楊金文， 吳杰康， 莊仲， 梁繼深， 何家裕， 余方明

(廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 引言

光伏等分布式可再生能源是解決能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的可行方法?？稍偕茉淳哂胁淮_定性和隨機(jī)性，為了減弱其并網(wǎng)給電網(wǎng)造成的影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)光伏裝機(jī)容量配備相應(yīng)的儲(chǔ)能裝置，但大容量的儲(chǔ)能裝置成本較高。因此，利用源-儲(chǔ)-荷協(xié)同運(yùn)行降低可再生能源對(duì)儲(chǔ)能裝置的依賴，并根據(jù)系統(tǒng)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)制定合理的協(xié)調(diào)控制策略具有重要意義。

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展[1—4]，電、氣能源的聯(lián)系愈發(fā)緊密，小區(qū)能源關(guān)系亦是如此。將小區(qū)微電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)組成微網(wǎng)，對(duì)微網(wǎng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制不僅能提高能源利用率，也能提高微網(wǎng)穩(wěn)定性[5—7]。在天然氣網(wǎng)中，天然氣管道在設(shè)計(jì)時(shí)要滿足最大負(fù)荷流量，但最大流量的運(yùn)行時(shí)間較少，可將天然氣管道儲(chǔ)存的多余天然氣形成儲(chǔ)氣備用。儲(chǔ)氣備用量化不僅能穩(wěn)定天然氣網(wǎng)[8]，還能作為儲(chǔ)能裝置用于微網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度[9]。在微網(wǎng)中，負(fù)荷側(cè)主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)日益成熟，控制精度越來(lái)越高[10—12]，利用需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)主動(dòng)參與能源管理和調(diào)度可使微網(wǎng)運(yùn)行更加靈活多變。已有研究成果以空調(diào)負(fù)荷為可控負(fù)荷參與平抑電網(wǎng)功率波動(dòng)，文獻(xiàn)[13]簡(jiǎn)化了空調(diào)房調(diào)溫模型，使自適應(yīng)電網(wǎng)的預(yù)測(cè)負(fù)荷大小進(jìn)行互補(bǔ)運(yùn)行，但缺乏實(shí)際樣機(jī)數(shù)據(jù)支撐。文獻(xiàn)[14]提出建立以雙耦合偏微分方程組為基礎(chǔ)的空調(diào)負(fù)荷熱力學(xué)模型，通過(guò)對(duì)空調(diào)設(shè)定溫度的更改平抑電網(wǎng)中分布式新能源的波動(dòng)，但只適用于某些特定場(chǎng)合。文獻(xiàn)[15]提出了通過(guò)改變雙巴特沃茲濾波器中的濾波時(shí)間常數(shù)，實(shí)現(xiàn)空調(diào)可控負(fù)荷和儲(chǔ)能電池的協(xié)調(diào)控制，但未考慮外界環(huán)境對(duì)空調(diào)負(fù)荷的影響。文獻(xiàn)[16]提出將空調(diào)負(fù)荷群聚類，配合儲(chǔ)能裝置通過(guò)模糊控制平抑電網(wǎng)功率波動(dòng)，但未考慮氣、熱能源的作用。文獻(xiàn)[17]提出建立空調(diào)負(fù)荷群的虛擬儲(chǔ)能聚合模型參與電網(wǎng)能量調(diào)度，但未與其他儲(chǔ)能裝置進(jìn)行聯(lián)系。

上述研究建立的天然氣儲(chǔ)氣備用模型只單獨(dú)作為虛擬儲(chǔ)能使用，并未考慮與空調(diào)可控負(fù)荷產(chǎn)生的虛擬儲(chǔ)能相結(jié)合。文中在前人的研究成果上，提出將天然氣儲(chǔ)氣備用和空調(diào)可控負(fù)荷產(chǎn)生的虛擬儲(chǔ)能通過(guò)控制系統(tǒng)與小區(qū)已有儲(chǔ)能裝置共同參與微網(wǎng)能量管理，并設(shè)計(jì)多能協(xié)調(diào)控制策略使源-儲(chǔ)-荷微網(wǎng)系統(tǒng)(source-storage-load micro network sys-tem，SSLS)可在光伏平抑波動(dòng)模式、電網(wǎng)有功功率波動(dòng)模式和峰谷電價(jià)套利模式下協(xié)調(diào)運(yùn)行。

1 SSLS建模

1.1 SSLS結(jié)構(gòu)

SSLS由分布式光伏電站、燃?xì)廨啓C(jī)、蓄電池組及超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置、空調(diào)負(fù)荷群和協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)構(gòu)成，具體如圖1所示。天然氣管道儲(chǔ)存的天然氣通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)與微電網(wǎng)耦合，空調(diào)虛擬儲(chǔ)能由所有住戶組成的空調(diào)負(fù)荷群決定。超級(jí)電容和空調(diào)虛擬儲(chǔ)能適合高頻動(dòng)作，蓄電池組和儲(chǔ)氣備用適合低頻動(dòng)作。

圖1 SSLS結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of SSLS

為實(shí)現(xiàn)小區(qū)SSLS協(xié)調(diào)運(yùn)行，設(shè)置一協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)對(duì)微網(wǎng)進(jìn)行功率分配[18]。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)通過(guò)收集燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率Plrx和天然氣管道儲(chǔ)氣量計(jì)算儲(chǔ)氣備用虛擬儲(chǔ)能;根據(jù)室外溫度和空調(diào)當(dāng)前的電功率Pacx計(jì)算空調(diào)可控負(fù)荷的虛擬儲(chǔ)能;根據(jù)蓄電池組的荷電狀態(tài)Sbat，超級(jí)電容的荷電狀態(tài)Scap和最大充放電功率計(jì)算輸出功率可用范圍。在光伏平抑波動(dòng)模式或電網(wǎng)波動(dòng)功率模式下，儲(chǔ)氣備用輸出功率Plrf和蓄電池組輸出功率Pbaf用于平抑原始功率的中頻段，空調(diào)可控負(fù)荷輸出功率Pacf和超級(jí)電容輸出功率Pcaf用于平抑高頻段。在峰谷電價(jià)套利模式下，對(duì)蓄電池組和超級(jí)電容輸出功率進(jìn)行二次調(diào)整，使光伏平抑波動(dòng)模式和電網(wǎng)波動(dòng)功率模式嵌套在峰谷電價(jià)套利模式中。

1.2 空調(diào)負(fù)荷群

1.2.1 空調(diào)負(fù)荷的熱力學(xué)模型

空調(diào)負(fù)荷為可控負(fù)荷，快速調(diào)節(jié)空調(diào)溫度可改變空調(diào)出力。單臺(tái)空調(diào)-建筑系統(tǒng)的等效熱力學(xué)參數(shù)模型為[17]：

(1)

式中：Troom(t)為房間溫度；Tout(t)為室外溫度；Qac(t)為空調(diào)制冷量；C為建筑等效熱容；R為建筑等效熱阻。

Qac(t)與空調(diào)電功率Pac(t)的關(guān)系為：

Qac(t)=λPac(t)

(2)

式中：λ為空調(diào)熱電轉(zhuǎn)換系數(shù)。

當(dāng)空調(diào)設(shè)定溫度Tset(t)不變時(shí)，空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)s(t)會(huì)根據(jù)Troom(t)和閾值ΔT調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)[15]，具體如式(3)所示。

(3)

空調(diào)運(yùn)行一段時(shí)間后處于穩(wěn)態(tài)，房間溫度會(huì)穩(wěn)定在設(shè)置溫度的ΔT范圍內(nèi)。

1.2.2 溫度變化意愿曲線

改變空調(diào)設(shè)置溫度可以調(diào)節(jié)空調(diào)負(fù)荷的平均功率。根據(jù)住宅用戶對(duì)空調(diào)溫度變化敏感度的研究可知，相對(duì)于溫度降低，住戶對(duì)溫度升高更敏感，希望保持溫度不變的住戶比例大致服從圖2[19]。

圖2 溫度變化意愿曲線Fig.2 Willingness curve of temperature variation

由圖2可以看出，當(dāng)溫度處于24.5～26.5 ℃時(shí)，至少70%的住戶希望保持溫度不變。而60%的住戶希望保持溫度不變的分界溫度為24 ℃和27 ℃。因此，設(shè)置2個(gè)階段。需要較小空調(diào)負(fù)荷參與功率調(diào)節(jié)時(shí)，空調(diào)溫度升高設(shè)定為26.5 ℃，空調(diào)溫度降低設(shè)定為24.5 ℃；需要較大空調(diào)負(fù)荷參與功率調(diào)節(jié)時(shí)，空調(diào)溫度升高設(shè)定為27 ℃，空調(diào)溫度降低設(shè)定為24 ℃。

當(dāng)Troom(t)為空調(diào)初始設(shè)置溫度時(shí)，有：

(4)

式(4)代入式(1)得出初始制冷量Qac1(t)，改變Tset(t)，房間溫度在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化。由于建筑的等效熱容效應(yīng)，可近似認(rèn)為房間散熱不變，房間內(nèi)溫度變化為Tset(t)-Troom(t)，代入式(1)可得出改變?cè)O(shè)置溫度后的Qac2(t)，空調(diào)制冷量的變化量ΔQac(t)為：

ΔQac(t)=Qac2(t)-Qac1(t)

(5)

通過(guò)式(2)將ΔQac(t)轉(zhuǎn)換為空調(diào)電功率即得到一個(gè)周期內(nèi)單臺(tái)空調(diào)參與功率分配的功率。

1.2.3 空調(diào)負(fù)荷群

由于單臺(tái)空調(diào)負(fù)荷具有隨機(jī)性，將小區(qū)所有空調(diào)進(jìn)行聚類，根據(jù)空調(diào)的品牌、額定功率、所處環(huán)境、住戶習(xí)慣等進(jìn)行分類，使不同時(shí)段均有穩(wěn)定的可控負(fù)荷參與功率調(diào)節(jié)。

空調(diào)聚類分成不同類別，每個(gè)類別空調(diào)參與功率調(diào)節(jié)順序由空調(diào)編號(hào)決定，編號(hào)依據(jù)與空調(diào)分類依據(jù)相同?？照{(diào)編號(hào)確定后，假定每個(gè)住戶初始設(shè)置的溫度即為住戶最舒適的溫度。在需要較小空調(diào)負(fù)荷參與功率調(diào)節(jié)階段，將空調(diào)溫度設(shè)定值的上限設(shè)定為26.5 ℃，下限設(shè)定為24.5 ℃，得到溫度改變值，根據(jù)等效熱力學(xué)參數(shù)模型得到空調(diào)制冷量，再根據(jù)式(2)得到可用的空調(diào)電功率，稱為空調(diào)負(fù)荷的虛擬儲(chǔ)能。若最舒適的溫度不在此范圍內(nèi)，則該臺(tái)空調(diào)不參與功率調(diào)節(jié)。在需要較大空調(diào)負(fù)荷參與功率調(diào)節(jié)時(shí)，將空調(diào)溫度設(shè)定值上、下限分別設(shè)定為27 ℃，24 ℃，按照較小空調(diào)負(fù)荷參與功率調(diào)節(jié)的方法得到此時(shí)空調(diào)負(fù)荷的虛擬儲(chǔ)能。虛擬儲(chǔ)能為負(fù)，表示空調(diào)從母線獲取的功率降低；虛擬儲(chǔ)能為正，表示負(fù)荷從母線獲取的功率增加。每臺(tái)空調(diào)正的虛擬儲(chǔ)能值按照從小到大排序，優(yōu)先使用小虛擬儲(chǔ)能值對(duì)應(yīng)的空調(diào)。每臺(tái)空調(diào)負(fù)的虛擬儲(chǔ)能值按照從大到小的順序排序，優(yōu)先使用大的虛擬儲(chǔ)能值對(duì)應(yīng)的空調(diào)。

由于設(shè)置了溫度上下限，空調(diào)在一個(gè)控制周期內(nèi)，不會(huì)一直處于工作狀態(tài)，呈現(xiàn)間歇性的工作特點(diǎn)。為不引起較大的功率變動(dòng)，將所需參與功率調(diào)節(jié)的空調(diào)分批次進(jìn)行設(shè)置溫度調(diào)整。

1.3 儲(chǔ)氣備用

天然氣管道儲(chǔ)氣量在管道建成后只由管道兩端氣壓決定，調(diào)節(jié)管道兩端氣壓可以調(diào)節(jié)管道的儲(chǔ)氣量，天然氣管道儲(chǔ)氣曲線可由小區(qū)天然氣日常使用數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)得到。設(shè)天然氣網(wǎng)的一個(gè)調(diào)度周期為T，在(t0,t0+T)內(nèi)正儲(chǔ)氣備用Lru(t0)和負(fù)儲(chǔ)氣備用Lrd(t0)定義為：

Lru(t0)=a-Lmax(t0)

(6)

Lrd(t0)=Lmin(t0)-b

(7)

式中：a，b分別為管道最大、最小儲(chǔ)氣量；Lmax(t0)，Lmin(t0)分別為(t0,t0+T)內(nèi)儲(chǔ)氣最大、最小值。

圖3為2個(gè)周期內(nèi)天然氣正、負(fù)儲(chǔ)氣備用示意。儲(chǔ)氣備用可提供額外電能的限制條件為管道的儲(chǔ)氣備用和燃?xì)廨啓C(jī)的爬坡能力。

圖3 儲(chǔ)氣備用示意Fig.3 Schematic diagram of the linepack reserve

假設(shè)小區(qū)內(nèi)天然氣管道配備的燃?xì)廨啓C(jī)參數(shù)相同，則：

(8)

式中：tru，trd分別為一個(gè)周期內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率增加到最大值和輸出功率降低到最小值所需的時(shí)間；Pmax，Pmin分別為最大、最小輸出功率；Pgt(t0)為燃?xì)廨啓C(jī)初始運(yùn)行狀態(tài)；rgt為爬坡速率。

進(jìn)而求出：

(9)

(10)

式中：Wmax，Wmin分別為燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率增加到最大值和輸出功率降低到最小值的能量變化值。

由式(6)—式(10)可知，在(t0,t0+T)周期內(nèi)，燃?xì)廨啓C(jī)能提供的額外電能為管道儲(chǔ)氣備用和燃?xì)廨啓C(jī)最大爬坡力能提供電能的較小值，分別如式(11)、式(12)所示。

Eu(t0)=min{ηLrd(t0),Wmax(t0)}

(11)

Ed(t0)=min{ηLru(t0),Wmin(t0)}

(12)

式中：η為管道天然氣轉(zhuǎn)化為電能的轉(zhuǎn)化率。

1.4 電池儲(chǔ)能裝置

電池儲(chǔ)能裝置一般由蓄電池組和超級(jí)電容組成，蓄電池組大多采用鉛酸蓄電池。蓄電池組適用于大容量、低充放電倍率、少深度循環(huán)次數(shù)的充放電循環(huán)；超級(jí)電容適用于小容量、高充放電倍率、多深度循環(huán)次數(shù)的充放電循環(huán)。

在電池儲(chǔ)能裝置中，鉛酸蓄電池和超級(jí)電容的荷電狀態(tài)是儲(chǔ)能充放電速率的判斷依據(jù)，也是整個(gè)控制系統(tǒng)功率分配的依據(jù)之一。目前，鉛酸蓄電池的荷電狀態(tài)估計(jì)常用安時(shí)計(jì)量算法和卡爾曼濾波法。安時(shí)計(jì)量算法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易測(cè)，缺點(diǎn)是誤差累積，對(duì)荷電狀態(tài)初始值要求高?？柭鼮V波法計(jì)算準(zhǔn)確，但模型相對(duì)復(fù)雜，計(jì)算量大。綜合考慮，蓄電池組荷電狀態(tài)Sbat(t)采用安時(shí)計(jì)量算法估計(jì)。

(13)

式中：S0為蓄電池初始荷電狀態(tài)；ηcha，ηdis分別為充、放電效率；Pcha(t)，Pdis(t)分別為充、放電功率；Eb為蓄電池組容量。

超級(jí)電容的荷電狀態(tài)Scap(t)與端電壓V(t)呈近似線性關(guān)系。

(14)

式中：Vmax為超級(jí)電容充滿電時(shí)的端電壓；Vmin為超級(jí)電容放完電時(shí)的端電壓。

為延長(zhǎng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命，不宜充放電過(guò)深，充放電功率不宜過(guò)大，蓄電池組和超級(jí)電容的荷電狀態(tài)及充放電功率約束為：

(15)

式中：Pbat，Pcap分別為蓄電池組和超級(jí)電容的充放電功率；Plim，1，Plim，2分別為蓄電池組、超級(jí)電容充放電功率最大值。

2 多能微網(wǎng)協(xié)同控制策略

2.1 整體控制策略

文獻(xiàn)[18]設(shè)計(jì)了包含電池儲(chǔ)能裝置以及光伏的控制系統(tǒng)，文中在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一個(gè)包含光伏、儲(chǔ)氣備用、空調(diào)負(fù)荷、蓄電池組和超級(jí)電容的控制系統(tǒng),協(xié)調(diào)控制不同模式，如圖4所示。

圖4 協(xié)同控制原理Fig.4 Principle of coordination control

利用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(supervisory control and data acquisition，SCADA)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集到的光伏數(shù)據(jù)Ppv進(jìn)行超短期功率預(yù)測(cè)得到Ppvf。收集住戶空調(diào)開關(guān)狀態(tài)、溫度設(shè)定值用于計(jì)算空調(diào)負(fù)荷可參與調(diào)節(jié)的功率Pacx。小區(qū)管道儲(chǔ)氣信息用于計(jì)算儲(chǔ)氣備用值Eu，Ed。結(jié)合負(fù)荷數(shù)據(jù)Pload和電網(wǎng)波動(dòng)功率Pun判定系統(tǒng)運(yùn)行模式。含有分布式新能源的小區(qū)，需要優(yōu)先保證小區(qū)微電網(wǎng)的穩(wěn)定性，在促進(jìn)新能源發(fā)展的大環(huán)境下，優(yōu)先保證小區(qū)光伏發(fā)電并網(wǎng)才能作為上級(jí)電網(wǎng)調(diào)頻的備用。而光伏平抑波動(dòng)模式、電網(wǎng)有功功率波動(dòng)模式嵌套在峰谷電價(jià)套利模式中，3種模式協(xié)調(diào)運(yùn)行，既能起虛擬儲(chǔ)能作用，又能使儲(chǔ)能裝置實(shí)現(xiàn)峰谷電價(jià)套利。

功率分配單元根據(jù)運(yùn)行模式、電池儲(chǔ)能信息、儲(chǔ)氣備用及空調(diào)可控負(fù)荷的虛擬儲(chǔ)能值等信息進(jìn)行第一次功率分配。功率保護(hù)單元對(duì)第一次分配的功率進(jìn)行修正，確保電池儲(chǔ)能裝置的荷電狀態(tài)不超過(guò)上下限，燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率不超過(guò)允許的最大值，空調(diào)設(shè)置溫度不超過(guò)允許值，保證功率分配合理。

2.2 不同控制模式的控制策略

系統(tǒng)運(yùn)行模式有光伏平抑波動(dòng)模式、電網(wǎng)有功功率波動(dòng)模式和峰谷電價(jià)套利模式，3種模式采用不同的功率分配策略對(duì)空調(diào)虛擬儲(chǔ)能的可用電功率、儲(chǔ)氣備用、蓄電池組及超級(jí)電容的輸出功率進(jìn)行分配。

2.2.1 光伏平抑波動(dòng)模式

目前，針對(duì)光伏發(fā)電的隨機(jī)性，處理方法主要有：利用低通濾波器將光伏發(fā)電的原始功率簡(jiǎn)單分成低頻和高頻部分，通過(guò)調(diào)節(jié)低通濾波環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)降低鉛酸蓄電池組的充放電頻率[20]；通過(guò)小波變換包將光伏發(fā)電的原始功率分成低頻和高頻部分，并將小波包分解后第一個(gè)頻段的功率作為平抑波動(dòng)的目標(biāo)，剩下低頻部分由蓄電池組處理，高頻由超級(jí)電容處理[18]。綜合考慮后，文中選擇小波包分解將光伏發(fā)電的原始功率分解為2個(gè)部分，低頻能量型部分由儲(chǔ)氣備用和鉛酸蓄電池組平抑，高頻功率型部分由空調(diào)虛擬儲(chǔ)能的可用功率和超級(jí)電容平抑。

采用db1小波對(duì)光伏發(fā)電原始功率進(jìn)行3層小波包分解，重構(gòu)分解信號(hào)得到8個(gè)頻段的功率分量。第1，3，4個(gè)頻段包含原始光伏功率曲線的大部分能量且滿足光伏并網(wǎng)條件，將這3個(gè)頻段的功率分量作為平抑模式的目標(biāo)功率Pgoal。第2個(gè)頻段的功率滿足儲(chǔ)氣備用調(diào)節(jié)周期要求，將此作為儲(chǔ)氣備用功率調(diào)節(jié)的參考指令Plrf。剩余需要平抑的功率作為空調(diào)虛擬儲(chǔ)能可用功率的參考指令Pacf。

為了避免儲(chǔ)氣備用的輸出功率及空調(diào)虛擬儲(chǔ)能可用功率無(wú)法滿足參考指令的要求，將蓄電池組功率作為儲(chǔ)氣備用功率，超級(jí)電容作為空調(diào)虛擬儲(chǔ)能可用功率的備用調(diào)節(jié)功率。該功率分配屬于開環(huán)控制，各單元功率分配后僅為參考指令，需校驗(yàn)功率指令是否滿足各單元功率約束條件。

一個(gè)儲(chǔ)氣備用功率調(diào)整周期內(nèi)，若儲(chǔ)氣備用功率參考指令小于燃?xì)廨啓C(jī)能額外提供的功率，則將參考指令作為調(diào)整指令；若燃?xì)廨啓C(jī)能額外提供的功率不能滿足參考指令，則將燃?xì)廨啓C(jī)能額外提供的功率作為調(diào)整指令，再根據(jù)Sbat(t)的范圍計(jì)算蓄電池組充放電功率。

在空調(diào)負(fù)荷虛擬儲(chǔ)能的一個(gè)功率調(diào)整周期內(nèi)，若空調(diào)虛擬儲(chǔ)能參考指令值小于空調(diào)可用電功率，則將參考指令作為調(diào)整指令；若空調(diào)虛擬儲(chǔ)能參考指令值大于空調(diào)可用電功率，則將空調(diào)可用電功率作為調(diào)整指令，再根據(jù)Scap(t)的范圍計(jì)算超級(jí)電容充放電功率。

將荷電狀態(tài)即S值分為過(guò)充警示區(qū)[Sh,1]、正常區(qū)[Sl,Sh]和過(guò)放警示區(qū)[0,Sl]。當(dāng)儲(chǔ)能裝置工作在正常區(qū)時(shí)，充放電功率無(wú)需調(diào)整；當(dāng)儲(chǔ)能裝置工作在過(guò)充警示區(qū)時(shí)，只需調(diào)整充電功率。蓄電池組和超級(jí)電容的調(diào)整方式為：

(16)

(17)

式中：Pbc(t)為蓄電池組在正常區(qū)的充電功率；Pbc，1(t)為蓄電池組在過(guò)充警示區(qū)需要調(diào)整的充電功率；Sbh為蓄電池組過(guò)充警示區(qū)的荷電狀態(tài)標(biāo)志；Pcc(t)為超級(jí)電容在正常區(qū)的充電功率；Pcc，1(t)為超級(jí)電容在過(guò)充警示區(qū)需要調(diào)整的充電功率；Sch為超級(jí)電容過(guò)充警示區(qū)的荷電狀態(tài)標(biāo)志。

當(dāng)儲(chǔ)能裝置工作在過(guò)放警示區(qū)時(shí)，只需調(diào)整放電功率，調(diào)整方式為：

(18)

(19)

式中：Pbd(t)為蓄電池組在正常區(qū)的放電功率；Pbd,1(t)為蓄電池組在警示區(qū)的放電功率；Sbl為蓄電池組過(guò)放警示區(qū)的荷電狀態(tài)標(biāo)志；Pcd(t)為超級(jí)電容在正常區(qū)的放電功率；Pcd，1(t)為超級(jí)電容在警示區(qū)需要調(diào)整的放電功率；Scl為超級(jí)電容過(guò)放警示區(qū)的荷電狀態(tài)標(biāo)志。

儲(chǔ)氣備用功率指令Plrf，空調(diào)虛擬儲(chǔ)能功率指令Pacf，蓄電池組功率指令Pbaf和超級(jí)電容功率指令Pcaf經(jīng)過(guò)功率保護(hù)單元修正后得到最終的功率輸出Plr，Pac，Pbat，Pcap。

2.2.2 電網(wǎng)有功功率波動(dòng)模式

從電網(wǎng)運(yùn)行需求角度，降低負(fù)荷高峰給電網(wǎng)帶來(lái)的影響及降低輔助設(shè)備損耗非常必要，因此提出利用小區(qū)可控負(fù)荷平抑電網(wǎng)有功功率波動(dòng)。電網(wǎng)需要調(diào)節(jié)的有功功率大小一般由上級(jí)電網(wǎng)給出，由多個(gè)小區(qū)共同完成。不同類型的有功功率波動(dòng)采取不同調(diào)節(jié)方法。

(1) 上級(jí)電網(wǎng)出現(xiàn)階躍性的有功功率擾動(dòng)時(shí)需要快速響應(yīng)，可用空調(diào)虛擬儲(chǔ)能調(diào)節(jié)功率。

(2) 上級(jí)電網(wǎng)出現(xiàn)連續(xù)性功率擾動(dòng)時(shí)，利用小波包函數(shù)分解擾動(dòng)信號(hào)，將第1個(gè)頻段的功率作為平抑目標(biāo)，剩下低頻段信號(hào)功率作為儲(chǔ)氣備用的參考指令，高頻段信號(hào)功率作為空調(diào)虛擬儲(chǔ)能的參考指令，采取的處理方式與光伏平抑模式相同。

2.2.3 峰谷電價(jià)套利模式

該模式下，為保證住戶使用空調(diào)的舒適度，空調(diào)虛擬儲(chǔ)能的可用功率不用于峰谷電價(jià)套利。同時(shí)由于我國(guó)天然氣資源緊張，天然氣儲(chǔ)氣備用也不參與峰谷電價(jià)套利。

小區(qū)配備的蓄電池組和超級(jí)電容工作在峰谷套利模式中時(shí)，利用峰谷電價(jià)獲得收益。某市峰谷電價(jià)如圖5所示，據(jù)峰谷電價(jià)的對(duì)應(yīng)時(shí)段可知，目前電價(jià)低谷一般出現(xiàn)在00:00—08:00。此階段后，系統(tǒng)可能進(jìn)入光伏平抑波動(dòng)模式，而光伏平抑波動(dòng)模式的優(yōu)先級(jí)比峰谷套利模式高，蓄電池的充電量不宜過(guò)大。因此在峰谷套利模式階段需要將蓄電池的荷電狀態(tài)區(qū)間調(diào)整為[0.2,0.7]，超級(jí)電容的荷電狀態(tài)區(qū)間調(diào)整為[0.2,0.8]。

圖5 某市峰谷電價(jià)Fig.5 Time of use price of a cartain city

2.3 運(yùn)行模式切換

多模式運(yùn)行的關(guān)鍵是模式之間的切換控制，保證3種模式協(xié)調(diào)運(yùn)行。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)先判斷小區(qū)微網(wǎng)的光伏發(fā)電是否滿足入網(wǎng)要求，滿足則進(jìn)入光伏平抑波動(dòng)模式，不滿足則判斷上級(jí)電網(wǎng)是否有需要小區(qū)調(diào)節(jié)的Pun。有需要?jiǎng)t進(jìn)入電網(wǎng)有功功率波動(dòng)模式，否則進(jìn)入峰谷套利模式。蓄電池組和超級(jí)電容只有單獨(dú)工作在光伏平抑波動(dòng)模式或電網(wǎng)有功功率波動(dòng)模式輸出功率為0時(shí)，才能在電價(jià)低谷階段充電、電價(jià)高峰階段放電，否則蓄電池組和超級(jí)電容不參與峰谷電價(jià)套利，保證較高優(yōu)先級(jí)的2種模式不受影響。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的具體流程如圖6所示。圖中，Plrf0為儲(chǔ)氣備用輸出功率的初始指令值；Pacf0為空調(diào)虛擬儲(chǔ)能輸出功率初始指令值；Plrx為儲(chǔ)氣備用的功率額度；Pacx為空調(diào)虛擬儲(chǔ)能的功率額度；Plr為儲(chǔ)氣備用的最終功率指令值；Pac為空調(diào)虛擬儲(chǔ)能的最終功率指令值。

圖6 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)流程Fig.6 Flow chart of coordination control system

3 算例驗(yàn)證

針對(duì)上述功率分配策略，采用圖1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在Matlab中進(jìn)行仿真驗(yàn)證。小區(qū)光伏額定容量為150 kW；蓄電池組和超級(jí)電容的配置容量分別為60 kW/300 kW·h，12 kW/10 kW·h；允許的充放電深度分別為0.2～0.8，0.1～0.9；光伏并網(wǎng)的功率波動(dòng)要求1 min內(nèi)不得超過(guò)30 kW，10 min內(nèi)不得超過(guò)150 kW；燃?xì)廨啓C(jī)的裝機(jī)容量為100 kW，發(fā)電效率為55%。某小區(qū)儲(chǔ)氣管道的主要參數(shù)如表1所示，小區(qū)住戶空調(diào)房間的主要參數(shù)如表2所示。

3.1 光伏平抑波動(dòng)與峰谷電價(jià)套利模式

以某小區(qū)光伏數(shù)據(jù)為算例進(jìn)行仿真分析。

表1 天然氣管道參數(shù)Table 1 Parameters of gas pipes

表2 空調(diào)-建筑系統(tǒng)參數(shù)Table 2 Parameters of air condi-tioning-building system

(1) 驗(yàn)證虛擬儲(chǔ)能有效性。對(duì)光伏原始功率小波包分解得到2個(gè)頻段的功率指令，分別利用虛擬儲(chǔ)能、儲(chǔ)能裝置滿足功率指令要求。

(2) 對(duì)比光伏平抑波動(dòng)模式和雙模式下各部分輸出功率、儲(chǔ)能裝置的S，驗(yàn)證利用虛擬儲(chǔ)能可實(shí)現(xiàn)光伏平抑波動(dòng)模式和峰谷電價(jià)套利模式協(xié)調(diào)運(yùn)行。

是否包含虛擬儲(chǔ)能的光伏平抑波動(dòng)效果如圖7所示。由圖7可知，當(dāng)光伏原始功率不滿足并網(wǎng)要求時(shí)，在儲(chǔ)能裝置的作用下功率變得相對(duì)柔和。在12:00附近，當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生較大變化時(shí)，儲(chǔ)能裝置由于容量限制并未有效改善功率突變，而虛擬儲(chǔ)能降低了原始功率突變的影響。

圖7 光伏平抑波動(dòng)效果對(duì)比Fig.7 The effect comparison of smoothing PV fluctuation

光伏平抑波動(dòng)中各部分的參與功率如圖8所示。此模式需要平抑的功率較小，參與的空調(diào)為96臺(tái)。天然氣管道氣壓調(diào)節(jié)周期與鉛酸蓄電池組的充放電周期相仿，燃?xì)廨啓C(jī)額外輸出功率已經(jīng)滿足了調(diào)節(jié)要求，故蓄電池組的輸出功率為0。而在空調(diào)負(fù)荷參與光伏平抑波動(dòng)模式中，超級(jí)電容的充放電深度明顯降低，表明此功率分配在滿足平抑光伏原始功率的前提下，可有效延長(zhǎng)蓄電池組和超級(jí)電容的使用壽命。由圖8可知，此模式下虛擬儲(chǔ)能在大部分時(shí)段可以代替儲(chǔ)能裝置平抑光伏原始功率。

圖8 光伏平抑波動(dòng)各部分的參與功率Fig.8 Participating power of each part of smoothing PV fluctuation

圖9為蓄電池組和超級(jí)電容單獨(dú)工作在光伏平抑波動(dòng)模式以及工作在光伏平抑波動(dòng)與峰谷套利雙模式下，蓄電池組、超級(jí)電容的輸出功率對(duì)比。只有單獨(dú)工作在光伏平抑波動(dòng)模式下輸出功率為0時(shí)，才能進(jìn)入峰谷套利模式，在電價(jià)低谷階段充電，電價(jià)高峰階段放電。超級(jí)電容由于額定容量小、充電功率大，很快就能充電到允許的最大狀態(tài)，蓄電池組相對(duì)較慢。

圖9 光伏平抑波動(dòng)模式和雙模式下儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率Fig.9 Output power of the energy storage system in smoothing PV fluctuation mode and dual mode

單獨(dú)工作在光伏平抑波動(dòng)模式和工作在雙模式下,蓄電池組和超級(jí)電容的S如圖10所示。雙模式保留了蓄電池組和超級(jí)電容S的變化趨勢(shì)，且在電價(jià)低谷階段充電到允許的最大值，在電價(jià)高峰階段放電，整個(gè)過(guò)程蓄電池組和超級(jí)電容的S始終在允許的變化范圍。

圖10 光伏平抑波動(dòng)模式和雙模式下儲(chǔ)能系統(tǒng)S值Fig.10 S of energy torage system in smoothing PV fluctuation mode and dual mode

3.2 電網(wǎng)有功功率波動(dòng)與峰谷電價(jià)套利模式

以某天風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電數(shù)據(jù)為上級(jí)電網(wǎng)擾動(dòng)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電原始功率進(jìn)行小波包分解，得到小區(qū)微網(wǎng)各部分輸出功率指令。使協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)單獨(dú)工作在有功功率波動(dòng)模式以及工作在有功功率波動(dòng)和峰谷電價(jià)套利雙模式，對(duì)比是否包含虛擬儲(chǔ)能的平抑波動(dòng)效果以及在包含虛擬儲(chǔ)能的條件下微網(wǎng)各部分的輸出功率和儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)S值。

是否包含虛擬儲(chǔ)能對(duì)平抑上級(jí)電網(wǎng)連續(xù)性擾動(dòng)的效果如圖11所示。在擾動(dòng)功率較大時(shí)，不包含虛擬儲(chǔ)能的傳統(tǒng)儲(chǔ)能裝置受蓄電池組和超級(jí)電容容量影響，平抑效果不明顯，而包含虛擬儲(chǔ)能的系統(tǒng)具有較好的平抑效果。

圖11 電網(wǎng)有功功率波動(dòng)平抑效果對(duì)比Fig.11 The effect comparison of smoothing grid active power fluctuation

SSLS僅參與電網(wǎng)有功功率波動(dòng)模式的輸出功率如圖12所示。算例中電網(wǎng)波動(dòng)功率相對(duì)較大，為了達(dá)到良好的平抑效果，參與平抑功率的空調(diào)為960臺(tái)，此時(shí)主要由空調(diào)負(fù)荷參與電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)。

圖12 電網(wǎng)有功功率波動(dòng)模式各部分的參與功率Fig.12 Participating power of each part of smoothing grid active power fluctuation mode

蓄電池組和超級(jí)電容參與電網(wǎng)有功功率波動(dòng)模式以及電網(wǎng)有功功率波動(dòng)和峰谷電價(jià)套利雙模式的輸出功率對(duì)比如圖13所示。電網(wǎng)有功功率波動(dòng)模式蓄電池組輸出功率為0時(shí)，蓄電池組在電價(jià)低谷時(shí)進(jìn)行充電，在電價(jià)高峰時(shí)進(jìn)行放電。超級(jí)電容全程參與了電網(wǎng)有功功率波動(dòng)模式的功率調(diào)節(jié)，故超級(jí)電容未實(shí)現(xiàn)峰谷電價(jià)套利。

圖13 電網(wǎng)有功功率波動(dòng)模式和雙模式下儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率Fig.13 Output power of the energy storagesystem in smoothing grid active power fluctuation mode and dual mode

單獨(dú)工作在電網(wǎng)有功功率波動(dòng)模式以及工作在電網(wǎng)有功功率波動(dòng)和峰谷電價(jià)套利雙模式下蓄電池組、超級(jí)電容的S如圖14所示。

圖14 電網(wǎng)有功功率波動(dòng)模式和雙模式下儲(chǔ)能系統(tǒng)S值Fig.14 S of energy torage system in smoothing gridactive power fluctuation mode and dual mode

雙模式保留了蓄電池組S值的變化趨勢(shì)，且在電網(wǎng)有功功率波動(dòng)單模式蓄電池組S不變時(shí)，蓄電池組在電價(jià)低谷階段充電，在電價(jià)高峰階段放電。超級(jí)電容在所有時(shí)刻都參與了電網(wǎng)有功功率波動(dòng)模式，故雙模式中的S和單模式的相同。蓄電池組和超級(jí)電容的S始終在允許范圍內(nèi)變化。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)光伏并網(wǎng)和上級(jí)電網(wǎng)功率波動(dòng)帶來(lái)的微網(wǎng)穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，提出構(gòu)建由空調(diào)虛擬儲(chǔ)能、儲(chǔ)氣備用、蓄電池組和超級(jí)電容組成的儲(chǔ)能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了光伏平抑波動(dòng)、電網(wǎng)有功功率波動(dòng)和峰谷電價(jià)套利3種模式協(xié)調(diào)運(yùn)行，并通過(guò)實(shí)例證明了策略的有效性和正確性。

(1) 光伏平抑波動(dòng)模式下，利用小波包對(duì)光伏原始功率進(jìn)行分解，得到空調(diào)可用功率和儲(chǔ)氣備用的參考指令值，再根據(jù)約束條件得到空調(diào)可用功率和儲(chǔ)氣備用最終指令。作為兩者備用的蓄電池組和超級(jí)電容，結(jié)合各自的S確定充放電功率。

(2) 電網(wǎng)有功功率波動(dòng)模式下，針對(duì)波動(dòng)功率是否連續(xù)采取不同的控制方法。非連續(xù)型利用空調(diào)可用功率的快速響應(yīng)平抑波動(dòng)。連續(xù)型利用小波包進(jìn)行分解，與光伏平抑波動(dòng)模式類似，只是各部分參與功率較大，所需各部分輸出功率較大。

(3) 在光伏原始功率滿足并網(wǎng)要求，且上級(jí)電網(wǎng)無(wú)需小區(qū)平抑波動(dòng)功率時(shí)，蓄電池組和超級(jí)電容在電價(jià)低谷時(shí)充電，在電價(jià)峰值時(shí)放電，實(shí)現(xiàn)收益。

文中在考慮天然氣儲(chǔ)氣備用時(shí)僅考慮了電負(fù)荷，并未考慮燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的余熱。后續(xù)將研究冷熱電聯(lián)供與空調(diào)虛擬儲(chǔ)能相關(guān)聯(lián)時(shí)的優(yōu)化調(diào)度方案。