杨秀：微电网能量管理与优化调度

“我国微电网的发展方向具有一定的包容性，对内可以有效接纳分布式电源，对外可以与大电网兼容，并提高辅助增值服务，还具备灵活性。”

8月25-26日，首届全国用户侧储能细分市场开发与应用高层研讨会在江苏无锡太湖饭店召开。会议由江苏省电机工程学会、国网江苏省电力公司电力科学研究院、全国微电网与分布式电源并网标准化技术委员会、中国化学与物理电源行业协会储能应用分会联合主办。会议吸引了国内近400位学术和行业专家及企业高层代表参会。上海电力学院杨秀教授在会议上,就“微电网能量管理与优化调度”发表演讲。

演讲全文如下：

杨秀：我今天讲的题目是微电网能量管理与优化调度，我主要是讲能量管理和优化调度方面的内容，从四个部分开始。

这部分有关可再生能源分布式发电。这里提出了一个对于微电网的主要思路，实际上也是为了分布式能源的并网，因为这里面大致总结了一下分布式能源并网当中主要的优点。但是如果完全无序并网的话，里面也会带来一些缺点。这些缺点因为改变了配网潮流，给我们的保护会带来困难。这个问题在德国分布式发电发展非常迅速，特别是分布式光伏。从我们跟他们的交流也能看到，德国在大量分布式光伏上网之后，对整个调度部门的管理也带来了非常大的压力。微电网大家也提出了理念，这些理念提的都不一样。微电网基本上首先是要由分布式电源负荷储构成，并且是在用户。所以说微电网大多数就是在的用户层面来进行运行，并且也能够并网运行也能够自治运行等等。

在我们国家，我们认为微电网在孤立的海岛、城市的片区和偏远的农村有很大的应用前景。比如说浙江的东山岛、南麂岛(音)。浙江的沿海岛屿很多通过远距离送电不大现实，目前这些岛屿上都建有微电网项目。另外还有一些偏远农村。我从小生活在新疆，在新疆地区有很多农业区域非常偏僻。牧区还有一个问题是流动性。新疆的牧区牧民一个家庭使用的我们认为就是一个小型微电网。这里面主要就是光伏再配一些储能。这个成本比较高，让牧民承担不大可能，现在主要还是靠新疆政府给予一些支持。另外像南疆地区有非常偏远的农村，以前都是通过远距离输电解决用电，但是这些地方农村人口非常少，远距离供电的话成本非常大。但新疆光照条件非常好，这也是微电网发展的一个好方向。

我国微电网的发展方向具有一定的包容性，对内可以有效接纳分布式电源，对外可以与大电网兼容，并提高辅助增值服务，还具备灵活性。

再下面是定制性。对于微电网来讲现在我们经常谈一个园区的微电网，我们对于园区的微电网并不要求所有的园区里负荷都拿微电网运行的时候都能供得起，目前来看是不现实的。因此我们要对一个园区的负荷进行分级。一旦电源中断，对园区里面不同的负载实行不同的供电模式，某些时候负载也是可以停的。对微网来讲最终还是建设商和用户的利益。最后是自治性，主要是讲微网安全可靠运行。

下面我们主要讲一下微网的能量管理与优化调度。微网的能量管理基本理念实际上是和大电网能量管理EMS系统转化过来的。大电网EMS系统主要是对电网进行调度决策、管理以及控制，最终保证电网安全运行和经济运行，这就是我们说的大电网这一部分。微网能量管理系统基本理念和大电网是类似的，但是我微网规模小很多，同时里面融合了大量的分布式能源、储能接入。微网能量管理跟大电网还是有很多不同。我们来看一下微网能量管理。通过管理微网的微源及负荷运行状况，通过对分布式发电可控、储能进行有功无功指令，最终是实现能源最佳利用并且使微网长期经济可靠运行，这是我们对能量管理系统综合可靠定义。

这里我们分为两种，长时间的管理和一个短期能量管理。长期更多是考虑经济性和安全性，这个时候长期往往可能是以天为单位，甚至时间更长是以周为单位进行能量管理。这里要考虑环境影响以及发电成本、系统内的可控负荷和大电网的信息等等方面的内容。对于短期能量管理，就要在分甚至是秒的时间段。这里包括系统内的频率调节、分布式电源和储能设备，整个微电网控制是结合起来的，也就是说响应的速度要相对来说快很多。

功能逻辑大致上可以分为这几部分，包括对微网来负荷预测、大电网能量交换、分布式电源机组出力和负荷的需求侧响应等等，对于这一部分统一进行管理就构成了微电网的能量管理系统。

我们把微电网能量管理系统分成了三层：优化层、管理层和设备层三个逻辑层次。有的地方把它分成两个层次。首先第一个我们将最底层称之为设备层。这个设备层实际上是属于微电网的各个单个设备控制部分，比如说储能接受上级控制指令，还有其他的比如说光伏的逆变器等接受上级的控制指令，我们都把它作为设备层。设备层是各个设备自己控制自己。管理层实际上就是在整个微网网络层，比如说微网控制系统开通了微网控制器、测控这样一些装置，我们把它都可以作为一个管理层或者说网络层的设备。

设备层和管理层实际上都应该属于传统的系统，也就是控制系统。优化层面实际上是最上面一层。有的时候我们也简单分两层，分两层就是优化层和控制层。下面这一部分时间响应速度很快，比如说毫秒级响应，顶多不超过秒级，上面这一部分就是我们时间更长，比如小时级。

我今天讲的重点还是在能量管理。能量管理忧患这一部分首先有一个建模，这个建模更多是从能量优化层面进行，这个时候考虑基本模型。第二部分是可再生能源的发电预测，包括负荷预测。再往下就是分布式电源的控制策略，因为最终执行就是靠分布式能源的控制策略和最上层的能量优化调度方法。

基本上优化调度都是能量管理的重要内容。既然提到优化总要有一个优化目标。目前来讲优化目标要么是环境目标、要么是安全目标，要么是这几种组合，最终最大限度实现可再生能源利用率以及微网运行经济性。这是常用的目标函数，这是要考虑的经济成本，最终约束条件就是各个电源已有的运行状态约束和功率的约束。

微电网的优化调度与传统电力系统大电网的优化调度有着很大的不同。比如说微电网更多是风光储，还是以电能调度为主。实际上在国外很多地方，微电网本身的特点就是因地制宜。像美国有很多燃气资源，冷热电联供的形式就比较多，因此在进行调度的时候要保证冷热电的均衡。微电网再往下发展，如果把冷热电都考虑下来，我们讲的储能只是单纯的储电，未来再把储热、制冷考虑进来，实际上这样的微电网就已经变成了标准的能源互联网模型。现在国内一直在推的能源互联网和示范工程就是跟这一类是有关的。

第二点不同就是功率波动非常显著，这跟大电网是非常不一样的。大电网主要是混电机组，对于调动系统来讲在一个比较短的时间内保持着一个比较稳定的状态。但是微电网不一样。因为风电光伏波动性非常明显，而且因为微源容量比较小，一个负荷的变化或者说一个单一电源的变化就会对运行造成很大影响。所以微电网有时候能量管理和控制相对来说比大电网要脆弱很多。

第三部分就是在考虑效益方面不是单纯考虑经济效益和安全，还要考虑环境和环保效益。微网有两种情况：并网和离网运行。并网和离网能量管理运行方式是完全不一样的。对于并网来讲因为要考虑跟大电网能量交换，所以最重要考虑按照大电网的计划进行执行。总的来看还是要考虑经济方面。如果目前的微电网一旦到了离网运行状态，更多时候经济运行不是主要的，主要的是我们要保证安全稳定性，因为在离网运行状况下，微电网本身还是比较脆弱的。

下面是一些主要的基本控制。底层控制可以看到常用的PQ控制、VF控制和下垂控制。目前来讲PQ控制任何分布式电源都是常用的控制，VF控制也是储能或者主电源单元采用的VF控制。这两种控制方式在微电网中虽然说用了很多，但如果微电网发展到未来发展应该要考虑灵活性，特别是即插即用，微电源或者负载可以任意增加和减少。这个时候，下垂控制更加适应即插即用的方式，我们现在更多研究就是下垂控制。

第四部分简单介绍优化调度案例。这个案例是一个380V通过公共连接点接入，接入之后形成一个并网型微电网。分布式电源类型我们考虑了很多，包括风力发电、光伏、热电联产，目前来看国内更多是风光储。在国际上燃气轮机做冷热电联供采用的比较多的，下面还有负荷分极。储能这部分考虑能量型储能就是蓄电池，还有一种是功率型储能就是超级电容。

这部分的运行策略我们跟主电网运行，这时候大部分是从主网吸取电能，当然这一方面设计也是可以给外网进行供电。但是目前的微电网更多还是把它当成可控负荷，微电网更多是完全按照大电网能量交换极化曲线进行运行。风电和光伏在微网当中还是按照最大功率跟踪的方式进行运行，我们往往不控制它。随着微电网进一步发展，如果要满足保证微电网稳定运行，风电光伏现在也慢慢可控了。这几年可以看到很多厂家提供的分布式小型逆变器开始具有功率可调节功能，功率在有功和无功范围有一定调节能力，并不是说只有一种MPPT的运行方式。这样增加了一些调节手段，不至于对于微电网控制来控制去只是不能控制储能。优化调度思路方面，我们提出一种微网双重优化调度策略，包括日前调度和实时调度。这两种调度最终保证两个目的：日前调度主要保证经济性，实时调度主要弥补日前调度。因为日前调度往往是拿预测的数据和负荷预测数据进行实时计划制订，但这个计划制订跟实时数据是有偏差的，因此这里引入了一个实时调度。我们应该要把实时调度当中偏差的功率在这里设计的等于说是两个，也就是说对于我们的蓄电池功率型储能在进行补偿的时候主要是来抑制这种等效负荷的低频波动，超级电容主要抑制高频波动。

这是一个大概的结果曲线，总的来说低谷冲段高峰时间的放电是他的方式，实现了联络线双向供电。但是我们在做的过程中也把联络线设定为按照电网公司的极化曲线方式运行。包括燃料电池的成本比较高一般来说只作为备用而已，在这里我们可以看到这一次的滤波，可以看出在这里采用的蓄电池储能跟超级电容之间混合的抑制波动功率。在这里可以看到红色曲线蓄电池功率出力调整主要是抑制比较慢速的波动。对于负荷，这种整个负荷曲线当中比较高频的波动建议还是采用超级电容，这两者之间联合起来进行滤波，这两者当中不管是新能源波动还是频率负荷波动都是很有帮助的。我上周刚刚参加了江苏电科院提供的项目验收，新能源实验室当中也是采用这种方式，锂电池来抑制低频波动，超级电容来抑制高频波动，这两者联合动作实际上对于整体的经济效益包括电池寿命都是有好处的。

最后简单总结一下，微电网的运行方式灵活，但能量管理是微电网研究重要的组成部分。当然我们也要说一下目前的微电网。现在大批量的小型微电网大多数还只是做到控制，能够保证安全稳定的控制，220、330小型的微网实验室因为可控手段比较少，里面所提的能量管理并没有充分实现。但是目前来讲，以后如果我们是接了十千伏微电网或者微电网规模比较大，一个园区的微电网就必须进行能量管理和优化调度。未来发展形式就是若干个微电网的群，我们要通过研究各个子网之间的能量互进方式，协调优化最终完成大的微电网群的能量管理。