微電網(wǎng)能量管理優(yōu)化技術(shù)研究

天津平高易電科技有限公司 房凱龍 楊 霞

1 引言

微電網(wǎng)在應(yīng)用過程中是依托公共連接點（PCC）來實現(xiàn)與對應(yīng)的大電網(wǎng)進行連接的，而當相關(guān)電網(wǎng)彼此進行連接，則微電網(wǎng)將處于并網(wǎng)運行的情況之下，其范圍之內(nèi)的負荷一方面可以依托新能源發(fā)電來進行全面滿足，另一方面也可以通過大電網(wǎng)進行電能的獲取，從而對負荷情況進行滿足[1]。

2 微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)

如果在實際應(yīng)用過程中，微電網(wǎng)自身的電能存在一定富余的時候，其也可以將自身剩余的電力通過與大電網(wǎng)之間的連接，來進行出售，從而實現(xiàn)新能源發(fā)電的經(jīng)濟價值。而當相關(guān)電網(wǎng)之間彼此斷開的情況下，則對應(yīng)的微電網(wǎng)將會處于孤島運行的狀態(tài)之下，所產(chǎn)生的電量也只會用于對覆蓋范圍內(nèi)部的負荷進行使用。

在類型劃分方面，微電網(wǎng)可以分為直流微電網(wǎng)、交流微電網(wǎng)和交直流混合微電網(wǎng)三種類型，交流與直流微電網(wǎng)在整體結(jié)構(gòu)與具體的工作模式方面存在不通電，直流微電網(wǎng)匯集母線是直流電壓，在運行過程中一般不需要對系統(tǒng)各分布式電源的頻率同步狀況進行考量，在應(yīng)用過程中能夠有效地保證各發(fā)電單元之間的彼此協(xié)同。微電網(wǎng)內(nèi)部的負荷以交流為主，在面對這種情況的時候，需要采取逆變器來實現(xiàn)轉(zhuǎn)換并網(wǎng)。而交流微電網(wǎng)的匯流母線是交流母線，分布式電源、儲能裝置、負荷等電網(wǎng)之中的要素需要依托換流器來實現(xiàn)與母線之間的有效連接[2]。

從實際情況來看，現(xiàn)階段交直流混合微電網(wǎng)是未來的主要發(fā)展方向，這種微電網(wǎng)模式同時具有兩種微電網(wǎng)模式的優(yōu)勢，能夠更好地對能源進行利用，從而可以實現(xiàn)對微電網(wǎng)運行成本的有效節(jié)約。隨著當前我國能源形勢的緊張，當前的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，其電能來源往往包括可控微源、不可控微源、儲能裝置等多重要素，其中可控微源包括微型燃氣輪機、燃料電池等，這些能量來源的主要特征就是可以人為進行對其發(fā)電功率的調(diào)節(jié)。微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

3 微電網(wǎng)能量管理優(yōu)化的目標及技術(shù)

3.1 微電網(wǎng)能量管理優(yōu)化的目標

微電網(wǎng)的能量管理需要實現(xiàn)。

一是保證微電網(wǎng)系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。在實際運行過程中，如果微電網(wǎng)與大電網(wǎng)處于并網(wǎng)狀態(tài)，則微電網(wǎng)可以依托PCC 來與大電網(wǎng)進行對應(yīng)的能量交換過程，基于此，微電網(wǎng)的運行成本評估相對較為復(fù)雜，成本主要包括微電網(wǎng)向大電網(wǎng)購售電的經(jīng)濟成本、新能源發(fā)電的管理成本、發(fā)電的燃料成本、電網(wǎng)的管理成本和裝置的維護成本等多個組成部分。

在進行運行管理的過程中，相關(guān)的能量管理優(yōu)化工作需要確保微電網(wǎng)在一個調(diào)度周期內(nèi)（24h）的整體成本最低，同時要保證在對應(yīng)時間段內(nèi)微電網(wǎng)從大電網(wǎng)購電成本的最低，以及在對應(yīng)時間段之內(nèi)，向大電網(wǎng)售電收入的最高，在這些條件均得到充分滿足之后，則微電網(wǎng)的整體運行經(jīng)濟效益最大[3]。而為了實現(xiàn)這些目標，在進行調(diào)度周期內(nèi)運行成本控制的時候，需要對可控微源的運行個數(shù)和運行時間進行盡可能減少，從而可以節(jié)約燃料費用和設(shè)備維護費用，而對于不可控微源，則需要盡可能延長其應(yīng)用時間。

在進行時間段內(nèi)購電成本控制的時候，則需要基于大電網(wǎng)的購電價格、兩個電網(wǎng)之間的交互功率進行把握，從而確保其購電成本的相對最低。在向大電網(wǎng)售電的過程中，也需要對售電電價、電網(wǎng)之間的交互功率進行把握，最終保證售電收入的最大化。

二是保證微電網(wǎng)污染氣體處理成本的最低。在微電網(wǎng)能量管理優(yōu)化過程中，對污染成本進行控制也是相關(guān)工作之中比較重要的問題，微電網(wǎng)之中可控微源是以化石燃料作為基礎(chǔ)進行供電的，在這種情況下將會不可避免地產(chǎn)生污染，同時從大電網(wǎng)進行電力的采購時，由于大電網(wǎng)所采取的往往是傳統(tǒng)的化石燃料發(fā)電，因此也會產(chǎn)生污染成本。不過微電網(wǎng)之中的太陽能和風力發(fā)電系統(tǒng)，在使用的時候則不會產(chǎn)生污染問題。針對這種現(xiàn)象，在進行污染成本控制的時候，需要根據(jù)所產(chǎn)生污染物類型、微電網(wǎng)與大電網(wǎng)交互的排放、可控微源的電源類型等進行能量的管理與優(yōu)化，在這種方式之下，充分地平衡從大電網(wǎng)購電產(chǎn)生的污染成本與可控微源發(fā)電產(chǎn)生的污染成本，最終將能夠促進微電網(wǎng)的生態(tài)效益的最大化。

三是對綜合效益成本的有效把控。這一階段的控制就是需要尋求微電網(wǎng)運行成本與污染費用成本之間的平衡，保證其綜合成本的最低，其具體的影響因素主要包含微電網(wǎng)系統(tǒng)運行的經(jīng)濟成本和污染成本兩個方面。

3.2 微電網(wǎng)運行的約束條件分析

為了確保微電網(wǎng)在運行過程中的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，在實際工作之中還需要對各類約束條件進行考量，而相關(guān)的約束條件主要包括功率平衡約束、可控微源處理約束、聯(lián)絡(luò)線功率約束、蓄電池功率約束等。

功率平衡約束所指的是微電網(wǎng)在運行過程中，需滿足電網(wǎng)的功率需求，只有在這一條件得到滿足的情況下，微電網(wǎng)才具有較強的實際意義。

聯(lián)絡(luò)線路功率約束則是指微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間交互過程中，相關(guān)線路的功率值，這一因素會直接影響到從大電網(wǎng)進行購電的成本和向大電網(wǎng)售電的收入。蓄電池功率約束則是指微電網(wǎng)之中蓄電池的充電功率和放電功率，其變化狀況也會影響到微電網(wǎng)的實際運行成本。當在進行微電網(wǎng)能量管理的過程中，相關(guān)單位和人員需要對這些約束條件進行考量，并分析對應(yīng)約束條件的具體影響因素，從而制定與實際情況相符的能量管理策略。微電網(wǎng)運行約束條件的影響因素詳見表1。

表1 微電網(wǎng)運行約束條件的影響因素

3.3 微電網(wǎng)能量管理優(yōu)化技術(shù)

在明確微電網(wǎng)的能量管理控制目標之后，相關(guān)單位和人員可以針對性地進行相關(guān)控制方案的優(yōu)化，從而實現(xiàn)最佳的微電網(wǎng)能量管理和控制目標。實踐過程中可以首先從不同的發(fā)電單元和儲能單元入手進行控制，具體實施策略如下。

一是太陽能發(fā)電單元控制。微電網(wǎng)之中太陽能發(fā)電單元通常采取電壓閉環(huán)模式切換，其主要控制模式包括MPPT 和LPTC 兩種，在自由模式下，相關(guān)的控制依據(jù)可以采取對光照強度的把握，分析相應(yīng)的光照強度之下太陽能發(fā)電的最大功率點電壓，在此前提下進行調(diào)節(jié)。在切換至調(diào)度模式之后，相關(guān)的工作之中可以通過LPTC 算法來得到對應(yīng)的電壓參考值，并將其與太陽能發(fā)電單元的實際輸出電壓進行比較后，進行電路的控制，在這種方法之下即可實現(xiàn)對光伏輸出功率的有效控制，保證這一單元功率的最優(yōu)化。

二是風力發(fā)電單元的控制。風力發(fā)電單元在控制過程中可以通過將變換器接入到交流母線之中，在處于自由模式的狀態(tài)下，通過對設(shè)備運行過程中所面對的風速進行把握，并通過相應(yīng)的調(diào)節(jié)措施，來確保對應(yīng)設(shè)備運行功率的最優(yōu)化，從而提升電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性。

三是對儲能單元的控制。儲能單元是微電網(wǎng)之中的重要組成部分，相關(guān)人員在控制的過程中可以采取處于并網(wǎng)模式下，以恒流充電的方式來進行對蓄電池的充電，同時采用針對蓄電池的參考充放電電流值進行跟蹤控制的方式，來達到對蓄電池整體充放電過程的控制效果。

從污染成本的角度來看，通過充分地應(yīng)用不會產(chǎn)生污染成本的太陽能發(fā)電和風力發(fā)電單元的方式，將能夠比較有效地降低污染成本。同時針對兩種不可控微源繼續(xù)擰控制的時候，通過其運行在最大功率點跟蹤模式以及對新能源發(fā)電和微電網(wǎng)內(nèi)的負荷進行預(yù)測，即可了解到不可控微源的凈負荷值，如果當凈負荷值＞0，則說明現(xiàn)階段微電網(wǎng)內(nèi)的新能源負荷無法充分地滿足電網(wǎng)內(nèi)負荷需求，需要從大電網(wǎng)進行購電，而如果凈負荷值＜0，則提示不可控微源的發(fā)電量能夠充分滿足電網(wǎng)內(nèi)的負荷需求。當需要其與大電網(wǎng)進行交互的時候，則可以通過分時電價機制來進行微電網(wǎng)的能量調(diào)度工作，該過程中優(yōu)先讓維護費用最小的儲能電池發(fā)揮其作用，來實現(xiàn)對能量需求的平衡以及降低電能成本。

大電網(wǎng)按照用電水平的差異，一般可以將全天的用電情況分為峰、平、谷三個時段，三個時段之中電能售價是存在差異的，因此可以在每個時段之中，對現(xiàn)階段新能源發(fā)電狀況和用電負荷狀況進行監(jiān)測評估，根據(jù)時刻的負荷用電量，可控微源和儲能電池的發(fā)電成本以及大電網(wǎng)的電能售價來實現(xiàn)對能量的調(diào)度工作。相關(guān)調(diào)度過程中需要在峰時多售電，平谷時多購電的原則來進行控制。平谷時購電策略如圖2所示。

圖2 平谷時購電策略

在谷時段，相關(guān)的微電網(wǎng)之中不可控微源無法滿足用戶需求，且由于這個階段之中大電網(wǎng)的電價相對較低，因此可以優(yōu)先采取蓄電池進行供電的方式滿足用戶需求。

在平時段，電價相對較低，蓄電池則可以優(yōu)先進行充電，如果充電功率和電網(wǎng)內(nèi)的凈負荷之和沒有達到不可控微源工作時候的最大功率，則可以優(yōu)先采取可控微源進行發(fā)電，如果發(fā)電量超過需求，則向大電網(wǎng)出售電能。

峰時段則優(yōu)先進行已經(jīng)完成蓄電的電池的使用，如果負荷需求過大，則按照最大功率進行放電，此后以可控微源發(fā)電，如果這一情況下能夠充分地滿足需求，則可以向大電網(wǎng)進行剩余電量的出售。

4 結(jié)語

在進行微電網(wǎng)方案應(yīng)用的過程中，相關(guān)單位和人員需要全面地分析微電網(wǎng)的具體特征，并選擇合理的電網(wǎng)管理優(yōu)化調(diào)度技術(shù)和策略，促進其經(jīng)濟效益和生態(tài)效益的全面提升。