能源互联网中微网系统设计及其运行控制方法研究

窦鹏冲，张 鹏，段洪旺

(中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司，河北 石家庄 050031)

随着全球能源与环境问题的日益严峻，中国提出了“碳达峰、碳中和”的战略目标，对于新能源电力系统建设提出了更紧迫的需求。能源互联网作为新能源电力系统的互联支撑，可解决系统中电力远距离输送与因地制宜消纳等诸多技术难题。

微网(microgrid)技术具有有效整合新能源及可再生能源分布式发电的优势，为新能源及可再生能源并网发电规模化应用提供了新的技术方案。微网是一种由负荷和微电源(即微网中的新型分布式电源)及储能装置共同组成的有机系统。由于微网中的微电源种类多，负荷形式较多，线路阻抗不同，运行方式相对复杂，因此需实现接入能源互联网的微网系统之间及微网中各类电源和负荷之间的优化运行与协调控制，使能源互联网系统达到最佳运行状态[1]。

本文从能源互联网中微网系统设计出发，研究阐释能源互联网中微网系统的优化运行与协调控制问题，并介绍有效的策略方法，提出了能源互联网中微网系统接入亟需的研究方向。

1 能源互联网中微网系统设计

2021年10月13日，《2021国家能源互联网发展年度报告》正式发布，能源互联网及其中微网系统的关键技术研究也得到了国内外的广泛关注。图1为微网接入的能源互联网结构图。这一系统设计形成了独立电源模式、微网模式、微网之间互联互动模式等多种运行模式共存的能源互联网网络，能量管理系统统一调度控制，分布式电源与微网之间、微网与微网之间、微网与能源互联网之间互为支撑，能量双向流动，信息互动交流，能够保障高质量稳定供电，显著提高了能源互联网的经济性和可靠性[2-3]。

图1 微网接入的能源互联网结构

2 能源互联网中微网系统优化运行

能源互联网中微网系统含有光伏、风电等间歇性能源及各类负荷需求，具有不确定性，如图2所示。微网系统的运行优化问题是一个多约束条件、非线性、多目标的优化问题。在包含众多随机因素的情况下，建立确定性的优化模型显然不符合实际，需将光伏、风电以及负荷的随机性纳入优化模型的建立，通过随机变量与目标函数之间的内在确定性关系，采用计算量小、精度高的优化算法，得出微网系统的优化运行方案[4]。

图2 单个微网系统结构

除了研究微网系统中各类微电源、蓄电池储能和负荷的数学模型和优化运行外，还需考虑微网系统间的实际情况，研究微网系统之间的数学模型和优化运行，如图3所示。建立目标函数时，综合考虑发电燃料成本、运维检修成本、与电网电能交互成本、环境保护成本、负荷中断赔偿成本、电价补贴等。设立约束条件时，综合考虑能量供需平衡、负荷变化规律、电源发电规律、线路通道输电能力、阶梯电价、储能装置输出等。选择优化算法时，综合考虑算法速度和精度，可将点估计、级数展式与传统优化算法相结合，解决多维度、多约束、多目标优化的问题。

图3 多微网系统结构

能源互联网中微网系统优化运行问题可表示为一个多变量非线性函数Z。

Z=F(c1,…，cs,p1,…ps)

(1)

式中：c1,…，cs为s个确定性变量；P1,…，Ps为s个随机变量。

通过建立全面的目标函数，设立多元的约束条件，采用高精度的优化算法，计算出微网中微电源及储能装置、各微网系统的发电计划，以指导系统调度，实现优化运行，如图4所示。

图4 某微网系统24 h各电源发电计划优化图

3 能源互联网中微网系统协调控制

微网系统可与能源互联网连接并网运行，也可以处于孤岛模式单独承担本地负荷。随着微网系统中分布式电源数量种类增加，其控制方式变得相对复杂，如图5所示。因此需要对微网系统内部各分布式电源间、微网系统间的能量优化管理制定出合理的分层控制方法，确保电网的安全性、稳定性和可靠性[5-7]。

通过系统优化运行得出各发电单元的最优发电计划后，如果保证各分布系统电压频率稳定、功率精准流动、能量快速响应，还需研究能源互联网中微网系统的分层协调控制方法，如表1所示。

图5 微网中发电单元控制系统原理

表1 能源互联网的分层控制策略

能源互联网中各发电单元之间、微网系统之间，包括分散式控制、集中式控制、分布式控制3种系统性控制方式，如图6所示。

(a) 分散式控制

(b) 集中式控制

(c) 分布式控制图6 微网系统3种不同的控制方式

微网系统中环境变化、工况改变和元件老化等因素会导致元件参数摄动，使数学模型和实际系统存在偏差，另外，如何保证各发电单元按照优化的发电计划发电， 减轻发电单元并入微网时对微网及能源互联网的冲击扰动，即达到快速而无冲击的柔性并网要求，保证能源互联网的电能质量和供电可靠性，需要进行发电单元之间的协调控制。目前，发电单元之间的协调控制方法，主要有下垂控制、多环反馈控制、解耦控制、非线性控制及其各类改进控制方法[8-9]。

4 结语

将微网技术引入能源互联网中是解决能源互联网中电力远距离输送与因地制宜消纳的有效途径，鉴于能源互联网系统的复杂性、不确定性，本文主要介绍了微网系统接入的优化运行与协调控制策略方法，以实现能源互联网为新能源电力系统提供更好的技术支撑。随着能源互联网的快速发展，还需开展能源互联网中微网系统的综合规划、系统兼容扩展、电能质量分析与控制、需求侧管理、能量管理系统、社会经济综合效益、商业运营模式等方面的研究。