一种考虑经济性的微电网能量优化调度方法

侯 爽 ，侯杰缤 ，牟 黎

（1.国网滨州供电公司，山东 滨州 256600；2.国网菏泽供电公司，山东 菏泽 274100；3.国家电网有限公司技术学院分公司，山东 济南 250002）

0 引言

可再生能源在我国能源结构中的占比越来越大。利用清洁能源发电与国家节能减排政策相符［1］，但风能、太阳能这类清洁能源具有间歇性，发电时存在一定的不稳定性。微电网将多个分布式电源、储能系统、负荷等组合在一起，不但具有分布式电源的优点，而且解决了清洁能源间歇性带来的问题。同时，多个微电网可以组合在一起，形成一个规模较大的微电网群，增加系统运行的稳定性［2］。微电网群内各微电网如何调度直接影响微电网运行的高效和稳定。目前配电网优化调度主要以分布式电源、可控负荷和微电网3个不同侧重点为主体进行研究，在主动配电网优化调度方面的研究仍需进一步加强。本文在微电网重要资源需求侧响应技术基础上，提出了优化调度方法，用具体算例进行了仿真，结果表明该方法可以提高微电网的可靠性。

1 微电网基本结构

图1为一种典型的微电网结构。该微电网由冷/热电联产系统、不可控分布式电源（太阳能、风能）、可控分布式电源（燃料电池、微型燃气轮机）、用电负荷和储能单元构成，包含3条馈线网络。图中每个分布式发电单元连接一个分段断路器，若某个分布式发电单元出现了故障，其对应的分段断路器断开，将故障快速切除，不会对其他分布式发电单元的运行造成影响。图中CB4断路器可将微电网在孤立运行模式和并网运行模式之间进行切换。当CB4闭合时，微电网和上级电网连接并且进行功率交换，微电网并网运行；当上级电网出现故障时，CB4断开，将微电网与故障电网分离，微电网孤立运行。微电网的孤立运行有两种模式：一是CB4断开，微电网整个退出电网运行；二是CB1和CB3断开，微电网部分退出电网运行。

图1 典型的微电网结构

2 微电网接入主动配电网

微电网接入主动配电网的结构如图2所示［3］。微电网通过中央控制器与主动配电网建立连接。

图2 微电网接入主动配电网的结构图

在图2中，配电网潮流的流动方向用带箭头的实线表示，配电网信息的流动方向用带线头的虚线表示。各个微电网群和分布式电源由主动配电网能量管理系统进行统一调度。当主动配电网进行信息交互或者存在潮流流动时，微电网、分布式电源可以对其起到支撑作用，从而实现安全可靠运行。

微电网控制方式可以分为集中式、集中-分散式和分布式3种［4］。

2.1 集中式控制方式

图3是微电网的集中式控制方式，其主动配电网调度中心可以控制每个微电网，进行统一调度。但当微电网中分布式电源增加时，一个调度中心无法对多个微电网进行优化调度，不能满足未来电网快速发展的要求。

图3 集中式控制方式

2.2 集中-分散式控制方式

图4是集中-分散式控制方式。该方式在微电网与主动配电网调度中心之间加入微电网调度中心。当多个微电网并联形成复杂的微电网群时，可以通过微电网调度中心控制内部的分布式发电单元，从而减轻主动配电网调度中心的压力。微电网与微电网之间会协同出力，同时又相互博弈。采用这种控制方式，主动配电网调度中心的压力有一定程度的减小。

图4 集中-分散式控制方式

2.3 分布式控制方式

图5是分布式控制方式。此种控制方式考虑微电网内部调度方式的同时，在每个微电网间建立了通信互联，使每个微电网可以协同出力。主动配电网调度中心只需考虑每个微电网间稳定的出力和电网公司的经济性。当单个调度中心出现故障时，整个系统的稳定性不会受到影响。

3 优化调度方法

本文提出一种控制方法来实现微电网之间的能量优化调度。微电网群根据主动配电网调度中心某一时段的出力情况确定微电网出力。在微电网群中，每个微电网都是独立的，并且出力的上下限固定，同时微电网之间存在能量交互。通过负荷预测，微电网群制定出力计划，并把此出力计划上传到主动配电网调度中心。当主动配电网调度中心分配负荷时，考虑每个微电网的出力上下限，按照出力计划分配负荷，同时考虑微电网内部运行的经济性，以成本最低为目标进行优化调度。

图5 分布式控制方式

进行微电网与主动配电网优化时，以电网公司收益最大作为目标，目标函数表达式为式（1）。目标函数由两部分组成：电网公司的售电收益和政府补贴、网损支出和电网公司购电支出，这两部分构成了电网公司在一个调度周期内的总体收益，用C表示。

式中：CbDG，t和 CbMG，t分别为分布式发电单元和微电网电量上网过程中政府给予电网公司的补贴；Ci，t和CSMGi，t分别为在时间段t内负荷、微电网购入电量的单价；Pi，t、PMGi，t、PDGi，t分别为在时间段 t内负荷、微电网和分布式发电单元 3 个节点的功率；ρ1i，t和 ρ2i，t满足 ρ1i，tρ2i，t=0，且 PMGi，t>0 时，ρ2i，t=1，PMGi，t<0 时，ρ1i，t=1；Pgrid，t和 Ploss，t分别为电网交换过程中产生的功率及网损；CBMGi，t、CBDGi，t、CB分别为电网公司向微电网、分布式发电单元和上级电网购电的费用。

式（1）中各量应满足以下约束条件：

式中：Gik、Bik分别为节点i和k间的互电导和电纳；ei，t、fi，t分别为时间段 t内电压的实部和虚部。每个节点电压、功率、分布式发电单元出力和微电网出力又有相对应的不等式约束条件：

式中：Vi，t为时间段t内节点的运行电压，为其最大值，为其最小值；Pgrid，t为配电网与上级电网之间的交换功率；PDGi，t为时间段t内分布式发电单元的功率；PMGi，t为微电网的出力。

单个微电网内部以运行成本最低为目标，其数学模型为：

式中：CMGi为规范的微电网内部单元发电成本函数，由于不同的微电网控制结构中含有不同数量的分布式发电单元，因此将分布式发电单元的数量设定为nCG；PCGij，t为微电网中第 j个分布式发电单元出力，C（PCGij，t）表示其出力成本；对于风机和光伏这类环境友好型分布式发电单元的出力和成本分别为PPVi，t、PWTi，t和 C（PPVi，t）、C（PWTi，t）；PBSi，t为蓄电池在 t时段功率，随着充放电次数的增加，其转化效率也在改变，因此需对其设定随时间衰减的成本函数 C（PBSi，t）。

式（4）中要满足如下的等式和不等式约束：

4 求解算法

本文采用模拟退火遗传算法来求解［5-6］，其流程图如图6所示。

图6 模拟退火遗传算法流程图

从图6可以看出，求解的步骤为：

1）先设定参数。

2）进行染色体编码，初始化种群。

3）进行适应值计算，判断算法是否收敛，如果收敛，得出最优解；如果不收敛就继续进行交替选择，直到达到目标。

5 算例分析

本文以IEEE33节点系统为基础，调度周期为24 h，对前文所提的优化调度方法进行验证。在节点系统图7中，节点20接入MG2，其中包含储能单元、光伏发电单元和风力发电单元，出力上限为3 MW；节点4接入MG1，比MG2中少了风力发电单元，出力上限也为3 MW；节点14、节点16接入智能化微电网MG3-1和MG3-2；节点23和节点28分别接入将沼气作为燃料和燃烧工业废料的分布式发电单元，其出力上限分别为4 MW和3 MW。

图7 IEEE 33节点系统图

将节点0接入10 kV的大电网中，提取某地区在24 h内温度和光照的曲线，如图8所示，通过此曲线预测光伏发电的出力，其预测结果如图9所示。

图8 某地区24 h内的温度和光照强度曲线

图9 MG3-1和MG3-2光伏发电出力曲线

用本文提出的调度方法，以电网公司收益最高、单个微电网运行最经济为目标，利用模拟退火遗传算法，得出主动配电网调度中心的优化结果如图10所示。

图10 配电网调度中心优化结果

从图10可以看出，DG1和DG2在整个调度周期内满发，这是因为其使用的沼气和垃圾发电成本较低，考虑到经济性，令其满发。MG1、MG2在负荷高峰期其出力降低，这是因为此时其电价相对较高，失去优势。在负荷高峰期，单个分布式发电单元、微电网根据预设函数，利用模拟退火遗传算法来优化其出力的先后顺序；在负荷低谷期，具有储能单元的微电网群会在满足自身需要的同时储存电能，所储存的电能可以通过负荷高峰期的售电来增加电网公司的收益。

以单个微电网运行经济性为目标，MG3-1内部的优化结果如图11所示。

由图11可以看出，储能单元在负荷低谷时储存电能，此时主要通过燃料电池提供电能。虽然燃料电池没有污染、发电成本较低，但是其出力有限，所以当负荷增大时，由于微电网之间存在能量交互，此时会吸收相邻微电网内燃料电池的发电，降低微型燃气轮机的出力，实现微电网经济运行。

图11 MG3-1内部优化结果

6 结语

随着新型电网的推广和应用，需考虑智能电网中微电网和主动配电网调度的经济性。本文提出了一种微电网之间存在能量交互的调度方法，将其应用于IEEE33节点系统，仿真结果表明该方法可以使目标函数取得最佳值，为今后微电网的优化调度研究提供了一定基础。