竇鵬沖，張 鵬，段洪旺

(中國電建集團河北省電力勘測設計研究院有限公司，河北 石家莊 050031)

隨著全球能源與環(huán)境問題的日益嚴峻，中國提出了“碳達峰、碳中和”的戰(zhàn)略目標，對于新能源電力系統建設提出了更緊迫的需求。能源互聯網作為新能源電力系統的互聯支撐，可解決系統中電力遠距離輸送與因地制宜消納等諸多技術難題。

微網(microgrid)技術具有有效整合新能源及可再生能源分布式發(fā)電的優(yōu)勢，為新能源及可再生能源并網發(fā)電規(guī)?；瘧锰峁┝诵碌募夹g方案。微網是一種由負荷和微電源(即微網中的新型分布式電源)及儲能裝置共同組成的有機系統。由于微網中的微電源種類多，負荷形式較多，線路阻抗不同，運行方式相對復雜，因此需實現接入能源互聯網的微網系統之間及微網中各類電源和負荷之間的優(yōu)化運行與協調控制，使能源互聯網系統達到最佳運行狀態(tài)[1]。

本文從能源互聯網中微網系統設計出發(fā)，研究闡釋能源互聯網中微網系統的優(yōu)化運行與協調控制問題，并介紹有效的策略方法，提出了能源互聯網中微網系統接入亟需的研究方向。

1 能源互聯網中微網系統設計

2021年10月13日，《2021國家能源互聯網發(fā)展年度報告》正式發(fā)布，能源互聯網及其中微網系統的關鍵技術研究也得到了國內外的廣泛關注。圖1為微網接入的能源互聯網結構圖。這一系統設計形成了獨立電源模式、微網模式、微網之間互聯互動模式等多種運行模式共存的能源互聯網網絡，能量管理系統統一調度控制，分布式電源與微網之間、微網與微網之間、微網與能源互聯網之間互為支撐，能量雙向流動，信息互動交流，能夠保障高質量穩(wěn)定供電，顯著提高了能源互聯網的經濟性和可靠性[2-3]。

圖1 微網接入的能源互聯網結構

2 能源互聯網中微網系統優(yōu)化運行

能源互聯網中微網系統含有光伏、風電等間歇性能源及各類負荷需求，具有不確定性，如圖2所示。微網系統的運行優(yōu)化問題是一個多約束條件、非線性、多目標的優(yōu)化問題。在包含眾多隨機因素的情況下，建立確定性的優(yōu)化模型顯然不符合實際，需將光伏、風電以及負荷的隨機性納入優(yōu)化模型的建立，通過隨機變量與目標函數之間的內在確定性關系，采用計算量小、精度高的優(yōu)化算法，得出微網系統的優(yōu)化運行方案[4]。

圖2 單個微網系統結構

除了研究微網系統中各類微電源、蓄電池儲能和負荷的數學模型和優(yōu)化運行外，還需考慮微網系統間的實際情況，研究微網系統之間的數學模型和優(yōu)化運行，如圖3所示。建立目標函數時，綜合考慮發(fā)電燃料成本、運維檢修成本、與電網電能交互成本、環(huán)境保護成本、負荷中斷賠償成本、電價補貼等。設立約束條件時，綜合考慮能量供需平衡、負荷變化規(guī)律、電源發(fā)電規(guī)律、線路通道輸電能力、階梯電價、儲能裝置輸出等。選擇優(yōu)化算法時，綜合考慮算法速度和精度，可將點估計、級數展式與傳統優(yōu)化算法相結合，解決多維度、多約束、多目標優(yōu)化的問題。

圖3 多微網系統結構

能源互聯網中微網系統優(yōu)化運行問題可表示為一個多變量非線性函數Z。

Z=F(c1,…，cs,p1,…ps)

(1)

式中：c1,…，cs為s個確定性變量；P1,…，Ps為s個隨機變量。

通過建立全面的目標函數，設立多元的約束條件，采用高精度的優(yōu)化算法，計算出微網中微電源及儲能裝置、各微網系統的發(fā)電計劃，以指導系統調度，實現優(yōu)化運行，如圖4所示。

圖4 某微網系統24 h各電源發(fā)電計劃優(yōu)化圖

3 能源互聯網中微網系統協調控制

微網系統可與能源互聯網連接并網運行，也可以處于孤島模式單獨承擔本地負荷。隨著微網系統中分布式電源數量種類增加，其控制方式變得相對復雜，如圖5所示。因此需要對微網系統內部各分布式電源間、微網系統間的能量優(yōu)化管理制定出合理的分層控制方法，確保電網的安全性、穩(wěn)定性和可靠性[5-7]。

通過系統優(yōu)化運行得出各發(fā)電單元的最優(yōu)發(fā)電計劃后，如果保證各分布系統電壓頻率穩(wěn)定、功率精準流動、能量快速響應，還需研究能源互聯網中微網系統的分層協調控制方法，如表1所示。

圖5 微網中發(fā)電單元控制系統原理

表1 能源互聯網的分層控制策略

能源互聯網中各發(fā)電單元之間、微網系統之間，包括分散式控制、集中式控制、分布式控制3種系統性控制方式，如圖6所示。

(a) 分散式控制

(b) 集中式控制

(c) 分布式控制圖6 微網系統3種不同的控制方式

微網系統中環(huán)境變化、工況改變和元件老化等因素會導致元件參數攝動，使數學模型和實際系統存在偏差，另外，如何保證各發(fā)電單元按照優(yōu)化的發(fā)電計劃發(fā)電， 減輕發(fā)電單元并入微網時對微網及能源互聯網的沖擊擾動，即達到快速而無沖擊的柔性并網要求，保證能源互聯網的電能質量和供電可靠性，需要進行發(fā)電單元之間的協調控制。目前，發(fā)電單元之間的協調控制方法，主要有下垂控制、多環(huán)反饋控制、解耦控制、非線性控制及其各類改進控制方法[8-9]。

4 結語

將微網技術引入能源互聯網中是解決能源互聯網中電力遠距離輸送與因地制宜消納的有效途徑，鑒于能源互聯網系統的復雜性、不確定性，本文主要介紹了微網系統接入的優(yōu)化運行與協調控制策略方法，以實現能源互聯網為新能源電力系統提供更好的技術支撐。隨著能源互聯網的快速發(fā)展，還需開展能源互聯網中微網系統的綜合規(guī)劃、系統兼容擴展、電能質量分析與控制、需求側管理、能量管理系統、社會經濟綜合效益、商業(yè)運營模式等方面的研究。