微电网多目标优化运行综述

孙慧君，闫志彬，余 蕾，康 健，何永秀

（1.华北电力大学经济与管理学院，北京 102206；2.国网宁夏电力有限公司，宁夏 银川 750000）

0 引言

随着传统能源日趋减少，国家电网有限公司提出的一系列促进新能源消纳、推进分布式发电和智能电网建设的重要战略越来越受到人们的重视，微电网是可再生分布式电源与电网融合的有力支撑，对推动能源革命有重要意义。微电网可以有效调节各分布式电源之间的出力，平抑其波动性，并且能够与大电网进行有效交互，提高发电效率和电力系统稳定性，具有广阔发展前景。

微电网中包含大量分布式电源、储能系统以及控制系统，这些系统的协调优化对微电网优势的发挥起决定性作用。如何在保证微电网系统供电可靠性的同时满足微电网运行经济性和环保性成为当下微电网运行优化的研究热点。然而，现有的相关研究大多集中在微电网的静态调度上，缺乏对各时间点联系与影响的考虑；部分学者虽从动态角度较为全面地考虑了微电网运行的经济性和环保性，但是对于微电网中分布式能源的随机性仍考虑不周，无法满足多种能源形式下微电网多时间尺度运行的协调优化要求。

本文阐明了微电网的总体结构和运行特点，提出了一套科学合理的整体运行优化策略，并详细叙述了微电网多目标优化的目标函数、约束条件和优化算法的研究现状，为微电网的发展研究提供参考。

1 微电网结构和运行特点

1.1 微电网结构

微电网以分布式发电技术为基础，紧靠非集中资源或用户的微型发电厂，形成了具有结合用能管理及能阶利用技术的网络。

微电网是未来分布式能源的重要载体，也是大电网的有力补充，可作为一个整体实现孤网独立运行，也可以由主网协调控制在大电网中并网运行，提高了能源的利用效率，能够在大电网电能缺失时提供电能，提高了供电系统的可靠性。此外，微电网中分布式电源的应用减少了对环境的污染，且还能根据用户的需求灵活调整调度，与用户灵活互动，提供用户增值服务。微电网主要由灵活小型的分布式电源、提高系统稳定性的储能系统、各类用户以及具有调节能力的控制系统组成，其结构如图1 所示。

图1 微电网组成

1.2 微电网运行模式及特点

微电网具有孤网运行和并网运行两种不同的运行模式。微电网孤网运行是指在调度计划需要或大电网发生故障时，微电网系统断开与主网配电系统的连接，由微电源、储能系统和负荷三者构成系统实现独立运行。离网运行模式下的储能变流器PCS，可以实现对微电网负荷的继续供电，在母线恢复供电的状态下光伏系统可继续发电，而储能系统仅对负载供电。微电网孤网运行模式如图2 所示。

微电网并网运行是将微电网系统接入公用大电网中，闭合微电网断路器，使得微电网系统与主网配电系统实现电能交互的一种运行方式。光伏系统的接入提高了大电网中发电的平稳性，并网模式下的储能系统可根据需要同时实现充放电，通过控制装置可将微电网从并网运行模式切换到离网运行模式。微电网并网运行模式如图3 所示。

图2 微电网孤网运行模式

图3 微电网并网运行模式

通过分析微电网主要结构以及运行模式，可总结出微电网主要具备以下特点：

1）依靠新能源网络化智能技术支撑的微电网，使得小型分散的各类分布式电源实现协调互动，配电网运行的安全可靠性得以提高，且可再生系统接入微电网中，极大程度地促进了可再生能源的消纳，实现了资源的有效配置；

2）微电网运行方式灵活，能在孤网与并网两种运行模式间转换，并可通过平抑可再生电源的波动性，提高分布式电源在大电网中的平稳性，分布式能源可通过微电网系统的优化配置，为电网和用户带来价值和效益；

3）微电网促进了能源就地转换，使得新能源的消纳变得切实可行，发电效率大大提高，减少了对环境的污染，避免了长距离输电的电能损耗，极大提高了能源利用效率；

4）微电网系统中的控制装置可以合理协调微电网中各部分系统的运行，除可以向用户提供电能以外，还能为用户提供热、冷、燃气等多种能源增值服务。

2 微电网多目标优化运行模型的研究现状

对微电网运行进行优化能够减少其运行费用、提高能源利用效率、降低环境污染。从目标函数和约束条件两个方面研究微电网运行优化模型。

2.1 微电网优化运行目标函数

提升经济效益是微电网得以推广和发展的关键，优化微电网运行首先要降低其运行的费用；节能减排是加速我国能源革命进程的重要战略，微电网运行也要兼顾环境效益；此外，微电网的智能化结构为供电可靠性的提高以及用户需求满意度的提高提供了有利条件，因此，在构建微电网运行优化的目标函数时，通常考虑微电网的经济效益、环境效益、供电可靠性与用户满意度。

在经济效益方面，文献［1］通过对微电网中DG的特点分析，构建以DG 整体运行成本最低为目标函数的微电网运行优化模型；文献［2］提出了一种冷电联供的能源系统优化模型，综合考虑了微电网从主网购电价格、燃料价格、燃气轮机的发电成本等成本要素；文献［3］基于日前、日内时间尺度同时对分布式电源和需求侧负荷进行优化协调，提出一种以微电网“源-网-荷”整体运行成本最低为目标函数的多时间尺度能源系统优化模型；文献［4］基于实时电价，分别对包含风、光、储的微电网设计经济运行方案，以并网运行模式下微电网整体运行费用最小化为目标，比较不同微源的微电网运行经济性。以上研究虽考虑了微电网运行的经济效益，但缺乏对其环境效益的分析。

不少学者兼顾经济效益和环境效益对微电网运行优化的目标函数进行研究。文献［5］将微电网运行费用和污染物排放量设立为优化目标，不断调整两个目标的权重关系，并分析不同权重对微电网运行的经济性和环境效益的影响；文献［6］考虑DG 的燃料成本和发电环境成本，提出了一种孤岛运行模式下以DG 整体运行成本最低为目标函数的微电网运行优化模型；文献［7］以机组启停次数约束及污染物排放量约束为前提，提出了一种以微电网发电总成本最小化为优化目标的微电网优化调度模型；文献［8］对一个同时涵盖燃气轮机、光伏电池、燃料电池、风力机和柴油发电机的微电网系统，提出一种计及运行费用最小和环境破坏费用最小的微电网调度优化模型。

除了考虑经济效益与环境效益之外，也有不少学者将安全可靠性作为微电网运行优化目标。如文献［9］在设立微电网安全运行可靠性指标的置信区间的前提下，提出一种兼顾微电网运行安全可靠性与经济性的运行优化模型；文献［10］通过建立微电网系统仿真，从动态角度构建孤岛微电网运行成本及可靠性成本优化模型；文献［11］在以微电网经济运行为优化目标的基础上，加入对安全可靠性及环境的考量，提出微电运行决策优化模型。

上述文献大多基于供能角度考虑微电网优化运行，缺乏考虑用户侧对微电网优化运行的影响。文献［12］在分析包含光伏资源、储能资源、负荷资源的微电网负荷运行特性的基础上，建立固定、时移和可调3 类负荷模型；并结合对分时电价的考虑，提出一种以用户体验最优为目标函数的微电网调度优化模型。文献［13］主要研究存在有序充放电负荷模型的电动汽车并网后对微电网DG 电源出力的影响。首先针对电动汽车的行驶特性，加入对电动汽车用户响应度和用户满意度的考虑，构建了电动汽车有序充放电模型，并计及分时电价，建立以微电网运行经济性和环保性为目标函数的能源管理模型，实现以用户满意度为前提的微电网运行经济和环保优化。文献［14］在构建微电网运行优化模型时，考虑了5个方面的目标优化，在保证微电网系统运行经济、环保、可靠的同时，也考虑了用户侧成本以及用户满意度的影响。

2.2 微电网优化运行约束条件

微电网运行中的约束条件，大多考虑微电源功率约束以及微电网功率平衡约束。但以上约束难以保证微电网系统运行可靠性，例如为了平抑分布式电源波动对系统平衡性的影响，文献［15］在传统约束条件的基础上，增加了对发电机爬坡速率和起停时间、机组启停次数约束；文献［16］考虑到风力出力具有很大的不确定性，可能对微电网运行稳定性造成影响，加入了旋转备用约束来提高运行的安全可靠性；文献［17］为了削弱微电网系统对电网的影响，在已有约束条件基础上，对电网和微电网间联络线的输送功率加以约束；多数学者集中对维持微电网系统有功平衡、控制微电源和负荷有功约束进行研究，文献［18］为保证微电网源荷协调运行，在以分布式电源出力上下限为约束的前提下，既考虑爬坡速率约束又考虑微电网有功功率平衡约束，同时考虑可控用电特性约束，建立微电网优化调度模型；文献［19］以微电网功率平衡为基础，引入对电压、频率偏移、潮流以及开关损耗的约束，建立以微电网总收益最大为目标函数的微电网功率优化模型。

但以上研究缺乏对系统无功的考虑，为此，部分学者提出了对系统无功及微源无功出力约束的考虑。文献［20］在对微电网并网支路的交互功率进行约束基础上，加入对节点电压以及节点相角的约束；文献［21］为了保证微电网运行的可靠性与稳定性，同时实现微电网有功无功的协同优化，在传统约束条件上加入了潮流约束；此外，对于热电联产微电网系统，应考虑热能平衡约束、热能爬坡约束以及冷热功率供应约束等，例如，文献［22］考虑不同设备的耦合及能量传递形式，对不同能量传递加以约束。

由于微电网系统优化运行模型中通常涉及耦合性较强的多时段、多变量约束条件，约束条件的处理对微电网整体优化效果产生很大的影响。文献［23］首先对微电网系统中各元件提出物理极限约束，并加以硬约束处理，基于此加入在多个时段耦合性较强的多变量约束并进行柔性约束处理，以惩罚项的形式在总目标约束中融入约束条件。研究表明，约束方式越精细，越能促进系统的安全稳定运行，后续研究可根据需要加入能源概率预测等约束条件，约束条件的增加对微电网系统的灵活性提出了更高要求，因此通常加入储能系统约束。文献［24］为防止储能系统超负荷运行，约束条件既考虑了电池组定容比例约束，也考虑了充放电最大功率约束；文献［25］提出了同时以连续充放电过程约束条件和总充放电次数约束条件来控制储能频繁充放电。

3 微电网多目标优化问题求解的研究方法现状

最初解决多目标优化问题的传统方法包括：分层序列法、约束法，而后又相继出现了功效系数法和评价函数法，但由于微电网中的分布式间歇性可再生电源通常由光伏、风能等组成，微电网的优化运行问题受到众多非线性相关变量、众多约束条件的影响，传统方法难以求解最优化问题。对比传统算法，智能优化算法具备极迅速极精准的搜索特性，且寻解范围不仅仅是局部，所以在微电网优化领域被广泛应用。近年来新兴的智能优化算法如多目标遗传算法、粒子群算法、改进的多目标免疫算法以及多目标进化算法等，这些算法的寻优范围遍布整体，能精准迅速地同时进行多个目标寻优。

根据微电网运行模式，可以将微电网运行优化求解分为并网与孤岛两种模式进行分析。

对于并网运行模式下的微电网，文献［26］根据微电网的发电成本及污染物的影响度，提出同时考虑经济、环境的优化数学模型，考虑到多目标优化可能存在不止一个最优解，但某个最优解只能适应于对应的子目标，优化效果对另外的子目标较弱，采用Pareto 算法寻求多目标的最优解。文献［27］利用遗传算法结合矩阵实数和0、1 整数的混合编码方式求解微电网需求侧用电模式优化模型。文献［28］对已有的直流微电网实例进行研究，以可控负荷优化调度的24 h 费用最低为优化目标构建调度模型，根据粒子群多目标算法对其进行求解，证明了该模型的可操作性。文献［29］以微电网负荷供电安全可靠为前提，构建以微电网运行经济、环保为目标的优化调度，通过序数优化算法寻求最优解，研究可知相比于鲁棒类优化算法，序数优化算法的迭代次数更少，全局搜索能更强。

对于孤岛运行模式下的微电网，文献［30］主要基于对需求侧响应的考虑，构建以微电网运行费用最低和停电缺失成本最小为目标的孤岛微电网日前调度优化模型，并利用具有滚动优化特点的改进的人工免疫算法来寻优求解，该算法基于混沌搜索可以实现对日前调度指令的不断修正。文献［31］以孤岛运行方式下保证微电网供电安全可靠及满足负荷需求功率为前提，加入对环境影响度的考虑构建微电网的日前调度优化模型，采用改进后计算复杂性降低的协同遗传算法寻优求解，研究表明，该算法求解效率更高，在质量方面比一般遗传算法更优。文献［32］关注孤岛模式下微电网的能源规划。基于对分布式电源的特征分析，提出微电网多目标优化模型，以多目标约束为前提，利用改进的粒子群算法对微电网分布式电源的最优输出功率进行求解，研究表明，改进的粒子群优化求解速度快，算法简单且易于优化系统参数。文献［33］提出一种孤岛模式下微电网多时段实时策略优化调度模型，并采用差分进化算法进行求解，仿真证实了微小增加微电网经济成本可极大提高供电可靠性，进而实现微电网整体成本最低，研究表明，该算法结构简单、易实现、收敛快、鲁棒性强，适用于全局优化。

此外，2009 年新生的万有引力搜索算法也在微电网运行优化求解中广泛应用。文献［34］应用基于万有引力定律的二进制搜索算法对微电网动态优化模型寻求最优解，该算法寻解速度极快，但容易陷入局部解。文献［35］将改进后的万有引力搜索算法对微电网调度模型求取最优解，该算法以万有引力算法为基础，融合了精英算法，并强化群体之间的相互交流，及记忆与记忆间的存储来增快寻解，其迭代寻优的过程因加入群体反向学习机制而得以更准确，进而其寻解的可靠性也得以提高，由于速度更新公式得到改进其粒子搜寻能力大大增强，提高了优化精度。

综上，微电网优化运行属于非线性规划问题，且含有多个优化目标及非单一约束条件。因此，在进行微电网运行优化求解时尽量选择简单、可操作、寻解速度快、全局搜索能力强、求解精准的智能算法。

4 结语

在传统能源日益枯竭、生态破坏危机日益加剧的今天，新能源发展势在必行，“三型两网”重要战略的提出，进一步推动了可再生能源的推广应用及智能电网的建设。微电网很好地融合了分布式电源，对促进新能源消纳、推动能源转型有重要意义。

为深化电力体制改革，营造微电网健康、有序发展的良好环境氛围，构建多元融合、供需互动、高效配置的联合集中能源产消体系，国家发改委、国家能源局提出要建设微型、清洁、自治、友好的并网型微电网，并形成“源-网-荷”一体化创新运营模式［36］；2019 年国家电网“三型两网”重要战略提出：未来园区微电网系统、冷热电联供分布式能源系统等综合能源系统将发展成为深度融合物理信息、多能互补、协调互动的形式。

因此，在微电网优化目标选取上，要考虑更综合、全面的优化目标，同时要在结合分布式电网结构及负荷特性详细分析的基础上，实现对微电网供需平衡、合理供电的研究；对于不同的能源形式，应构建不同的约束条件；为了保证寻优的快速、准确，要尽量选取智能、科学的数学优化算法实现微电网综合优化。

目前已有不少学者为微电网及其经济优化运行的研究做出努力，但随着冷热电联供、新型储能系统等概念的提出，微电网的整体经济运行优化更加复杂。未来研究可将微电源优化调度与需求侧管理结合起来构建整体运行优化模型，利用负荷预测的方法实现对分布式电源发电计划及储能充放电计划的合理安排。