基于分時電價的風儲直流微電網(wǎng)能量協(xié)調(diào)管理控制策略研究

馬越超

摘 要：為提高直流微電網(wǎng)用戶側(cè)用電經(jīng)濟性及供電可靠性，本文在分時電價的基礎(chǔ)上，針對風儲直流微電網(wǎng)建立了以用戶日購電最少為目標的協(xié)調(diào)控制策略，以實現(xiàn)低價購電，高價自足，余電上網(wǎng)的工作模式。且在并網(wǎng)模式下制定了負荷投切控制策略，從而減少系統(tǒng)的失負荷率，提高直流微電網(wǎng)的可靠性。通過MATLAB/Simulink下的仿真驗證了本文所提控制策略的有效性。

關(guān)鍵詞：分時電價；直流微電網(wǎng)；能量管理；協(xié)調(diào)控制

Research on Energy Coordination Management and Control Strategy ofDC Microgrid with Wind-energy Storage Based on Time-of-use Price

Ma Yuechao

（ Electric Engineering Department，Baotou Vocational ＆Technical College，Baotou，Inner Mongolia 014030）

Abstract：Based on the time-of-use price，a coordinated control strategy of DC microgrid with wind-energy storage is put forward in the article to improve the users economy and power supply reliability of DC microgrid，which can realize the minimum daily power purchase of users by purchasing with low price，meeting needs with high price and being online with surplus power.In the grid-connected mode，a load switching control strategy is developed to reduce the load loss rate of the system and improve the reliability of DC microgrid.The effectiveness of the control strategy is verified by the simulations on MATLAB/Simulink.

Key words：time-of-use price;DC microgrid;energy management;coordinate control

為了解決能源危機，同時提高供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性并減少經(jīng)濟損失，越來越多學者將研究重心放在了由風能、太陽能等可再生能源組成的微電網(wǎng)上。微電網(wǎng)中的直流微電網(wǎng)由于其具有無諧波污染、控制簡單且無需考慮頻率、相位等優(yōu)點，現(xiàn)已成為學者們的研究熱點。［1］

目前，對直流微電網(wǎng)的研究主要集中在母線電壓的分層控制上，如文獻［2］提出了可按母線電壓的變化情況自主實現(xiàn)微電網(wǎng)控制的改進分級控制策略。文獻［3］提出了能在多微源之間進行能量轉(zhuǎn)換和協(xié)調(diào)控制的改進下垂控制。文獻［4］提出了以提高光儲直流微電網(wǎng)的動態(tài)響應(yīng)特性為目標的混合儲能下垂控制策略。以上控制策略均對母線電壓的穩(wěn)定起到了積極作用，但這些控制策略的設(shè)計僅是從微電網(wǎng)角度出發(fā)，隨著智能電網(wǎng)的發(fā)現(xiàn)，需要從用戶側(cè)角度出發(fā)來控制微電網(wǎng)。分時電價作為引導(dǎo)用戶削峰填谷的手段之一，可以極大地縮減用戶的購電支出，因此基于分時電價的研究已引起學者們的重視?，F(xiàn)在，國內(nèi)外學者對分時電價的研究主要集中在家庭能量管理系統(tǒng)中。如文獻［5］中研究的24小時分時電價控制下的家庭能量系統(tǒng)優(yōu)化控制策略，提出了利用蓄電池實施控制的四種運行方案，改善了用戶的用電效率。文獻［6］以用戶經(jīng)濟性為目標，將分時電價引入到了直流微電網(wǎng)分層協(xié)調(diào)控制策略中，結(jié)合蓄電池充、放電剩余容量，進行了售電和購電。文獻［7-9］建立了分時電價下系統(tǒng)優(yōu)化運行策略。文獻［10］在交流微電網(wǎng)中設(shè)置了三種電稅，并以此設(shè)定了蓄電池荷電態(tài)的兩個閾值，從而來控制蓄電池的充放電。文獻［11］建立了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)模型，并利用多目標粒子群算法降低了系統(tǒng)的運行成本，提高了能源利用率。以上文獻均在分時電價的基礎(chǔ)上進行了優(yōu)化分析和控制策略設(shè)計，但未論及微電網(wǎng)優(yōu)化控制時負荷的投切控制以及并網(wǎng)逆變器（grid-connected converter，GCC）在多種運行狀態(tài)下的基于經(jīng)濟性和可靠性的協(xié)調(diào)控制策略和系統(tǒng)供電質(zhì)量。

本文在以上文獻的基礎(chǔ)上，為實現(xiàn)用戶側(cè)最少購電，將分時電價引入到風儲直流微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制策略中，設(shè)計了聯(lián)網(wǎng)自由模式、聯(lián)網(wǎng)限流模式的協(xié)調(diào)控制策略。并將負載進行了三級區(qū)分，制定了并/離網(wǎng)狀態(tài)下不同的負荷投切策略。通過在Matlab/Simulink上的仿真，驗證了本文所提控制策略能在減少用戶購電成本的基礎(chǔ)上，達到最小失負荷的目的。

1 風儲直流微電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

圖1為本文構(gòu)建的并網(wǎng)模式下風儲直流微電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)。該直流微電網(wǎng)由風力發(fā)電機、蓄電池、直流負荷和各級變換器構(gòu)成。其中，風力發(fā)電機通過AC/DC變換器接至直流母線上。儲能系統(tǒng)采用蓄電池經(jīng)DC/DC變換后與直流負載并接在直流母線處，能量管理協(xié)調(diào)控制器包括對風力發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池變換器、負載投切的控制。本文根據(jù)用電優(yōu)先級將負荷分為一級負荷、二級負荷和三級負荷，在并網(wǎng)模式下，根據(jù)蓄電池SOC的狀態(tài)（state of charge，SOC）只減載三級負荷，從而減小系統(tǒng)的失負荷率。

2 風儲直流微電網(wǎng)功率協(xié)調(diào)控制策略

本系統(tǒng)在并網(wǎng)運行時，需要根據(jù)并網(wǎng)變換器以及蓄電池SOC的狀態(tài)，來決定風儲直流微電網(wǎng)中各變換器的運行模式。

2.1 能量管理總體結(jié)構(gòu)

圖2為本文設(shè)計的能量管理總體結(jié)構(gòu)。根據(jù)逆變器是否限流，系統(tǒng)可工作在聯(lián)網(wǎng)自由和聯(lián)網(wǎng)限流兩種模式下，對應(yīng) GCC能在整流、逆變和限流三種控制模式間切換；蓄電池可在充電和浮充兩種狀態(tài)間轉(zhuǎn)換；風力發(fā)電系統(tǒng)一直工作在最大功率跟蹤 （maximum power point tracking，MPPT） 模式下，以提高可再生能源利用率。

2.2 能量管理模式

并網(wǎng)情況下，按照GCC輸出能量是否到達容量上限，可分為聯(lián)網(wǎng)自由模式和聯(lián)網(wǎng)限流模式兩種運行狀態(tài)。無論在何種運行狀態(tài)下，為提高可再生能源利用率，風機始終為MPPT控制。結(jié)合文獻［11］可知，23：00～7：00為谷價；8：00～11：00及17：00～22：00為峰價，其余時段為平價，由此定義 0：00～7：00為電價低，其余時間段為電價高。

（1）聯(lián)網(wǎng)自由運行下的能量管理模式

電價低時，以儲能系統(tǒng)滿充為目標進行協(xié)調(diào)控制，以便在電價高時能維持系統(tǒng)功率平衡；電價高時，為提高系統(tǒng)經(jīng)濟性，減少用戶購電量，由蓄電池維持直流母線電壓平衡。該運行狀態(tài)下的能量管理模式具體如下。

模式1：電價低且風電功率小于負載功率時，蓄電池充電，電網(wǎng)通過GCC整流后為微電網(wǎng)提供缺額能量，以穩(wěn)定直流母線電壓。該模式下的功率平衡方程見式（1）。

PW+Pg=pL-PB（1）

式中，PW為風力發(fā)電系統(tǒng)功率，Pg為電網(wǎng)功率，PL為負載功率，PB為蓄電池功率。

模式2：電價低且蓄電池SOC達到上限SOCmax，蓄電池轉(zhuǎn)為浮充控制，GCC穩(wěn)壓。該模式下的功率平衡方程見式（2）。

PW+Pg=PL（2）

模式3：電價低且風電功率大于負載功率，蓄電池充電。若此時風電功率不足以同時支撐負載和蓄電池的所需總能量時，由電網(wǎng)經(jīng)GCC整流來彌補直流微電網(wǎng)中的功率差額，從而穩(wěn)定直流母線電壓。該模式下的功率平衡方程見式（3）。

PW+Pg=PL-PB（3）

模式4：電價低且風電功率遠大于負載功率，蓄電池充電。若此時風電功率能夠在滿足負載和蓄電池的總能量的基礎(chǔ)上，并有盈余，此時可通過GCC將系統(tǒng)內(nèi)部多余能量返送至電網(wǎng)，在穩(wěn)定直流母線電壓的同時增加用戶收益。該模式下的功率平衡方程見式（4）。

PW=PL+Pg-PB（4）

模式5：電價高且風電功率小于負載功率，蓄電池通過放電來穩(wěn)定直流母線電壓，GCC停機。該模式下的功率平衡方程見式（5）。

PW=PL+Pg-PB（5）

模式6：電價高，且當蓄電池放電至SOC下限時，為提高供電可靠性，系統(tǒng)不減載，用戶高價購電，GCC由停機切換為恒壓控制，工作在整流或逆變模式（逆變模式存在于GCC恒壓后，風電功率大于負載功率的情況下），從而穩(wěn)定直流母線電壓，此時功率平衡關(guān)系見式（6）。

PW+Pg=PL，PW＜PL

PW=PL+Pg，PW＞PL（6）

模式7：電價高且風機輸出功率大于負載功率，蓄電池通過充電來穩(wěn)定直流母線電壓，并網(wǎng)逆變器停機。該模式下功率平衡關(guān)系見式（7）。

PW+Pg=PL-PB（7）

模式8：電價高且當蓄電池SOC達到上限時，蓄電池浮充，GCC從停機切換為恒壓控制，工作在逆變模式來穩(wěn)定直流母線電壓。該模式下功率平衡關(guān)系見式（8）。

PW+Pg=PL（8）

（2）聯(lián)網(wǎng)自由運行下的能量管理模式

模式9：電價低，交流主網(wǎng)與直流微網(wǎng)的交換功率恒定，GCC失去調(diào)壓作用。風電輸出功率小于負載功率，蓄電池放電以穩(wěn)定直流母線電壓。該模式下的功率平衡關(guān)系見式（9）。

PW+Pg+PB=PL（9）

模式10：電價高，若蓄電池能量不足，則采取減載（僅減載三級負荷L4）的方式來維持功率平衡，減載后由GCC穩(wěn)定母線電壓。該模式下的功率平衡關(guān)系見式（10）。

PW+Pg+PB=PL（10）

2.3 模式選擇

系統(tǒng)在運行時，首先分析當前運行狀態(tài)和分時電價高低情況，在此基礎(chǔ)上結(jié)合蓄電池SOC大小，由微電源和負載之間的能量關(guān)系，確定具體的工作模式，詳細模式選擇流程如圖3所示。

3 負載控制策略

為了降低系統(tǒng)的失負荷率，將系統(tǒng)中的負載分為三個等級，其中 L1為一級負載，L2為二級負載，L3和L4均為三級負載，為了保證用戶的用電質(zhì)量，在并網(wǎng)情況下，僅減載三級負荷。并在SOC達到設(shè)定閾值SOCset（0.45）時，恢復(fù)三級負荷供電。相應(yīng)負載投切控制策略如圖4所示。

4 仿真研究

為了驗證本文所提能量管理優(yōu)化方法的有效性，按照圖1所示的拓撲結(jié)構(gòu)在Matlab/Simulink中搭建了風儲直流微電網(wǎng)的仿真模型。其中，風力發(fā)電系統(tǒng)額定功率和GCC容量均為4kW，蓄電池SOC上、下限分別為0.4、0.8，直流母線電壓Udc為720V，L1～L4分別為0.5 kW、1 kW、2 kW及2.5kW。相應(yīng)仿真結(jié)果如圖5所示。

仿真開始時，低電價，初始風速為8m/s，風電輸出功率約為1.2kW，負載L1、L2接入系統(tǒng)，負載總功率為1.5kW，蓄電池以約1kW功率進行恒流充電，GCC向直流微電網(wǎng)提供約1.3kW功率以維持直流母線電壓穩(wěn)定，系統(tǒng)工作于模式1下。

2：00時，負載L3、L4接入系統(tǒng)，負載功率突變?yōu)?kW，由于負載功率過大且電價低，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為模式9工作，GCC輸出最大功率4kW后，由蓄電池提供約1kW的剩余功率缺額。

5：00時，負載L3、L4切出，GCC退出限流模式，蓄電池以約1kW充電，GCC重新控制母線電壓，整流輸出功率約1.3kW，系統(tǒng)重新回到模式1。

7：00時，電價變高，為了提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性，GCC停機，由蓄電池放出約0.5kW功率缺額來穩(wěn)定母線電壓，系統(tǒng)工作于模式5下。

10：00時，風速變?yōu)?2m/s，風電功率升至4kW，蓄電池以約2.5kW功率充電來穩(wěn)定母線電壓，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為模式7運行。

約12：30時，SOC到達上限，蓄電池變?yōu)楦〕?，GCC由停機轉(zhuǎn)為恒壓控制，將系統(tǒng)內(nèi)部多余2.5kW功率通過逆變的形式回送給電網(wǎng)，系統(tǒng)變?yōu)槟Ｊ?。

14：00時，由于負載L3、L4接入，GCC再次停止工作，此時蓄電池放出約2kW功率來穩(wěn)定母線電壓，系統(tǒng)再次工作在模式5下。

18：00時，風速變?yōu)?m/s，此時風速約為1.7 kW，蓄電池放出約4.3kW功率，約19：30時，蓄電池SOC放電到達下限，蓄電池停止工作，GCC工作并整流輸出功率，但GCC到達工作容量上限后，系統(tǒng)仍有功率缺額。為了維持系統(tǒng)內(nèi)部功率平衡，減載L4，系統(tǒng)工作在模式10。

21：00時，負載L3、L4切出，負載功率變?yōu)?.5kW，GCC吸收約0.2kW功率，系統(tǒng)工作在模式6。

23：00時，電價變低，蓄電池以約1kW功率充電，GCC穩(wěn)壓，發(fā)出約0.8kW的功率進行穩(wěn)壓，系統(tǒng)運行模式3下。

5 結(jié)論

本文以分時電價為基礎(chǔ)，針對風儲直流微電網(wǎng)，在不同運行模式下，設(shè)計了風機、儲能、蓄電池、GCC各變換器之間的協(xié)調(diào)控制策略。通過仿真結(jié)果可知，當電價低時，通過低價購電，保證了蓄電池滿充，并在系統(tǒng)存在多余功率時，通過返送電網(wǎng)提高用戶收益；電價高時，可利用蓄電池平衡微電網(wǎng)內(nèi)部功率，減少了用戶的購電量。并結(jié)合負荷投切控制策略，降低了系統(tǒng)的失負荷率。

參考文獻：

［1］李霞林，郭力，黃迪等.直流配電網(wǎng)運行控制關(guān)鍵技術(shù)研究綜述［J］.高電壓技術(shù)，2019，45（10）：3039-3049.

［2］支娜，張輝.直流微電網(wǎng)改進分級控制策略研究［J］.高電壓技術(shù)，2016，42（4）：1316-1325.

［3］王琛，孟建輝，王毅，李春來.考慮蓄電池荷電狀態(tài)的孤島直流微網(wǎng)多源協(xié)調(diào)控制策略［J］.高電壓技術(shù)，2018，44（1）：160-168.

［4］譚文娟，陳燕東，楊苓等.光儲直流微網(wǎng)能量協(xié)調(diào)控制方法［J］.電源學報，2018，16（2）：76-85.

［5］伍惠鋮，王淳，左遠龍等.基于分時電價和蓄電池實時控制策略的家庭能量系統(tǒng)優(yōu)化［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2019，47（19）：23-30.

［6］郭力，張紹輝，李霞林，王成山等.考慮電網(wǎng)分時電價的直流微電網(wǎng)分層協(xié)調(diào)控制［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2016，40（7）：1992-2000.

［7］江磊，專祥濤.分時電價下直流微網(wǎng)優(yōu)化運行和容量配置研究［J］.電力科學與技術(shù)學報，2019，34（1）：80-87.

［8］毛曉明，陳深，吳杰康等.分時電價機制下含蓄電池微網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2015，39（5）：1192-1197.

［9］劉迪，呂林，劉繼春等.考慮DG時序特性及負荷種類的微網(wǎng)電源容量與分時電價協(xié)同規(guī)劃［J］.電測與儀表，2018，55（12）：45-53.

［10］J.B.Almada，R.P.S.Sampaio.et.A cenertalized and heuristic approach for energy manage-ment of an AC mircogrid.Renewable and sustainable energy reviews［J］.60 （2016）：1394-1404.

［11］贠保記，白森珂，張國.基于混沌自適應(yīng)粒子群算法的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2020，48（10）：123-130.

（責任編輯 孫 慧）