基于多時(shí)間尺度風(fēng)儲(chǔ)協(xié)同的微電網(wǎng)能量管理策略研究

文凌鋒， 黨廣宇， 田 偉，劉振東， 鄭 毅， 黃志斌

( 1. 廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司貴港供電局，廣西 貴港 537000;2. 南京四方億能電力自動(dòng)化有限公司，江蘇 南京 211111)

0 引言

微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的主要任務(wù)是在滿足網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷需求及電能質(zhì)量的前提下，對(duì)微網(wǎng)內(nèi)部各分布式電源、儲(chǔ)能設(shè)備及不同類型負(fù)荷進(jìn)行合理調(diào)度，保證微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)、安全、穩(wěn)定地運(yùn)行[1-6]。但由于風(fēng)能等新能源受天氣和氣候的影響，輸出功率具有不穩(wěn)定性和間歇性，對(duì)微電網(wǎng)產(chǎn)生明顯的沖擊，輕則電能質(zhì)量惡化，造成頻率和電壓不穩(wěn)定，重則會(huì)引發(fā)微電網(wǎng)停電的惡性事故。為解決這一難題，需研究?jī)?chǔ)能與風(fēng)力等間歇式能源的協(xié)同控制方法。

儲(chǔ)能裝置可以有效地抑制間歇式能源的波動(dòng)，平滑其輸出功率，穩(wěn)定輸出電壓，提高電能質(zhì)量，是保證間歇式能源并網(wǎng)運(yùn)行的關(guān)鍵[7]。但儲(chǔ)能系統(tǒng)配合間歇式能源的策略在實(shí)際應(yīng)用中存在如下問(wèn)題：首先，儲(chǔ)能系統(tǒng)配合間歇式能源的計(jì)劃輸出要求的儲(chǔ)能系統(tǒng)具有較大的容量、較寬的輸出功率范圍，如果儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)電計(jì)劃制定的不合理，儲(chǔ)能系統(tǒng)將處于頻繁的充放電轉(zhuǎn)換之中，這將大大縮短電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命。其次，風(fēng)力發(fā)電的預(yù)測(cè)誤差也將影響儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)電計(jì)劃的制定。如果風(fēng)力的輸出功率預(yù)測(cè)誤差較大，整個(gè)系統(tǒng)發(fā)電計(jì)劃的誤差和儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際輸出值都將增大，容易導(dǎo)致輸出功率達(dá)到儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出限值，影響最終的控制效果[8-10]。最后對(duì)于風(fēng)速變化引起的風(fēng)力出力快速波動(dòng)引起微電網(wǎng)功率缺額，要求系統(tǒng)具備儲(chǔ)能快速平抑可再生能源瞬時(shí)功率波動(dòng)的能力，否則系統(tǒng)可能由于功率和頻率異常引起微電網(wǎng)垮網(wǎng)。

因此，如何在考慮以上影響因素的前提下，合理地制定儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)力發(fā)電的協(xié)調(diào)控制是研究的一個(gè)重點(diǎn)。

本文基于新能源發(fā)電和負(fù)荷的短期功率預(yù)測(cè)技術(shù)，優(yōu)化微電網(wǎng)內(nèi)儲(chǔ)能設(shè)備的充放電曲線以及需求側(cè)管理負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)。在日前調(diào)度計(jì)劃的基礎(chǔ)上，綜合考慮風(fēng)儲(chǔ)微電網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電曲線和儲(chǔ)能容量配置較小等實(shí)際情況下，提出一種多時(shí)間尺度的分層協(xié)調(diào)控制策略[11-16]。首先根據(jù)每時(shí)段風(fēng)速預(yù)測(cè)信息給出了聯(lián)絡(luò)線分時(shí)交換功率的計(jì)算方法，上層能量管理系統(tǒng)將該聯(lián)絡(luò)線交換功率參考值與上級(jí)主動(dòng)配電網(wǎng)調(diào)度中心通信，接收調(diào)度中心制定的分時(shí)聯(lián)絡(luò)線交換功率。能量管理系統(tǒng)依據(jù)此分時(shí)功率需求實(shí)現(xiàn)底層分布式電源控制器的管理和微電網(wǎng)中央控制器對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的分時(shí)功率曲線下發(fā)。該能量管理系統(tǒng)層策略保證了風(fēng)儲(chǔ)微電網(wǎng)按照聯(lián)絡(luò)線交換功率需求輸出，即聯(lián)絡(luò)線功率分時(shí)恒定，時(shí)間相應(yīng)是分鐘級(jí)(≥5 min)。同時(shí)采用快速面向通用對(duì)象的變電站事件(generic object oriented substation event,GOOSE)通信機(jī)制的三層微電網(wǎng)體系架構(gòu)，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1 自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)

微電網(wǎng)以并網(wǎng)與孤網(wǎng)兩種方式運(yùn)行，系統(tǒng)中含有大量不穩(wěn)定的分布式電源，同時(shí)系統(tǒng)缺乏大電網(wǎng)的支撐，系統(tǒng)的高效、可靠運(yùn)行控制難度較高。與傳統(tǒng)的變電站監(jiān)控相比，微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)除了常規(guī)的監(jiān)視和控制外，其架構(gòu)需要考慮整個(gè)微電網(wǎng)的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性。

在控制方面，微電網(wǎng)內(nèi)風(fēng)機(jī)等分布式電源出力具有隨機(jī)性和波動(dòng)性，而且使用大量電力電子裝置的逆變電源不具有大電網(wǎng)的電源自同步性和慣性，微電網(wǎng)中負(fù)荷波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)電壓頻率影響更大、變化更快，而大電網(wǎng)中負(fù)荷波動(dòng)相對(duì)沖擊小。因此整個(gè)微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)需要考慮到微電網(wǎng)的快速穩(wěn)定控制。

在監(jiān)視方面，系統(tǒng)信息量大。由于微電網(wǎng)中使用儲(chǔ)能，儲(chǔ)能管理單元(battery management systems, BMS)需大量上傳電池信息如單體電池電壓、端電壓、充放電電流、荷電狀態(tài)(state of charge, SOC)、模塊箱溫度、蓄電池相關(guān)充放電控制參數(shù)、告警信息等必要信息至監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)目前項(xiàng)目實(shí)施結(jié)果來(lái)看，BMS通信信息量大，有龐大的信息點(diǎn)進(jìn)入監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)處理。因此微電網(wǎng)自動(dòng)化與保護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)既需要處理大容量的信息接入，又要保證緊急情況控制和保護(hù)的快速性。傳統(tǒng)變電站就地層與站控層的兩層架構(gòu)模式顯然無(wú)法滿足上述要求。

本文采用監(jiān)視網(wǎng)和控制網(wǎng)分離的電網(wǎng)三層兩網(wǎng)的自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)基于IEC 61850的通信體系，三層是指：優(yōu)化控制與監(jiān)視層，協(xié)調(diào)控制與保護(hù)層和就地控制與保護(hù)層。兩網(wǎng)是指：監(jiān)視采用MMS網(wǎng)，中央控制采用GOOSE網(wǎng)。兩者分開組網(wǎng)，既保證控制信息的快速性又保證監(jiān)視信息的全面性。61850 MMS制造報(bào)文系統(tǒng)和GOOSE報(bào)文通信是基于61850數(shù)字化變電站的通信基礎(chǔ)。MMS是一種應(yīng)用層協(xié)議。實(shí)現(xiàn)了出自不同制造商的設(shè)備之間的互操作性,使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)單、方便。GOOSE是IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)定義的一種通用的以對(duì)象為中心的變電站事件抽象模型，提供(如命令、告警等)快速傳輸?shù)臋C(jī)制，可用于跳閘和故障錄波啟動(dòng)等。在智能電站中MMS用于監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，GOOSE是一種實(shí)時(shí)應(yīng)用，用于傳送間隔閉鎖信號(hào)和實(shí)時(shí)跳閘信號(hào)。

圖1 微電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Micro-grid automation architecture

2 分鐘級(jí)的調(diào)度計(jì)劃曲線響應(yīng)策略

調(diào)度中心根據(jù)依據(jù)市場(chǎng)信息、風(fēng)功率預(yù)測(cè)功率以及儲(chǔ)能的運(yùn)行約束等下發(fā)本微電網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線的交換功率曲線，如圖2所示。

微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)中存儲(chǔ)了包括各種風(fēng)力出力、負(fù)荷功率、氣象資料在內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)以及來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)的氣象數(shù)據(jù)，進(jìn)行風(fēng)電出力預(yù)測(cè)和負(fù)荷預(yù)測(cè)，以最小化偏離調(diào)度系統(tǒng)功率指令為目標(biāo)，保證微網(wǎng)的可控性：

(1)

式中：Pdeviation為調(diào)度系統(tǒng)下發(fā)的有功功率與實(shí)際有功功率的偏差值；Piaverage為調(diào)度系統(tǒng)下發(fā)的時(shí)間尺度T的微電網(wǎng)與電網(wǎng)交換有功功率平均值；Pi為微電網(wǎng)實(shí)時(shí)交換的有功功率值。

為了使聯(lián)絡(luò)線功率能穩(wěn)定在設(shè)定值附近，該策略需要讀取聯(lián)絡(luò)線的實(shí)時(shí)功率和儲(chǔ)能的充放電功率，通過(guò)計(jì)算聯(lián)絡(luò)線實(shí)時(shí)功率與設(shè)定值的差值ΔPbat,得出儲(chǔ)能應(yīng)當(dāng)修正的功率大小，計(jì)算方法如圖3所示。圖3中的Pline為聯(lián)絡(luò)線的實(shí)時(shí)功率；Pref為聯(lián)絡(luò)線功率的設(shè)定值；Pbat_now為儲(chǔ)能的實(shí)時(shí)充放電功率；Pbat_new為儲(chǔ)能的期望充放電功率；ΔPbat為儲(chǔ)能的當(dāng)前功率與期望功率之差。

圖2 響應(yīng)調(diào)度計(jì)劃的聯(lián)絡(luò)線功率控制Fig.2 Power dispatching diagram

圖3 調(diào)度計(jì)劃曲線響應(yīng)策略控制邏輯Fig.3 Power dispatching logic

能量管理系統(tǒng)根據(jù)調(diào)度計(jì)劃安排，結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電預(yù)測(cè)結(jié)果，制定合理的總輸出功率目標(biāo)曲線，通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充、放電功率的實(shí)時(shí)調(diào)整以及充放電狀態(tài)的迅速切換，使“風(fēng)電系統(tǒng)+儲(chǔ)能系統(tǒng)”的總功率輸出符合計(jì)劃安排。控制效果如圖4所示。

圖4 風(fēng)儲(chǔ)配合的聯(lián)絡(luò)線輸出效果Fig.4 Wind bess tie-line output

3 毫秒級(jí)的間歇式能源平滑策略

由于風(fēng)力發(fā)電新能源具有隨機(jī)性、間歇性、出力變化快的特點(diǎn)，新能源并網(wǎng)運(yùn)行會(huì)對(duì)微電網(wǎng)運(yùn)行與控制帶來(lái)較大的影響，當(dāng)新能源的總?cè)萘窟_(dá)到一定比例后甚至?xí)o微電網(wǎng)帶來(lái)穩(wěn)定問(wèn)題。大容量的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的引入，可以有效平抑間歇式能源輸出功率的波動(dòng)性，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，并為新能源的高效利用帶來(lái)顯著的效益。

從控制效果上看，可認(rèn)為是用時(shí)間窗口為ΔT的低通濾波器對(duì)風(fēng)力發(fā)電的輸出功率進(jìn)行濾波，其某一時(shí)刻濾波輸出值應(yīng)等于ΔT時(shí)間段內(nèi)的輸出功率平均值，并以該平均值作為總輸出功率目標(biāo)值。儲(chǔ)能系統(tǒng)“濾波”作用所具備的時(shí)間窗ΔT越長(zhǎng)，濾波后的曲線越平滑，但是每次計(jì)算出的需要儲(chǔ)能放出或吸收的功率越大，所需的儲(chǔ)能容量也越大。

濾除功率波動(dòng)中的高頻分量可以使用一階巴特沃茲低通濾波器，如式(2)所示：

(2)

式中：T為濾波時(shí)間常數(shù)。

圖5 平滑濾波控制邏輯Fig.5 Smoothed control logic

考慮到風(fēng)力發(fā)電和負(fù)荷都會(huì)造成聯(lián)絡(luò)線功率的突變，因此濾波對(duì)象應(yīng)是風(fēng)力發(fā)電和負(fù)荷功率的代數(shù)和，即凈負(fù)荷。

圖5中的輸入功率信號(hào)G(s)是凈負(fù)荷，通過(guò)式(4)描述的一階濾波器得到濾波后的目標(biāo)信號(hào)O(s)，該目標(biāo)信號(hào)是風(fēng)力、負(fù)荷和儲(chǔ)能三者功率之和(即聯(lián)絡(luò)線處的功率)，其中，儲(chǔ)能的作用是減小風(fēng)力或者負(fù)荷功率突變?cè)斐傻穆?lián)絡(luò)線功率波動(dòng)的大小，如圖6所示，ΔT為O(s)中的儲(chǔ)能功率分量。

圖6 儲(chǔ)能系統(tǒng)配合間歇式能源平滑輸出控制效果Fig.6 Smoothed power control

目標(biāo)信號(hào)O(s)減去凈負(fù)荷G(s)得到儲(chǔ)能輸出功率的參考指令H(s)，若H(s)為正，則表示儲(chǔ)能要發(fā)出功率；若H(s)為負(fù)，則表示儲(chǔ)能要吸收功率。這幾個(gè)輸出量的關(guān)系如式(3)、式(4)：

(3)

(4)

儲(chǔ)能按照指令輸出功率為,與凈負(fù)荷之和即為聯(lián)絡(luò)線功率大小，用式(5)表示：

Ppcs+Pwind+Pload=Pline

(5)

由于儲(chǔ)能的濾波作用,聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)相比較凈負(fù)荷的波動(dòng)來(lái)說(shuō)，要平滑很多。

對(duì)于式(5)所示的方程，求解方法如下：

(6)

(2) 方程式右邊的y用其前一時(shí)刻的值y′來(lái)代替，并對(duì)其進(jìn)行差分化即dy=y-y′，dt=Ts，Ts為迭代步長(zhǎng)，即仿真中相鄰的時(shí)間間隔，因此可得到：

(7)

(3) 輸出信號(hào)O(s)為風(fēng)力、負(fù)荷和儲(chǔ)能的三者功率之和，即聯(lián)絡(luò)線功率，因此取y'為前一時(shí)間點(diǎn)的聯(lián)絡(luò)線功率，取x為當(dāng)前的凈負(fù)荷大小，得出的y為聯(lián)絡(luò)線功率期望，減去凈負(fù)荷即為儲(chǔ)能功率期望。

平滑控制針對(duì)間歇式可再生能源輸出功率的短期波動(dòng)，要求控制速度達(dá)到毫秒級(jí)要求(≤100 ms)。本文第1章提出的自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)中協(xié)調(diào)控制層的微電網(wǎng)中央控制器直采聯(lián)絡(luò)線的功率, 通過(guò)GOOSE與儲(chǔ)能變流器做快速的功率控制交互，GOOSE指令的通信延時(shí)低于5 ms，滿足系統(tǒng)平滑的快速性要求。

4 實(shí)例分析

4.1 聯(lián)絡(luò)線計(jì)劃輸出試驗(yàn)

為了驗(yàn)證提出微電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)以及控制策略的可行性，采用某實(shí)際微網(wǎng)系統(tǒng)，如圖7所示。1套50 kW的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，1套30 kW的儲(chǔ)能系統(tǒng)，1套50 kW的模擬負(fù)載系統(tǒng)，系統(tǒng)母線為400 V交流工頻電壓。

圖7 某微電網(wǎng)系統(tǒng)Fig.7 Micro-grid project

能量管理系統(tǒng)以風(fēng)力發(fā)電預(yù)測(cè)為參考值，作為下一小時(shí)發(fā)電計(jì)劃或進(jìn)行小時(shí)級(jí)調(diào)度的目標(biāo)值。根據(jù)發(fā)電計(jì)劃或調(diào)度，對(duì)可再生能源的輸出功率波動(dòng)、指定時(shí)段內(nèi)調(diào)度或發(fā)電計(jì)劃目標(biāo)值改變時(shí)的變化率，結(jié)合儲(chǔ)能SOC、充放電功率、運(yùn)行壽命限制以及PCS(power convert system，PCS)功率上下限限制，最后給出儲(chǔ)能系統(tǒng)最佳的充放電功率指令。風(fēng)儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制聯(lián)絡(luò)線目標(biāo)輸出功率,如圖8所示。

圖8 聯(lián)絡(luò)線計(jì)劃輸出目標(biāo)曲線Fig.8 Tie-lie output curve

4.2 儲(chǔ)能快速平滑風(fēng)電輸出波動(dòng)仿真試驗(yàn)

1 MW風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，500 kW儲(chǔ)能系統(tǒng)，采用PSCAD仿真。仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示。仿真系統(tǒng)由恒頻恒速風(fēng)電模塊、儲(chǔ)能系統(tǒng)模塊和大系統(tǒng)模塊組成。其中恒頻恒速風(fēng)電模塊又分為風(fēng)速計(jì)算模塊，槳距角控制模塊，風(fēng)力機(jī)模塊和感應(yīng)電機(jī)模塊組成；儲(chǔ)能系統(tǒng)模塊由電池模塊DC/DC變換器模塊，DC/AC變換器模塊和LCL濾波器模塊組成；大系統(tǒng)模塊由無(wú)窮大電源與系統(tǒng)等值電感組成。

圖9 儲(chǔ)能系統(tǒng)平滑功率控制仿真結(jié)構(gòu)Fig.9 Wind bess control simulated control diagram

仿真一：濾波時(shí)間常數(shù)為100時(shí)，系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖10。

圖10 Tbat1=100時(shí)儲(chǔ)能平滑風(fēng)電輸出波動(dòng)仿真Fig.10 Smooth control power curves when Tbat1=100

仿真二：濾波時(shí)間常數(shù)為20時(shí)，系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖11。

圖11 Tbat2=20時(shí)，儲(chǔ)能平滑風(fēng)電輸出波動(dòng)仿真Fig.11 Smooth control power curves when Tbat2=20

仿真過(guò)程:0 s時(shí)仿真開始,風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用轉(zhuǎn)速控制，轉(zhuǎn)速初始值為發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速值;0.01 s時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)直流母線預(yù)充電結(jié)束,直流母線電壓為750 V;1 s時(shí),風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)矩控制;2 s時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)開始濾波控制;5 s時(shí),風(fēng)力機(jī)投入槳距角控制。

由仿真可以看出，基于儲(chǔ)能平滑快速分布式電源波動(dòng)策略時(shí)，選取的濾波時(shí)間常數(shù)越大，濾波后的輸出所含高頻分量越少，輸出越平滑，濾波效果越好；濾波時(shí)間常數(shù)越小，濾波效果越差。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)、儲(chǔ)能系統(tǒng)配合間歇式能源協(xié)調(diào)控制策略的基礎(chǔ)上，提出了儲(chǔ)能系統(tǒng)的平滑輸出控制策略與計(jì)劃輸出控制策略，通過(guò)搭建了包含風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的仿真算例，驗(yàn)證了電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的平滑輸出控制策略、儲(chǔ)能系統(tǒng)的計(jì)劃輸出控制策略。本文提出的微網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)與控制方案，為微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制提供了重要的研究和應(yīng)用參考，具有較高的應(yīng)用推廣意義。

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