吳 雄 ，王秀麗 ，劉世民 ，祝振鵬 ，劉春陽(yáng) ，段 杰 ，侯 菲

（1.西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049；2.北京北變微電網(wǎng)技術(shù)有限公司，北京 100093）

0 引言

隨著全球能源、環(huán)境問(wèn)題的凸顯，風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源得到較大的發(fā)展。與此同時(shí)，微電網(wǎng)作為一種包含可再生能源等分布式電源的綜合集成技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注［1-2］。微電網(wǎng)具有靈活的運(yùn)行特性，可以并網(wǎng)或脫網(wǎng)運(yùn)行，能同時(shí)滿足本地用戶的電能和熱能需求。微電網(wǎng)提高了分布式發(fā)電系統(tǒng)的供電可靠性，實(shí)現(xiàn)了分布式電源與負(fù)荷的一體化運(yùn)行［3］，減少了系統(tǒng)的污染排放，已經(jīng)成為智能電網(wǎng)建設(shè)中一個(gè)重要的組成部分。

為了保證微電網(wǎng)高效穩(wěn)定地運(yùn)行，微電網(wǎng)通常由能量管理系統(tǒng)進(jìn)行智能控制和自動(dòng)調(diào)度決策。微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)是一套具有發(fā)電優(yōu)化調(diào)度、負(fù)荷管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)同步等功能的能量管理軟件［4-5］。微電網(wǎng)的能量管理包含短期和長(zhǎng)期的能量管理［2，6］。 短期的能量管理包括：為分布式電源提供功率設(shè)定值，使系統(tǒng)滿足電能平衡、電壓穩(wěn)定；為微電網(wǎng)電壓和頻率的恢復(fù)和穩(wěn)定提供快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；滿足用戶的電能質(zhì)量要求；為微電網(wǎng)的并網(wǎng)提供同步服務(wù)。長(zhǎng)期的能量管理包括：以最小化系統(tǒng)網(wǎng)損、運(yùn)行費(fèi)用，最大化可再生能源利用等為目標(biāo)安排分布式電源的出力；為系統(tǒng)提供需求側(cè)管理，包括切負(fù)荷和負(fù)荷恢復(fù)策略；配置適當(dāng)?shù)膫溆萌萘?，滿足系統(tǒng)的供電可靠性要求。

隨著微電網(wǎng)工程的不斷建立和發(fā)展，與之配套的能量管理系統(tǒng)也逐漸成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。本文從國(guó)內(nèi)外微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀出發(fā)，分析微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的管理對(duì)象、功能結(jié)構(gòu)、組成模塊以及核心算法，并針對(duì)當(dāng)前研究存在的一些技術(shù)難點(diǎn)，給出進(jìn)一步的研究方向。

1 國(guó)內(nèi)外微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及典型案例分析

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)興建了不少微電網(wǎng)示范工程和實(shí)驗(yàn)基地，其中大部分微電網(wǎng)示范工程和實(shí)驗(yàn)基地配置了相應(yīng)的能量管理系統(tǒng)［7］。下面簡(jiǎn)要介紹國(guó)內(nèi)外微電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀，并結(jié)合一個(gè)典型應(yīng)用案例對(duì)微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)進(jìn)行剖析。

1.1 北美研究現(xiàn)狀

美國(guó)電力公司和美國(guó)電力可靠性技術(shù)協(xié)會(huì)CERTS（Consortium for Electric Reliability Technology Solution）在俄亥俄州首府哥倫布建造了CERTS微電網(wǎng)示范平臺(tái)［8］。該示范平臺(tái)主要由蓄電池、燃?xì)廨啓C(jī)、可控負(fù)荷和敏感負(fù)荷組成，其能量管理采用自治管理方式，不需要中央控制器統(tǒng)一安排分布式電源的發(fā)電；分布式電源根據(jù)下垂特性共享頻率或電壓，實(shí)現(xiàn)自治管理，即插即用；能量管理系統(tǒng)的一些必要控制信息通過(guò)以太網(wǎng)傳輸給分布式電源控制器。

1.2 歐洲研究現(xiàn)狀

荷蘭的Bronsbergen假日公園微電網(wǎng)是歐盟資助的一個(gè)微電網(wǎng)示范工程［9］：該微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)采用集中控制的方式，微電網(wǎng)中每條饋線的功率由監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳送至中央控制器，中央控制器通過(guò)全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）與調(diào)度中心交流；此外，中央控制器還負(fù)責(zé)微電網(wǎng)并網(wǎng)和孤網(wǎng)的無(wú)縫切換。德國(guó)的Am Steinweg微電網(wǎng)由潮流和電能質(zhì)量管理系統(tǒng)PoMS（Power flow and power quality Management System）控制［10］：PoMS 具有配電網(wǎng)管理、分布式電源管理和需求側(cè)管理等功能，它由一個(gè)中央處理器和幾個(gè)界面控制盒組成；數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和控制器通過(guò)界面控制盒與中央處理器交流，采用傳輸控制協(xié)議和因特網(wǎng)協(xié)議（TCP/IP）進(jìn)行通信。意大利的CESI RICERCA DER微電網(wǎng)示范工程的能量管理采用集中式控制方式：分布式電源和可控負(fù)荷與監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng) SCS（Supervision and Control System）相聯(lián)，采用分層式結(jié)構(gòu)進(jìn)行信息的交流與傳輸；SCS記錄和分析運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電能質(zhì)量和暫態(tài)過(guò)程，優(yōu)化分布式電源的發(fā)電調(diào)度，并且向調(diào)度控制中心傳輸實(shí)時(shí)信息，其指令信息采用2.4 GHz的無(wú)線頻率傳輸［11］。希臘雅典國(guó)立大學(xué)建立的NTUA微電網(wǎng)由光伏陣列、風(fēng)機(jī)、蓄電池和可控負(fù)荷組成，該微電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)采用多代理系統(tǒng)MAS（Multi-Agent System）結(jié)構(gòu)，基于Java代理發(fā)展框架3.0平臺(tái)開(kāi)發(fā)，采用 XML 和 SL 編寫［12］。

1.3 亞洲研究現(xiàn)狀

日本的Kyotango微電網(wǎng)工程由新能源綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu) NEDO（New Energy and industrial technology Development Organization）建造，該微電網(wǎng)能量管理由基于因特網(wǎng)的中央控制器控制，采用標(biāo)準(zhǔn)的ISDN或ADSL ISP接入因特網(wǎng)［13］。中國(guó)合肥工業(yè)大學(xué)所建的微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)［14］的能量管理采用2層控制的方式，分為中央控制器和局部控制器；中央控制器為分布式電源制定提前1 h、30 min、15 min的發(fā)電計(jì)劃；局部控制器負(fù)責(zé)控制饋線潮流、電壓頻率、無(wú)縫切換、電能質(zhì)量和控制保護(hù)；該能量管理系統(tǒng)遵照 IEC61970標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，由數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)和其他能量應(yīng)用軟件構(gòu)成。中國(guó)浙江電力試驗(yàn)研究院搭建的微電網(wǎng)能量管理采用分層式控制，其主站層負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行、管理歷史數(shù)據(jù)、繪制圖形、控制運(yùn)行方式等；其協(xié)調(diào)層主要負(fù)責(zé)微電網(wǎng)并網(wǎng)和孤網(wǎng)的狀態(tài)切換［15］。

從國(guó)內(nèi)外的微電網(wǎng)能量管理研究情況可以看出，目前微電網(wǎng)的能量管理主要包括發(fā)電側(cè)和需求側(cè)的管理。發(fā)電側(cè)管理包括分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、配網(wǎng)側(cè)的管理，需求側(cè)管理主要為分級(jí)負(fù)荷的管理。從管理的結(jié)構(gòu)來(lái)看，北美微電網(wǎng)采用自治控制，為分散式控制，而亞洲的微電網(wǎng)傾向使用集中控制。在歐洲主要有集中控制和基于代理的控制這2種方式。目前集中控制在微電網(wǎng)工程中仍屬于主流的能量管理方式，其在頂層決策中采用各種優(yōu)化算法安排機(jī)組出力，而底層控制器則按上層指令控制機(jī)組出力。能量管理系統(tǒng)中各種控制器均借助于無(wú)線或有線通信進(jìn)行信息的傳輸與交流。

下面重點(diǎn)介紹一個(gè)典型微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，對(duì)其控制對(duì)象、管理結(jié)構(gòu)、主要功能設(shè)計(jì)進(jìn)行剖析。

1.4 典型微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)

日本NEDO 的 Hachinohe微電網(wǎng)［16-17］自 2005年10月開(kāi)始運(yùn)行。該微電網(wǎng)為6.6 kV輻射型配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，連接3臺(tái)170 kW的燃?xì)鈾C(jī)、1臺(tái)130 kW的光伏系統(tǒng)、1臺(tái)20 kW的風(fēng)電機(jī)、1組100 kW的蓄電池。Hachinohe微電網(wǎng)能量管理采用集中控制方式，通過(guò)光纖通信，其中央控制器對(duì)各分布式電源和儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電調(diào)度。為了獲得最優(yōu)的調(diào)度方案，該能量管理系統(tǒng)采用長(zhǎng)期計(jì)劃與短期計(jì)劃相結(jié)合的策略，計(jì)劃制定包括每30 min的周運(yùn)行計(jì)劃、每3 min的日內(nèi)調(diào)度計(jì)劃、1 s級(jí)的聯(lián)絡(luò)線潮流控制和10 ms級(jí)的頻率控制計(jì)劃。其中，周運(yùn)行計(jì)劃基于負(fù)荷預(yù)測(cè)信息，構(gòu)造出以最小化外網(wǎng)購(gòu)電和燃料費(fèi)用為目標(biāo)的優(yōu)化問(wèn)題，采用問(wèn)題空間搜索和二次規(guī)劃相結(jié)合的算法求解，獲得各機(jī)組的啟停機(jī)計(jì)劃、出力計(jì)劃以及從外網(wǎng)的購(gòu)電計(jì)劃；日內(nèi)調(diào)度計(jì)劃提前2 h計(jì)算一次。為了保持長(zhǎng)期計(jì)劃中的全局優(yōu)化特征，其儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電計(jì)劃延用周運(yùn)行計(jì)劃結(jié)果，根據(jù)最新預(yù)測(cè)信息采用類似的優(yōu)化模型和算法修正周計(jì)劃的計(jì)算結(jié)果。其聯(lián)絡(luò)線潮流控制實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)聯(lián)絡(luò)線的傳輸功率，并與計(jì)劃值比較，通過(guò)反饋控制吸收功率偏差，將聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)控制在一定的指標(biāo)范圍內(nèi)。其頻率控制主要針對(duì)孤網(wǎng)情況，當(dāng)微電網(wǎng)處于孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，需要實(shí)時(shí)滿足功率平衡以維持系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。由于燃?xì)鈾C(jī)功率調(diào)節(jié)速度較慢，采用響應(yīng)速度快的儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)時(shí)平抑即時(shí)功率波動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)頻率的控制。

2 微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的主要管理對(duì)象

2.1 分布式電源

微電網(wǎng)中的分布式電源包括燃料電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)、柴油發(fā)電機(jī)、熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、風(fēng)電、光伏等。其中，熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)［18-19］通過(guò)燃料電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)或其他燃機(jī)在發(fā)電的同時(shí)提供熱能，能量利用率超過(guò)80%［20］，在微電網(wǎng)中具有較好的應(yīng)用前景。不同類型的電源通過(guò)整流器和逆變器等電力電子設(shè)備將不同頻率的電能平滑地轉(zhuǎn)換為相同頻率的交流或直流電能。通過(guò)控制逆變器可以控制分布式電源的輸出，讓分布式電源按指定的電壓和頻率（U/f控制）或有功和無(wú)功（PQ控制）輸出［21］。這些基于逆變器的控制方式支撐著微電網(wǎng)系統(tǒng)的總體控制策略。分布式電源按可控性分為不可調(diào)度機(jī)組和可調(diào)度機(jī)組［22］。風(fēng)電、光伏的發(fā)電主要取決于自然環(huán)境，具有隨機(jī)性和波動(dòng)性，屬于不可調(diào)度機(jī)組，其具有一定的可預(yù)測(cè)性，但目前仍具有較大的預(yù)測(cè)誤差。而燃料機(jī)組如微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、柴油機(jī)屬于可調(diào)度機(jī)組，微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)需要預(yù)測(cè)風(fēng)電、光伏的出力，并根據(jù)預(yù)測(cè)出力、燃料機(jī)組油耗、熱電需求等制定可調(diào)度機(jī)組的調(diào)度計(jì)劃。

2.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)

儲(chǔ)能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用，適合微電網(wǎng)的儲(chǔ)能技術(shù)主要有蓄電池、飛輪、超級(jí)電容［23］。蓄電池具有電能容量大、能量密度大、循環(huán)壽命短等特點(diǎn)［24-25］，在并網(wǎng)時(shí)起削峰填谷和能量調(diào)度的作用，在孤網(wǎng)時(shí)常作為中心存儲(chǔ)單元，維護(hù)微電網(wǎng)的頻率與電壓穩(wěn)定。飛輪具有較大的能量密度、較高的功率輸出和無(wú)限的充放電次數(shù)［26］，常用來(lái)平抑微電網(wǎng)中的瞬時(shí)功率波動(dòng)。超級(jí)電容具有功率密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、能量密度低等特點(diǎn)［27］，但相對(duì)于其他2種儲(chǔ)能技術(shù)具有較高的成本。由于具有較低的慣性，儲(chǔ)能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中可以平抑可再生能源和負(fù)荷的功率波動(dòng)，維護(hù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)功率平衡，同時(shí)能在微電網(wǎng)并網(wǎng)與孤網(wǎng)狀態(tài)切換時(shí)提供瞬時(shí)的功率支撐，維持系統(tǒng)穩(wěn)定。儲(chǔ)能系統(tǒng)一般通過(guò)逆變器接入微電網(wǎng)，采用U/f控制和PQ控制，接受微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的指令來(lái)決定工作方式和發(fā)電功率。儲(chǔ)能系統(tǒng)的管理目標(biāo)取決于微電網(wǎng)的工作方式。在并網(wǎng)模式下，其主要是確保分布式電源的穩(wěn)定出力，容量充足時(shí)可以起削峰填谷和能量調(diào)度的輔助作用；在孤網(wǎng)模式下，儲(chǔ)能系統(tǒng)主要是維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定，減少終端用戶的電能波動(dòng)。

2.3 負(fù)荷系統(tǒng)

為了使微電網(wǎng)在緊急情況下仍能運(yùn)行，微電網(wǎng)的負(fù)荷一般分級(jí)管理，主要分為關(guān)鍵負(fù)荷和可控負(fù)荷。關(guān)鍵負(fù)荷為需要重點(diǎn)保護(hù)電力供應(yīng)的負(fù)荷；而可控負(fù)荷在緊急情況下可以適當(dāng)切除，在正常情況下也可以通過(guò)需求側(cè)管理或者需求側(cè)響應(yīng)達(dá)到優(yōu)化負(fù)荷使用、節(jié)能省電的目的［28-29］。比如一棟樓在不影響用戶滿意度的情況下可以通過(guò)調(diào)節(jié)供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié) HVAC（Heating Ventilation and Air Conditioning）系統(tǒng)或者照明系統(tǒng)來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的［30］。微電網(wǎng)負(fù)荷側(cè)的管理是微電網(wǎng)能量管理中的重要部分。隨著電動(dòng)汽車的普及，充電電動(dòng)汽車PEV（Plug-in Electric Vehicle）和混合充電電動(dòng)汽車PHEV（Plug-in Hybrid Electric Vehicle）在微電網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用［31］。PHEV和PEV既可以隨時(shí)隨地從電網(wǎng)中充電，又可以通過(guò)汽車到電網(wǎng)V2G（Vehicle to Grid）技術(shù)向電網(wǎng)輸電［32］，具有可控負(fù)荷和電源的雙重身份，這類負(fù)荷的大規(guī)模接入將給微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)增加難度。

3 微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的基本功能和設(shè)計(jì)框架

3.1 基本功能

微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)具有預(yù)測(cè)可再生能源機(jī)組出力、優(yōu)化燃料機(jī)組發(fā)電、安排儲(chǔ)能充放電、管理可控負(fù)荷、維持系統(tǒng)穩(wěn)定等功能。圖1顯示了微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的幾個(gè)主要功能。微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)主要有4個(gè)功能模塊［33-35］：人機(jī)交流模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、預(yù)測(cè)模塊、決策優(yōu)化模塊。一些外部信息如設(shè)備信息、天氣預(yù)報(bào)等通過(guò)數(shù)據(jù)接口傳遞給微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，同時(shí)微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)也通過(guò)接口與分布式電源互相交換信息。

圖1 微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的功能示意圖Fig.1 Functions of microgrid EMS

人機(jī)交流模塊主要負(fù)責(zé)人與能量管理系統(tǒng)的交流，其采用可視化人機(jī)接口，并提供一個(gè)統(tǒng)一的圖形平臺(tái)［35-36］。通過(guò)人機(jī)界面可以查看微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和所有電氣元件的接入情況，并能實(shí)時(shí)操作開(kāi)關(guān)與刀閘的狀態(tài)，控制微電網(wǎng)的工作方式。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的電壓、電流、有功、無(wú)功、溫度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)將在圖形系統(tǒng)中顯示。通過(guò)對(duì)人機(jī)界面的監(jiān)視，工作人員可以實(shí)時(shí)了解微電網(wǎng)系統(tǒng)、后臺(tái)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的運(yùn)行工況。系統(tǒng)的運(yùn)行信息將通過(guò)文字、圖形、聲光、顏色等多種方式在人機(jī)界面中顯示。

數(shù)據(jù)分析模塊將系統(tǒng)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、各種操作日志以及預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中［36-37］。其歷史服務(wù)功能按照不同的存儲(chǔ)周期和預(yù)先設(shè)定的存儲(chǔ)策略將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)中，并負(fù)責(zé)日、月、年統(tǒng)計(jì)量的統(tǒng)計(jì)工作。報(bào)表分析功能將歷史數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)靈活地組織到表格中，形成實(shí)時(shí)、日、月、年等歷史統(tǒng)計(jì)報(bào)表和預(yù)測(cè)誤差統(tǒng)計(jì)報(bào)表，可統(tǒng)計(jì)最大值、最小值、平均值等，同時(shí)具有打印和表格編輯功能。

預(yù)測(cè)模塊是微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的一個(gè)重要模塊。為了優(yōu)化分布式電源的發(fā)電調(diào)度，需要對(duì)未來(lái)某段時(shí)間內(nèi)的負(fù)荷、可再生能源、市場(chǎng)電價(jià)進(jìn)行預(yù)測(cè)［2，6］。根據(jù)調(diào)度計(jì)劃的時(shí)間尺度不同，通常有短期（1 d至1周）預(yù)測(cè)和超短期（分鐘級(jí)或幾小時(shí)內(nèi)）預(yù)測(cè)。短期預(yù)測(cè)可以采用離線的方式，而超短期預(yù)測(cè)通常需要在線預(yù)測(cè)并實(shí)時(shí)滾動(dòng)。預(yù)測(cè)所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要為系統(tǒng)采集的歷史數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)結(jié)果每隔一定的時(shí)間段傳送回微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)。

決策優(yōu)化是微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的核心模塊。該優(yōu)化系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷和可再生能源的預(yù)測(cè)值、用戶的用電需求、調(diào)度規(guī)則、市場(chǎng)電價(jià)等信息決策分布式電源的發(fā)電調(diào)度、從電網(wǎng)的購(gòu)電計(jì)劃、儲(chǔ)能的出力分配、負(fù)荷的安排［5，34］。 該決策需要滿足一系列約束條件以及控制目標(biāo)，如滿足系統(tǒng)中的熱電負(fù)荷需求，確保微電網(wǎng)與主網(wǎng)系統(tǒng)間的運(yùn)行協(xié)議，盡可能使能源消耗與系統(tǒng)損耗最小，使分布式電源的運(yùn)行效率最高。優(yōu)化決策模塊還能提供微電網(wǎng)系統(tǒng)故障情況下孤島運(yùn)行和重合閘的邏輯與控制方法等，保障微電網(wǎng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 設(shè)計(jì)框架

常用的微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)框架如圖 2 所示，其主要由硬件層和軟件層兩方面［36，38］構(gòu)成。硬件層包含相關(guān)的硬件設(shè)備和支撐平臺(tái)：硬件設(shè)備包括服務(wù)器、控制設(shè)備等；支撐平臺(tái)層包括公共服務(wù)層、數(shù)據(jù)庫(kù)層、網(wǎng)絡(luò)通信層，它支撐著系統(tǒng)的公共服務(wù)、數(shù)據(jù)管理、通信交流。軟件層包括操作系統(tǒng)、功能應(yīng)用軟件等。

圖2 微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架Fig.2 Design framework of microgrid EMS

4 微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)

從微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)來(lái)看，微電網(wǎng)可以分為集中式控制和分散式控制［39］。

4.1 集中式控制結(jié)構(gòu)

集中式控制一般由中央控制器和局部控制器構(gòu)成，其中，中央控制器通過(guò)優(yōu)化計(jì)算后向局部控制器發(fā)出調(diào)度指令，局部控制器執(zhí)行該指令控制分布式電源的輸出。文獻(xiàn)［40］給出了一種3層結(jié)構(gòu)的典型集中式能量管理系統(tǒng)，其3層結(jié)構(gòu)分別為：市場(chǎng)和配電網(wǎng)中心、中央控制器、局部控制器。市場(chǎng)中心負(fù)責(zé)電力市場(chǎng)和微電網(wǎng)之間的信息交流。配電網(wǎng)中心負(fù)責(zé)微電網(wǎng)與主網(wǎng)之間的信息交流。中央控制器是微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的核心單元，其負(fù)責(zé)上層系統(tǒng)與底層單元的信息交流。一方面，中央控制器要滿足配電網(wǎng)的負(fù)荷需求，參與電力市場(chǎng)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行，維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定，處理微電網(wǎng)工作模式的轉(zhuǎn)換；另一方面，中央控制器要根據(jù)局部控制器傳來(lái)的機(jī)組信息、市場(chǎng)和配電網(wǎng)中心的信息，在各種機(jī)組約束和物理約束條件下，以系統(tǒng)網(wǎng)損最小、利潤(rùn)最大等為控制目標(biāo)安排分布式電源的功率分配，并將指令傳遞給局部控制器。

集中式控制的優(yōu)點(diǎn)［4，41］是：有明確的分工，較容易執(zhí)行和維護(hù)；具有較低的設(shè)備成本，能控制整個(gè)系統(tǒng)；目前使用得比較廣泛，技術(shù)上更加成熟。其缺點(diǎn)是：隨著分布式電源的增加，要求中央控制器有較強(qiáng)的計(jì)算處理能力，同時(shí)對(duì)其通信能力也有較高的要求；一旦中心單元故障，整個(gè)系統(tǒng)面臨癱瘓的風(fēng)險(xiǎn)；分布式電源不能即插即用，不容易拓展應(yīng)用。這些缺點(diǎn)成為這種模式的發(fā)展瓶頸。

4.2 分散式控制結(jié)構(gòu)

分散式控制是微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的另一種控制方式。分散式控制方式下，微電網(wǎng)中的每個(gè)元件都由局部控制器控制，每一個(gè)局部控制器監(jiān)測(cè)微源的運(yùn)行狀況，并通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)與其他的局部控制器交流。局部控制器不需要接收中央控制器的控制指令，有自主決定所控微源運(yùn)行狀況的權(quán)力。由于局部控制器僅需要與鄰近的設(shè)備通信交流，其信息傳輸量比集中式控制要少；其計(jì)算量也分擔(dān)到各個(gè)局部控制器當(dāng)中，降低了中央控制器的工作負(fù)擔(dān)。中央控制器在分散式控制結(jié)構(gòu)中主要負(fù)責(zé)傳遞上層系統(tǒng)的負(fù)荷和電價(jià)信息，以及在緊急事件或故障情況下從系統(tǒng)層面上操控局部控制器。

分散式控制的優(yōu)點(diǎn)［41］是：中央控制器的計(jì)算量得到了大幅的削減；如果中央控制器故障，系統(tǒng)仍然能夠運(yùn)行；其分散式的控制模式保證了分布式電源即插即用的功能；適用于大規(guī)模、復(fù)雜的分布式系統(tǒng)。其缺點(diǎn)有：由于局部控制器有較大的自主權(quán)，其存在安全方面的隱患，較難及時(shí)檢測(cè)和維修；分布式電源的平滑控制依賴于局部控制器之間的交流，需要設(shè)計(jì)一種有效的通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；其局部控制器之間的交流可能需要更長(zhǎng)的時(shí)間達(dá)成協(xié)議；由于此種控制方式相比傳統(tǒng)的主從式控制有較大的通信變革，在實(shí)際當(dāng)中還面臨較大的設(shè)備投資和復(fù)雜的通信要求。這使得這種較有潛力的控制方式仍然需要深入研究。

集中式和分散式控制方式都有中央控制器和局部控制器，只是分散式控制弱化了中央控制器的主導(dǎo)功能，通過(guò)強(qiáng)化周邊通信，將控制權(quán)力分散到局部控制器。中央控制器和局部控制器甚至配電網(wǎng)中心在管理系統(tǒng)中均扮演著一定的角色，多代理系統(tǒng)這一概念［42］可以較好地模擬這一特定功能的角色。多代理系統(tǒng)具有較好的靈活性與可擴(kuò)展性，既可以設(shè)計(jì)成集中式控制，又可以設(shè)計(jì)成分散式控制，在微電網(wǎng)的能量管理和控制領(lǐng)域受到了關(guān)注。多代理系統(tǒng)的能量管理策略主要有基于市場(chǎng)交易的競(jìng)爭(zhēng)協(xié)調(diào)［43-44］和基于各種智能算法［45-46］的優(yōu)化調(diào)度。 基于市場(chǎng)交易的多代理系統(tǒng)模擬電力市場(chǎng)環(huán)境，由各分布式電源代理和負(fù)荷代理根據(jù)成本和需求進(jìn)行投標(biāo)，中央控制代理經(jīng)過(guò)決策確定最后的出力狀況。基于智能算法的優(yōu)化調(diào)度類似于傳統(tǒng)的集中式控制，其根據(jù)各代理申報(bào)的情況以特定的目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算來(lái)確定各微源的發(fā)電安排。

5 微電網(wǎng)能量管理的模型與求解算法

5.1 微電網(wǎng)能量管理的模型

微電網(wǎng)能量管理的目標(biāo)是在滿足系統(tǒng)負(fù)荷需求和各種物理約束條件的情況下，以最小化分布式電源運(yùn)行成本、系統(tǒng)網(wǎng)損、停電概率、污染排放等為目標(biāo)，為分布式電源和儲(chǔ)能系統(tǒng)提供功率運(yùn)行點(diǎn)。由于有多個(gè)運(yùn)行目標(biāo)，微電網(wǎng)能量管理的控制目標(biāo)可以描述成多目標(biāo)函數(shù)［47-48］或者某一方面的單目標(biāo)函數(shù)［49-51］。

可再生能源的發(fā)電基本上沒(méi)有成本，微電網(wǎng)的調(diào)度策略一般是優(yōu)先利用可再生能源的發(fā)電，通過(guò)預(yù)測(cè)系統(tǒng)預(yù)測(cè)可再生能源和負(fù)荷的出力值，在此基礎(chǔ)上安排可調(diào)度機(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)的出力?？烧{(diào)度機(jī)組的約束條件包括發(fā)電上下限約束、機(jī)組爬坡約束、最小啟停時(shí)間約束。對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)的建模，常用的模型有電力庫(kù)模型［52］、KiBaM 模型［53］，其約束條件一般包括電力容量約束、充放電上下限約束。對(duì)于系統(tǒng)約束則包括功率平衡約束、熱能平衡約束、系統(tǒng)備用約束、線路潮流限值約束、母線電壓限值約束。對(duì)于有特殊控制要求的設(shè)備可以加入一些額外約束如蓄電池充放電次數(shù)約束［54］。另外，對(duì)于有逆變器接口的分布式電源，其有功/頻率的下垂特性也常作為約束條件［55-57］。

5.2 模型的求解算法

多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題常通過(guò)將目標(biāo)函數(shù)加權(quán)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題［58］，采用單目標(biāo)優(yōu)化方法求解。另外也可以采用多目標(biāo)優(yōu)化方法求解，如非支配多目標(biāo)遺傳算法等。下面介紹的算法主要是針對(duì)單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。

不考慮可再生能源的預(yù)測(cè)誤差情況下，微電網(wǎng)能量管理模型屬于機(jī)組組合問(wèn)題。目前大部分微電網(wǎng)能量管理模型不考慮系統(tǒng)潮流的約束，采用的求解方法主要有混合整數(shù)線性規(guī)劃方法［50，59-61］、動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法［62］、遺傳算法［51，63］、粒子群優(yōu)化算法［64-65］、蟻群算法［66］等智能算法以及基于規(guī)則判斷的專家系統(tǒng)［67-68］等算法。其中混合整數(shù)線性規(guī)劃方法通過(guò)將優(yōu)化模型中的非線性函數(shù)轉(zhuǎn)化為線性函數(shù)，從而將優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題，采用成熟的專業(yè)軟件求解，通常具有較高的求解精度和較快的求解速度［69］。對(duì)于考慮潮流約束的模型，一般是在計(jì)算過(guò)程中加入最優(yōu)潮流［70-71］或前推回代法等配電網(wǎng)潮流計(jì)算的子程序。由于非線性約束劇增，通常采用遺傳算法、粒子群算法等智能算法進(jìn)行優(yōu)化求解。

微電網(wǎng)中光伏、風(fēng)電等可再生分布式電源出力的隨機(jī)性、間歇性給微電網(wǎng)的短期調(diào)度帶來(lái)挑戰(zhàn)。光伏、風(fēng)電的隨機(jī)分布特性常用其概率密度分布函數(shù)來(lái)描述［72］。一般情況下，光伏出力可認(rèn)為服從Beta分布，風(fēng)電出力可以通過(guò)由服從Weibull分布的風(fēng)速經(jīng)風(fēng)機(jī)的出力-風(fēng)速轉(zhuǎn)換函數(shù)獲得［73］。負(fù)荷一般服從高斯分布。目前考慮可再生能源出力預(yù)測(cè)誤差分布的短期調(diào)度方法主要有基于機(jī)會(huì)約束的隨機(jī)規(guī)劃方法［65，74］、基于抽樣技術(shù)的場(chǎng)景削減法［75］、點(diǎn)估計(jì)法［63，76］。 其中，場(chǎng)景削減方法利用場(chǎng)景削減技術(shù)將眾多的情景轉(zhuǎn)化為可數(shù)的典型靜態(tài)場(chǎng)景進(jìn)行調(diào)度分析；點(diǎn)估計(jì)法則通過(guò)計(jì)算多隨機(jī)變量構(gòu)成的隨機(jī)函數(shù)值的概率統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行分析。

6 微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

目前微電網(wǎng)能量管理主要采用集中式控制，隨著技術(shù)的成熟，分散式控制將逐漸成為微電網(wǎng)能量管理控制結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。分散式控制使得分布式電源能夠即插即用，任何分布式電源或儲(chǔ)能設(shè)備在任何時(shí)間都可以連接到微電網(wǎng)中，大幅提高了用電的靈活性。

微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)對(duì)微電網(wǎng)的使用便利性和高效性起著重要的作用。由于微電網(wǎng)的特殊性，微電網(wǎng)的能量管理依然面臨一系列挑戰(zhàn)，主要有以下3個(gè)方面。

a.微電網(wǎng)中可再生能源如風(fēng)電、光伏出力受自然環(huán)境的影響，具有間歇性、波動(dòng)性和可預(yù)測(cè)性差等特點(diǎn)。微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中需要考慮這些隨機(jī)因素的影響。

另一方面，隨著可控負(fù)荷形式的增多，可控負(fù)荷如PEV可以隨時(shí)隨地連接到微電網(wǎng)中，這增加了微電網(wǎng)負(fù)荷側(cè)時(shí)間和空間上的不確定性。微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)在需求側(cè)的管理中需充分考慮到這些不確定性因素。

b.各種儲(chǔ)能技術(shù)各具優(yōu)缺點(diǎn)，單一的儲(chǔ)能技術(shù)很難在技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性上滿足要求，常常需要多種儲(chǔ)能技術(shù)的配合才能達(dá)到效果。多種儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)化配合以及多儲(chǔ)能系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)度將成為微電網(wǎng)能量管理的一個(gè)難點(diǎn)。

c.可靠且兼容的通信網(wǎng)絡(luò)是微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)。通信可能會(huì)存在的延時(shí)、超時(shí)失敗等問(wèn)題，將影響微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的執(zhí)行。另一方面，微電網(wǎng)的通信主要是通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸，而無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的共享和易接近等特點(diǎn)，使得其存在安全陷患。因此微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和通信安全也是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。

7 結(jié)語(yǔ)

微電網(wǎng)的能量管理是微電網(wǎng)技術(shù)中一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容。隨著微電網(wǎng)的不斷發(fā)展和規(guī)模的擴(kuò)大，微電網(wǎng)的能量管理將面臨控制結(jié)構(gòu)、優(yōu)化算法、通信設(shè)計(jì)等一系列需要解決的問(wèn)題。本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外微電網(wǎng)能量管理的研究現(xiàn)狀，從微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的管理對(duì)象、基本功能、設(shè)計(jì)框架、控制結(jié)構(gòu)等方面全面介紹了微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的軟硬件的構(gòu)成和主要功能。此外，針對(duì)當(dāng)前微電網(wǎng)能量管理的理論研究給出了微電網(wǎng)能量管理的基本模型和優(yōu)化算法，對(duì)現(xiàn)在研究工作存在的問(wèn)題和難點(diǎn)進(jìn)行了概括，指出了進(jìn)一步研究的方向。