分布式微网能量管理系统结构和管理研究

张钟平，宣施超

（1.国家能源分布式能源技术研发（实验）中心，浙江 杭 州310030；2.浙富水电国际工程有限公司，浙江 杭 州310030）

1 引言

随着石油、煤炭资源等化石能源的使用产生了大量的CO2，引起全球变暖问题，使人类的生存受到威胁。天然气、风能、太阳能这些“绿色能源”由于其具有清洁、无污染、可再生特点引起全世界的关注，其中分布式能源作为一种可以有效利用新能源的发电形式，成为研究的热点。我国微网的管理系统研究尚处于起步阶段，目前清华大学、中国科学院电工研究所、天津大学、河海大学等单位相继开始了微网管理系统技术的研究，同时微网的能量管理系统技术已经慢慢是国内近年的研究热点。本文主要对分布式微网能量管理系统结构和能量管理方案的介绍和分析。

2 微网管理系统概念

分布式微网能量管理系统（Microgrid－EMS，简称MEMS系统）是分布式能源（分布式DR）的控制核心，以计算机为基础的现代电力系统的综合自动化系统。分布式微电网自身容量较小，加上光伏、风电、和负荷的变化，分布式能源本身具有波动性和间歇性，且具有大量的电力电子设备接口，电力电子设备具有较快的反应速度、输出阻抗小、过载能力低等特点，所以增加了微网控制的难度，微网电压和频率的变动较大，微网能量协调控制通过对微电源的P／Q控制、V／f控制和下垂控制进行组合对微网整体进行协调控制，控制系统需要统筹各个分布式电源运行方式，在电力系统中扮演重要的中间角色，并完成系统内部各微电源之间、独立微网与主微网、多个微网间、区域微网间的多种协作和管理。

3 微网管理系统结构

分布式微网能量管理系统一般分为微网就地设备控制器层、中间控制层能量分析和管理层的分布式能量管理系统（见图1）。

图1 分布式微网能量管理系统典型结构

3.1 系统分层结构

微网就地控制器层主要包括燃气分布式电源控制器、光伏逆变器、储能PCS设备、负荷控制器；中间控制层包括数据通信模块、运行控制模块、储能管理模块、负荷管理模块；能量分析和管理层包括数据通信与监控模块、数据监测和分析、性能计算、经济调度和优化运行模块、预测模块和控制策略管理等。

不同微网的就地设备控制层之间不需要通信，而不同中间控制层之间实现数据交互和通信，根据不同微网之间的运行和负荷特性进行协调控制，微网能量分析和管理系统将所有中间控制层上送的数据进行汇总和分析，并根据微网运行情况和需求发送指令至中间控制层，实现能源的综合分析和管理。

3.2 系统分层管理

3.2.1 微网就地设备控制层

微网就地设备层主要完成实时数据采集、分布式电源输出控制、负荷控制，并将数据上送至中间管理层。

数据采集主要包含分布式电源本体、储能系统、光伏系统和负荷系统的实时数据，主要包含电气参数和热力参数，具体见表1。

微网就地设备控制层的控制主要是对分布式电源的输出功率、出力、燃料进气量、冷热负荷和接收运行模式指令的控制，运行模式控制主要有PQ运行模式、VF运行模式、下垂特性运行模式，根据用户需求和电网状态调节微网在并网、离网和并离网切换的运行模式。

表1 数据采集

3.2.2 微网中间控制层

微网中间控制层接收就地控制层发送的设备运行数据，通过分析制定控制策略，对各控制器进行管理和调度。当检测到大电网故障时，发命令给就地设备控制层，实现微网与电网断开，并切换到并／离网控制模式，微网进入孤岛运行模式。当检测到大电网恢复后，运行控制模块指令切换到离／并网模式，微网进入并网运行。微网中间控制层储能系统的充放电状态进行检测，根据系统需求对蓄电池进行充放电管理，并对储能装置的运行方式（PQ、VF）、输出有功、无功功率进行控制。中间控制层对微网内的负荷根据重要程度分为敏感负荷、一般负荷、可中断负荷，根据检测到的负荷大小分配微电源的处理，保持微电源与负荷之间的平衡，在微电网孤网运行时，切除可中断负荷或一般负荷，保证敏感负荷的正常供电。

3.2.3 微网能量管理层

能量管理层采集中间控制层上传的微网实时数据信息、分布式电源信息、负荷信息等，实现微网的调度、管理和控制，实现冷、热、电各种能源的综合优化，跟根据用户需求和电网状态，实时调整控制策略和运行模式，实现微网的经济和安全稳定运行（图2）。具体主要有以下几个方面。

图2 分布式微网能量管理系统网络结构

（1）数据通信和管理。完成能量管理层与中间控制层的数据信息通讯，将中间层上传的数据进行画面显示、告警处理、曲线显示等，包含传统电网能量管理系统中SCADA功能，如报表打印、数据统计、历史数据存储、权限管理等。

（2）预测功能。主要包含供能预测和负荷预测。其中供能预测是指太阳能发电、风能发电单元的短期及长期发电能力，根据分布式电源的类型、一次能源的变化、发电费用、环境因素、检修周期等预测分布式电源出力。负荷预测包括冷、热、电负荷预测，需要根据负荷长期历史信息和气象信息，通过预测算法来预测下一时刻负荷信息。根据不同能源价格情况和电网状态不断优化运行方式，得到最优最经济的运行工况。

（3）经济调度和优化运行。主要指微网并网运行时，不仅要考虑分布式DR提供冷热电能、有效利用可再生能源、保护环境、减小燃料费用等，还需要考虑微网与大电网之间的电能交易。在满足微网安全性、可靠性和供电质量要求条件下，考虑购售电价、微网安全性、各分布式电源技术性能、环保等因素，经济调度各分布式电源和储能设备的功率以及与大电网之间的功率交换，实行微网运行的经济成本最小。

（4）控制策略管理。微网系统采用了大量电力电子元件，且存在多种运行模式，微网系统旋转储能较低，缺乏负荷跟踪能力，在并网运行和孤岛运行模式变化下，与传统电网相比缺少稳定性，微网系统的过负荷能力与传统电网相比很差。所以对微网系统采用多种控制策略和控制方法，对提高微网稳定性具有重要意义。

分布式DR控制方法主要有PQ控制、下垂控制和VF控制三种。在正常情况下，微电网并网运行，所有分布式DR采用PQ运行方式，此时为电网的电压和频率就是微网的电压和频率，微网内部的分布式电源工作在电压源或电流源状态，在不同控制策略的控制下，调整各自功率输出。微网中分布式电源提供的功率满足不了微网中负荷的需求时，微网可以从配电网吸收能量，反之，当微网中分布式电源功率过剩时，微网可以向配电网输送能量。当配网出现电压骤升、骤降、不平衡和谐波等电能质量问题或有计划检修时，微电网转入孤岛运行模式，此时一个分布式DR采用PQ作为主电源运行，而其他分布式DR采用VF运行模式，此时的电压和频率由主电源负责调节。

4 微网能量管理和控制方案

微网能量管理系统在并网运行方式下，分布式能量管理系统控制微电源采用PQ运行方式，并根据用电负荷、供热负荷、供冷负荷，调节分布式DR烟气量、输出功率、调节光伏逆变器运行方式、通过BMS和PCS调节储能系统存储状态，并根据电网的电压、频率、电流和输入功率实现调节微电网中间层的控制策略（表2）。

在孤岛运行方式下，分布式能量管理系统控制一个稳定的微电源采用VF，其余分布式DR采用PQ控制运行方式（表3）。

微网能量管理系统根据分布式电源的类型、一次能源的变化、发电费用、环境因素、检修周期情况预测分布式电源出力，不同能源价格情况下的经济运行情况，优化运行方式，得到最优最经济的运行工况。

表2 并网运行管理

根据能源价格和供能价格，微网管理系统进行运行统计数据实时计算，根据表4可以计算出系统供能成本、收入、发电量、供热量、供冷量，并根据一次能源价格、电价、蒸汽价格和冷价格进行实时统计和调整，指导微网供能系统优化运行。

5 结语和展望

随着分布式微网和多能源互补微网的快速发展，而微网的能量管理和控制技术是微网的核心，同时也是微网技术研究重点和难点，本文对分布式微网能量管理系统结构和能量管理方案进行介绍和简要分析，研究了微网管理系统分层控制结构、优化管理方案和控制策略。

表3 孤网运行管理

表4 能效管理计算

未来的微网结构设计应以其结构特性为基础，考虑基本因素对微网结构影响，在满足用户对电能多样性需求以及微网灵活配置功能实现的基础上，微网结构设计还需要考虑运行的经济性、可扩展性以及易维护等，并将做进一步研究。

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