论文总字数：30153字

摘 要

微电网作为集合了传统能源与可再生能源的新型能源系统，已成为研究的重点方向。论文以微电网内各部分之间能量优化调度为研究目标，分析了微电网内部的光伏发电系统、风力发电系统、柴油发电机、燃气发电机和储能系统，建立了微电网用于优化调度的数学模型。设计了合理的微电网内部结构、外部互联结构，以及微电网运行规则。在并网和孤岛运行状态下分别使用智能启发式算法对能量流动进行优化求解，构建出了能量节约、环境友好、运行稳定的微电网系统。

本文将微电网运维成本、环境成本、折旧成本等综合考虑，使微电网优化调度成为单目标、多约束的优化问题，大大简化了微电网优化调度的复杂性。通过详细对比，最终选择粒子群优化算法（PSO）作为具体求解优化问题的启发式算法，并且对粒子群算法进行改进，使其在微电网优化调度这一具体方面效果良好。最后利用MATLAB软件验证本文所设计微电网能量优化调度系统的可行性与科学性。

关键词：可再生能源；微电网；优化调度；粒子群优化算法

Abstract

As a new energy system combining traditional energy and renewable energy, microgrid has become the focus of research. The thesis aims at the optimization of energy dispatch between the various parts of the microgrid, analyzes the photovoltaic power generation system, wind power system, diesel generator, gas generator and energy storage system inside the microgrid, and establishes a mathematical model of microgrid optimal dispatch. Designed reasonable internal structure of microgrid, external interconnection structure, and microgrid operation rules. And intelligent heuristic algorithms were used to optimize the energy flow under grid-connected and isolated island operation states, and a microgrid system with energy-saving, environment-friendly and stable operation was constructed.

This paper considers the microgrid operation and maintenance costs, environmental costs, depreciation costs and other comprehensive considerations, making microgrid optimized scheduling a single-objective, multi-constrained optimization problem, which greatly simplifies the complexity of microgrid optimized scheduling. Through detailed comparison, this paper chooses particle swarm optimization (PSO) as a heuristic algorithm for solving optimization problems, and improves the particle swarm algorithm to make it effective in the specific aspects of microgrid optimization scheduling. MATLAB software is used to verify the feasibility and scientificity of the micro-grid energy optimal dispatching system designed in this paper.

Keywords: Renewable Energy; Microgrid; Optimize Scheduling; Particle Swarm Optimization Algorithm;

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1微电网优化调度研究现状 1

1.2.2启发式算法研究现状 2

1.3研究内容与章节安排 2

第二章 微电网结构与分布式电源模型 4

2.1引言 4

2.2微电网结构 4

2.3微电网运行模式 6

2.4分布式电源的建模 6

2.4.1光伏电池模型与功率输出模型 6

2.4.2风力发电输出功率模型 7

2.4.3柴油发电机 8

2.4.4燃气发电机 9

2.4.5储能系统 9

第三章 微电网优化模型 10

3.1引言 10

3.2微电网优化调度目标函数 10

3.3微电网优化调度约束条件 11

3.4惩罚函数法 12

3.5增广目标函数优化模型设计过程 12

第四章 粒子群算法及其改进方法研究 14

4.1引言 14

4.2粒子群算法基本原理 14

4.2.1粒子位置更新原理 14

4.2.2粒子群算法基本流程 15

4.3粒子群改进算法 16

4.4粒子群改进算法的具体应用过程 16

第五章 算例分析 18

5.1引言 18

5.2原始数据 18

5.3微电网并网运行仿真分析 21

5.4微电网孤岛运行仿真分析 23

结论与展望 26

参考文献 27

致谢 29

附录：微电网优化调度仿真程序 30

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

人类的延续和进步必须大量得使用不可再生能源，特别是在工业快速发展之后，能源需求量日益加大。近代以来，被用来直接使用的能源由化石能源转变为电能。然而，根据我国国家统计局2020年发布的最新统计数据，虽然我国光电、风电和核电等装机比例不断提升，但是水电、光电、风电和核电发电量仅占总发电量的27.7%，火力发电仍占据着发电量的大部分。由此易见，目前人类发展使用的绝大多数能源本质属于不可再生资源，并且此类不可再生能源的大量使用会带来严重的环境污染问题。为了解决能源问题和环境问题，加大力度推进可再生能源建设成为必然趋势。微电网作为能将传统能源和可再生能源结合的电力系统已经成为广大学者的重点研究内容。

微电网的使用必须能达到环境友好、资源节约的目标，因此设计合理的微电网结构，对电能进行优化调度格外重要。启发式算法（HA）是一种类似于最优算法所的能够解决实际问题的优化算法，属于人工智能的一个分支领域，主要包括蚁群算法、模拟退火算法、粒子群算法等。利用启发式算法对微电网运行进行优化具有高效、方便和可靠性强等优点，电力系统智能化终将是未来的发展趋势。因此，使用启发式算法对微电网进行优化调度符合能源和环境发展的客观需求，是电力系统研究的重要方向。

综上所述，研究微电网优化运行对于解决环境问题、能源问题和推动可再生能源发展会起到至关重要的作用。微电网优化调度是微电网研究的关键技术之一，因此基于启发式算法的微电网优化调度是一个具有重要意义的研究课题^[1]-[3]。

1.2国内外研究现状

1.2.1微电网优化调度研究现状

微电网优化调度是指在微电网内负荷需求和各种约束条件得到满足的情况下，安排合理的微电网内分布式电源的输出功率与工作时间，储能装置的能量储备以及与外部电网的能量交换等，使得微电网具有较高的能量利用率，并且运行成本、维护成本和环境成本等较低，达到缓解能源紧缺与环境恶化等问题的目的。

由于微电网内部的光伏发电、风力发电工作情况影响因素中最重要的是环境，人类无法完全控制其工作情况。用电负荷也在不断地不受控制得变化，因此控制微电网运行在较优状态存在巨大的困难。国内外许多学者针对微电网运行优化这一课题做了大量的探索和讨论。文献^[4]针对孤立微电网，将运行成本与环境成本协调控制作为目标建立优化调度模型，采用非线性指数递减函数的惯性权重取值方法改进优化算法，有效改善了优化调度算法的收敛性，然而绝大多数的微电网都是运行在并网状态，对并网状态下的微电网进行优化调度才是研究重点。文献^[5]提出了一种基于微电网群的双层分布式调度算法，以微电网协调管理、整体优化调度为目标，制定了协调管理、整体调度等方法，系统运行的稳定性和可靠性被有效地提高了，降低了整个系统的运行成本。不过现实中微电网各有所属，实现整体最优调度将会使部分个体受到损失。文献^[6]基于蝙蝠算法提出了一种多能互补微电网优化调度模型，微电网运行的不同状态都被详细地分析了，并且考虑了负荷预测与可再生能源发电预测，完善了微电网优化调度的具体过程，但是对于并网状态下微电网与外部电网的能量交换缺少详细分析。文献^[7]提出了一种基于改进粒子群算法的并网微电网优化调度模型，对微电网调度过程进行了简化分析，由于过于简化缺少全面性。文献^[8]提出了一种基于系统结构的优化框架，提出了用于微电网优化的拓扑结构新思路。

综合国内外对微电网优化调度的研究情况来看，研究重点主要是在构建合理的微电网结构、建立符合实际的微电网运行模型、综合考虑约束条件，改良优化算法等。但是研究内容很少关注微电网内各设备的折旧成本、微电网与外部电网之间的能量交换规则以及保证微电网内部由于突发情况能够维持可靠运行的储备成本。

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