（电力系统及其自动化专业论文）分布式电源的优化调度.pdf

o p t i m a ls c h e d u l i n gf o rd i s t r i b u t e de n e r g yr e s o u r c e a b s t r a c t d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ( d g ) ，s u c ha s p h o t o v o l t a i cp o w e ra n dw i n dp o w e r ， h a v et h ea d v a n t a g e so fc l e a nn o n - p o l l u t i n g ，a n di s o n ei m p o r t a n tw a yo fs o l v i n g e n e r g ya n de n v i r o n m e n t a li s s u e si nt h ef u t u r e t h ed i s t r i b u t i o n a l e l e c t r i c i t y r e s o u r c e s ( d e r ) a n dt h el o a dc a nb es e e na sac o n t r o l l e ds y s t e m ，f o r m i n ga r e g i o n a lm i c r o g r i d ( m g ) s u c hi d e ah a sa c h i e v e dah i g h e rp e n e t r a t i o ng o a lo f u n c o n t r o l l a b l ed g ，a n ds og r e a t l yp r o m o t e dt h ed e v e l o p m e n to fd g a tp r e s e n tm g i sr e g a r d e da st h ef u t u r e d i r e c t i o nf o rt h e d e v e l o p m e n to fs m a r tp o w e rg r i d s w o r l d w i d e t h er e s e a r c ho nt h e m o d e l s ，s c h e d u l i n gs t r a t e g i e sa n da l g o r i t h mo f d i s t r i b u t i o n a lg e n e r a t i o ns y s t e me n e r g yo p t i m a lm a n a g e m e n ti s h e l p f u lt oi m p r o v e e c o n o m ya n dt h ee f f i c i e n c yo ft h es y s t e m ，t or e d u c ec 0 2 e m i s s i o n s t oi m p r o v et h e o f f e r i n go fc u s t o m - m a d ee l e c t r i c a lu t i l i t ys e r v i c e e c o n o m i co p e r a t i o ni so n eo ft h ek e yf a c t o r sw h e t h e rm g c a np a r t i c i p a t ei n m a r k e tc o m p e t i t i o n t h ec o m p o n e n tm o d e l so fm gh a v eb e e nc a r r i e do u tag r e a t d e a lo fr e s e a r c h w o r k ，b u ts y s t e m o p t i m i z a t i o n f o rm gh a sn o tb e e n c o m p r e n e n s l v e l yi n v e s t i g a t e dy e t t h i sp a p e ra d o p t e dt h ei d e ao fc e n t r a l i z e d h i e r a r c h i c a lc o n t r o l ，b a s e do nt h ea n a l y s i so fg e n e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sf o rw i n d t u r b i n e s ，p h o t o v o l t a i cs y s t e m ，f u e lc e l l ，d i e s e lg e n e r a t o re t c a n db u i l ts t e a d y s t a t e c a l c u l a t i o nm o d e l so fs e v e r a ld i s t r i b u t e de n e r g yr e s o u r c e ，e x p l o r e dc h a r a c t e r i s t i c s o fg r i ds c h e d u l i n g b a s e do ni n t e r c o n n e c t e da n di s o l a t e dm o d ew i t hg r i d ，e n e r g y o p t i m a lm a n a g e m e n tm o d e l sa n ds c h e d u l i n gs t r a t e g i e so fm gh a v eb e e np r o p o s e d ， a n da na d v a n c e dg e n e t i c a l g o r i t h mh a sb e e nu s e dt os o l v et h e s em o d e l sf o r m i n i m u mo p e r a t i n gc o s t ，g r e a t e s te n v i r o n m e n t a lb e n e f i t sa n db e s tc o m p r e h e n s i v e b e n e f i t s o p e r a t i o nm o d e so fm g ，t h ec o m p e t i t i v e n e s so fr e n e w a b l es o u r c e s m a r k e tp o l i c i e sf a c t o r sa n dd e m a n d - s i d em a n a g e m e n t sh a v eb e e nf o c u s e do nf o r e n e r g yo p t i m a ls c h e d u l i n gr e s u l t s ar e l e v a n te x a m p l ea s c e r t a i n st h ef e a s i b i l i t yo f t h em o d e l s ，s t r a t e g i e sa n da l g o r i t h m r e l y i n g o nh e f e i u n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yl a b o r a t o r yo fd i s t r i b u t e d g e n e r a t i o n ，a d o p t i n gt h e i d e ao fc e n t r a l i z e dh i e r a r c h i c a l c o n t r o l ，t h i sp a p e r d e v e l o p s t h e p r e l i m i n a r y t h em i c r o o r i d e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ( m g - e m s ) t h es t r u c t u r eo ft h ed e s i g n e dm gl a b o r a t o r yc a nb ec h a n g e df r e e l v a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a ln e e d s 。i no r d e rt os t u d ym gi n t e r c o n n e c t e da n d i s l a n d e do p e r a t i o n ，t h er o l eo f e n e r g ys t o r a g eu n i t ，a n ds oo n ，f o u rk i n d so ft y p i c a l m g e m sh a r d w a r es t r u c t u r ea r ep r o p o s e d c o n f o r m st o i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s s u c ha si e c619 7 0 ，as o f t w a r es u p p o r t i n gp l a t f o r mf o rm g e m sh a sb e e nd e s i g n e d a n dd e v e l o p e d ，u s i n gs o m ea d v a n c e dt e c h n o l o g i e ss u c ha sc o r b a ，i n t e g r a t i v e g r a p h i c m o d e l l i b r a r y ，a c t i v e x t h e s o f t w a r e p l a t f o r mm a i n l y i n c l u d e s d i s t r i b u t e dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nl a y e r ，d a t a b a s el a y e ra n dp u b l i cs e r v i c e sl a y e r c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm g t h i sp a p e rp r e s e n t st h ed e s i g nm e t h o d o l o g y o ft h ea d v a n c e da p p l i c a t i o ns o f t w a r e s ，w h i c hh a v eb e e nd e v e l o p e dp a r t i a l l y t h e a c c u r a c yo ft h es u p p o r t i n gp l a t f o r ma n dr e l a t e da d v a n c e da p p l i c a t i o n ss o f t w a r ea r e v e r i f i e db yn o r m a lo p e r a t i o no fs o m em gs u b s y s t e m s t h ee x p e r i m e n ta n di t s r e s u l th a v el a i das o l i df o u n d a t i o nf o rt h em gf o l l o w u p t h e o r yr e s e a r c ha n d e n g i n e e r i n gp r a c t i c e k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ；m i c r g r i d ；e n e r g yo p t i m a lm a n a g e m e n t ；g e n e t i c a l g o r i t h m ；d y n a m i cp r o g r a m m i n g ；s o f t w a r es u p p o r t i n gp l a t f o r m ；a d v a n c e d a p p l i c a t i o n ss o f t w a r e 图1 1 图2 1 图2 2 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 1 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 插图清单 项目实施的技术路线8 燃料电池的结构图1 1 燃气轮机并网发电图1 4 微网集中控制结构简图1 8 计算流程图2 2 双目标遗传算法搜索方向2 3 目标1 下机组调度结果2 5 目标2 下机组调度结果2 5 目标3 下机组调度结果2 5 考虑折旧费用的目标1 2 6 考虑折旧费用的目标3 2 7 目标1 孤岛运行下机组调度结果2 7 策略二下机组调度结果2 8 策略四下机组调度结果2 8 能量单向流动、平均电价原则下静态调度结果3 3 能量单向流动、平均电价原则下动态调度结果3 3 能量双向流动、实时电价原则下动态调度结果3 4 能量双向流动、实时电价原则下动态调度结果3 4 实验室的微网简单示意图3 5 微网控制结构简图3 6 微网实验室硬件实物图3 8 软件系统基本结构3 8 m g e m s 图形主界面4 1 m g e m s 高级应用软件关系4 2 系统数据流简图4 3 部分实际运行系统4 3 表格清单 表1 1 日本三菱公司对微网的分类5 表2 1 三种主流风力发电机的优缺点比较1 3 表3 1微网中的d e r 子系统构成2 3 表3 2 微网负荷需求及可中断负荷值( k w ) 2 4 表3 3 配电网实时电价( 元l ( 、胁) 2 4 表3 4p v 发电的预测功率( k w ) 2 4 表3 5w t 发电的预测功率( k w ) 2 4 表3 - 6 发电单元污染物排放系数2 4 表3 7 基本费用( 元) 2 5 表3 8 各种目标函数下费用( 元) 2 6 表3 - 9 各运行模式下的费用2 7 表3 1 0 策略二和四的运行费用( 元) 2 8 表4 1 采用4 种调度方案的微网运行费用3 3 表5 1微网硬件平台典型结构。3 7 表5 2 关系层次对象模型三者比较一4 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 佥目巴工些太堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字和易 签字日期：乙o f ) 年争月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金鲤王些态堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金目里互些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 栖南 签字日期：z j p 年月7 1 f 日 学位论文作者毕业后去向： i ：作单位： 通讯地址： 导 签字日期：年月日 电话： 邮编： 致谢 时光飞逝，如白驹过隙，不知不觉近三年的研究生生活已接近尾声。值此 论文完成之际，首先要衷心的感谢我的导师丁明教授! 论文从选题、项目的研 究到论文的撰写和定稿都凝聚着导师的心血。导师高尚的品格、渊博的学识、 敏锐的思维、严谨的治学态度、对学生的严格要求及豁达的人生观都给我留下 了深刻印象，并将受益终生。在每一次跟导师探讨学术问题的过程中，导师给 以了我大量的建设性意见，使得我的眼界和自身的能力得以较大的提高。对导 师的栽培之恩必将永记于心，这里学生再次对敬爱的导师表示衷心的感谢和深 深的敬意! 在研究过程中，要感谢毕锐老师、韩平平师姐、张颖嫒博士、刘小平博士 后、陈忠博士对我的帮助和关心。本文的各个章节的完成，离不开他们的很多 建设性的建议和指导，在此，表示衷心的感谢! 同时，真心的感谢电气学院的 很多老师，如李小燕师姐、黄福林老师、孟祥发老师、段永琴老师、黄海宏老 师、齐先军老师、汪洪老师、曹彩萍老师、吴黎丽老师、杨继盛老师等，他们 的教诲给予我很大的帮助，让我时刻感受到求学生活中的温暖，并为我创造了 许多必要条件和学习机会。 感谢电力系统2 0 3 实验室的包敏、吴伟、金晓东、马碗玲、张晋波、张征 凯、郭学风、严流进、王京景、杨之俊、张维、陈中、高研、丁银、季美红、 李宾宾、徐宁舟、周亮、解添等同学在科研和日常生活上给以的帮助、支持和 鼓励。和你们在一起度过的研究生生涯，非常愉悦，其中各种滋味令我难于忘 怀! 最后，我要感谢我的家人和李燕、陈旭、张治强、胡金粮、胡燕明、徐学 安、周金宝等好友对我的支持。论文的完成与他们的关怀和鼓励密不可分。 作者：杨为 2 0 10 年3 月2 0 第一章绪论 1 1选题背景及研究意义 能源是人类赖以生存和发展的基础，也是衡量综合国力、国家文明发展程 度和人民生活水平的重要指标。目前其需求在不断增加，而化石能源日趋枯竭， 核能发展受到一定的限制，能源问题愈来愈成为世界各国面临的一个严峻挑战。 另外，电力系统结构的不断老化、环保问题、能源利用效率的瓶颈以及用户对 电能质量的高标准要求，使得开发利用可再生能源、构建可持续能源系统成为 近年来各国的共识与必然的发展趋势。因此，国际上的能源结构正逐步由集中 式能源系统朝着分布式能源系统建设的方向迈进，而中国人口众多，资源有限， 必须立足于现有能源资源，全力提高资源利用效率，扩大资源的综合利用范围， 而分布式能源的高效利用无疑是解决问题的关键。因此，提高能源利用效率、 开发新能源、加强可再生能源的利用，是解决中国经济和社会快速发展过程中 日益凸现的能源需求增长与能源紧缺、能源利用与环境保护之间矛盾的必然选 择。 分布式发电能源接入电网后具备很多优点，如：一方面能就地消化电力， 延缓了电网更新改造速度，减少集中输电的线路损耗；另一方面和大电网供电 互为补充，改善电网峰谷性能，提高供电可靠性，减少对环境的污染等。因此， 受到了广泛关注，尤其是光伏发电技术和风力发电技术近年来得到了快速发展 【1 ，如。采用分布式发电技术( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ) ，有助于充分利用各地丰富 的清洁和可再生能源，向用户提供“绿色电力”，是实现“节能减排”目标的重 要举措。 在分布式发电技术应用最早的欧洲，其中丹麦、芬兰等国，现有的分布式 发电装机容量已接近或超过其总装机容量的5 0 ，而为了保持和加强在可再生 能源和分布式发电功能技术上的优势地位，欧盟自2 0 0 1 年开始资助实施的“可 再生能源和分布式发电在欧洲电网中的集成应用”项目，在世界范围内，吸引 了超过10 0 家各类研究机构参加；美国政府也组织了包括加州大学伯克利分校、 e p r i 、a b b 在内的4 0 多家高校、研究机构和企业开展了与分布式发电功能技 术相关的研究工作；日本则很早就开展了分布式发电供能技术的理论和实用化 研究，并在超级电容器、燃料电池、潮汐发电、光伏发电技术上处于领先地位。 在分布式发电设备制造技术日趋成熟、分布式发电成本日益降低、大量分 布式发电设备亟待并网运行的今天，由于分布式电源的不可控性及随机波动性， 其渗透率的提高也增加了对电力系统稳定性的负面影响。文献 3 ，当电力系统 发生故障时，分布式电源必须马上退出运行，这使得分布式电源的效益没能得 到充分地发挥。基于此，研究人员提出了一种新的分布式能源组织方式和结构 一微网，它是一种新型能源网络化供应与管理技术，能给可再生能源系统的接 入提供便利、实现需求侧管理及现有能源的最大化利用。因此，此概念一经提 出便引起了能源专家和电力工业界的重视，很多国家都加强了相关方面的科研 力度，欧盟、美国、日本从不同方面展开了卓有成效的研究，我国对分布式能 源系统和微网的研究和应用尚处在起步阶段，与发达国家相比还有很大差距。 尽管很多国家对分布式发电技术展丌研究，但除了在分布式发电设备研发、制 造和设备自身控制方面具有一些较成熟的技术外，涉及分布式发电功能系统与 大电网的并网、以及并网运行后的系统优化、协调和控制等诸多领域的研究大 多刚刚起步【4 - 6 】。因而，多种分布式能源发电单元之间的集成与优化控制已成 为近年来研究可再生能源应用与分布式能源系统的热点之一。 1 2 几个热点问题 分布式发电技术，通常是指小型模块化、分散式、布置在用户附近的高效、 可靠的发电单元。主要包括：以液体或气体为燃料的内燃机、微型燃气轮机、 太阳能发电( 光伏电池、光热发电) 、燃料电池、风力发电、生物质能发电等。 分布式能发电的优势在于可以充分开发利用各种可用的分散存在的能源，包括 当地可方便获取的化石类燃料和可再生能源，并提高能源的利用效率。分布式 电源通常接入中压或低压配电系统，并会对配电系统产生广泛而深远的影响。 传统的配电系统仅被设计成具有分配电能到末端用户的功能，而未来配电系统 有望演变成一种功率交换媒体，即它能收集电力并把它们传送到任何地方，同 时分配它们，因此将来它可能不是一个配电系统而是一个电力交换系统。 分布式发电具有分散、随机变动等特点，大量的分布式电源的接入，将对配电 系统的安全稳定运行产生极大的影响。传统的配电系统分析方法，如潮流计算、 状态估计、可靠性评估、故障分析、供电恢复等，都会不同程度地受到分布式 发电的影响而需要改进和完善。 微网，是一组微电源、负荷、储能系统和控制装置构成的系统。它对于大 电网表现为一个单一可控的单元可实现对负荷多种能源形式的高可靠供给。 由于其对于分布式电源的有效利用及灵活、智能的控制等特点，使其在解决能 源枯竭、环保问题和电能质量方面表现出极大潜能，已经受到世界各国的普遍 关注1 7 - 8 。微网中的电源大多为含电子接口的小型机组，包括微型燃气轮机、燃 料电池、光伏电池、风力发电机以及超级电容、飞轮、蓄电池等储能装置。微 电源接近负荷中心，电力就地产生、就地消化，避免了长距离电力传输带来的 电能损耗，具有低成本、低电压、低污染等优势，最重要是有效的解决了分布 式发电单元接入电网渗透率问题。各个国家对其定义都不完全一样，研究的侧 重点也不同1 9 】。2 0 0 1 年，美国威斯康辛大学r h l a a s e t e r 等学者正式提出了更 好地发挥分布式发电潜能的结构形式一微网，随后电力可靠性解决方案协会 ( c e r t s ) 出版白皮书正式定义了微网的概念【l0 1 。美国近年来发生了几次较大 的停电事故，使美国电力行业十分关注电能质量和供电可靠性，因此美国对微 2 网的研究着重于利用微网提高电能质量和可靠性【1 1 1 。日本国土资源匮乏，其对 可再生能源的重视程度高于其他国家，但由于可再生能源发电的出力具有随机 性，所以日本在微网方面的研究更强调控制与储能技术【1 2 。3 1 。欧洲互联电网中 的电源大体上靠近负荷，比较容易形成多个微网，所以欧洲微网的研究更关注 多个微网的互联和市场交易问题【1 4 05 1 。对中国而言，由于电力系统的发展有与 国外不同的特点，微网的研究和发展也具有自己的特点，此点将在本章的第三 节中详细讨论。总之，微网的各项技术及经济性尚处研究试验阶段，是未来电 力系统研究的重要内容。 智能电网，基于先进的信息技术和通信技术，电力系统将向更灵活、清洁、 安全及经济的“智能电网”的方向发展【1 6 j 引。智能电网以包括发电、输电、配 电和用电各环节的电力系统为对象，通过不断研究新型的电网控制技术，并将 其有机结合，实现从发电到用电所有环节信息的智能交流，系统地优化电力生 产、输送和使用。对于电力系统而言，智能电网是通过将电力系统与先进的通 信和计算机技术相结合而得到的智能网络，能够在系统发生故障和失去控制之 前进行预测和自愈，具有更高的灵活性；而对于用户而言，智能电网提供的电 力具有更高的可靠性和安全性，能源消耗降低，智能电网能以较低成本提供更 优质的服务。智能电网的3 个关键技术是智能化的电力设施、双向通信技术和 先进的控制技术。其理念是国内外电力企业、研究机构及学者在探讨未来电网 的发展模式中逐步形成的，各国电力工业提出了各自的发展方向和模式。但从 其本质来讲，都是将现代的信息、通信、控制及管理等先进技术与传统电力系 统的技术和业务模式相融合，提高电网安全、稳定、经济运行能力，使电力行 业能够面对未来挑战。 低碳技术，提出背景主要是全球气候变暖和能源危机。而电力行业领域中 排放c 0 2 和对于能源的需求正是造成这两方面的最主要因素之一。低碳技术涉 及电力、交通、建筑、冶金、化工、石化等部门以及在可再生能源及新能源、 煤的清洁高效利用、油气资源和煤层气的勘探丌发、二氧化碳捕获与埋存等领 域开发的有效控制温室气体排放的新技术。主要有：可再生发电( 风电、太阳 能、潮汐能和生物能等) 、传统化石电源的低碳化改造( c c s 、微型发电、i g c c 等) 、电能传输环节的低碳化技术( 超导输电、电能储存、分布式电源等) 与电 能消费终端的低碳化技术( 低碳燃料、低碳电器、智能电表等) 1 9 - 2 0 1 。 几者之间的关系：在智能电网的发展过程中，配电网需要从被动式的网络 向主动式的网络转变，这种网络利于分布式发电的参与，能更有效地连接发电 侧和用户侧，使得双方都能实时地参与电力系统的优化运行。而微网这种新型 的网络结构恰是实现主动式配电网的一种有效的方式，开发和延伸微网的概念 能够促进分布式电源与可再生能源的大规模接入，实现传统电网向智能网络的 过渡【2 。智能电网的技术框架既包括传统输电系统的模拟和仿真、数据采集与 监控系统( s c a d a ) 、广域测量系统( w a m s ) 等，也包括配电系统的快速模拟和 仿真( d f s m ) 、高级配电自动化( a d o ) 、微网运行和用电系统的高级量测体系 ( a m i ) 、自动读表( a m r ) 等技术【2 引。微网作为智能电网的配电网的核心部分， 是智能电网的重要组成部分。微网先进的控制系统和灵活的运行方式恰好满足 了智能电网的要求，并且整合了高比重的可再生能源发电，提高了系统的整体 效率和灵活性。两者之间既互相联系又有所区别，具有安全、可靠、经济、灵 活的共同目标，应开展其相关技术的研究，并互相借鉴和促进。简单的说，微 网的提出主要是为了解决分布式发电单元接入电网的渗透率问题；我国的智能 电网主要是以特高压为主干网，同时主要在配电网侧引入微网；而低碳技术的 实施主要是取得智能电网环境优化性等目标的一个主要途径。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 微网框架的研究 目前，一些发达国家立足于本国电力系统的实际问题与国家的可持续发展 能源目标，提出了各自的微网概念和发展目标。作为一个新的技术领域，微网 在各国的发展呈现不同特色。 1 ) 美国 美国c e r t s 最早提出了微网的概念，主要由基于电力电子技术且容量小于 等于5 0 0 k w 的小型微电源与负荷构成，并引入了基于电力电子技术的控制方 法，基于此形成了“即插即用 ( p l u ga n dp l a y ) 和“对等”( p e e rt op e e r ) 的 控制思想和设计理念。提高重要负荷的供电可靠性、满足用户定制的多种电能 质量需求、降低成本、实现智能化将是发展重点。文献 2 3 】中指出n a v i g a n t c o n s u l t i n g 在为美国能源署提交的微网研究评估报告中，根据应用场合的不同 提出了微网的四种体系结构：单个设施级微网，指所带负荷量小于2 m w ， 应用于小型工业或商业建筑、大的居民楼以及医院等一幢建筑物处的网络。这 种类型电力系统的典型特征是惯量较小以及需要备有供孤岛运行情况下使用的 后备电源，这些应用场合下的微网期望能够提高电能的可用率以及供电质量。 多个设施级微网，指所带负荷量在2 5 m w 之间，应用于包含多种建筑物多 样负荷类型处的网络。与单个设施级相同，多个设施级微网需要考虑高的电能 可用率以及供电质量来设计。馈线级微网，容量在5 。lo m w 之内，它管理一 条配电网母线内所有发电和或负荷单元的运行情况。这种类型的微网可能由多 个包含单一或多样化设备单元的较小型的微网组合而成。变电站级微网，容 量可能包含5 1o + m w ，管理连接到配电网变电站的所有发电或负荷单元的运 行情况。 2 ) 欧盟 从电力市场需求、电能安全供给及环保等角度出发，欧盟于2 0 0 5 年提出 4 “s m a r tg r i d 计划【2 4 1 ，并在2 0 0 6 年出台了该计划的技术实现方略【25 1 。微网 以其智能性、能量利用多元化等特点将成为欧洲未来电网的重要组成部分。 3 ) 日本 同本立足于国内能源日益紧缺、负荷日益增长的现实背景，也开展了微网 研究，其发展目标主要定位于能源供给多样化、减少污染、满足用户的个性化 电力需求。对于微网的定义，三菱公司将其从规模上分为3 类，具体如表l 所 示： 表1 1日本二菱公司对微网的分类 发电容量市场规模 类犁燃料 应用场合 m w( 个) 大规模 1 0 0 0 石油或煤工业区 1 0 2 0 石油或 中规模 1 0 0 煤、可再工业园 1 0 0 生能源 可再生能小型区域电网、住宅 小规模 l o3 0 0 0 源楼、岛屿和偏远地区 从表中看出，以传统电源供电的独立电力系统也被归入微网研究范畴，大 大扩展了美国c e i 玎s 对微网的定义范围。 此外，加拿大等发达国家也提出了各自的微网基本框架。 4 ) 中国 中国发展微网首先源于大力发展可再生能源发电的形势。到2 0 2 0 年，我国 可再生能源消费量要达到能源消费总量的15 ，其中电力的2 0 来自可再生能 源 2 6 】。但是，目前的配电网结构却不能接纳这么大容量的分布式电源，微网对 分布式电源的有效利用及灵活、智能的控制特点，在解决间歇性的分布式电源 接入问题中表现出极大潜能。 中国发展微网还来源于电力系统自身发展的需求。微网作为大电网的一种 有益的补充形式，能够高效、经济地实现对用户的多样化、高可靠性的供电要 求。而且，随着经济发展和人民生活条件的不断改善，夏季空调用电持续攀升， 电网短时间的尖峰负荷越来越大。若采用增加发电装机容量的方法来满足高峰 负荷是很不经济的，而利用微网来充分调动分布式电源和负荷参与系统调峰， 则能够有效缓解峰谷差问题。 中国发展微网的第3 个原因，源于提高电网抗灾能力的迫切需求。如何在 极端恶劣的灾害条件下保障重要负荷的持续供电和提供可靠的应急电源，是提 高电力系统的抗灾能力的关键。微网可以在故障时与大电网断开独立运行，在 突发灾难时能够保障重要负荷的供电，具有一定的抗灾能力，是建设抗灾型电 网的一个重要手段。 此外，微网的发展也有利于促进农村电气化以及改善环境等。我国电网建 设和发展将进入推进电力资源尤其是可再生能源在更大范围内优化配置的新阶 段，其标志是将分布式发电、储能和负荷组合在一起构成微网，进而再将其与 输配电网集成，形成一种全新的电网结构体系【2 7 1 。 1 3 2 微网能量管理的研究 微网承受扰动的能力相对较弱，尤其是在孤岛运行模式下，考虑到风能、 太阳能资源的随机性，系统的安全性可能面临更高的风险，因此对系统进行有 效地运行控制与能量优化管理是需要研究的重要内容。微网的运行方式、所采 取的电力市场和能源政策、系统内分布式能源( d i s t r i b u t e de n e r g yr e s o u r c e ， d e r ) 单元的类型和渗透率、负荷特性和电能质量的约束，与常规电力系统存 在较大的区别1 2 弘3 2 j 。因而需要对微网内部各d e r 单元间、单个微网与大电网 间、多个微网间的运行调度和能量优化管理研究制定出合理的控制策略，以确 保微网的安全性、稳定性和可靠性，保证微网高效、经济地运行。 微网处于并网运行状态时，涉及到与主网间的相互作用和能量交换：一种 是微网利用内部的d e r 单元来尽力满足网内的负荷需求，可以从主网吸收功 率，但不可以向主网输出功率；另一种是允许微网参与到开放的电力市场中， 可以与主网自由交换功率，且除各d e r 单元参与竞价外，需求侧也可参与市场 竟价1 3 引。微网的运行，尤其是孤岛运行时，与其内部的d e r 单元特性、负荷 特性和所要求的电能质量有密切关系。同时，由于微网承受扰动的能力相对较 弱，特别是在d e r 单元的渗透率较高的情况下，对储能子系统进行有效的能量 管理与控制，对平抑可再生能源的能量波动和负荷需求波动、维护系统的稳定 运行有着重要的作用。 综上所述，微网运行控制与能量优化管理的策略可以通过综合当地的热电 需求情况、气候状况、电价、燃料消耗、电能质量要求、零售服务需求、负荷 需求侧管理及拥塞水平等情况来做出决策【3 4 1 ，以实现如下功能：为每个d e r 单元控制器提供功率和电压设定点；确保满足热电负荷需求；确保微网能满足 与主网间的运行合同；使运行成本与系统网损最小；使d e r 单元的运行效率最 高；提供微网故障情况下孤岛运行与重合闸的逻辑控制方法。 1 4 本文的研究内容 由于能量产生、储存和传输方式的不同，分布式发电与微网技术将在可再 生能源利用、电力系统解除管制与重构过程中扮演重要角色。微网系统的稳定 运行控制与能量优化管理既依赖于先进的单元级控制技术，也依赖于系统级合 理的集成控制技术，其中分布式储能子系统的优化设计与调度运行尤其值得关 注。 本文针对包含光伏电池、风力发电机、燃料电池、微型燃气轮机、蓄电池 等分布式能源的微网系统，在探讨各分布式能源特性的基础上，研究微网级的 6 能量管理与优化调度问题，发展能源综合高效利用的优化理论和方法，并编写 了微网能量管理优化调度软件。此外，基于合肥工业大学微网物理实验平台， 进行了半工业化的微网能量管理系统( m i c r o g r i de n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ， m g e m s ) 软件平台架构的设计和开发。最后，将微网优化调度软件将作为微 网高级分析软件的一个子模块嵌入到m g e m s 中，利用实际物理平台上的相关 实验来验证及改进基础理论阶段的初步理论成果，最终完善形成微网的理论体 系。本文主要研究了如下内容， ( 1 ) 微网中微电源的建模及调度特性的研究。 d e r 单元包括具有不同特性的分布式发电单元( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，d g ) 和分布式储能单元( d i s t r i b u t e ds t o r a g e ，d s ) 两种类型【5 】。其形式多种多样，运行 特性也各不相同，因此对微网d e r 单元的建模分析与研究，是对微网系统进行 有效的能量管理和运行控制的基础。为此本文建立包括：燃料电池、光伏发电 系统、风力发电系统、微型燃气轮机发电系统、储能系统等分布式发电系统的 模型，并探讨其并网调度特性，为提炼出微网能量优化调度中各d e r 单元的约 束情况提供了基础。 ( 2 ) 基于遗传算法的微网优化调度问题的研究。 对于微网内的d e r 单元而言，其中：p v 和w t 易受到天气的影响，故其 输出功率不易控制，且一次设备成本很高；柴油机发电虽然发电成本低，但污 染比较大；小水电受地域和季节等因素的影响比较大；f c 具备较好的环境效益、 可控性及不受地域因素的影响，但是它的反应速度较慢且设备成本较高。储能 环节虽具备反应速度快、即可以充电也可以放电的特性，但如何和其它分布式 电源协调配合运行的理论还没成熟。正是这些d e r 单元特性各不相同，运行方 式相差很大，建立各d e r 单元的能量优化管理模型是微网经济运行的必要条 件。本文以运行费用、环境效益和综合效益等为目标函数，建立集中控制式微 网系统的多目标优化调度模型，提出了相应的约束条件并制定多种能量管理策 略。使用了遗传算法对于这些策略进行了优化求解，最后，通过算例结果分析 和讨论验证了本文的模型、策略和算法的合理性。 ( 3 ) 基于动态规划的微网中储能单元优化问题的研究。 电力系统经济调度一般分为静态调度和动态调度。静态调度只针对电力系 统某个时间断面求取目标最优，没有考虑不同时间断面之间的内在联系：动态 调度则考虑了不同时间断面的耦合性，如发电机爬坡速率的限制等，因而求解 难度更大，但结果也更符合实际要求。对于微网系统来说，由于储能单元的存 在，使得不同时间断面间的耦合性进一步增强，因此研究微网的动态经济调度 更加具有现实意义。本文将微网系统看成一个有限阶段的离散时间动态系统， 其动态经济调度则等价为寻求这一动态系统的最优控制策略。沿着这一思路， 建立了微网系统动态经济调度模型，并设计出相应的动态规划求解算法，最后 通过算例验证了所提的模型与算法。 ( 4 ) 基于i e c6 1 9 7 0 标准的m g e m s 平台的架构设计及开发【3 5 。 m g e m s 基础平台是架构在合肥工业大学分布式发电实验室的一套基础 技术平台，对分布式发电系统起到管理维护的作用。基础平台分为基础硬件平 台和基础软件平台两个部分。基础硬件平台主要完成分布式能量管理系统数据 采集、命令执行以及信息传输信道的功能。软件基础平台则是在硬件基础平台 的基础上，完成对系统运行数据的初步处理，向分布式能量管理系统中的高级 应用提供基础数据源以及各种基本服务。 分布式发电能量管理系统的硬件平台包括发电单元及其数据采集单元等。 文中软件基础平台设计的基本思路是：系统设计中要充分考虑基础平台与应用 的层次划分，基础平台为所有应用提供服务，因而是整个系统的最基本部分， 其中包含的各项服务应是所有应用所需服务之交集。基础平台的设计应遵循 i e c6 19 7 0 等国际标准，统一支持调度中心的各种应用，可以在此平台之上构 架各种应用，从而构成不同的应用系统。考虑到开发的阶段与时间问题，在设 计丌发前期采用集中式架构，依据i e c6 18 5 0 建立分布式发电系统中的各发电 单元的数据模型，在各子站和调度端联系上采用i e c6 0 8 7 0 中的1 0 4 规约完成 通信功能。在进一步研究中拟采用i e c6 19 7 0 建构整个分布式发电系统的数据 模型，采用c o r b a 技术组建分布式能量管理系统。 圈i 圈 l 度优化方法i：l 的验证 i 各 ii 微 分 i 微 i 微网 上 各布 i 微 l 算网能 述 法的 量 模 的能 h 、 理 卜 和 基 卜 量 管 型 础 调 -y 应 方 原度 i 用 法 理优 软 的 研化 i 件 验 究算 i 的 法 i 开 证 分式 l 网 网 i i 发 的 的 布 电 i 卜 能 卜 优 量 化 调 调 度 度 模 策 略 型 式 卜、 源 i 能 的 源调 的 度 模特 型 性 分 析 图1 1 项目实施的技术路线 1 5 论文结构 论文共分为六章。本章主要介绍了本课题的研究背景，课题所涉及的相关 研究内容，对于目前微网能量优化调度问题研究进行了归纳总结，并给出了本 文的研究内容及其具体技术路线。 第二章研究微电源的建模及并网调度等特性。其中，涉及到燃料电池、光 8 伏发电单元、风力发电系统、微型燃气轮机、蓄电池储能单元及同步机等模块 的研究。 第三章基于遗传算法的微网优化调度问题的研究。建立了多种优化调度模 型，且制定了多种能量管理策略，使用了遗传算法对于各种管理策略进行