任遠,王佳偉,王越
(1.國網(wǎng)山西省電力公司,山西太原 030001,2.國網(wǎng)山西省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院,山西太原 030001;3.中國農(nóng)業(yè)大學信息與電氣工程學院,北京 100083)
基于混合儲能實時控制的峰谷平時段微電網(wǎng)PCC點功率調(diào)度策略
任遠1,王佳偉2,王越3
(1.國網(wǎng)山西省電力公司,山西太原 030001,2.國網(wǎng)山西省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院,山西太原 030001;3.中國農(nóng)業(yè)大學信息與電氣工程學院,北京 100083)
微電網(wǎng)因其自愈能力和網(wǎng)內(nèi)儲能裝置的存在,使其不僅能保證在孤島時穩(wěn)定運行,同時還在并網(wǎng)時通過合理的調(diào)度及控制策略使微電網(wǎng)具備一定經(jīng)濟效益。以并網(wǎng)微電網(wǎng)PCC點功率的調(diào)度策略為研究對象,對微電網(wǎng)及控制結(jié)構(gòu)進行了分析;在峰、平、谷時電價下制定了微電網(wǎng)與配電網(wǎng)交換功率,即PCC點調(diào)度策略,并考慮到預測誤差的存在,基于小波包分解制定了混合儲能各自跟蹤調(diào)度誤差的充放電指令,通過PQ控制策略實現(xiàn)功率實時控制。通過算例分析驗證了策略的正確性與有效性。
配電網(wǎng);微電網(wǎng);峰谷電價;PCC交換功率;混合儲能
分布式電源(distributed generation,DG)以微電網(wǎng)(Micro Grid,MG)的形式接入配電網(wǎng),是改善系統(tǒng)穩(wěn)定性、提高DG利用效率的一種有效手段[1]。由于MG內(nèi)包含儲能系統(tǒng)(energy storage system,ESS),讓其在電價低谷時刻存儲電量,在電價高峰時刻放電,實現(xiàn)削峰填谷的同時,使MG整體達到一定經(jīng)濟效益。
目前關(guān)于MG已有大量的研究,包括典型拓撲、控制結(jié)構(gòu)、離/并網(wǎng)下的控制策略、能量管理和通信方式等方面[2-5]。而在電價機制下,通過公共連接點(point of common coupling,PCC)交換功率的調(diào)度以及下到DG控制以實現(xiàn)需求響應方面的研究還有待完善。針對MG并網(wǎng)運行下PCC點功率調(diào)度策略,文獻[6]通過MG內(nèi)部DG及ESS的協(xié)調(diào),主動平抑了網(wǎng)內(nèi)負荷波動,維持PCC點交換功率為一恒定值,即恒功率調(diào)度;文獻[7]讓網(wǎng)內(nèi)間歇性電源按最大功率輸出,以提高能源利用效率,ESS將承擔網(wǎng)內(nèi)負荷的波動量,當ESS受容量限制時,將由配電網(wǎng)通過PCC點承擔網(wǎng)內(nèi)剩余波動量,此時PCC點功率交換值無法提前進行決策;文獻[8]建立某種目標函數(shù),對網(wǎng)內(nèi)各DG及ESS進行優(yōu)化調(diào)度,同時達到對PCC點進行最優(yōu)調(diào)度的目的,但MG包含雙向功率原件ESS以及間歇性電源的存在,增加了優(yōu)化計算的復雜性。
本文將在MG分層控制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,基于峰、谷、平電價機制制定MG與配電網(wǎng)連接點PCC交換功率的調(diào)度值,該調(diào)度策略不涉及到尋優(yōu)算法,簡化了計算過程,易于實現(xiàn),同時考慮到網(wǎng)內(nèi)預測的誤差,配置一定容量的混合儲能對誤差進行彌補,運用小波包分解完成功率信號在混合儲能之間的分配,并通過PQ策略完成功率的實時控制。通過算例對策略及方法進行驗證。
如圖1所示,MG通過PCC接入中低壓配電網(wǎng)末端或中端,靜止轉(zhuǎn)換開關(guān)的狀態(tài)決定MG的運行模式。與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)電機不同,MG中大多為逆變型電源,主要包括間歇性清潔能源,如風電、光伏及儲能裝置,可以是單一類型儲能,也可以是某幾種復合儲能。MG中各支路負荷通過負荷支路開關(guān)進行投切,在孤島運行供電不足時,可切除非重要負荷支路,保證重要負荷的穩(wěn)定供電。
圖1 微電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Typical structure of microgrid
由于MG內(nèi)電源都為逆變型電源,慣性較小,因此制定合理的控制策略對MG穩(wěn)定、經(jīng)濟運行至關(guān)重要。在并網(wǎng)時,DG一般運行在PQ控制或MPPT控制策略下,MG參考電壓及頻率由大電網(wǎng)提供;在孤島運行時網(wǎng)內(nèi)各DG或采用主從控制,或采用對等控制,主從控制對通信要求較高,而對等控制更符合即插即用的分布式思想,因此具體選擇哪一種策略,應視各DG容量、電氣距離等因素而定。此外,MG在離/并網(wǎng)轉(zhuǎn)換中的暫態(tài)過程中的策略也是研究的重點。本文研究重點將針對并網(wǎng)MG下的調(diào)度及控制策略展開。
MG與配電網(wǎng)通過PCC點的功率調(diào)度策略,根據(jù)峰、谷、平電價機制可分為峰時電價調(diào)度策略、平時電價調(diào)度策略、谷時電價調(diào)度策略。
在峰時電價階段,調(diào)度原則為盡量不從配電網(wǎng)購電,而多余電量則通過PCC點饋給配電網(wǎng),達到“削峰”的效果,具體策略如下:
1)當MG內(nèi)發(fā)電有余時,優(yōu)先將多余電量饋給電網(wǎng)。
2)當MG內(nèi)發(fā)電不足時,儲能優(yōu)先放電滿足供需平衡,不足時再由配電網(wǎng)饋電。
在平時電價階段,調(diào)度原則為盡量控制PCC交換功率為零;而在谷時電價階段,調(diào)度原則為盡量從配電網(wǎng)購電,而多余電量盡量充給儲能,達到“填谷”的效果,具體策略如下:
1)當MG內(nèi)發(fā)電有余時,優(yōu)先將多余電量給儲能充電,充滿后再饋入配電網(wǎng)。
2)當MG內(nèi)發(fā)電不足時,優(yōu)先由配電網(wǎng)進行饋電。
該調(diào)度策略將基于MG內(nèi)各種預測數(shù)據(jù)而制定,而預測往往存在一定誤差,尤其是MG內(nèi)間歇性電源。因此,此時儲能系統(tǒng)的充放電性能以及可充放電能力將是MG在預測誤差下跟蹤調(diào)度指令的基礎(chǔ)。
在混合儲能系統(tǒng)中,由于能量型儲能與功率型儲能因其性能的互補特點,可將其同時進行配置以達到最佳充放電性能。能量型儲能因其具有能量密度大、功率密度小的特點,可承擔低頻穩(wěn)定功率分量;功率型儲能因其具有能量密度小、功率密度大的特點,可承擔高頻不規(guī)則功率分量。在一些分解算法中,頻域分解的小波包算法在處理非平穩(wěn)信號時,可獲得更多細節(jié)。
小波包分解由小波變換演變而來,其非常適合用于對非平穩(wěn)突變信號的處理,而對于漸變信號,小波包更具廣泛的應用價值。其同時能對信號的高、低頻進行分解,有利于分析信號某些細節(jié)特征[9]。將某風功率S經(jīng)3層小波包分解,如圖2所示。圖2中,D代表低頻;A代表高頻分量;DD2,DA2代表從低頻中分解得到的低頻與高頻;同理,AD2、AA2代表從高頻進一步分解得到的低頻和高頻。由圖2可知通過不斷分解形成結(jié)構(gòu)上的二叉樹,可將原信號映射到2n個小波包子空間中,n為分解層數(shù),在結(jié)構(gòu)上形成一個完整的二叉樹。
分解算法:
圖2 小波包三層分解示意圖Fig.2 Schematic diagram of wavelet packet decomposition
重構(gòu)算法:
式中:dj,nl、dj,2n+1l分別為小波包分解系數(shù);hk-2l、gk-2l分別為小波包分解的低通、高通濾波器組;pl-2k、ql-2k分別為小波包重構(gòu)的低通、高通濾波器組。在Matlab中運用Dmeyer小波[10]對1 d 24 h某風電功率進行6層小波分解為例,并重構(gòu)6層64個頻段的功率分量,并分別假定20-22、(22+1)-25、(25+1)-26為低頻信號、中頻信號、高頻信號,分解后示例曲線如圖3所示。
圖3 小波包分解風功率曲線Fig.3 Wind power wavelet packet decomposition curve
由圖3可知,分解的低頻功率與原始功率的輪廓相似,但波動程度大幅度降低,可大致反映原始信號,將其并入電網(wǎng)。中、高頻分解信號在0值附近上下波動,波動幅值遠小于低頻信號,且波動程度遠大于低頻信號。
在本文混合儲能充放電策略中,不存在將低頻功率送入電網(wǎng)的情況,因此可將中頻信號與高頻信號合并,即只分解為高、低頻2種信號。
混合儲能基于PQ控制輸出功率指令,如圖4、圖5所示分別為PQ控制示意圖、控制框圖。圖5中將Qref置0,Pref為小波包分解的功率指令。
圖4 PQ控制示意圖Fig.4 PQ control diagram
圖5 PQ控制框圖Fig.5 PQ control block diagram
為簡化計算,算例中將配電網(wǎng)除微電網(wǎng)以外線路及負荷等效為一個負荷,即將配電網(wǎng)等效為一個MG和一個等效負荷。如圖6所示,為配電網(wǎng)某一典型日的總負荷曲線及峰、平、谷時段,定義谷時段為區(qū)間[0,7],平時段1為區(qū)間 [7,12],平時段2為區(qū)間[13,18],平時段3為區(qū)間 [22,24],峰時段1為區(qū)間[12,13],峰時段2為區(qū)間[18,22]。
圖6 峰谷平時段示意圖Fig.6 Curves of peak,flat and valley periods
MG內(nèi)混合儲能配置:能量型10 kW/10 kW·h,功率型5 kW/0.5 kW·h??紤]預測誤差在內(nèi)的MG內(nèi)供需不平衡功率如圖7所示,為正表征供小于求,為負表征供大于求。根據(jù)峰、平、谷電價時段信息,PCC點交換功率以及混合儲能充放電指令如圖8所示,小波包分解后能量型儲能與功率型儲能各自指令如圖9所示。
圖7 微電網(wǎng)內(nèi)供需不平衡功率曲線Fig.7 Unbalance power curve of MG
圖8 混合儲能充放電和PCC交換功率曲線曲線Fig.8 Multi-ESS charge/discharge power and PCC exchange power curve
圖9 功率分解曲線Fig.9 Power decomposition curve
在圖8中,PCC交換功率為正表征配電網(wǎng)向MG饋電,交換功率為負表征MG向配電網(wǎng)饋電,可知在電價高峰時期通過需求側(cè)響應能夠一定程度減少尖峰負荷;混合儲能充放電功率為正表征放電,為負表征充電。
由圖9可知,能量型儲能承擔的功率平穩(wěn),避免了頻繁的充放電,有助于延長其壽命,而功率型儲能承擔了波動較大的分量,符合其功率密度大的特性。
通過本文制定的MG與配電網(wǎng)調(diào)度策略以及混合儲能控制策略,能夠一定程度減少尖峰負荷,提高MG的經(jīng)濟性,且本文基于電價機制制定的調(diào)度策略不包含優(yōu)化算法,簡單、易于實現(xiàn),通過小波包分解得到的混合儲能充放電功率能夠充分發(fā)揮各類型儲能的優(yōu)勢,提高混合儲能充放電的整體性能。
[1]艾欣,鄧玉輝,黎金英.微電網(wǎng)分布式電源的主從控制策略[J].華北電力大學學報,2015,42(1):1-6.AI Xin,DENG Yuhui,LI Jinying.Master-slave control strategy for distributed generation microgrid[J].Journal of North China Electric Power University,2015,42(1):1-6(in Chinese).
[2]HATZIARGYN,ASANDH,IRAVANI,et al.Microgrids[J].IEEE Power and Energy Magazine,2007,5(4):78-94.
[3]黎金英,艾欣,鄧玉輝,等.微電網(wǎng)的電能質(zhì)量及改善方法研究[J].電力科學與工程,2015,31(1):54-60.LI Jinying,AI Xin,DENG Yuhui,et al.Study on power quality of microgrid and improvement methods[J].Electric Power Science and Engineering,2015,31(1):54-60(in Chinese).
[4]PECAS LOPES J A,MOREIRA C L.Defining control strategies for microgrids islanded operation[J].IEEE Transactions on Power Systems,2006,21(2):916-924.
[5]謝林,謝開貴,何堅,等.計及控制策略的并網(wǎng)型微電網(wǎng)可靠性評估[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2013,41(15): 102-109.XIE Lin,XIE Kaigui,HE Jian,et al.Reliability evaluation of grid-connected micro-grid considering control strategies[J].Power System Protection and Control,2013,41(15):102-109(in Chinese).
[6]王慧娟,張建成,馮驍.直流微網(wǎng)中超級電容器儲能系統(tǒng)控制方法研究[J].電力電容器與無功補償,2016,37(5):134-139.WANG Huijuan,ZHANG Jiancheng,F(xiàn)ENG Xiao.Study on control method of theultra-capacitor energy storage system in dc micro-grid[J].Power Capacitor&Reactive Power Compensation,2016,37(5):134-139(in Chinese).
[7]AREFIFAR S A,MOHAMED Y A I,EL-FOULY T H M.Supply-adequacy-based optimal construction of microgrids in smart distribution systems[J].IEEE Transactions on Smart Grid,2012,3(3):1491-1502.
[8]NUNNA K H S V,DOOLLA S.Responsive End-userbased demand side management in multi-microgrid environment[J].IEEE Transactions on Industrial Informatics,2014,10(2):1262-1272.
[9]王穎,潘明九,傅旭華,等.微電網(wǎng)中逆變型DG最優(yōu)接入位置研究[J].電力信息與通信技術(shù),2016,16(3):37-41.WANG Ying,PAN Mingjiu,F(xiàn)U Xuhua,et al.Research on optimal location of inverter interfaced dg in microgrid[J].Electric Power Information and Communication Technology,2016,16(3):37-41(in Chinese).
[10]李瑞生.微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)實踐及實驗[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2013,41(2):73-78.LI Ruisheng.Practice and experiment of the key microgrid technologies[J].Power System Protection and Control,2013,41(2):73-78(in Chinese).
Microgrid PCC Power Dispatch Strategy Based on Multi-ESS Control during Peak,F(xiàn)lat and Valley Periods
REN Yuan1,WANG Jiawei2,WANG Yue3
(1.State Grid Shanxi Electric Power Company,Taiyuan 030001,Shanxi,China;2.State Grid Shanxi Economic Research Institute,Taiyuan 030001,Shanxi,China;3.College of Information and Electrical Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China)
Given the self-healing ability and energy storage,microgrid can improve stability of islanding operation,as well as increase economic returns when it is connected with the power grid.This paper studies the PCC point power dispatch strategy,and analyzes the structure and control strategy of microgrid.The paper develops the dispatch strategy of PCC point and puts forward the multi-ess charge/discharge strategy based on wavelet packet decomposition and achieved by PQ control method.Finally,a numerical example verifies the accuracy and effectiveness of the strategy.
distribution system;microgrid;TOU price;PCC exchange power;multi-ESS
2016-06-14。
任 遠(1963—),男,本科,高級工程師,研究方向為電網(wǎng)規(guī)劃。
(編輯 董小兵)
國家自然科學基金(51507177)。
Project Supported by the National Nature Science Foundation of China(51507177).
1674-3814(2016)11-0103-04
TM727
A