李毅，金巧，冯波（国网随州供电公司，湖北随州　441300）



考虑源荷协调优化的交直流混合微网随机规划方法研究

李毅，金巧，冯波
（国网随州供电公司，湖北随州441300）

摘要：为充分发挥交直流混合微网中交、直流两种供电模式的互补优势，在需求侧优化各类负荷供电方式的选择（接入交流或直流母线工作）以提高微网供用电效率，并与供电侧分布式电源、储能设备的优化调度共同构成源荷协调优化运行方法。在研究源荷供用电效率的基础上，综合考虑源荷协调优化对微网运行费用与功率损耗的影响，分别以功率损耗最小和运行费用最小为上、下层优化目标，建立基于不确定二层规划的源荷协调优化模型。仿真算例验证了所提方法能在保证微网运行经济性与环保性的同时，更好地符合节能降损的要求。

关键词：交直流混合微网；源荷协调；节能降损；优化运行；随机机会约束

KEY W0RDS：HYbrid AC/DC microgrid；source-1oad coordination；energY saving and 1oss reduction；oPtima1 oPeration；stochastic chance constrained

微网是一种由以可再生能源为主的分布式电源（distributed generation，DG）、储能系统（energY storage sYstem，ESS）、负荷、变换器及监控保护等装置结合在一起的小型供用电自治系统［1］。按内部主网络的供电方式，微网可分为交流微网（目前微网主要存在形式）、直流微网和交直流混合微网［2］。相比交流微网，理论上直流微网中DG、ESS及负荷只需经过一级变换器接入直流母线，电能损耗可减少15%以上［3-4］但是直流微网需通过大容量的接口变换器并网，将造成较大的功率变换损耗［4］。交直流混合微网同时含有交流母线和直流母线，可有效整合交流微网和直流微网的优点。而随着建设能源节约型社会目标的提出，如何充分发挥交直流混合微网中2种供电方式的互补优势，提高微网运行经济、环保效益的同时，更好地符合节能降损要求，是其优化运行问题研究的关键之一。

然而，目前交直流混合微网的研究方兴未艾，已有研究也多侧重于结网方式、控制技术、保护技术等方面，鲜有优化运行方面的研究。已有的微网优化运行方面的研究多是针对交流微网，优化目标多为投资或运行成本最小化、污染物排放最小化、供电可靠性最大化等［5-11］。在目标函数中，有文献考虑了微网线损［6-7］、DG出力随机性导致的微网运营风险［8］及需求响应等其他因素［9-11］。但上述文献只是将这些因素转换为经济效益考虑，没有考虑微网运行节能降损的效益，也没有考虑微网中能量多级转换造成的功率损耗。在发挥需求侧资源的可调度性的研究中，文献［9-11］等多采用价格激励等经济手段引导用户改变用电策略，以达到削峰填谷、降低用电费用等目的。其用电策略只有负荷用电时间和用电量的选择，没有供电方式的选择，没能考虑提高微网供用电效率以达到节能降损的要求。

基于上述分析，本文在对交直流混合微网优化运行进行研究时，首先将DG和ESS按照其交流型或直流型的电能供给、存储方式，分别接入交、直流母线，形成交流供电区域（以下简称交流区）、直流供电区域（以下简称直流区）。随后，根据需求侧负荷用电特性将其分为四类，并在微网运行过程中优化各类负荷采用的供电方式（即选择接入交流区抑或直流区工作），以提高整个微网供用电效率，最小化因多级功率变换造成的功率损耗。另外，交、直流区因其电气特性不同而有着不同的运行控制方式，本文根据两者不同的运行目标与要求，在供电侧分区优化调度交、直流区域内部的DG和ESS。优化负荷采用的供电方式的目标函数（整个微网的功率损耗）的求取需已知各个DG和ESS的出力，而其出力的优化调度需以已知各负荷采取的供电方式为前提，两者相互制约影响，使微网系统的优化运行成为了一个二层决策系统［12］。另外，鉴于微网中间歇式DG出力与负荷需求具有随机性，本文采用随机二层规划模型［13］对交直流混合微网的优化运行问题进行建模分析。

1　源荷协调供用电方式及其效率

1.1交、直流供电区域及其供电效率

本文以图1所示的交直流混合微网为例展开研究。在供电侧，交流区接入风机（wind turbine，WT）和微型燃气轮机（micro-turbine，MT）；直流区接入光伏电池（Photovo1taic ce11，PV）、燃料电池（fue1 ce11，FC）和蓄电池（storage batterY，SB）。为最大化可再生能源的利用，PV和WT工作在最大功率跟踪模式，不参与调度。交流区通过并网处公共耦合点（Point of common couP1ing，PCC）与大电网相连，可以视作自身功率平衡，其运行频率由大电网频率决定，可调度MT出力、向大电网购电量。直流区通过交直流双向AC/DC功率变换器（inter1inking converter，ILC）维持直流母线电压以控制功率平衡［14］，可调度FC和SB出力。

图1　交直流混合微网结构Fig. 1 Structure of a hybrid AC/DC microgrid

本文假设图1中单相AC/DC、DC/AC变换器及ILC（统称为变换器A）工作效率相等，可由公式（1）计算；单、双向DC/DC变换器（统称为变换器B）工作效率相等，可由式（2）计算［15］。

式中：ηA和ηB分别为变换器A和变换器B的功率变换效率；u为输入功率与额定容量的比率。

1.2负荷用电方式及其效率

微网需求侧负荷种类繁多，据其工作方式可分为如表1所示的4类。交直流混合微网中，交、直流电均配电到户，各类负荷可自由、灵活地选择交流抑或直流供电模式。但由于工作原理、型号不同等原因，同类负荷采用相同供电方式时的功率变换效率也不同。为简化问题，本文假设同类负荷功率变换效率相等，且皆为图1中所示的常数［16］。另外，由于相对多级功率变换造成的功率损耗要小很多［3］，本文忽略微网中的线损。

2　随机二层规划模型

本文以交直流混合微网节能降损为目标，将其存在的多级功率变换的功率损耗及实际微网的经济成本作为2个关键约束条件，分别建立上层决策和下层运行模型，并考虑微网不同时段中存在的最大出力与负荷功率的随机波动，考虑上下层关系，统一构建了随机机会约束模型。

表1　常见负荷分类Tab. 1 Classification of common loads

2.1上层模型

上层模型的决策者是整个微网，以各类负荷采用的供电方式为决策变量，记为L=（L1，L2，L3，L4），下标数字代表负荷类型；在第t个优化时段，有其中nk为微网中第k类负荷的个数，为第i个第k类负荷采用的供电方式的标志，表示接入交流区，表示接入直流区。上层模型目标函数与约束条件分别如式（3）和（5）所示：

其中：

式中：T为优化时段总数；P1oss为总功率损耗；和分 别为ILC、SB和DG、负荷变换器中功率损耗；为ILC变换功率，整流时为正，逆变时为负；和分别为MT、FC、WT、PV和SB出力（放电时为正，充电时为负）；为第i个第k类负荷的内部工作功率需求（即不包括功率输入时的变换损耗）；和分别为第i个第k类负荷接入交、直流区的功率变换效率（不需功率变换时认为效率为1）；等为变换器工作效率，上标A、B表示逆变器类型，下标表示变换器所属的设备；分别为MT和FC出力上限；为SB最大放电功率；为交流区与大电网间联络线传输容量上限；为ILC额定功率。

2.2下层模型

下层模型有交、直流区两个决策者，决策变量为区域内DG、SB出力及购电量，分别记为PAC=（PMT，PGrid）和PDC=（PFC，PSB），交流区目标函数和约束条件分别如式（6）和（7）所示，直流区目标函数和约束条件分别如式（8）和（9）所示：

式中：CAC和CDC分别为交、直流区运行费用；N为污染物种类数目；cm为第m种污染物单位排放量治理费用；分别为MT和FC第m种污染物排放系数；分别为MT和FC燃料成本函数［6］；γMT、 γFC和γSB分别为MT、FC和SB运行维护费用比例系数［5］为购电功率；为电网电价；分别为MT和FC出力下限；ηch和ηdis分别为SB充、放电效率；为SB剩余容量上下限；Δt为优化时段时长。

2.3随机机会约束模型

上下层模型作为交直流混合微网节能降损时需考虑的静态模型，仍需要考虑实际各时段PV、WT最大出力和负荷功率具有随机波动性，可采用概率方法对其分布曲线进行估计，具体概率密度函数表达式参见文献［17］。随机参数ξ=（PWT，PPV，PLD）使二层规划模型中的一些目标函数和约束条件成为随机函数，本文采用随机机会约束二层规划进行建模如下：

由于下层交、直流区的策略会互相影响各自目标的达成，本文给出两者的Nash均衡定义［13］：在模型（10）中，对于微网既定的用电策略L，一个决策向量为交、直流区的Nash均衡仅当对任意的和，有

在模型（10）中，对于上层任意的可行决策L以及与之相应的Nash均衡（，一个决策向量是一个Stacke1berg-Nash均衡仅当其满足

3　算例仿真

3.1算例设置

为验证所提方法的有效性，对如下3个算例进行对比分析。

算例1：每个优化时段可为四类负荷选择交流抑或直流供电方式，采用模型（10）建模，采用随机模拟、神经元网络和混沌粒子群算法［6］结合的智能混合算法求解［13］。

算例2：第1、2类负荷接入直流区，第3类负荷接入交流区，第4类负荷均分接入交、直流区，使各类负荷工作在最高用电效率下。以最小化整个微网功率损耗为目标函数，采用传统单层优化方法求解［5-11］。

算例3：以最小化微网运行总费用为目标函数，其他设置同算例2。

交、直流区供电限制如表2所示。ILC额定功率为200 kW。SB容量为150 kW·h，剩余电量上、下限为120 kW·h、30 kW·h。DG与SB其他运行参数、分时电价参见文献［7，18］。WT、PV及负荷预测功率如图2所示。

表2　交、直流区供电限制Tab. 2 Power supply limits of the AC and DC power supply areas

图2　WT、PV及负荷预测功率Fig. 2 Forecast power of WT，PV and loads

3.2仿真结果与分析

3.2.1算例对比分析

α0=β0=βAC=βDC=0.95时，算例1中交、直流区负荷接入情况优化结果如图3所示，3个算例的优化调度结果如图4—图6所示，微网运行的功率损耗与费用分别列于表3和表4。

图3　交、直流区负荷接入情况Fig. 3 Load demand of AC and DC power supply areas

对比算例1、2优化结果可知，算例2中凭借各负荷较高的用电效率节省了7.474 1 kW的损耗，但是整个微网的功率损耗反而相比算例1高出2.90%。这是因为算例1中上层优化可保证接入直流区的负荷总量不超过直流区的最大供电能力，直流区功率平衡不需要ILC频频动作维持。而算例2中由于接入直流区的负荷过多，因而在直流区FC和SB出力均达到运行上限后，需ILC动作由交流区补足功率缺额，造成了额外的32.519 3 kW的功率损耗。另外，算例1交、直流区合理的负荷分配也使得下层优化中交、直流区未满发的DG可根据分时电价以及各自发电特性，更经济地调度出力。对比图4和图5可知，算例1中MT在发电成本低于电网电价的峰时发电，而算例2只顾及最小化功率损耗，在峰时没能利用更经济的MT。因而算例1比算例2节省了56.04元运行费用。

对比算例1、3优化结果可知，算例3中微网利用谷时的低电价节省了8.31%的运行费用，但其功率损耗却高出7.18%。而随着目前建设能源节约型社会目标的提出，微网运行在追求经济效益的同时，也应符合节能降损的要求。此外，在微网实际运行中，ILC频频动作除了造成功率损耗，还将产生大量谐波，影响供电质量；损害电力电子装置使用寿命，增加设备维护费用。因此，如再计及此部分的影响，算例1的结果将更优。

3.2.2置信水平灵敏度分析

本文采用随机机会约束规划处理随机参数，置信水平的选取将很大程度地影响优化结果。在不同置信水平下（假设α=β0=βAC=βDC=ε）对算例1进行仿真，结果如表5所示。运行费用与功率损耗都随着置信水平的提高而增加；当置信水平选取过高时，两者更是因小概率的随机事件而较大幅度地增加。由此可知，优化结果的准确度提高需要以一定程度上牺牲优化目标的达成为代价，置信水平的取值应在两者中做出权衡。

图4　算例1优化调度结果Fig. 4 0ptimal scheduling result of case 1

图5　算例2优化调度结果Fig. 5 0ptimal scheduling result of case 2

图6　算例3优化调度结果Fig. 6 0ptimal scheduling result of case 3

表3　微网功率损耗Tab. 3 Power losses of the microgrid

表4　微网运行费用Tab. 4 0peration costs of the microgrid

表5　不同置信水平下优化结果比较Tab. 5 0ptimization results comparison under different confidence levels

4　结论

交直流混合微网更为灵活多样的供用电方式可提高微网优化运行调控水平，在能源节约型社会建设背景下，有助于创造经济、可靠、环保、低碳的供电环境。本文综合考虑了交、直流互补供用电模式，以及交、直流供电区各自的控制与运行特性，采用随机二层规划对其优化运行问题建模求解，得到以下结论：

1）上层模型在微网运行过程中，优化各类负荷采用的供电方式，有效提高了整个微网的供用电效率，降低整个微网因多级功率转换造成的损耗。如计及其在减少电力电子装置动作，抑制谐波产生，降低设备维护费用上的作用，微网效益将更高。

2）下层模型在交、直流区各自运行控制要求下，根据各类DG、ESS的发电特性优化调度其出力，使交、直流区均获得较好的经济、环境效益。

3）采用随机机会约束规划对随机因素建模，更符合微网实际运行情况，但需在优化结果准确度与优化目标的达成两者之间做出权衡。

参考文献

［1］LASSETER R H. Microgrids［C］. Proceedings of Power EngineeringSocietYWinterMeeting，NewYork，USA，2002.

［2］王成山，武震，李鹏.微电网关键技术研究［J］.电工技术学报，2014，29（2）：1-12. WANG Chengshan，WU Zhen，LI Peng. Research on keY techno1ogies of microgrid［J］. Transactions of China E1ectrotechnica1 SocietY，2014，29（2）：1-12（in Chinese）.

［3］NEHRIR M，WANG C，STRUNZ K，et a1. A review of hYbrid renewab1e/a1ternative energY sYstems for e1ectric Power generation：configurations，contro1，and aPP1ications［J］. IEEE Trans on Sustainab1e EnergY，2011，2（4）：392-403.

［4］LIDULA N，RAJAPAKSE A. Microgrids research：a review of exPerimenta1 microgrids and test sYstems［J］. Renewab1e and Sustainab1e EnergY Reviews，2011，5（1）：186-202.

［5］艾欣，许佳佳.基于互动调度的微网与配电网协调运行模式研究［J］.电力系统保护与控制，2013，41（1）：7-14. AI Xin，XU Jiajia. StudY on the microgrid and distribution network co-oPeration mode1 based on interactive schedu1-ing［J］. Power SYstem Protection and Contro1，2013，41（1）：7-14（in Chinese）.

［6］丁明，田龙刚，潘浩，等.交直流混合微电网运行控制策略研究［J］.电力自动化设备，2015，43（9）：33-38. DING Ming，TIAN Longgang，PAN Hao，et a1. Research on contro1 strategY of hYbrid AC/DC microgrid［J］. Power SYstem Protection and Contro1，2015，43（9）：33-38（in Chinese）.

［7］李鹏，徐伟娜，周泽远，等.基于改进万有引力搜索算法的微网优化运行［J］.中国电机工程学报，2014，34（19）：3073-3079. LI Peng，XU Weina，ZHOU ZeYuan，et a1. OPtima1 oPeration of microgrid based on imProved gravitationa1 search a1gorithm［J］. Proceedings of the CSEE，2014，34（19）：3073-3079（in Chinese）.

［8］黄文涛，邰能灵，范春菊，等.微电网结构特性分析与设计［J］.电力系统保护与控制，2012，40（18）：149-155. HUANG Wentao，TAI Neng1ing，FAN Chunju，et a1. StudY on structure characteristics and designing of microgrid［J］. Power SYstem Protection and Contro1，2012，40（18）：149-155（in Chinese）.

［9］邢龙，张沛超，方陈，等.基于广义需求侧资源的微网运行优化［J］.电力系统自动化，2013，37（12）：7-12，133. XING Long，ZHANG Peichao，FANG Chen，et a1. OPtima1 oPeration for microgrid using genera1ized demand side resources［J］. Automation of E1ectric Power SYstems，2013，37（12）：7-12，133（in Chinese）.

［10］麻常辉，杨永军，鄢安河，等.考虑发电和负荷不确定因素的输电网灵活规划［J］.电力系统保护与控制，2008，36（21）：29-32. MA Changhui，YANG Yongjun，YAN Anhe，et a1. On transmission f1exib1e P1anning considering the uncertainties of generation and 1oad［J］. Power SYstem Protection and Contro1，2008，36（21）：29-32（in Chinese）.

［11］THILLAINAYHAN L，DOPTI SRINIVASAN. Mu1tiagent sYstem for rea1-time oPeration of a microgrid in rea1-time digita1 simu1ator［J］. IEEE Trans on Smart Grid，2012，3（2）：925-933.

［12］滕春贤，李智慧.二层规划的理论与应用［M］.北京：科学出版社，2002.

［13］高金伍.随机多层规划模型与算法［D］.北京：清华大学，2005.

［14］LOH P，LI D，CHAI Y，et a1. Autonomous oPeration of hYbrid microgrid with AC and DC subgrids［J］. IEEE Trans Power E1ectronics，2013，28（5）：2214-2223.

［15］KAKIGANO H，MIURA Y，ISE T，et a1. Basic sensitivitY ana1Ysis of conversion 1osses in a DC microgrid［C］. Proceedings of Internationa1 Conference on Renewab1e EnergY Research and APP1ications，Nagasaki，JaPan，2012.

［16］KAKIGANO H，NOMURA M，ISE T. Loss eva1uation of DC distribution for residentia1 houses comPared with AC sYstem［C］. Proceedings of Internatio-na1 Power E1ectronicsConference，SaPPoro，JaPan，2010.

［17］MOHAMMADI S，SOLEYMANI S，MOZAFARI B . Scenario-based stochastic oPeration management of microgrid inc1uding wind，Photovo1taic，micro-turbine，fue1 ce11 and energY storage devices［J］. E1ectrica1 Power and EnergY SYstems，2014，54：525-535.

［18］张建华，黄伟.微电网运行控制与保护技术［M］.北京：中国电力出版社，2010：185-186.

李毅（1985—），男，工程师，主要研究方向电网二次控制；

金巧（1990—），女，硕士研究生，主要研究方向为电网继电保护；

冯波（1985—），男，硕士研究生，工程师，主要研究方向为电力设备故障诊断及在线监测，现从事继电保护及智能电网建设、运维工作。

（编辑李沈）

Source-Load Coordination 0ptimal 0peration Method of Hybrid AC/DC Microgrid Based on Uncertain Bi-Level Programming

LI Yi，JIN Qiao，FENG Bo
（Suizhou Power SuPP1Y ComPanY，State Grid Hubei E1ectric Power CorPoration，Suizhou 441300，Hubei，China）

ABSTRACT：To imProve Power suPP1Y and consuming efficiencY，se1ections of Power suPP1Y modes for 1oads（connection to AC or DC bus）are oPtimized on the demand-side. And the oPtima1 schedu1ing of distributed generations and energY storage devices on the generation-side are combined to form the source-1oad coordination oPtimization method，which gives fu11 P1aY to the comP1ementarY advantages of AC and DC Power suPP1Y modes in the hYbrid AC/DC microgrid. Based on the research of Power suPP1Y and consuming efficiencY of sources and 1oads，the effect of source-1oad coordination on oPeration cost and Power 1oss of microgrid is considered. A bi-1eve1 source-1oad coordination oPtimization mode1 is estab1ished aiming at minimizing Power 1oss and oPerating cost at the uPPer 1eve1 and 1ower 1eve1 oPtimization mode1 resPective1Y. Simu1ation resu1ts show that the ProPosed method can ensure the oPeration of microgrid to obtain economic and environmenta1 benefits，and meet the requirements of energY saving and 1oss reduction at the same time.

文章编号：1674-3814（2016）04-0079-06中图分类号：TM732

文献标志码：A

收稿日期：2015-12-01。

作者简介：