摘" 要: 光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)(PMESS)用電峰谷差的增大會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)增大,影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。為了有效降低電網(wǎng)的峰谷差,提出一種光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)用電峰谷差自適應(yīng)控制技術(shù)。通過(guò)估計(jì)光伏微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)荷,計(jì)算光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電功率和電量,并根據(jù)該計(jì)算結(jié)果計(jì)算光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定容量。設(shè)置用電峰谷差自適應(yīng)控制約束條件,并結(jié)合二輪迭代的方式實(shí)現(xiàn)光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)用電峰谷差自適應(yīng)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所提技術(shù)可以準(zhǔn)確估計(jì)光伏微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)負(fù)荷,并將用電峰谷差控制在200 kW左右,同時(shí),可以有效提升光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的有功功率,具有良好的實(shí)際應(yīng)用效果。
關(guān)鍵詞: 光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng); 用電峰谷差; 自適應(yīng)控制; 負(fù)荷估計(jì); 充放電功率; 儲(chǔ)能容量
中圖分類號(hào): TN245?34; TP206" " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A" " " " " " " " " " " "文章編號(hào): 1004?373X(2024)24?0105?04
PMESS adaptive control technology for peak valley difference in electricity consumption
LI Shuangying
(Qinghai Minzu University, Xining 810007, China)
Abstract: The increase in peak valley difference in electricity consumption of photovoltaic microgrid energy storage system (PMESS) can lead to increased load fluctuations in the power grid, affecting the stability of the power grid. In order to effectively reduce the peak valley difference of the power grid, a PMESS adaptive control technology for the peak valley difference in electricity consumption is proposed. By estimating the load of photovoltaic microgrid power generation system, the charging power and quantity of PMESS is calculated, and the rated capacity of PMESS based on the calculation results is calculated. The constraints for adaptive control of peak valley difference in electricity consumption are set, and combining with a two round iteration method, the PMESS adaptive control for peak valley difference in electricity consumption is implemented by means of two rounds of iteration. The experimental results show that the proposed technology can accurately estimate the load PMESS and control the peak valley difference in electricity consumption to around 200 kW, which can effectively improve the active power of PMESS and has good practical application effects.
Keywords: photovoltaic microgrid energy storage system; peak valley difference in electricity consumption; adaptive control; load estimation; charging and discharging power; energy storage capacity
0" 引" 言
光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)(PV?Microgrid Energy Storage System, PMESS)通過(guò)集成光伏發(fā)電技術(shù)和儲(chǔ)能設(shè)備,能夠?qū)崿F(xiàn)電能的自給自足和余電上網(wǎng),有效減輕電網(wǎng)負(fù)擔(dān)。然而,光伏能源的產(chǎn)生受到日照強(qiáng)度、天氣變化等多種自然因素的制約,具有間歇性和波動(dòng)性的特點(diǎn)[1],這給光伏微網(wǎng)在實(shí)際運(yùn)行中的電力供需平衡帶來(lái)了挑戰(zhàn)。特別是在用電峰谷時(shí)段,電力負(fù)荷的劇烈波動(dòng)對(duì)微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性提出了更高要求。因此,開發(fā)一種能夠自適應(yīng)調(diào)整儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電策略、實(shí)現(xiàn)用電峰谷差自適應(yīng)控制的技術(shù),成為了解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。
文獻(xiàn)[2]通過(guò)建立共享相變儲(chǔ)能區(qū)域聯(lián)合控制架構(gòu),并運(yùn)用非合作博弈方法,在不同場(chǎng)景下優(yōu)化電力供需平衡。然而,該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中仍受限于儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)成本和維護(hù)管理等因素。文獻(xiàn)[3]以光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的凈負(fù)荷方差和用電支出為優(yōu)化目標(biāo),力求在不確定的光伏電網(wǎng)負(fù)荷下實(shí)現(xiàn)對(duì)用電峰谷的有效控制。然而,由于負(fù)荷預(yù)測(cè)的不準(zhǔn)確性,該方法在實(shí)際應(yīng)用中可能面臨挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)[4]通過(guò)建立多目標(biāo)優(yōu)化模型并應(yīng)用量子粒子群算法,實(shí)現(xiàn)光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化。然而,模型假設(shè)可能與實(shí)際情況存在偏差,影響優(yōu)化結(jié)果的實(shí)際效果。文獻(xiàn)[5]以最小化用戶側(cè)電費(fèi)為目標(biāo),使用粒子群算法求解,旨在降低用電峰谷差。然而,粒子群算法本身存在的局限性可能會(huì)導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果不夠精確。
為了優(yōu)化光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行性能,提高其對(duì)電力峰谷差的適應(yīng)能力,在光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)中引入自適應(yīng)控制技術(shù),使得光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)更好地匹配電力負(fù)荷的需求,從而減少能源的浪費(fèi),提高能源的利用率。
1" 用電峰谷差自適應(yīng)控制
1.1" 光伏微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)負(fù)荷估計(jì)
光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,受到天氣條件、光照度等多種因素的影響,這些因素的不確定性導(dǎo)致負(fù)荷預(yù)測(cè)存在誤差[6]。如果負(fù)荷預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確,那么基于預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行的削峰填谷調(diào)度可能無(wú)法達(dá)到預(yù)期的效果。因此,在對(duì)光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)用電峰谷差進(jìn)行自適應(yīng)控制時(shí),對(duì)光伏微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)荷進(jìn)行估計(jì),依據(jù)該估計(jì)結(jié)果計(jì)算光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電功率和電量。
光伏微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)實(shí)時(shí)輸出功率主要由當(dāng)前太陽(yáng)光照度和環(huán)境溫度影響[7],且光伏微網(wǎng)內(nèi)光伏組件的發(fā)電量和其接收到的太陽(yáng)光照度成正相關(guān)關(guān)系[8]。
在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試STC情況下,光伏組件的額定輸出功率[PS]與其額定裝機(jī)容量相同[9],計(jì)算公式如下:
[PS=ZrefΓSA]" " " " " " (1)
式中:[Zref]為標(biāo)準(zhǔn)光照度;[ΓS]表示標(biāo)準(zhǔn)光照度下,光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率;[A]表示光伏微網(wǎng)組件面積。
當(dāng)前環(huán)境溫度是直接影響光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率的因素,[T]時(shí)刻光伏組件轉(zhuǎn)換效率計(jì)算公式如下:
[ΓT=ΓS-ΦQ(t)-Qref]" " " " " "(2)
式中:[Φ]表示光伏組件溫度系數(shù);[Qref]為標(biāo)準(zhǔn)參考溫度,通常數(shù)值為25 ℃;[t]表示時(shí)間;[Q(t)]為[t]時(shí)光伏組件工作溫度,計(jì)算公式如下:
[Q(t)=Qa(t)+?Zeff(t)-20Zeff(t)(0.8Zref)] (3)
式中:[Qa(t)]為環(huán)境溫度;[?]為光伏組件額定工作溫度;[Zeff(t)]表示太陽(yáng)光有效光照度。
聯(lián)立式(1)~式(3),則光伏微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)負(fù)荷估計(jì)公式如下:
[PPV(t)=PSZeff(t)Zref·" " " " " "1-ΦQa(t)+?-200.8Zref·Zeff(t)-Qref] (4)
將當(dāng)前有效太陽(yáng)光照度和環(huán)境溫度代入式(4)內(nèi),即可得到光伏微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)負(fù)荷估計(jì)結(jié)果。
1.2" 光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)額定容量計(jì)算
在電力需求快速變化的情況下,系統(tǒng)需要能夠快速響應(yīng)并調(diào)整儲(chǔ)能設(shè)備的充放電策略。如果儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量設(shè)計(jì)不合理,可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)速度過(guò)慢,無(wú)法滿足實(shí)時(shí)需求。通過(guò)計(jì)算額定容量可以確保儲(chǔ)能系統(tǒng)具有足夠的容量來(lái)應(yīng)對(duì)電力需求的波動(dòng),避免在高峰時(shí)段出現(xiàn)電力短缺,或在低谷時(shí)段過(guò)度充放電。
在實(shí)際應(yīng)用中,光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電損耗僅需考慮其中充電損耗,放電時(shí)的損耗則在充電能量變化計(jì)算時(shí)考慮。光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)的電量[Rch]計(jì)算公式如下:
[Rch=RdisPPV(t)(1-γ)]" " " " " " " "(5)
式中:[Rdis]表示光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)放電電量;[γ]表示充放電損耗系數(shù)。
為使光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)電量達(dá)到[Rch],在保障光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)一定裕度情況下,計(jì)算光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)額定放電功率[Pdis,r],公式如下:
[Pdis,r=Rch(1-ψdis)]" " " " " " " (6)
式中[ψdis]表示光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)放電裕度系數(shù)。
同樣考慮一定裕度,則光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)額定的充電功率[Pch,r]計(jì)算公式如下:
[Pch,r=Pch(1-ψch)]" " " " " " " " " "(7)
式中[ψch]表示光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)充電裕度系數(shù)。
由式(5)~式(7)可知,光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電功率限值要大于放電功率,其在放電過(guò)程中存在電能損耗。在保障光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)供電穩(wěn)定情況下,其額定存儲(chǔ)能量大于放電電量,則光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定容量[Ress]計(jì)算公式如下:
[Ress=(1+δ)Rdis(1-γ)]" " " " " " " "(8)
式中[δ]表示光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)電量裕度系數(shù)。
在用電峰谷差自適應(yīng)控制過(guò)程中,系統(tǒng)需要根據(jù)實(shí)時(shí)的電力需求和負(fù)荷變化來(lái)調(diào)整儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電策略。通過(guò)計(jì)算光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定容量可以使得系統(tǒng)更加準(zhǔn)確地評(píng)估當(dāng)前的電力需求和負(fù)荷變化,幫助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)用電峰谷差自適應(yīng)控制。
1.3" 用電峰谷差自適應(yīng)控制實(shí)現(xiàn)
額定容量是一個(gè)相對(duì)保守的估計(jì),它沒有考慮到所有可能的優(yōu)化條件。通過(guò)設(shè)置用電峰谷差自適應(yīng)控制約束條件,并結(jié)合二輪迭代的方式,可以根據(jù)實(shí)時(shí)的用電負(fù)荷情況調(diào)整儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電策略,從而最大限度地提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率,完成對(duì)光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的用電峰谷差的自適應(yīng)控制。其詳細(xì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下。
1.3.1" 首輪迭代
在首輪迭代用電峰谷差自適應(yīng)控制中,僅考慮光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)電量約束,以光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)最大可充放電容量[Emax]與儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際充放電電量相等作為原則,則首輪迭代用電峰谷差自適應(yīng)控制需要滿足的約束條件如下:
[Rch-Rdis≤εRmax≥Rch≥RdisRmax-Rch≤μ]" " " " " " " "(9)
式中:[ε]、[μ]均表示用戶設(shè)置的儲(chǔ)能系統(tǒng)電量閾值;[Rmax]表示光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)的最大電量。
依據(jù)公式(9)約束條件,首輪用電峰谷差自適應(yīng)控制步驟如下。
Step1:設(shè)定光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)初始電量值和[μ]、[ε]數(shù)值,迭代步長(zhǎng)設(shè)置為[ΔP1]。
Step2:將一天作為一個(gè)周期,在該周期內(nèi)將充放電[Pch]、[Pdis]的峰值和谷值的均值作為迭代初始值,以步長(zhǎng)[ΔP1]向下迭代,利用公式(5)計(jì)算當(dāng)前光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)電量[Rch],直至其滿足公式(9)約束條件后,計(jì)算光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)充電邊際功率[PH1]。[PH1]公式為:
[PH1=Pch-χ·ΔP1]" " " " " "(10)
式中[χ]為光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)功率負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)差。
Step3:運(yùn)用Step2相同方法,計(jì)算光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)放電邊際功率[PH2]。
1.3.2" 二輪迭代
在二輪迭代用電峰谷差自適應(yīng)控制過(guò)程中,以電量恒定作為原則,以光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)額定充放電功率[Pch,r]、[Pdis,r]和額定容量[Ress]作為約束,在步長(zhǎng)為[ΔP2]的情況下,對(duì)首輪迭代用電峰谷差自適應(yīng)控制中得到的光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電邊際功率進(jìn)行約束,實(shí)現(xiàn)光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)用電峰谷差自適應(yīng)控制。其詳細(xì)步驟如下。
Step1:將首輪迭代過(guò)程中得到的光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電邊際功率[PH1]、[PH2]和光伏微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)負(fù)荷估計(jì)[PPV(t)]作為基礎(chǔ)[10?11],從[PPV(t)]曲線峰值開始,按照步長(zhǎng)[ΔP2]逐級(jí)向下尋找光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能放電功率不滿足約束條件情況,即發(fā)生越限情況。
Step2:當(dāng)光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能在[t]時(shí)刻發(fā)生越限時(shí),則將該時(shí)間點(diǎn)的光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能放電功率當(dāng)作額定功率[12?13],在該額定功率基礎(chǔ)上繼續(xù)逐級(jí)向下尋找放電功率越限情況。在該過(guò)程中,[PH1]和[PH2]同時(shí)逐級(jí)向下迭代,直至放電電量滿足公式(9)約束條件為止,再利用公式(10)確定當(dāng)前光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能放電邊際功率數(shù)值。在該放電邊際功率約束下,獲得光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)不同時(shí)刻放電功率,利用該放電功率控制光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)在不同時(shí)刻放電,縮小光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)用電峰谷差。
Step3:同理,運(yùn)用上述步驟可計(jì)算光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)不同時(shí)刻的充電功率,可控制光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)在不同時(shí)刻充電。
利用上述二輪迭代用電峰谷差自適應(yīng)控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)用電峰谷差的控制。
2" 實(shí)驗(yàn)分析
2.1" 實(shí)驗(yàn)設(shè)置
以某區(qū)域光伏微電網(wǎng)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,光伏微電網(wǎng)見圖1。
該光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)光伏峰值功率為210 W,儲(chǔ)能系統(tǒng)蓄電池最大充放電電流均為200 A,充電效率為0.921 5。運(yùn)用本文技術(shù)對(duì)該區(qū)域光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)用點(diǎn)峰谷差進(jìn)行控制,驗(yàn)證本文技術(shù)的應(yīng)用性。
對(duì)光伏微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)行估計(jì)是構(gòu)建光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ),以該光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)某時(shí)間段作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,使用本文技術(shù)對(duì)其負(fù)荷進(jìn)行估計(jì),估計(jì)結(jié)果如圖2所示。分析圖2可知,該光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)在不同時(shí)間點(diǎn)的負(fù)荷均不同,但整體負(fù)荷呈現(xiàn)峰狀分布。本文技術(shù)對(duì)該光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)負(fù)荷的估計(jì)結(jié)果與其實(shí)際負(fù)荷曲線完全吻合,說(shuō)明本文技術(shù)可準(zhǔn)確獲得光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)當(dāng)前負(fù)荷數(shù)值,將該數(shù)值作為光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
2.2" 結(jié)果與分析
以該光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)某時(shí)段作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,使用本文技術(shù)對(duì)該時(shí)段光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的用電峰谷差進(jìn)行自適應(yīng)控制,控制結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,應(yīng)用本文方法后,可以將功率負(fù)荷控制在3 000 kW以內(nèi),其中,波谷數(shù)值為2 780 kW左右,波峰數(shù)值為2 980 kW左右,其用電峰谷差為200 kW左右。該數(shù)值表明:應(yīng)用本文技術(shù)可有效實(shí)現(xiàn)光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)用電峰谷差自適應(yīng)控制,降低其峰谷差數(shù)值,應(yīng)用效果較為顯著。以該光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)8個(gè)電池荷電狀態(tài)(SOC)作為衡量本文技術(shù)自適應(yīng)控制光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)用電峰谷差效果指標(biāo),應(yīng)用本文技術(shù)后,測(cè)試該8個(gè)電池荷電狀態(tài)是否滿足應(yīng)用需求。該光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)為保障穩(wěn)定供電,電池荷電狀態(tài)(SOC)閾值為65%,測(cè)試結(jié)果見圖4。分析圖4可知,應(yīng)用本文技術(shù)對(duì)光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)用電峰谷差進(jìn)行自適應(yīng)控制后,該光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的電池荷電狀態(tài)均超過(guò)65%閾值。該數(shù)值表明本文系統(tǒng)對(duì)光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)用電峰谷差進(jìn)行自適應(yīng)控制后,可保障儲(chǔ)能系統(tǒng)電池處于穩(wěn)定荷電狀態(tài)并滿足電池荷電狀態(tài)閾值,為用戶提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)。
3" 結(jié)" 論
為提升微網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性,本文提出一種光伏微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)用電峰谷差自適應(yīng)控制技術(shù)。結(jié)果表明,該技術(shù)可自適應(yīng)調(diào)整儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電策略,有效平抑了電力負(fù)荷的峰谷波動(dòng),顯著提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量和供電可靠性。
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作者簡(jiǎn)介:李雙營(yíng)(1977—), 男,山西方山人,博士研究生,副教授,研究方向?yàn)檫b感測(cè)量。