第一章 绪论
1.1 课题背景及研究意义
近年来，为了适应对能源的迫切需求与缓解气候变化带来的压力、充分发挥可再生能源发电的作用[1]，将分布式电源以微电网的形式并入配电网得到了电力行业越来越多的关注，现在已经成为了一个研究热点[2]，是未来能源互联网建设的重要组成部分[3-4]。微电网是由间歇式电源、储能装置、电力负荷、二次设备（主要为监控设备和继电保护装置）有机结合而成[5]。可以将分布式电源和中小型传统发电进行优化配置[6]，满足本地用户电能的同时，满足热能的需求[7]。微电网可以连接配电网和间歇式电源，减少间歇式电源直接接入配电网造成的网损，提高间歇式电源的利用效率，为整个电力系统的安全、可靠和经济运行提供支持[8]。
目前，国内外学者关于微电网课题的研究重点主要集中在如何安全可靠的将间歇式电源接入微电网并实现可靠控制[9]，为更好地研究微电网和间歇式电源的衔接，国内外研究机构着力搭建关于微电网的示范工程，用于分析间歇式电源控制和微电网能量管理[10]。图 1-1 给出了微电网能量管理系统的结构图，其主要包括实时信息预测系统、运行控制系统及优化调度系统三部分。
微电网能量管理系统要实现的目标是在保持微电网运行可靠性和稳定性的同时，保证微电网运行的经济性[11]。实现方式为依托气象预测和电力系统负荷预测技术，考虑实时电价，在满足微电网安全可靠运行的前提下，通过调节接入微电网的间歇式电源和储能装置的有功出力以及电力负荷投切[12]，尽可能的提高微电网运行的经济效益。我国的电力市场逐渐完善，用户对电力系统的要求逐渐提高，考虑用户需求的需求侧资源调控技术越来越重要[13]。微电网的综合负荷通常在几十千瓦到几兆瓦之间[14]，有很大的利用空间，通过经济手段、政策激励等方式调控用户侧的电力负荷，可以充分利用用户侧资源，有效降低电力系统备用容量投资，促进电力系统的可持续发展[15]。用户能够参与到电网优化运行是智能电网不同于传统电网的突出特点，因此从需求侧管理的角度出发开展微电网优化运行的研究非常有必要[16]。
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1.2 微电网关键技术及发展现状
微电网在降低系统能耗、提高电力系统可靠性等方面具有很大的潜力，能够从根本上改变传统电网应对负荷增长的方式，至今为止，在微电网领域，国内外已经取得了丰硕的研究成果[17]。
1.2.1 微电网关键技术
1.2.1.1 微电网控制
稳定的控制系统是保证微电网安全可靠运行的前提，同时也是研究的难点。微电网内部的间歇性电源和储能装置多是基于电力电子技术的逆变型设备，对于此种类型的设备来讲，实现其控制的关键是并网逆变器控制[18]。当微电网系统中存在多个电源时，就有必要对它们进行协调控制，来满足微电网在孤岛模式、并网模式及两种运行模式之间切换时的各种需求，保证微电网的稳定运行[19]。微电网系统一般采用三层控制结构，如图 1-3 所示。
除此之外，为实现与配电网的友好融合，微电网控制系统结构还可以从另外一种角度分成三层[20]，即配电调度系统(Distribution Management System, DMS)、微电网中央控制系统(Micro Grid system Central Controller, MGCC)和本地控制器，其中，本地控制器包括分布式电源控制器(local Micro sources Controllers, MC)和负荷控制器(Load Controllers, LC)[21]，MC 可以自动实现各个微电源有功、无功功率的最优化控制，LC 可以根据 MGCC 下达的指令或者自治提供负荷控制功能实现需求侧负荷管理，如图 1-4 所示。
总体来讲，微电网基本控制功能应该保证以下 6 点：
（1）任意一个新的微电源的接入不会对整个系统造成影响；（2）微电网可以平滑且快速无缝与配电网实现并列和分离；（3）能够对有功和无功功率进行独立控制；（4）电压波动和系统不平衡可以自动校正；（5）孤岛运行情况下，可以自主选择电压工作点和电能工作点；（6）能够适应负荷动态需求。
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第二章 微电网各部件模型研究
2.1 引言
微电网优化运行是实现微电网能量管理的重要途径，其最终目标是在保证各微型电源(Micro Source, MS)出力与负荷平衡的前提下，优化安排各微源出力及可控负荷工作状态，在保证微电网可靠运行的情况下，实现微电网运行的经济性最优。微电网系统由风电、光伏、微燃机、储能装置和负荷各部分组建，如果想要实现对微电网系统的有效管理，其基础是对微电网各部件模型都有精准地描述。本章首先介绍了微电网中典型可再生发电单元及储能装置的运行特性和数学模型，随后对微电网需求侧进行分析，制定了适用于微电网需求侧管理的负荷分类与分级，最后对可控负荷部分进行了精细化建模，为后文进一步研究微电网的优化运行控制提供支持。
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2.2 典型分布式电源及储能装置模型研究
2.2.1 风力发电系统模型
风电是各种新能源利用过程中的重要组成部分。丹麦在19世纪末开始研制风机，并在 1891 年成功搭建了世界上第一个风力发电站。20 世纪 70 年代，全球范围内开始大规模开发风力发电。目前为止，风力发电已经成为技术最成熟、商业开发价值最大的可再生能源，风力发电产业也已经是当今经济增长最迅速、发展潜力最深厚的产业之一[56]。
如图 2-1 所示，风力发电系统的主要组成部件是风机叶片、齿轮箱、发电机、电力电子设备及变压器。风力发电系统可以利用风的能量带动风机叶片旋转，将动能转化为机械能，再通过齿轮箱将转速提高，驱动发电机，发电机进一步将机械能转化成磁场能，并最终转化成电能。由风力发电原理可知，风力发电系统输出功率与风速密切相关，且本文不考虑风力发电的尾流效应、风速偏差及轮毂线高度等的影响，则风速-功率关系可以用公式(2-1)至(2-3)描述[57]。
由公式(2-1)至(2-3)可以看出，当风速比切入风速小时，风机无法启动；当风速增大到切入风速时，风机开始并网发电，此时风机的实际功率输出随着风速的增大而增加；当风速增大到额定风速时，风机保持实际功率输出为额定功率；当风速增大到切出风速时，为了防止风机被损坏，系统抱闸停机、不再工作。明显的，已知某时刻风速则可依据上式求得该时刻风力发电系统的功率输出。
2.2.2 光伏发电系统模型
冷/热电联产技术是分布式能源技术的重要分支之一，微型燃气轮机(MicroTurbine，MT)是冷/热电联产在微电网中的一个重要应用。微燃机的主要组成部分是MT、内置式高速逆变发电机、高效回流换热器及数字电力控制器。作为一种新型的小功率热力发电机，MT 由燃气涡轮、燃烧室、发电机、压缩机、回热器等部分组成，可以利用天然气、汽油、柴油及烷类气体等作为燃料，发电效率高达 30%，如果采用热电联产模式，效率可提高至 75%[61]。微型燃气轮机冷/热电系统结构如图 2-3 所示。
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第三章 基于改进粒子群算法的微电网优化运行·······38
3.1 引言 ····················38
3.2 微电网优化运行数学模型 ···········38
第四章 微电网优化运行仿真分析··········57
4.1 引言 ····················57
4.2 微电网仿真参数设置 ·············57
第五章 考虑需求响应的微电网优化运行设计与开发····74
5.1 引言 ······················74
5.2 微电网优化运行硬件设计 ·············74
第五章 考虑需求响应的微电网优化运行设计与开发
5.1 引言
微电网能量管理系统可以大致分成功率预测、实时控制、优化调度三方面，系统实时采集底层设备信息及运行状态，并通过优化算法控制底层设备来保证微电网系统运行的稳定性和经济性。本章把考虑需求响应的改进PSO优化运行算法和微电网能量管理系统相结合，能量管理系统可以同时与通信管理机交互信息，按照通信协议将各设备状态信息进行解析，并将该信息储存或者转发，还可以调用能量管理系统中的算法，将采集到的信息进行分析和计算，并下发控制信息到各个设备。全部过程可以大致分成实时监控、数据存储、数据通信、人机交互四个步骤。
上海电气某子公司已经研制出的微电网能量管理集成控制器可以很好的解决小规模微电网的能量管理控制目标，但为了进一步扩展其功能，将微电网的控制与智能楼宇、智能家居、冷/热/电三联供等前瞻性概念引入其中，使需求侧管理技术在微电网中得以应用。根据系统的需求方案可知，实现该功能所需硬件主要可以分为 CPU 模块、通讯模块、WIFI 模块和监控模块，其总体架构如图 5-1 所示。其中，CPU 模块使用OMAP-L138 作为主控芯片，主要负责整机的控制、数据的处理及算法的运行；通讯模块负责与外部设备的通讯，主要使用 RS232 的通讯接口；WIFI 模块主要负责与外网的连接，并能够自主释放 WIFI 热点，并与相对应的软件传输数据；监控模块，主要负责整个系统的显示与控制，包括对外的人机互动和操作友好性。
通讯模块主要用于设备的数据采集，将数据传输至 CPU 模块，并将 CPU 的控制指令下传至各个对应设备。由于外部设备较多（一般为 5 个），考虑到系统备用，本文设定有 8 个 RS485 和 2 个 RS232，并采用 CPLD 作为扩展芯片。CPLD 为复杂可编程逻辑器件，由 PAL 和 GAL 器件进一步发展而来，结构复杂、规模较大，是大规模集成电路（数字集成电路），使得用户能够根据自身需要自主构造逻辑功能，需要借助集成开发软件平台对其进行设计，用硬件描述语言或者原理图的方法生成目标文件，然后利用下载线缆将相应代码输送到目标芯片中，最终实现数字系统的设计，其硬件架构如图 5-3 所示。
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第六章 总结与展望
6.1 总结
本文在研究需求侧管理技术在微电网中的应用的过程中取得了一定成果，但是目前的研究仅仅只是一个开端。微电网优化运行是一项非常复杂的系统工程，需求侧管理技术又是一个非常新颖的研究方向，二者的结合更是涉及到了许多学科研究领域。由于作者时间精力有限，所掌握知识的深度及广度还远远不够，该课题还可以从以下几个方面进行更为全面深入的研究：
（1）本文采用的基于数学模型的功率预测方法对风力发电等可再生发电单元进行的有功出力计算，可以将基于模型的预测方法与人工免疫算法相结合，以输出更精确的有功功率，使得调度更为精准。
（2）本文优化方案是在一天的初始时刻制定的全天优化调度方案，可以将该方案和动态优化调度方案相结合，使控制系统能够根据微电网系统的实时运行情况，对各分布式发电单元实现功率输出的动态调度，使优化效果更优。
（3）本文设置了 3 种设备参与需求响应，且对其控制策略采用较为粗糙的百分比控制，随着智能家居的不断推广，越来越多的用电设备可以参与到需求侧管理中来，控制策略也可以被深入研究，使其更为细致。
上述发展前景，也是本人努力丰富自身知识、提高自身能力，以继续深入研究的重要方向，以期可以促进需求侧管理技术在微电网中的深层应用。
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参考问下（略）
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参考问下（略）