摘  要： 提出了雙層協(xié)調(diào)調(diào)度的方法——計(jì)劃調(diào)度層和實(shí)時(shí)調(diào)度層來(lái)解決微電網(wǎng)孤網(wǎng)實(shí)時(shí)能量?jī)?yōu)化管理的問(wèn)題。計(jì)劃層是基于不可控微電源功率預(yù)測(cè)的主要考慮微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性的調(diào)度方法；實(shí)時(shí)層是在計(jì)劃層的基礎(chǔ)上對(duì)不可控微電源實(shí)際功率與預(yù)測(cè)功率之間的誤差進(jìn)行調(diào)度，再將調(diào)度結(jié)果疊加到計(jì)劃層各個(gè)可控微電源的功率上。在實(shí)時(shí)層，可控微電源的功率范圍與計(jì)劃層是不同的，下限為其在計(jì)劃層出力的相反數(shù)，上限為其最大出力與計(jì)劃層出力差值。最后通過(guò)一個(gè)典型的微電網(wǎng)實(shí)例驗(yàn)證了該方法的正確性和優(yōu)越性。

　　關(guān)鍵詞： 雙層協(xié)調(diào)調(diào)度；能量?jī)?yōu)化管理；微電網(wǎng)；孤網(wǎng)運(yùn)行

　　微電網(wǎng)孤網(wǎng)實(shí)時(shí)能量?jī)?yōu)化管理就是指通過(guò)協(xié)調(diào)微電網(wǎng)中的分布式微電源、儲(chǔ)能設(shè)備，對(duì)用戶的需求側(cè)管理，對(duì)微電源的輸出功率的控制管理，實(shí)現(xiàn)根據(jù)微電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行情況下動(dòng)態(tài)地對(duì)微電網(wǎng)中負(fù)荷在各分布式電源、儲(chǔ)能裝置單元之間進(jìn)行全局性的優(yōu)化分配，使微電網(wǎng)安全、高效、可靠和經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。

　　參考文獻(xiàn)[1]將一個(gè)潮流優(yōu)化問(wèn)題應(yīng)用到基于實(shí)時(shí)信息的能量管理系統(tǒng)中，然而，由于可控微電源在一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間中沒(méi)有協(xié)調(diào)，分布式電源的出力會(huì)隨風(fēng)力出現(xiàn)波動(dòng)；參考文獻(xiàn)[2]中微電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化問(wèn)題簡(jiǎn)化成一個(gè)基于儲(chǔ)能系統(tǒng)的多時(shí)段優(yōu)化問(wèn)題，只給出了日前調(diào)度的方案，沒(méi)有考慮不可控微電源的實(shí)時(shí)波動(dòng)和功率約束理論；一個(gè)相似的作為頂層多時(shí)段優(yōu)化問(wèn)題在參考文獻(xiàn)[3]中提出，功率的波動(dòng)是在協(xié)調(diào)層被儲(chǔ)能系統(tǒng)所平穩(wěn)，但是沒(méi)有對(duì)策來(lái)處理當(dāng)功率波動(dòng)超出儲(chǔ)能系統(tǒng)范圍時(shí)的問(wèn)題，因此，這個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能范圍必須足夠大來(lái)平穩(wěn)功率的波動(dòng)，這種情況下，儲(chǔ)能系統(tǒng)在頂層調(diào)度中就沒(méi)什么意義了。

　　本文研究的重點(diǎn)是微電網(wǎng)孤網(wǎng)模式運(yùn)行下的實(shí)時(shí)能量?jī)?yōu)化管理，提出了一個(gè)雙層協(xié)調(diào)控制調(diào)度的方法來(lái)處理微網(wǎng)實(shí)時(shí)能量管理問(wèn)題，雙層包括計(jì)劃調(diào)度層和實(shí)時(shí)調(diào)度層。計(jì)劃層主要是基于短期的不可控發(fā)電源的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)微網(wǎng)運(yùn)行進(jìn)行日前的多時(shí)段經(jīng)濟(jì)性調(diào)度；實(shí)時(shí)層是基于不可控發(fā)電源的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)時(shí)與預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行調(diào)度，然后將調(diào)度的結(jié)果疊加給已經(jīng)調(diào)度好的各個(gè)可控微電源。

　　1 計(jì)劃調(diào)度層

　　1.1 計(jì)劃層目標(biāo)函數(shù)

　　微網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)計(jì)劃層目標(biāo)函數(shù)為：

　　其中，f表示計(jì)劃層成本，DG表示可控微電源，S+和S-分別表示充電和放電，S表示充電或放電L，表示可切斷負(fù)荷，N表示計(jì)劃層對(duì)一天劃分的時(shí)段數(shù)，Q表示數(shù)量，K表示微電源的維護(hù)成本[4]，c表示價(jià)格，on表示微電源的啟停，*表示微電源狀態(tài)的改變，F(xiàn)表示微電源的發(fā)電成本函數(shù)。式（5）表示某個(gè)可切斷負(fù)荷在一段時(shí)間內(nèi)不能頻繁切斷。

　　1.2 計(jì)劃層約束條件

　　功率平衡約束為：

　　其中，load表示負(fù)荷，unctrl表示不可控微電源，SOC表示儲(chǔ)能能量狀態(tài)，?濁c和?濁d分別表示充電和放電系數(shù)，d表示一個(gè)周期內(nèi)放電時(shí)間。

　　1.3 計(jì)劃層優(yōu)化方法

　　微電網(wǎng)處于孤網(wǎng)運(yùn)行模式下時(shí)，由于脫離主網(wǎng)提供的功率，不能在任意時(shí)刻都能滿足所有負(fù)荷用電的需求，所以必須采取有效的策略來(lái)保證微網(wǎng)安全、可靠地運(yùn)行。具體步驟如下。

　?。?）據(jù)預(yù)測(cè)功率數(shù)據(jù)判斷各時(shí)段微電源的最大發(fā)電功率之和是否滿足負(fù)荷用電的總功率。

　?。?）若各時(shí)段微電源最大發(fā)電功率之和都滿足負(fù)荷用電的總功率，則轉(zhuǎn)步驟（4），否則轉(zhuǎn)步驟（3）。

　?。?）如果某時(shí)段所有微電源的額定發(fā)電功率之和不滿足負(fù)荷用電的總功率，則對(duì)部分可切斷負(fù)荷進(jìn)行切斷。

　?。?）基于預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)并利用粒子群優(yōu)化算法在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度。

　　2 實(shí)時(shí)調(diào)度層

　　2.1 實(shí)時(shí)層目標(biāo)函數(shù)

　　其中f′表示實(shí)時(shí)層成本；N′表示實(shí)時(shí)層將一天劃分的時(shí)段數(shù)；f′L為對(duì)切負(fù)荷的實(shí)時(shí)調(diào)整成本，為正表示實(shí)際還需要多切負(fù)荷所付出的代價(jià)，為負(fù)表示實(shí)際不需要切斷的負(fù)荷而不必付出的的代價(jià)；LG表示實(shí)時(shí)調(diào)整負(fù)荷的個(gè)數(shù)；?駐P為微電源實(shí)時(shí)功率與預(yù)測(cè)功率的差值。

　　2.2 實(shí)時(shí)層約束條件

　　實(shí)時(shí)層實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)與計(jì)劃層日前預(yù)測(cè)總的有功功率誤差為：

　　2.3 實(shí)時(shí)層優(yōu)化方法

　　由于在孤網(wǎng)運(yùn)行模式下沒(méi)有主網(wǎng)的支持，實(shí)時(shí)與預(yù)測(cè)的誤差對(duì)微網(wǎng)系統(tǒng)影響更大，因此必須找出相應(yīng)的策略消除此誤差使微網(wǎng)安全可靠地運(yùn)行。具體策略如下。

　?。?）從t=1時(shí)刻起判斷實(shí)時(shí)需求功率與計(jì)劃需求功率誤差是否存在，即誤差是否為0。

　?。?）判斷誤差的正負(fù)。

　　（3）如果誤差為正，則判斷各可控微電源在最大功率運(yùn)行下是否滿足此誤差，如果滿足，則轉(zhuǎn)步驟（6）；否則對(duì)可切斷負(fù)荷進(jìn)行切斷。

　?。?）進(jìn)行切負(fù)荷，轉(zhuǎn)步驟（6）。

　?。?）如果誤差為負(fù)，則判斷此時(shí)刻是否有被切負(fù)荷；如果有被切負(fù)荷，則給相應(yīng)的負(fù)荷進(jìn)行供電，如果沒(méi)有則轉(zhuǎn)步驟（6）。

　　（6）利用粒子群算法進(jìn)行優(yōu)化[6]。

　?。?）t=t+1。

　?。?）判斷t是否等于N′，如果等于則轉(zhuǎn)步驟（9）；如果不等于則轉(zhuǎn)步驟（2）。

　　（9）結(jié)束。

　　3 算例分析

　　用于仿真的微網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示[7-9]。

　　系統(tǒng)由柴油機(jī)（DE）、燃?xì)廨啓C(jī)（MT）、燃料電池（FC）、蓄電池（BS）可控微電源，光伏發(fā)電（PV）、風(fēng)力發(fā)電（WT）以及用電負(fù)荷（Load）組成。柴油機(jī)的成本公式由參考文獻(xiàn)[10]給出，燃?xì)廨啓C(jī)的成本公式由參考文獻(xiàn)[11]給出，燃料電池的成本公式由參考文獻(xiàn)[12-15]給出，各個(gè)可控微電源的發(fā)電功率上下限以及爬坡率如表1所示。

　　所有用電負(fù)荷分為家庭用電和工業(yè)用電兩部分，一個(gè)典型的統(tǒng)計(jì)分析和需求調(diào)查曲線如圖2所示。

　　將單獨(dú)的某一天作為例子，計(jì)劃調(diào)度層分為24個(gè)時(shí)段，即調(diào)度周期為1小時(shí)；實(shí)時(shí)調(diào)度層分為96個(gè)時(shí)段，即調(diào)度周期為15 min。風(fēng)能發(fā)電和光伏發(fā)電的預(yù)測(cè)和實(shí)時(shí)功率曲線如圖3所示。

　　圖4是微網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行模式下計(jì)劃層和實(shí)時(shí)調(diào)度層DE、MT、FC可控單元的出力曲線。

　　在計(jì)劃層和實(shí)時(shí)調(diào)度層儲(chǔ)能的充放電功率以及能量曲線如圖5所示。

　　微網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行下，各可控微電源實(shí)際出力與計(jì)劃出力的誤差如圖6所示。

　　在圖中可以看出，負(fù)荷在13、14、15時(shí)段功率需求達(dá)到近500 kW，即使各微電源處于滿發(fā)狀態(tài)下也無(wú)法達(dá)到要求。因此為了使微網(wǎng)能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行，在這種情況下就要考慮切斷負(fù)荷，如圖7所示的是負(fù)荷功率的總需求和實(shí)際微網(wǎng)提供的功率曲線。

　　圖7中，在8∶45、9∶15、10∶00時(shí)刻是由實(shí)時(shí)調(diào)度層不可控微電源的功率波動(dòng)而導(dǎo)致的負(fù)荷切斷，在12∶45至15∶45時(shí)段是有計(jì)劃層提前規(guī)劃所要的負(fù)荷切斷。

　　本文提出了雙層調(diào)度的方法來(lái)解決微網(wǎng)孤網(wǎng)實(shí)時(shí)能量管理的問(wèn)題，取得了很好的效果。此方法使微網(wǎng)保持經(jīng)濟(jì)、安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

　?。?）在計(jì)劃層通過(guò)調(diào)度各可控微電源的出力，使各可控微電源處于最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)，保持微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；

　?。?）在實(shí)時(shí)層，微網(wǎng)提供了可靠的負(fù)荷功率，使其保持經(jīng)濟(jì)最優(yōu)狀態(tài)下，負(fù)荷用電的滿意度最好；

　?。?）實(shí)時(shí)調(diào)整可控微電源的出力來(lái)消除微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的功率波動(dòng)。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] E.SORTOMMEAND M A， EL-SHARKAWI. Optimalpower flow for a system of microgrids with controllable loads and battery storage[C]. Power Systems Conf. Expo， 2009：1-5.

　　[2] CHEN C， DUAN S， CAI T， et al. Optimal allocation and economic analysis of energy storage system in microgrids，IEEE Trans[J]. Power Electron， 2011，26（10）：2762-2773.

　　[3] Zhu D， Yang R， Hug-Glanzmann G. Managing microgrids with intermittent resources： A two-layer multi-step optimal control approach[C]. North American Power Symp， 2010：1-8.

　　[4] AZMY A M， ERLICH I. Online optimal management of PEM fuel cells using neural networks[J]. IEEE Transactions on Power Delivery， 2005， 29 （2）：1051-1058．

　　[5] 陳達(dá)威，朱桂萍．微電網(wǎng)負(fù)荷優(yōu)化分配[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34（20）：45-49.

　　[6] 習(xí)朋，李鵬，劉金鑫.孤島運(yùn)行模式下的微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)負(fù)荷分配[J].電網(wǎng)與清潔能源，2011，27（8）：13-18.

　　[7] 周華鋒，涂衛(wèi)平，劉皓明．孤島運(yùn)行方式下微網(wǎng)有功功率優(yōu)化策略研究[J]．廣東電力，2010，23（7）：1-4．

　　[8] TSIKALAKIS A G， HATZIARGYRIOU N D． Centralized control for optimizing microgrids operation[J]. IEEE Trans.on Energy Conversion， 2008，23（1）：241-248.

　　[9] RUDION K， ORTHS A， STYCZYNSKI Z A， et al． Design of benchmark of  medium voltage distribution network for investigation of DG integration[C]. Proceedings of IEEE Power Engineering Society General Meeting． Montreal，Canada： IEEE PES，2006：1-6．

　　[10] 林偉，陳光堂，邱曉燕，等.基于改進(jìn)自適應(yīng)遺傳算法的微電網(wǎng)負(fù)荷優(yōu)化分配[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40（12）：49-55.

　　[11] 牛銘，黃偉，郭佳歡，等.微網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行研究[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2010，34（11）：38-42．

　　[12 MARTIN JOSE IGNACIO SAN， ZAMORA INMACULADA， MARTIN JOSE JAVIER SAN， et al. Hybrid fuel cells technologies for electrical microgrids[J]. Electric Power Systems Research， 2010，80（9）： 993-1005.

　　[13] OBARA SHIN′YA. Power generation efficiency of an SOFC—PEFC combined system with time shift utilization of SOFC exhaust heat[J]. International Journal of Hydrogen Energy. 2010， 35（2）： 757-767.

　　[14] 趙璽靈，付林，張興梅，等.SOFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2009，30（10）：1437-1442.

　　[15] AZMY A M， ERLICH I. Online optimal management of PEM Fuel cells using neural networks[J]. IEEE Transactions on Power Delivery. 2005， 20（2）：1051-1058.