中压独立微电网容量和接入位置优化规划

耗、减少污染、提高可再生能源利用率、提高用户供电 可靠性等方面具有良好的经济效益， 逐渐成为解决海岛 和偏远地区供电问题的有效措施之一[2-4]。 分布式电源和储能单元的容量和接入位置是微电 网规划的关键问题之一， 合理的规划方案能够降低系统 网络损耗，增加经济效益，提高供电可靠性和电能质量 [5-6]。文献[7-8]以系统发电成本最小为优化目标，基于 可靠性约束对分布式电源的容量进行优化规划； 文献[9] 建立了同时考虑发电成本现值和污染物排放量的多目
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3 独立微电网系统规划设计模型
3.1 目标函数
经济性、环保性和可靠性是衡量微电网系统的三 项重要经济技术指标，本文建立的目标函数综合考虑 了经济性和环保性，可靠性则作为约束条件考虑。目 标函数表达式如下: f min(1Ctotal 2 Eemis ) （5） 式中， Ctotal’ 为全寿命周期内系统成本费用通过 min-max 标准化后的归一化量值；Eemis’为系统年排污 量通过 min-max 标准化后的归一化量值； 1 和 2 为目 标相应的权重系数。 3.1.1 全寿命周期内系统成本费用 全寿命周期内系统成本费用 Ctotal 是指全寿命周 期内系统发电成本现值 C0 和有功网损折现费用 Closs 之和，计算公式如下： Ct o t al C （6） 0 C l o s s 全寿命周期内系统发电成本现值式 C0 公式如下：
标优化模型，采用 strength-Poreto 进化算法进行求解； 文献[10-11]分别提出了确定性和随机性优化规划方法， 并通过增加储能系统容量来提升系统内可再生能源利 用率。然而以上文献均只考虑了系统有功功率平衡，忽 略了无功功率平衡和节点电压约束。 在独立微电网实际 运行中， 可再生能源的间接性和随机性容易造成系统注 入功率骤变，进而导致电压大幅波动的情况。此外，当 系统中部分柴油发电机组故障或变压器故障导致部分 柴油发电机组退出运行时， 可能出现系统发电容量高于 有功负荷，但无功功率需求却无法满足的场景，此时系 统电压水平将因无功功率不足而下降。 因此在规划过程 中考虑无功功率平衡和节点电压约束具有十分重要的 意义。 本文针对具有复杂网架结构的独立微电网系统， 提 出了一种新的综合考虑经济性、 环保性和可靠性的优化 规划模型，模型中计入了风力发电机出力利用率约束， 以提高系统可再生能源利用率。在规划过程中，本文基 于传统硬充电策略提出了一种计及系统潮流约束和节 点电压约束的柴油发电机和储能单元的改进协调控制 策略。 该规划模型的目标是在保证系统有功和无功功率 平衡并满足电压约束的前提下， 寻求独立微电网系统中 分布式电源和储能单元的最优容量和最优接入位置方 案。 论文其余部分结构如下:第二章简要描述了中压独 立微电网系统的网架结构， 提出了基于传统硬充电策略 的改进协调控制策略； 第三章提出了一种新的独立微电 网优化规划模型； 第四章针对具体算例进行准稳态仿真 分析；第五章得出结论。
储能单元充电时
2 2 Pbat ,c max( P4 , min( P3 , Pbat ,c ( Pdg , p S dg Qdg , p ) PN )) （4）
式中，PN 为系统网络损耗。 若系统无功功率不足， 首先调整储能单元无功出力 以满足缺额，若依然不足则增开一台柴油发电机，然后 调用硬充电策略，重复执行步骤（1）；反之执行步骤 （3）。 （2）储能作为主控电源 若储能单元能够满足系统无功功率需求， 执行步骤 （3）；若储能单元无法满足系统无功功率需求，则增 开一台柴油发电机，调用硬充电策略，重复执行步骤
（1）。 （3）系统电压越限处理 判断系统电压是否在约束范围内，若出现电压越 限，则调节主控电源所在节点电压使之恢复。电压越上 限则调低电源电压，越下限则调高电源电压。 （4）登记系统数据 登记各分布式电源和储能单元的出力情况。 若储能 单元出力经修正后，系统仍无法满足潮流约束条件，则 登记系统功率缺额情况以及电压越限情况。
中压独立微电网容量和接入位置优化规划
乔蕾 1,2，王成山 1，郭力 1，王楠 1，余舟子 1
1.天津大学 2.天津城建大学控制与机械工程学院 Email: qiaolei@tcu.edu.cn
摘 要：随着能源危机和环境危机的不断加剧，可再生能源的重要性日益凸显。作为目前能够充分利 用可再生能源，实现多种能源互补的重要手段，独立微电网系统受到了人们的广泛关注，尤其是在海 岛和偏远地区。针对具有复杂网架结构的含柴油发电机、风力发电机和储能系统的独立微电网系统， 提出了一种新的综合考虑经济性、环保性和可靠性的优化规划模型，以寻求独立微电网中分布式电源 和储能单元的最优容量和最优接入位置。模型中计入了风力发电机出力利用率约束，以提高系统可再 生能源利用率。在规划中，基于传统硬充电策略，提出了一种计及系统潮流约束和节点电压约束的柴 油发电机和储能单元的改进协调控制策略。以加拿大魁北克北部的 Whapmagoostui 原住民社区电网作 为研究对象，开展了全寿命周期内的准稳态仿真分析，验证了所提出的优化规划模型及改进协调控制 策略的合理性和实用性，得到了合理可行的系统规划方案。 关键词：独立微电网，优化规划，改进协调控制策略，风力发电机出力利用率
式中，λ 为有功网损的折现系数；Ploss(k)为第 k 年的有功网损总和；Pw,t(k) 为第 k 年 t 时刻的有功网 损。 3.1.2 年污染物排放 污染物主要由柴油发电机燃烧柴油产生，通常包 括 CO2, CO, NOx, SO2 和碳氢化合物， 污染物排放总量 Eemis 计算公式如下：
Eemis mV
2 2 Pbat ,c max( Pdg , p ,min( P3 ,max( P4 , Pbat ,c ( Pdg , p Sdg Qdg , p ) PN ))) （3）
2 中压独立微电网系统
2.1 系统架构
图 1 为一种典型的中压独立微电网系统的网架结 构。柴油发电机采用集中接入方式，经变压器与不同的 馈线区域相连。风力发电机和储能单元（由蓄电池和储 能功率控制系统构成） 既可放置在与变压器高压侧相连 的母线上，也可如图放置在馈线区域内部。在运行过程 中， 微电网能量管理系统按照一定的控制策略协调各分 布式电源和储能单元出力，以满足系统负荷需求。相比 于传统中压微电网的单一交流母线形式， 图 1 所示的系 统架构供电覆盖范围更大、负荷节点更多，因此在规划 设计时应同时关注系统有功和无功功率平衡以及电压 越限问题，以寻求更合理的规划设计方案。
1 引言
目前， 仍有许多海岛和偏远地区无法与公共电网相 连，居民日常生活用电完全依赖于传统化石能源，导致 当地能源危机和环境危机日益加剧[1]。 微电网作为一种 灵活、可靠、环保、经济的新型分布式能源应用方式， 能够充分发挥分布式能源和储能单元的优势， 在节能降
资助信息：国家自然科学基金项目（ NO. 51207099） .
Optimal Planning of Site and Capacity of Distributed Generations and Energy Storage System in Medium Voltage Stand-alone Microgrid
Qiao Lei1,2,
1. Tianjin University
Diesel Generators Segment0
WT ESS Segment1 Segment2
图 1 中压独立微电网系统结构示意图
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2.2 改进协调控制策略
传统硬充电控制策略忽略了系统无功功率平衡以 及节点电压约束[12]，而在实际运行中，系统负荷较重 或柴油发电机组无功容量不足容易造成母线电压跌落， 进而影响电能质量。为避免这种情况，储能单元应在其 容量范围内发出无功功率支持，实现辅助调压功能。为 减少独立微电网系统中柴油发电机的运行时间和柴油 消耗量，允许柴油发电机和储能单元轮流作为主控电 源，提供系统电压和频率参考。 改进协调控制策略即将硬充电控制策略所得的微 电网系统协调运行结果置于潮流约束内，判断系统是 否满足约束条件，若不满足则调整柴油发电机和储能 单元的协调运行参数，调整步骤具体如下： （1）柴油发电机作为主控电源 首先根据硬充电策略计算风力发电机和储能单元 有功出力，然后调用潮流程序验证硬充电策略计算所 得有功出力情况是否满足系统潮流约束。若系统有功 功率不足，则修正储能单元有功出力，修正公式如下 储能单元充电时
Wang Chengshan1, Guo Li1, Wang Nan1, Yu Zhouzi1
2.School of Control and Mechanical Engineering Tianjin Chengjian University Email: qiaolei@tcu.edu.cn
Abstract: With the aggravation of energy crisis and environmental crisis, renewable energy sources have become increasingly significant in recent years. As an important means to realize the energetic complementarities and guarantee the wide utilization of local renewable energy sources, the stand-alone microgrid gains increasingly attention, especially in islands and remote areas. In this study, for the medium voltage stand-alone microgrid system comprising diesel generators, wind turbines and energy storage system, a new optimal planning model considering economic, environmental and reliable benefits is proposed, for the purpose of searching the optimal site and capacity of DGs and ESS in the system. In planning, the utilization rate of wind power output constraint is also taken into account to improve the utilization of renewable energy sources. Based on the traditional hard-cycle control strategy, a modified coordinated control strategy of energy storage systems and diesel generators considering power flow and node voltage constraints is proposed. The proposed optimal planning model and the modified control strategy are applied to the stand-alone micrgrid of Whapmagoostui aboriginal community to demonstrate its reasonability and effectiveness, and obtain the optimal planning of the medium voltage stand-alone microgrid system . Keywords: stand-alone microgrid; optimal planning; modified coordinated control strategy; the utilization rate of wind power output