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        采用可控負(fù)荷平滑光伏發(fā)電功率波動的需求響應(yīng)策略

        2014-11-22 02:09:36李衛(wèi)良楊永標(biāo)
        電力工程技術(shù) 2014年2期
        關(guān)鍵詞:波動儲能商業(yè)

        李衛(wèi)良,黃 堃,陳 璐,楊永標(biāo)

        (國網(wǎng)電力科學(xué)研究院,江蘇 南京 210008)

        目前,在彌補(bǔ)間隙性能源發(fā)電缺點方面,主要通過電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)角度來考慮。電源側(cè)角度主要采用通過儲能的存儲和釋放,在間隙性能源發(fā)電高峰時進(jìn)行儲存,低谷時進(jìn)行釋放[1];通過其他能源補(bǔ)償?shù)姆绞?,如常?guī)發(fā)電資源(如水電、火電、核電、柴機(jī)等)和間隙性能源互補(bǔ)(如風(fēng)光互補(bǔ))等。負(fù)荷側(cè)角度主要是利用各種不同特性負(fù)荷作為需求響應(yīng)資源,動態(tài)實現(xiàn)“虛擬儲能”或“虛擬電廠”[2]。其中儲能建設(shè)成本高、運(yùn)行維護(hù)難;其他能源互補(bǔ)方式,受地域條件限制;需求響應(yīng)方式是一種成本低廉而且可行的辦法。以建筑暖通負(fù)荷、熱水器、電冰箱等為代表的熱力學(xué)可控負(fù)荷在城市建設(shè)中占有較大比重,且具有良好的“儲能特性”,是有效的需求響應(yīng)資源。從國內(nèi)外需求響應(yīng)研究情況來看,主要涉及:(1)從需求側(cè)出發(fā)研究大規(guī)模風(fēng)電消納的問題,文獻(xiàn)[3]考慮融入用電激勵、可中斷負(fù)荷、電價響應(yīng)等用電調(diào)度方式,在傳統(tǒng)發(fā)電調(diào)度模式中融入用電調(diào)度,提供了并網(wǎng)備用資源。(2)通過在用電設(shè)備上增加新型控制器,實時監(jiān)控、響應(yīng),平衡供需,文獻(xiàn)[4]提出了控制居民制熱泵的開啟來響應(yīng)間隙性發(fā)電的波動,進(jìn)行了仿真分析。

        1 光伏發(fā)電

        光伏陣列輸出特性曲線具有強(qiáng)烈的非線性,隨太陽光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度改變而變化,尤其在多云天氣,發(fā)電功率會出現(xiàn)快速劇烈變化。某地光伏發(fā)電在某天輸出有功功率曲線如圖1 所示。從07:00—12:00為光伏功率上升期,變化趨勢較明顯,而在12:00—15:00為相對穩(wěn)定期(由于云朵移動,會有瞬間劇烈波動)。這些劇烈波動,一旦其滲透率達(dá)到一定范圍,會對區(qū)域電網(wǎng)甚至整個電網(wǎng)造成頻率和電壓不穩(wěn)定[5]。

        圖1 光伏發(fā)電功率曲線

        光伏發(fā)電波動特征比較復(fù)雜,波動的時間尺度可從ms 級延伸到h 級甚至更長,存在緩慢變化過程和瞬間特變現(xiàn)象[6,7]。某20 kW 光伏逆變器的輸出功率波動的頻率特性曲線如圖2 所示。由該圖可見光伏發(fā)電的功率波動主要集中在0.1 Hz 以下,且以0.01 Hz 以下的功率波動幅值最大。不同頻率范圍的波動,按變化的頻率范圍可分為3個部分:低頻區(qū)(0.01 Hz 及以下)、高頻區(qū)(1 Hz 及以上)和中頻區(qū)(0.01~1 Hz)。

        圖2 光伏功率波動的頻率特性

        2 負(fù)荷資源的需求響應(yīng)特性

        2.1 城市負(fù)荷特性

        由于抑制可再生能源的波動跟隨主要表征系統(tǒng)的運(yùn)行特征,適合采用激勵型的需求響應(yīng)(DR)技術(shù)。其中直接負(fù)荷控制(DLC)方法是一種重要的激勵型DR 技術(shù),它是指在由執(zhí)行機(jī)構(gòu)借助高級通信、量測系統(tǒng)以及智能控制終端,操作關(guān)閉或者開啟被控用戶用電設(shè)備,并給予用戶一定的電價激勵補(bǔ)償。DLC 算法一般適用于控制居民或小型的工商業(yè)用戶負(fù)荷,如典型的具有熱能儲存能力的溫控設(shè)備(家居電熱泵、電空調(diào)和電熱水器)等。

        (1)城市居民。通過對城市居民負(fù)荷使用情況的調(diào)研,約77%的居民用戶愿意參與需求響應(yīng),其中可轉(zhuǎn)移的用電設(shè)備有洗衣機(jī)、空調(diào)、電飯煲、電熱水器、電暖器等,如圖3 所示。

        圖3 居民住宅的負(fù)荷結(jié)構(gòu)和日負(fù)荷曲線

        (2)商業(yè)用戶。一家中等城市商業(yè)用戶的調(diào)研情況數(shù)據(jù)其主要用電設(shè)備:(1)集中式空調(diào)2 臺,每臺額定功率1406 kW,提前24 h 通知可削減;(2)熒光燈4000 盞,總功率144 kW。商業(yè)大樓的負(fù)荷結(jié)構(gòu)和日負(fù)荷曲線如圖4 所示。

        該商業(yè)用戶春、夏季日負(fù)荷特性如圖5 所示。圖5中顯示春、夏季典型日負(fù)荷曲線相似,8:00 到20:00為用電高峰時段,夏季峰段負(fù)荷水平高于春季。8 月18日最大負(fù)荷1120 kW 出現(xiàn)在11:00,最小負(fù)荷192 kW出現(xiàn)在23:00,峰谷差為928 kW,峰谷差率82.8%;4月21 日最大負(fù)荷690 kW 出現(xiàn)在19:00,最小負(fù)荷280 kW 出現(xiàn)在03:00,峰谷差為470 kW,峰谷差率59.4%。

        2.2 城市負(fù)荷特性與光伏發(fā)電特性的一致性

        從上述城市商業(yè)、居民負(fù)荷曲線來看,主要大容量負(fù)荷還是以空調(diào)系統(tǒng)為主,而且光伏發(fā)電特性曲線基本與城市商業(yè)用戶的日負(fù)荷曲線相似,存在一致性。從調(diào)研來看,如果通過提前通告,商業(yè)用戶是可以按照需求響應(yīng)機(jī)制來調(diào)節(jié)控制中央空調(diào)的。城市居民負(fù)荷和商業(yè)照明作為一種可直接中斷負(fù)荷,通過需求響應(yīng)手段和響應(yīng)補(bǔ)償機(jī)制是可以實現(xiàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)移的。

        圖5 春季和夏季日負(fù)荷曲線

        3 利用可控負(fù)荷資源動態(tài)響應(yīng)策略

        根據(jù)以上所述,基于光伏發(fā)電特性與城市商業(yè)、居民負(fù)荷特性的相似性,提出一種利用可控負(fù)荷(包括可調(diào)節(jié)負(fù)荷和可中斷負(fù)荷。可調(diào)節(jié)負(fù)荷是指那些可以通過技術(shù)手段來改變功率大小的負(fù)荷,但不包括直接切除的負(fù)荷;可中斷負(fù)荷是指可以在需要的情況下直接切斷供電的負(fù)荷)。解決光伏發(fā)電波動的方法策略,消減光伏引起的聯(lián)絡(luò)線功率波動,且可以利用城市商業(yè)中的大量中央空調(diào)和居民用戶中的電熱、照明等負(fù)荷,采用需求響應(yīng)機(jī)制是可以實現(xiàn)光伏發(fā)電的優(yōu)化利用的。整個實現(xiàn)過程滿足功率差的約束條件:

        式(1)中:Ppv為光伏發(fā)電功;PL為局部區(qū)域微電網(wǎng)負(fù)荷;δ為當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)允許微電網(wǎng)功率波動置信區(qū)間。

        響應(yīng)控制流程圖如圖6 所示。從圖6 中可以看出,利用可控負(fù)荷實現(xiàn)消減微電網(wǎng)功率波動的方法,包括2個層次,日前計劃和實時調(diào)節(jié)。

        圖6 響應(yīng)控制流程

        4 仿真分析

        一包含大型光伏的商業(yè)樓宇、公共機(jī)構(gòu)的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖7 所示。通過并網(wǎng)點接入城市配電網(wǎng)。結(jié)合上一節(jié)介紹的控制策略和控制流程,對圖7 所示的含光伏和集中空調(diào)的微電網(wǎng)進(jìn)行控制策略的仿真。圖7 所示的光伏微電網(wǎng)的仿真分析圖如圖8、圖9 所示。主要依據(jù)大型商業(yè)樓宇和大型公共機(jī)構(gòu)的屋頂光伏的計劃發(fā)電曲線以及商業(yè)樓宇的公共機(jī)構(gòu)的集中空調(diào)的歷史負(fù)荷曲線,相減得到盈余/ 缺口額,如果此時時刻節(jié)點盈余/缺口額不在功率置信區(qū)間,調(diào)整集中空調(diào)的控制溫度和策略,使優(yōu)化過后的集中空調(diào)的計劃負(fù)荷曲線,功率波動處于可控范圍內(nèi)。實施調(diào)節(jié)中,為了應(yīng)對光伏的瞬間波動(大比例擾動),引起此時的盈余/缺口額大于功率置信區(qū)間,就采用可中斷的電熱負(fù)荷和照明負(fù)荷,來動態(tài)跟隨此刻的瞬間擾動。

        圖7 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

        圖9 實時調(diào)節(jié)

        通過圖8、圖9 所示的仿真結(jié)果顯示,且通過集中空調(diào)的計劃調(diào)節(jié)和可中斷負(fù)荷的實時調(diào)節(jié),是可以使光伏功率波動得到有效抑制的,這樣的結(jié)果是基于負(fù)荷的需求響應(yīng)來實現(xiàn)的,但本文沒有對需求響應(yīng)的價格、補(bǔ)償機(jī)制做研究。

        5 結(jié)束語

        本文提出的方法和策略,主要針對高滲透率情況下的太陽能功率波動問題,在不采用儲能或其他間隙性能源互補(bǔ)的情況,如何采用適合電力市場行為的價格或激勵方式,提出負(fù)荷調(diào)節(jié)方式,依據(jù)太陽能發(fā)電預(yù)測功率和預(yù)測變化率,調(diào)節(jié)集中空調(diào)的負(fù)荷系數(shù)和電熱、照明等可中斷負(fù)荷的開停系數(shù),動態(tài)響應(yīng)太陽能發(fā)電曲線,使負(fù)荷曲線趨同于發(fā)電曲線,將微電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率波動控制在功率波動置信區(qū)間內(nèi)。要實現(xiàn)這樣的策略或方式,本文提出需要解決的幾個關(guān)鍵問題,如突變率、功率波動置信區(qū)間以及需求響應(yīng)模型等。本文沒有對這幾個技術(shù)問題進(jìn)行展開,但最終目的仍是希望通過這樣的研究,以期針對當(dāng)前大量以屋頂光伏為主的區(qū)域微電網(wǎng)發(fā)展而造成配網(wǎng)功率波動,提出以需求響應(yīng)資源來平滑微電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率波動的控制策略,實現(xiàn)少用儲能甚至不用儲能來消減高滲透率的分布式電源對配網(wǎng)造成的功率波動。

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