基于風(fēng)光互補(bǔ)的直流電網(wǎng)規(guī)劃模型研究

王 康，戴明明，李 強(qiáng)，鄧亞偉，王奎紅，李志永

(國網(wǎng)安徽省電力有限公司亳州供電公司,安徽 亳州 236800)

0 引 言

在沒有電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地域，如果想要使用大量的風(fēng)電或光電，則需要提前儲存能量，但風(fēng)電和光電只有在大風(fēng)和光照正常的天氣下才能實現(xiàn)能源源源不斷地輸送。所以在風(fēng)能和光能相互補(bǔ)充的情況下，將太陽能電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及蓄電池進(jìn)行高效整合利用，可以使產(chǎn)生的電流不間斷、電壓穩(wěn)定。將風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)應(yīng)用在太陽能以及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，實現(xiàn)風(fēng)能以及太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；然后，將其注入蓄電池中進(jìn)行電能的保存，提供照明等設(shè)備所需的電能。這種技術(shù)可以保證一年四季均衡供電，使自然資源被充分利用。因此，提出基于風(fēng)光互補(bǔ)的直流電網(wǎng)規(guī)劃模型，即在直流電網(wǎng)規(guī)劃過程中引入風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，優(yōu)化傳統(tǒng)方法的電網(wǎng)規(guī)劃有效性差的問題。

1 基于風(fēng)光互補(bǔ)的直流電網(wǎng)規(guī)劃模型

基于風(fēng)光互補(bǔ)的直流電網(wǎng)規(guī)劃模型相較于傳統(tǒng)配電網(wǎng)采用交流配電模型，優(yōu)勢在于可以運(yùn)用變壓器的電磁感應(yīng)效應(yīng)改變電壓,即將傳統(tǒng)配電網(wǎng)的交流母線用直流母線替代，配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也相應(yīng)改變，直接采用直流方式實現(xiàn)供電[1]。

1.1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是一個有機(jī)的電力能源系統(tǒng)。系統(tǒng)中的電力能源來源由兩部分構(gòu)成：風(fēng)力能源和光伏電能。系統(tǒng)的工作流程包含對電能的收集、存儲及再分配輸出[2]。與普通發(fā)電系統(tǒng)有別的是，該系統(tǒng)還具備通信互聯(lián)模塊、風(fēng)力與光電的互補(bǔ)與連接站點(diǎn)互聯(lián)環(huán)節(jié)。這一互聯(lián)環(huán)節(jié)由許多的模塊拼合：光伏電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、整流器、控制器、儲能設(shè)備、逆變器、負(fù)載[3]。在這個模塊中，收集電能的這部分工作依靠風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與光伏電池完成“風(fēng)力—電能”“光能—電能”的轉(zhuǎn)化工作，這部分的運(yùn)行亦是系統(tǒng)的核心功能。存儲電能這部分工作則依靠蓄電池組運(yùn)作，蓄電功能為保險功能，出現(xiàn)災(zāi)害氣候等導(dǎo)致無法收集系統(tǒng)兩大能源來源時，蓄電池能夠保障電能的正常使用。此外，有蓄電這一額外的電力儲備，也可以穩(wěn)定電壓，促進(jìn)供電平衡。分配輸出電能模塊將會計算合適的發(fā)電功率，其中輸出的電流負(fù)載由直流與交流兩種負(fù)載構(gòu)成，直流負(fù)載是本次的研究重點(diǎn)。系統(tǒng)中未列舉的組件也有著其獨(dú)特的轉(zhuǎn)換、控制等功能，亦起著不可忽視的作用，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

圖中：Vi為風(fēng)電機(jī)組和光伏陣列的總輸出電壓；Ii為風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏陣列的總輸出電流；Vb為蓄電池電壓；Ib為蓄電池電流。

1.2 規(guī)劃指標(biāo)

為整合電網(wǎng)、風(fēng)光能源經(jīng)濟(jì)效益，必須對直流電網(wǎng)規(guī)劃中的重要指標(biāo)進(jìn)行精確計算。風(fēng)電場與普通常用發(fā)電機(jī)組不同，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率會隨著風(fēng)力變化而發(fā)生變化。主要分為以下兩種情況：

1)風(fēng)電場的出力模型

風(fēng)機(jī)在確定目標(biāo)函數(shù)的情況下，可以捕獲風(fēng)能。則其風(fēng)機(jī)目標(biāo)函數(shù)為

W3Ewind(G),W4Esolae(G)

]

(1)

s.t.X∈Ω

H(X)=0

式中：W1Egrid為風(fēng)力發(fā)電耗時；W2Eloss為風(fēng)力發(fā)電能耗；W3Ewind為風(fēng)速概率分布函數(shù)；W4Esolae為風(fēng)力發(fā)電調(diào)節(jié)函數(shù)；Ω為尺度參數(shù)。則風(fēng)機(jī)葉片的掃風(fēng)面積影響風(fēng)輪從風(fēng)中吸收的功率，可以由式(2)表示：

(2)

式中：ρ為空氣密度；R為風(fēng)機(jī)葉輪的半徑；Cp為風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)；v為風(fēng)速。

由于風(fēng)機(jī)出力值受到風(fēng)速的影響，對此，將風(fēng)機(jī)的輸出功率視為其額定功率，其他情況風(fēng)機(jī)的輸出功率為0 ，即整體的風(fēng)電機(jī)組出力模型為

(3)

式中：a、b為出廠時的風(fēng)機(jī)功率曲線擬合參數(shù)；Pr為風(fēng)機(jī)額定功率；Vi為風(fēng)電機(jī)組和光伏陣列的總輸出電壓；Vb為蓄電池電壓；Cco為并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓。

2)光伏電站的出力模型

光伏發(fā)電機(jī)組在一定溫度和輻射強(qiáng)度下，電池只能在某一特定電壓時，輸出功率才會達(dá)到最大值。假設(shè)在標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境下，太陽能電池的負(fù)載電流為

(4)

式中：ISC為短路電流；UOC為線路電壓；e為線路容量；USTC為太陽能電池組的電壓。

因為太陽能電池電壓發(fā)生變化和溫度、光照變化之間關(guān)聯(lián)性較大，若要盡量多的運(yùn)用太陽能資源，需要使用追蹤最大功率方法，確定最大輸出功率。那么在最大功率跟蹤方法下，光伏發(fā)電站出力模型表示為

Pv=η×Im(G,T)×Um(G,T)×ISTC

(5)

式中：η為最大功率追蹤裝置的效率；Im(G,T)為最大功率下的負(fù)載電流；Um(G,T)為最大功率下的負(fù)載電壓。

1.3 構(gòu)建規(guī)劃模型

在明確規(guī)劃指標(biāo)的基礎(chǔ)上，建立直流電網(wǎng)規(guī)劃模型。直流電網(wǎng)規(guī)劃系統(tǒng)有功、無功滿足等式約束為：

(6)

(7)

式中：PGI為發(fā)電機(jī)有功功率；θij為節(jié)點(diǎn)G與節(jié)點(diǎn)I的相角差；USTC為節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的實部元素；QGI為發(fā)電機(jī)無功功率；Gij為節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的虛部元素；Bij為節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的實部元素。

基于風(fēng)光互補(bǔ)的直流電網(wǎng)規(guī)劃模型為

(8)

式中：Pi為線路負(fù)荷閾值；PGI為發(fā)電機(jī)有功功率；QGI為發(fā)電機(jī)無功功率?；陲L(fēng)光互補(bǔ)的直流電網(wǎng)規(guī)劃模型，在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，還包括能源路由器單元、信息收集單元、能量信息轉(zhuǎn)換單元、直流母線單元、AC/DC模塊單元、直流負(fù)荷單元、風(fēng)力發(fā)電裝置單元。規(guī)劃方法包括：

1)能源路由器單元：由直流電網(wǎng)和信息收集單元組成，其中信息收集單元包含3個信息收集裝置。

2)直流母線單元：該單元最重要的模塊是AC/DC模塊，直流母線單元由直流電網(wǎng)、3個AC/DC模塊和直流負(fù)荷裝置組成。其中3個AC/DC模塊構(gòu)成了AC/DC單元，3個AC/DC模塊分別與光伏發(fā)電裝置、儲能裝置單元、風(fēng)力發(fā)電裝置單元連接[4]，如圖2所示。

圖2 直流電網(wǎng)規(guī)劃模型規(guī)劃

1.4 二次規(guī)劃尋優(yōu)

為體現(xiàn)基于風(fēng)光互補(bǔ)的直流電網(wǎng)規(guī)劃模型是直流電網(wǎng)規(guī)劃的最優(yōu)解，對規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行二次尋優(yōu)。構(gòu)建主動電網(wǎng)光伏發(fā)電投資收益為

(9)

式中：E(G)為主動電網(wǎng)光伏發(fā)電投資收益值；Esolae(G)為網(wǎng)損降低函數(shù)；Ewind(G)為光伏售電收入函數(shù)。

除投資收益外，在直流輸電過程中，還會伴隨可靠性、安全性等問題。因此，考慮到目前直流配電存在的問題，需要利用現(xiàn)行約束條件解決問題。在基于風(fēng)光互補(bǔ)的直流電網(wǎng)規(guī)劃模型基礎(chǔ)上，可對整個系統(tǒng)的熱設(shè)計和熱管理提出優(yōu)化措施。電網(wǎng)系統(tǒng)的各個設(shè)備首尾依次相連，即為串聯(lián)連接方式?；诖?，可在電路串聯(lián)前面安裝一個風(fēng)扇，風(fēng)扇的作用是進(jìn)行導(dǎo)流，形成風(fēng)道調(diào)節(jié)電芯溫度。利用流動風(fēng)能降溫原理，保證電芯與外部溫差不超過3 ℃、集裝箱內(nèi)部溫差在5 ℃以內(nèi)，且要保證幾千只電芯之間的溫度溫差不超過5 ℃。

2 實驗驗證

2.1 實驗環(huán)境

為驗證所設(shè)計的基于風(fēng)光互補(bǔ)的直流電網(wǎng)規(guī)劃模型的有效性，進(jìn)行仿真實驗分析。實驗在Matlab平臺上進(jìn)行，操作系統(tǒng)為Windows 10 ,系統(tǒng)運(yùn)行內(nèi)存為8 GB,數(shù)據(jù)采樣頻率為70 Hz ,采樣間隔為0.2 s，實驗樣本節(jié)點(diǎn)為30 個，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率為6 MW。具體實驗環(huán)境如圖3 所示。

圖3 實驗環(huán)境

以上述實驗環(huán)境為基礎(chǔ)，以IEEE 57節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為實驗算例，運(yùn)用傳統(tǒng)方法與所提方法分別進(jìn)行仿真實驗。算例節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)包含57個節(jié)點(diǎn)和50個負(fù)荷消耗設(shè)備、7臺發(fā)電機(jī)，基準(zhǔn)功率為100 MVA。由于節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，截取其中30個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實驗。設(shè)定最大迭代次數(shù)為150，采用容量為±50 Mvar的凈值無功補(bǔ)償裝置，進(jìn)行無功補(bǔ)償，使節(jié)點(diǎn)間耦合強(qiáng)度保持在17?；谏鲜鰧嶒瀰?shù)環(huán)境及算例參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行如下對比實驗。

2.2 實驗方案

實驗將所建模型與傳統(tǒng)的直流電網(wǎng)規(guī)劃方法進(jìn)行對比，以每5個節(jié)點(diǎn)為一測試段，進(jìn)行實驗。記錄實驗對比數(shù)據(jù)，并利用Matlab軟件輸出實驗結(jié)果。

2.3 實驗結(jié)果分析與結(jié)論

實驗對比結(jié)果如圖4 所示。

圖4 直流電網(wǎng)規(guī)劃有效性對比

從圖4可知，應(yīng)用所設(shè)計的規(guī)劃模型對直流電網(wǎng)進(jìn)行規(guī)劃，其規(guī)劃有效性遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法，通過測電壓偏差的實驗證明在節(jié)點(diǎn)6并網(wǎng)可實現(xiàn)規(guī)劃目標(biāo)最優(yōu)。以此證明基于風(fēng)光互補(bǔ)的直流電網(wǎng)相對于傳統(tǒng)的直流電網(wǎng)而言，更適用于直流電網(wǎng)規(guī)劃，可以加快直流電網(wǎng)配套的新能源建設(shè)進(jìn)程。

3 結(jié) 語

與采用單一發(fā)電技術(shù)的項目相比，風(fēng)光互補(bǔ)項目可帶來很多優(yōu)勢。在風(fēng)電場增設(shè)光伏發(fā)電可以有效分?jǐn)偛⒕W(wǎng)及其他費(fèi)用，提高項目凈現(xiàn)值，同時在不增加棄電量情況下，使輸出更穩(wěn)定。此次研究不僅從理論上證明了設(shè)計的有效性，也通過實驗證明了設(shè)計的可行性。雖取得一定成果，但仍有不足之處，未來將對直流電網(wǎng)規(guī)劃做補(bǔ)充性研究。