本书着重论述了作者在微网的功率预测、协调控制、优化运行等方面所取得的研究成果。全书共分为4部分，其中第1部分为微网的功率预测方法分析与研究；第2部分为交流微网的协调控制方法分析与研究；第3部分为直流微网及混合微网的协调控制方法分析与研究；第4部分为微网的优化运行方法分析与研究。
前 言
微网是一个新型的微电力系统，涉及发电、输电、蓄电（储能）和用电等发电过程各个环节，并且集成了多种分布式发电、储能装置和不同类型负荷。微网利用可再生能源来发电，降低能耗、减少对环境的污染；微网作为大电网的补充，提高了电力系统的可靠性和灵活性。但微网承受扰动的能力相对较弱，考虑到风能、太阳能资源的随机性，系统的安全可能面临更高的风险。
能量管理系统（ Energy Management System，EMS）是电力综合自动化系统管理软件，但传统的 EMS是针对火电为主的大型电力系统，用于大区级电网和省级电网的调度中心。由于微网的特点完全不同于传统的主电网，因此传统的 EMS不适用于微网管理，微网需要开发适合其特点的微网 EMS。微网 EMS是微网技术的重要组成，研究与开发微网 EMS，能够加速微网的发展与应用。现有的微网 EMS在数据采集状态监测等基本功能方面已经比较成熟，但在微网的功率预测、协调控制、经济优化等高级应用功能方面，目前还不成熟，仍处于探索阶段。
本书作者近年来在微网的功率预测、协调控制、优化运行 3个方面取得了一些研究成果，发表了 28篇 SCI、EI期刊论文、 4篇 EI收录的国际会议论文，授权了 16项发明专利、 9项实用新型专利，获得了上海市科技进步奖。针对目前国内微网方面的著作不多，且现有的著作没有全面反映微网在功率预测、协调控制、优化运行 3个方面的情况，本书将着重论述作者在微网的功率预测、协调控制、优化运行等几个关键技术问题所做出的研究成果。
本书分为 4个部分，各部分的关键内容如下：
（1）微网的功率预测方法分析与研究
风光发电具有较强的随机性、间歇性和波动性，输出功率不稳定，大规模接入电力系统将增加电网安全稳定运行的难度，加重系统备用负担。因此，提高风光发电输出功率的预测水平是充分并合理利用可再生能源的关键所在。光伏发电系统在不同天气类型下的功率输出存在着明显的差别。为此，本书首先分析了影响光伏出力的气象因素，确定了关联性特征维度。基于气象采集和监控，提出了一种密度峰值层次聚类算法，将原始气象样本划分类型，对比不同算法的聚类结果，证明该方法更具适用性，并针对每一类别建立支持向量机（ SVM）无监督气象类型标签识别模型，对预测日类型进行定义，然后采用径向基函数建立功率预测模型，结果表明本书提出的模型能够提高预测的精度。风功率预测的关键是风速特性的研究。本书首先考虑风速的波动性，采用集合经验模态分解（ EEMD）分解原始风速序列，缩小频域范围，平稳化风速样本，并避免了经验模态分解（ EMD）方法出现的模态混叠现象；然后将平稳子序列相空间重构，分别建立最小二乘支持向量机（ LS-SVM）风速预测模型，模型参数采用一种改进果蝇优化算法（ FOA）实现优化，并证明与遗传算法（ GA）和粒子群优化（ PSO）算法相比，具有可调参数少、泛化性能良好的优点；最后叠加子序列预测值即为风速预测值，将该值带入风速 -风功率分段转化函数后最终求出对应时间下的风电功率值，原始转化函数变为分段函数后能够细化风速的变化范围，有助于提高功率曲线的回归精度。基于我们所建的预测模型基础，对比分析多种预测方法，证明了我们提出的光伏和风电功率预测模型具有较高的精度，对电力系统的稳定运行和新能源事业的发展起到了促进作用。
（2）交流微网的协调控制方法分析与研究
微网中每个分布式发电（ DG）单元需要通过相应的控制方法接入系统中，而各个 DG单元之间又需要合理的协调控制策略。微网分为交流、直流及混合 3种类型，本书分析研究了这 3种微网的控制方法，并提出了几种新的控制方法。首先对交流微网的协调控制方法进行分析。书中先对微网的基本组成、结构进行介绍，对其运行特点和关键技术进行简单的描述，分析了国内外的控制技术发展情况。其次，在 Simu-link中搭建了光伏电池、升压电路、并网逆变电路的数学模型，并通过仿真验证了模型的正确性；分析与讨论了微网基础技术；研究了光伏并网、控制部分的模型，并对外界环境变化情况下并网模型中各参数进行了仿真与分析。然后，详细介绍了逆变器的控制方法，包括有功 .无功（ PQ）控制（也称恒功率控制）、电压 /频率（ V/f）控制、下垂控制、虚拟同步发电机（ VSG）控制等，分别建立其仿真模型，通过算例仿真对控制方法进行验证，并发现各种控制方法的特性与优缺点。在此基础上，提出了新型下垂控制、新型虚拟同步发电机控制两种新的控制方法，并在 Simulink平台上对其建模与仿真，比较分析了改进前、后的运行情况，说明了新型控制方法的优越性。接着，研究了含有多个分布式电源的微网的协调控制策略，包括对等控制、主从控制、多主从控制、辅助主从控制等。对传统的对等控制、主从控制的原理进行详细的分析，并分别进行了建模仿真；然后根据这两种协调控制表现出的优缺点，提出了多主从控制、辅助主从控制两种新型协调控制策略，并对其进行了算例仿真。最后，对该部分进行了总结与展望，指出了我们所完成的主要工作与不足之处，展望值得进一步深入研究的问题。
（3）直流微网及混合微网的协调控制方法分析与研究
本书对直流微网及混合微网的协调控制方法进行了分析。本书所研究的主要目标是风光储交直流混合微网的协调控制，主要从 DG的控制策略、直流微网的控制策略、交流微网的控制策略、交直流混合微网的控制策略这 4个方面展开。首先研究了混合微网中光伏、风电、储能的控制策略，并分别建立了各微源的数学模型以及仿真模型，并对微源的特性及微源的各种控制策略进行了仿真分析。在研究光伏发电系统的最大功率点跟踪（ MPPT）控制策略时，本书提出了基于虚拟直流发电机（ VDG）的光伏发电系统 MPPT控制策略；以及在研究光伏发电系统传统的限功率控制策略 —恒压控制时，本书创新性地提出了光伏发电系统的变压控制。书中对上述两个创新点进行了建模、仿真和分析，指出了本书所提出的创新点的优势。其次，本书建立了直流微网的数学模型，研究了直流微网的传统控制策略 —分级控制，并对直流微网的分级控制进行了仿真分析，发现了分级控制的一些缺点。为了克服分级控制的缺陷，本书在对分级控制进行充分研究的基础上，创新性地提出了直流微网的变功率控制，然后建立了变功率控制的 Simulink仿真模型，并进行了充分的仿真分析，得出了变功率控制相对于分级控制所具有的优势。然后，本书建立了交流微网的仿真模型，并分析了交流微网中传统的微源控制策略（如 PQ控制、 V/f控制、下垂控制）的基本原理，由此发现 PQ控制、下垂控制与光伏发电系统、风电系统的协调性较差，因而本书认为交流微网中光伏发电系统、风电系统采用直流电压控制比较好，为了配合直流电压控制策略的实现，本书对恒压控制进行改进，进而提出了基于直流电压控制与改进型恒压控制的交流微网的协调控制，并分别分析了在孤岛模式与并网模式下上述控制策略的异同，然后建立了交流微网两种模式下控制策略的仿真模型，并进行了仿真分析。最后，本书将直流微网与交流微网通过 AC/DC双向变换器连接起来构成交直流混合微网，建立了 AC/DC双向变换器的控制策略及混合微网的仿真模型，并仿真了交直流混合微网工作于不同模式时混合微网的变化情况，以及混合微网在不同模式切换时的混合微网的变化情况。
（4）微网的优化运行方法分析与研究
微网能够整合可再生能源发电等 DG的优势，协调分布式电源与大电网之间的矛盾，结合负荷、储能单元及控制装置，构成单一可控的单元，向用户同时提供电能、热能和冷能，实现冷热电联产（ CCHP）。由于 DG具有间歇性、随机性、不对称性和多样性等特点，在满足安全性、可靠性和供电质量等约束条件下，对微网内各类微源进行优化调度，合理分配其出力，实现热、电各种能源的综合优化，以达到分布式能源微网系统的优化运行，这已成为现代电力工业领域新的研究热点。本书针对这些问题进行了深入的研究，主要研究内容如下：首先，本书在分析了微网经济优化运行的国内外研究现状的基础上，建立了含光伏发电、风力发电、微型燃气轮机、蓄电池、燃料电池和电动汽车的微网模型，特别考虑了电动汽车同时作为负荷和微源，且计及热电联产制热收益的基础上，以经济效益最大化、环境成本最小化作为微网多目标优化问题。应用非劣排序遗传算法 NSGA-II进行多目标优化求解，求得 Pareto前端解，从而获得微网最优调度策略。算例中通过与单目标遗传算法对比分析，验证了所提模型、策略和算法的有效性。然后，针对一个典型风光储互补的微网经济优化模型，在经典量子遗传算法的基础上，通过引入了双链式结构和动态旋转角调整策略，采用了一种改进型量子遗传算法。通过算例分析，并与传统的遗传算法和基本的量子遗传算法进行了对比，验证了该算法在全局寻优、收敛精度和收敛速度上的优越性。最后，为了解决微网中普遍存在的三相负荷不平衡问题，本书详细分析了微网三相负荷不平衡特征，提出了一种新的微网三相负荷计算方法；考虑到大多数微源不能承受较大的微网不平衡，进一步改进了微网分相优化调度模型，并运用改进型量子遗传算法对模型求解，从而获得了最优的三相负荷接入方案，提高了微网运行的可靠性和经济性。
在微网研究方向，本人的课题组已经培养了数十名硕士研究生，本书的一些内容直接引自他们的学位论文，在这里对本书做出贡献的杨小龙、张强、褚思远、黄山等表示感谢。另外，本书除选用自己的一些微网研究成果外，还参考了国内外学者对微网研究的成果，在此也表示感谢。
本书适合微网系统研究、设备研发、工程建设和运行管理等相关领域的科技工作者阅读，也可供高等院校分布式能源与微网相关专业的教师、研究生和高年级本科生参考。
由于作者的写作能力和学术水平有限，书中难免有疏漏之处，敬请读者批评指正，并提出宝贵的意见。
上海电力大学自动化工程学院 程启明教授 2019年 4月
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