第 1 章  緒   論

1.1  課題的研究背景和意義
隨著煤和石油等化石能源逐漸枯竭，以及由燃燒化石能源造成的環(huán)境污染問題越來越嚴重，迫使人們加大如風能、太陽能等可再生能源(Renewable Energy  Source,  RES)的利用。由于風機及光伏陣列的出力受天氣等因素影響很大，功率輸出隨機性和波動性很大，若直接大量接在配電網(wǎng)中會對電網(wǎng)電能質(zhì)量和電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定造成影響。限制了可再生能源滲透率的提高，制約了可再生能源的大規(guī)模利用，微電網(wǎng)(Micro Grid, MG)分布式能源發(fā)電技術(shù)由于可大大提高可再生能源的滲透率受到人們越來越多的關(guān)注。微電網(wǎng)由多種分布式的微電源(Distributed Generation, DG)、儲能、負載、控制和保護單元有機構(gòu)成，它既能整體作為可控負荷或可控發(fā)電單元通過公共耦合點(Point of  Common  Coupling,  PCC)并入配電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行，又能在自身中央控制器(Micro Grid Central Controller, MGCC)的控制下孤島運行[1]。 MG 長時間穩(wěn)定和經(jīng)濟運行需要解決能量管理的問題，孤島時 MG 能量管理系統(tǒng)(Energy Management System, EMS)需要根據(jù)預(yù)測的負荷需求及風機和光伏的出力，協(xié)調(diào)內(nèi)部可調(diào)度 DG 出力和儲能系統(tǒng)(Energy Storage System, ESS)充放電功率的大小，對負荷進行經(jīng)濟最優(yōu)分配，，使在滿足負荷需求條件下使總運行費用最小，在極端情況下還能切除不重要負載保證對重要負載的持續(xù)供電，提高供電可靠性[2,3]。不僅如此，通過 EMS 優(yōu)化安排可調(diào)度 DG的發(fā)電計劃以及儲能系統(tǒng)充放電計劃，還可大大提高可再生能源滲透率，充分利用可再生能源，并將其對 MG 運行的負面影響盡可能降至最低[4,5]。 MG 聯(lián)網(wǎng)運行時，同樣需要協(xié)調(diào)好內(nèi)部可調(diào)度 DG 的出力和儲能系統(tǒng)充放電，使長時間運行費用最低，且在盡可能增加可再生能源滲透率的基礎(chǔ)上充分利用可再生能源，并使 MG 的運行對配電網(wǎng)的負面影響降到最低。MG的 EMS 還可以接受電力系統(tǒng)調(diào)度自動化系統(tǒng)(SCADA/EMS)功率調(diào)度指令，使 MG 的 PCC 處交換功率跟蹤調(diào)度指令。當電力系統(tǒng)有多個 MG 分布在配電網(wǎng)各處時，MG 能對電力系統(tǒng)的運行產(chǎn)生重要輔助作用，在用電高峰時段，SCADA/EMS 調(diào)度 MG  EMS 增加 PCC 處的輸出功率，協(xié)助電網(wǎng)度過高峰時段，在用電低谷時，MG 內(nèi)儲能系統(tǒng)儲存電能，增加低谷時的電力消耗，減少電力系統(tǒng)內(nèi)火力發(fā)電機組停機數(shù)量或長時間低負荷運行機組數(shù)量[6]。
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1.2  微電網(wǎng)能量管理的研究現(xiàn)狀
微電網(wǎng) EMS 是指 MG 在瞬時平衡發(fā)電與用電功率基礎(chǔ)上，對 MG 內(nèi)微電源及儲能系統(tǒng)進行最優(yōu)調(diào)度控制。EMS 主要功能便是根據(jù) MG 系統(tǒng)配置參數(shù)以及預(yù)測的負荷和可再生能源信息，應(yīng)用數(shù)學優(yōu)化算法確定微電源及儲能系統(tǒng)在未來 24 小時每個調(diào)度周期的功率設(shè)定點，以及確定 MG 在聯(lián)網(wǎng)運行時與配電網(wǎng)之間的最優(yōu)功率交換指令。EMS 控制效果的如何與預(yù)測的負荷和可再生能源信息準確度直接相關(guān)，也直接影響 MG 運行的穩(wěn)定性與經(jīng)濟性，EMS 依照準確的預(yù)測信息計算出來的調(diào)度指令使 MG 運行平穩(wěn)且頻率波動不會太頻繁，若是預(yù)測信息不準確，則 EMS 產(chǎn)生的調(diào)度指令不是最優(yōu)，有時還會導(dǎo)致微電源功率設(shè)定點偏離實際運行點太多，使 MG 的頻率大幅變化，可見 EMS 的好壞與 MG 運行的好壞息息相關(guān)[7,8]。從美國可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會(the  Consortium  for  Electric  Reliability Technology Solutions, CERTS)對 MG 進行研究，到 2002 年較為完整的 MG 概念被提出來，MG 的研究進展非常迅速，我國好幾所高校幾年后隨即開始研究 MG 并在 MG 的 EMS 上取得不少成果。文獻[9]簡要介紹了將 EMS 系統(tǒng)的任務(wù)分為短期功率平衡和長期能量管理，前者主要用于維持 MG 的頻率和電壓穩(wěn)定，后者主要針對不同運行目標的 MG 經(jīng)濟調(diào)度和優(yōu)化運行。文獻[10]研究了海島獨立 MG 系統(tǒng)的經(jīng)濟優(yōu)化問題，考慮了儲能系統(tǒng)使用的原則和約束條件，建立了計及設(shè)備損耗成本、運行和維護成本、燃料成本和環(huán)保折算成本的經(jīng)濟優(yōu)化模型。文獻[11]對冷熱電聯(lián)供的 MG 優(yōu)化調(diào)度問題建立了通用模型，不僅考慮了電的一系列約束條件，還計及了煙氣和蒸汽的約束條件，對整個系統(tǒng)進行了優(yōu)化計算。文獻[12]對不同場景條件下的 MG 在建立各種微源約束條件和模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計了相應(yīng)優(yōu)化調(diào)度策略，由于儲能系統(tǒng)造價高且使用壽命與其充放電模式密切相關(guān)，該策略針對儲能系統(tǒng)這個特性分為不計儲能系統(tǒng)折舊成本與計及儲能系統(tǒng)折舊成本兩種采用實數(shù)編碼遺傳算法計算，得出了兩種不同的經(jīng)濟運行結(jié)果。文獻[13]為實現(xiàn) MG 系統(tǒng)運行的經(jīng)濟和環(huán)境雙重優(yōu)化目標，建立了 MG 多目標動態(tài)優(yōu)化調(diào)度的一般模型，該模型使用能量模型對系統(tǒng)調(diào)度方案的經(jīng)濟、環(huán)境指標進行評估，使用多目標遺傳算法 NSGA-II 進行求解得出了相應(yīng)的調(diào)度結(jié)果。
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第 2 章  交流微電網(wǎng)部件準穩(wěn)態(tài)模型

2.1 引言 
MG 的能量管理需要根據(jù)預(yù)測的光伏陣列、風機功率輸出及負載功率需求信息，合理安排微燃機和儲能系統(tǒng)的調(diào)度運行計劃。進行能量管理必須首先預(yù)測天氣信息，再以天氣信息輸入光伏陣列和風機的準穩(wěn)態(tài)模型中計算出預(yù)測的功率，然后根據(jù)微燃機和儲能系統(tǒng)的準穩(wěn)態(tài)模型和運行的限制約束條件，利用數(shù)學優(yōu)化軟件計算出最優(yōu)調(diào)度計劃[28]，對微燃機和儲能系統(tǒng)進行合理調(diào)度控制。建立光伏陣列、風機、微燃機和儲能系統(tǒng)的準穩(wěn)態(tài)模型是能量管理的基礎(chǔ)。 
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2.2  可調(diào)度電源準穩(wěn)態(tài)模型 

圖 2-1 所示為本文 MG 系統(tǒng)，其內(nèi)一般含有光伏電池(Photo Voltaic Cell, PV)和風力發(fā)電機(Wind  Turbine  Generator,  WT)等可再生能源發(fā)電裝置作為不可調(diào)度的電源，由于這些發(fā)電裝置出力變化率及隨機性比較大，為維持MG 穩(wěn)定還裝設(shè)有儲能系統(tǒng)，儲能系統(tǒng)在可再生能源比較充足的時候儲存多余能量，在可再生能源不足時釋放能量滿足負荷需求。然而在極端天氣情況下，比如較長時間無風或是陰天等情況下，能源生產(chǎn)不足，供能與需求嚴重不平衡，為使 MG 供能更加可靠，一般需要安裝微燃機等可調(diào)度電源作為穩(wěn)定可持續(xù)的電力來源。微燃機發(fā)電系統(tǒng)在利用化學能的時候，可同時提供熱能和電能,其特點是廢氣排放少、效率很高、安裝非常方便、維護很簡單,在 MG 中成為最具發(fā)展前景的分布式電源。微燃機具有單軸和雙軸兩種結(jié)構(gòu)[29]，由于單軸結(jié)構(gòu)緊湊、效率高以及可靠性高等特點被本文中的 MG 采用作為可調(diào)度電源。微燃機系統(tǒng)由微型燃氣輪機本體、永磁同步發(fā)電機、整流器、雙脈寬調(diào)制 PWM 逆變器及 LC 濾波器以及控制系統(tǒng)等構(gòu)成。在正常運行時微型燃氣輪機軸直接驅(qū)動永磁同步發(fā)電機，轉(zhuǎn)速為約 50000  r/min  ～  120000  r/min，如此高頻率的電能必須經(jīng)過整流器整成直流再經(jīng)逆變器變換為工頻交流電才可使用。微燃機輸出的高頻電能經(jīng)過不可控整流后，整流器直流端所接逆變器控制系統(tǒng)采用下垂控制來自動根據(jù)本地測量的電壓電流等信息改變有功出力的大小來協(xié)助其他可調(diào)度電源滿足負荷的需求。微燃機本地控制系統(tǒng)還與 MG EMS 相連，接受 EMS 下發(fā)的功率調(diào)度指令，使其下垂曲線的功率設(shè)定點相應(yīng)地按照調(diào)度指令更改。微燃機發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖 2-2 所示。

 

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第 3 章  能量管理結(jié)構(gòu)及優(yōu)化模型 .......... 14 
3.1  引言 ..... 14 
3.2  微電網(wǎng)能量管理結(jié)構(gòu) ...... 14 
3.3  能量管理算法數(shù)學模型 .......... 16 
3.3.1  負荷及可再生能源功率的預(yù)測 ..... 16 
3.3.2  能量管理算法數(shù)學模型 .......... 16 
3.4  本章小結(jié) ..... 22 
第 4 章  微電網(wǎng)孤島及聯(lián)網(wǎng)運行能量管理經(jīng)濟性分析 ....... 23 
4.1  引言 ..... 23 
4.2  孤島運行時的能量管理 .......... 23 
4.3  聯(lián)網(wǎng)運行時的能量管理 .......... 34 
4.4  本章小結(jié) ..... 40 
第 5 章  考慮負荷及可再生能源功率隨機預(yù)測誤差的能量管理 ...... 41 
5.1  引言 ..... 41 
5.2  小隨機預(yù)測誤差下的能量管理策略 .... 42
5.2.1  小隨機預(yù)測誤差的數(shù)學建模 ......... 42 
5.2.2  隨機預(yù)測誤差的傳遞 ....... 43 
5.2.3  能量管理的結(jié)果 ....... 46 
5.3  大隨機預(yù)測誤差下的能量管理策略 .... 50
5.4  本章小結(jié) ..... 54 

第 5 章  考慮負荷及可再生能源功率隨機預(yù)測誤差的能量管理

5.1  引言
之前研究者已經(jīng)提出了很多 EMS 模型，然而他們中的絕大多數(shù)都是基于負荷和可再生能源預(yù)測值無誤差這一個前提的，忽略了隨機預(yù)測誤差對MG 運行的影響[27]。實際上不管采用何種預(yù)測方法，預(yù)測值與實際值總有誤差。由于 EMS 優(yōu)化數(shù)學模型的輸入直接使用負荷和可再生能源功率預(yù)測信息，預(yù)測的準確度會直接影響 EMS 優(yōu)化計算的結(jié)果，進而影響 MG 的運行。不準確的預(yù)測信息會導(dǎo)致 MG 內(nèi)微源的實際運行點偏離 EMS 計算的調(diào)度值，使儲能系統(tǒng)或者微燃機的實際功率與調(diào)度計劃值不同。并且該誤差會在儲能系統(tǒng)內(nèi)積累，隨著 MG 運行時間的不斷增加，最終會使儲能系統(tǒng)的 SOC 越過其上下界。例如，假設(shè)調(diào)度運行初始儲能系統(tǒng)的 SOC 不高，且 MG 運行時實際負荷比預(yù)測值大很多，那么儲能系統(tǒng)由于采用下垂控制將會與微燃機均分這超過預(yù)測值部分的負荷，因此一段時間后 SOC 將會比調(diào)度預(yù)計值低得多，甚至已經(jīng)低于下限了。如果在下個調(diào)度周期微燃機是停機的，而調(diào)度計劃是繼續(xù)對儲能系統(tǒng)進行放電，那么儲能系統(tǒng)將無法執(zhí)行這個指令，MG 內(nèi)功率輸入與輸出不能保持平衡，MG 運行穩(wěn)定性無法保證，需要一定的控制策略保證儲能系統(tǒng) SOC 總是維持在上下限范圍內(nèi)，維持 MG 的穩(wěn)定運行。 本章中考慮負荷及可再生能源功率隨機預(yù)測誤差的 EMS，其計及了負荷和可再生能源功率隨機預(yù)測誤差對 EMS 計算結(jié)果的影響，研究了預(yù)測的誤差使 MG 的運行中儲能系統(tǒng) SOC 越過上下限，MG 的運行穩(wěn)定性無法保證的問題。針對小的和大的預(yù)測誤差對 MG 運行的不同影響，在儲能系統(tǒng) SOC越過上下限時，采用不同的控制策略來使儲能系統(tǒng) SOC 始終保持在正常運行范圍，維持 MG 運行的穩(wěn)定性。首先針對預(yù)測的誤差，根據(jù)概率論和數(shù)理統(tǒng)計以及誤差的傳遞理論進行建模分析，然后在小的和大的預(yù)測誤差下分別采取不同的控制策略將儲能系統(tǒng)的 SOC 始終維持在正常運行范圍內(nèi)，保證了MG 運行的穩(wěn)定性，最后根據(jù) MG 模擬運行的結(jié)果來檢驗所提策略在維持儲能系統(tǒng)的 SOC 始終在正常運行范圍內(nèi)的有效性。
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結(jié)   論

本文在對微電網(wǎng)能量管理國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，建立了微網(wǎng)運行能量管理優(yōu)化數(shù)學模型，并對微網(wǎng)不同條件下的優(yōu)化運行進行了經(jīng)濟性對比。然后針對可再生能源及負載隨機預(yù)測誤差對微網(wǎng)運行穩(wěn)定性的不利影響，提出了滾動優(yōu)化策略和維持穩(wěn)定策略來增加微網(wǎng)運行的穩(wěn)定性，主要結(jié)論如下： 
(1)針對微網(wǎng)能量管理的優(yōu)化模型，首先建立了光伏、風機、儲能系統(tǒng)、微燃機及電力電子裝置的準穩(wěn)態(tài)模型，然后根據(jù)微燃機及儲能系統(tǒng)運行的限制條件建立了運行優(yōu)化數(shù)學模型，該模型含有大量的 0-1 二進制變量及整數(shù)變量，并采用高效的數(shù)學優(yōu)化軟件進行求解。 
(2)采用本文提出的能量管理模型的微網(wǎng)，可合理利用其內(nèi)的可再生能源并優(yōu)化微網(wǎng)內(nèi)微燃機及儲能系統(tǒng)的運行，顯著降低微網(wǎng)運行的總費用，大大增加儲能系統(tǒng)的使用壽命，提高微網(wǎng)運行的經(jīng)濟性。 
(3)微網(wǎng)內(nèi)可再生能源及負載功率隨機預(yù)測誤差會影響能量管理系統(tǒng)計算最優(yōu)調(diào)度計劃準確性，在微網(wǎng)運行中會使儲能系統(tǒng)所儲能量越過其上下限，此時微網(wǎng)內(nèi)功率輸入與輸出間的能量平衡關(guān)系無法保證，降低了微網(wǎng)運行穩(wěn)定性。提出了滾動優(yōu)化策略及維持穩(wěn)定策略分別解決在小的及大的預(yù)測誤差下儲能系統(tǒng)所儲能量越過其上下限的問題，使微網(wǎng)運行中儲能系統(tǒng)所儲能量始終維持在正常運行范圍內(nèi)，保證微網(wǎng)內(nèi)功率輸入與輸出間的平衡，增加微電網(wǎng)長時間運行的穩(wěn)定性。
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參考文獻(略) 

本文編號：52235