基于多目标优化的含电动汽车充换储一体化设施的微电网能量管理及协调控制策略研究杜进桥

田杰 秦毅 廖贵膑 刘扬扬

摘要：含电动汽车充换储一体化设施的微电网由于负荷用电的不确定性，使得微电网联网功率产生随机性，造成配电系统电压波动、功率不平衡等问题。为解决上述问题，开展了基于多目标优化的微电网能量管理及协调控制策略研究，通过微电网需求侧负荷分类控制、基于多目标优化的微电网动态运行管理以及微电网日前优化调度等控制策略，实现对微电网的能量优化管理;根据建立的多目标优化策略，对微电网系统上层、下层进行协调控制，并通过微电网能量管理策略优化联网功率，为含电动汽车充换储一体化设施的微电网的稳定运行提供理论依据。

关键词：电动汽车;充换储一体化;微电网能量管理;协调控制策略

0 引言

目前发电系统主要以煤炭等化石能源发电为主，电能的大量使用间接产生了大量碳排放量[1]，对环境产生不利影响。随着风力发电、光伏发电技术的发展，可再生能源及其发电技术得到了广泛应用，对于减少环境污染、缓解化石能源消耗等方面起到了积极作用。但是可再生能源发电存在随机性、间歇性以及不可控等缺点，随着其渗透率的不断增加，将会威胁到电网的安全稳定运行。

为了解决上述问题，实现节能减排和环境保护目标，需要对可再生能源并网发电技术进行更加深入的研究，以加强电网对可再生能源的消纳能力。微电网作为一种用能方式，可对可再生能源发电进行有效管理，以减少对电网的影响。随着电动汽车的规模化并网运行，建立含电动汽车充换储一体化设施的微电网能量管理新模式，并对其协调控制策略进行研究显得尤为重要。

微电网的能量优化管理通常涉及多个利益主体，是一个多目标优化问题。在求解多目标优化问题时，通常是通过加权等方式将多目标问题转换为单目标问题，再利用数学规划方法对其进行求解，以此得到基于某种权值下的最优解[2]。

本文基于多目标优化问题的处理方式，开展含电动汽车充换储一体化设施的微电网能量管理策略研究，并对其协调控制策略进行详细的设计说明。

1 基于多目标优化的电动汽车微电网能量管理

1.1    微电网需求侧负荷分类

在对含电动汽车充换储一体化设施的微电网能量管理策略进行研究时，首先需要对微电网用电侧负荷进行分类。本文根据不同负荷的重要性程度，将负荷划分为第一等级负荷、第二等级负荷和第三等级负荷。其中，第一等级负荷与第二等级负荷是不可控负荷，第三等级负荷为可控负荷。同时，将第三等级负荷进行细化，分为可调负荷和可平移负荷两种。表1为3种不同等级负荷的具体划分及对应主要设备。

表1中第三等级设备中的可调负荷可根据微电网运行时的电力价格、温度等情况对其进行微调，以此可以在不影響电动汽车用户在使用充换储一体化设施时的舒适度前提下，提升微电网的经济效益[3]。

可平移负荷中的各类设备可在不影响用户体验、不对社会造成影响和危害的前提下进行切除，这一类型的设备可推迟或提前启动，调度时间相对自由。通过对这一类型设备的调度可在不改变负荷曲线的基础上改变整个负荷运行模式，以此对负荷进行最优处理，而第一等级和第二等级中的用电设备负荷不可随意对其进行调试。第三等级负荷的利用相对更加复杂，通过调节可在一定程度上影响用户感受。

因此，本文只针对第三等级负荷，对其运行管理目标进行设计。

1.2    基于多目标优化的微电网动态运行管理策略

在微电网运行过程中，根据前一段时间内微电网的运行状态数据，利用上述建立的多优化目标函数，得出下一段时间内的最优解，并将最优解作为微电网下一时间段内的动态管理目标。

1.3    微电网日前计划规划

本文基于多目标优化的微电网能量管理策略中，在满足电动汽车常规换电需求的基础上，集合上述建立的基于多目标优化的微电网动态运行管理策略，对含电动汽车充换储一体化设施的微电网日前计划进行统一安排[5]。根据运行管理目标，首先应当保证充换储一体化设施对电动汽车换电服务的可行性，在微电网中保证每个时间段的可用能量均大于电动汽车的需求量。

本文提出的微电网动态运行管理目标是一种理想化的微电网能量管理目标，在微电网实际运行时受到预测误差的影响，仅仅依靠管理目标无法实现最佳的运行效果。因此，在实际运行时应当结合实际运行数据对日前运行计划进行估算，以降低各项影响因素对微电网实际运行的影响[6]。微电网日前优化运行计划的具体流程如图1所示。

2 含充换储一体化设施的微电网能量管理协调控制策略

2.1    微电网能量管理协调控制策略

微电网能量管理协调控制策略主要包括两个层级：

其一为上层能量管理优化协调控制，在能量管理系统中根据上述建立的微电网动态运行管理优化策略，对微电网内部的各类微电源的出力进行优化[7]，从而使微电网整体的运行达到优化目标下的最优;

其二为下层能量优化协调控制，根据上层优化指令，对微电网内各微电源进行协调控制，实现对微电网中分布式电源运行功率的控制，使微电网整体的输出功率能够跟踪优化策略的参考功率。

下面针对微电网能量管理分层协调控制中的两层协调控制方法进行详细说明。

2.1.1    微电网上层能量优化协调控制

微电网上层能量管理优化从微电网的安全、经济运行角度出发，主要对微电网中各区域控制终端、并网控制设备等进行协调控制，实现微电网的优化运行。

在微电网上层能量管理系统中，以数据采集与监测控制系统作为协调控制基础，基于经济性目标，在此基础上进行微电网能量管理的协调优化分析和计算，从而实现微电网的能量优化与经济运行。

2.1.2    微电网下层能量优化协调控制

微电网下层能源主要包括分布式电源控制装置以及负荷控制装置，通过对微电网下层分布式电源的优化协调控制，可实现对微电网暂态功率的平衡和负荷的自动化控制，提高微电网系统的安全性、稳定性和可靠性。

在微电网下层结构中，基于低压测控单元、就地控制器、区域控制终端等，实现对各分布式电源的控制。区域控制终端主要根据系统参数和状态执行不同的控制策略。在微电网进行并网运行时，区域控制终端通过设定各可控设备的功率指令，实现区域内各电源的协调控制;在微电网离网运行时，区域控制终端控制微电网的主电源按电压/频率控制模式运行，实现恒压恒频输出，从而维持微电网在运行过程中的电压、频率稳定。

本文引入储能设备用于保证重要负荷的电能供应[8]。当微电网正常运行时，储能设备作为受控电源或者备用电源。一旦微电网运行出现问题，通过控制储能出力，保证微电网内部电压及频率的稳定。

2.2    微电网联网协调控制

由上述可知，在对微电网能量协调控制时，主要将微电网的能量管理分为上层和下层两个部分，采用集中控制与分散控制两种不同协调控制方法相结合的方式。下层能量协调控制作为分散控制的主要控制对象，上层用于实现微电网能量优化管理。在联网状态下，在每个控制周期中，每个微电网均看作是单一负荷或发电单元，微电网中所有的发电单元将根据微电网能量优化调度结果，确定在该时间段内各分布式发电装置的发电功率，进而实现微电网的经济优化运行。

在微电网联网协调控制过程中，为了实现微电网的优化运行，需要配置储能等受控电源或者可控负荷等设备。能量管理系统通过通信接口与微电网中其他控制器进行信息的交互[9]，综合各种电源、负荷、电网等状态信息，实现源-网-荷优化运行，协调互动。

3 结语

本文主要针对含电动汽车充换储一体化设施的微电网的多目标优化能量管理和協调策略进行了研究，通过对当前电动汽车的充电及换电应用市场分析，基于负荷分类控制、多目标能量管理以及日前优化调度等功能，提出了微电网的能量管理协调控制策略，为含电动汽车充换储一体化设施的微电网提供了经济运行的有效途径。

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收稿日期：2020-05-08

作者简介：杜进桥（1988—），男，甘肃白银人，硕士，工程师，研究方向：新能源与综合能源服务。