吳 雄 ，王秀麗 ，劉世民 ，祝振鵬 ，劉春陽 ，段 杰 ，侯 菲

（1.西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049；2.北京北變微電網(wǎng)技術(shù)有限公司，北京 100093）

0 引言

隨著全球能源、環(huán)境問題的凸顯，風(fēng)能、太陽能等可再生能源得到較大的發(fā)展。與此同時，微電網(wǎng)作為一種包含可再生能源等分布式電源的綜合集成技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注［1-2］。微電網(wǎng)具有靈活的運行特性，可以并網(wǎng)或脫網(wǎng)運行，能同時滿足本地用戶的電能和熱能需求。微電網(wǎng)提高了分布式發(fā)電系統(tǒng)的供電可靠性，實現(xiàn)了分布式電源與負(fù)荷的一體化運行［3］，減少了系統(tǒng)的污染排放，已經(jīng)成為智能電網(wǎng)建設(shè)中一個重要的組成部分。

為了保證微電網(wǎng)高效穩(wěn)定地運行，微電網(wǎng)通常由能量管理系統(tǒng)進行智能控制和自動調(diào)度決策。微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)是一套具有發(fā)電優(yōu)化調(diào)度、負(fù)荷管理、實時監(jiān)測并自動實現(xiàn)微電網(wǎng)同步等功能的能量管理軟件［4-5］。微電網(wǎng)的能量管理包含短期和長期的能量管理［2，6］。 短期的能量管理包括：為分布式電源提供功率設(shè)定值，使系統(tǒng)滿足電能平衡、電壓穩(wěn)定；為微電網(wǎng)電壓和頻率的恢復(fù)和穩(wěn)定提供快速的動態(tài)響應(yīng)；滿足用戶的電能質(zhì)量要求；為微電網(wǎng)的并網(wǎng)提供同步服務(wù)。長期的能量管理包括：以最小化系統(tǒng)網(wǎng)損、運行費用，最大化可再生能源利用等為目標(biāo)安排分布式電源的出力；為系統(tǒng)提供需求側(cè)管理，包括切負(fù)荷和負(fù)荷恢復(fù)策略；配置適當(dāng)?shù)膫溆萌萘?，滿足系統(tǒng)的供電可靠性要求。

隨著微電網(wǎng)工程的不斷建立和發(fā)展，與之配套的能量管理系統(tǒng)也逐漸成為一個研究熱點。本文從國內(nèi)外微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀出發(fā)，分析微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的管理對象、功能結(jié)構(gòu)、組成模塊以及核心算法，并針對當(dāng)前研究存在的一些技術(shù)難點，給出進一步的研究方向。

1 國內(nèi)外微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及典型案例分析

國內(nèi)外已經(jīng)興建了不少微電網(wǎng)示范工程和實驗基地，其中大部分微電網(wǎng)示范工程和實驗基地配置了相應(yīng)的能量管理系統(tǒng)［7］。下面簡要介紹國內(nèi)外微電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀，并結(jié)合一個典型應(yīng)用案例對微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)進行剖析。

1.1 北美研究現(xiàn)狀

美國電力公司和美國電力可靠性技術(shù)協(xié)會CERTS（Consortium for Electric Reliability Technology Solution）在俄亥俄州首府哥倫布建造了CERTS微電網(wǎng)示范平臺［8］。該示范平臺主要由蓄電池、燃?xì)廨啓C、可控負(fù)荷和敏感負(fù)荷組成，其能量管理采用自治管理方式，不需要中央控制器統(tǒng)一安排分布式電源的發(fā)電；分布式電源根據(jù)下垂特性共享頻率或電壓，實現(xiàn)自治管理，即插即用；能量管理系統(tǒng)的一些必要控制信息通過以太網(wǎng)傳輸給分布式電源控制器。

1.2 歐洲研究現(xiàn)狀

荷蘭的Bronsbergen假日公園微電網(wǎng)是歐盟資助的一個微電網(wǎng)示范工程［9］：該微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)采用集中控制的方式，微電網(wǎng)中每條饋線的功率由監(jiān)測系統(tǒng)傳送至中央控制器，中央控制器通過全球移動通信系統(tǒng)（GSM）與調(diào)度中心交流；此外，中央控制器還負(fù)責(zé)微電網(wǎng)并網(wǎng)和孤網(wǎng)的無縫切換。德國的Am Steinweg微電網(wǎng)由潮流和電能質(zhì)量管理系統(tǒng)PoMS（Power flow and power quality Management System）控制［10］：PoMS 具有配電網(wǎng)管理、分布式電源管理和需求側(cè)管理等功能，它由一個中央處理器和幾個界面控制盒組成；數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)和控制器通過界面控制盒與中央處理器交流，采用傳輸控制協(xié)議和因特網(wǎng)協(xié)議（TCP/IP）進行通信。意大利的CESI RICERCA DER微電網(wǎng)示范工程的能量管理采用集中式控制方式：分布式電源和可控負(fù)荷與監(jiān)測控制系統(tǒng) SCS（Supervision and Control System）相聯(lián)，采用分層式結(jié)構(gòu)進行信息的交流與傳輸；SCS記錄和分析運行過程中的數(shù)據(jù)，監(jiān)測系統(tǒng)電能質(zhì)量和暫態(tài)過程，優(yōu)化分布式電源的發(fā)電調(diào)度，并且向調(diào)度控制中心傳輸實時信息，其指令信息采用2.4 GHz的無線頻率傳輸［11］。希臘雅典國立大學(xué)建立的NTUA微電網(wǎng)由光伏陣列、風(fēng)機、蓄電池和可控負(fù)荷組成，該微電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)采用多代理系統(tǒng)MAS（Multi-Agent System）結(jié)構(gòu)，基于Java代理發(fā)展框架3.0平臺開發(fā)，采用 XML 和 SL 編寫［12］。

1.3 亞洲研究現(xiàn)狀

日本的Kyotango微電網(wǎng)工程由新能源綜合開發(fā)機構(gòu) NEDO（New Energy and industrial technology Development Organization）建造，該微電網(wǎng)能量管理由基于因特網(wǎng)的中央控制器控制，采用標(biāo)準(zhǔn)的ISDN或ADSL ISP接入因特網(wǎng)［13］。中國合肥工業(yè)大學(xué)所建的微電網(wǎng)實驗平臺［14］的能量管理采用2層控制的方式，分為中央控制器和局部控制器；中央控制器為分布式電源制定提前1 h、30 min、15 min的發(fā)電計劃；局部控制器負(fù)責(zé)控制饋線潮流、電壓頻率、無縫切換、電能質(zhì)量和控制保護；該能量管理系統(tǒng)遵照 IEC61970標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，由數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)、自動發(fā)電控制系統(tǒng)和其他能量應(yīng)用軟件構(gòu)成。中國浙江電力試驗研究院搭建的微電網(wǎng)能量管理采用分層式控制，其主站層負(fù)責(zé)監(jiān)測系統(tǒng)運行、管理歷史數(shù)據(jù)、繪制圖形、控制運行方式等；其協(xié)調(diào)層主要負(fù)責(zé)微電網(wǎng)并網(wǎng)和孤網(wǎng)的狀態(tài)切換［15］。

從國內(nèi)外的微電網(wǎng)能量管理研究情況可以看出，目前微電網(wǎng)的能量管理主要包括發(fā)電側(cè)和需求側(cè)的管理。發(fā)電側(cè)管理包括分布式電源、儲能系統(tǒng)、配網(wǎng)側(cè)的管理，需求側(cè)管理主要為分級負(fù)荷的管理。從管理的結(jié)構(gòu)來看，北美微電網(wǎng)采用自治控制，為分散式控制，而亞洲的微電網(wǎng)傾向使用集中控制。在歐洲主要有集中控制和基于代理的控制這2種方式。目前集中控制在微電網(wǎng)工程中仍屬于主流的能量管理方式，其在頂層決策中采用各種優(yōu)化算法安排機組出力，而底層控制器則按上層指令控制機組出力。能量管理系統(tǒng)中各種控制器均借助于無線或有線通信進行信息的傳輸與交流。

下面重點介紹一個典型微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，對其控制對象、管理結(jié)構(gòu)、主要功能設(shè)計進行剖析。

1.4 典型微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)

日本NEDO 的 Hachinohe微電網(wǎng)［16-17］自 2005年10月開始運行。該微電網(wǎng)為6.6 kV輻射型配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，連接3臺170 kW的燃?xì)鈾C、1臺130 kW的光伏系統(tǒng)、1臺20 kW的風(fēng)電機、1組100 kW的蓄電池。Hachinohe微電網(wǎng)能量管理采用集中控制方式，通過光纖通信，其中央控制器對各分布式電源和儲能系統(tǒng)進行發(fā)電調(diào)度。為了獲得最優(yōu)的調(diào)度方案，該能量管理系統(tǒng)采用長期計劃與短期計劃相結(jié)合的策略，計劃制定包括每30 min的周運行計劃、每3 min的日內(nèi)調(diào)度計劃、1 s級的聯(lián)絡(luò)線潮流控制和10 ms級的頻率控制計劃。其中，周運行計劃基于負(fù)荷預(yù)測信息，構(gòu)造出以最小化外網(wǎng)購電和燃料費用為目標(biāo)的優(yōu)化問題，采用問題空間搜索和二次規(guī)劃相結(jié)合的算法求解，獲得各機組的啟停機計劃、出力計劃以及從外網(wǎng)的購電計劃；日內(nèi)調(diào)度計劃提前2 h計算一次。為了保持長期計劃中的全局優(yōu)化特征，其儲能系統(tǒng)的充放電計劃延用周運行計劃結(jié)果，根據(jù)最新預(yù)測信息采用類似的優(yōu)化模型和算法修正周計劃的計算結(jié)果。其聯(lián)絡(luò)線潮流控制實時監(jiān)測聯(lián)絡(luò)線的傳輸功率，并與計劃值比較，通過反饋控制吸收功率偏差，將聯(lián)絡(luò)線功率波動控制在一定的指標(biāo)范圍內(nèi)。其頻率控制主要針對孤網(wǎng)情況，當(dāng)微電網(wǎng)處于孤網(wǎng)運行時，需要實時滿足功率平衡以維持系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。由于燃?xì)鈾C功率調(diào)節(jié)速度較慢，采用響應(yīng)速度快的儲能系統(tǒng)實時平抑即時功率波動，以實現(xiàn)頻率的控制。

2 微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的主要管理對象

2.1 分布式電源

微電網(wǎng)中的分布式電源包括燃料電池、微型燃?xì)廨啓C、柴油發(fā)電機、熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、風(fēng)電、光伏等。其中，熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)［18-19］通過燃料電池、微型燃?xì)廨啓C或其他燃機在發(fā)電的同時提供熱能，能量利用率超過80%［20］，在微電網(wǎng)中具有較好的應(yīng)用前景。不同類型的電源通過整流器和逆變器等電力電子設(shè)備將不同頻率的電能平滑地轉(zhuǎn)換為相同頻率的交流或直流電能。通過控制逆變器可以控制分布式電源的輸出，讓分布式電源按指定的電壓和頻率（U/f控制）或有功和無功（PQ控制）輸出［21］。這些基于逆變器的控制方式支撐著微電網(wǎng)系統(tǒng)的總體控制策略。分布式電源按可控性分為不可調(diào)度機組和可調(diào)度機組［22］。風(fēng)電、光伏的發(fā)電主要取決于自然環(huán)境，具有隨機性和波動性，屬于不可調(diào)度機組，其具有一定的可預(yù)測性，但目前仍具有較大的預(yù)測誤差。而燃料機組如微型燃?xì)廨啓C、燃料電池、柴油機屬于可調(diào)度機組，微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)需要預(yù)測風(fēng)電、光伏的出力，并根據(jù)預(yù)測出力、燃料機組油耗、熱電需求等制定可調(diào)度機組的調(diào)度計劃。

2.2 儲能系統(tǒng)

儲能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用，適合微電網(wǎng)的儲能技術(shù)主要有蓄電池、飛輪、超級電容［23］。蓄電池具有電能容量大、能量密度大、循環(huán)壽命短等特點［24-25］，在并網(wǎng)時起削峰填谷和能量調(diào)度的作用，在孤網(wǎng)時常作為中心存儲單元，維護微電網(wǎng)的頻率與電壓穩(wěn)定。飛輪具有較大的能量密度、較高的功率輸出和無限的充放電次數(shù)［26］，常用來平抑微電網(wǎng)中的瞬時功率波動。超級電容具有功率密度大、循環(huán)壽命長、能量密度低等特點［27］，但相對于其他2種儲能技術(shù)具有較高的成本。由于具有較低的慣性，儲能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中可以平抑可再生能源和負(fù)荷的功率波動，維護系統(tǒng)的實時功率平衡，同時能在微電網(wǎng)并網(wǎng)與孤網(wǎng)狀態(tài)切換時提供瞬時的功率支撐，維持系統(tǒng)穩(wěn)定。儲能系統(tǒng)一般通過逆變器接入微電網(wǎng)，采用U/f控制和PQ控制，接受微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的指令來決定工作方式和發(fā)電功率。儲能系統(tǒng)的管理目標(biāo)取決于微電網(wǎng)的工作方式。在并網(wǎng)模式下，其主要是確保分布式電源的穩(wěn)定出力，容量充足時可以起削峰填谷和能量調(diào)度的輔助作用；在孤網(wǎng)模式下，儲能系統(tǒng)主要是維護系統(tǒng)穩(wěn)定，減少終端用戶的電能波動。

2.3 負(fù)荷系統(tǒng)

為了使微電網(wǎng)在緊急情況下仍能運行，微電網(wǎng)的負(fù)荷一般分級管理，主要分為關(guān)鍵負(fù)荷和可控負(fù)荷。關(guān)鍵負(fù)荷為需要重點保護電力供應(yīng)的負(fù)荷；而可控負(fù)荷在緊急情況下可以適當(dāng)切除，在正常情況下也可以通過需求側(cè)管理或者需求側(cè)響應(yīng)達到優(yōu)化負(fù)荷使用、節(jié)能省電的目的［28-29］。比如一棟樓在不影響用戶滿意度的情況下可以通過調(diào)節(jié)供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié) HVAC（Heating Ventilation and Air Conditioning）系統(tǒng)或者照明系統(tǒng)來達到節(jié)能的目的［30］。微電網(wǎng)負(fù)荷側(cè)的管理是微電網(wǎng)能量管理中的重要部分。隨著電動汽車的普及，充電電動汽車PEV（Plug-in Electric Vehicle）和混合充電電動汽車PHEV（Plug-in Hybrid Electric Vehicle）在微電網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用［31］。PHEV和PEV既可以隨時隨地從電網(wǎng)中充電，又可以通過汽車到電網(wǎng)V2G（Vehicle to Grid）技術(shù)向電網(wǎng)輸電［32］，具有可控負(fù)荷和電源的雙重身份，這類負(fù)荷的大規(guī)模接入將給微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)增加難度。

3 微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的基本功能和設(shè)計框架

3.1 基本功能

微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)具有預(yù)測可再生能源機組出力、優(yōu)化燃料機組發(fā)電、安排儲能充放電、管理可控負(fù)荷、維持系統(tǒng)穩(wěn)定等功能。圖1顯示了微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的幾個主要功能。微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)主要有4個功能模塊［33-35］：人機交流模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、預(yù)測模塊、決策優(yōu)化模塊。一些外部信息如設(shè)備信息、天氣預(yù)報等通過數(shù)據(jù)接口傳遞給微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，同時微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)也通過接口與分布式電源互相交換信息。

圖1 微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的功能示意圖Fig.1 Functions of microgrid EMS

人機交流模塊主要負(fù)責(zé)人與能量管理系統(tǒng)的交流，其采用可視化人機接口，并提供一個統(tǒng)一的圖形平臺［35-36］。通過人機界面可以查看微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和所有電氣元件的接入情況，并能實時操作開關(guān)與刀閘的狀態(tài)，控制微電網(wǎng)的工作方式。監(jiān)測系統(tǒng)采集的電壓、電流、有功、無功、溫度等實時數(shù)據(jù)將在圖形系統(tǒng)中顯示。通過對人機界面的監(jiān)視，工作人員可以實時了解微電網(wǎng)系統(tǒng)、后臺系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的運行工況。系統(tǒng)的運行信息將通過文字、圖形、聲光、顏色等多種方式在人機界面中顯示。

數(shù)據(jù)分析模塊將系統(tǒng)采集的實時數(shù)據(jù)、各種操作日志以及預(yù)測數(shù)據(jù)存儲到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫當(dāng)中［36-37］。其歷史服務(wù)功能按照不同的存儲周期和預(yù)先設(shè)定的存儲策略將實時數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫中，并負(fù)責(zé)日、月、年統(tǒng)計量的統(tǒng)計工作。報表分析功能將歷史數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù)靈活地組織到表格中，形成實時、日、月、年等歷史統(tǒng)計報表和預(yù)測誤差統(tǒng)計報表，可統(tǒng)計最大值、最小值、平均值等，同時具有打印和表格編輯功能。

預(yù)測模塊是微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的一個重要模塊。為了優(yōu)化分布式電源的發(fā)電調(diào)度，需要對未來某段時間內(nèi)的負(fù)荷、可再生能源、市場電價進行預(yù)測［2，6］。根據(jù)調(diào)度計劃的時間尺度不同，通常有短期（1 d至1周）預(yù)測和超短期（分鐘級或幾小時內(nèi)）預(yù)測。短期預(yù)測可以采用離線的方式，而超短期預(yù)測通常需要在線預(yù)測并實時滾動。預(yù)測所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要為系統(tǒng)采集的歷史數(shù)據(jù)，預(yù)測結(jié)果每隔一定的時間段傳送回微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)。

決策優(yōu)化是微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的核心模塊。該優(yōu)化系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷和可再生能源的預(yù)測值、用戶的用電需求、調(diào)度規(guī)則、市場電價等信息決策分布式電源的發(fā)電調(diào)度、從電網(wǎng)的購電計劃、儲能的出力分配、負(fù)荷的安排［5，34］。 該決策需要滿足一系列約束條件以及控制目標(biāo)，如滿足系統(tǒng)中的熱電負(fù)荷需求，確保微電網(wǎng)與主網(wǎng)系統(tǒng)間的運行協(xié)議，盡可能使能源消耗與系統(tǒng)損耗最小，使分布式電源的運行效率最高。優(yōu)化決策模塊還能提供微電網(wǎng)系統(tǒng)故障情況下孤島運行和重合閘的邏輯與控制方法等，保障微電網(wǎng)的高效穩(wěn)定運行。

3.2 設(shè)計框架

常用的微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的基本設(shè)計框架如圖 2 所示，其主要由硬件層和軟件層兩方面［36，38］構(gòu)成。硬件層包含相關(guān)的硬件設(shè)備和支撐平臺：硬件設(shè)備包括服務(wù)器、控制設(shè)備等；支撐平臺層包括公共服務(wù)層、數(shù)據(jù)庫層、網(wǎng)絡(luò)通信層，它支撐著系統(tǒng)的公共服務(wù)、數(shù)據(jù)管理、通信交流。軟件層包括操作系統(tǒng)、功能應(yīng)用軟件等。

圖2 微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的設(shè)計框架Fig.2 Design framework of microgrid EMS

4 微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)

從微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)來看，微電網(wǎng)可以分為集中式控制和分散式控制［39］。

4.1 集中式控制結(jié)構(gòu)

集中式控制一般由中央控制器和局部控制器構(gòu)成，其中，中央控制器通過優(yōu)化計算后向局部控制器發(fā)出調(diào)度指令，局部控制器執(zhí)行該指令控制分布式電源的輸出。文獻［40］給出了一種3層結(jié)構(gòu)的典型集中式能量管理系統(tǒng)，其3層結(jié)構(gòu)分別為：市場和配電網(wǎng)中心、中央控制器、局部控制器。市場中心負(fù)責(zé)電力市場和微電網(wǎng)之間的信息交流。配電網(wǎng)中心負(fù)責(zé)微電網(wǎng)與主網(wǎng)之間的信息交流。中央控制器是微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的核心單元，其負(fù)責(zé)上層系統(tǒng)與底層單元的信息交流。一方面，中央控制器要滿足配電網(wǎng)的負(fù)荷需求，參與電力市場，監(jiān)測系統(tǒng)運行，維護系統(tǒng)穩(wěn)定，處理微電網(wǎng)工作模式的轉(zhuǎn)換；另一方面，中央控制器要根據(jù)局部控制器傳來的機組信息、市場和配電網(wǎng)中心的信息，在各種機組約束和物理約束條件下，以系統(tǒng)網(wǎng)損最小、利潤最大等為控制目標(biāo)安排分布式電源的功率分配，并將指令傳遞給局部控制器。

集中式控制的優(yōu)點［4，41］是：有明確的分工，較容易執(zhí)行和維護；具有較低的設(shè)備成本，能控制整個系統(tǒng)；目前使用得比較廣泛，技術(shù)上更加成熟。其缺點是：隨著分布式電源的增加，要求中央控制器有較強的計算處理能力，同時對其通信能力也有較高的要求；一旦中心單元故障，整個系統(tǒng)面臨癱瘓的風(fēng)險；分布式電源不能即插即用，不容易拓展應(yīng)用。這些缺點成為這種模式的發(fā)展瓶頸。

4.2 分散式控制結(jié)構(gòu)

分散式控制是微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的另一種控制方式。分散式控制方式下，微電網(wǎng)中的每個元件都由局部控制器控制，每一個局部控制器監(jiān)測微源的運行狀況，并通過通信網(wǎng)絡(luò)與其他的局部控制器交流。局部控制器不需要接收中央控制器的控制指令，有自主決定所控微源運行狀況的權(quán)力。由于局部控制器僅需要與鄰近的設(shè)備通信交流，其信息傳輸量比集中式控制要少；其計算量也分擔(dān)到各個局部控制器當(dāng)中，降低了中央控制器的工作負(fù)擔(dān)。中央控制器在分散式控制結(jié)構(gòu)中主要負(fù)責(zé)傳遞上層系統(tǒng)的負(fù)荷和電價信息，以及在緊急事件或故障情況下從系統(tǒng)層面上操控局部控制器。

分散式控制的優(yōu)點［41］是：中央控制器的計算量得到了大幅的削減；如果中央控制器故障，系統(tǒng)仍然能夠運行；其分散式的控制模式保證了分布式電源即插即用的功能；適用于大規(guī)模、復(fù)雜的分布式系統(tǒng)。其缺點有：由于局部控制器有較大的自主權(quán)，其存在安全方面的隱患，較難及時檢測和維修；分布式電源的平滑控制依賴于局部控制器之間的交流，需要設(shè)計一種有效的通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；其局部控制器之間的交流可能需要更長的時間達成協(xié)議；由于此種控制方式相比傳統(tǒng)的主從式控制有較大的通信變革，在實際當(dāng)中還面臨較大的設(shè)備投資和復(fù)雜的通信要求。這使得這種較有潛力的控制方式仍然需要深入研究。

集中式和分散式控制方式都有中央控制器和局部控制器，只是分散式控制弱化了中央控制器的主導(dǎo)功能，通過強化周邊通信，將控制權(quán)力分散到局部控制器。中央控制器和局部控制器甚至配電網(wǎng)中心在管理系統(tǒng)中均扮演著一定的角色，多代理系統(tǒng)這一概念［42］可以較好地模擬這一特定功能的角色。多代理系統(tǒng)具有較好的靈活性與可擴展性，既可以設(shè)計成集中式控制，又可以設(shè)計成分散式控制，在微電網(wǎng)的能量管理和控制領(lǐng)域受到了關(guān)注。多代理系統(tǒng)的能量管理策略主要有基于市場交易的競爭協(xié)調(diào)［43-44］和基于各種智能算法［45-46］的優(yōu)化調(diào)度。 基于市場交易的多代理系統(tǒng)模擬電力市場環(huán)境，由各分布式電源代理和負(fù)荷代理根據(jù)成本和需求進行投標(biāo)，中央控制代理經(jīng)過決策確定最后的出力狀況?；谥悄芩惴ǖ膬?yōu)化調(diào)度類似于傳統(tǒng)的集中式控制，其根據(jù)各代理申報的情況以特定的目標(biāo)進行優(yōu)化計算來確定各微源的發(fā)電安排。

5 微電網(wǎng)能量管理的模型與求解算法

5.1 微電網(wǎng)能量管理的模型

微電網(wǎng)能量管理的目標(biāo)是在滿足系統(tǒng)負(fù)荷需求和各種物理約束條件的情況下，以最小化分布式電源運行成本、系統(tǒng)網(wǎng)損、停電概率、污染排放等為目標(biāo)，為分布式電源和儲能系統(tǒng)提供功率運行點。由于有多個運行目標(biāo)，微電網(wǎng)能量管理的控制目標(biāo)可以描述成多目標(biāo)函數(shù)［47-48］或者某一方面的單目標(biāo)函數(shù)［49-51］。

可再生能源的發(fā)電基本上沒有成本，微電網(wǎng)的調(diào)度策略一般是優(yōu)先利用可再生能源的發(fā)電，通過預(yù)測系統(tǒng)預(yù)測可再生能源和負(fù)荷的出力值，在此基礎(chǔ)上安排可調(diào)度機組和儲能系統(tǒng)的出力?？烧{(diào)度機組的約束條件包括發(fā)電上下限約束、機組爬坡約束、最小啟停時間約束。對于儲能系統(tǒng)的建模，常用的模型有電力庫模型［52］、KiBaM 模型［53］，其約束條件一般包括電力容量約束、充放電上下限約束。對于系統(tǒng)約束則包括功率平衡約束、熱能平衡約束、系統(tǒng)備用約束、線路潮流限值約束、母線電壓限值約束。對于有特殊控制要求的設(shè)備可以加入一些額外約束如蓄電池充放電次數(shù)約束［54］。另外，對于有逆變器接口的分布式電源，其有功/頻率的下垂特性也常作為約束條件［55-57］。

5.2 模型的求解算法

多目標(biāo)優(yōu)化問題常通過將目標(biāo)函數(shù)加權(quán)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題［58］，采用單目標(biāo)優(yōu)化方法求解。另外也可以采用多目標(biāo)優(yōu)化方法求解，如非支配多目標(biāo)遺傳算法等。下面介紹的算法主要是針對單目標(biāo)優(yōu)化問題。

不考慮可再生能源的預(yù)測誤差情況下，微電網(wǎng)能量管理模型屬于機組組合問題。目前大部分微電網(wǎng)能量管理模型不考慮系統(tǒng)潮流的約束，采用的求解方法主要有混合整數(shù)線性規(guī)劃方法［50，59-61］、動態(tài)規(guī)劃方法［62］、遺傳算法［51，63］、粒子群優(yōu)化算法［64-65］、蟻群算法［66］等智能算法以及基于規(guī)則判斷的專家系統(tǒng)［67-68］等算法。其中混合整數(shù)線性規(guī)劃方法通過將優(yōu)化模型中的非線性函數(shù)轉(zhuǎn)化為線性函數(shù)，從而將優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)規(guī)劃問題，采用成熟的專業(yè)軟件求解，通常具有較高的求解精度和較快的求解速度［69］。對于考慮潮流約束的模型，一般是在計算過程中加入最優(yōu)潮流［70-71］或前推回代法等配電網(wǎng)潮流計算的子程序。由于非線性約束劇增，通常采用遺傳算法、粒子群算法等智能算法進行優(yōu)化求解。

微電網(wǎng)中光伏、風(fēng)電等可再生分布式電源出力的隨機性、間歇性給微電網(wǎng)的短期調(diào)度帶來挑戰(zhàn)。光伏、風(fēng)電的隨機分布特性常用其概率密度分布函數(shù)來描述［72］。一般情況下，光伏出力可認(rèn)為服從Beta分布，風(fēng)電出力可以通過由服從Weibull分布的風(fēng)速經(jīng)風(fēng)機的出力-風(fēng)速轉(zhuǎn)換函數(shù)獲得［73］。負(fù)荷一般服從高斯分布。目前考慮可再生能源出力預(yù)測誤差分布的短期調(diào)度方法主要有基于機會約束的隨機規(guī)劃方法［65，74］、基于抽樣技術(shù)的場景削減法［75］、點估計法［63，76］。 其中，場景削減方法利用場景削減技術(shù)將眾多的情景轉(zhuǎn)化為可數(shù)的典型靜態(tài)場景進行調(diào)度分析；點估計法則通過計算多隨機變量構(gòu)成的隨機函數(shù)值的概率統(tǒng)計量進行分析。

6 微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的機遇與挑戰(zhàn)

目前微電網(wǎng)能量管理主要采用集中式控制，隨著技術(shù)的成熟，分散式控制將逐漸成為微電網(wǎng)能量管理控制結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。分散式控制使得分布式電源能夠即插即用，任何分布式電源或儲能設(shè)備在任何時間都可以連接到微電網(wǎng)中，大幅提高了用電的靈活性。

微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)對微電網(wǎng)的使用便利性和高效性起著重要的作用。由于微電網(wǎng)的特殊性，微電網(wǎng)的能量管理依然面臨一系列挑戰(zhàn)，主要有以下3個方面。

a.微電網(wǎng)中可再生能源如風(fēng)電、光伏出力受自然環(huán)境的影響，具有間歇性、波動性和可預(yù)測性差等特點。微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的設(shè)計當(dāng)中需要考慮這些隨機因素的影響。

另一方面，隨著可控負(fù)荷形式的增多，可控負(fù)荷如PEV可以隨時隨地連接到微電網(wǎng)中，這增加了微電網(wǎng)負(fù)荷側(cè)時間和空間上的不確定性。微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)在需求側(cè)的管理中需充分考慮到這些不確定性因素。

b.各種儲能技術(shù)各具優(yōu)缺點，單一的儲能技術(shù)很難在技術(shù)性和經(jīng)濟性上滿足要求，常常需要多種儲能技術(shù)的配合才能達到效果。多種儲能技術(shù)的優(yōu)化配合以及多儲能系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)度將成為微電網(wǎng)能量管理的一個難點。

c.可靠且兼容的通信網(wǎng)絡(luò)是微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)。通信可能會存在的延時、超時失敗等問題，將影響微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的執(zhí)行。另一方面，微電網(wǎng)的通信主要是通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，而無線網(wǎng)絡(luò)的共享和易接近等特點，使得其存在安全陷患。因此微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和通信安全也是一個值得研究的問題。

7 結(jié)語

微電網(wǎng)的能量管理是微電網(wǎng)技術(shù)中一個重要的研究內(nèi)容。隨著微電網(wǎng)的不斷發(fā)展和規(guī)模的擴大，微電網(wǎng)的能量管理將面臨控制結(jié)構(gòu)、優(yōu)化算法、通信設(shè)計等一系列需要解決的問題。本文總結(jié)了國內(nèi)外微電網(wǎng)能量管理的研究現(xiàn)狀，從微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的管理對象、基本功能、設(shè)計框架、控制結(jié)構(gòu)等方面全面介紹了微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的軟硬件的構(gòu)成和主要功能。此外，針對當(dāng)前微電網(wǎng)能量管理的理論研究給出了微電網(wǎng)能量管理的基本模型和優(yōu)化算法，對現(xiàn)在研究工作存在的問題和難點進行了概括，指出了進一步研究的方向。