中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：教育部智能電網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué))的研究人員王成山、武震等，在2014年第2期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文指出，微電網(wǎng)是發(fā)揮分布式電源效能的有效方式，具有巨大的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)意義。由于分布式電源的多樣性及微電網(wǎng)運(yùn)行方式的復(fù)雜性，使得微電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行調(diào)度、保護(hù)控制和仿真實(shí)驗(yàn)等方面與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)有較大區(qū)別。本文闡述了微電網(wǎng)中各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)研究中的關(guān)鍵問(wèn)題與研究現(xiàn)狀，并且探討了對(duì)未來(lái)微電網(wǎng)研究的方向。
1引言
微電網(wǎng)是由分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換裝置、監(jiān)控和保護(hù)裝置、負(fù)荷等匯集而成的小型發(fā)、配、用電系統(tǒng)[1]，是一個(gè)具備自我控制和自我能量管理的自治系統(tǒng)，既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以孤立運(yùn)行。從微觀看，微電網(wǎng)可以看作小型的電力系統(tǒng);從宏觀看，微電網(wǎng)可以認(rèn)為是配電系統(tǒng)中的一個(gè)“虛擬”的電源或負(fù)荷[2]。某些情況下，微電網(wǎng)在滿足用戶電能需求的同時(shí)，還能滿足用戶熱能的需求，此時(shí)的微電網(wǎng)實(shí)際上是一個(gè)能源網(wǎng)。
將分布式電源組成微電網(wǎng)的形式運(yùn)行，具有多方面的優(yōu)點(diǎn)，例如：①有助于提高配電系統(tǒng)對(duì)分布式電源的接納能力。②可有效提高間歇式可再生能源的利用效率，在滿足冷/熱/電等多種負(fù)荷需求的前提下實(shí)現(xiàn)用能優(yōu)化;亦可降低配電網(wǎng)絡(luò)損耗，優(yōu)化配電網(wǎng)運(yùn)行方式。③在電網(wǎng)嚴(yán)重故障時(shí)，可保證關(guān)鍵負(fù)荷供電，提高供電可靠性。④可用于解決偏遠(yuǎn)地區(qū)、海島和荒漠中用戶的供電問(wèn)題。
近年來(lái)，微電網(wǎng)的發(fā)展在世界各國(guó)受到高度重視。歐盟在其發(fā)布的“智能電網(wǎng)——?dú)W洲未來(lái)電力發(fā)展戰(zhàn)略及前景”綠皮書(shū)中，提出了歐盟電力發(fā)展的遠(yuǎn)景規(guī)劃：“建立以集中式電站和微電網(wǎng)為主導(dǎo)的供電可靠、少環(huán)境污染、高經(jīng)濟(jì)效益的智能電網(wǎng)形式”;美國(guó)能源部出臺(tái)的“Grid 2030”發(fā)展戰(zhàn)略中，制定了美國(guó)電力系統(tǒng)未來(lái)幾十年的研究與發(fā)展規(guī)劃，微電網(wǎng)也是其重要組成之一。在我國(guó)，國(guó)家能源局發(fā)布的《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中明確提出：到2015 年，我國(guó)將建成30 個(gè)以智能電網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和儲(chǔ)能技術(shù)為支撐的新能源微電網(wǎng)示范工程。在此背景下，關(guān)于微電網(wǎng)的研究在全球范圍內(nèi)廣泛展開(kāi)。在“863”、“973”等國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目的支持下，我國(guó)也開(kāi)展了大量相關(guān)領(lǐng)域研究工作，取得了豐富的成果。
分布式電源類型的多樣性及微電網(wǎng)運(yùn)行方式的復(fù)雜性使得微電網(wǎng)有別于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)。本文針對(duì)圖1 所示微電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行優(yōu)化、保護(hù)控制、仿真實(shí)驗(yàn)等關(guān)鍵技術(shù)，闡述了關(guān)鍵問(wèn)題和研究現(xiàn)狀，并對(duì)未來(lái)研究方向進(jìn)行了展望。
2微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)
微電網(wǎng)的構(gòu)成可以很簡(jiǎn)單，但也可能比較復(fù)雜。例如：光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)可以組成簡(jiǎn)單的用戶級(jí)光/儲(chǔ)微電網(wǎng)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、冷/熱/電聯(lián)供微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)可組成滿足用戶冷/熱/電綜合能源需求的復(fù)雜微電網(wǎng)。一個(gè)微電網(wǎng)內(nèi)還可以含有若干個(gè)規(guī)模相對(duì)小的微電網(wǎng)，微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源的接入電壓等級(jí)也可能不同，如圖2 所示，也可以有多種結(jié)構(gòu)形式[3]。
按照接入配電系統(tǒng)的方式不同，微電網(wǎng)可分為用戶級(jí)、饋線級(jí)和變電站級(jí)微電網(wǎng)。用戶級(jí)微電網(wǎng)與外部配電系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)公共連接點(diǎn)連接，一般由用戶負(fù)責(zé)其運(yùn)行及管理;饋線級(jí)微電網(wǎng)是指將接入中壓配電系統(tǒng)某一饋線的分布式電源和負(fù)荷等加以有效管理所形成的微電網(wǎng);變電站級(jí)微電網(wǎng)是指將接入某一變電站及其出線上的分布式電源及負(fù)荷實(shí)施有效管理后形成的規(guī)模較大的微電網(wǎng)。后兩者一般屬于配電公司所有，是智能配電系統(tǒng)的重要組成部分。
按照微電網(wǎng)內(nèi)主網(wǎng)絡(luò)供電方式不同，還可分為直流型微電網(wǎng)、交流型微電網(wǎng)和混合型微電網(wǎng)。在直流型微電網(wǎng)中，大量分布式電源和儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)直流主網(wǎng)架，直接為直流負(fù)荷供電;對(duì)于交流負(fù)荷，則利用電力電子換流裝置，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電供電。在交流型微電網(wǎng)中，將所有分布式電源和儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出首先轉(zhuǎn)換為交流電，形成交流主干網(wǎng)絡(luò)為交流負(fù)荷直接供電;對(duì)于直流負(fù)荷，需通過(guò)電力電子換流裝置將交流電轉(zhuǎn)換為直流電后為負(fù)荷供電。在混合型微電網(wǎng)中，無(wú)論是直流負(fù)荷還是交流負(fù)荷，都可以不通過(guò)交直流間的功率變換直接由微電網(wǎng)供電。
3微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)方法
微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的目的是在對(duì)負(fù)荷需求和可再生能源資源情況進(jìn)行充分分析預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，依據(jù)特定的目標(biāo)和系統(tǒng)約束條件，確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)備配置(包括設(shè)備類型、設(shè)備容量)，盡可能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性及能源利用效率等量化指標(biāo)的優(yōu)化。
有別于常規(guī)配電網(wǎng)的規(guī)劃，微電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)問(wèn)題與其運(yùn)行優(yōu)化策略具有高度的耦合性，規(guī)劃時(shí)必須充分考慮運(yùn)行優(yōu)化方法的影響，基于系統(tǒng)全生命周期內(nèi)的運(yùn)行信息對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行綜合優(yōu)化規(guī)劃與設(shè)計(jì)。微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的研究主要包含三個(gè)方面：可再生能源與負(fù)荷需求分析、建模方法和優(yōu)化算法。
3.1 可再生能源與負(fù)荷需求分析
實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)合理規(guī)劃設(shè)計(jì)的前提是對(duì)可再生能源和負(fù)荷需求的分布特性進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，主要分析手段包括基于歷史數(shù)據(jù)的方法[4]和概率統(tǒng)計(jì)方法[5,6]等。前者簡(jiǎn)單直接，利用風(fēng)速、光照強(qiáng)度與負(fù)荷等信息的全年歷史數(shù)據(jù)，對(duì)微電網(wǎng)的運(yùn)行情況進(jìn)行序貫分析。這種方法在獲取小時(shí)級(jí)的現(xiàn)場(chǎng)歷史氣象信息時(shí)的難度較大，特別是對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)。
在概率統(tǒng)計(jì)相關(guān)類方法中，一種是基于風(fēng)、光等的月或典型年歷史統(tǒng)計(jì)信息和分布特性，結(jié)合蒙特卡洛方法對(duì)可再生能源的全年變化信息進(jìn)行隨機(jī)生產(chǎn)模擬[5]。當(dāng)在規(guī)劃時(shí)考慮復(fù)雜的運(yùn)行優(yōu)化策略時(shí)，這類方法將增加規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)的計(jì)算負(fù)擔(dān)。為此，可利用隨機(jī)過(guò)程的方法建立風(fēng)、光及負(fù)荷等的Markov轉(zhuǎn)移模型[6]，以較少的狀態(tài)數(shù)替代時(shí)序分析，可有效降低計(jì)算量。另外，從典型日變化模式的角度出發(fā)，結(jié)合風(fēng)、光、負(fù)荷等的統(tǒng)計(jì)特性，建立它們各自的離散狀態(tài)集，通過(guò)聚類方法從風(fēng)、光與負(fù)荷的歷史數(shù)據(jù)提煉出典型的系統(tǒng)運(yùn)行場(chǎng)景，針對(duì)這些典型日變化模式場(chǎng)景集進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)，既可以保證方案的合理性，又可以降低計(jì)算負(fù)擔(dān)，同時(shí)還可以依據(jù)各場(chǎng)景出現(xiàn)的概率進(jìn)行方案的概率評(píng)估[7]。
3.2 規(guī)劃設(shè)計(jì)建模方法
針對(duì)微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的建模工作，主要是在滿足用戶用能要求的前提下，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等不同角度，選定合理的優(yōu)化變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件。
在優(yōu)化變量選擇方面，主要考慮分布式電源、儲(chǔ)能裝置與冷/熱/電聯(lián)供系統(tǒng)所含設(shè)備等的類型與容量，鑒于微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案與運(yùn)行優(yōu)化策略的強(qiáng)耦合性，運(yùn)行策略及其相關(guān)的一些參數(shù)也可作為待決策的變量。具體建模時(shí)，一種方式是將所有變量統(tǒng)一到同一目標(biāo)函數(shù)下[8];另一種是將各層次的變量區(qū)別對(duì)待，采用兩階段的建模方式[9]，即第一階段主要確定設(shè)備的類型、位置和容量，第二階段主要確定系統(tǒng)的運(yùn)行策略及其相關(guān)的參數(shù)。在第二階段的研究中，根據(jù)可再生能源與負(fù)荷的建模方式不同，可采用基于全年歷史數(shù)據(jù)的序貫優(yōu)化方法[5]，也可有采用典型運(yùn)行場(chǎng)景的優(yōu)化方法[8,9]。
微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)目標(biāo)包含實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)成本的最小化、投資收益的最大化、污染物排放的最小化、系統(tǒng)供電可靠性的最大化等目標(biāo)中的單個(gè)或者多個(gè)[10]。在采用單一目標(biāo)函數(shù)時(shí)，主要考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的最優(yōu)化，相關(guān)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)由設(shè)備初始投資、設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用、燃料費(fèi)用、設(shè)備更換費(fèi)用、因資產(chǎn)處置過(guò)程中產(chǎn)生的殘值以及賣(mài)電收益等構(gòu)成，覆蓋項(xiàng)目的全生命周期。在采用多目標(biāo)函數(shù)時(shí)，可以考慮經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性與可靠性等目標(biāo)的不同組合。
對(duì)于環(huán)保性目標(biāo)，可以直接計(jì)算相關(guān)分布式電源的污染物排放總量，也可以將計(jì)算得到的排放量按一定的排污懲罰折算為經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。而對(duì)于系統(tǒng)供電可靠性的評(píng)估，需要計(jì)及微電網(wǎng)自身的一些特點(diǎn)。
由于微電網(wǎng)含有發(fā)、配、用環(huán)節(jié)，需綜合考慮各個(gè)環(huán)節(jié)的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)。發(fā)電環(huán)節(jié)主要傾向于發(fā)電容量的充裕度評(píng)估[11]，可靠性指標(biāo)主要有缺供電時(shí)間期望(Loss of Load Expectation，LOLE)、缺供能量期望(Lossof Energy Expectation，LOEE)等，而配用電環(huán)節(jié)可借鑒傳統(tǒng)配電網(wǎng)的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)[13]。類似配電網(wǎng)的可靠性評(píng)估方法，微電網(wǎng)的供電可靠性也主要采用蒙特卡洛模擬法和解析法兩種[11,12]。在解析法求解中，主要通過(guò)將分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)等的運(yùn)行狀態(tài)離散化，以枚舉系統(tǒng)整體的運(yùn)行方式。類似于對(duì)環(huán)保性指標(biāo)的處理，除了直接將可靠性作為目標(biāo)函數(shù)外，也可將其折算為經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。
由于微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化策略的影響，因而在建立約束條件時(shí)，通常需計(jì)及系統(tǒng)運(yùn)行約束條件，主要包括功率平衡約束、設(shè)備運(yùn)行約束(出力上下限限制、爬坡率限制、運(yùn)行時(shí)間限制等)、儲(chǔ)能存儲(chǔ)容量約束和可靠性約束等。
考慮到儲(chǔ)能系統(tǒng)的特殊性，微電網(wǎng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置問(wèn)題可單獨(dú)采取更加有針對(duì)性的優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計(jì)方法。例如，為了抑制可再生能源輸出波動(dòng)的影響，可利用離散傅里葉變換對(duì)可再生能源輸出功率進(jìn)行頻譜分析?；陬l譜分析結(jié)果，考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電效率、剩余能量水平及可再生能源發(fā)電系統(tǒng)目標(biāo)功率輸出波動(dòng)率的約束，確定所需儲(chǔ)能系統(tǒng)的最佳容量[14]。
綜合以上分析，可建立確定性的規(guī)劃設(shè)計(jì)模型，或者是不確定性的規(guī)劃設(shè)計(jì)模型，并采用合理的優(yōu)化問(wèn)題求解算法進(jìn)行求解。
3.3 優(yōu)化算法與軟件
為求解微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)問(wèn)題，既可采用混合整數(shù)規(guī)劃[8]等數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，也可采用粒子群算法[7]、進(jìn)化算法[10]等智能算法。數(shù)學(xué)規(guī)劃方法對(duì)目標(biāo)函數(shù)和約束條件的苛刻要求和微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)問(wèn)題的復(fù)雜性，這類方法的應(yīng)用常常受到一定的限制。智能算法通常不依賴于具體的應(yīng)用問(wèn)題，建模方式相對(duì)寬松，能夠方便處理信息的不確定性，在微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)問(wèn)題求解中應(yīng)用更為廣泛。
目前，已有多種實(shí)用化的規(guī)劃設(shè)計(jì)軟件。如：HOMER[4]軟件，以微電網(wǎng)全壽命周期成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，采用序貫分析的方式，枚舉確定最優(yōu)的分布式電源配置容量及相關(guān)的運(yùn)行計(jì)劃;DER-CAM[8]軟件，主要面向冷/熱/電聯(lián)供微電網(wǎng)，基于給定的典型運(yùn)行場(chǎng)景，能夠以微電網(wǎng)年供能成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，以污染物排放最低為目標(biāo)或約束，運(yùn)用混合整數(shù)規(guī)劃法進(jìn)行微電網(wǎng)優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計(jì);PSDG[19]軟件，提供了微電網(wǎng)的確定性規(guī)劃和隨機(jī)機(jī)會(huì)約束規(guī)劃兩種模型，采用兩階段建?？蚣?，能滿足設(shè)備選型與定容，單目標(biāo)與多目標(biāo)優(yōu)化，考慮負(fù)荷增長(zhǎng)、設(shè)備故障率、各種運(yùn)行控制策略等因素的影響。
目前針對(duì)微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的研究雖然已有很多，但仍有一些關(guān)鍵問(wèn)題需要進(jìn)一步研究解決。例如：現(xiàn)有的成果在考慮分布式電源選址、可再生能源的長(zhǎng)期波動(dòng)性、負(fù)荷需求的增長(zhǎng)、設(shè)備全壽命周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性、社會(huì)效益等方面的研究還相對(duì)簡(jiǎn)單，特別是針對(duì)可以滿足用戶冷/熱/電綜合能量需求、具有綜合能源網(wǎng)特征的微電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)問(wèn)題，由于不僅涉及電氣設(shè)備，還需要考慮各種冷、熱設(shè)備，當(dāng)考慮到冷/熱管網(wǎng)及電力網(wǎng)絡(luò)時(shí)，相關(guān)的優(yōu)化工作在模型和方法上都還需要進(jìn)一步深化。
4微電網(wǎng)能量管理與運(yùn)行優(yōu)化
微電網(wǎng)的運(yùn)行優(yōu)化策略由能量管理系統(tǒng)在已知各種運(yùn)行信息的基礎(chǔ)上制定完成。目的是根據(jù)分布式電源出力預(yù)測(cè)、微電網(wǎng)內(nèi)能源需求、市場(chǎng)信息等數(shù)據(jù)，按照不同的優(yōu)化運(yùn)行目標(biāo)和約束條件做出決策，實(shí)時(shí)制定微電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度策略，通過(guò)對(duì)分布式電源、儲(chǔ)能設(shè)備和負(fù)荷的靈活調(diào)度來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。能量管理系統(tǒng)的主要功能如圖3 所示。
微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的任務(wù)可分為短期功率平衡和長(zhǎng)期能量管理[15]。前者主要用于維持微電網(wǎng)內(nèi)電壓和頻率穩(wěn)定，快速地跟蹤負(fù)載變化，以及實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)模式切換等，與微電網(wǎng)的控制密切相關(guān);后者主要是針對(duì)不同運(yùn)行目標(biāo)的微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度和優(yōu)化運(yùn)行。
微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)不同主要有集中式和分布式兩種模式[16]。集中式能量管理系統(tǒng)由微電網(wǎng)中央控制器(MGCC)實(shí)現(xiàn)能量管理功能，統(tǒng)一對(duì)系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化和控制，需要MGCC和底層設(shè)備間進(jìn)行雙向通信，可以及時(shí)有效地掌握微電網(wǎng)的全局信息，有利于對(duì)微電網(wǎng)的發(fā)電調(diào)度與設(shè)備控制進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃。目前，集中式能量管理系統(tǒng)發(fā)展較為成熟，也更易實(shí)現(xiàn)。分布式能量管理系統(tǒng)通過(guò)多代理的方式，利用本地控制器對(duì)各設(shè)備進(jìn)行獨(dú)立的決策和管理。其目標(biāo)函數(shù)和約束條件與集中式能量管理系統(tǒng)類似，但需建立不同元件的代理模型，通過(guò)代理之間的通信和協(xié)調(diào)完成系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)。此結(jié)構(gòu)弱化了MGCC的功能，只利用MGCC與外部進(jìn)行信息交互并處理特殊情況。
采用分布式能量管理模式有助于實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)中分布式電源的“即插即用”和智能化目標(biāo)，是未來(lái)微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)重要的理論研究和技術(shù)發(fā)展方向。由于微電網(wǎng)集成了多種能源輸入、多種產(chǎn)品輸出(冷、熱、電等)、多種能源轉(zhuǎn)換單元，微電網(wǎng)內(nèi)能量的不確定性和時(shí)變性很強(qiáng)，其能量管理與大電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度將會(huì)有很大不同。這主要體現(xiàn)在對(duì)各種信息的預(yù)測(cè)與優(yōu)化調(diào)度方法兩方面。
4.1 預(yù)測(cè)方法
在微電網(wǎng)中，預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性將直接影響調(diào)度方案的最終效果，相關(guān)研究工作包括發(fā)電預(yù)測(cè)、負(fù)荷預(yù)測(cè)、市場(chǎng)信息、設(shè)備故障等不確定性因素，評(píng)估不確定性對(duì)微電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果的影響，并采取相應(yīng)措施提高系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的預(yù)期效果等。發(fā)電預(yù)測(cè)主要是針對(duì)間歇式可再生能源的短、中期輸出能量預(yù)測(cè)，通過(guò)對(duì)風(fēng)速、光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度等的預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)。常用的預(yù)測(cè)方法包括基于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型的預(yù)測(cè)方法[17]和基于歷史數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)方法[18]。
負(fù)荷預(yù)測(cè)包含對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)冷、熱、電在內(nèi)的多類型負(fù)荷進(jìn)行短期預(yù)測(cè)?？紤]到需求側(cè)響應(yīng)、電動(dòng)汽車(chē)充電以及冷熱負(fù)荷的延時(shí)特性，負(fù)荷預(yù)測(cè)的難度會(huì)進(jìn)一步加大，相關(guān)技術(shù)有待進(jìn)一步研究[16]。市場(chǎng)信息主要指在電力市場(chǎng)環(huán)境下，對(duì)電價(jià)機(jī)制進(jìn)行研究，把握電價(jià)變化規(guī)律，有效預(yù)測(cè)電價(jià)信息。
4.2 優(yōu)化調(diào)度方法
微電網(wǎng)的調(diào)度策略可劃分為優(yōu)化策略和啟發(fā)式策略。前者根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)自行決定系統(tǒng)運(yùn)行方案，后者一般針對(duì)有限的系統(tǒng)運(yùn)行模式按照給定的調(diào)度邏輯確定調(diào)度方案。優(yōu)化策略一般能獲得比啟發(fā)式策略更理想的優(yōu)化效果，但在實(shí)際工程實(shí)施時(shí)，由于各種不確定性因素的存在，可能會(huì)弱化優(yōu)化的效果。由于微電網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題是一個(gè)復(fù)雜的實(shí)際工程問(wèn)題，在制定調(diào)度策略時(shí)要綜合考慮系統(tǒng)隨機(jī)、多目標(biāo)等自身特性[19]，特別是針對(duì)冷/熱/電聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)還需考慮到策略實(shí)施的延時(shí)性對(duì)優(yōu)化結(jié)果的影響[20]。當(dāng)在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段考慮優(yōu)化調(diào)度策略問(wèn)題時(shí)，需根據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案制定更合理的優(yōu)化調(diào)度策略[9]。
在微電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化過(guò)程中，最常用的目標(biāo)為經(jīng)濟(jì)目標(biāo)和環(huán)境目標(biāo)。經(jīng)濟(jì)目標(biāo)主要實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的運(yùn)行成本和設(shè)備折舊成本最低;環(huán)境目標(biāo)主要是實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)環(huán)境效益最大化。微電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化模型中的約束條件包括系統(tǒng)功率平衡方程、設(shè)備本身的發(fā)電特性約束、資源環(huán)境條件約束、微電網(wǎng)與配電網(wǎng)之間的交換功率約束、儲(chǔ)能系統(tǒng)荷電狀態(tài)約束、系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)備約束等。并網(wǎng)型微電網(wǎng)和孤立型微電網(wǎng)的目標(biāo)函數(shù)和約束條件有所不同。并網(wǎng)型微電網(wǎng)中應(yīng)考慮配電網(wǎng)向微電網(wǎng)的供電費(fèi)用和旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)備費(fèi)用，以及微電網(wǎng)向電網(wǎng)供電的回購(gòu)收益：約束條件中，功率平衡方程和旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)備約束中包含配電網(wǎng)的部分。而孤立型微電網(wǎng)中，需要微電網(wǎng)內(nèi)部電源滿足負(fù)荷和旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)備的要求，優(yōu)化目標(biāo)和約束條件中不含配電網(wǎng)的部分，優(yōu)化模型相對(duì)簡(jiǎn)單。
當(dāng)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化時(shí)，由于不同目標(biāo)之間可能存在沖突，這就需要充分根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況，因地制宜地對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的目標(biāo)進(jìn)行協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)綜合價(jià)值的最大化。以經(jīng)濟(jì)和環(huán)境兩個(gè)目標(biāo)為例，可將環(huán)保目標(biāo)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)進(jìn)行處理，如采用碳關(guān)稅對(duì)二氧化碳排放進(jìn)行經(jīng)濟(jì)懲罰，該方法實(shí)際是將多目標(biāo)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問(wèn)題進(jìn)行處理[21]。對(duì)于不能直接轉(zhuǎn)化的目標(biāo)，可以選取一個(gè)基準(zhǔn)方案，使用與基準(zhǔn)方案目標(biāo)值的比值，將各目標(biāo)轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱的數(shù)值，然后通過(guò)加權(quán)平均的方法轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問(wèn)題[22]。另一種方法是采用多目標(biāo)方法進(jìn)行處理，要求找到由非占優(yōu)解空間構(gòu)成的Pareto 解，采用博弈論方法等找到前沿中適合該問(wèn)題的最優(yōu)解[23]。
隨著微電網(wǎng)的發(fā)展，其能量管理系統(tǒng)的功能也將不斷發(fā)展和完善。從未來(lái)微電網(wǎng)“即插即用”功能的要求出發(fā)，微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)還要具備適應(yīng)新設(shè)備接入和系統(tǒng)擴(kuò)展的能力，因此對(duì)其通用性和魯棒性提出了更高要求。微電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)實(shí)際可以看作是智能配電系統(tǒng)能量管理系統(tǒng)的重要組成部分，隨著配電網(wǎng)中分布式電源與微電網(wǎng)接入數(shù)量的增加，需要更加綜合性的能量管理系統(tǒng)，以支持分布式電源、微電網(wǎng)、配電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行，這也是未來(lái)能量管理系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。
5微電網(wǎng)保護(hù)與控制
5.1 微電網(wǎng)保護(hù)
微電網(wǎng)保護(hù)涉及的故障情況可分為微電網(wǎng)外部故障和微電網(wǎng)內(nèi)部故障。其中，微電網(wǎng)內(nèi)部故障在微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行和孤立運(yùn)行兩種模式下，所呈現(xiàn)的故障特性及所采取的保護(hù)方法又有所不同，且與微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源的控制方式緊密相關(guān)。
當(dāng)微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，如果微電網(wǎng)外部或內(nèi)部發(fā)生故障，應(yīng)首先檢測(cè)外部故障是否為永久性故障，或內(nèi)部故障是否導(dǎo)致微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)不符合IEEE1547 等標(biāo)準(zhǔn)的要求[25]，從而判斷微電網(wǎng)是否需要從主網(wǎng)解列。若發(fā)生內(nèi)部故障且無(wú)需解列時(shí)，應(yīng)快速切除故障部分，減小對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)其他部分以及外部電網(wǎng)的影響。當(dāng)發(fā)生永久性外部故障時(shí)，為了保證外部系統(tǒng)檢修的安全性，微電網(wǎng)必須與外部電網(wǎng)解列。檢測(cè)外部系統(tǒng)是否發(fā)生了永久性故障的工作也稱為孤島檢測(cè)工作。目前，孤島檢測(cè)方法主要有被動(dòng)式檢測(cè)和主動(dòng)式檢測(cè)兩種方法，被動(dòng)式檢測(cè)在微電網(wǎng)內(nèi)分布式電源出力與負(fù)荷功率匹配的情況下無(wú)法檢測(cè)出孤島狀態(tài)[24];主動(dòng)孤島檢測(cè)方法包括主動(dòng)頻率偏移法[26]、主動(dòng)電流擾動(dòng)法[27]，以及采用自適應(yīng)無(wú)功功率控制的主動(dòng)孤島檢測(cè)方法[28]等。大多主動(dòng)檢測(cè)方法主要針對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)僅具有單個(gè)分布式電源的情況，且對(duì)分布式電源的控制系統(tǒng)依賴性較大，含多個(gè)電源的微電網(wǎng)孤島準(zhǔn)確檢測(cè)算法仍有待深入研究。
在微電網(wǎng)孤立運(yùn)行模式下，當(dāng)發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，與并網(wǎng)模式下外部電網(wǎng)一般會(huì)提供較大的短路電流不同，基于電力電子變換器的分布式電源所提供的短路電流常常被限制在兩倍額定電流以內(nèi)，這可能會(huì)給保護(hù)裝置的參數(shù)整定造成困難。一種解決方法是根據(jù)微電網(wǎng)運(yùn)行模式的不同改變保護(hù)的整定值。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是保護(hù)的整定值計(jì)算簡(jiǎn)單，但要求保護(hù)系統(tǒng)具有更高的適應(yīng)性[29]。采用基于通信的差動(dòng)保護(hù)，通過(guò)比較兩端保護(hù)的電流信息，可以有效實(shí)現(xiàn)故障識(shí)別和可靠切除[30];針對(duì)并網(wǎng)模式下短路電流大的特點(diǎn)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)短路電流限制器參數(shù)，可以得到較優(yōu)的方向過(guò)電流繼電器整定值，從而實(shí)現(xiàn)兩種模式下的微電網(wǎng)保護(hù)[31]。
5.2 微電網(wǎng)控制
微電網(wǎng)中的分布式電源和儲(chǔ)能設(shè)備按照并網(wǎng)方式可以分為逆變型電源、同步機(jī)型電源和異步機(jī)型電源，其中大部分為基于電力電子技術(shù)的逆變型電源。對(duì)于逆變型分布式電源，并網(wǎng)逆變器控制是微電網(wǎng)控制的關(guān)鍵，當(dāng)微電網(wǎng)中有多個(gè)逆變型電源時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以滿足微電網(wǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行、孤立運(yùn)行，以及兩種運(yùn)行模式間切換時(shí)的不同需求，保證微電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性[32]。微電網(wǎng)一般采用如圖4 所示的三層控制結(jié)構(gòu)。
5.2.1第一層控制
依據(jù)分布式電源或儲(chǔ)能設(shè)備在微電網(wǎng)中所起的作用不同，需要采取不同的控制策略，主要分為：恒功率控制(PQ控制)、恒壓/恒頻控制(V/f控制)和下垂控制(Droop控制)。下垂控制又具有兩種基本形式：①f-P 和V-Q 下垂控制方法[33];②P-f 和Q-V 下垂控制方法[34]。前者根據(jù)功率的變化決定頻率和電壓值，后者根據(jù)頻率和電壓的變化決定功率值。
當(dāng)光伏、風(fēng)機(jī)等分布式發(fā)電系統(tǒng)采用最大功率追蹤控制時(shí)，屬于恒功率控制。微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，由電網(wǎng)提供電壓和頻率參考，各分布式電源一般采用恒功率控制。部分可控型分布式電源也可采用f-P 和V-Q 下垂控制方法，在電網(wǎng)電壓幅值和頻率降低時(shí)，能夠支撐電網(wǎng)電壓和頻率。若主電網(wǎng)發(fā)生非永久性故障導(dǎo)致微電網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)(PCC 點(diǎn))三相電壓跌落或不對(duì)稱時(shí)，通過(guò)相應(yīng)控制方法可提高各分布式電源的故障穿越能力[35]，從而增大PCC 點(diǎn)處正序電壓分量和減小負(fù)序電壓分量，降低電網(wǎng)電壓的不對(duì)稱度。
微電網(wǎng)孤立運(yùn)行時(shí)，需由微電網(wǎng)內(nèi)主電源建立電壓和頻率參考，該層控制可分為主從控制模式和對(duì)等控制模式。在主從控制模式中，微電網(wǎng)內(nèi)的一個(gè)分布式電源(或儲(chǔ)能設(shè)備)采取V/f 控制，為微電網(wǎng)提供電壓和頻率參考，而其他分布式電源則采用PQ 控制[36]。負(fù)荷功率的變化主要由主電源跟隨，因此要求其功率輸出應(yīng)能夠在一定范圍內(nèi)可控，且能夠足夠快地跟隨負(fù)荷的波動(dòng)變化。在對(duì)等控制模式中，微電網(wǎng)中參與電壓、頻率調(diào)節(jié)和控制的多個(gè)可控型分布式電源(或儲(chǔ)能設(shè)備)在控制上都具有同等的地位[37]，通常選擇P-f 和Q-V 下垂控制方法，根據(jù)分布式電源接入點(diǎn)就地信息進(jìn)行控制。與主從控制模式相比，在對(duì)等控制模式中采用下垂控制的分布式電源可以自動(dòng)參與輸出功率的分配，易于實(shí)現(xiàn)分布式電源的即插即用。
5.2.2第二層控制
微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，第二層控制的主要目標(biāo)為降低微電網(wǎng)內(nèi)可再生能源與負(fù)荷的波動(dòng)對(duì)主網(wǎng)的影響，使微電網(wǎng)作為一個(gè)友好、可控的負(fù)荷接入主網(wǎng)。
通過(guò)微電網(wǎng)中心控制器(MGCC)對(duì)各分布式電源下發(fā)合理的功率指令，通過(guò)聯(lián)絡(luò)線功率控制可實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。利用功率型和能量型儲(chǔ)能組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，可分別抑制可再生能源輸出功率的高頻和低頻波動(dòng)分量，但應(yīng)注意維持各儲(chǔ)能設(shè)備運(yùn)行在合理的荷電狀態(tài)范圍，避免過(guò)充或過(guò)放[30]。通過(guò)需求側(cè)響應(yīng)對(duì)可控負(fù)荷進(jìn)行控制，也可實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率的控制[40]。
微電網(wǎng)孤立運(yùn)行時(shí)，采用主從控制模式能維持微電網(wǎng)電壓和頻率恒定，負(fù)荷的變化主要由主電源跟隨，需要通過(guò)MGCC 實(shí)現(xiàn)各分布式電源間的功率合理分配[41]。采用對(duì)等控制模式時(shí)，能同時(shí)解決電壓頻率穩(wěn)定控制和輸出功率合理分配，但這是一種有差控制，負(fù)載變化前后系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電壓和頻率會(huì)有所變化。此時(shí)，該層控制的目標(biāo)主要是恢復(fù)微電網(wǎng)電壓和頻率，以保證電壓和頻率滿足負(fù)荷可靠運(yùn)行的要求[42]。
一種可行的方法是采用集中二次控制，由MGCC 根據(jù)檢測(cè)到的電壓和頻率，調(diào)整微電網(wǎng)中各下垂控制器的下垂曲線設(shè)定點(diǎn)等控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)電壓和頻率恢復(fù)控制。其缺陷為過(guò)于依賴MGCC，一旦MGCC 出現(xiàn)故障將無(wú)法實(shí)現(xiàn)電壓和頻率恢復(fù)。
另一種方法為采用分布式二次控制，各分布式電源根據(jù)微電網(wǎng)內(nèi)其他分布式電源出口電壓、頻率等信息，在本地分布式電源的控制器內(nèi)通過(guò)電壓和頻率恢復(fù)控制算法實(shí)現(xiàn)下垂控制參數(shù)的調(diào)節(jié)，使得微電網(wǎng)電壓和頻率恢復(fù)控制系統(tǒng)的可靠性得到提高[43,44]。
微電網(wǎng)運(yùn)行模式無(wú)縫切換控制也在第二層控制中實(shí)現(xiàn)，該部分應(yīng)具備電網(wǎng)故障檢測(cè)、微電網(wǎng)與電網(wǎng)同步等功能，并對(duì)微電網(wǎng)并網(wǎng)靜態(tài)開(kāi)關(guān)和主電源控制模式切換進(jìn)行協(xié)調(diào)控制[36]。當(dāng)采用主從控制模式時(shí)，一種典型的控制時(shí)序如圖5 所示，包含微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)切換和主電源控制模式切換。若主電源在微電網(wǎng)并網(wǎng)和孤立運(yùn)行模式下均采用P-f和Q-V下垂控制方法，則在微電網(wǎng)運(yùn)行模式切換時(shí)，無(wú)需切換控制模式[45]。否則，為保證微電網(wǎng)主電源控制模式平滑切換，主電源控制系統(tǒng)在PQ控制和V/f 控制模式之間切換時(shí)應(yīng)盡可能減少切換功率變化量[46]。
如采用圖6 所示控制結(jié)構(gòu)，在切換前后，兩種控制模式中使用相同的電流內(nèi)環(huán)，模式切換時(shí)僅對(duì)外環(huán)控制器進(jìn)行切換。在模式切換中，采用合理的補(bǔ)償控制算法和切換控制邏輯，可有效降低模式切換過(guò)程中的暫態(tài)沖擊[36]。
5.2.3第三層控制
該層主要為微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)層[32]，通過(guò)相應(yīng)能量?jī)?yōu)化算法：①確定微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，與大電網(wǎng)之間聯(lián)絡(luò)線輸出功率參考值(作為微電網(wǎng)第二層控制目標(biāo)參考值);②在微電網(wǎng)孤立運(yùn)行時(shí)，調(diào)整各分布式電源輸出功率參考值或下垂曲線穩(wěn)態(tài)參考點(diǎn)和分配比例系數(shù)設(shè)定等信息，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等功能。
6微電網(wǎng)仿真與實(shí)驗(yàn)研究
6.1 微電網(wǎng)數(shù)字仿真
數(shù)字仿真是微電網(wǎng)研究的主要手段之一，對(duì)于研究微電網(wǎng)運(yùn)行機(jī)理、規(guī)劃設(shè)計(jì)、優(yōu)化運(yùn)行、保護(hù)控制等問(wèn)題提供了必要的工具和強(qiáng)有力技術(shù)支撐。
從數(shù)字仿真角度看，微電網(wǎng)是化學(xué)、熱力學(xué)、電動(dòng)力學(xué)等行為相互耦合的復(fù)雜非線性系統(tǒng)。微電網(wǎng)中不同設(shè)備和控制系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)差異較大，整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)呈現(xiàn)出強(qiáng)剛性的特點(diǎn)。數(shù)字仿真技術(shù)應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)微電網(wǎng)中微秒級(jí)快速變化的電磁暫態(tài)過(guò)程、毫秒級(jí)變化的機(jī)電暫態(tài)過(guò)程、秒級(jí)到分鐘級(jí)變化的中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)過(guò)程和系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過(guò)程的全過(guò)程仿真。
微電網(wǎng)的強(qiáng)非線性、強(qiáng)剛性等特點(diǎn)對(duì)數(shù)字仿真技術(shù)從計(jì)算能力、數(shù)值穩(wěn)定性和計(jì)算速度方面提出了更高的要求，傳統(tǒng)的數(shù)字仿真工具有時(shí)不能滿足各種情況下微電網(wǎng)全過(guò)程仿真的需要。目前，相關(guān)研究主要從建模和仿真方法兩方面對(duì)微電網(wǎng)的數(shù)字仿真性能進(jìn)行提升。
6.1.1微電網(wǎng)綜合建模技術(shù)
對(duì)微電網(wǎng)的建模涵蓋各個(gè)結(jié)構(gòu)層面及不同時(shí)間尺度，應(yīng)針對(duì)不同的研究目的，建立各種元件在不同時(shí)間尺度下的仿真模型，并根據(jù)需要合理選擇仿真模型，從而保證仿真精度和效率。此外，對(duì)于微電網(wǎng)中非線性部分的化簡(jiǎn)或降維能夠極大地提高仿真速度，如對(duì)分布式電源的非線性靜態(tài)特性通過(guò)分段線性擬合化簡(jiǎn)[48]，以及結(jié)合自動(dòng)微分技術(shù)降低計(jì)算中仿真模型的雅可比矩陣維數(shù)[49]等。
6.1.2微電網(wǎng)數(shù)字仿真方法
微電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)分析是微電網(wǎng)穩(wěn)定性仿真、規(guī)劃、調(diào)度的基礎(chǔ)，與常規(guī)配電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析相比，其特殊性首先體現(xiàn)在分布式發(fā)電系統(tǒng)的建模方面。根據(jù)分布式電源的運(yùn)行方式和控制特性，可將其處理為PV、PI、PQ、PQ(V) 節(jié)點(diǎn)等幾種類型[50]。此外，還需要考慮交直流混合微電網(wǎng)的特性，發(fā)展微電網(wǎng)交直流混合潮流模型，為穩(wěn)定性仿真提供交直流初始運(yùn)行點(diǎn)[51]。
在微電網(wǎng)穩(wěn)定性仿真中，與傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真類似，系統(tǒng)由一組微分和代數(shù)方程進(jìn)行描述。考慮到微電網(wǎng)的特性，在求解過(guò)程中，傳統(tǒng)的顯式算法可能無(wú)法滿足數(shù)值穩(wěn)定性的要求，而隱式算法較大的計(jì)算量可能影響仿真速度。為此，多種改進(jìn)的算法顯示出在仿真速度和穩(wěn)定性上的優(yōu)勢(shì)，如多速率求解算法[52]、顯式—隱式混合積分算法[53]、基于數(shù)值微分求導(dǎo)的隱式求解算法[54]，以及適用于剛性微分方程的投影積分算法等。
在微電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真中，大量的電力電子設(shè)備要求在仿真中采用更小的計(jì)算步長(zhǎng)來(lái)滿足精度需求。對(duì)電力電子設(shè)備的精確求解涉及計(jì)算矩陣時(shí)變、步長(zhǎng)間開(kāi)關(guān)動(dòng)作、數(shù)值振蕩等問(wèn)題，需通過(guò)線性插值結(jié)合臨界阻尼調(diào)整法[55]進(jìn)行處理，而微電網(wǎng)的強(qiáng)非線性使其精確求解過(guò)程又涉及非線性方程迭代求解[56]。這使得微電網(wǎng)暫態(tài)仿真的計(jì)算規(guī)模嚴(yán)重受限于其仿真計(jì)算速度。除了高效的稀疏技術(shù)外，采用并行仿真算法可大大提高求解效率，其核心是網(wǎng)絡(luò)分割和并行計(jì)算技術(shù)，及多節(jié)點(diǎn)、多任務(wù)之間的數(shù)據(jù)通信技術(shù)。
針對(duì)微電網(wǎng)特點(diǎn)，可將電氣系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的求解過(guò)程進(jìn)行解耦及并行計(jì)算[57]。另一種思路是從算法層面研究加快仿真速度的可能性，如基于矩陣指數(shù)運(yùn)算的顯式數(shù)值積分算法、基于狀態(tài)空間的網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)方法等[58]，均能在保證算法穩(wěn)定性的同時(shí)改善微電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真的計(jì)算精度與速度。
微電網(wǎng)暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真是與現(xiàn)實(shí)時(shí)鐘同步的暫態(tài)仿真，對(duì)計(jì)算速度要求嚴(yán)格。與傳統(tǒng)輸電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真相比，微電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真應(yīng)依據(jù)研究問(wèn)題的不同，選擇合適的研究部分或環(huán)節(jié)定義仿真區(qū)域，最極端的情況可能需要以整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)為對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。因此，實(shí)時(shí)仿真一般需要通過(guò)系統(tǒng)分塊、預(yù)存矩陣等技術(shù)手段保證仿真速度，而且綜合考慮仿真實(shí)時(shí)性以及成本因素，采用PC-Cluster[59]、FPGA等新型底層硬件開(kāi)發(fā)微電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)也成為發(fā)展趨勢(shì)。
6.2 微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)研究
與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比，微電網(wǎng)規(guī)模較小，其相關(guān)研究不僅可以借助真實(shí)的物理裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，甚至可以按1：1的比例構(gòu)建微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，真實(shí)地再現(xiàn)研究對(duì)象。構(gòu)建微電網(wǎng)物理模擬仿真實(shí)驗(yàn)室或示范性微電網(wǎng)系統(tǒng)的意義在于：
(1)通過(guò)微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證或修正仿真模型與參數(shù)的正確性，為微電網(wǎng)仿真研究提供驗(yàn)證平臺(tái)。
(2)通過(guò)微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)微電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中真實(shí)存在的問(wèn)題，為更深入的研究創(chuàng)造條件。
(3)微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠作為微電網(wǎng)的運(yùn)行、控制、保護(hù)、能量管理及相關(guān)技術(shù)理論的實(shí)現(xiàn)載體。
將物理模擬實(shí)驗(yàn)與數(shù)字仿真結(jié)合，形成數(shù)字仿真與物理模擬的微電網(wǎng)綜合仿真和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以擴(kuò)展已有物理動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室的仿真規(guī)模，充分發(fā)揮現(xiàn)有動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室的仿真能力，是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。
近年來(lái)，在歐美、日本等微電網(wǎng)發(fā)展較早的國(guó)家陸續(xù)建立了多個(gè)微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，早期的微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)大多結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能單一，針對(duì)性較強(qiáng)。雅典國(guó)立大學(xué)建立的NTUA微電網(wǎng)是最早一批的歐洲微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[60]。該微電網(wǎng)為單相低壓系統(tǒng)，其目的主要是對(duì)分層控制的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證。
美國(guó)電力可靠性技術(shù)協(xié)會(huì)(CERTS)為驗(yàn)證其微電網(wǎng)概念，在威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校建立了一個(gè)包含3 臺(tái)分布式電源的微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[61]。通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在微電網(wǎng)中能夠利用分布式電源的下垂控制策略，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的暫態(tài)電壓和頻率調(diào)整，以及微電網(wǎng)并網(wǎng)和孤島模式間的模式切換。
美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)建立了包含三個(gè)子微電網(wǎng)的交直流混合微電網(wǎng)平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了各種分布式發(fā)電系統(tǒng)的可靠性測(cè)試、并網(wǎng)技術(shù)研究，并在此基礎(chǔ)上參與了美國(guó)分布式發(fā)電和微電網(wǎng)相關(guān)的導(dǎo)則制定工作[62]。
微電網(wǎng)在全球范圍內(nèi)發(fā)展迅速，中國(guó)、韓國(guó)、新加坡以及部分南美與非洲國(guó)家和地區(qū)也相繼建立了微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，近期建設(shè)的微電網(wǎng)平臺(tái)多呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電源類型多樣、控制和能量管理功能更完善等特點(diǎn)。天津大學(xué)在國(guó)家973 計(jì)劃項(xiàng)目“分布式發(fā)電供能系統(tǒng)相關(guān)基礎(chǔ)研究”的支持下建立了天津大學(xué)微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(Tianjin University MicrogridTestbed, TUMT)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要有以下特點(diǎn)：
(1)分布式電源和儲(chǔ)能種類豐富，包括光伏、風(fēng)機(jī)、燃料電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)等多種分布式電源，以及鉛酸電池、鋰離子電池、超級(jí)電容、壓縮空氣、液流電池、飛輪、制氫等多種儲(chǔ)能設(shè)備。
(2)拓?fù)潇`活多變，運(yùn)行場(chǎng)景豐富，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)和工程測(cè)試的需求改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，模擬數(shù)十種不同的運(yùn)行場(chǎng)景。
(3)保護(hù)、監(jiān)測(cè)、控制與能量管理等功能完善?；谠搶?shí)驗(yàn)平臺(tái)，在分布式電源和儲(chǔ)能運(yùn)行特性、分布式電源和儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)控制、微電網(wǎng)模式切換、故障特性和保護(hù)等方向進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究，并取得了一定的成果。
7 結(jié)論
隨著微電網(wǎng)技術(shù)的成熟和發(fā)展，微電網(wǎng)將不再局限于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和示范工程，將會(huì)在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮更大的價(jià)值。未來(lái)微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)將趨于復(fù)雜，交直流混合型微電網(wǎng)的形式將更為多見(jiàn)，由多個(gè)用戶級(jí)的微電網(wǎng)組成公共微電網(wǎng)并網(wǎng)的情況將成為常態(tài)。
微電網(wǎng)從局部解決了分布式電源大規(guī)模并網(wǎng)時(shí)的運(yùn)行問(wèn)題，同時(shí)，它在能源效率優(yōu)化等方面與智能配電網(wǎng)的目標(biāo)相一致，是智能配電網(wǎng)的重要組成部分。對(duì)用戶，微電網(wǎng)除了提供電能外，充分發(fā)揮其供冷、供熱、供氣(氫氣、合成天然氣等)的能力，將進(jìn)一步提高終端能源的利用效率;對(duì)電網(wǎng)，隨著電力市場(chǎng)的完善、需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，微電網(wǎng)將更多的參與配電網(wǎng)的調(diào)度，提供多種輔助服務(wù)。
上述問(wèn)題都將對(duì)未來(lái)微電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、優(yōu)化運(yùn)行、控制保護(hù)等多方面提出新的要求，有待進(jìn)一步研究與探索。
原標(biāo)題:微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究
