基于需求側(cè)響應(yīng)的光伏直流微網(wǎng)智慧管控平臺(tái)設(shè)計(jì)

祝永剛，呂 超

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南市歷城區(qū)供電公司，山東 濟(jì)南250100）

將直流組成的微電網(wǎng)稱為直流微電網(wǎng)，其對(duì)于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、保證能源儲(chǔ)蓄性發(fā)展有著推動(dòng)意義[1]。與交流微電網(wǎng)的區(qū)別在于其對(duì)于風(fēng)、光等分布式可再生能源的發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)等可更為安全地接入。由于光伏直流微電網(wǎng)在應(yīng)用時(shí)，區(qū)域性限制較小，因此，成為應(yīng)用最為廣泛的可再生資源電網(wǎng)發(fā)力[2]。智慧管控平臺(tái)是用于實(shí)現(xiàn)光伏直流微電網(wǎng)運(yùn)行管理、能源安全可靠運(yùn)行的一種管理和控制平臺(tái)[3]。需求側(cè)響應(yīng)可理解為是通過對(duì)原始用電模式實(shí)行調(diào)整，在保證正常用電的基礎(chǔ)上，提升用電終端的用電效率、降低消耗，以此實(shí)現(xiàn)用電的有效控制，使電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和安全性得到明顯提升[4]。當(dāng)下，用電需求逐漸增加，但光伏發(fā)電自身存在明顯的間歇性以及波動(dòng)性的特性，對(duì)于實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)大范圍的光伏發(fā)電微網(wǎng)的合并存在明顯影響，對(duì)于電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行安全性帶來(lái)一定隱患，不利于智慧管理和控制[5]。本文基于需求側(cè)響應(yīng)，設(shè)計(jì)光伏直流微網(wǎng)智慧管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)該微網(wǎng)的全面控制，并滿足用戶用能需求側(cè)響應(yīng)。

1 基于需求側(cè)響應(yīng)的光伏直流微網(wǎng)智慧管控平臺(tái)

1.1 平臺(tái)架構(gòu)

智慧管控平臺(tái)采用5層架構(gòu)設(shè)計(jì)，包含測(cè)控層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、管控層以及平臺(tái)層，其架構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺(tái)架構(gòu)

測(cè)控層將采集的光伏直流微網(wǎng)內(nèi)光伏組件、風(fēng)機(jī)、逆變器等設(shè)備信息通過網(wǎng)絡(luò)層傳入數(shù)據(jù)層，該層對(duì)接收的信息進(jìn)行清洗、融合等處理后，對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)行分析后實(shí)行分布式存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)展示[6]，管控層以數(shù)據(jù)信息為支撐，實(shí)現(xiàn)光伏直流微網(wǎng)的全面管控，將管控結(jié)果呈現(xiàn)至平臺(tái)層，實(shí)現(xiàn)需求側(cè)響應(yīng)。

測(cè)控層：該層主要利用消息推送、數(shù)據(jù)總線以及ETL（extracttransformload）將光伏直流微網(wǎng)內(nèi)所有的設(shè)備信息通過網(wǎng)絡(luò)層傳入數(shù)據(jù)層。

網(wǎng)絡(luò)層：該層主要用于支撐平臺(tái)各層間的數(shù)據(jù)傳輸和通信，包含網(wǎng)關(guān)、服務(wù)接口、通信接口以及防火墻等[7]，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、安全傳輸。

數(shù)據(jù)層：該層用于存儲(chǔ)光伏直流微網(wǎng)全部信息的分布式存儲(chǔ)，并且通過數(shù)據(jù)模型實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的清洗、分析、融合等[8]，提供數(shù)據(jù)服務(wù)，為平臺(tái)各類業(yè)務(wù)的執(zhí)行提供數(shù)據(jù)支撐。

管控層：管控層作為平臺(tái)的執(zhí)行核心層，通過控制器完成光伏直流微網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)、運(yùn)維、應(yīng)急等方面管理，實(shí)現(xiàn)用戶需求側(cè)響應(yīng)以及光伏直流微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度[9]；同時(shí)可完成各類信息的統(tǒng)計(jì)。

平臺(tái)層：該層是平臺(tái)的展示層，用戶可通過該層查看微網(wǎng)信息以及監(jiān)控信息；同時(shí)用戶可通過該層發(fā)布服務(wù)以及管理指令。

1.2 平臺(tái)數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)

平臺(tái)管控的實(shí)現(xiàn)，是以數(shù)據(jù)為支撐，為實(shí)現(xiàn)光伏直流微網(wǎng)的智慧管控，數(shù)據(jù)的處理效率是系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵部分，為保證數(shù)據(jù)的處理過程中時(shí)間成本的最小化、數(shù)據(jù)采集的完整化，滿足平臺(tái)微網(wǎng)管控?cái)?shù)據(jù)的高速擴(kuò)張以及線性增長(zhǎng)，結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)源相同的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)管控層和數(shù)據(jù)層獨(dú)立處理功能[10]，則平臺(tái)數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 平臺(tái)數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)

平臺(tái)中管控和數(shù)據(jù)間獨(dú)立運(yùn)行，但是業(yè)務(wù)執(zhí)行過程中，兩者可通過方法達(dá)到聯(lián)合執(zhí)行，數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的專業(yè)處理和運(yùn)算，管控層完成數(shù)據(jù)的調(diào)用[11-12]，可快速完成復(fù)雜數(shù)據(jù)的任務(wù)處理。

1.3 逆變器結(jié)構(gòu)

逆變器是光伏直流微網(wǎng)中用于實(shí)現(xiàn)直流電能轉(zhuǎn)換的裝置，其對(duì)于光伏直流微網(wǎng)的整體性能存在直接影響，可提升光伏發(fā)電的效率和質(zhì)量，使能量損失降低[13]。逆變器共由3個(gè)部分構(gòu)成，分別為逆變、控制以及輸出濾波。

通過光伏組件完成太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換，形成輸出電壓，該電壓此時(shí)呈不穩(wěn)定狀態(tài)，通過Boost對(duì)該電壓實(shí)行轉(zhuǎn)換，形成穩(wěn)定的直流電壓后，經(jīng)由STM32控制轉(zhuǎn)換成工頻交流電，用于輸出；其中通過采樣電路采樣實(shí)現(xiàn)逆變器的過壓、過流的保護(hù)。

1.4 需求側(cè)響應(yīng)管理模型

在電力系統(tǒng)不斷發(fā)展下、需求逐漸多樣化，因此需要構(gòu)建需求側(cè)響應(yīng)管理模型，針對(duì)用電高峰時(shí)期的需求側(cè)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷實(shí)行控制，以滿足用戶用能需求側(cè)響應(yīng)?？赊D(zhuǎn)移負(fù)荷是以簽署的協(xié)議為依據(jù)，在用電高峰期，用戶接受調(diào)度中心的調(diào)動(dòng)信號(hào)后執(zhí)行響應(yīng)，調(diào)度靈活性較高的負(fù)荷，將其調(diào)動(dòng)至非高峰期[14,15]，或者新能源出力的高峰期；調(diào)度完成后，用戶將獲取相應(yīng)補(bǔ)償，其公式為：

式中：CDR為補(bǔ)償后用戶負(fù)荷；ρ為在負(fù)荷調(diào)度時(shí)產(chǎn)生的補(bǔ)償系數(shù)；Lin,t和Lout,t為t時(shí)刻轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出的負(fù)荷量；t=1,2,…,N。當(dāng)Lout,t≥0、Lin,t=0，則負(fù)荷則小于光伏出力；如果負(fù)荷則大于光伏出力，那么Lout,t≥0、Lin,t=0。

1.5 光伏直流微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型

1.5.1 目標(biāo)函數(shù)

智慧管控平臺(tái)的目的是實(shí)現(xiàn)用電的有效控制，使電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和安全性明顯提升，基于此平臺(tái)以實(shí)現(xiàn)最大化的光伏消納量、最小化的運(yùn)行成本為控制目的，完成智慧管控。該管控包含光伏、儲(chǔ)能以及需求側(cè)響應(yīng)多個(gè)方面。

最大化的光伏消納量以及最小化的運(yùn)行成本為平臺(tái)控制的主要目的，其目標(biāo)函數(shù)的公式為：

式中：PL,t為光伏出力，屬于被消納的負(fù)荷；P+S,t為t時(shí)刻發(fā)生的充電功率，屬于儲(chǔ)能系統(tǒng)消納；e為購(gòu)電價(jià)格；PN,t為t購(gòu)買的電量；ε為懲罰因子。該懲罰因子可實(shí)現(xiàn)問題間的轉(zhuǎn)化，即為優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)調(diào)度之間，該值過大后者過小都對(duì)運(yùn)行成本的計(jì)算存在影響，因此，運(yùn)算時(shí)需確定其最佳取值。為保證運(yùn)行成本，設(shè)定該影響因子取值不大于1。

如果Pp,t≥Lt，則PL,t=Lt；當(dāng)PL,t=Pp,t，那么Pp,t＜Lt。因此，t時(shí)刻的負(fù)荷則為L(zhǎng)t；該時(shí)刻的光伏電能則為PL,t=min(Pp,t+Lt)，且屬于負(fù)荷消納；則Lt=L0t-Lout,t+Lin,t。

如果Pp,t≥Lt，則PN,t=0；當(dāng)PN,t=Lt-Pp,t-P-S,t，那么Pp,t＜Lt。

1.5.2 約束條件

光伏直流微網(wǎng)可靠性約束：光伏直流微網(wǎng)運(yùn)行過程中，需保證其滿足運(yùn)行時(shí)間的穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)電力系統(tǒng)容量需對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的存儲(chǔ)電能實(shí)行掌控，則在t時(shí)刻內(nèi)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的電能存儲(chǔ)需符合公式（3）的標(biāo)準(zhǔn)：

式中：Smin和Smax分別為儲(chǔ)能容量，前者對(duì)應(yīng)最小，屬于所需配置，且處于重要負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間達(dá)到30min時(shí)；后者對(duì)應(yīng)最大。

儲(chǔ)能系統(tǒng)功率約束：在一定程度上，約束儲(chǔ)能系統(tǒng)以及放電的實(shí)時(shí)功率，約束條件為：

式中：P+S,t,max、P-S,t,max分別為t時(shí)刻充電和放電功率上限。

電力系統(tǒng)余下電能依據(jù)與儲(chǔ)能系統(tǒng)充電功率存

在關(guān)聯(lián)，其為：

需求側(cè)響應(yīng)約束：為形成虛擬發(fā)電組用于電力系統(tǒng)調(diào)度，需對(duì)用電模式實(shí)行調(diào)整，使用電效率提升、電能消耗減少。對(duì)可轉(zhuǎn)移負(fù)荷實(shí)行約束，其條件為：）

式中：Lmaxin和Lmaxout分別為t時(shí)刻轉(zhuǎn)入和傳出負(fù)荷上限。

在單獨(dú)調(diào)度周期內(nèi)，轉(zhuǎn)入的總負(fù)荷量與轉(zhuǎn)出總量相等，其為：

光伏出力約束：

式中：Pmaxp為光伏有功出力最大值。由于光伏消納過程中約束設(shè)定較多，為了實(shí)現(xiàn)算法的快速收斂，求解最優(yōu)解，保證所有變量均在約束范圍內(nèi)。

2 測(cè)試分析

為測(cè)試本文所設(shè)計(jì)平臺(tái)的管控性能和效果，將本文平臺(tái)用于山東省電力公司濟(jì)南用電公司彩石供電所，實(shí)行相關(guān)測(cè)試。該供電所的管理目的為降低運(yùn)行成本，增加經(jīng)濟(jì)效益。該供電所的光伏直流微網(wǎng)包含兩部分，分別為光伏系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)，其中光伏系統(tǒng)的最大容量為1.32MW，儲(chǔ)能系統(tǒng)包含兩套磷酸鐵鋰電池，其容量為75Ah，電壓為48V。儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)和需求側(cè)相應(yīng)參數(shù)如表1所示。

表1 參數(shù)詳情

獲取光伏出力預(yù)測(cè)值和典型日負(fù)荷曲線，如圖3所示。

依據(jù)圖3可知：在一天24h內(nèi)，負(fù)荷量和光伏出力呈現(xiàn)不同的波動(dòng)變化，在01∶00—05∶00，光伏出力為0，06∶00光伏出力開始增加，08∶00以后增加趨勢(shì)顯著，上升趨勢(shì)明顯，17∶00開始則顯著下降，當(dāng)在20∶00，重新為0，一天內(nèi)，光伏出力最高的時(shí)間段為09∶00—17∶00時(shí)，該時(shí)間段內(nèi)的負(fù)荷量顯著低于光伏出力；在光伏出力為零的兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)，負(fù)荷量均在6MW以上。

為測(cè)試平臺(tái)管控效果，測(cè)試平臺(tái)在一周內(nèi)，實(shí)行需求側(cè)響應(yīng)管理前后，光伏消納率、購(gòu)電量以及購(gòu)電費(fèi)用的變化結(jié)果如圖4所示。其中，購(gòu)電價(jià)格為0.5元/kWh。

圖4 需求側(cè)響應(yīng)管理前后的對(duì)比結(jié)果

根據(jù)圖4測(cè)試結(jié)果可知：平臺(tái)管理前，該供電所的光伏消納率低于45%，并且購(gòu)買電量均在95MW以上，產(chǎn)生的購(gòu)電費(fèi)用均在5萬(wàn)元上下波動(dòng)，平臺(tái)實(shí)行管理后，光伏消納率明顯提升，均在60%以上，購(gòu)買電量均低于82MW，同時(shí)產(chǎn)生的購(gòu)電費(fèi)用均在4萬(wàn)元上下波動(dòng)，可使微網(wǎng)運(yùn)行成本明顯降低。該結(jié)果直觀體現(xiàn)平臺(tái)對(duì)光伏直流微網(wǎng)實(shí)行控制后，可在經(jīng)濟(jì)效益方面達(dá)到良好效果，符合該實(shí)驗(yàn)對(duì)象的管理目的，并且達(dá)到滿意結(jié)果。

為進(jìn)一步分析平臺(tái)的管控效果，結(jié)合光伏輸出功率存在的隨機(jī)波動(dòng)的特征，測(cè)試本文平臺(tái)控制后，參考典型日光伏數(shù)據(jù)，隨機(jī)獲取該供電所一周內(nèi)的某日光伏出力變化結(jié)果，如圖5所示；同時(shí)獲取該供電所2臺(tái)儲(chǔ)能蓄電池的功率響應(yīng)情況，結(jié)果如圖6所示。

圖5 日光伏出力變化結(jié)果

圖6 蓄電池的功率響應(yīng)情況

根據(jù)圖5測(cè)試結(jié)果可知：本文平臺(tái)應(yīng)用后，執(zhí)行需求側(cè)響應(yīng)管理后，可實(shí)現(xiàn)部分負(fù)荷轉(zhuǎn)移，可將01∶00—05∶00、20∶00—24∶00的時(shí)間段內(nèi)負(fù)荷調(diào)度至09∶00—17∶00的時(shí)間段內(nèi)，降低出伏功率的負(fù)荷去除功率，最大程度使負(fù)荷曲線和光伏出力曲線接近，減小兩者之間的差距，以此達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益最大化的控制目的。

根據(jù)圖6測(cè)試結(jié)果可知：在本文設(shè)計(jì)平臺(tái)的控制下，可實(shí)現(xiàn)蓄電池功率補(bǔ)償以及電池的平穩(wěn)控制，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的均衡控制，合理分配功率分配，以此保證光伏直流微網(wǎng)的有效控制。

為分析平臺(tái)在微網(wǎng)在模式切換時(shí)的控制效果，測(cè)試平臺(tái)在并、離網(wǎng)兩種模式切換時(shí)母線電壓變化情況、蓄電池切換時(shí)的狀態(tài)變化，結(jié)果如圖8所示。

依據(jù)圖7測(cè)試結(jié)果可知：在并網(wǎng)模式時(shí)，光伏值處于輸出中，此時(shí)，電壓發(fā)生較小波動(dòng)后，處于平穩(wěn)狀態(tài)；當(dāng)發(fā)生模式轉(zhuǎn)換后，變成離網(wǎng)模式后，光伏輸出變?yōu)?；除此之外，2個(gè)蓄電池在并網(wǎng)模式時(shí)，為充電狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生模式轉(zhuǎn)換后，變成離網(wǎng)模式后，2個(gè)蓄電池同時(shí)進(jìn)入放電模式。但是在上述情況下，0.32s發(fā)生模式轉(zhuǎn)換后，母線電壓并沒有發(fā)生波動(dòng)，一直呈平穩(wěn)狀態(tài)，該結(jié)果表明本文平臺(tái)的控制效果良好，可控制光伏直流微網(wǎng)在轉(zhuǎn)換模式下的平穩(wěn)運(yùn)行。

圖7 模式切換測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

新能源的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，為有效控制其在應(yīng)用過程的運(yùn)行成本、并提升經(jīng)濟(jì)效益，本文設(shè)計(jì)基于需求側(cè)響應(yīng)的光伏直流微網(wǎng)智慧管控平臺(tái)，并將其應(yīng)用在山東省電力公司濟(jì)南用電公司彩石供電所，依據(jù)其控制目的實(shí)行相關(guān)測(cè)試。結(jié)果表明：本文所設(shè)計(jì)平臺(tái)可顯著提升光伏消納率，最大化實(shí)現(xiàn)負(fù)荷調(diào)度轉(zhuǎn)移，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益最大化的控制目的，并且在微網(wǎng)發(fā)生模式轉(zhuǎn)換時(shí)，依舊可控制微網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行。