祝永剛，呂 超

（國網(wǎng)山東省電力公司濟南市歷城區(qū)供電公司，山東 濟南250100）

將直流組成的微電網(wǎng)稱為直流微電網(wǎng)，其對于實現(xiàn)節(jié)能減排、保證能源儲蓄性發(fā)展有著推動意義[1]。與交流微電網(wǎng)的區(qū)別在于其對于風(fēng)、光等分布式可再生能源的發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)等可更為安全地接入。由于光伏直流微電網(wǎng)在應(yīng)用時，區(qū)域性限制較小，因此，成為應(yīng)用最為廣泛的可再生資源電網(wǎng)發(fā)力[2]。智慧管控平臺是用于實現(xiàn)光伏直流微電網(wǎng)運行管理、能源安全可靠運行的一種管理和控制平臺[3]。需求側(cè)響應(yīng)可理解為是通過對原始用電模式實行調(diào)整，在保證正常用電的基礎(chǔ)上，提升用電終端的用電效率、降低消耗，以此實現(xiàn)用電的有效控制，使電力系統(tǒng)的經(jīng)濟性和安全性得到明顯提升[4]。當下，用電需求逐漸增加，但光伏發(fā)電自身存在明顯的間歇性以及波動性的特性，對于實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)大范圍的光伏發(fā)電微網(wǎng)的合并存在明顯影響，對于電網(wǎng)系統(tǒng)的運行安全性帶來一定隱患，不利于智慧管理和控制[5]。本文基于需求側(cè)響應(yīng)，設(shè)計光伏直流微網(wǎng)智慧管控平臺，實現(xiàn)該微網(wǎng)的全面控制，并滿足用戶用能需求側(cè)響應(yīng)。

1 基于需求側(cè)響應(yīng)的光伏直流微網(wǎng)智慧管控平臺

1.1 平臺架構(gòu)

智慧管控平臺采用5層架構(gòu)設(shè)計，包含測控層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、管控層以及平臺層，其架構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺架構(gòu)

測控層將采集的光伏直流微網(wǎng)內(nèi)光伏組件、風(fēng)機、逆變器等設(shè)備信息通過網(wǎng)絡(luò)層傳入數(shù)據(jù)層，該層對接收的信息進行清洗、融合等處理后，對數(shù)據(jù)實行分析后實行分布式存儲以及數(shù)據(jù)展示[6]，管控層以數(shù)據(jù)信息為支撐，實現(xiàn)光伏直流微網(wǎng)的全面管控，將管控結(jié)果呈現(xiàn)至平臺層，實現(xiàn)需求側(cè)響應(yīng)。

測控層：該層主要利用消息推送、數(shù)據(jù)總線以及ETL（extracttransformload）將光伏直流微網(wǎng)內(nèi)所有的設(shè)備信息通過網(wǎng)絡(luò)層傳入數(shù)據(jù)層。

網(wǎng)絡(luò)層：該層主要用于支撐平臺各層間的數(shù)據(jù)傳輸和通信，包含網(wǎng)關(guān)、服務(wù)接口、通信接口以及防火墻等[7]，保證數(shù)據(jù)的實時、安全傳輸。

數(shù)據(jù)層：該層用于存儲光伏直流微網(wǎng)全部信息的分布式存儲，并且通過數(shù)據(jù)模型實現(xiàn)數(shù)據(jù)的清洗、分析、融合等[8]，提供數(shù)據(jù)服務(wù)，為平臺各類業(yè)務(wù)的執(zhí)行提供數(shù)據(jù)支撐。

管控層：管控層作為平臺的執(zhí)行核心層，通過控制器完成光伏直流微網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)、運維、應(yīng)急等方面管理，實現(xiàn)用戶需求側(cè)響應(yīng)以及光伏直流微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度[9]；同時可完成各類信息的統(tǒng)計。

平臺層：該層是平臺的展示層，用戶可通過該層查看微網(wǎng)信息以及監(jiān)控信息；同時用戶可通過該層發(fā)布服務(wù)以及管理指令。

1.2 平臺數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)

平臺管控的實現(xiàn)，是以數(shù)據(jù)為支撐，為實現(xiàn)光伏直流微網(wǎng)的智慧管控，數(shù)據(jù)的處理效率是系統(tǒng)運行的關(guān)鍵部分，為保證數(shù)據(jù)的處理過程中時間成本的最小化、數(shù)據(jù)采集的完整化，滿足平臺微網(wǎng)管控數(shù)據(jù)的高速擴張以及線性增長，結(jié)合系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù)源相同的特點，設(shè)計管控層和數(shù)據(jù)層獨立處理功能[10]，則平臺數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 平臺數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)

平臺中管控和數(shù)據(jù)間獨立運行，但是業(yè)務(wù)執(zhí)行過程中，兩者可通過方法達到聯(lián)合執(zhí)行，數(shù)據(jù)層實現(xiàn)數(shù)據(jù)的專業(yè)處理和運算，管控層完成數(shù)據(jù)的調(diào)用[11-12]，可快速完成復(fù)雜數(shù)據(jù)的任務(wù)處理。

1.3 逆變器結(jié)構(gòu)

逆變器是光伏直流微網(wǎng)中用于實現(xiàn)直流電能轉(zhuǎn)換的裝置，其對于光伏直流微網(wǎng)的整體性能存在直接影響，可提升光伏發(fā)電的效率和質(zhì)量，使能量損失降低[13]。逆變器共由3個部分構(gòu)成，分別為逆變、控制以及輸出濾波。

通過光伏組件完成太陽能的轉(zhuǎn)換，形成輸出電壓，該電壓此時呈不穩(wěn)定狀態(tài)，通過Boost對該電壓實行轉(zhuǎn)換，形成穩(wěn)定的直流電壓后，經(jīng)由STM32控制轉(zhuǎn)換成工頻交流電，用于輸出；其中通過采樣電路采樣實現(xiàn)逆變器的過壓、過流的保護。

1.4 需求側(cè)響應(yīng)管理模型

在電力系統(tǒng)不斷發(fā)展下、需求逐漸多樣化，因此需要構(gòu)建需求側(cè)響應(yīng)管理模型，針對用電高峰時期的需求側(cè)可轉(zhuǎn)移負荷實行控制，以滿足用戶用能需求側(cè)響應(yīng)?？赊D(zhuǎn)移負荷是以簽署的協(xié)議為依據(jù)，在用電高峰期，用戶接受調(diào)度中心的調(diào)動信號后執(zhí)行響應(yīng)，調(diào)度靈活性較高的負荷，將其調(diào)動至非高峰期[14,15]，或者新能源出力的高峰期；調(diào)度完成后，用戶將獲取相應(yīng)補償，其公式為：

式中：CDR為補償后用戶負荷；ρ為在負荷調(diào)度時產(chǎn)生的補償系數(shù)；Lin,t和Lout,t為t時刻轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出的負荷量；t=1,2,…,N。當Lout,t≥0、Lin,t=0，則負荷則小于光伏出力；如果負荷則大于光伏出力，那么Lout,t≥0、Lin,t=0。

1.5 光伏直流微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型

1.5.1 目標函數(shù)

智慧管控平臺的目的是實現(xiàn)用電的有效控制，使電力系統(tǒng)的經(jīng)濟性和安全性明顯提升，基于此平臺以實現(xiàn)最大化的光伏消納量、最小化的運行成本為控制目的，完成智慧管控。該管控包含光伏、儲能以及需求側(cè)響應(yīng)多個方面。

最大化的光伏消納量以及最小化的運行成本為平臺控制的主要目的，其目標函數(shù)的公式為：

式中：PL,t為光伏出力，屬于被消納的負荷；P+S,t為t時刻發(fā)生的充電功率，屬于儲能系統(tǒng)消納；e為購電價格；PN,t為t購買的電量；ε為懲罰因子。該懲罰因子可實現(xiàn)問題間的轉(zhuǎn)化，即為優(yōu)化和經(jīng)濟調(diào)度之間，該值過大后者過小都對運行成本的計算存在影響，因此，運算時需確定其最佳取值。為保證運行成本，設(shè)定該影響因子取值不大于1。

如果Pp,t≥Lt，則PL,t=Lt；當PL,t=Pp,t，那么Pp,t＜Lt。因此，t時刻的負荷則為Lt；該時刻的光伏電能則為PL,t=min(Pp,t+Lt)，且屬于負荷消納；則Lt=L0t-Lout,t+Lin,t。

如果Pp,t≥Lt，則PN,t=0；當PN,t=Lt-Pp,t-P-S,t，那么Pp,t＜Lt。

1.5.2 約束條件

光伏直流微網(wǎng)可靠性約束：光伏直流微網(wǎng)運行過程中，需保證其滿足運行時間的穩(wěn)定的標準，同時電力系統(tǒng)容量需對儲能系統(tǒng)的存儲電能實行掌控，則在t時刻內(nèi)，儲能系統(tǒng)的電能存儲需符合公式（3）的標準：

式中：Smin和Smax分別為儲能容量，前者對應(yīng)最小，屬于所需配置，且處于重要負荷穩(wěn)定運行時間達到30min時；后者對應(yīng)最大。

儲能系統(tǒng)功率約束：在一定程度上，約束儲能系統(tǒng)以及放電的實時功率，約束條件為：

式中：P+S,t,max、P-S,t,max分別為t時刻充電和放電功率上限。

電力系統(tǒng)余下電能依據(jù)與儲能系統(tǒng)充電功率存

在關(guān)聯(lián)，其為：

需求側(cè)響應(yīng)約束：為形成虛擬發(fā)電組用于電力系統(tǒng)調(diào)度，需對用電模式實行調(diào)整，使用電效率提升、電能消耗減少。對可轉(zhuǎn)移負荷實行約束，其條件為：）

式中：Lmaxin和Lmaxout分別為t時刻轉(zhuǎn)入和傳出負荷上限。

在單獨調(diào)度周期內(nèi)，轉(zhuǎn)入的總負荷量與轉(zhuǎn)出總量相等，其為：

光伏出力約束：

式中：Pmaxp為光伏有功出力最大值。由于光伏消納過程中約束設(shè)定較多，為了實現(xiàn)算法的快速收斂，求解最優(yōu)解，保證所有變量均在約束范圍內(nèi)。

2 測試分析

為測試本文所設(shè)計平臺的管控性能和效果，將本文平臺用于山東省電力公司濟南用電公司彩石供電所，實行相關(guān)測試。該供電所的管理目的為降低運行成本，增加經(jīng)濟效益。該供電所的光伏直流微網(wǎng)包含兩部分，分別為光伏系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)，其中光伏系統(tǒng)的最大容量為1.32MW，儲能系統(tǒng)包含兩套磷酸鐵鋰電池，其容量為75Ah，電壓為48V。儲能系統(tǒng)參數(shù)和需求側(cè)相應(yīng)參數(shù)如表1所示。

表1 參數(shù)詳情

獲取光伏出力預(yù)測值和典型日負荷曲線，如圖3所示。

依據(jù)圖3可知：在一天24h內(nèi)，負荷量和光伏出力呈現(xiàn)不同的波動變化，在01∶00—05∶00，光伏出力為0，06∶00光伏出力開始增加，08∶00以后增加趨勢顯著，上升趨勢明顯，17∶00開始則顯著下降，當在20∶00，重新為0，一天內(nèi)，光伏出力最高的時間段為09∶00—17∶00時，該時間段內(nèi)的負荷量顯著低于光伏出力；在光伏出力為零的兩個時間段內(nèi)，負荷量均在6MW以上。

為測試平臺管控效果，測試平臺在一周內(nèi)，實行需求側(cè)響應(yīng)管理前后，光伏消納率、購電量以及購電費用的變化結(jié)果如圖4所示。其中，購電價格為0.5元/kWh。

圖4 需求側(cè)響應(yīng)管理前后的對比結(jié)果

根據(jù)圖4測試結(jié)果可知：平臺管理前，該供電所的光伏消納率低于45%，并且購買電量均在95MW以上，產(chǎn)生的購電費用均在5萬元上下波動，平臺實行管理后，光伏消納率明顯提升，均在60%以上，購買電量均低于82MW，同時產(chǎn)生的購電費用均在4萬元上下波動，可使微網(wǎng)運行成本明顯降低。該結(jié)果直觀體現(xiàn)平臺對光伏直流微網(wǎng)實行控制后，可在經(jīng)濟效益方面達到良好效果，符合該實驗對象的管理目的，并且達到滿意結(jié)果。

為進一步分析平臺的管控效果，結(jié)合光伏輸出功率存在的隨機波動的特征，測試本文平臺控制后，參考典型日光伏數(shù)據(jù)，隨機獲取該供電所一周內(nèi)的某日光伏出力變化結(jié)果，如圖5所示；同時獲取該供電所2臺儲能蓄電池的功率響應(yīng)情況，結(jié)果如圖6所示。

圖5 日光伏出力變化結(jié)果

圖6 蓄電池的功率響應(yīng)情況

根據(jù)圖5測試結(jié)果可知：本文平臺應(yīng)用后，執(zhí)行需求側(cè)響應(yīng)管理后，可實現(xiàn)部分負荷轉(zhuǎn)移，可將01∶00—05∶00、20∶00—24∶00的時間段內(nèi)負荷調(diào)度至09∶00—17∶00的時間段內(nèi)，降低出伏功率的負荷去除功率，最大程度使負荷曲線和光伏出力曲線接近，減小兩者之間的差距，以此達到經(jīng)濟效益最大化的控制目的。

根據(jù)圖6測試結(jié)果可知：在本文設(shè)計平臺的控制下，可實現(xiàn)蓄電池功率補償以及電池的平穩(wěn)控制，實現(xiàn)儲能的均衡控制，合理分配功率分配，以此保證光伏直流微網(wǎng)的有效控制。

為分析平臺在微網(wǎng)在模式切換時的控制效果，測試平臺在并、離網(wǎng)兩種模式切換時母線電壓變化情況、蓄電池切換時的狀態(tài)變化，結(jié)果如圖8所示。

依據(jù)圖7測試結(jié)果可知：在并網(wǎng)模式時，光伏值處于輸出中，此時，電壓發(fā)生較小波動后，處于平穩(wěn)狀態(tài)；當發(fā)生模式轉(zhuǎn)換后，變成離網(wǎng)模式后，光伏輸出變?yōu)?；除此之外，2個蓄電池在并網(wǎng)模式時，為充電狀態(tài)，當發(fā)生模式轉(zhuǎn)換后，變成離網(wǎng)模式后，2個蓄電池同時進入放電模式。但是在上述情況下，0.32s發(fā)生模式轉(zhuǎn)換后，母線電壓并沒有發(fā)生波動，一直呈平穩(wěn)狀態(tài)，該結(jié)果表明本文平臺的控制效果良好，可控制光伏直流微網(wǎng)在轉(zhuǎn)換模式下的平穩(wěn)運行。

圖7 模式切換測試結(jié)果

3 結(jié)束語

新能源的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，為有效控制其在應(yīng)用過程的運行成本、并提升經(jīng)濟效益，本文設(shè)計基于需求側(cè)響應(yīng)的光伏直流微網(wǎng)智慧管控平臺，并將其應(yīng)用在山東省電力公司濟南用電公司彩石供電所，依據(jù)其控制目的實行相關(guān)測試。結(jié)果表明：本文所設(shè)計平臺可顯著提升光伏消納率，最大化實現(xiàn)負荷調(diào)度轉(zhuǎn)移，達到經(jīng)濟效益最大化的控制目的，并且在微網(wǎng)發(fā)生模式轉(zhuǎn)換時，依舊可控制微網(wǎng)的平穩(wěn)運行。