中：CMGi為規(guī)范的微電網(wǎng)內(nèi)部單元發(fā)電成本函數(shù)，由于不同的微電網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)中含有不同數(shù)量的分布式發(fā)電單元，因此將分布式發(fā)電單元的數(shù)量設(shè)定為nCG；PCGij，t為微電網(wǎng)中第 j個(gè)分布式發(fā)電單元出力，C（PCGij，t）表示其出力成本；對于風(fēng)機(jī)和光伏這類環(huán)境友好型分布式發(fā)電單元的出力和成本分別為PPVi，t、PWTi，t和 C（PPVi，t）、C（PWTi，t）；PBSi，t為蓄電池在 t時(shí)段功率，隨著充放電次數(shù)的增加，其轉(zhuǎn)化效率也在改變，因此需對其設(shè)定隨時(shí)間衰減的成本函數(shù) C（PBSi，t）。

式（4）中要滿足如下的等式和不等式約束：

4 求解算法

本文采用模擬退火遺傳算法來求解［5-6］，其流程圖如圖6所示。

圖6 模擬退火遺傳算法流程圖

從圖6可以看出，求解的步驟為：

1）先設(shè)定參數(shù)。

2）進(jìn)行染色體編碼，初始化種群。

3）進(jìn)行適應(yīng)值計(jì)算，判斷算法是否收斂，如果收斂，得出最優(yōu)解；如果不收斂就繼續(xù)進(jìn)行交替選擇，直到達(dá)到目標(biāo)。

5 算例分析

本文以IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，調(diào)度周期為24 h，對前文所提的優(yōu)化調(diào)度方法進(jìn)行驗(yàn)證。在節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)圖7中，節(jié)點(diǎn)20接入MG2，其中包含儲能單元、光伏發(fā)電單元和風(fēng)力發(fā)電單元，出力上限為3 MW；節(jié)點(diǎn)4接入MG1，比MG2中少了風(fēng)力發(fā)電單元，出力上限也為3 MW；節(jié)點(diǎn)14、節(jié)點(diǎn)16接入智能化微電網(wǎng)MG3-1和MG3-2；節(jié)點(diǎn)23和節(jié)點(diǎn)28分別接入將沼氣作為燃料和燃燒工業(yè)廢料的分布式發(fā)電單元，其出力上限分別為4 MW和3 MW。

圖7 IEEE 33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)圖

將節(jié)點(diǎn)0接入10 kV的大電網(wǎng)中，提取某地區(qū)在24 h內(nèi)溫度和光照的曲線，如圖8所示，通過此曲線預(yù)測光伏發(fā)電的出力，其預(yù)測結(jié)果如圖9所示。

圖8 某地區(qū)24 h內(nèi)的溫度和光照強(qiáng)度曲線

圖9 MG3-1和MG3-2光伏發(fā)電出力曲線

用本文提出的調(diào)度方法，以電網(wǎng)公司收益最高、單個(gè)微電網(wǎng)運(yùn)行最經(jīng)濟(jì)為目標(biāo)，利用模擬退火遺傳算法，得出主動(dòng)配電網(wǎng)調(diào)度中心的優(yōu)化結(jié)果如圖10所示。

圖10 配電網(wǎng)調(diào)度中心優(yōu)化結(jié)果

從圖10可以看出，DG1和DG2在整個(gè)調(diào)度周期內(nèi)滿發(fā)，這是因?yàn)槠涫褂玫恼託夂屠l(fā)電成本較低，考慮到經(jīng)濟(jì)性，令其滿發(fā)。MG1、MG2在負(fù)荷高峰期其出力降低，這是因?yàn)榇藭r(shí)其電價(jià)相對較高，失去優(yōu)勢。在負(fù)荷高峰期，單個(gè)分布式發(fā)電單元、微電網(wǎng)根據(jù)預(yù)設(shè)函數(shù)，利用模擬退火遺傳算法來優(yōu)化其出力的先后順序；在負(fù)荷低谷期，具有儲能單元的微電網(wǎng)群會在滿足自身需要的同時(shí)儲存電能，所儲存的電能可以通過負(fù)荷高峰期的售電來增加電網(wǎng)公司的收益。

以單個(gè)微電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，MG3-1內(nèi)部的優(yōu)化結(jié)果如圖11所示。

由圖11可以看出，儲能單元在負(fù)荷低谷時(shí)儲存電能，此時(shí)主要通過燃料電池提供電能。雖然燃料電池沒有污染、發(fā)電成本較低，但是其出力有限，所以當(dāng)負(fù)荷增大時(shí)，由于微電網(wǎng)之間存在能量交互，此時(shí)會吸收相鄰微電網(wǎng)內(nèi)燃料電池的發(fā)電，降低微型燃?xì)廨啓C(jī)的出力，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

圖11 MG3-1內(nèi)部優(yōu)化結(jié)果

6 結(jié)語

隨著新型電網(wǎng)的推廣和應(yīng)用，需考慮智能電網(wǎng)中微電網(wǎng)和主動(dòng)配電網(wǎng)調(diào)度的經(jīng)濟(jì)性。本文提出了一種微電網(wǎng)之間存在能量交互的調(diào)度方法，將其應(yīng)用于IEEE33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明該方法可以使目標(biāo)函數(shù)取得最佳值，為今后微電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度研究提供了一定基礎(chǔ)。