梁東義 周建強(qiáng) 呂曉娟 董 巖

（鄭州電力高等?？茖W(xué)校能源與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 鄭州 450000）

0 引言

微電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)自我管理、保護(hù)和控制，既可以與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也能脫離大電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行。微電網(wǎng)是分布式電源，如分布式光伏、分布式風(fēng)電、儲(chǔ)能裝置與智能配電系統(tǒng)的有機(jī)組合，可以和現(xiàn)有電力系統(tǒng)結(jié)合形成高效靈活的電力系統(tǒng)。微電網(wǎng)包含交流微網(wǎng)和直流微網(wǎng)兩類。其中交流微網(wǎng)具有電壓轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)單、使用方便等特點(diǎn)；而直流微網(wǎng)是將電源和負(fù)荷均連接至直流母線上，直流母線通過(guò)電力電子變換裝置連接至外部交流電網(wǎng)，直流微網(wǎng)具有穩(wěn)定高效的特點(diǎn)[1]。因此，未來(lái)的電力系統(tǒng)必將是一個(gè)包含無(wú)數(shù)交、直流微網(wǎng)的系統(tǒng)[2]。電力能量路由器簡(jiǎn)稱電能路由器，可根據(jù)實(shí)際需要方便地進(jìn)行電能的轉(zhuǎn)換與分配，電能路由器在多微網(wǎng)互聯(lián)中能夠起到轉(zhuǎn)換樞紐的作用。

將微電網(wǎng)與電能路由器相結(jié)合，在滿足微網(wǎng)自身用電安全的前提下，可以按照市場(chǎng)規(guī)律，根據(jù)電源和負(fù)載的功率預(yù)測(cè)進(jìn)行發(fā)電、儲(chǔ)能、用電的調(diào)節(jié)與分配[3]。每個(gè)微網(wǎng)既能提供電能也在使用電能，同樣可以成為市場(chǎng)交易的主體，通過(guò)與大電網(wǎng)進(jìn)行電量交易，可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

1 基于電能路由器的多微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為研究電能路由器在互聯(lián)微網(wǎng)中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了多微網(wǎng)互聯(lián)試驗(yàn)系統(tǒng)，包含三個(gè)微網(wǎng)，三者可通過(guò)以下三種方式實(shí)現(xiàn)靈活互聯(lián)。兩個(gè)交流微網(wǎng)可分別或同時(shí)與市電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行；兩個(gè)交流微網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，組成單一交流微網(wǎng)，離網(wǎng)或并網(wǎng)運(yùn)行；三個(gè)微網(wǎng)通過(guò)四端口電能路由器實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，通過(guò)電能路由器實(shí)現(xiàn)電量的調(diào)度與分配，可離網(wǎng)和并網(wǎng)運(yùn)行。并網(wǎng)方式分為通過(guò)能量路由器并網(wǎng)和通過(guò)交流微網(wǎng)并網(wǎng)兩種。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中交流微網(wǎng)的母線電壓為380 V。交流微網(wǎng)Ⅰ主要設(shè)備包括：4 kWp單晶硅光伏發(fā)電系統(tǒng)1套；12 kVA鉛酸電池與0.5 kW超級(jí)電容聯(lián)合儲(chǔ)能系統(tǒng)1套；1 kW垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)1套；10 kW RLC可編程負(fù)載1套；智能交流充電樁1套，智能空調(diào)1臺(tái)。交流微網(wǎng)Ⅱ配置與交流微網(wǎng)Ⅰ基本相同，主要設(shè)備有：4 kWp多晶硅光伏發(fā)電系統(tǒng)1套；12 kVA鉛酸電池與0.5 kW超級(jí)電容聯(lián)合儲(chǔ)能系統(tǒng)1套；1 kW水平軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)1套；3 kW模擬風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)1套；空氣能熱水器1套；10 kW RLC可編程負(fù)載1套。另一個(gè)為直流微網(wǎng)，母線電壓為300 V。直流微網(wǎng)主要設(shè)備：2 kWp薄膜非晶硅光伏發(fā)電系統(tǒng)1套；10 kW磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)1套；5 kW直流可編程負(fù)載系統(tǒng)1套。

圖1 基于電能路由器的多微網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)

三個(gè)微網(wǎng)通過(guò)電能路由器與實(shí)驗(yàn)室380 V配網(wǎng)連接并網(wǎng)。電能路由器功率為30 kW，有3個(gè)0.4 kV交流端口、1個(gè)300 V直流端口，2個(gè)交流端口分別接交流微網(wǎng)Ⅰ和交流微網(wǎng)Ⅱ，第3個(gè)交流端口與交流0.4 kV市電系統(tǒng)連接，1個(gè)直流端口與直流微網(wǎng)進(jìn)行連接。通過(guò)電能路由器，微電網(wǎng)可以從外網(wǎng)獲取能量，也可以向大電網(wǎng)輸送能量，還可以在不同的微電網(wǎng)之間進(jìn)行能量輸送，從而實(shí)現(xiàn)電能的競(jìng)價(jià)購(gòu)銷。

2 基于電能路由器的多微網(wǎng)互聯(lián)調(diào)度策略

在多微網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)間的能量監(jiān)控與調(diào)度功能，配置微網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和微網(wǎng)間的智能調(diào)度系統(tǒng)。其中三個(gè)微網(wǎng)各配一個(gè)專用的微網(wǎng)控制系統(tǒng)、獨(dú)立的通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)微網(wǎng)的監(jiān)控；另外，對(duì)三個(gè)微網(wǎng)配置一套互聯(lián)微網(wǎng)控制系統(tǒng)，能夠?qū)﹄娔苈酚善?、?lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控；為監(jiān)測(cè)氣象數(shù)據(jù)及電能質(zhì)量，安裝氣象監(jiān)測(cè)儀和電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀，配置基于D5000平臺(tái)的多微網(wǎng)智能調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)三個(gè)微網(wǎng)的集中管理和能量?jī)?yōu)化調(diào)度。

2.1 優(yōu)化調(diào)度原則

多微網(wǎng)智能調(diào)度是本系統(tǒng)的最高調(diào)度層，通過(guò)電能路由器完成多個(gè)微電網(wǎng)之間的能量?jī)?yōu)化分配，驗(yàn)證多微網(wǎng)互聯(lián)的運(yùn)行模式及應(yīng)用場(chǎng)景。調(diào)度層包括數(shù)據(jù)服務(wù)器和監(jiān)控服務(wù)器，能實(shí)時(shí)發(fā)布多微網(wǎng)互聯(lián)的發(fā)電、用電信息，以實(shí)現(xiàn)信息共享。優(yōu)化調(diào)度原則：首先是安全原則，即保證各微電網(wǎng)自身的負(fù)載需求及能量平衡[4]；當(dāng)無(wú)法滿足自身需求時(shí)，進(jìn)行微網(wǎng)間的能量分配與調(diào)度，同時(shí)，不能滿足能量平衡的微電網(wǎng)可根據(jù)負(fù)載情況切除次要負(fù)載或切除電源；如某個(gè)微電網(wǎng)發(fā)生故障，能夠迅速自動(dòng)隔離。其次是經(jīng)濟(jì)效益最大化原則，根據(jù)多微網(wǎng)互聯(lián)調(diào)度策略，實(shí)現(xiàn)電能的經(jīng)濟(jì)調(diào)度?；陔娔苈酚善鞯亩辔⒕W(wǎng)互聯(lián)智能調(diào)度系統(tǒng)接收到微電網(wǎng)發(fā)出的電量需求時(shí)，根據(jù)已知的發(fā)電、用電以及天氣狀況等信息向其他微網(wǎng)發(fā)出調(diào)度指令，并通過(guò)電能路由器進(jìn)行分配；單個(gè)微網(wǎng)控制系統(tǒng)也可根據(jù)自身運(yùn)行情況實(shí)施優(yōu)化調(diào)度，自主確定剩余電量是上網(wǎng)、存儲(chǔ)還是響應(yīng)能量調(diào)度系統(tǒng)的調(diào)度。

該調(diào)度系統(tǒng)還具有對(duì)發(fā)電功率和負(fù)荷需求進(jìn)行預(yù)測(cè)的功能，可根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果制定調(diào)度計(jì)劃。同時(shí)接受當(dāng)?shù)嘏渚W(wǎng)的調(diào)度，并主動(dòng)上傳多微網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)的基本信息。

2.2 多微網(wǎng)互聯(lián)優(yōu)化調(diào)度

2.2.1 基于新能源電能消納的優(yōu)化調(diào)度

按照一定的調(diào)度策略來(lái)調(diào)節(jié)分布式電源的發(fā)電功率和運(yùn)行狀態(tài)，以確保在滿足負(fù)荷的條件下盡可能多地使用清潔能源，同時(shí)要保證分布式電源電量全部就地消納，且不向電網(wǎng)反送功率，避免逆功率保護(hù)動(dòng)作造成系統(tǒng)停電。為了實(shí)現(xiàn)這一控制目標(biāo)，需對(duì)三個(gè)微網(wǎng)的分布式電源發(fā)電功率、負(fù)載功率、氣象信息等一系列參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，在綜合分析的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)計(jì)算出對(duì)每個(gè)微網(wǎng)分布式電源的調(diào)節(jié)目標(biāo)，并采用遙調(diào)遠(yuǎn)傳通道下達(dá)調(diào)節(jié)命令，改變分布式電源的輸出功率，改變電能路由器傳輸功率的大小和方向；通過(guò)遙控控制開(kāi)關(guān)分、合閘以切入或切除分布式電源。

2.2.2 基于微網(wǎng)自身經(jīng)濟(jì)效益最大的優(yōu)化調(diào)度

根據(jù)當(dāng)前的新能源并網(wǎng)政策，微網(wǎng)不僅可以和大電網(wǎng)進(jìn)行電能交易，微網(wǎng)間也可以自由進(jìn)行電量交易?；陔娔苈酚善鞯亩辔⒕W(wǎng)互聯(lián)電能交易策略是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的、開(kāi)放交易環(huán)境下的多微網(wǎng)互聯(lián)調(diào)度方法。首先是以單個(gè)微電網(wǎng)收益最高為目標(biāo)的優(yōu)化問(wèn)題，可通過(guò)對(duì)微網(wǎng)內(nèi)部各分布式電源制定合理的調(diào)度策略，再根據(jù)電網(wǎng)分時(shí)段峰谷電價(jià)與自身電量需求，合理安排每個(gè)微網(wǎng)的電源功率、儲(chǔ)能系統(tǒng)荷電狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)，降低運(yùn)行成本；基于電能路由器的多微網(wǎng)互聯(lián)智能調(diào)度系統(tǒng)還能夠?qū)ξ⒕W(wǎng)間的優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行協(xié)調(diào)，如可能引發(fā)的交易沖突等。

3 基于電能路由器的多微網(wǎng)互聯(lián)經(jīng)濟(jì)調(diào)度實(shí)驗(yàn)

3.1 基于電能路由器的微網(wǎng)間電量交易條件

當(dāng)多微網(wǎng)系統(tǒng)中的微電網(wǎng)進(jìn)行電能交易時(shí)，需滿足以下條件：

1）各微網(wǎng)首先滿足自身重要負(fù)荷的需要，仍有多余的電量時(shí)才進(jìn)行網(wǎng)間交易。

2）網(wǎng)間交易之前，各微網(wǎng)向調(diào)度系統(tǒng)提供其售電價(jià)格，微網(wǎng)的售電價(jià)格Ps應(yīng)滿足PTD＜Ps＜PTS，其中，PTD代表某個(gè)微網(wǎng)有多余電量時(shí)向大電網(wǎng)售電的價(jià)格；PTS代表某微網(wǎng)電量不足時(shí)向大電網(wǎng)購(gòu)電的價(jià)格。只有某微網(wǎng)有多余電量且滿足其在微網(wǎng)間的售電價(jià)格低于其他微電網(wǎng)向大電網(wǎng)購(gòu)電的價(jià)格，高于其向大電網(wǎng)售電的價(jià)格時(shí)交易才能實(shí)現(xiàn)。

3）微網(wǎng)間電量交易時(shí)還需要外部電網(wǎng)的支持，比如配網(wǎng)的線路容量等。使用線路容量就需要一定的配套服務(wù)費(fèi)，服務(wù)費(fèi)用的多少視線路交易電量的多少而定。

4）如果各微網(wǎng)均有需求，但微網(wǎng)內(nèi)部電量不足時(shí)，使用采購(gòu)價(jià)格優(yōu)先的策略，即競(jìng)價(jià)購(gòu)電的原則，優(yōu)先保證出價(jià)高的微網(wǎng)的用電需求。

5）微網(wǎng)內(nèi)可以根據(jù)氣象數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)及負(fù)荷需求預(yù)測(cè)確定其售電和購(gòu)電價(jià)格，并將這些信息上傳至多微網(wǎng)互聯(lián)調(diào)度層。

6）多微網(wǎng)互聯(lián)調(diào)度層收集所有數(shù)據(jù)并公布給下屬所有三個(gè)微電網(wǎng)控制層。

7）微電網(wǎng)控制層根據(jù)所公布數(shù)據(jù)設(shè)立的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，考慮多個(gè)約束條件，運(yùn)用求解算法得出各自的最優(yōu)調(diào)度計(jì)劃，并上報(bào)給多微網(wǎng)互聯(lián)調(diào)度層。

8）多微網(wǎng)互聯(lián)調(diào)度層審核各微網(wǎng)的調(diào)度方案，按照優(yōu)化調(diào)度原則協(xié)調(diào)各微網(wǎng)交易中的沖突問(wèn)題，并將協(xié)調(diào)結(jié)果反饋給各微網(wǎng)，各微網(wǎng)按照多微網(wǎng)互聯(lián)調(diào)度系統(tǒng)的指令執(zhí)行電量交易。

3.2 基于電能路由器的微網(wǎng)間電量交易方案

微網(wǎng)間根據(jù)電價(jià)、內(nèi)部電量需求與發(fā)電預(yù)測(cè)信息，制定內(nèi)部可調(diào)電源的調(diào)度方案和購(gòu)售電計(jì)劃，并上報(bào)多微網(wǎng)智能調(diào)度系統(tǒng)。多微網(wǎng)互聯(lián)調(diào)度系統(tǒng)對(duì)各微網(wǎng)上報(bào)的購(gòu)電和售電計(jì)劃進(jìn)行協(xié)調(diào)，確定最佳交易方案。各微網(wǎng)均把自身經(jīng)濟(jì)效益最大作為調(diào)度目標(biāo)，設(shè)立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，綜合考慮交易成本及微網(wǎng)自身的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用、電池充放電經(jīng)濟(jì)效益等因素，同時(shí)考慮微網(wǎng)負(fù)荷平衡約束、儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行充放電深度約束等條件，得出最優(yōu)運(yùn)行計(jì)劃[5]。

3.3 基于電能路由器的調(diào)度方法

各微網(wǎng)根據(jù)自身的發(fā)用電需求得到各自的調(diào)度方案，并將此方案上傳至多微網(wǎng)互聯(lián)調(diào)度系統(tǒng)。多微網(wǎng)互聯(lián)調(diào)度系統(tǒng)來(lái)協(xié)調(diào)解決微網(wǎng)間調(diào)度計(jì)劃的沖突問(wèn)題，具體的協(xié)調(diào)方法如下：

1）根據(jù)各微網(wǎng)的交易方案生成交易矩陣Amn，其表示微網(wǎng)m計(jì)劃與微網(wǎng)n交易的電量。對(duì)三個(gè)微網(wǎng)交易矩陣中的元素進(jìn)行匹配，如果交易中有需求的重合，則重合部分視為匹配成功，沒(méi)有得到滿足的電量作為電量缺額或電量余額進(jìn)行再次匹配。

2）有電量需求的微網(wǎng)根據(jù)其購(gòu)電價(jià)格的高低進(jìn)行排序，購(gòu)電價(jià)格高的優(yōu)先得到滿足，根據(jù)各微網(wǎng)的購(gòu)電價(jià)格確定其購(gòu)電的次序。

3）互聯(lián)微網(wǎng)通過(guò)電能路由器與大電網(wǎng)相連，當(dāng)微網(wǎng)內(nèi)部的電量經(jīng)過(guò)調(diào)度后仍有缺額，則由大電網(wǎng)補(bǔ)足，如果微網(wǎng)內(nèi)部有多余電量無(wú)法交易，則由大電網(wǎng)接收多余電量，從而實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的能量平衡。

3.4 基于電能路由器的優(yōu)化調(diào)度實(shí)驗(yàn)

該多微網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)為微電網(wǎng)能量交易調(diào)度算法開(kāi)發(fā)了專門(mén)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K，用于對(duì)調(diào)度算法的研究及實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行分析。優(yōu)化調(diào)度算法需要各微網(wǎng)分布式發(fā)電設(shè)備信息、負(fù)荷曲線、分時(shí)電價(jià)信息等。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用真實(shí)系統(tǒng)信息與部分人工設(shè)定信息相結(jié)合的原則，具體如下：

3.4.1 配置信息

微電網(wǎng)的分布式發(fā)電設(shè)備信息使用三個(gè)微電網(wǎng)的真實(shí)信息，各個(gè)微電網(wǎng)內(nèi)的風(fēng)電和光伏運(yùn)行在最大功率跟蹤模式，發(fā)電預(yù)測(cè)信息使用系統(tǒng)真實(shí)的發(fā)電預(yù)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)。日負(fù)荷曲線、分時(shí)電價(jià)采用人工設(shè)定信息，外部配電系統(tǒng)服務(wù)費(fèi)采用人工設(shè)定。

整個(gè)優(yōu)化調(diào)度實(shí)驗(yàn)需在微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和多微網(wǎng)互聯(lián)調(diào)度系統(tǒng)中協(xié)同完成，產(chǎn)生調(diào)度指令對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后可對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如可分析不同分時(shí)電價(jià)政策下的各微電網(wǎng)交易量、微電網(wǎng)效益優(yōu)化結(jié)果等。

用瀏覽頁(yè)面配置系統(tǒng)參數(shù)，如圖2所示，該視圖分為價(jià)格信息配置和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)配置，價(jià)格信息配置顯示電價(jià)相關(guān)配置信息，預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)配置顯示負(fù)載、風(fēng)速、光照強(qiáng)度的配置信息。

圖2 配置預(yù)覽界面

3.4.2 優(yōu)化計(jì)算

程序根據(jù)用戶配置的數(shù)據(jù)，以經(jīng)濟(jì)最優(yōu)為目標(biāo)，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)優(yōu)化計(jì)算，并將計(jì)算出的結(jié)果顯示在優(yōu)化計(jì)算界面。執(zhí)行優(yōu)化計(jì)算前，配置文件必須為正常狀態(tài)。優(yōu)化計(jì)算界面分為調(diào)度計(jì)劃和預(yù)計(jì)結(jié)果，如圖3所示。

圖3 調(diào)度計(jì)劃

3.4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

調(diào)度執(zhí)行以后，程序?qū)凑諆?yōu)化計(jì)算所獲得的調(diào)度計(jì)劃，發(fā)送控制命令，以達(dá)到調(diào)度的目的，下發(fā)的調(diào)度命令將顯示在命令監(jiān)視窗口。達(dá)到調(diào)度結(jié)束時(shí)間后，調(diào)度將自動(dòng)停止，調(diào)度執(zhí)行涉及的界面為調(diào)度監(jiān)測(cè)界面，分為交流微電網(wǎng)1、交流微電網(wǎng)2和直流微電網(wǎng)。調(diào)度監(jiān)測(cè)界面將顯示能源互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、計(jì)劃數(shù)據(jù)以及當(dāng)前電價(jià)信息。

調(diào)度結(jié)果界面將顯示各微電網(wǎng)之間以及微電網(wǎng)和配電網(wǎng)之間的實(shí)際交互電量和計(jì)劃交互電量，并顯示實(shí)際收益和計(jì)劃收益。調(diào)度結(jié)果界面如圖4所示。

圖4 運(yùn)行結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

基于電能路由器的互聯(lián)微網(wǎng)調(diào)度實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了在當(dāng)前電網(wǎng)電價(jià)政策的基礎(chǔ)上，利用設(shè)計(jì)的調(diào)度策略，可以在保證自身重要負(fù)荷用電需求的前提下實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)價(jià)值的最大化，同時(shí)，不同的交易條件也會(huì)有不同的運(yùn)行結(jié)果。電能路由器對(duì)電量的合理分配，對(duì)于新能源電力消納以及微網(wǎng)、大電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都將起到有力的支撐作用。