1  緒論 

1.1  背景及研究意義 
今年來(lái)我國(guó)工業(yè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)得到了迅猛的發(fā)展，能源在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)生產(chǎn)中的作用也越來(lái)越重要[1]。世界上使用的能源絕大多數(shù)是非再生傳統(tǒng)能源，并且儲(chǔ)量在逐漸減少，傳統(tǒng)能源的大規(guī)模使用造成得能源危機(jī)、環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，因此急需開發(fā)新能源，微電網(wǎng)發(fā)電技術(shù)是解決這一問(wèn)題的有效途徑之一[2]。 微電網(wǎng)是在以風(fēng)、光、儲(chǔ)、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池作為發(fā)電單元的基礎(chǔ)上結(jié)合電負(fù)荷和熱負(fù)荷組成的熱電聯(lián)供系統(tǒng)。根據(jù)微電網(wǎng)與外部電網(wǎng)的連接方式的不同，微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行方式有并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行。當(dāng)微電網(wǎng)與外部電網(wǎng)鏈接時(shí)，微電網(wǎng)可以作為大電網(wǎng)的一個(gè)可調(diào)控負(fù)荷，又可以作為發(fā)電系統(tǒng)，能為用戶提供較高質(zhì)量的電能或熱能，是外部電網(wǎng)的有力補(bǔ)充，改善了外部電網(wǎng)的峰谷性能，保障了供電的可靠性。微電網(wǎng)能比較完善的應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)中負(fù)荷的增長(zhǎng)，能較大的降低傳統(tǒng)能源的消耗，提高了能源利用率，降低了系統(tǒng)的發(fā)電成本實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排。同時(shí)為分布式發(fā)電單元與帶電網(wǎng)的鏈接提供了較好的平臺(tái)，充分的利用了分布式電源的發(fā)電優(yōu)勢(shì)。隨著微電網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的不斷成熟許多國(guó)家都已經(jīng)開始對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行研究和開發(fā)，并在理論和實(shí)驗(yàn)方面且取到了一定的成果。 然而，實(shí)際中微電網(wǎng)在優(yōu)化調(diào)度、能量管理方面仍然有很多問(wèn)題沒(méi)有得到解決，微電網(wǎng)調(diào)度與主電網(wǎng)調(diào)度有所不同，微電網(wǎng)的調(diào)度方案因微電網(wǎng)的運(yùn)行方式不同而有所差異，使得微電網(wǎng)調(diào)度更加困難復(fù)雜，微電網(wǎng)的存在能很好的處理能源利用和環(huán)境污染之間的矛盾，并且是未來(lái)智能電網(wǎng)的核心，因而有比較好的發(fā)展前景。現(xiàn)階段微電網(wǎng)存在技術(shù)難題主要是能量分配和調(diào)度[3,5]，主要是因?yàn)槲㈦娋W(wǎng)中發(fā)電單元的組成方式比較靈活，輸出電能波動(dòng)比較嚴(yán)重。所以制定優(yōu)化調(diào)度策略比較困難，同時(shí)對(duì)優(yōu)化調(diào)度策略研究的標(biāo)準(zhǔn)也更加嚴(yán)格。 微電網(wǎng)技術(shù)和分布式電源能較好應(yīng)對(duì)當(dāng)今世界面臨的能源危機(jī)和環(huán)境惡化兩大難題，因此微電網(wǎng)在優(yōu)化調(diào)度、能量管理方面的研究具有重要的理論意義和工程價(jià)值。 
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1.2  國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
微電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)有高效性、智能化、高可靠性的優(yōu)勢(shì)[6]。利用微電網(wǎng)發(fā)電的能夠很好的解決當(dāng)前能源危機(jī)的問(wèn)題，微電網(wǎng)的運(yùn)行方式比較靈活，既可以孤島運(yùn)行又能并網(wǎng)運(yùn)行降低了分布式電源與主網(wǎng)直接連接時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度是比較復(fù)雜的，是一個(gè)包含眾多目標(biāo)優(yōu)化的問(wèn)題[8]，由于微電網(wǎng)中各分布式電源的輸出容易受到環(huán)境因素的影響，其輸出具有較大的波動(dòng)性，當(dāng)微電源輸出不穩(wěn)定時(shí)微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的功率平衡受到影響，在保證環(huán)境污染最低和微電網(wǎng)的綜合效益最大的前提下制定優(yōu)化的調(diào)度策略，故在求解微電源的出力時(shí)更加困難。可以看出微電網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題遠(yuǎn)比主網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)度復(fù)雜。 國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者提出了微電網(wǎng)的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度。文獻(xiàn)[9]研究了基于微電網(wǎng)系統(tǒng)中風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電的特點(diǎn)，建立降低微電網(wǎng)的運(yùn)行費(fèi)用和環(huán)境治理費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)，采用模糊控制理論的優(yōu)化調(diào)度策略對(duì)微電網(wǎng)模型求解。文獻(xiàn)[13]建立了微電網(wǎng)系統(tǒng)中分布式電源的數(shù)學(xué)模型，綜合環(huán)境污染罰款和微電網(wǎng)發(fā)電費(fèi)用，采用多通道迭代粒子群算法對(duì)模型求解。文獻(xiàn)[14]建立了考慮微電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和可靠性優(yōu)化調(diào)度模型，采用了線型加權(quán)系數(shù)法進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[18]研究了微電網(wǎng)的發(fā)電特點(diǎn)、用電負(fù)荷的不規(guī)律性運(yùn)，，用蒙特卡羅模擬遺傳算法對(duì)微電網(wǎng)模型求解。文獻(xiàn)[20]分析了發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行成本最低的機(jī)組組合模型，對(duì)發(fā)電成本和排放成本取不同的加權(quán)系數(shù)，采用遺傳算法進(jìn)行了求解。文獻(xiàn)[22]采用混沌量子遺傳算法優(yōu)化問(wèn)題的解，在很大程度上克服了微電網(wǎng)系統(tǒng)的輸出功率隨自然資源變化帶來(lái)的不確定性。文獻(xiàn)[24]在分析了微電網(wǎng)中各發(fā)電單元的輸出特性和優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上，采用混沌蟻群優(yōu)化算法對(duì)微電網(wǎng)模型進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[33]對(duì)各類微電源的發(fā)電原理和發(fā)電費(fèi)用的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了介紹，對(duì)微電網(wǎng)在收到氣候變化等不定因素影響時(shí)，采用禁忌粒子群算法對(duì)模型進(jìn)行求解。
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2  微電網(wǎng)發(fā)電單元的特性及數(shù)學(xué)模型 

微電網(wǎng)中分布式電源的種類很多，主要包括風(fēng)能、太陽(yáng)能、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池及儲(chǔ)能裝置。并且各個(gè)微電源的運(yùn)行特性不盡相同，因此對(duì)微電源中各分布式發(fā)電單元的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究分析是微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)，本章主要對(duì)系統(tǒng)中幾種常見(jiàn)的微電源進(jìn)行說(shuō)明。 

2.1  風(fēng)能發(fā)電的基本原理及模型 

2.1.1  風(fēng)能發(fā)電的基本原理 
風(fēng)能屬于可再生的清潔能源，有較好的發(fā)展前景。風(fēng)能發(fā)電單元主要組成分有風(fēng)機(jī)、變壓器、發(fā)電機(jī)、電子開關(guān)接口以及齒輪箱。風(fēng)能發(fā)電單元組成結(jié)構(gòu)如圖 2.1 所示。風(fēng)能發(fā)電的基本原理[6]是：風(fēng)能發(fā)電機(jī)（Wind Turbine，WT）把風(fēng)的動(dòng)能經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，然后風(fēng)能發(fā)電機(jī)在風(fēng)機(jī)帶動(dòng)下開始工作并將風(fēng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成磁能，再由磁能轉(zhuǎn)化成電能。風(fēng)機(jī)的輸出功率隨風(fēng)速變化曲線如圖  2.2 所示。當(dāng)風(fēng)速小于切入風(fēng)速，風(fēng)能發(fā)電機(jī)的有功功率輸出為 0；如果風(fēng)速小于發(fā)電機(jī)的額定值又大于切入值，則機(jī)組的輸出與風(fēng)速大小成線性關(guān)系；如果風(fēng)速小于切出值大于額定值，風(fēng)能發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)輸出為額定工作狀態(tài)；如果風(fēng)速大于切出值時(shí)風(fēng)能機(jī)組將停止工作，風(fēng)能發(fā)電機(jī)的輸出為 0。 在建立風(fēng)能發(fā)電單元的數(shù)學(xué)模型時(shí)，通常不考慮風(fēng)機(jī)的安裝高度、測(cè)量風(fēng)速與實(shí)際風(fēng)速的誤差等因素對(duì)風(fēng)能發(fā)電機(jī)輸出功率的干擾。因此，通過(guò)對(duì)某時(shí)刻的風(fēng)速進(jìn)行預(yù)測(cè)，依據(jù)風(fēng)電機(jī)組功率與風(fēng)速特性的關(guān)系，即可求得該時(shí)刻風(fēng)能發(fā)電機(jī)組的出力。 
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2.2  太陽(yáng)能發(fā)電的基本原理及模型

太陽(yáng)能是在世界上應(yīng)用很廣泛的清潔能源，傳統(tǒng)的能源在使用時(shí)產(chǎn)生污染并且儲(chǔ)存量在逐漸減少，而當(dāng)今社會(huì)發(fā)展對(duì)能源需求量在逐年遞增，在比較重視環(huán)境問(wèn)題的今天，清潔能源越來(lái)越受到青睞，并在今后的社會(huì)發(fā)展中扮演著重要的角色。太陽(yáng)能發(fā)電（photovoltaic cell，PV）[41]也是微電網(wǎng)系統(tǒng)中不可或缺的主要組成部分。由于太陽(yáng)能收集比較方便，使用比較便捷資源也比較豐富，所以太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)在未來(lái)的有著比較好市場(chǎng)前景。

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3  微電網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型 .......... 16 
3.1  建立微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù) .... 16
3.2  微電網(wǎng)運(yùn)行約束方程 ........ 19
3.3  微電網(wǎng)的運(yùn)行模式 .... 20 
3.3.1  孤島運(yùn)行方式 .......... 20
3.3.2  并網(wǎng)運(yùn)行方式 .......... 21 
3.4  微電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度控制策略 .... 21 
3.4.1  微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度策略 ...... 21 
3.4.2  孤島調(diào)度策略 .......... 22 
3.5  本章小結(jié) .... 22 
4  微電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度模型求解 ...... 24 
4.1  粒子群算法的簡(jiǎn)介 .... 24 
4.2  粒子群算法運(yùn)算及改進(jìn)過(guò)程 .... 25 
4.3  模型的算法求解 ........ 27 
4.4  本章小結(jié) .... 28 
5  算例分析 ...... 30 
5.1  微電網(wǎng)系統(tǒng)組成模型及參數(shù) .... 30 
5.2  微電網(wǎng)系統(tǒng)孤島運(yùn)行時(shí)仿真分析 .... 34
5.3  微電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)仿真分析 .... 37 
5.4  本章小結(jié) .... 40 

5  算例分析 

本文構(gòu)建了包括風(fēng)能發(fā)單元、太陽(yáng)能發(fā)電單元、微燃?xì)廨啓C(jī)單元、燃料電池以及蓄電池分布式電源等的微電網(wǎng)系統(tǒng)。根據(jù)用電負(fù)荷的實(shí)際用電情況將一天分為用電高峰期、用電低估期、用電均衡期三個(gè)階段。由于風(fēng)速、溫度、光照強(qiáng)度在一天內(nèi)是逐漸變化的，所以其發(fā)電單元的出力也是不確定的，以一個(gè)小時(shí)為單位來(lái)劃分微電網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度時(shí)間，可以將一天設(shè)為 24 調(diào)度時(shí)段，而將一天作為微電網(wǎng)的一個(gè)調(diào)度周期，進(jìn)行調(diào)度分布式單元的出力更加合理。以滿足微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的約束為前提，以優(yōu)化調(diào)度策略為原則，微電網(wǎng)的微電網(wǎng)運(yùn)行綜合效益最大化為目標(biāo)函數(shù)，用改進(jìn)粒子群優(yōu)化算法對(duì)微電網(wǎng)的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解。分別對(duì)微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行進(jìn)行仿真，仿真時(shí)以某典型日提供的參數(shù)作為依據(jù)進(jìn)行仿真，并在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)和孤島運(yùn)行時(shí)的調(diào)度策略下確定微電網(wǎng)中各分布式電源的最優(yōu)出力，使整個(gè)優(yōu)化調(diào)度周期運(yùn)行最小成本費(fèi)用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)的最優(yōu)化運(yùn)行。

5.1  微電網(wǎng)系統(tǒng)組成模型及參數(shù) 
本文以風(fēng)、光、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、儲(chǔ)能裝置為單元構(gòu)建的微電網(wǎng)系統(tǒng)。微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括額定功率 40kW 風(fēng)能機(jī)組、額定功率 20kW 的太陽(yáng)能機(jī)組、額定功率50kW 的燃料電池組、額定功率 65kW 的微型燃汽輪機(jī)及額定功率 40kW 的儲(chǔ)能裝置。將微電網(wǎng)中負(fù)荷構(gòu)成按照其的對(duì)供電可靠性的要求分為三個(gè)等級(jí)，其中一級(jí)負(fù)荷的額定容量為 60kW、二級(jí)負(fù)荷的額定容量為 50kW 及額定容量為 50kW 的三級(jí)負(fù)荷。微電網(wǎng)處于并網(wǎng)模式時(shí)應(yīng)能保證系統(tǒng)中所有負(fù)荷用電的可靠性，當(dāng)系統(tǒng)工作在孤島模式下，微電網(wǎng)系統(tǒng)所提供的電能達(dá)不到負(fù)荷的用電要求時(shí)，應(yīng)根據(jù)的負(fù)荷的重要程度進(jìn)行依次切除以使微電網(wǎng)系統(tǒng)達(dá)到的供需平衡。微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖如圖 5.1 所示.
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結(jié)論 

由于微電網(wǎng)中分布式電源的輸出具有波動(dòng)性和不穩(wěn)定性在微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)將會(huì)給主網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來(lái)影響，也直接影響負(fù)荷，本文建立了風(fēng)、光、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、儲(chǔ)能裝置等組成的微電網(wǎng)系統(tǒng)。并制定了微電網(wǎng)在不同運(yùn)行方式下的調(diào)度策略和該策略下的目標(biāo)函數(shù)，給出了微電網(wǎng)在運(yùn)行時(shí)約束微電源出力的條件，確定微電源的出力，并對(duì)微電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度作進(jìn)一步的研究主要成果如下所述： 
（1）建立了微電網(wǎng)系統(tǒng)中各個(gè)分布式單元的發(fā)電成本、損失費(fèi)用數(shù)學(xué)模型，分析了工作特性微電網(wǎng)的總運(yùn)行成本考慮了環(huán)境污染治理費(fèi)用及設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。建立微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)，環(huán)境成本函數(shù)，制定了微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的調(diào)度方案和孤島的調(diào)度方案。 
（2）以某典型日負(fù)荷參數(shù)、自然參數(shù)為基礎(chǔ)用改進(jìn)的 PSO 算法對(duì)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，制定了分時(shí)段優(yōu)化調(diào)度方案，并確定了微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)在峰、谷、平三個(gè)階段的出力，分析比較了微電網(wǎng)采用常規(guī)調(diào)度策略和采用優(yōu)化調(diào)度策略的綜合效益；分析當(dāng)微電源并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微電源在不同階段內(nèi)的出力和不同調(diào)度策略下微電源的綜合效益。最終驗(yàn)證了算法的正確性和優(yōu)化調(diào)度方案的可行性。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：75258