趙  賀1，井天軍2

　?。?.國網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)研究院，北京100075；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，北京100083）

　　摘  要： 針對(duì)目前北京地區(qū)大量接入的燃?xì)馊?lián)供及光伏發(fā)電系統(tǒng)可以采取微電網(wǎng)形式就地消納，以并網(wǎng)型燃?xì)馊?lián)供-光伏-儲(chǔ)能微電網(wǎng)系統(tǒng)為例，對(duì)熱負(fù)荷擾動(dòng)下的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)空間劃分，并根據(jù)狀態(tài)自適應(yīng)完成單元下垂方式的選擇與下垂系數(shù)的設(shè)計(jì)，通過建立PCC點(diǎn)波動(dòng)率的熵值優(yōu)化模型，對(duì)PCC點(diǎn)的交換功率進(jìn)行了實(shí)時(shí)優(yōu)化，最后通過實(shí)例仿真驗(yàn)證了所提調(diào)度及控制方法的正確性、有效性。

　　關(guān)鍵詞： 熱電聯(lián)供；微電網(wǎng)；熱負(fù)荷擾動(dòng)；狀態(tài)轉(zhuǎn)換；優(yōu)化調(diào)度；遺傳算法

0 引言

　　在北京2014年能源規(guī)劃中提出“創(chuàng)新模式，加快發(fā)展區(qū)域清潔供應(yīng)體系”，將綜合重點(diǎn)功能區(qū)熱、電、冷需求，充分利用新能源新技術(shù)，提高產(chǎn)業(yè)功能區(qū)能源供應(yīng)品質(zhì)。北京市發(fā)改委2014年07月25日向社會(huì)發(fā)布了《北京市分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目管理暫行辦法》，該文件要求重點(diǎn)推進(jìn)在國家級(jí)新能源示范區(qū)、高端功能產(chǎn)業(yè)園區(qū)、商業(yè)設(shè)施及工業(yè)園區(qū)等建筑和構(gòu)筑物上建設(shè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)；積極結(jié)合農(nóng)村城鎮(zhèn)化和新型農(nóng)村社區(qū)建設(shè)分布式光伏屋頂系統(tǒng)。由此可見未來光伏分布式發(fā)電及冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)將成為北京市配電網(wǎng)接入的主要分布式電源形式，但目前燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)主要從建筑節(jié)能與能源綜合效率提升角度考慮[1-2]，未考慮其在以熱定電模式并網(wǎng)后對(duì)公用電網(wǎng)的影響，綜合三聯(lián)供系統(tǒng)與光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率擾動(dòng)對(duì)配電網(wǎng)的影響暫無研究。為此，本文以左安門智能小區(qū)微電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究三聯(lián)供系統(tǒng)與光伏發(fā)電接入控制策略及優(yōu)化調(diào)度模型，以實(shí)現(xiàn)與配電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線反送功率平滑，抑制其對(duì)配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的影響。

1 微電網(wǎng)運(yùn)行分層控制模式

　　典型的三聯(lián)供-光伏-儲(chǔ)能微網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示，目前分布式電源的控制方法研究，主要為集中控制和分散協(xié)調(diào)控制[3-6]。集中控制包含單元控制器和儲(chǔ)能系統(tǒng)中央控制器，依賴通訊線，便于與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度，但對(duì)控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性要求較高；分散協(xié)調(diào)控制中各儲(chǔ)能控制單元間沒有通訊線聯(lián)系，主要采用并聯(lián)逆變器的下垂控制來實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)負(fù)荷功率的合理分配。

　　分布式電源的調(diào)度依靠微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)中的儲(chǔ)能調(diào)度模塊，調(diào)度方法與微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和離/并網(wǎng)運(yùn)行方式密切相關(guān)，對(duì)含有儲(chǔ)能裝置，可控負(fù)荷和可調(diào)度電源的微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性有重要影響[7]。在圖1所示的分布式電源控制結(jié)構(gòu)中，下級(jí)蓄電池組、光伏控制器包含孤島檢測(cè)裝置，雙向變流器根據(jù)離/并網(wǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變控制方式；上級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)中央控制器根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)、可用容量和分時(shí)電價(jià)下發(fā)調(diào)度指令。

2 微電網(wǎng)單元基本控制策略

　　在微電網(wǎng)孤島運(yùn)行的情況下，并聯(lián)的儲(chǔ)能單元、微型燃?xì)廨啓C(jī)等常采用下垂控制的策略，間歇性微電源如光伏發(fā)電等和燃?xì)馊?lián)供采用P-Q控制策略。本文采用下垂控制與反下垂控制結(jié)合的協(xié)調(diào)控制策略，即多個(gè)并聯(lián)逆變器中存在一個(gè)V-f控制的儲(chǔ)能逆變器采用P-V和Q-f下垂控制，其余P-Q控制的并網(wǎng)逆變器采用V-P和f-Q反下垂控制[8-10]。采用本方法優(yōu)勢(shì)如下：

　　(1)在本方法中，微電網(wǎng)系統(tǒng)電壓/頻率作為P-Q控制的并聯(lián)逆變器的功率輸出參考信號(hào)，避免了多個(gè)并聯(lián)逆變器采用下垂控制時(shí)，線路阻抗可能引起有功和無功功率的耦合問題；

　　(2)由于間歇性微電源受到環(huán)境因素（如光照、溫度）隨機(jī)波動(dòng)的影響，在微電網(wǎng)發(fā)電盈余的情況下，微電源采用反下垂控制方法線性的減少發(fā)電功率而不是簡(jiǎn)單地?cái)嚅_，可以對(duì)微電網(wǎng)隨機(jī)波動(dòng)產(chǎn)生平抑作用，維持微電網(wǎng)功率平衡。

　　圖2所示為V-f控制的逆變器雙環(huán)下垂控制結(jié)構(gòu)。逆變器內(nèi)環(huán)采用V-f控制，其參考頻率V和參考電壓f由外環(huán)決定。逆變器信號(hào)測(cè)量模塊測(cè)量逆變器輸出的三相電壓ea、eb、ec和電流ia、ib、ic，外環(huán)根據(jù)輸出電壓電流計(jì)算輸出功率P和Q，并由此確定逆變器運(yùn)行的參考頻率V和參考電壓f，V和f的確定方法如式(1)所示。

　　U=-KV(P-P0)+U0

　　f=-KW(Q-Q0)+f0(1)

　　式中KV、KW為下垂控制系數(shù)，U0、f0為額定電壓和額定頻率，P0、Q0為額定電壓和額定頻率下逆變器輸出的基準(zhǔn)有功功率和基準(zhǔn)無功功率。

　　逆變器內(nèi)環(huán)采用P-Q控制，其參考有功功率P?鄢和參考無功功率Q由外環(huán)決定，并通過鎖相環(huán)實(shí)時(shí)跟蹤電網(wǎng)電壓和頻率。逆變器信號(hào)測(cè)量模塊測(cè)量逆變器輸出的三相電壓ea、eb、ec和電流ia、ib、ic，外環(huán)根據(jù)輸出電壓電流計(jì)算輸出參考功率P和Q，其計(jì)算公式如式（2）所示。

　　式中KP、KQ為反下垂控制系數(shù)，U0、f0為額定電壓和額定頻率，P0、Q0為額定電壓和額定頻率下逆變器輸出的基準(zhǔn)有功功率和基準(zhǔn)無功功率。

　　微電網(wǎng)下垂與反下垂結(jié)合的協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖中儲(chǔ)能單元采用下垂控制的方法。微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器通過通訊線下發(fā)各個(gè)微電源的額定電壓/頻率和基準(zhǔn)功率，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整儲(chǔ)能裝置的額定電壓頻率，將系統(tǒng)電壓頻率波動(dòng)控制在設(shè)定的范圍內(nèi)；通過動(dòng)態(tài)調(diào)整微電源基準(zhǔn)功率點(diǎn)，可以線性調(diào)節(jié)間歇性微電源輸出功率。本控制策略在微電網(wǎng)；離網(wǎng)且發(fā)電功率盈余時(shí)，維持系統(tǒng)穩(wěn)定有重要意義。

3 適應(yīng)熱負(fù)荷擾動(dòng)的調(diào)度方法

　　在微電網(wǎng)的運(yùn)行控制中，應(yīng)當(dāng)減小微網(wǎng)與大電網(wǎng)PCC處的交換功率以達(dá)到系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)定性，尤其是微網(wǎng)內(nèi)部發(fā)電盈余向電網(wǎng)饋電時(shí)，微網(wǎng)PCC上游配置的保護(hù)可能出現(xiàn)誤動(dòng)或拒動(dòng)現(xiàn)象。本文為簡(jiǎn)化分析過程，只以PCC處交換功率絕對(duì)值的平均功率偏差作為運(yùn)行控制的分析指標(biāo)，將微網(wǎng)饋電和受電進(jìn)行同等考慮。優(yōu)化模型中，儲(chǔ)能系統(tǒng)每時(shí)刻充放電功率Pess應(yīng)為優(yōu)化變量，因此優(yōu)化可看作實(shí)時(shí)滾動(dòng)優(yōu)化的過程。定義時(shí)間窗口T，窗口內(nèi)包含N個(gè)采樣點(diǎn)，則在窗口T內(nèi)的控制優(yōu)化目標(biāo)F如式（3）所示。

　　式中Pmt(i)分別為i時(shí)刻微型燃汽輪機(jī)總輸出功率，分為供熱負(fù)荷及供電負(fù)荷功率；Ppv(i)為i時(shí)刻光伏輸出功率；Peqload(i)為i時(shí)刻微網(wǎng)內(nèi)等效負(fù)荷功率，為熱負(fù)荷及電負(fù)荷之和；Pess(i)為儲(chǔ)能系統(tǒng)i的輸出功率，發(fā)出為正，吸收為負(fù)。

　　在上述滾動(dòng)優(yōu)化中，在每個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)的優(yōu)化均獨(dú)立于其他窗口優(yōu)化結(jié)果，但實(shí)際運(yùn)行中，上一窗口優(yōu)化下的儲(chǔ)能充放電序列將直接影響下一窗口內(nèi)儲(chǔ)能充放電能力，進(jìn)而制約優(yōu)化效果，因此在整個(gè)時(shí)域內(nèi)最后可能出現(xiàn)各窗口下的優(yōu)化結(jié)果差異較大。為使總時(shí)域內(nèi)各窗口優(yōu)化結(jié)果差異較小，引入熵值以對(duì)系統(tǒng)混亂和無序狀態(tài)進(jìn)行度量，當(dāng)系統(tǒng)處于唯一狀態(tài)時(shí)，其有序程度最高，相應(yīng)熵值最小為0，當(dāng)系統(tǒng)處于多種狀態(tài)且等概率出現(xiàn)時(shí)，其有序程度最低，對(duì)應(yīng)熵值最大。將上述求得各窗口下的F值按大小均分區(qū)間U={U1，U2，U3，…，Un}，則將本文熵值模型定義如下：

　　式中n為區(qū)間數(shù)，F(xiàn)k.max、Fk.min分別為區(qū)間[Uk，Uk+1]內(nèi)F最大值、最小值，?滋k為區(qū)間[Uk，Uk+1]內(nèi)Fi出現(xiàn)的頻率。這里引入了F峰谷差值作為衡量F波動(dòng)性大小的懲罰系數(shù)，即當(dāng)峰谷差值較大時(shí)，即使F有序性較強(qiáng)，熵值依然會(huì)較大，只有當(dāng)峰谷差值較小且F有序性較強(qiáng)時(shí)，熵值才會(huì)最小。

　　將式（4）作為外層優(yōu)化目標(biāo)如式（5）所示，式（3）作為內(nèi)層優(yōu)化目標(biāo)，其優(yōu)化流程圖如圖4所示。

　　根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC限值及2倍額定充放電功率作為當(dāng)前充放電功率的限值，即優(yōu)化變量的約束條件如式（6）-式（8）所示。

　　0≤Pess.ch(i)≤2·Prate，2·Prate<Pess.max ch(i)

　　0≤Pess.ch(i)≤Pess.max ch(i)，2·Prate≥Pess.max ch(i)(7)

　　0≤Pess.dic(i)≤2·Prate，2·Prate<Pess.max dic(i)

　　0≤Pess.dic(i)≤Pess.max ch(i)，2·Prate≥Pess.max dic(i)(8)

　　式（6）中Pess.max ch(i)、Pess.max dic(i)為儲(chǔ)能根據(jù)當(dāng)前i時(shí)刻SOC值及SOC大小限值SOCmax、SOCmin所確定的i時(shí)刻最大充、放電功率，其中rC、rD為儲(chǔ)能充、放電效率，δ為儲(chǔ)能自放電量，t為采樣時(shí)間間隔。式(7)、(8)分別為儲(chǔ)能當(dāng)前充、放電功率的具體約束，在約束中將儲(chǔ)能額定充放電功率Prate考慮其中，認(rèn)為儲(chǔ)能最大允許工作在2倍的額定充放電功率下。

　　式(7)、(8)通過2Prate與Pess.max ch(i)、Pess.max dic(i)的對(duì)比實(shí)際上縮小了優(yōu)化變量的約束范圍，并通過i時(shí)刻充、放電的解耦約束進(jìn)一步縮小了優(yōu)化變量的搜索解空間，減小了優(yōu)化計(jì)算量。

　　在優(yōu)化算法中本文采用遺傳算法，其參數(shù)中交叉概率和變異概率選擇是影響遺傳算法行為和性能的關(guān)鍵所在，直接影響算法的收斂性，交叉概率越大，新個(gè)體產(chǎn)生的速度越快。然而交叉概率過大時(shí)遺傳模式被破壞的可能性越大，使得具有高適應(yīng)度的個(gè)體結(jié)構(gòu)容易遭到破壞；但如果交叉概率過小，會(huì)使搜索過程緩慢，以至停止不前。因此，改進(jìn)一種交叉概率和變異概率隨適應(yīng)度自動(dòng)改變的自適應(yīng)算法，改進(jìn)后的交叉概率Pc和變異概率Pm如式(9)、(10)所示：

　　式中fmax、favg、f、f′分別為種群中最大適應(yīng)度值、平均適應(yīng)度值、兩交叉?zhèn)€體中較大的適應(yīng)度值、要變異個(gè)體適應(yīng)度值。此外在自適應(yīng)算法中引入多位變異，可增加種群的多樣性。

4 仿真分析

　　本文所采用微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、機(jī)組容量及儲(chǔ)能容量如圖5所示。光伏額定功率為100 kW，微型燃汽輪機(jī)額定功率為50 kW，儲(chǔ)能配置為100 kW/100 kWh。

　　優(yōu)化計(jì)算中，選取一天為總計(jì)算時(shí)間長度，時(shí)間窗口T=5 min，采樣間隔取1 min，則每執(zhí)行一次遺傳算法時(shí)，包含5個(gè)變量，遺傳種群個(gè)體取50，最大迭代次數(shù)取50，雜交、變異概率分別取0.9、0.05，離散精度取0.01。在儲(chǔ)能參數(shù)中，rC、rD分別為0.95、0.9，SOCmax、SOCmin分別為0.9、0.2，自放電率δ取0.02。定義如下方案：

　　(1)未接入儲(chǔ)能系統(tǒng)；

　　(2)接入儲(chǔ)能系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，但不加入熵優(yōu)化；

　　(3)接入儲(chǔ)能系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，并接入熵優(yōu)化。

　　運(yùn)行優(yōu)化程序，三種方案下F值曲線如圖6所示。方案(2)、(3)由于接入了儲(chǔ)能系統(tǒng)，因此各時(shí)間窗口下的F值遠(yuǎn)小于方案(1)。又由于方案(3)對(duì)考慮了F的熵值函數(shù)，因此最終其F曲線的峰谷差、波動(dòng)性均小于方案(2)。

　　進(jìn)一步考察PCC點(diǎn)處的交換功率如圖7所示，由于熱負(fù)荷的擾動(dòng)，方案(1)在未接入儲(chǔ)能下一些時(shí)刻出現(xiàn)尖刺情況，方案(3)由于通過對(duì)熵的優(yōu)化進(jìn)而調(diào)整了儲(chǔ)能充放電功率，使其更為合理，因此PCC點(diǎn)交換功率的平滑效果要優(yōu)于方案(2)。方案(2)、(3)下儲(chǔ)能充放電曲線如圖8所示。

5 結(jié)論

　　燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)與光伏發(fā)電從自身經(jīng)濟(jì)性出發(fā)一般對(duì)電網(wǎng)表現(xiàn)為隨機(jī)性負(fù)荷，在總?cè)萘窟_(dá)到兆瓦級(jí)對(duì)配電網(wǎng)穩(wěn)定具有明顯破壞作用，針對(duì)目前北京地區(qū)大量接入的燃?xì)馊?lián)供及光伏發(fā)電系統(tǒng)可以采取微電網(wǎng)形式就地消納，本文以并網(wǎng)型燃?xì)馊?lián)供-光伏-儲(chǔ)能微電網(wǎng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)熱負(fù)荷擾動(dòng)下的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)空間進(jìn)行了劃分，并根據(jù)狀態(tài)自適應(yīng)完成單元下垂方式的選擇與下垂系數(shù)的設(shè)計(jì)，建立了PCC點(diǎn)波動(dòng)率的熵值優(yōu)化模型，對(duì)PCC點(diǎn)的交換功率進(jìn)行了實(shí)時(shí)優(yōu)化，仿真結(jié)果表明本文的調(diào)度方法及控制策略能夠有效降低PCC點(diǎn)交換功率的波動(dòng)性。

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