唐黃正 朱志偉

(長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南長沙 410004)

隨著我國企業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各大制造企業(yè)智能化程度越來越高，各種自動(dòng)化機(jī)器及設(shè)備數(shù)量大增，對(duì)電力的需求也急劇增加。由于不能滿足日益增長的需求，因此用于發(fā)電的集中式電力系統(tǒng)會(huì)在負(fù)載側(cè)產(chǎn)生波動(dòng)。電力公司對(duì)于增加發(fā)電量和輸電線路感到很大的壓力，消費(fèi)者對(duì)目前的可用電力狀況也并不完全滿意，尤其是在發(fā)展中國家[1]。圖1是中國近年來每年的能源消耗量，可以看出消耗量是急速增加的，這表示對(duì)能源的需求也是越來越多的。

圖1 中國歷年能源消耗量

因此，分布式發(fā)電是為特定地區(qū)發(fā)電的重要手段之一，它是環(huán)保的，因?yàn)樗茏畲笙薅鹊販p少有害氣體的排放。微電網(wǎng)由發(fā)電機(jī)組組成，發(fā)電能力從幾千瓦到幾兆瓦，利用可再生能源，如太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等，也可以使用化石燃料，如煤、天然氣、石油等運(yùn)行。微電網(wǎng)的運(yùn)行有兩種基本模式，一種是自治模式，另一種是非自治模式[2]。

在電力系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行中，需求響應(yīng)是影響電力系統(tǒng)運(yùn)行的重要因素之一。當(dāng)前，運(yùn)用在現(xiàn)代電力系統(tǒng)智能電網(wǎng)當(dāng)中的新興技術(shù)——可再生能源（RER）技術(shù)，對(duì)滿足當(dāng)前能源需求起著至關(guān)重要的作用[3]。目前各種需求響應(yīng)配電方案得到了廣泛應(yīng)用，降低配電電壓就是其中之一。該文討論了需求響應(yīng)對(duì)智能電網(wǎng)的影響，基于再生能源技術(shù)（沼氣、太陽能、風(fēng)能）提出一種算法，以滿足不斷增長的電力需求?？傮w來說，微電網(wǎng)是智能電網(wǎng)的一種形式，它為負(fù)載提供電力，由智能能源管理系統(tǒng)控制。

1 電力系統(tǒng)需求與響應(yīng)目標(biāo)

電力系統(tǒng)的需求與響應(yīng)的目標(biāo)如圖2所示。

圖2 電力系統(tǒng)需求與相應(yīng)目標(biāo)

（1）規(guī)劃發(fā)電需求量，在此目標(biāo)下，如果能夠較好地規(guī)劃電力需求量，不生產(chǎn)過多電力，電力系統(tǒng)輸配電的需求和損耗之和都會(huì)減少。影響此目標(biāo)的因素有很多，例如發(fā)電成本，能源的利用率及整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

（2）提高電力系統(tǒng)整體可靠性，在此目標(biāo)下，保持不同時(shí)段負(fù)荷的供需平衡，使用電高峰期能夠提供足量的電能，用電低谷期能將多余的電能進(jìn)行儲(chǔ)存或利用。

（3）消除電力系統(tǒng)的過載，在此目標(biāo)下，通過先進(jìn)能源管理系統(tǒng)（EMS）來減少電流的溢出，從而使電力系統(tǒng)不超負(fù)荷運(yùn)行。

2 微電網(wǎng)需求與響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

分布式發(fā)電指利用分散各地的多種能源，包括可再生能源以及化石能源等，進(jìn)行發(fā)電的一種技術(shù)。常用的微電網(wǎng)系統(tǒng)如圖3所示，一般使用常見的太陽能、燃油、風(fēng)力進(jìn)行發(fā)電[4]。一方面，可以將微電網(wǎng)看成是一種小型的電力系統(tǒng)，能夠在局部區(qū)域內(nèi)對(duì)多種能源進(jìn)行協(xié)調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)功率平衡[5]；另一方面，可以將微電網(wǎng)看作大電網(wǎng)的一個(gè)組成部分，從大電網(wǎng)吸收功率或向大電網(wǎng)釋放功率。因此，通過微電網(wǎng)內(nèi)部協(xié)調(diào)分布式能源的方式可以有效提高新能源利用率。非并網(wǎng)的孤島運(yùn)行模式也有很好的應(yīng)用前景，可以解決邊遠(yuǎn)地區(qū)、海島等常規(guī)電網(wǎng)等大電網(wǎng)難以部署的地區(qū)的供電問題。

圖3 常用微電網(wǎng)系統(tǒng)

微電網(wǎng)一般包括兩種控制模式，即并網(wǎng)和孤島模式，具體架構(gòu)如圖4所示。微電網(wǎng)處于并網(wǎng)模式時(shí)，會(huì)與大電網(wǎng)有一個(gè)公共連接點(diǎn)或互連點(diǎn)，能夠無縫的從并網(wǎng)模式過渡到孤島模式。在大電網(wǎng)發(fā)生故障等緊急情況下，微電網(wǎng)能夠在“并網(wǎng)+孤島”間相互切換的運(yùn)行方式，很大程度上提高了供配電系統(tǒng)的彈性[6]。

圖4 微電網(wǎng)控制模式

該文提出的需求與響應(yīng)算法可以在微電網(wǎng)非自治模式下實(shí)現(xiàn)。在此模式下，微電網(wǎng)作為電力公用設(shè)施的備用系統(tǒng)。這些分布式發(fā)電機(jī)組與電力公用設(shè)施一起安裝，通過維持電壓水平或提供功率來降低特定時(shí)間內(nèi)的峰值需求，從而為發(fā)電廠提供電力。在某些特定地方，如具有豐富風(fēng)能、水能等資源的地方安裝微電網(wǎng)，可以降低發(fā)電成本，能夠分擔(dān)公用電力設(shè)施的運(yùn)行負(fù)荷。微電網(wǎng)的一個(gè)基本也是非常重要的特點(diǎn)是，其可以在孤島模式下運(yùn)行[7]，從而免受故障干擾，影響其運(yùn)行安全性。

2.1 需求響應(yīng)潮流網(wǎng)絡(luò)

圖5 為電力和控制需求與響應(yīng)電力網(wǎng)絡(luò)，微電網(wǎng)中央控制器（MGCC）通過本地控制器（LC）將連接電力設(shè)施和負(fù)載連接起來，利用可再生能源（RER）和其他小型電力生產(chǎn)能源發(fā)電，連接到本地控制器，為其連接的負(fù)載供電。其中用于發(fā)電的能源很多為可再生能源，如風(fēng)能、生物質(zhì)能（如沼氣）、氫能、太陽能等。

圖5 可再生能源微電網(wǎng)

2.2 TCP/IP控制網(wǎng)絡(luò)

分布式電源控制器稱為本地控制器，微電網(wǎng)中央控制器從主電網(wǎng)接入本地控制器進(jìn)行電源管理。如圖6 所示，智能TCP/IP 控制網(wǎng)絡(luò)將微電網(wǎng)中央控制器與本地控制器連接在一起。在電力需求高峰時(shí)段，智能本地控制器通過TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)電纜向微電網(wǎng)中央控制器發(fā)送請(qǐng)求，使用TCP/IP通信協(xié)議進(jìn)行通信。

圖6 微電網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)

在圖6 的TCP/IP 控制器網(wǎng)絡(luò)中，智能微電網(wǎng)中央控制器可以通過本地控制器檢查公用電網(wǎng)中的可用電能，然后通過本地控制器對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電。如果負(fù)載所需求的電能是可用電能，那么微電網(wǎng)中央控制器會(huì)向負(fù)載發(fā)送信號(hào)，接著本地控制器就會(huì)向負(fù)載傳輸電能；如果與負(fù)載直接連接的本地控制器電能儲(chǔ)備不夠的話，就會(huì)給其他的本地控制器發(fā)送請(qǐng)求，傳輸所需求的電能，從而實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)。

研究人員設(shè)計(jì)電網(wǎng)控制方案的最終目標(biāo)是在不同情況下為負(fù)載提供平穩(wěn)可靠的電能，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)智能減載。

3 需求響應(yīng)算法

圖7 是需求響應(yīng)算法流程圖，其流程如下：（1）微電網(wǎng)中央控制器（MGCC）通過使用TCP/IP協(xié)議發(fā)送連接命令來檢查已連接的本地控制器（MGLC）；（2）微電網(wǎng)中央控制器將本地控制器在連接負(fù)載高峰時(shí)段和正常時(shí)段的電力需求記錄到數(shù)據(jù)庫中；（3）本地控制器將實(shí)時(shí)電力需求與接入到其上的負(fù)載電力供應(yīng)進(jìn)行比較，如果電力需求大于電力供給響應(yīng)，本地控制器會(huì)向微電網(wǎng)中央控制器發(fā)送請(qǐng)求，以得到所需電力，如果電力需求小于電力供應(yīng)，則會(huì)給微電網(wǎng)中央控制器的可用電力數(shù)據(jù)庫發(fā)送更新請(qǐng)求；（4）如果微網(wǎng)中心控制器不能滿足當(dāng)前本地控制器接入負(fù)載的需求，則微網(wǎng)中心控制器將進(jìn)行智能減載；（5）微電網(wǎng)中央控制器通過關(guān)閉低優(yōu)先級(jí)的本地控制器負(fù)載，然后關(guān)閉第二優(yōu)先級(jí)負(fù)載等方式實(shí)現(xiàn)智能減載，直到供需不平衡為止。

圖7 需求響應(yīng)算法

該文使用符號(hào)PMGCC表示微電網(wǎng)中央控制器接入公用電力設(shè)施的功率；使用PLC表示本地控制器從自身接入的可再生能源中產(chǎn)生的功率；PD表示接入負(fù)載的功率需求。需求響應(yīng)狀態(tài)如下。

情況1：PLC＞PD。在這種情況下，本地控制器通過微電網(wǎng)中央控制器使用TCP/IP 協(xié)議向電力公司發(fā)送供電請(qǐng)求。

情況2：PLC＜PD。這種情況下，本地控制器會(huì)向微電網(wǎng)中央控制器發(fā)送所需電力的請(qǐng)求。

情況3：PLC+PMGCC≥PD。在這種情況下，微電網(wǎng)中央控制器將在本地控制器的幫助下執(zhí)行智能減載。

4 結(jié)語

在現(xiàn)代生活方式中，對(duì)能源的需求與日俱增，產(chǎn)量也隨著需求的增加而增加。因此，在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，相關(guān)工作者必須重視能源管理系統(tǒng)，以滿足快速增長的能源需求，以保證工業(yè)和家用電力負(fù)荷的平穩(wěn)運(yùn)行。微電網(wǎng)需求響應(yīng)技術(shù)是一項(xiàng)新興的技術(shù)，它可以在世界能源需求中發(fā)揮眾多重要的作用，有效的負(fù)載管理技術(shù)為克服能源不平衡提供了契機(jī)。需求響應(yīng)技術(shù)還提供了在用電高峰和正常時(shí)段滿足不同連接負(fù)載需求的機(jī)會(huì)。非自治微電網(wǎng)的需求響應(yīng)技術(shù)提高了電能質(zhì)量，有利于人們的生產(chǎn)生活，保證了對(duì)負(fù)荷的可預(yù)測性供電，非常適用于醫(yī)院、大學(xué)、國防等關(guān)鍵場所。