新型电力系统微电网能量管理系统研究.pdf

光源与照明 总第 178 期 2023 年 3 月 照明电气233新型电力系统微电网能量管理系统研究纪代颖中闽(福清)风电有限公司，福建 福州 350300摘要：文章设计了可以降低运营成本、减少对环境影响的微电网能量管理系统。首先建立非线性约束优化模型，然后使用遗传算法来解决经济负荷分配问题。优化的目的是最大限度地减少电力系统的运营成本、满足客户的需求、保障系统的安全性，以及解决新型电力系统中可再生能源大量引入造成的能量供求平衡问题。最后通过 MATLAB 平台构建针对 24 h 系统的优化算例来验证系统的正确性和有效性，结果表明，开发的微电网能量管理系统提高了运营效率和供电可靠性，应用微电网能量管理系统不仅能解决经济分配问题，也能控制供需平衡，微电网系统的频率可以稳定在 0.2 Hz。关键词：微电网系统；能量管理系统；经济负荷分配；负荷频率控制分类号：TM730 引言近些年，随着化石燃料消耗量的增加，温室气体的排放量增长。为了减少温室气体的排放，太阳能发电、风力发电、燃料电池和微型燃气机等新能源的开发与应用逐渐发展。但分布式电源存在波动性和间歇性，大规模接入会给电力系统的安全稳定性和供电质量带来很大的挑战。在这样的背景下，需要开发微电网系统。微电网系统是统一了需求侧、设备、分布式电源和可再生能源的从配电系统中独立出来的可控系统，能够与大电网配电系统相连。微电网系统由供给计划系统、经济负荷分配系统、负荷频率控制系统和自动监控系统四个模块构成。无论是集中控制还是分散控制微电网系统，都可以取代燃气机来抑制频率波动、调整微电网系统运行和控制经济负荷分配。但是微电网系统只考虑了分布式电源的最优化，并没有考虑对系统逆潮流的控制。为了提高微电网系统的经济性、环保性和供电可靠性，文章提出了一种微电网能量管理系统模型。一方面分析微电网系统的经济负荷分配，通过遗传算法来实现负荷分配的最优化，使发电成本最小、温室气体的排放最少。另一方面实现微电网系统负荷频率控制，维持微电网系统频率的稳定性。电能的供给与需求不平衡时，可以通过蓄电池和各可控微电源来吸收电能的变动，从而实现供需平衡。1 研究现状随着微电网系统的迅速发展，对能量管理系统提出了更高的要求。微电网能量管理系统的作用是收集视频监控系统的各种信息，从系统方面优化各分布式电源和储能系统的负荷率，完成各分布式电源和负荷的灵活投切，以及运行模式的平滑切换。与此同时，微电网能量管理系统具有较好的人机交互功能。尽管微电网系统的容量比大电网小，但是微电网能量管理系统的结构并不比大电网简单，需要考虑的问题也更多，如气候条件的改变、分布式电源容量的预测分析、运行成本、储电装置容量和充放电控制逻辑、负载改变和供电质量、电力工程成本等。现阶段，各学者在微电网系统建模、分布式电源控制、模式切换、微电网系统生产调度和动能管理模式等多个方面对微电网能量管理系统进行了研究。从设备层面来说，微电网系统对最基本的分布式电源设备有恒功率（PQ）控制、恒频（V/f）控制和下垂（Droop）控制三种最基本的控制策略。需要确保设备控制效果优良，维持能源稳定性。李海平等1深入分析了微电网系统各发电单元的实体模型和控制策略，根据风/光/储存实体模型，在 MATLAB/Simulink 上进行了模型仿真。从系统层面来说，微电网系统整体的控制策略分为基于主从关系的对等控制策略、根据层级的控制策略和根据多代理技术的控制策略三种。兰国军等2根据风、光出力预测分析测算不同时间段的线互换功率，使用分层次控制确保微电网系统与大电网间的互换功率在各个时间段保持一致。肖朝霞等3精确预测分析作者简介：纪代颖，女，硕士，工程师，研究方向为风力发电。文章编号：2096-9317（2023）03-0233-03 照明电气 2023 年 第 3 期 总第 178 期 光源与照明234风、光发电量功率和负载要求功率，创建能源管理平台，明确提出改善通信系统的解决方案。陈嘉贵4给出了光伏发电并网直流电微电网系统的多模能量管理模式，根据各模块和微源发电量功率将能量分配细化。在对微电网能量管理系统的研究中，张振川5从微电网系统分布式电源的类型、原理、控制方式等方面详细探讨了微电网能量管理系统的功能、控制和通信构造，最终实现了微电网能量管理系统服务平台设计。赵文婷6提出了能量优化的函数模型，考虑了供电系统运行效率、发电成本、电费、需求侧管理等多种因素，给出了能量管理的优化方法。2 微电网能量管理系统模型设计2.1 微电网系统模型微电网模型的结构图如图 1 所示。在微电网系统模型中，微电源由可控电源和不可控电源构成。可控电源包括微型燃气轮机（Micro Turbine,MT）、燃料电池（Fuel Cell,FC）和蓄电池；不可控电源包括太阳能发电（Photo Voltaic,PV）和风力发电（Wind Turbine,WT）。其中太阳能发电和风力发电采用最大功率点跟踪模式，输出功率不由人工调度，因此将其等效为“负”负荷（negativeload），不作为优化变量处理。中央控制器MCMCMCMCMCMC20 kV母线 风力发电机10 kW 其他线路微型燃气轮机15 kW微型燃气轮机15 kW敏感热负荷敏感负荷敏感负荷 太阳能发电20 kW敏感热负荷非敏感负荷燃料电池15 kW敏感热负荷蓄电池10 kW0.4 kV 1234567图 1 微电网模型的结构2.2 目标函数微电网系统的能量管理对象是 MT、FC、蓄电池等可控单元，需要分别针对系统经济性、环保性定义相应的目标函数。2.2.1 微电网系统的经济性微电网系统的经济性可定义为包含耗能电源的燃料成本、各单元的管理成本、启动成本、与配电网间功率交换的购电成本和售电效益等费用的总和：（1）（2）（3）式中：CF(P)为总费用；元/h；Ci为 MT 和 CF 的燃气价格，元/（kWh）；Fi(Pi)为燃气的消费量，kW；OMi(Pi)为管理费，元/h；STCi为启动费，元/h；DCPEi为负荷需求大于分布式电源发出功率时的购电费，元/h；IPSEi为售电费，元/h；Cp为大电网的电费单价；PL为大电网功率；Pi为微电网输出功率；Cs为微电网的售电单价。因此，燃料电池运维成本系数 KOM1=KOM（FC）=0.419 元/（kWh）；微型燃气轮机运维成本系数 KOM2=KOM（MT）=0.587 元/（kWh）。根据微电网系统的约束条件，供需平衡公式为（4）式中：PPV为太阳能发电功率；PWT为风力发电功率；Pbatt为蓄电池电功率。边界约束条件为（5）式中：miniP为微电网输出下限值；maxiP为微电网输出上限值。2.2.2 微电网系统的环保性微电网系统的环保性可定义为系统内微电源输出功率和配电网注入功率造成污染气体排放带来的污染气体治理费用总和：（6）式中：EFij为发电机的发出系数；GEF 为系统排出量；MGEF 为发电排出量；PB为系统平均排出系数；PS为发电排出系数。3 微电网能量管理系统算法设计3.1 遗传算法介绍需要采用遗传算法（GA）对建立的微电网能量管光源与照明 总第 178 期 2023 年 3 月 照明电气235理系统数学模型进行优化计算。遗传算法是一种借鉴生物界自然选择和遗传机制的随机搜索算法，具有群体搜索、并行处理等特点，能以较大概率快速找到问题的全局最优解，且计算效率比传统随机方法高。微电网能量管理系统模型可以转化为非线性多目标最优化问题，在满足供需平衡和制约条件的情况下，使用遗传算法可以在成本和排出量最小的情况下找到各个微电源发电量的最优解，并最终用遗传算法得出全局的最优解。3.2 多目标遗传算法流程多目标最优化就是在不同的目标中寻找最优的解决对策，对于多目标最优化问题来说，目标函数的向量函数是存在的，所有的目标函数都有对应的参数向量函数：12kmin(),(),()subject to f xfxfxx（7）因此，目标函数为12k()(),(),()TF xf xfxfx=（8）式中：k 为常数；F(x)为目标函数；T 为整个优化周期。4 案例分析4.1 案例概况为便于研究，计划对供电系统营业大厅进行零碳改造。以某营业厅夏季负荷为例，一天的运行费用和发电量如图 2、图 3 所示，从图中可以看出随着负荷的增加，电力消耗增加。时间/h0510100150200250300350400450500152025运行费用/（元h-1）图 2 夏季一天（24 h）的运行费用随着负荷增大燃料电池和微型燃气机的功率增大，负荷达到最大时，所有的分布式电源均给负荷供电。优化新型电力系统经济负荷分配可以节省电费和能耗，电费的削减比例为 5.7%，能耗的削减比例为 3.36%。4.2 微电网系统负荷频率控制对建立的微电网系统的频率和稳定性进行分析，使用 MATLAB/Simulink 搭建光伏发电模型、风力发电模型、微型燃气轮机模型、燃料电池模型并进行仿真。负荷频率控制实际上是监视上级电力系统的频率变化。经济负荷分配为长期控制方式，而可再生能源发电的变化很快需要使用短期控制方式。当供需平衡时，蓄电池将快速吸收电能，蓄电池在其容量范围内可以消解就地不平衡电量，可以将微电网系统的频率控制在0.2 Hz。5 结束语文章在新型电力系统背景下阐述了微电网能量管理系统的设计，提升了微电网系统的经济性和稳定性，并通过营业厅网点案例证明了微电网能量管理系统的实用性。应用能量管理系统可以大幅减少消耗的电费，同时可以对系统运行频率进行控制（控制在 0.2 Hz）。研究人员可以考虑在今后大量投入使用微电网能量管理系统，并对配电系统中的监控和控制装置、分布式电源、蓄电池和数据传输进行研究。参考文献1 李海平,唐巍.风/光/储混合微电网的详细建模与仿真J.电力系统保护与控制,2012,40(18):132-138.2 兰国军,栗文义,尹凯,等.基于混合储能的风/光/储微电网控制策略J.电源技术,2015,39(11):2503-2506,2516.3 肖朝霞,贾双,朱建国,等.风光储微电网并网联络线功率控制策略J.电工技术学报,2017,32(15):169-179.4 陈嘉贵.基于风光储的微网能量管理系统研究D.长沙:湖南大学,2015.5 张振川.微网系统及其能量管理平台的设计D.北京:华北电力大学,2012.6 赵文婷.并网型微电网源荷预测及优化运营管理研究D.太原:太原理工大学,2021.51015 20 25 30 35 40 45 时间/h发电量/（kWh）0510152025图 3 夏季一天（24 h）的发电量