摘 要

随着智能电网时代的来临，微电网以其得天独厚的优势占据了重要地位，成为研究的新兴领域，而微电网的优化调度效果对其环保经济效益有重要影响，所以优化微电网运行，是十分必要的。

首先，我们对微电网系统进行分析，对微电网系统内所含的各个微电源进行认知，依据其运行特性，构建各个微电源的数学建模，并对微电网运行构建以实现经济性能最佳的优化模型。其次，为了实现微电网运行的最优解，我们利用智能优化算法中的差分进化算法进行计算，在对差分进化算法及其算法步骤进行详细介绍之后，提出差分进化算法的改进策略，避免出现早熟收敛，并且探讨它的多目标优化问题，给出解决方案。最后，进行算例分析，再加入原始数据之后，对微电网运行优化，包含其孤岛与并网的情况，验证算法得出最优解的可行性，并对微电网的发展提出建议。

关键字：微电网；微电源；差分进化算法

Abstract

With the advent of the era of smart grid, microgrid occupies an important position with its unique advantages and becomes a new field of research. The optimal dispatching effect of microgrid has an important impact on its environmental protection and economic benefits, so it is necessary to optimize the operation of microgrid.

Firstly, we analyze the micro-grid system, recognize the micro-power sources in the micro-grid system, build the mathematical models of micro-power sources according to their operation characteristics, and construct the optimization model of micro-grid operation to achieve the best economic performance. Secondly, in order to achieve the optimal solution of microgrid operation, we use the differential evolution algorithm of intelligent optimization algorithm to calculate. After introducing the differential evolution algorithm and its algorithm steps in detail, we propose the improved strategy of differential evolution algorithm to avoid premature convergence, and discuss its multi-objective optimization problem, and give the solution. Finally, an example is given to verify the feasibility of the algorithm, and some suggestions for the development of microgrid are put forward after adding the original data to optimize the operation of microgrid, including its islands and grid-connected situation.

Key words: Micro-grid；Micro power sources；Differential evolution algorithms

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究的背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 微电网国外研究现状 3

1.2.2 我国微电网研究现状 4

1.2.3 微电网优化运行研究现状 5

1.3 论文研究的主要内容 5

第2章 微电网发电单元数学模型 7

2.1 微电网概述 7

2.2 发电单元数学模型 7

2.2.1 光伏发电单元 7

2.2.2 风力发电单元 9

2.2.3 燃料电池 9

2.2.4 微型燃气轮机 10

2.2.5 蓄电池 12

2.3 微电网运行优化模型 12

2.3.1 并网运行方式与优化模型 12

2.3.2 孤岛运行方式与优化模型 13

2.4 本章小节 14

第3章 差分进化算法原理 15

3.1 差分进化算法概述 15

3.2 标准差分进化算法 16

3.2.1 初始化 16

3.2.2 差分变异 16

3.2.3 交叉 17

3.2.4 选择 17

3.3 差分进化算法的改进 18

3.4 多目标优化探讨 19

3.4.1 多目标优化概述 19

3.4.2 目标函数加权和 20

3.4.3 优化多目标适应性DE 20

3.5 本章小结 22

第4章 基于差分进化算法的微电网出力优化研究 23

4.1 算例数据说明 23

4.2 算例分析 26

4.2.1 冬季微电网并网方式优化运行 27

4.2.2 夏季微电网并网方式优化运行 29

4.2.3 冬季微电网孤岛方式优化运行 31

4.2.4 夏季微电网孤岛方式优化运行 32

4.3 本章小结 33

第5章 结论与展望 34

参考文献 35

附录A 36

致谢 37

第1章 绪论

1.1 研究的背景及意义

能源在国民经济与社会发展中扮演着重要的角色，它与我们的日常生活息息相关，随着社会的发展，能源的地位愈发重要，几百年前，人们利用煤炭这类不可再生资源将人类文明推动了一大步，从而开启了工业时代，加快了社会发展与文明进步。近些年来，随着社会与经济飞速发展，现代社会能源已经成为了人们生产生活不可分割的一部分，并且人们对于能源的需求量越来越大，人们从能源的利用中得到了诸多益处，但是与此同时，负面影响也随之而来。经济快速增长，对能源的过度依赖，导致了如煤炭，石油等不可再生资源的日益枯竭，除此之外，在使用化石燃料的同时，与之带来的环境问题逐步显现与加重，化石燃料燃烧中二氧化碳与二氧化硫等气体的产生与排放，导致了如今的温室效应、酸雨、雾霾等环境问题，在不断的积累过程中，环境问题愈发严重，不仅已经危害到了人们自身的健康，并且还会带来严重的经济损失，在一定程度上阻碍了我们社会与经济的发展。在当今的21世纪，我国面临能源问题的抉择，需要在以化石燃料为主的不可再生资源与新兴的可再生能源（太阳能、风能）之间做出选择，决定能源优化与发展的走向，这对日后国家发展是至关重要的，近年来，我国一直强调加强建设生态文明，明确生态文明建设地位，把生态文明建设融入到经济建设、政治建设、文化建设、社会建设各方面与全过程。加快建设环境友好型社会，坚定不移的实施科学发展观，那么我们需要对能源使用结构进行优化，加大对新能源的开发力度，并提高对能源的多级利用，增大能源的利用率，开发自己的核心技术，提高能源利用的清洁度，减少污染排放，将强污染治理，并提高相应的技术水平。

在当下，人们的日常生活，社会的经济发展与正常运作都是离不开电能的，人们依赖于电能所带来的便利，为了解决电力需求日益增长与能源分布不均衡之间的矛盾，区域电网之间进行互联形成大规模电力系统。区域互联的大电网得到了快速发展，并成为主要的供电方式。但是依据电能的远距离输送，大规模生产的特性，电力能源的投资集中于大型发电厂，比如火电厂、水电厂等，其建设成本高，远距离输送所造成的运行成本高与调度难度大，难以满足用电需求，并且在安全性、可靠性方面也含有一定的容错，无法完全满足要求，大型电力系统的自身弊端限制了它的发展，随着电网规模的扩大，更是容易受到干扰，显示出它的脆弱性，在电网局部受到影响时，容易引发大规模的断电情况，而且在偏远地区供电效果可能也不尽人意。另一方面我国以火力发电模式为主，使用能源主要为煤炭、石油等不可再生能源，对于环境会造成较大污染，它不符合我国生态文明以及环境友好型社会的建设的理念。

然而分布式能量系统能够很好地符合环保发展理念：微电源利用清洁能源发电，并实现能源梯级利用。分布式发电在解决大电网为社会发展带来的影响起到一定的作用，它的灵活性高，当在某个区域内的用户负荷过多，对大电网的压力大时，可以将分布式发电建设在这一区域内，能够保障大电网的稳定，除了满足电负荷以外，分布式发电技术还能够满足用户的冷、热负荷，在一定程度上实现了能源的多加利用，提高能源的利用率，降低能源损耗，减少对环境的污染，并且能够很好的改善偏远地区的用电问题，降低远距离输电成本，对于提高电能质量与供电安全有着重要作用。然而，分布式电源也存在一些不可避免的问题：其系统内部包换的风机、光伏微电源的随机性、间歇性会对电网造成威胁，其电能交互是存在风险的，所以制约了分布式发电的发展。分布式发电具有显著的优点，但同时缺点也不可避免，为了充分利用分布式发电的优势，基于分布式能量系统提出微电网。

微电网的提出既能让各个微电源充分利用可再生能源发电，实现能源利用结构优化以及环保效益，还能与大电网实现电能交互，通过对电价的削峰填谷，实现经济效益。微电网有效的解决环境污染问题，提升能源利用率，实现能源结构优化，具有诸多好处，可以说微电网技术获得了人们共同的认可，虽然微电网技术在不断发展、不断成熟，但其中仍然存在一些困难，分布式电源特殊的发电特性，时常灵活多变，具有各类组合，如何解决它的优化调度问题，实现经济效益最佳，环保效益最佳是重要的研究方向。

为了研究最优解的问题，人们提出了智能优化算法，针对实际问题，通过优化理论进行探讨，从而提高系统的效率，合理的配置资源，降低能耗，比如遗传算法与粒子算法，它们对优化问题是否连续或可导没有要求，并且具有鲁棒性强，收敛度高等优点，能够很好地解决工程的实际问题。

微电网的运用可以很好地解决分布式发电与大电网并入的问题，改善环境的同时能够带来更高的经济效益，其发展具有重大意义，所以研究微电网的经济环保调配是十分必要的，即考虑微电网的优化运行，利用智能算法来实现这一功能，在本文中，所使用的优化算法为差分进化算法。

1.2 国内外研究现状

人们对于负荷的需求是逐步增长的，并且对电能质量要求也逐步提高，但电网的安全性能、可靠性能有着严格的要求，只是单一的扩大电网规模很容易带来潜在的隐患，并且也无法完全满足环境保护，能源结构优化，实行可持续发展的理念，这对各国的电力状况都是不小的挑战。而微电网的理念使得分布式电源能够物尽其用，在其有独特优势的同时，最大程度的降低或是消除了对大电网的影响，在解决电能问题上具有得天独厚的优势。因此各个国家开展对微电网的研究，以一个新领域的研究内容，与自己国家的实际情况相结合，发展自己国家的微电网技术。

1.2.1 微电网国外研究现状

（1）美国提出的微电网概念可以说在全球内是最为权威的，因为其首先提出微电网这一概念，并在全球范围内得到反响，微电网的发展开拓了新的领域。美国CERTS微电网的理论成果已经在实验室的平台上完成了验证，并在之后通过仿真分析，最终建设了现场的实际工程以进行示范，CERTS与美国的电力公司合作，于俄亥俄州的两个技术中心建立大规模的智能微电网平台，可以说美国在微电网方面的研究是很深入的，其控制思想和设计理念是很成功的，主要体现在即插即用与对等。并且开展了通用电气全球研究规划这一项目，实现电热性能与成本优化控制并对可再生能源发电存在的缺陷进行管理，实现微网系统的稳定运行与管理优化。这套微电网能量管理系统可以说对促进微电网优化调度与可控具有重大意义，另外美国其他的微电网项目也极大程度的促进了微电网的发展。

美国CERTS微电网模型主要特点是所有微电源均具有电力电子接口，包括太阳能发电、风力发电、小型旋转机械发电、各种储能设备等。其关键设备是智能静态开关设备，用于控制电网和微电网连接和断开。对于每一微电源均使用数字式智能继电保护隔离故障保护区域，各个保护设备之间有专用的数字通信线路连接。

（2）微电网实现能源结构优化，大量使用可再生能源，其经济环保效益当然也受到了欧洲各国的关注，这也符合了欧盟对于微电网研究时的指导思想，并且其中仍然依据了分布式电源即插即用的要求。欧洲鼓励社会各界积极参与电力市场的开发与完善，推动欧洲的电网发展，在其中基于智能技术，分布式能源以及先进的电力电子技术，来提升集中供电与分布式发电的紧密结合程度。微电网作为欧洲未来电网的重要组成，在当下，形成了微电网运行、控制、保护、安全与通信一系列的相关理论，对微电网的研究也愈发深入，依旧是在以理论为前提，在实验室平台上进行验证，再将深入研究先进的控制策略，在做好相关准备后建立示范工程，为智能电网的发展做出充足的准备。并在其中ABB、西门子、ZIV集团做出了相关的技术突破。欧盟微电网模型的所有保护设备均为数字化智能设备，能够实现实时监控，精密了解电网状态，其结构模型是十分全面的。

（3）日本国土面积较小，其能利用的资源是十分有限的，所以开展微电网的研究，能够很好地解决能源危机，可以更好地利用可再生能源，并且缓解了发展中负荷增长的问题，日在微电网示范工程的建设之中，是处于领先地位的其中包含了 Hachinohe Aichi Kyoto和Sendai两地。日本在微电网的研究中，拓展了美国CERTS对微电网的定义范围，将传统供电独立系统归入微电网的研究内容之中。并且提出智能能量供给系统，即FACTS，通过优秀的控制性能，来实现微电网的结构优化，并满足了其能源供给多样化、污染降低、满足用户个性化电力需求的理念。

（4）加拿大微电网的相关研究主要集中在中压配网。研究机构所受到的资助来自两部分：一部分是加拿大联邦政府，通过自然科学工程研究委员会或加拿大自然资源部进行资助；二是地区政府，例如安大略省研究与改革厅。加拿大微电网的相关研究主要集中在以下几个方面：一是边远地区供电问题；二是计划孤岛运行；三是城市电网如何作为“好市民”^[16]。

从各国微电网的研究现状与应用范畴来看，发展微电网不仅仅是为了优化大电网存在的弊端，是电力的变革，在能源、环保、经济发展上大有裨益，最终为实现智能电网打下坚实基础，它是未来电网实现高效优质的重要举措。

1.2.2 我国微电网研究现状

国内的微电网研究起步稍晚，从2006年开始，我国把微电网技术研究相继列入国家“863”计划、“973”计划专项资助研究。目前，很多高校、科研院所、大型企业都在进行微电网的试验研究及示范工程的建设工作。

2009年，浙江省电力公司建立了由多种类型分布式发电、储能装置构成的微电网实验平台，可灵活组成多种微电网结构，模拟多种类型故障，并可实现并网与离网运行模式的灵活切换，开展对各种协调控制与保护技术、电能质量控制技术及其他各种高级应用功能的实验测试和验证。

2010年，河南省电力公司与许继集团有限公司联合完成了国家电网公司的“分布式光储联合微电网运行控制综合研究及工程应用”的示范工程项目（该项目结合了国家财政部金太阳示范工程项目）。项目地点在河南财政税务高等专科学校，光伏发电系统380kW，储能系统规模为2x100kW/100kWh；微电网系统控制范围为河南财政税务高等专科学校4号配电区学生宿舍及食堂，包括3路光伏发电系统、2路储能系统及32路的低压配电回路，并与中牟县电力公司调度机构进行通信。

同年，陕西省电力公司与许继集团有限公司联合完成了“分布式发电/储能及微电网控制技术研究”的示范工程项目。项目地点在西安世界园艺博览会园区人口处，包含智能配电网、分布式发电与微电网、电动汽车充电站、智能用电体验等方面在内的一系列试点工程,面向公众展示国家电网公司智能电网的新技术和新成果，项目结合电动汽车充电站，在电动汽车充电站顶棚建设50kW光伏发电系统，电动汽车充电站周围安装6台共12kW风力发电系统，配置30kW/60kWh储能系统。

这两个微电网示范工程，验证了微电网系统能实现并网最优运行、离网稳定运行、并离网自动切换、微电网交换功率可控等微电网特有的功能，实现了将示范工程项目建成一个真正运行的具有微电网特征的实际工程项目。

2010年，南方电网公司国家“863”计划——分布式供能课题冷电联供系统示范工程正式投运，项目地点在佛山市禅城区供电局，示范工程采用3台200kW微燃机和1台溴化锂制冷机，整个冷电联供系统可提供给供电局大院内3栋大楼的冷电负荷需求，按照设计目标，一次能源利用效率超过75%。

1.2.3 微电网优化运行研究现状

微电网具有降低环境污染，提升能源利用率，实现能源结构优化等诸多好处，我们利用智能优化算法对其运行进行优化，从而达到环保效益最大化，其优化的过程是微电源出力配置，在不同时段出力不同，所得到的结果是不同的，我们要分析运行中动态与静态的过程，综合考虑，实现成本最低，效益最好。

因此相对传统电力系统，微电网的优化运行更为复杂。目前，微电网的优化运行在国内外受到了广泛的研究。文献[1]构建的是单目标模型，目的是解决运行费用最小；文献[2]依据微电网本身的特性，来实现微电网经济运行的最优；文献[3]主要涉及到了运行成本的问题，实现成本最低：文献[4]是针对微型燃气轮机提出的，涉及了微电网的环保运行，其中综合效率以及污染，进行多目标的优化；文献[5]主要研究了储能系统在微电网的应用；文献[6]综合了电、热、气，采用粒子群优化算法对微电网进行经济优化，分析了成本与效益，并且综合考虑了气体污染治理所带来的费用。

从以上的研究来看，微电网优化运行主要集中在其经济效益最优，而这种优化也能体现在发电成本低，因此采用智能算法对各发电设备的出力进行优化，能有效的节约能源，提高效益。

1.3 论文研究的主要内容

本文立足于微电网的经济环保特性，促进分布式发电的发展，通过对结构的分析，对系统内部组成构建数学模型，对其需求构建目标函数，并利用差分进化算法来实现最优解，具体章节说明如下：

第一部分主要介绍了微电网发展的背景与意义，以及各个国家微电网研究现状，通过这些认识本研究的必要性以及发展微电网理论所得的实际效益。

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