第 1 章 引言
1.1 课题研究背景及意义
进二十一世纪，我国社会经济在快速增长，对于电力能源的需求越来越来大。电力已经成为一个国家发展关键的问题，在一定程度上电力影响着社会经济的发展。在过去几十年的发展中，大电网络有着许多的优势，得到了快速的发展，大电网也成为主要的电力传输的渠道[1]。但是随着电力网络的进一步发展，大电网暴露了许多的弊端，例如电网的建设和运行成本高、电网的运行难度大。同时由于大电网的复杂性，在实际的运行中存在不确定性因素，造成大电网安全性和可靠性不能够满足所有用户越来越高的要求。同时大电网中火力发电占据相当的比重，对于煤炭等不可再生的一次能源的消耗很大，在发电过程中会大量排放二氧化碳气体，还有其它相关的污染物，这些都不利于社会的可持续发展。以光伏发电、风力发电等新能源分布式的发电技术的出现，能够节省大量的不可再生能源，降低二氧化碳气体的排放。分布式电源（DG）具有利用能源的效率高、对环境的污染排放物少、安装地选择灵活等优点。相比于传统的大电网集中式的发电技术，分布式发电能够减低集中发电时的线路损耗、节约在运行中的费用、输配电资源得到节省。在另一方面分布式发电技术使得系统的总容量减少，能够方便的优化电力网络中峰谷的性能，提升电力系统电能供给的可靠，对大电网进行有效的完善和进一步的发展。由于分布式发电技术的快速发展，使得它的渗透率不断增长，分布式发电系统也产生了许多问题，比如分布式电源的控制困难，单个的分布式电源接入系统的成本高。对于大电力系统而言分布式电源是一些不可控源，为了减小这些不可控源对大电力系统的冲击，在大电力系统中通常运用限制、隔离的方式处理分布式电源。在实际的分布式电源的应用中，有着相关的规定。美国制定的“关于分布式电源与电力系统互联的标准草案”中对分布式电源并网的规定是：如果大电力系统发生故障时，分布式电源要立刻从电力网络中退出运行[2]。这就造成在分布式能源不能够充分的发挥其效能。当前的配电网络系统是单路径、单向的能量流动特征和无源辐射状的运行结构，使的分布式电源的发电量必须小于安装地的用户负荷才能让分布式电源能够在配电网络中以负荷的形式并入和运行，从而造成分布式电源在发电结构上受到了许多的限制，不利于光伏发电、风力发电技术的大规模的发展。
微电网能够进一步的推进以可再生能源为主的分布式发电的并网运用，能帮助可再生能源在快速发展。由于分布式电源的并网发电可能会造成电力系统的运行不稳定、实际控制不可靠、系统安全存在隐患，使得分布式发电在应用中遇到一些技术的阻碍和怀疑。微电网的运用能够充分展现分布式电源的优点，减小其在运行中对大电网产生的不利影响，构建新的分布式电源的结构方式。把位置比较靠近的微电源、负荷和储能方式进行组合协调控制，在配电网中展现微电网良好的可控性，方便微电网与大电网进行能量间的调换[5]，在电力系统发生故障的情况下，能够切换到孤岛模式进行独立的工作。
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1.2 微电网及其运行研究现状
1.2.1 微电网研究现状
欧洲、美国及日本等发达国家很早已经开始了微电网相关的理论研究，并且已经开始初步建立微电网的模型和开发仿真分析的工具。通过实验室的试验及实际的工程来检验微电网在配置、运行及经济分析等基础的理论问题。美国的电力可靠性技术解决方案协会（CERTS）首先提出和阐述了微电网的概念[8]。对于具体微电网的定义，美国 CERTS 在微电网概念报告中对于微电网主要思想和微电网一些重要的技术进行了系统的阐述。美国在微电网供电可靠性、电力调度满足不同用户的需求、降低微电网建设成本的投入和微电网的智能控制技术这些方面进行了大量的研究。通过实验，美国 CERTS 对微电网的理论和方法进行了验证，并且取得了成功。美国已经建成了一个称作曼德瑞沃微电网，它是美国的第一个微电网的示范工程项目。通过这个工程项目，美国进行了微电网的控制与保护方式、微电网的经济效益和微电网的仿真建模的方法验证。日本因为国内的自然资源与能源的越来越紧缺，而电力负荷不断增长的现状下，对于太阳能、风能等清洁的可再生能源非常关注，由此展开了对微电网的相关研究，并且微电网技术得到快速的发展。目前日本已经建立了多个微电网工程，日本的新能源能源产业技术综合开发机构（NEDO），积极促进微电网中运用分布式发电技术和可再生能源，强力支持一些微电网的示范工程项目。在微电网的网络结构和微电网的集成控制、热电冷综合的利用这些方面，日本进行了一系列的相关研究，并且得到了很多有关微电网的研究成果。对于微电网的发展，日本的方向是定位于能够满足不同用户的电力需求、能源供给能够多种形式，同时污染排放物少。欧盟从环境保护、电力系统的供电安全和满足不同用户对电力的需求出发，展开对微电网的研究，欧洲的微电网发展充分利用分布式能源、智能控制技术、领先的电力电子技术等，实现大电网与微电网的结合。对于微电网的研究，欧洲目前已经形成了微电网的系统运行、系统控制策略、系统保护、系统安全运行和系统通信方式等相关的理论，已经通过实验平台，对微电网这些理论进行了检验。在此基础之上欧洲制定了下一步的研究任务：制定微电网的相关标准、研究更加先进的微电网控制策略、建立欧洲的微电网示范工程。微电网是未来电网实现高效、环保、优质供电供电的一个手段，是对大电网的有力补充，目前全球其他的一些国家也对微电网积极展开相关的研究。
相比于国外的研究，国内对于微电网的研究起步较晚。我国是一个能源消费的大国，能源需求大，微电网多种能源的利用形式使得微电网在我国有广泛的应用前景。目前国家已经将微电网的技术研究列入了国家“863”计划、“973”计划的专项研究之中。国内的科研院所已经积极展开了对微电网的相关研究，在微电网的并网、微电网的控制和保护技术、微电网的电力电子装置研发、微电网和大电网的能量交换和协调技术等相关方面展开了研究，并且已经取得了相关的研究成果。清华大学早在 2006 年就展开了对微电网的研究，他们利用现有的国家重点实验室的资源，组建了一个典型的微电网试验平台，这个试验平台包含了一些可再生能源的分布式发电装置，进行电能储存的电能储存装置及模拟用户的负荷装置。通过试验平台展开了微电网动态与稳态的仿真数学模型、微电网运行特性分析和微电网实际运行会对电网整体模型产生影响等相关的研究。天津大学组织了国内几所高校，开展了微电网的经济运行理论和微电网能量优化管理方法、配电网中含有微电网的电力系统优化规划、配电网在含有微电网时配电系统的电能质量控制和分析、配电网在含有微电网时配电系统的保护原理和技术等八个子课题的研究。浙江省电力公司在 2009 年，通过自身组件的微电网试验装置，进行了微电网的离网状态和并网状态的切换、微电网电能质量控制技术、微电网在运行中的保护技术等项目的实验验证和测试。
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第 2 章 微电网的结构与微电源建模
微电网是一种小型的电力系统，能够完成部分区域的能量优化和平衡功率，同时微电网能够像大电网一样具有输电、发电及配电的功能[21]。针对不同环境的条件，微电网有不同的类型，本章简述了微电网的结构和类型。为了建立微电网优化运行的数学模型，在分析各种微电源的运行特性的基础上，建立了每一种微电源的数学模型。
2.1 微电网的典型结构
图 2.1 是一个典型的微电网结构，它包含了光伏电池、微型燃气轮机、风力发电机、燃料电池等多种微源。整个微电网系统有三条馈线，微电网通过微电网主分离器将每条馈线的线路和大电网连接起来。当微电网主分离器闭合的时，微电网处于并网状态。如果微电网的系统处于过负荷的时候，大电网可以给微电网提供电力输送，若微电网中微电源产生的电能超过负荷的需求时，可以将多余的电能传送给大电网。当微电网主分离器处于断开的状态时，微电网进入孤网运行的状态。图中馈线 A 和馈线 C 安装有多个微电源，在这两条线路上连接的是重要负荷，在馈线 A 上面有一个热负荷，在馈线 A 上面的微电源可以进行热电联产，对用户提供热能和电能。在大电力系统出现故障不能进行供电和供电不可靠的时候，微电网的主分离器断开。微电网切换到孤网状态，微电网中的负荷所需要的电能全部由微电网系统内部的微电源产生的电能进行供给，在系统中光伏发电、风力发电和燃气轮机的发电超过系统负荷的需求时，可以将多余的电力储存进储能设备中，在系统内部光伏发电和风力发电不足的时候，储能设备可以释放电能，对系统进行电力补充。在孤网运行的过程中，系统处于过负荷的时候，系统可以断开对非要负荷 B 的电力供应，同时对可调节负荷进行调节，是系统处于电能的供需平衡，保证对重要负荷的电力供应。
微电网通过微电网主分离器能够实现即插即用的供电特点[22]，可以实现在并网的过程中对大电网进行功率的补充，在孤网运行的时候保证系统重要负荷的运行，对重要负荷实现电压和电能的支撑，避免因为大电网出现故障造成的经济和其它的损失。通过结构图，可以看出微电网是一个模块化的整体结构，对于大电网来说，微电网是电力系统中的发电机或者负荷单元。从电力用户的角度，微电网是一个能够独立自足运行的小型的电力系统，能够很好的满足用户对电能可靠性和质量的需求。
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2.2 微电网的类型
建设微电网需要根据不同的建设区域、建设的系统容量、系统中微电源的电源的容量进行建设，因此根据实际的需求，微电网有着不同的类型。
2.2.1 功能分类
(1) 简单型微电网：功能设计很简单，只有一种类型的分布式发电的微电源，一般只是为了实现确保重要负荷的供电和实现冷、热、电联供的要求。
(2) 多种设备类型的微电网：拥有多种微电源，由多个不同的简单微电网组成的系统。这种类型的微电网相对简单的微电网来说，系统的复杂性增加，系统的设计也困难一些。为了便于在紧急的情况下保证微电网的正常运行，该类型的微电网通常会设置一些可切换的负荷，使得系统能够保持功率的平衡。
(3) 公用微电网：公用微电网可以与大电网连接，能够进行电能相互之间的传输。满足相关技术指标的分布式发电单元和简单的微电网都可以接入公用的微电网。依据不同用户对于系统供电可靠性的要求，公用型的微电网需要对负荷进行等级划分。根据不同的等级保证更高级别用户的供电。
2.2.2 用电规模分类
(1) 简单微电网：一般用电规模小于 2MW，通常应用在一些规模小、有多种类型的负荷的孤立性机构、设施，比如小规模的医院，小型的学校等。
(2) 企业微电网：一般用电规模处于 2～5MW 这个区域内，通常是由一部分民用负荷和能量消耗规模不同的冷、热、电联供的设施来构成的系统。
(3) 馈线区域微电网：一般用电规模处于 5～20MW 这个区域内，可以负担大的工业和商业负荷，能够进行一定规模的冷、热、电联供的设施。
(4) 变电站区域微电网：用电规模超过 20MW，能够负担居民、商业和工业的所有负荷，可以进行一般的冷、热、电联供的设施
(5) 独立微电网：在大电网不能辐射到的地区，比如偏远的山区、海岛和乡村等地方建立的小局域性的微电网，通过光伏发电、风力发电和燃料发电机等设备产生的电能，满足用户的供电需求。
光伏电池是一种通过光伏效应将太阳能转换成电能的装置[23]。光伏发电系统一般由三个模块组成，分别是：光伏阵列模块、光伏逆变器和光伏控制器。光伏阵列将太阳照射到太阳能电池板上的太阳能转换成电能，光伏逆变器将光伏阵列输出的电能逆变成正弦的工频交流电供给电力负荷或者并入大电网中，光伏控制器是控制光伏阵列在进行太阳能转换的过程中保持电能的最大功率输出。光伏发电系统在实际的工作有两种工作状态：离网、并网。在离网状态下的光伏电池，将所产生的电能直接供给负荷。在并网状态下的光伏电池，将所产生的电能以正弦交流电的形式并入电网,下图 2.5,是光伏电池并网发电的模型图。
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第 3 章 基于改进粒子群算法的优化策略.....................23
3.1 粒子群算法...........................................23
3.1.1 粒子群算法简介...................................23
3.1.2 基本粒子群算法...................................24
第 4 章 微电网优化运行仿真及分析....................42
4.1 研究算例.............................................42
4.2 并网运行结果及分析...............................47
4.3 孤网运行结果及分析.............................49
4.4 本章小结.......................................51
第 5 章 总结与展望 .....................................52
5.1 本文总结.............................................52
5.2 工作的展望...........................................53
第 4 章 微电网优化运行仿真及分析
本文所研究的是微电网的优化运行，前几章中已经对微电网的结构，微电源的类型，改进的粒子群算法及微电网优化运行的目标函数和约束条件做了相关的研究。本章将根据春节和夏季的不同负荷需求和环境因素，对并网和孤网状态下的微电网的数学模型进行求解，优化各个时刻微电源输出功率和总的日运行成本。
4.1 研究算例
微电网系统运行的仿真模型需要考虑各种微电源的技术性能参数，系统的负荷需求等数据以及进行计算的其它数据，本章的数据参考文献[45]～[50]。本章节对微电网仿真运行输入的数据主要有：风力发电及光伏电池需要的温度数据、风速数据及光照强度数据，微电网系统的负荷需求数据，如图 4.2-4.5 所示。表 4.1给出了微电网与大电网交互容量的功率及各微电源的功率限值，表 4.2 和表 4.3 给出了风力发电机及光伏电池的设备参数值，表 4.4 和表 4.5 给出了各微电源的污染物排放量，污染物罚款系数及污染物惩罚费用率。表 4.6 给出了微电网中各微电源的设备维护系数，表 4.7 和表 4.8 给出了燃料的价格及电网购电售电价格。
在本文的所建的微电源模型中，微型燃气轮机使用的燃料是天然气，燃料电池使用的是天然气及氧气，通过表 4.7 给出的数据能够计算出微型燃气轮机和燃料电池的燃料成本。由于在并网状态，微电网和大电网会发生能量交换，会有购电和售电，本文所建模型的购电售电数据，会根据不同时段有负荷低谷、负荷高峰和正常负荷三种情况，表 4.8 给出了微电网购电售电的价格数据。
本文是针对春季和夏季的微电网系统负荷需求对微电网进行运行优化,通过采用改进的粒子群算法寻找每个时刻最优的微电源输出功率，使得微电网的运行成本最小。在并网状态需要优化的有微电源与大电网的交换功率、光伏电池输出的功率、风力发电机的输出功率、微型燃气轮机的输出功率及燃料电池的输出功率。光伏电池和风力发电机使用的是清洁的可再生能源，不需要消耗燃料，也不会排放污染气体，应该优先使用。下图 4.6 和图 4.7 是春季和夏季在并网状态下各个微电源仿真后输出功率图，下图 4.8 和图 4.9 是春季和夏季在并网状态下微电网日运行成本优化曲线。
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第 5 章 总结与展望
5.1 本文总结
微电网的产生是对大电网的有益补充，能够增加电网的可靠性和灵活性。同时微电网能够充分利用太阳能、风能等新能源，优化电力能源的结构，保护环境，促进新能源的发展。微电网中的微电源有多种类型，每种微电源都有各自的运行特性，这些使得微电网的优化运行变成一个复杂的非线性的问题。解决微电网运行的优化问题，是研究微电网重要的组成部分。
本文介绍了微电网的发展现状，建立了微电网运行优化的数学模型和模型中存在的约束条件，然后在基本粒子群算法的基础上提出了一种改进的粒子群算法，运用改进的粒子群算法对微电网的运行优化问题进行求解。本文的主要研究内容如下:
（1）介绍了微电网发展的背景，发展微电网的意义。针对目前国内外对微电网的研究进行了分析，为本文的研究课题指明了研究的关键和需要研究的主要内容。
（2）详细的阐述了微电网的工作原理和结构，介绍了常见的微电网类型。对于微电网中主要微电源：光伏电池、风力发电机、微型燃料电池、燃料电池及蓄电池进行了详细的说明，深入分析了这些微电源的运行特性，在参考了许多文献的基础上，建立了各个微电源的数学模型，为后文建立微电网优化运行的目标函数奠定基础。
（3）对基本粒子群算法进行了了解和研究，介绍了粒子群算法运行的原理，具体的分析了基本粒子群算法各个参数对粒子群算法的作用。针对一般粒子群算中存在的遍历性不强，容易陷入早熟的的缺陷采用了一种改进的粒子群算法。对粒子群算法进行两个方面的改进，一是对粒子群算法本身的改进，采用线性微分递减策略的惯性权重和线性调整的学习因子；二是将粒子群算法与混沌思想相结合，形成一种混沌思想的粒子群算法，增加粒子的随机性和遍历性，提高种群的多样性，设置方差值判断粒子群早熟情况，使得粒子群算法优化的结果不易陷入局部最优解，通过算法测试验证了改进粒子群算法要优于基本粒子群算法。
（4）深入研究微电网的运行特点，在考虑了微电源的燃料成本、微电源的运行维护成本和微电源排放污染气体的环境惩罚费用的基础上，建立并网状态和孤网状态下的微电网运行的数学模型，给出了在求解该模型时的潮流约束条件、功率平衡约束条件、微电源输出功率约束条件、节点电压约束条件、微电网与大电网之间的交互功率约束条件及蓄电池的运行约束条件，以目标函数取值最小为优化策略。采用改进的粒子群算法对以 IEEE-14 节点的微电网系统在 MATLAB 中进行春季和夏季的运行仿真分析，通过实验结果验证本文构建模型的可行性，此外将基本的粒子群算法的优化结果与改进的粒子群算法的优化结果进行对比，说明改进后的粒子群算法的有效性和优良性。
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参考文献（略）
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参考文献（略）