1  緒論 

1.1  背景及研究意義 
今年來我國工業(yè)和社會經(jīng)濟得到了迅猛的發(fā)展，能源在國民經(jīng)濟和工業(yè)生產(chǎn)中的作用也越來越重要[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、環(huán)境污染問題越來越嚴重，因此急需開發(fā)新能源，微電網(wǎng)發(fā)電技術(shù)是解決這一問題的有效途徑之一[2]。 微電網(wǎng)是在以風、光、儲、微型燃氣輪機、燃料電池作為發(fā)電單元的基礎(chǔ)上結(jié)合電負荷和熱負荷組成的熱電聯(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)的運行方式有并網(wǎng)運行和孤島運行。當微電網(wǎng)與外部電網(wǎng)鏈接時，微電網(wǎng)可以作為大電網(wǎng)的一個可調(diào)控負荷，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)能比較完善的應對電力系統(tǒng)中負荷的增長，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)電成本實現(xiàn)了節(jié)能減排。同時為分布式發(fā)電單元與帶電網(wǎng)的鏈接提供了較好的平臺，充分的利用了分布式電源的發(fā)電優(yōu)勢。隨著微電網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的不斷成熟許多國家都已經(jīng)開始對微電網(wǎng)進行研究和開發(fā)，并在理論和實驗方面且取到了一定的成果。 然而，實際中微電網(wǎng)在優(yōu)化調(diào)度、能量管理方面仍然有很多問題沒有得到解決，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)的運行方式不同而有所差異，使得微電網(wǎng)調(diào)度更加困難復雜，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，并且是未來智能電網(wǎng)的核心，因而有比較好的發(fā)展前景�，F(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]，主要是因為微電網(wǎng)中發(fā)電單元的組成方式比較靈活，輸出電能波動比較嚴重。所以制定優(yōu)化調(diào)度策略比較困難，同時對優(yōu)化調(diào)度策略研究的標準也更加嚴格。 微電網(wǎng)技術(shù)和分布式電源能較好應對當今世界面臨的能源危機和環(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值。 
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1.2  國內(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[6]。利用微電網(wǎng)發(fā)電的能夠很好的解決當前能源危機的問題，微電網(wǎng)的運行方式比較靈活，既可以孤島運行又能并網(wǎng)運行降低了分布式電源與主網(wǎng)直接連接時對電網(wǎng)的沖擊。微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度是比較復雜的，是一個包含眾多目標優(yōu)化的問題[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性，當微電源輸出不穩(wěn)定時微電網(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更加困難�？梢钥闯鑫㈦娋W(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度問題遠比主網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)度復雜。 國內(nèi)外許多學者提出了微電網(wǎng)的多目標優(yōu)化調(diào)度。文獻[9]研究了基于微電網(wǎng)系統(tǒng)中風能、太陽能發(fā)電的特點，建立降低微電網(wǎng)的運行費用和環(huán)境治理費用為目標函數(shù)，采用模糊控制理論的優(yōu)化調(diào)度策略對微電網(wǎng)模型求解。文獻[13]建立了微電網(wǎng)系統(tǒng)中分布式電源的數(shù)學模型，綜合環(huán)境污染罰款和微電網(wǎng)發(fā)電費用，采用多通道迭代粒子群算法對模型求解。文獻[14]建立了考慮微電網(wǎng)運行經(jīng)濟性和可靠性優(yōu)化調(diào)度模型，采用了線型加權(quán)系數(shù)法進行求解。文獻[18]研究了微電網(wǎng)的發(fā)電特點、用電負荷的不規(guī)律性運，，用蒙特卡羅模擬遺傳算法對微電網(wǎng)模型求解。文獻[20]分析了發(fā)電系統(tǒng)運行成本最低的機組組合模型，對發(fā)電成本和排放成本取不同的加權(quán)系數(shù)，采用遺傳算法進行了求解。文獻[22]采用混沌量子遺傳算法優(yōu)化問題的解，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的不確定性。文獻[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)化算法對微電網(wǎng)模型進行求解。文獻[33]對各類微電源的發(fā)電原理和發(fā)電費用的數(shù)學模型進行了介紹，對微電網(wǎng)在收到氣候變化等不定因素影響時，采用禁忌粒子群算法對模型進行求解。
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2  微電網(wǎng)發(fā)電單元的特性及數(shù)學模型 

微電網(wǎng)中分布式電源的種類很多，主要包括風能、太陽能、微型燃氣輪機、燃料電池及儲能裝置。并且各個微電源的運行特性不盡相同，因此對微電源中各分布式發(fā)電單元的數(shù)學模型進行研究分析是微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)，本章主要對系統(tǒng)中幾種常見的微電源進行說明。 

2.1  風能發(fā)電的基本原理及模型 

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

太陽能是在世界上應用很廣泛的清潔能源，傳統(tǒng)的能源在使用時產(chǎn)生污染并且儲存量在逐漸減少，而當今社會發(fā)展對能源需求量在逐年遞增，在比較重視環(huán)境問題的今天，清潔能源越來越受到青睞，并在今后的社會發(fā)展中扮演著重要的角色。太陽能發(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。由于太陽能收集比較方便，使用比較便捷資源也比較豐富，所以太陽能發(fā)電技術(shù)在未來的有著比較好市場前景。

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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)度模型的目標函數(shù) .... 16
3.2  微電網(wǎng)運行約束方程 ........ 19
3.3  微電網(wǎng)的運行模式 .... 20 
3.3.1  孤島運行方式 .......... 20
3.3.2  并網(wǎng)運行方式 .......... 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  粒子群算法的簡介 .... 24 
4.2  粒子群算法運算及改進過程 .... 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)孤島運行時仿真分析 .... 34
5.3  微電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)運行時仿真分析 .... 37 
5.4  本章小結(jié) .... 40 

5  算例分析 

本文構(gòu)建了包括風能發(fā)單元、太陽能發(fā)電單元、微燃氣輪機單元、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)用電負荷的實際用電情況將一天分為用電高峰期、用電低估期、用電均衡期三個階段。由于風速、溫度、光照強度在一天內(nèi)是逐漸變化的，所以其發(fā)電單元的出力也是不確定的，以一個小時為單位來劃分微電網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度時間，可以將一天設為 24 調(diào)度時段，而將一天作為微電網(wǎng)的一個調(diào)度周期，進行調(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)運行綜合效益最大化為目標函數(shù)，用改進粒子群優(yōu)化算法對微電網(wǎng)的目標函數(shù)進行求解。分別對微電網(wǎng)并網(wǎng)運行和孤島運行進行仿真，仿真時以某典型日提供的參數(shù)作為依據(jù)進行仿真，并在并網(wǎng)運行時和孤島運行時的調(diào)度策略下確定微電網(wǎng)中各分布式電源的最優(yōu)出力，使整個優(yōu)化調(diào)度周期運行最小成本費用，進而實現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)的最優(yōu)化運行。

5.1  微電網(wǎng)系統(tǒng)組成模型及參數(shù) 
本文以風、光、微型燃氣輪機、燃料電池、儲能裝置為單元構(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 風能機組、額定功率 20kW 的太陽能機組、額定功率50kW 的燃料電池組、額定功率 65kW 的微型燃汽輪機及額定功率 40kW 的儲能裝置。將微電網(wǎng)中負荷構(gòu)成按照其的對供電可靠性的要求分為三個等級，其中一級負荷的額定容量為 60kW、二級負荷的額定容量為 50kW 及額定容量為 50kW 的三級負荷。微電網(wǎng)處于并網(wǎng)模式時應能保證系統(tǒng)中所有負荷用電的可靠性，當系統(tǒng)工作在孤島模式下，微電網(wǎng)系統(tǒng)所提供的電能達不到負荷的用電要求時，應根據(jù)的負荷的重要程度進行依次切除以使微電網(wǎng)系統(tǒng)達到的供需平衡。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性和不穩(wěn)定性在微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時將會給主網(wǎng)的安全運行帶來影響，也直接影響負荷，本文建立了風、光、微型燃氣輪機、燃料電池、儲能裝置等組成的微電網(wǎng)系統(tǒng)。并制定了微電網(wǎng)在不同運行方式下的調(diào)度策略和該策略下的目標函數(shù)，給出了微電網(wǎng)在運行時約束微電源出力的條件，確定微電源的出力，并對微電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度作進一步的研究主要成果如下所述： 
（1）建立了微電網(wǎng)系統(tǒng)中各個分布式單元的發(fā)電成本、損失費用數(shù)學模型，分析了工作特性微電網(wǎng)的總運行成本考慮了環(huán)境污染治理費用及設備運行維護費用。建立微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的目標函數(shù)，環(huán)境成本函數(shù)，制定了微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時的調(diào)度方案和孤島的調(diào)度方案。 
（2）以某典型日負荷參數(shù)、自然參數(shù)為基礎(chǔ)用改進的 PSO 算法對建立的數(shù)學模型進行求解，制定了分時段優(yōu)化調(diào)度方案，并確定了微電網(wǎng)孤島運行時在峰、谷、平三個階段的出力，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；分析當微電源并網(wǎng)運行時，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(略)

本文編號：75258