基于需求側響應的光伏直流微網智慧管控平臺設計

祝永剛，呂 超

（國網山東省電力公司濟南市歷城區供電公司，山東 濟南250100）

將直流組成的微電網稱為直流微電網，其對于實現節能減排、保證能源儲蓄性發展有著推動意義[1]。與交流微電網的區別在于其對于風、光等分布式可再生能源的發電系統、儲能系統等可更為安全地接入。由于光伏直流微電網在應用時，區域性限制較小，因此，成為應用最為廣泛的可再生資源電網發力[2]。智慧管控平臺是用于實現光伏直流微電網運行管理、能源安全可靠運行的一種管理和控制平臺[3]。需求側響應可理解為是通過對原始用電模式實行調整，在保證正常用電的基礎上，提升用電終端的用電效率、降低消耗，以此實現用電的有效控制，使電力系統的經濟性和安全性得到明顯提升[4]。當下，用電需求逐漸增加，但光伏發電自身存在明顯的間歇性以及波動性的特性，對于實現區域內大范圍的光伏發電微網的合并存在明顯影響，對于電網系統的運行安全性帶來一定隱患，不利于智慧管理和控制[5]。本文基于需求側響應，設計光伏直流微網智慧管控平臺，實現該微網的全面控制，并滿足用戶用能需求側響應。

1 基于需求側響應的光伏直流微網智慧管控平臺

1.1 平臺架構

智慧管控平臺采用5層架構設計，包含測控層、網絡層、數據層、管控層以及平臺層，其架構如圖1所示。

圖1 平臺架構

測控層將采集的光伏直流微網內光伏組件、風機、逆變器等設備信息通過網絡層傳入數據層，該層對接收的信息進行清洗、融合等處理后，對數據實行分析后實行分布式存儲以及數據展示[6]，管控層以數據信息為支撐，實現光伏直流微網的全面管控，將管控結果呈現至平臺層，實現需求側響應。

測控層：該層主要利用消息推送、數據總線以及ETL（extracttransformload）將光伏直流微網內所有的設備信息通過網絡層傳入數據層。

網絡層：該層主要用于支撐平臺各層間的數據傳輸和通信，包含網關、服務接口、通信接口以及防火墻等[7]，保證數據的實時、安全傳輸。

數據層：該層用于存儲光伏直流微網全部信息的分布式存儲，并且通過數據模型實現數據的清洗、分析、融合等[8]，提供數據服務，為平臺各類業務的執行提供數據支撐。

管控層：管控層作為平臺的執行核心層，通過控制器完成光伏直流微網設備狀態、運維、應急等方面管理，實現用戶需求側響應以及光伏直流微網優化調度[9]；同時可完成各類信息的統計。

平臺層：該層是平臺的展示層，用戶可通過該層查看微網信息以及監控信息；同時用戶可通過該層發布服務以及管理指令。

1.2 平臺數據處理結構

平臺管控的實現，是以數據為支撐，為實現光伏直流微網的智慧管控，數據的處理效率是系統運行的關鍵部分，為保證數據的處理過程中時間成本的最小化、數據采集的完整化，滿足平臺微網管控數據的高速擴張以及線性增長，結合系統運行的數據源相同的特點，設計管控層和數據層獨立處理功能[10]，則平臺數據處理結構如圖2所示。

圖2 平臺數據處理結構

平臺中管控和數據間獨立運行，但是業務執行過程中，兩者可通過方法達到聯合執行，數據層實現數據的專業處理和運算，管控層完成數據的調用[11-12]，可快速完成復雜數據的任務處理。

1.3 逆變器結構

逆變器是光伏直流微網中用于實現直流電能轉換的裝置，其對于光伏直流微網的整體性能存在直接影響，可提升光伏發電的效率和質量，使能量損失降低[13]。逆變器共由3個部分構成，分別為逆變、控制以及輸出濾波。

通過光伏組件完成太陽能的轉換，形成輸出電壓，該電壓此時呈不穩定狀態，通過Boost對該電壓實行轉換，形成穩定的直流電壓后，經由STM32控制轉換成工頻交流電，用于輸出；其中通過采樣電路采樣實現逆變器的過壓、過流的保護。

1.4 需求側響應管理模型

在電力系統不斷發展下、需求逐漸多樣化，因此需要構建需求側響應管理模型，針對用電高峰時期的需求側可轉移負荷實行控制，以滿足用戶用能需求側響應。可轉移負荷是以簽署的協議為依據，在用電高峰期，用戶接受調度中心的調動信號后執行響應，調度靈活性較高的負荷，將其調動至非高峰期[14,15]，或者新能源出力的高峰期；調度完成后，用戶將獲取相應補償，其公式為：

式中：CDR為補償后用戶負荷；ρ為在負荷調度時產生的補償系數；Lin,t和Lout,t為t時刻轉入和轉出的負荷量；t=1,2,…,N。當Lout,t≥0、Lin,t=0，則負荷則小于光伏出力；如果負荷則大于光伏出力，那么Lout,t≥0、Lin,t=0。

1.5 光伏直流微網優化調度模型

1.5.1 目標函數

智慧管控平臺的目的是實現用電的有效控制，使電力系統的經濟性和安全性明顯提升，基于此平臺以實現最大化的光伏消納量、最小化的運行成本為控制目的，完成智慧管控。該管控包含光伏、儲能以及需求側響應多個方面。

最大化的光伏消納量以及最小化的運行成本為平臺控制的主要目的，其目標函數的公式為：

式中：PL,t為光伏出力，屬于被消納的負荷；P+S,t為t時刻發生的充電功率，屬于儲能系統消納；e為購電價格；PN,t為t購買的電量；ε為懲罰因子。該懲罰因子可實現問題間的轉化，即為優化和經濟調度之間，該值過大后者過小都對運行成本的計算存在影響，因此，運算時需確定其最佳取值。為保證運行成本，設定該影響因子取值不大于1。

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

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

1.5.2 約束條件

光伏直流微網可靠性約束：光伏直流微網運行過程中，需保證其滿足運行時間的穩定的標準，同時電力系統容量需對儲能系統的存儲電能實行掌控，則在t時刻內，儲能系統的電能存儲需符合公式（3）的標準：

式中：Smin和Smax分別為儲能容量，前者對應最小，屬于所需配置，且處于重要負荷穩定運行時間達到30min時；后者對應最大。

儲能系統功率約束：在一定程度上，約束儲能系統以及放電的實時功率，約束條件為：

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

電力系統余下電能依據與儲能系統充電功率存

在關聯，其為：

需求側響應約束：為形成虛擬發電組用于電力系統調度，需對用電模式實行調整，使用電效率提升、電能消耗減少。對可轉移負荷實行約束，其條件為：）

式中：Lmaxin和Lmaxout分別為t時刻轉入和傳出負荷上限。

在單獨調度周期內，轉入的總負荷量與轉出總量相等，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定較多，為了實現算法的快速收斂，求解最優解，保證所有變量均在約束范圍內。

2 測試分析

為測試本文所設計平臺的管控性能和效果，將本文平臺用于山東省電力公司濟南用電公司彩石供電所，實行相關測試。該供電所的管理目的為降低運行成本，增加經濟效益。該供電所的光伏直流微網包含兩部分，分別為光伏系統和儲能系統，其中光伏系統的最大容量為1.32MW，儲能系統包含兩套磷酸鐵鋰電池，其容量為75Ah，電壓為48V。儲能系統參數和需求側相應參數如表1所示。

表1 參數詳情

獲取光伏出力預測值和典型日負荷曲線，如圖3所示。

依據圖3可知：在一天24h內，負荷量和光伏出力呈現不同的波動變化，在01∶00—05∶00，光伏出力為0，06∶00光伏出力開始增加，08∶00以后增加趨勢顯著，上升趨勢明顯，17∶00開始則顯著下降，當在20∶00，重新為0，一天內，光伏出力最高的時間段為09∶00—17∶00時，該時間段內的負荷量顯著低于光伏出力；在光伏出力為零的兩個時間段內，負荷量均在6MW以上。

為測試平臺管控效果，測試平臺在一周內，實行需求側響應管理前后，光伏消納率、購電量以及購電費用的變化結果如圖4所示。其中，購電價格為0.5元/kWh。

圖4 需求側響應管理前后的對比結果

根據圖4測試結果可知：平臺管理前，該供電所的光伏消納率低于45%，并且購買電量均在95MW以上，產生的購電費用均在5萬元上下波動，平臺實行管理后，光伏消納率明顯提升，均在60%以上，購買電量均低于82MW，同時產生的購電費用均在4萬元上下波動，可使微網運行成本明顯降低。該結果直觀體現平臺對光伏直流微網實行控制后，可在經濟效益方面達到良好效果，符合該實驗對象的管理目的，并且達到滿意結果。

為進一步分析平臺的管控效果，結合光伏輸出功率存在的隨機波動的特征，測試本文平臺控制后，參考典型日光伏數據，隨機獲取該供電所一周內的某日光伏出力變化結果，如圖5所示；同時獲取該供電所2臺儲能蓄電池的功率響應情況，結果如圖6所示。

圖5 日光伏出力變化結果

圖6 蓄電池的功率響應情況

根據圖5測試結果可知：本文平臺應用后，執行需求側響應管理后，可實現部分負荷轉移，可將01∶00—05∶00、20∶00—24∶00的時間段內負荷調度至09∶00—17∶00的時間段內，降低出伏功率的負荷去除功率，最大程度使負荷曲線和光伏出力曲線接近，減小兩者之間的差距，以此達到經濟效益最大化的控制目的。

根據圖6測試結果可知：在本文設計平臺的控制下，可實現蓄電池功率補償以及電池的平穩控制，實現儲能的均衡控制，合理分配功率分配，以此保證光伏直流微網的有效控制。

為分析平臺在微網在模式切換時的控制效果，測試平臺在并、離網兩種模式切換時母線電壓變化情況、蓄電池切換時的狀態變化，結果如圖8所示。

依據圖7測試結果可知：在并網模式時，光伏值處于輸出中，此時，電壓發生較小波動后，處于平穩狀態；當發生模式轉換后，變成離網模式后，光伏輸出變為0；除此之外，2個蓄電池在并網模式時，為充電狀態，當發生模式轉換后，變成離網模式后，2個蓄電池同時進入放電模式。但是在上述情況下，0.32s發生模式轉換后，母線電壓并沒有發生波動，一直呈平穩狀態，該結果表明本文平臺的控制效果良好，可控制光伏直流微網在轉換模式下的平穩運行。

圖7 模式切換測試結果

3 結束語

新能源的發展和廣泛應用，為有效控制其在應用過程的運行成本、并提升經濟效益，本文設計基于需求側響應的光伏直流微網智慧管控平臺，并將其應用在山東省電力公司濟南用電公司彩石供電所，依據其控制目的實行相關測試。結果表明：本文所設計平臺可顯著提升光伏消納率，最大化實現負荷調度轉移，達到經濟效益最大化的控制目的，并且在微網發生模式轉換時，依舊可控制微網的平穩運行。