路建明，危瑾，吳雄

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長沙410007；2.西安交通大學(xué)，陜西西安710049)

為了提高微網(wǎng)的能量利用率和安全可靠性，微網(wǎng)的能量管理技術(shù)成為微網(wǎng)課題當(dāng)中一個重要的組成部分〔1－2〕?？稍偕茉吹碾S機(jī)性和波動性給分布式電源的管理帶來了新的挑戰(zhàn)。作為分布式電源的集成技術(shù)微網(wǎng)也面臨著如何實(shí)時調(diào)度的難題。

文獻(xiàn) 〔3－5〕均構(gòu)建了以最大化運(yùn)營效益為目標(biāo)的微網(wǎng)能量管理模型，考慮了分布式電源的運(yùn)行約束和各種物理約束。然而，上述文獻(xiàn)提出的優(yōu)化模型均是離線計(jì)算模型。較少的文獻(xiàn)涉及微網(wǎng)的實(shí)時調(diào)度。文獻(xiàn) 〔6〕提出了一種包含蓄電池的微網(wǎng)能量管理的實(shí)時優(yōu)化調(diào)度模型，其根據(jù)并網(wǎng)情況的電網(wǎng)電價，蓄電池的儲能狀態(tài)建立了優(yōu)化調(diào)度模型。文獻(xiàn) 〔7〕補(bǔ)充了微網(wǎng)在孤網(wǎng)模式下的能量調(diào)度策略，考慮了微網(wǎng)孤網(wǎng)模式下的分布式電源的控制模式，提出了基于蓄電池儲能狀態(tài)大小的實(shí)時調(diào)度策略。文獻(xiàn) 〔8－9〕制定了微網(wǎng)中蓄電池的實(shí)時能量調(diào)度規(guī)則，通過仿真驗(yàn)證了其調(diào)度策略的有效性。文獻(xiàn) 〔10〕采用模糊控制的方法實(shí)時平衡微網(wǎng)中的功率波動。

目前針對微網(wǎng)的實(shí)時調(diào)度研究很少，且較少文獻(xiàn)考慮了微網(wǎng)的控制策略。本文旨在專門研究微網(wǎng)不同控制策略下的實(shí)時調(diào)度策略?；诮?jīng)濟(jì)性原則和微網(wǎng)逆變器的控制方式，提出了微網(wǎng)并網(wǎng)和孤網(wǎng)下的實(shí)時調(diào)度方法，對比較了幾種實(shí)時調(diào)度策略的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，對其進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析。為微網(wǎng)能量管理中的實(shí)時調(diào)度提供了探索方法和技術(shù)支持。

1 微網(wǎng)并網(wǎng)與孤網(wǎng)下的控制策略

1.1 并網(wǎng)下的控制策略

微網(wǎng)中分布式電源以及儲能設(shè)備一般通過整流器和逆變器等電力電子設(shè)備將不同頻率的電能平滑的轉(zhuǎn)換為相同頻率的交流或直流電能。通過控制逆變器可以控制分布式電源的輸出，讓分布式電源按指定的電壓和頻率 (V/f控制)或有功功率和無功功率 (PQ控制)輸出。風(fēng)電、光伏的發(fā)電主要取決于自然環(huán)境，具有隨機(jī)性和波動性，屬于不可調(diào)度機(jī)組。其具有一定的可預(yù)測性，但目前仍具有較大的預(yù)測誤差。而燃料機(jī)組如微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、柴油機(jī)屬于可調(diào)度機(jī)組。微網(wǎng)并網(wǎng)狀態(tài)下，系統(tǒng)的頻率和電壓由電網(wǎng)決定，此時各分布式電源和儲能設(shè)備的逆變器一般采用PQ控制，接受微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的指令來決定其發(fā)電功率。

1.2 孤網(wǎng)下的控制策略

在孤網(wǎng)狀態(tài)下，根據(jù)微網(wǎng)的控制策略，一般分為主從控制和對等控制〔11〕。其中主從控制以某一可控微源為壓頻控制單元，其采用V/f控制，作為系統(tǒng)的參考電壓和頻率，負(fù)責(zé)吸收微網(wǎng)中的不平衡功率。其余的微源采用PQ控制接受能量管理系統(tǒng)的調(diào)度指令。對等控制根據(jù)逆變器的下垂特性曲線共享系統(tǒng)電壓和頻率，并能共同分?jǐn)偽⒕W(wǎng)中的不平衡功率。其函數(shù)如式 (1)、(2)所示:

式中 f和V分別為輸出電壓的頻率和幅值；f?和V?分別為它們的參考值；P和Q分別為輸出的有功功率和無功功率；P?和Q?為其參考值；m和n為逆變器的下垂系數(shù)。

2 微網(wǎng)的實(shí)時調(diào)度模型與算法

2.1 并網(wǎng)下的實(shí)時調(diào)度策略

在并網(wǎng)狀態(tài)下，微網(wǎng)的頻率由主網(wǎng)確定，可控分布式電源和儲能系統(tǒng)采用PQ控制。對于不可控的可再生能源機(jī)組，一般采用最大功率跟蹤的方法最大可能的發(fā)電。在微網(wǎng)的發(fā)電調(diào)度當(dāng)中，一般會對可再生能源機(jī)組和負(fù)荷進(jìn)行發(fā)電預(yù)測，在此基礎(chǔ)上再安排各可控機(jī)組的計(jì)劃出力。由于可再生能源機(jī)組發(fā)電取決于自然環(huán)境，具有隨機(jī)性和波動性，其實(shí)際出力與預(yù)測出力有一定的誤差，在實(shí)時調(diào)度當(dāng)中需要實(shí)時去平抑系統(tǒng)中的不平衡功率。

根據(jù)經(jīng)濟(jì)性原則以及微網(wǎng)控制的方式，提出了并網(wǎng)狀態(tài)下的幾種實(shí)時調(diào)度策略。

1)優(yōu)化方法。此方法通過構(gòu)建一定的數(shù)學(xué)模型，采用優(yōu)化算法優(yōu)化各機(jī)組的出力。顯然，由于優(yōu)化需要時間，具有一定的時滯性。其基本數(shù)學(xué)模型如下。

目標(biāo)函數(shù):

其中:

式中 xt表示為t時刻的決策變量；G為可控分布式電源的集合；B為儲能設(shè)備的集合；上標(biāo)為“?” 的量表示原計(jì)劃設(shè)定值；Pdg，i，t表示 t時刻分布式電源i的有功功率；fdg，i(·)表示可控分布式電源i的運(yùn)行費(fèi)用；Cfi(·)表示分布式電源i的發(fā)電費(fèi)用； ρmai，i為分布式電源 i的單位維護(hù)費(fèi)用； Pbs，i，t為t時刻蓄電池i的有功功率；fbs，i(·)表示蓄電池i的維護(hù)費(fèi)用；ρbs，i為蓄電池 i的單位維護(hù)費(fèi)用；Pgrid＋，t和 Pgrid－，t分別為 t時刻從電網(wǎng)的買入和賣出電功率； ρbuy，t和 ρsell，t分別為 t時刻從電網(wǎng)的買入和賣出電價；fgrid(·)表示從電網(wǎng)的購售電費(fèi)用；fp(·)表示懲罰費(fèi)用；ρp為懲罰系數(shù)；分別為t時刻分布式電源i和蓄電池i的原計(jì)劃設(shè)定值。

式 (4)，(6)表示微網(wǎng)的運(yùn)行費(fèi)用，式 (7)用懲罰函數(shù)的形式約束實(shí)時優(yōu)化結(jié)果應(yīng)盡可能少的偏離原計(jì)劃優(yōu)化結(jié)果即離線計(jì)算結(jié)果。

約束條件有:

式中 Prg，i，t為t時刻可再生能源機(jī)組i發(fā)出的有功功率； R為可再生能源機(jī)組集合；Pld，t和 Ploss，t分別為 t時刻的負(fù)荷和線損值； P－dg，i、 P－dg，i、 S－dg，i分別為第i臺分布式電源的最小有功功率、最大有功功率、最大容量；分別表示 t時刻第 i臺分布式電源設(shè)定狀態(tài)值， 發(fā)出無功功率；分別為蓄電池i的最大充放電、 最大容量、 最小儲能、 最大儲能值； Qbs，i，t、 Ebs，i，t分別為t時刻蓄電池i發(fā)出無功功率和儲能值；P－grid為微網(wǎng)與主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線上的最大有功功率傳輸量；Pgrid，t、Qgrid，t分別為t時刻微網(wǎng)與主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線上的發(fā)出有功功率和無功功率；λ為設(shè)定的最小功率因素值；V－i、分別為節(jié)點(diǎn)i的電壓的最小和最大限值；Vi，t為 t時刻節(jié)點(diǎn) i的電壓值； Si，j，t為 t時刻支路 i， j的潮流值；為支路i，j的最大潮流限值。式(9)—(14)和式(16)—(17)為物理限值約束。由于微網(wǎng)被作為可控負(fù)荷，式 (15)保證聯(lián)絡(luò)線與微網(wǎng)的交互傳輸功率具有一定的功率因素。

該優(yōu)化問題為非凸、非線性優(yōu)化問題，用傳統(tǒng)方法較難求解，本文采用遺傳算法求解。

2)啟發(fā)式方法。根據(jù)經(jīng)濟(jì)性原則將不平衡功率實(shí)時分配給各可控機(jī)組，采用簡單的排序算法安排各機(jī)組的配額。其基本計(jì)算步驟如下:

a)計(jì)算實(shí)時功率與預(yù)測功率之差ΔPt；

圖1 啟發(fā)式算法流程

該算法通過逐步降低可控機(jī)組出力將ΔPt逐漸削減至零，從而達(dá)到實(shí)時功率平衡。

2.2 孤網(wǎng)下的實(shí)時調(diào)度策略

孤網(wǎng)情況下，根據(jù)系統(tǒng)采用的控制方式的不同，有著不同的實(shí)時調(diào)度策略?？梢愿爬ㄈ缦?

1)若微網(wǎng)采用主從控制，則要求壓頻控制單元采用V/f控制，吸收微網(wǎng)中的不平衡功率。其余的機(jī)組采用PQ控制，通過調(diào)節(jié)這些機(jī)組的功率達(dá)到優(yōu)化的目地。其實(shí)時調(diào)度策略跟并網(wǎng)情況下類似，有優(yōu)化方法和啟發(fā)式方法，所不同的是作為壓頻控制單元的微源充當(dāng)了電網(wǎng)的角色。

2)若微網(wǎng)采用對等控制，各分布式電源通過逆變器的下垂特性用來動態(tài)平衡功率。分布式電源的下垂系數(shù)一般為常數(shù)，文獻(xiàn) 〔12〕指出分布式電源的下垂系數(shù)可以根據(jù)分布式電源的運(yùn)行備用值動態(tài)改變，不平衡功率通過下垂系數(shù)成比例的分配到了各個分布式電源上。固定的下垂系數(shù)mi一般可以根據(jù)其最大容量值設(shè)計(jì)〔13〕:

對于既可以充電又可以放電的蓄電池，其下垂系數(shù) mi＝ Δf/2?？烧{(diào)節(jié)下垂系數(shù)按式 (20)設(shè)計(jì)，則每個機(jī)組最后分配的功率如式 (21)所示:

以ΔPt大于零的情況為例，其不平衡功率分配的流程如圖2所示。

圖2 比例分配算法流程

一般情況下，按照各分布式電源的比例系數(shù)即可實(shí)時動態(tài)平衡誤差功率。但是也有可能造成部分機(jī)組越限，此時應(yīng)讓越限的機(jī)組出力保持在限值，越限功率重新分配到還有余力的機(jī)組。

3 算例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

根據(jù)文獻(xiàn) 〔14〕提供的14節(jié)點(diǎn)的微網(wǎng)算例做了小的改動，包含了多種典型的分布式電源。由一臺微型燃?xì)廨啓C(jī) (Micro turbine，MT)，一臺燃料電池 (Fuel cell，F(xiàn)C)，一組蓄電池 (Battery storage，BS)，一臺風(fēng)電 (Wind turbine，WT)，一臺光伏 (Photovoltaic，PV)組成，通過公共連接點(diǎn)接入配電網(wǎng) (Grid)。微網(wǎng)內(nèi)的最大負(fù)荷為120 kW，微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 微網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

微網(wǎng)中典型日每小時的總負(fù)荷、風(fēng)電出力、光伏出力預(yù)測情況如圖4所示。為了模型實(shí)時調(diào)度，每5 min的實(shí)時模擬數(shù)據(jù)也繪制在圖中。

圖4 典型日光伏風(fēng)電以及負(fù)荷預(yù)測和實(shí)際出力

微源和配電網(wǎng)的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 微網(wǎng)中的相關(guān)參數(shù) kW

微型燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池的維護(hù)系數(shù)〔15〕分別為0.03元/kW和0.06元/kW。蓄電池的最大，最小和初始容量分別為100%，20%，50%額定容量。系統(tǒng)采用分時電價，其中峰時段為00:00—08:00，平時段為 08:00—20:00，谷時段為20:00—24:00， 電價分別為 0.24 元/kWh、0.48元/kWh、 0.36元/kWh。

微網(wǎng)并網(wǎng)與孤網(wǎng)狀態(tài)下各微源的計(jì)劃出力如圖5、6所示。并網(wǎng)狀態(tài)下，微型燃?xì)廨啓C(jī)完全停機(jī)，由便宜的市電和其他機(jī)組供電。孤網(wǎng)狀態(tài)下，發(fā)電便宜的燃料電池全程以額定功率運(yùn)行，較貴的微型燃?xì)廨啓C(jī)全程開機(jī)起備用的作用。

圖5 并網(wǎng)狀態(tài)下的計(jì)劃出力

圖6 孤網(wǎng)狀態(tài)下的計(jì)劃出力

3.2 結(jié)果分析

采用 Matlab編程計(jì)算。并網(wǎng)情況下，以每5 min為時間間隔模擬實(shí)時調(diào)度情景。優(yōu)化方法每次計(jì)算的時間大約為20 s，啟發(fā)式方法每次計(jì)算的時間幾乎可以忽略不計(jì)。優(yōu)化方法和啟發(fā)式方法的可調(diào)度單元的調(diào)度情況分別如圖7、8所示:

圖7 并網(wǎng)下優(yōu)化方法的實(shí)時調(diào)度結(jié)果

圖8 并網(wǎng)下啟發(fā)式方法的實(shí)時調(diào)度結(jié)果

從優(yōu)化方法的計(jì)算結(jié)果可以看出，由于設(shè)計(jì)要求可控機(jī)組盡量少的偏離計(jì)劃出力，因此，實(shí)際與計(jì)劃之間的誤差功率基本上由電網(wǎng)吸收。在13:00—17:00之間，燃料電池發(fā)電較市電便宜，因此其吸收了部分不平衡功率。

采用啟發(fā)式方法獲得的實(shí)時調(diào)度方案中，基上采用內(nèi)部消化。蓄電池吸收了絕大部分的不平衡功率。而電網(wǎng)則在微源不能消納時起到了補(bǔ)充吸收的作用，如在04:00—07:00之間，電網(wǎng)分擔(dān)了部分不平衡功率。

若孤網(wǎng)采用主從控制，假設(shè)蓄電池充當(dāng)壓頻控制單元，采用優(yōu)化方法，啟發(fā)式算法分別進(jìn)行實(shí)時調(diào)度。以優(yōu)化方法為例，其結(jié)果如圖 9、10所示:

圖9 孤網(wǎng)下優(yōu)化方法的實(shí)時調(diào)度結(jié)果

圖10 孤網(wǎng)下啟發(fā)式方法的實(shí)時調(diào)度結(jié)果

若孤網(wǎng)采用對等控制，以下垂系數(shù)固定為例，其調(diào)度結(jié)果如圖11所示。

圖11 對等控制下的實(shí)時調(diào)度結(jié)果

從圖11中可以看出，采用對等控制，系統(tǒng)的不平衡功率基于下垂系數(shù)按比例分配到了各個機(jī)組上。相比于采用壓頻控制的方式，其未造成機(jī)組較大的功率調(diào)節(jié)，因此可控機(jī)組不需擔(dān)心其爬坡速度跟不上調(diào)節(jié)的幅度。比較各種調(diào)度策略優(yōu)劣的一個重要的指標(biāo)是其整體的經(jīng)濟(jì)性。表2給出了微網(wǎng)并網(wǎng)和孤網(wǎng)情況下幾種策略下總的運(yùn)行費(fèi)用。方法1—4分別代表優(yōu)化方法、啟發(fā)式方法、下垂系數(shù)固定和可調(diào)的比例分配方法。

表2 各種策略下的運(yùn)行費(fèi)用 元

從表中可以看出，啟發(fā)式方法在孤網(wǎng)和并網(wǎng)狀態(tài)下均有最小的運(yùn)行費(fèi)用。主要因?yàn)槠渫耆唇?jīng)濟(jì)性指標(biāo)來安排出力，而優(yōu)化方法考慮了多種約束條件，經(jīng)濟(jì)性并非最優(yōu)，但是能滿足設(shè)定的約束。孤網(wǎng)情況下，失去了市電的支援，其整體費(fèi)用增加。在對等控制下，兩種方法的運(yùn)行費(fèi)用相當(dāng)，且總體不高，主從控制情況下，優(yōu)化方法的費(fèi)用總體偏高，啟發(fā)式方法費(fèi)用最低，但要求可調(diào)機(jī)組有較快的響應(yīng)速度，實(shí)際當(dāng)中可以模擬對等控制的比例分配法來減少機(jī)組的功率大幅度調(diào)整。

4 結(jié)語

文中總結(jié)了當(dāng)前微網(wǎng)并網(wǎng)與孤網(wǎng)狀態(tài)下的幾種常用的控制方法。根據(jù)并網(wǎng)與孤網(wǎng)下的特點(diǎn)，提出了微網(wǎng)的實(shí)時調(diào)度策略。在并網(wǎng)情況下，主要設(shè)計(jì)了優(yōu)化方法、啟發(fā)式方法。在孤網(wǎng)的主從控制下，可以采用優(yōu)化方法、啟發(fā)式方法。而在對等控制下，根據(jù)下垂系數(shù)按比例分配不平衡功率。通過各種方法的比較分析，可以得出以下一些結(jié)論:

1)啟發(fā)式方法具有最高的經(jīng)濟(jì)效益，其要求可調(diào)節(jié)機(jī)組具有較快的響應(yīng)速度，適合于新能源比例少的場合。2)優(yōu)化方法考慮了多種約束，經(jīng)濟(jì)性適中，計(jì)算有時滯性。適合于微網(wǎng)機(jī)組規(guī)模較小和有特殊控制約束要求的場合。3)孤網(wǎng)在對等控制的方式下不平衡功率分配均勻，過渡平滑?？梢詰?yīng)用于啟發(fā)式算法中，減少機(jī)組功率的調(diào)整力度。

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