張鐘平，宣施超

（1.國家能源分布式能源技術(shù)研發(fā)（實驗）中心，浙江 杭 州310030；2.浙富水電國際工程有限公司，浙江 杭 州310030）

1 引言

隨著石油、煤炭資源等化石能源的使用產(chǎn)生了大量的CO2，引起全球變暖問題，使人類的生存受到威脅。天然氣、風能、太陽能這些“綠色能源”由于其具有清潔、無污染、可再生特點引起全世界的關(guān)注，其中分布式能源作為一種可以有效利用新能源的發(fā)電形式，成為研究的熱點。我國微網(wǎng)的管理系統(tǒng)研究尚處于起步階段，目前清華大學、中國科學院電工研究所、天津大學、河海大學等單位相繼開始了微網(wǎng)管理系統(tǒng)技術(shù)的研究，同時微網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)慢慢是國內(nèi)近年的研究熱點。本文主要對分布式微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和能量管理方案的介紹和分析。

2 微網(wǎng)管理系統(tǒng)概念

分布式微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)（Microgrid－EMS，簡稱MEMS系統(tǒng)）是分布式能源（分布式DR）的控制核心，以計算機為基礎(chǔ)的現(xiàn)代電力系統(tǒng)的綜合自動化系統(tǒng)。分布式微電網(wǎng)自身容量較小，加上光伏、風電、和負荷的變化，分布式能源本身具有波動性和間歇性，且具有大量的電力電子設(shè)備接口，電力電子設(shè)備具有較快的反應速度、輸出阻抗小、過載能力低等特點，所以增加了微網(wǎng)控制的難度，微網(wǎng)電壓和頻率的變動較大，微網(wǎng)能量協(xié)調(diào)控制通過對微電源的P／Q控制、V／f控制和下垂控制進行組合對微網(wǎng)整體進行協(xié)調(diào)控制，控制系統(tǒng)需要統(tǒng)籌各個分布式電源運行方式，在電力系統(tǒng)中扮演重要的中間角色，并完成系統(tǒng)內(nèi)部各微電源之間、獨立微網(wǎng)與主微網(wǎng)、多個微網(wǎng)間、區(qū)域微網(wǎng)間的多種協(xié)作和管理。

3 微網(wǎng)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分布式微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)一般分為微網(wǎng)就地設(shè)備控制器層、中間控制層能量分析和管理層的分布式能量管理系統(tǒng)（見圖1）。

圖1 分布式微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

3.1 系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)

微網(wǎng)就地控制器層主要包括燃氣分布式電源控制器、光伏逆變器、儲能PCS設(shè)備、負荷控制器；中間控制層包括數(shù)據(jù)通信模塊、運行控制模塊、儲能管理模塊、負荷管理模塊；能量分析和管理層包括數(shù)據(jù)通信與監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)監(jiān)測和分析、性能計算、經(jīng)濟調(diào)度和優(yōu)化運行模塊、預測模塊和控制策略管理等。

不同微網(wǎng)的就地設(shè)備控制層之間不需要通信，而不同中間控制層之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互和通信，根據(jù)不同微網(wǎng)之間的運行和負荷特性進行協(xié)調(diào)控制，微網(wǎng)能量分析和管理系統(tǒng)將所有中間控制層上送的數(shù)據(jù)進行匯總和分析，并根據(jù)微網(wǎng)運行情況和需求發(fā)送指令至中間控制層，實現(xiàn)能源的綜合分析和管理。

3.2 系統(tǒng)分層管理

3.2.1 微網(wǎng)就地設(shè)備控制層

微網(wǎng)就地設(shè)備層主要完成實時數(shù)據(jù)采集、分布式電源輸出控制、負荷控制，并將數(shù)據(jù)上送至中間管理層。

數(shù)據(jù)采集主要包含分布式電源本體、儲能系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)和負荷系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，主要包含電氣參數(shù)和熱力參數(shù)，具體見表1。

微網(wǎng)就地設(shè)備控制層的控制主要是對分布式電源的輸出功率、出力、燃料進氣量、冷熱負荷和接收運行模式指令的控制，運行模式控制主要有PQ運行模式、VF運行模式、下垂特性運行模式，根據(jù)用戶需求和電網(wǎng)狀態(tài)調(diào)節(jié)微網(wǎng)在并網(wǎng)、離網(wǎng)和并離網(wǎng)切換的運行模式。

表1 數(shù)據(jù)采集

3.2.2 微網(wǎng)中間控制層

微網(wǎng)中間控制層接收就地控制層發(fā)送的設(shè)備運行數(shù)據(jù)，通過分析制定控制策略，對各控制器進行管理和調(diào)度。當檢測到大電網(wǎng)故障時，發(fā)命令給就地設(shè)備控制層，實現(xiàn)微網(wǎng)與電網(wǎng)斷開，并切換到并／離網(wǎng)控制模式，微網(wǎng)進入孤島運行模式。當檢測到大電網(wǎng)恢復后，運行控制模塊指令切換到離／并網(wǎng)模式，微網(wǎng)進入并網(wǎng)運行。微網(wǎng)中間控制層儲能系統(tǒng)的充放電狀態(tài)進行檢測，根據(jù)系統(tǒng)需求對蓄電池進行充放電管理，并對儲能裝置的運行方式（PQ、VF）、輸出有功、無功功率進行控制。中間控制層對微網(wǎng)內(nèi)的負荷根據(jù)重要程度分為敏感負荷、一般負荷、可中斷負荷，根據(jù)檢測到的負荷大小分配微電源的處理，保持微電源與負荷之間的平衡，在微電網(wǎng)孤網(wǎng)運行時，切除可中斷負荷或一般負荷，保證敏感負荷的正常供電。

3.2.3 微網(wǎng)能量管理層

能量管理層采集中間控制層上傳的微網(wǎng)實時數(shù)據(jù)信息、分布式電源信息、負荷信息等，實現(xiàn)微網(wǎng)的調(diào)度、管理和控制，實現(xiàn)冷、熱、電各種能源的綜合優(yōu)化，跟根據(jù)用戶需求和電網(wǎng)狀態(tài)，實時調(diào)整控制策略和運行模式，實現(xiàn)微網(wǎng)的經(jīng)濟和安全穩(wěn)定運行（圖2）。具體主要有以下幾個方面。

圖2 分布式微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)通信和管理。完成能量管理層與中間控制層的數(shù)據(jù)信息通訊，將中間層上傳的數(shù)據(jù)進行畫面顯示、告警處理、曲線顯示等，包含傳統(tǒng)電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)中SCADA功能，如報表打印、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、歷史數(shù)據(jù)存儲、權(quán)限管理等。

（2）預測功能。主要包含供能預測和負荷預測。其中供能預測是指太陽能發(fā)電、風能發(fā)電單元的短期及長期發(fā)電能力，根據(jù)分布式電源的類型、一次能源的變化、發(fā)電費用、環(huán)境因素、檢修周期等預測分布式電源出力。負荷預測包括冷、熱、電負荷預測，需要根據(jù)負荷長期歷史信息和氣象信息，通過預測算法來預測下一時刻負荷信息。根據(jù)不同能源價格情況和電網(wǎng)狀態(tài)不斷優(yōu)化運行方式，得到最優(yōu)最經(jīng)濟的運行工況。

（3）經(jīng)濟調(diào)度和優(yōu)化運行。主要指微網(wǎng)并網(wǎng)運行時，不僅要考慮分布式DR提供冷熱電能、有效利用可再生能源、保護環(huán)境、減小燃料費用等，還需要考慮微網(wǎng)與大電網(wǎng)之間的電能交易。在滿足微網(wǎng)安全性、可靠性和供電質(zhì)量要求條件下，考慮購售電價、微網(wǎng)安全性、各分布式電源技術(shù)性能、環(huán)保等因素，經(jīng)濟調(diào)度各分布式電源和儲能設(shè)備的功率以及與大電網(wǎng)之間的功率交換，實行微網(wǎng)運行的經(jīng)濟成本最小。

（4）控制策略管理。微網(wǎng)系統(tǒng)采用了大量電力電子元件，且存在多種運行模式，微網(wǎng)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)儲能較低，缺乏負荷跟蹤能力，在并網(wǎng)運行和孤島運行模式變化下，與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比缺少穩(wěn)定性，微網(wǎng)系統(tǒng)的過負荷能力與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比很差。所以對微網(wǎng)系統(tǒng)采用多種控制策略和控制方法，對提高微網(wǎng)穩(wěn)定性具有重要意義。

分布式DR控制方法主要有PQ控制、下垂控制和VF控制三種。在正常情況下，微電網(wǎng)并網(wǎng)運行，所有分布式DR采用PQ運行方式，此時為電網(wǎng)的電壓和頻率就是微網(wǎng)的電壓和頻率，微網(wǎng)內(nèi)部的分布式電源工作在電壓源或電流源狀態(tài)，在不同控制策略的控制下，調(diào)整各自功率輸出。微網(wǎng)中分布式電源提供的功率滿足不了微網(wǎng)中負荷的需求時，微網(wǎng)可以從配電網(wǎng)吸收能量，反之，當微網(wǎng)中分布式電源功率過剩時，微網(wǎng)可以向配電網(wǎng)輸送能量。當配網(wǎng)出現(xiàn)電壓驟升、驟降、不平衡和諧波等電能質(zhì)量問題或有計劃檢修時，微電網(wǎng)轉(zhuǎn)入孤島運行模式，此時一個分布式DR采用PQ作為主電源運行，而其他分布式DR采用VF運行模式，此時的電壓和頻率由主電源負責調(diào)節(jié)。

4 微網(wǎng)能量管理和控制方案

微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)在并網(wǎng)運行方式下，分布式能量管理系統(tǒng)控制微電源采用PQ運行方式，并根據(jù)用電負荷、供熱負荷、供冷負荷，調(diào)節(jié)分布式DR煙氣量、輸出功率、調(diào)節(jié)光伏逆變器運行方式、通過BMS和PCS調(diào)節(jié)儲能系統(tǒng)存儲狀態(tài)，并根據(jù)電網(wǎng)的電壓、頻率、電流和輸入功率實現(xiàn)調(diào)節(jié)微電網(wǎng)中間層的控制策略（表2）。

在孤島運行方式下，分布式能量管理系統(tǒng)控制一個穩(wěn)定的微電源采用VF，其余分布式DR采用PQ控制運行方式（表3）。

微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)根據(jù)分布式電源的類型、一次能源的變化、發(fā)電費用、環(huán)境因素、檢修周期情況預測分布式電源出力，不同能源價格情況下的經(jīng)濟運行情況，優(yōu)化運行方式，得到最優(yōu)最經(jīng)濟的運行工況。

表2 并網(wǎng)運行管理

根據(jù)能源價格和供能價格，微網(wǎng)管理系統(tǒng)進行運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)實時計算，根據(jù)表4可以計算出系統(tǒng)供能成本、收入、發(fā)電量、供熱量、供冷量，并根據(jù)一次能源價格、電價、蒸汽價格和冷價格進行實時統(tǒng)計和調(diào)整，指導微網(wǎng)供能系統(tǒng)優(yōu)化運行。

5 結(jié)語和展望

隨著分布式微網(wǎng)和多能源互補微網(wǎng)的快速發(fā)展，而微網(wǎng)的能量管理和控制技術(shù)是微網(wǎng)的核心，同時也是微網(wǎng)技術(shù)研究重點和難點，本文對分布式微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和能量管理方案進行介紹和簡要分析，研究了微網(wǎng)管理系統(tǒng)分層控制結(jié)構(gòu)、優(yōu)化管理方案和控制策略。

表3 孤網(wǎng)運行管理

表4 能效管理計算

未來的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計應以其結(jié)構(gòu)特性為基礎(chǔ)，考慮基本因素對微網(wǎng)結(jié)構(gòu)影響，在滿足用戶對電能多樣性需求以及微網(wǎng)靈活配置功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，微網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計還需要考慮運行的經(jīng)濟性、可擴展性以及易維護等，并將做進一步研究。

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