电能路由器在互联微网中的应用研究

梁东义 周建强 吕晓娟 董 岩

（郑州电力高等专科学校能源与动力工程学院，河南 郑州 450000）

0 引言

微电网能够实现自我管理、保护和控制，既可以与大电网并网运行，也能脱离大电网独立运行。微电网是分布式电源，如分布式光伏、分布式风电、储能装置与智能配电系统的有机组合，可以和现有电力系统结合形成高效灵活的电力系统。微电网包含交流微网和直流微网两类。其中交流微网具有电压转换简单、使用方便等特点；而直流微网是将电源和负荷均连接至直流母线上，直流母线通过电力电子变换装置连接至外部交流电网，直流微网具有稳定高效的特点[1]。因此，未来的电力系统必将是一个包含无数交、直流微网的系统[2]。电力能量路由器简称电能路由器，可根据实际需要方便地进行电能的转换与分配，电能路由器在多微网互联中能够起到转换枢纽的作用。

将微电网与电能路由器相结合，在满足微网自身用电安全的前提下，可以按照市场规律，根据电源和负载的功率预测进行发电、储能、用电的调节与分配[3]。每个微网既能提供电能也在使用电能，同样可以成为市场交易的主体，通过与大电网进行电量交易，可实现经济效益的最大化。

1 基于电能路由器的多微网系统结构设计

为研究电能路由器在互联微网中的应用，设计了多微网互联试验系统，包含三个微网，三者可通过以下三种方式实现灵活互联。两个交流微网可分别或同时与市电系统并网运行；两个交流微网可实现互联，组成单一交流微网，离网或并网运行；三个微网通过四端口电能路由器实现互联，通过电能路由器实现电量的调度与分配，可离网和并网运行。并网方式分为通过能量路由器并网和通过交流微网并网两种。系统结构如图1所示，其中交流微网的母线电压为380 V。交流微网Ⅰ主要设备包括：4 kWp单晶硅光伏发电系统1套；12 kVA铅酸电池与0.5 kW超级电容联合储能系统1套；1 kW垂直轴风力发电系统1套；10 kW RLC可编程负载1套；智能交流充电桩1套，智能空调1台。交流微网Ⅱ配置与交流微网Ⅰ基本相同，主要设备有：4 kWp多晶硅光伏发电系统1套；12 kVA铅酸电池与0.5 kW超级电容联合储能系统1套；1 kW水平轴风力发电系统1套；3 kW模拟风力发电系统1套；空气能热水器1套；10 kW RLC可编程负载1套。另一个为直流微网，母线电压为300 V。直流微网主要设备：2 kWp薄膜非晶硅光伏发电系统1套；10 kW磷酸铁锂电池储能系统1套；5 kW直流可编程负载系统1套。

图1 基于电能路由器的多微网互联系统

三个微网通过电能路由器与实验室380 V配网连接并网。电能路由器功率为30 kW，有3个0.4 kV交流端口、1个300 V直流端口，2个交流端口分别接交流微网Ⅰ和交流微网Ⅱ，第3个交流端口与交流0.4 kV市电系统连接，1个直流端口与直流微网进行连接。通过电能路由器，微电网可以从外网获取能量，也可以向大电网输送能量，还可以在不同的微电网之间进行能量输送，从而实现电能的竞价购销。

2 基于电能路由器的多微网互联调度策略

在多微网互联系统中，为实现微网间的能量监控与调度功能，配置微网监控系统和微网间的智能调度系统。其中三个微网各配一个专用的微网控制系统、独立的通信网络，实现对单个微网的监控；另外，对三个微网配置一套互联微网控制系统，能够对电能路由器、联网设备进行监控；为监测气象数据及电能质量，安装气象监测仪和电能质量监测仪，配置基于D5000平台的多微网智能调度系统，实现对三个微网的集中管理和能量优化调度。

2.1 优化调度原则

多微网智能调度是本系统的最高调度层，通过电能路由器完成多个微电网之间的能量优化分配，验证多微网互联的运行模式及应用场景。调度层包括数据服务器和监控服务器，能实时发布多微网互联的发电、用电信息，以实现信息共享。优化调度原则：首先是安全原则，即保证各微电网自身的负载需求及能量平衡[4]；当无法满足自身需求时，进行微网间的能量分配与调度，同时，不能满足能量平衡的微电网可根据负载情况切除次要负载或切除电源；如某个微电网发生故障，能够迅速自动隔离。其次是经济效益最大化原则，根据多微网互联调度策略，实现电能的经济调度。基于电能路由器的多微网互联智能调度系统接收到微电网发出的电量需求时，根据已知的发电、用电以及天气状况等信息向其他微网发出调度指令，并通过电能路由器进行分配；单个微网控制系统也可根据自身运行情况实施优化调度，自主确定剩余电量是上网、存储还是响应能量调度系统的调度。

该调度系统还具有对发电功率和负荷需求进行预测的功能，可根据预测结果制定调度计划。同时接受当地配网的调度，并主动上传多微网调度系统的基本信息。

2.2 多微网互联优化调度

2.2.1 基于新能源电能消纳的优化调度

按照一定的调度策略来调节分布式电源的发电功率和运行状态，以确保在满足负荷的条件下尽可能多地使用清洁能源，同时要保证分布式电源电量全部就地消纳，且不向电网反送功率，避免逆功率保护动作造成系统停电。为了实现这一控制目标，需对三个微网的分布式电源发电功率、负载功率、气象信息等一系列参数进行实时采集，在综合分析的基础上，实时计算出对每个微网分布式电源的调节目标，并采用遥调远传通道下达调节命令，改变分布式电源的输出功率，改变电能路由器传输功率的大小和方向；通过遥控控制开关分、合闸以切入或切除分布式电源。

2.2.2 基于微网自身经济效益最大的优化调度

根据当前的新能源并网政策，微网不仅可以和大电网进行电能交易，微网间也可以自由进行电量交易。基于电能路由器的多微网互联电能交易策略是在此基础上进行的、开放交易环境下的多微网互联调度方法。首先是以单个微电网收益最高为目标的优化问题，可通过对微网内部各分布式电源制定合理的调度策略，再根据电网分时段峰谷电价与自身电量需求，合理安排每个微网的电源功率、储能系统荷电状态，最终实现微网经济效益最优，降低运行成本；基于电能路由器的多微网互联智能调度系统还能够对微网间的优化问题进行协调，如可能引发的交易冲突等。

3 基于电能路由器的多微网互联经济调度实验

3.1 基于电能路由器的微网间电量交易条件

当多微网系统中的微电网进行电能交易时，需满足以下条件：

1）各微网首先满足自身重要负荷的需要，仍有多余的电量时才进行网间交易。

2）网间交易之前，各微网向调度系统提供其售电价格，微网的售电价格Ps应满足PTD＜Ps＜PTS，其中，PTD代表某个微网有多余电量时向大电网售电的价格；PTS代表某微网电量不足时向大电网购电的价格。只有某微网有多余电量且满足其在微网间的售电价格低于其他微电网向大电网购电的价格，高于其向大电网售电的价格时交易才能实现。

3）微网间电量交易时还需要外部电网的支持，比如配网的线路容量等。使用线路容量就需要一定的配套服务费，服务费用的多少视线路交易电量的多少而定。

4）如果各微网均有需求，但微网内部电量不足时，使用采购价格优先的策略，即竞价购电的原则，优先保证出价高的微网的用电需求。

5）微网内可以根据气象数据预测及负荷需求预测确定其售电和购电价格，并将这些信息上传至多微网互联调度层。

6）多微网互联调度层收集所有数据并公布给下属所有三个微电网控制层。

7）微电网控制层根据所公布数据设立的优化目标函数，考虑多个约束条件，运用求解算法得出各自的最优调度计划，并上报给多微网互联调度层。

8）多微网互联调度层审核各微网的调度方案，按照优化调度原则协调各微网交易中的冲突问题，并将协调结果反馈给各微网，各微网按照多微网互联调度系统的指令执行电量交易。

3.2 基于电能路由器的微网间电量交易方案

微网间根据电价、内部电量需求与发电预测信息，制定内部可调电源的调度方案和购售电计划，并上报多微网智能调度系统。多微网互联调度系统对各微网上报的购电和售电计划进行协调，确定最佳交易方案。各微网均把自身经济效益最大作为调度目标，设立优化目标函数，综合考虑交易成本及微网自身的运行维护费用、电池充放电经济效益等因素，同时考虑微网负荷平衡约束、储能系统运行充放电深度约束等条件，得出最优运行计划[5]。

3.3 基于电能路由器的调度方法

各微网根据自身的发用电需求得到各自的调度方案，并将此方案上传至多微网互联调度系统。多微网互联调度系统来协调解决微网间调度计划的冲突问题，具体的协调方法如下：

1）根据各微网的交易方案生成交易矩阵Amn，其表示微网m计划与微网n交易的电量。对三个微网交易矩阵中的元素进行匹配，如果交易中有需求的重合，则重合部分视为匹配成功，没有得到满足的电量作为电量缺额或电量余额进行再次匹配。

2）有电量需求的微网根据其购电价格的高低进行排序，购电价格高的优先得到满足，根据各微网的购电价格确定其购电的次序。

3）互联微网通过电能路由器与大电网相连，当微网内部的电量经过调度后仍有缺额，则由大电网补足，如果微网内部有多余电量无法交易，则由大电网接收多余电量，从而实现微网的能量平衡。

3.4 基于电能路由器的优化调度实验

该多微网互联系统为微电网能量交易调度算法开发了专门的实验模块，用于对调度算法的研究及实验效果进行分析。优化调度算法需要各微网分布式发电设备信息、负荷曲线、分时电价信息等。本实验系统采用真实系统信息与部分人工设定信息相结合的原则，具体如下：

3.4.1 配置信息

微电网的分布式发电设备信息使用三个微电网的真实信息，各个微电网内的风电和光伏运行在最大功率跟踪模式，发电预测信息使用系统真实的发电预测结果数据。日负荷曲线、分时电价采用人工设定信息，外部配电系统服务费采用人工设定。

整个优化调度实验需在微电网监控系统和多微网互联调度系统中协同完成，产生调度指令对微电网进行实时控制，实验结束后可对实验结果进行对比分析，如可分析不同分时电价政策下的各微电网交易量、微电网效益优化结果等。

用浏览页面配置系统参数，如图2所示，该视图分为价格信息配置和预测数据配置，价格信息配置显示电价相关配置信息，预测数据配置显示负载、风速、光照强度的配置信息。

图2 配置预览界面

3.4.2 优化计算

程序根据用户配置的数据，以经济最优为目标，进行经济优化计算，并将计算出的结果显示在优化计算界面。执行优化计算前，配置文件必须为正常状态。优化计算界面分为调度计划和预计结果，如图3所示。

图3 调度计划

3.4.3 实验结果分析

调度执行以后，程序将按照优化计算所获得的调度计划，发送控制命令，以达到调度的目的，下发的调度命令将显示在命令监视窗口。达到调度结束时间后，调度将自动停止，调度执行涉及的界面为调度监测界面，分为交流微电网1、交流微电网2和直流微电网。调度监测界面将显示能源互联网的实时数据、计划数据以及当前电价信息。

调度结果界面将显示各微电网之间以及微电网和配电网之间的实际交互电量和计划交互电量，并显示实际收益和计划收益。调度结果界面如图4所示。

图4 运行结果

4 结束语

基于电能路由器的互联微网调度实验，验证了在当前电网电价政策的基础上，利用设计的调度策略，可以在保证自身重要负荷用电需求的前提下实现微网经济价值的最大化，同时，不同的交易条件也会有不同的运行结果。电能路由器对电量的合理分配，对于新能源电力消纳以及微网、大电网的安全经济运行都将起到有力的支撑作用。