孤岛和并网模式下的微网能量管理

张丽娜，王金梅，霍 达

（宁夏大学物理与电子电气工程学院，宁夏银川750021）

孤岛和并网模式下的微网能量管理

张丽娜，王金梅，霍 达

（宁夏大学物理与电子电气工程学院，宁夏银川750021）

针对微网运行时分布式电源的出力对微网经济性的影响，提出一种优化微网经济运行的能量管理模型。该模型在孤岛和并网两种模式下分别构建以系统运行成本最小为目标的目标函数，设计了经济运行策略，并采用粒子群优化算法进行求解，实现微网在孤岛和并网两种模式下的经济运行。以一个小型直流母线型微网系统为例，验证所提模型的有效性，验证结果表明，该能量管理模型能够有效实现微网的经济运行。

微网；能量管理；分布式电源；粒子群算法

1 引言

微电网优化运行中的重要内容之一是微网的经济性。微网孤岛运行时分布式电源之间的出力，以及并网运行时微网与大电网间的能量交换，都会对微网经济运行造成影响，因此如何协调分布式电源以及大电网的出力，已成为微网经济运行的关键。

文献［1］从日前与日内两个时间尺度对微网能量进行协调控制，优化各发电单元和需求侧管理负荷的启停机状态，及其有功出力值；文献［2］提出的能量管理策略对储能单元与分布式电源统一建模，将储能智能管理、经济负荷分配、运行效益优化等多目标优化问题转化成单目标优化问题进行求解；文献［3］建设了实验室微网监控平台，提出了能量管理系统的构成、任务和工作流程，并对其中经济调度和优化运行的数学建模方法进行了详细描述。文献［4］将切负荷和卸负荷作为调节功率的手段，提出微网实时能量优化调度方法来解决独立运行模式下的微网能量管理问题。

本文主要研究微网在孤岛和并网两种模式下运行时分布式电源的出力对微网经济性的影响，构建了能量优化管理模型，来优化分布式电源、储能单元、负荷和电网之间的能量流通，实现微网在孤岛和并网两种模式下运行成本最低的目标，提高微网系统运行的经济性。

2 微网的基本结构

微网系统的网络拓扑结构通常根据系统中母线类型的不同划分为直流母线型微网、交流母线型微网和交直流混合母线型微网3种。本文以直流母线型微网系统为例，其结构如图1所示，系统中的光伏电池（PV）等直流发电单元、蓄电池等直流储能单元都通过直流－直流变换器连到直流母线上，风力发电机（WT）等交流发电单元、交流储能单元都通过交流－直流变换器连到直流母线上，接着直流母线再通过逆变装置连接到外部大电网或给本地负荷供电。直流母线型微网系统通过电力电子变换装置可以向不同电压等级的交流、直流负荷提供电能，储能装置可在直流侧补偿分布式电源和负荷产生的波动。

图1 直流母线型微网系统

3 能量管理模型

以一天的24小时为一个运行周期来考虑分布式电源出力情况、储能单元剩余容量、负荷需求和电价信息，合理规划分布式电源和储能单元的出力，使总体运行成本降到最小。采用的经济运行策略如下。

（1）由于WT和PV是再生能源，不直接消耗燃料，环境污染小，则优先使用该机组发出的电能；

（2）燃气轮机（MT）的出力由负荷决定；

（3）当分布式电源发出的电能能够满足负荷需求时，可将剩余电能出售给大电网；

（4）当分布式电源发出的电能不能满足负荷需求时，根据 MT的电量成本，经济调度其出力或从大电网购电能来补充剩余负荷需求。

2.1 目标函数

（1）孤岛模式下，在保证本地负荷需求的前提下，以总的发电成本最小为目标构建目标函数，即

式中：N为分布式电源的个数；T为一个运行周期划分的时段数；PGi（t）、BGi（t）分别为第i个分布式电源在时段t发出的功率和电量报价。

（2）并网模式下，综合考虑分布式电源的发电成本以及微网与大电网之间的能量交换情况，以微网运行成本最小为目标建立目标函，即

式中：G（t）为t时段微网与大电网能量的交互情况，当 G（t）大于 0 时表示从电网购电，当 G（t）小于0时表示向电网卖电；B（t）为t时段电网电价。

2.2 约束条件

（1）功率平衡约束

式中：PG（t）为t时段发电单元输出的功率；PE（t）为t时段储能单元发出或吸收的功率；PL（t）为t时段负荷需求的功率。

（2）有功出力约束（孤岛和并网模式）

（3）蓄电池的充放电约束（孤岛和并网模式）

用蓄电池的剩余能量状态Ssoc来衡量储能装置的剩余储能量，则：

式中：PB（t）为充放电功率；Δt为充放电时间；Bstor为储能装置的总容量。

则蓄电池的充放电约束为：

4 算例分析

以一个小型直流微网系统为例，采用可更新权重因子和学习因子的粒子群算法对模型进行求解，算法流程如图2所示。

图2 算法流程图

求解过程中的主要数据如表1所示。

表1 分布式电源的出力及电量报价

一天中的负荷需求曲线如图3所示。

图3 负荷曲线

图4所示为孤岛模式下采用可更新权重因子和学习因子的粒子群算法的能量管理的优化计算结果。在00：00－08：00时负荷需求较小，光伏电池PV还未启动，风机WT单独运行发出的电能不足以满足负荷电能要求，则系统启动燃气轮机MT，由两者共同给负荷供电。随着PV的启动，由PV和WT发出的电能足以满足负荷的需求，同时可将剩余能量储存在蓄电池当中，此时MT发电所占比例很小甚至关闭。当下次负荷高峰来临时，蓄电池储存的能量可以释放出来给负荷供电，会减小MT的发电量。这样，不仅充分利用了可再生能源发出的电能，还减小了燃气轮机的燃料损耗，既具有经济性又具有环保价值。

图4 孤岛模式能量管理的优化结果

并网模式下，由于微电网要与大电网进行能量交互，则在不同时段从电网购电的电价和向电网售电的电价对能量管理的优化结果有一定的影响。电网时段的划分及每时段从电网购电和向电网售电的电价如表2所示。

表2 购电、售电电价表

并网模式下，采用可更新权重因子和学习因子的粒子群算法的能量管理进行优化计算，其结果如图5所示。电价谷时段（00：00－08：00）时电网电价较低，从电网购电，在满足本地负荷需求的基础上向蓄电池充电；电价平时段尽量不从电网购电，由蓄电池储存的能量给剩余负荷供电；电价峰时段（11：00－15：00）由于向电网的售电电价较高，将蓄电池储存的能量以及PV、WT的剩余能量最大化地输送给电网。在整个运行期间，由于燃气轮机的电量成本高于从电网购电的成本，所以燃气轮机处于停机状态，这样既保证了供电的稳定性，又节约了燃料成本。同时使蓄电池工作在“削峰填谷”模式下，有利于充分利用电能、缓解供电压力。

通过算法的计算结果可以得出下面结论。不采用能量管理总运行成本为1296元。采用能量优化管理策略后，孤岛模式下微网总的运行成本为1010.8元；并网模式下微网总的运行成本为894.67元。采用这种能量管理模型无论对微网系统还是大电网都有一定的好处。对微网系统来说，孤岛运行时，能量管理模型充分考虑了负荷需求和分布式电源的电量成本，降低了燃料成本，具有一定的环保价值；与大电网并网运行时，不仅提高了微网系统的供电可靠性，还提高了微网运行的经济性。对于大电网来说，微网系统的存在，有助于减小电网阻塞，缓解电网高峰时段的电力供需矛盾。

5 结束语

本文主要研究微网孤岛和并网运行时分布式电源的出力对微网经济性的影响。构建了使微网系统运行成本最小的能量优化管理模型，以优化分布式电源、储能单元、负荷和电网之间的能量流通。并采用可更新权重因子和学习因子的粒子群算法对模型进行求解，验证结果表明，该模型能够实现微网系统的经济运行。

［1］郭思琪，袁 越，张新松等.多时间尺度协调控制的独立微网能量管理策略［J］.电工技术学报，2014，（02）：122－129.

［2］陈昌松，段善旭，蔡 涛等.基于改进遗传算法的微网能量管理模型［J］.电工技术学报，2013，（04）：196－201.

［3］张建华，苏 玲，陈 勇，苏 静，王 利.微网的能量管理及其控制策略［J］.电网技术，2011，（07）：24－28.

［4］张建华，苏 玲，陈 勇等.微网的能量管理及其控制策略［J］.电网技术，2011，（07）：24－28.

［5］石庆均，耿光超，江全元.独立运行模式下的微网实时能量优化调度［J］.中国电机工程学报，2012，（16）：26－35.

［6］李越，李姝.孤岛模式下微网能量管理系统控制策略的仿真研究［J］.华东电力，2014，（06）：1174－1179.

［7］陈 杰，陈 新，冯志阳等.微网系统并网/孤岛运行模式无缝切换控制策略［J］.中国电机工程学报，2014，（19）：3089－3097.

［8］王新刚，顾 臻，庄葛巍等.含多个分布式电源的微电网协调控制［J］.华东电力，2014，（11）：2339 －2344.

［9］茆美琴，张永宁，王杨洋等.削峰填谷策略下微电网多时间尺度能量优化［J］.南方电网技术，2016，（08）：23－31.

［10］张 红，李生珠.一种改进的光伏微网能量管理模型的管理［J］.山东工业技术，2016，（13）：74.

Microgrid energy management in islanding and grid connection mode

ZHANG Li－na，WANG Jin－mei，HUO Da
（School of Physics and Electronic and Electrical Engineering，Ningxia University，Yinchuan 750021，China）

Aiming at the influence of the output power of the distributed power supply on the microgrid economy，an energy management model is proposed to optimize the microgrid economic operation.In the island model and grid－connected mode，the objective function of minimizing the system running cost is constructed.The economic operation strategy is designed and the particle swarm optimization algorithm is used to solve the model to achieve the microgrid economic operation in the modes.Finally，taking a small DC bus type microgrid as an example，the validity of the proposed model is verified.The results show that the energy management model can realize the economical operation of microgrid.

microgrid；energy management；distributed power supply；PSO

TM731

A

1005—7277（2017）03—0045—04

张丽娜（1992－），女，宁夏石嘴山人，硕士研究生，主要研究方向为电工电子新技术及微网相关技术研究。

王金梅（1968－），女，宁夏中卫人，博士研究生、教授，主要研究方向为电力电子技术及新能源发电研究。

霍 达（1992－），男，陕西榆林人，硕士研究生，主要研究方向为电子与通信工程。

2017－01－06