面向智能臺(tái)區(qū)的風(fēng)光儲(chǔ)充能量管理策略

高建東，黃柳柳，沈 捷，王林青，陳寶塔

（1.浙江華云清潔能源有限公司，杭州 310002；2.杭州平旦科技有限公司，杭州 310011）

0 引言

近年來(lái)，隨著汽車充電樁安裝數(shù)量的增多，給臺(tái)區(qū)帶來(lái)負(fù)荷峰期，導(dǎo)致臺(tái)區(qū)容量不足，造成臺(tái)區(qū)配電變壓器過(guò)載、線路及變壓器的損耗增加等問(wèn)題[1-6]。合理的輔助電源是實(shí)現(xiàn)智能臺(tái)區(qū)汽車充電與電網(wǎng)之間協(xié)調(diào)發(fā)展的關(guān)鍵[7-11]。風(fēng)、光新能源發(fā)電系統(tǒng)能夠?qū)⑴_(tái)區(qū)的自然資源轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電源，儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電特性能夠?qū)崿F(xiàn)臺(tái)區(qū)供需平衡、提升新能源的并網(wǎng)空間、降低對(duì)電網(wǎng)的不利影響[12-17]。因而，設(shè)計(jì)適用于風(fēng)光儲(chǔ)充系統(tǒng)的能量管理策略對(duì)于協(xié)調(diào)臺(tái)區(qū)經(jīng)濟(jì)、能源與環(huán)境的平衡發(fā)展有著重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。

目前已開(kāi)展了針對(duì)系統(tǒng)能量管理策略的相關(guān)研究。文獻(xiàn)[18]針對(duì)于并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)，提出了一種含多類儲(chǔ)能的并網(wǎng)型風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)的能量管理方法；文獻(xiàn)[19]進(jìn)行了計(jì)及電動(dòng)汽車充電負(fù)荷的微電網(wǎng)能量?jī)?yōu)化調(diào)度研究，根據(jù)微電網(wǎng)的并網(wǎng)和孤島兩種運(yùn)行模式及電動(dòng)汽車的不同入網(wǎng)方式，定制了含電動(dòng)汽車的微電網(wǎng)運(yùn)行控制策略；文獻(xiàn)[20]在太陽(yáng)能與風(fēng)能具有天然互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)的地區(qū)，引入儲(chǔ)能系統(tǒng)并結(jié)合優(yōu)化的蓄電池儲(chǔ)能控制策略，提出了考慮蓄電池記憶效應(yīng)的風(fēng)光儲(chǔ)混合系統(tǒng)控制策略；文獻(xiàn)[21]提出了含混合儲(chǔ)能的微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行能量管理策略。但上述研究中的這些能量管理策略均不完全適用于智能臺(tái)區(qū)的風(fēng)光儲(chǔ)充系統(tǒng)，因此構(gòu)建一套適用于風(fēng)、光、儲(chǔ)、充多系統(tǒng)接入，并網(wǎng)、孤島兩種運(yùn)行模式的能量管理策略具有重要意義。

本文設(shè)計(jì)了一套面向智能臺(tái)區(qū)的風(fēng)光儲(chǔ)充能量管理策略，針對(duì)智能臺(tái)區(qū)的情況，在EMS（能量管理系統(tǒng)）中運(yùn)行相關(guān)能量管理策略，實(shí)現(xiàn)風(fēng)光儲(chǔ)充系統(tǒng)的能量平衡以及能量的有效利用。

1 能量管理策略設(shè)計(jì)

風(fēng)光儲(chǔ)充系統(tǒng)的EMS 在不同模式下運(yùn)行系統(tǒng)自平衡、削峰填谷、逆功率保護(hù)以及孤網(wǎng)運(yùn)行等相應(yīng)能量管理策略，實(shí)現(xiàn)能量的平衡及有效利用。并網(wǎng)模式下，在日間光伏及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率較大且負(fù)荷較大時(shí)采用系統(tǒng)自平衡策略；在夜間新能源發(fā)電功率較小且負(fù)荷較小時(shí)采用削峰填谷策略；為使微電網(wǎng)系統(tǒng)不對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生干擾，運(yùn)行逆功率保護(hù)策略。當(dāng)出現(xiàn)外部電網(wǎng)失電情況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)孤網(wǎng)運(yùn)行模式，確保微電網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

策略變量定義如下： 負(fù)荷實(shí)時(shí)功率為P1，光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率為P2，儲(chǔ)能實(shí)時(shí)充放電功率為P3，并網(wǎng)點(diǎn)實(shí)時(shí)功率為P4，儲(chǔ)能充放電功率下設(shè)值為P3′，儲(chǔ)能充放電功率計(jì)劃曲線值為Pschedule，光伏發(fā)電功率下設(shè)值為P2′，電池荷電狀態(tài)為SOC，最小SOC 限制值為SOCmin，最大SOC 限制值為SOCmax，系統(tǒng)自平衡限制值為PowerSet_SB，逆功率保護(hù)限制值為Reverse Power，離網(wǎng)儲(chǔ)能最小SOC 限制值為offSOCmin，離網(wǎng)儲(chǔ)能最大SOC限制值為offSOCmax。

1.1 系統(tǒng)自平衡

系統(tǒng)自平衡策略在保證安全運(yùn)行的前提下，以全系統(tǒng)能量利用效率最大和運(yùn)行費(fèi)用最低為目標(biāo)，在負(fù)荷高峰期時(shí)，優(yōu)先使用可再生能源和儲(chǔ)能系統(tǒng)電能，不夠時(shí)再由電網(wǎng)補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)多能源互補(bǔ)，保證整個(gè)微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行。

系統(tǒng)自平衡策略基于當(dāng)前儲(chǔ)能的SOC 狀態(tài)以及光伏運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)調(diào)節(jié)儲(chǔ)能充放電功率P3′以光伏的發(fā)電功率P2′，將并網(wǎng)點(diǎn)功率P4維持在PowerSet_SB，其調(diào)度流程如圖1 所示。

1.2 削峰填谷控制策略

削峰填谷策略讀取負(fù)荷峰谷時(shí)間段定制的功率計(jì)劃曲線，并基于當(dāng)前儲(chǔ)能的SOC 狀態(tài)，控制儲(chǔ)能的充放電功率P3′，其調(diào)度流程如圖2 所示。

圖1 系統(tǒng)自平衡流程

圖2 削峰填谷控制流程

1.3 逆功率保護(hù)

逆功率保護(hù)策略能夠防止風(fēng)光儲(chǔ)充系統(tǒng)向外倒送電，并同時(shí)具備低頻、低壓解列的功能，提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息，基于當(dāng)前儲(chǔ)能的SOC 狀態(tài)，通過(guò)控制儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率P3′，將并網(wǎng)點(diǎn)功率P4控制在Reverse Power 之內(nèi)，從而保護(hù)系統(tǒng)。其調(diào)度流程如圖3所示。

圖3 逆功率保護(hù)流程

1.4 孤網(wǎng)運(yùn)行

孤網(wǎng)運(yùn)行策略實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并網(wǎng)狀態(tài)信息，當(dāng)出現(xiàn)電網(wǎng)掉電時(shí)，將系統(tǒng)切換為離網(wǎng)運(yùn)行模式，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)與光伏系統(tǒng)的狀態(tài)信息，通過(guò)調(diào)節(jié)光伏系統(tǒng)的發(fā)電功率P2′以及儲(chǔ)能系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)機(jī)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)交流充電樁以及路燈等負(fù)荷的供電。其調(diào)度流程如圖4 所示。

2 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果及分析

2.1 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

以舟山定海某臺(tái)區(qū)風(fēng)光儲(chǔ)充系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)由10 kW 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、10 kW 光伏發(fā)電系統(tǒng)、50 kW/100 kWh 儲(chǔ)能系統(tǒng)、1 個(gè)60 kW 直流充電樁、2 個(gè)7 kW 交流充電樁以及路燈等負(fù)載組成。系統(tǒng)一次接線如圖5 所示。

風(fēng)光儲(chǔ)充微電網(wǎng)系統(tǒng)總負(fù)荷功率曲線如圖6所示。新能源發(fā)電功率曲線如圖7 所示。

圖4 孤網(wǎng)運(yùn)行流程

圖5 系統(tǒng)一次圖

圖6 負(fù)載功率曲線

圖7 新能源發(fā)電功率曲線

圖8 并網(wǎng)點(diǎn)功率（無(wú)儲(chǔ)能）曲線

若無(wú)儲(chǔ)能及能量管理策略進(jìn)行協(xié)調(diào)，系統(tǒng)只存在新能源和負(fù)載，此時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)功率曲線如圖8所示。由圖8 可知： 在7:30—11:30 和19:00—22:00峰時(shí)，系統(tǒng)的用電功率較大；而在11:30—15:00區(qū)間，由于負(fù)荷較小、新能源發(fā)電功率較大，產(chǎn)生了逆功率。根據(jù)上述情況制定并網(wǎng)運(yùn)行策略計(jì)劃如表1 所示。

表1 并網(wǎng)運(yùn)行策略計(jì)劃

其中，系統(tǒng)自平衡限制值PowerSet_SB 設(shè)為6 kW，逆功率保護(hù)限制值Reverse Power 設(shè)為0。削峰填谷設(shè)定功率計(jì)劃曲線如圖9 所示，23:00—23:59 和00:00—06:59 設(shè)置8 kW 的充電功率，19:00—21:59 設(shè)置10 kW 的放電功率，其他時(shí)間設(shè)為0。離網(wǎng)最小SOC 限制值offSOCmin設(shè)置為5%。

圖9 儲(chǔ)能計(jì)劃曲線

并網(wǎng)策略運(yùn)行效果（系統(tǒng)自平衡、削峰填谷、逆功率保護(hù)）如圖10、圖11 所示。

圖10 儲(chǔ)能運(yùn)行實(shí)時(shí)功率曲線

圖11 實(shí)時(shí)負(fù)載與并網(wǎng)點(diǎn)功率曲線

2.2 運(yùn)行結(jié)果分析

2.2.1 系統(tǒng)自平衡

圖11 中時(shí)段7:00—16:59 為并網(wǎng)點(diǎn)功率曲線采用系統(tǒng)自平衡策略的效果，期間EMS 不斷調(diào)節(jié)儲(chǔ)能的充放電功率（如圖10 所示），實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和新能源的高效利用。

表2 中11:00，12:20，16:20 三個(gè)時(shí)間點(diǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)儲(chǔ)能的充放電功率使并網(wǎng)點(diǎn)功率維持在設(shè)定的PowerSet_SB 值附近（如表3 所示）。

表2 無(wú)系統(tǒng)自平衡策略的運(yùn)行結(jié)果kW

表3 系統(tǒng)自平衡策略下的運(yùn)行結(jié)果kW

2.2.2 削峰填谷

由圖10、圖11 可知，通過(guò)調(diào)節(jié)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電，在時(shí)段23:00—23:59 和00:00—06:59 實(shí)現(xiàn)了填谷，在時(shí)段19:00—21:59 實(shí)現(xiàn)了削峰。

表4 中00:00，20:20，23:30 三個(gè)時(shí)間點(diǎn)，通過(guò)運(yùn)行功率計(jì)劃曲線實(shí)現(xiàn)了削峰填谷（見(jiàn)表5）。

表4 無(wú)削峰填谷策略時(shí)的運(yùn)行結(jié)果kW

表5 削峰填谷策略下的運(yùn)行結(jié)果kW

2.2.3 逆功率保護(hù)

在19:00—21:59 這個(gè)放電階段，系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)的逆功率保護(hù)。如表6 中21:40 和21:50 兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)，在儲(chǔ)能放電時(shí)，通過(guò)調(diào)整儲(chǔ)能的放電功率使并網(wǎng)點(diǎn)功率均大于Reverse Power（見(jiàn)表7）。

表6 無(wú)逆功率保護(hù)策略時(shí)的運(yùn)行結(jié)果kW

表7 逆功率保護(hù)策略下的運(yùn)行結(jié)果kW

2.2.4 孤網(wǎng)運(yùn)行

如圖12 所示，9:00 進(jìn)入孤網(wǎng)狀態(tài)，儲(chǔ)能PCS（變流器）根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的功率自動(dòng)控制儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充放電，同時(shí)EMS 會(huì)根據(jù)SOC 值對(duì)PCS 以及光伏系統(tǒng)進(jìn)行啟停機(jī)控制。如表8 中09:00 和11:30 兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電，SOC 不斷減小，17:00 時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)由于SOC＜o(jì)ffSOCmin，儲(chǔ)能停機(jī)，系統(tǒng)停運(yùn)。

圖12 孤網(wǎng)運(yùn)行功率曲線

表8 孤網(wǎng)運(yùn)行下的實(shí)時(shí)值

3 結(jié)語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)風(fēng)光儲(chǔ)充系統(tǒng)的能量平衡以及能量的有效利用，本文構(gòu)建了一套適用于風(fēng)、光、儲(chǔ)、充多系統(tǒng)接入的能量管理策略。在并網(wǎng)模式下，采用系統(tǒng)自平衡、削峰填谷相結(jié)合的策略，同時(shí)運(yùn)行逆功率保護(hù)策略，實(shí)現(xiàn)了新能源發(fā)電的有效利用，減少了微電網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生干擾；在離網(wǎng)模式下，采用孤網(wǎng)運(yùn)行策略，利用新能源與儲(chǔ)能的剩余電量為負(fù)載供電。

通過(guò)在試驗(yàn)區(qū)的運(yùn)行驗(yàn)證了所提風(fēng)光儲(chǔ)充能量管理策略的有效性。平滑了并網(wǎng)點(diǎn)功率曲線，降低了功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響；實(shí)現(xiàn)了臺(tái)區(qū)擴(kuò)容，在負(fù)荷高峰期能夠多容納50 kW 的峰值負(fù)荷；平穩(wěn)有效地增加了電網(wǎng)對(duì)風(fēng)光新能源發(fā)電的吸納能力。通過(guò)本文策略構(gòu)建的風(fēng)光儲(chǔ)充微電網(wǎng)系統(tǒng)，增強(qiáng)了臺(tái)區(qū)的穩(wěn)定性，促進(jìn)了智能臺(tái)區(qū)負(fù)載、電網(wǎng)兩者之間的協(xié)調(diào)發(fā)展。