基于動(dòng)態(tài)電價(jià)引導(dǎo)的風(fēng)光水儲(chǔ)多源能量管理

王雅慧+姚景昌+佘海湘+易靈芝

摘??要：樓宇智能微網(wǎng)采用一個(gè)多輸入直流變換器，代替多個(gè)單輸入直流變換器，實(shí)現(xiàn)風(fēng)光水儲(chǔ)能量匯集，簡(jiǎn)化電路，降低成本，提高能源綜合利用率。它優(yōu)先利用分布式能源，并能根據(jù)大電網(wǎng)動(dòng)態(tài)引導(dǎo)電價(jià)移峰填谷，降低樓宇總電費(fèi)，還利用儲(chǔ)能裝置和抽水儲(chǔ)能賺取電網(wǎng)峰谷差價(jià)。多種分布式能源單獨(dú)/同時(shí)連續(xù)供給負(fù)荷，增加新能源消納能力，提高自動(dòng)需求響應(yīng)的快速性、可靠性和靈活性。小功率仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了多源能量匯集的可行性和混合供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)電價(jià)引導(dǎo)，風(fēng)光水儲(chǔ)混合供電系統(tǒng)，多源能量綜合管理，移峰填谷，多輸入直流變換器

中圖分類號(hào)：TM727 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research?of?Comprehensive?Energy?Management?for?Multi-Resource?in?Wind-PV-Water?Storage?Power?System?based?on?Dynamic?Price?Guide

WANG?Yahui，?College?of?Electrical?and?Information?Engineering，?Hunan?University，?Changsha?410082

RAO?Jingchang，?College?of?Applied?Technology，?Hunan?Institute?Engineering，?Xiangtan，?411101

SHE?Haixiang，?Department?of?Electricity，?Hunan?Railway?Professional?Technology?College，?Zhouzhu，?412001

YI?Lingzhi*，?Wind?Power?Equipment?and?Power?Conversion?2011?Collaborative?Innovation?Center，?Hunan?Province?Xiangtan，?411105

Abstract：?In?intelligent?building?Microgrid，?a?multiple?input?Buck-Boost?DC/DC?converter?is?adopted?to?replace?many?single?input?DC/DC?converter，?all?energy?of?wind-PV-water?battery?can?be?collected，?the?circuit?structure?can?be?simplified，?the?cost?can?be?reduced，?and?the?comprehensive?utilization?rate?of?distributed?energy?can?be?increased.?Where?distributed?energy?is?priority?to?use.?By?dynamic?price?guide，?the?Load?Shifting?can?be?achieved.?Of?course，?the?total?electricity?fees?of?intelligent?building?Microgrid?will?be?reduced.?The?price?difference?between?peak?and?valley?of?Power?grid?can?be?earned?by?energy?storing?and?pumped?storage.?Multi-distributed?energy?can?continuous?power?to?load?individually?or?synchronously?to?increase?the?distributed?energy?absorptive?capacity，?the?rapidity，?reliability，?and?flexibility?of?automatic?demand?response?can?be?improved?greatly.?The?feasibility?of?multi-resource?collection?and?stability?of?wind-PV-water?battery?hybrid?power?supply?system?can?be?verified?by?small?power?MATLAB?simulation.

Key?words：?Dynamic?price?guide，?Wind-PV-water?battery?hybrid?power?system，?Load?Shiftin，?Comprehensive?energy?management?for?multi-resource，?Multi-inputs?DC/DC?converter

1.引言

隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭和環(huán)境的惡化，風(fēng)、光、水、地?zé)帷⑸镔|(zhì)能等綠色可再生能源以其經(jīng)濟(jì)性、清潔性、儲(chǔ)能豐富等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到重視。微網(wǎng)將風(fēng)分布式電源、負(fù)荷和儲(chǔ)能裝置整合，平滑切換并網(wǎng)和孤島運(yùn)行模式，提高分布式電源利用率?[1-2]。在樓宇智能微網(wǎng)充分利用風(fēng)能和光能在時(shí)間及地域上的天然互補(bǔ)性，減小間歇性和隨機(jī)性的影響，并通過(guò)儲(chǔ)能裝置進(jìn)行蓄電削峰，增加可分布式再生能源的消納[3]。

2.樓宇智能微網(wǎng)風(fēng)光水儲(chǔ)聯(lián)合供電系統(tǒng)

直流微網(wǎng)通過(guò)直流總線方式，將分布式新能源電力通過(guò)能源匯集變換器、儲(chǔ)能裝置直接給本地直流負(fù)載供電，省去并網(wǎng)逆變、電能傳輸、用電端整流等環(huán)節(jié)，節(jié)省建設(shè)成本（約30%），降低損耗（約15%）。在樓宇智能微網(wǎng)中，采用一個(gè)多輸入/直流能量匯集器，代替多個(gè)單輸入直流變換器，完成太陽(yáng)能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電等分布式能源的能量收集，簡(jiǎn)化電路，降低成本，提高能源綜合利用率。它能根據(jù)大電網(wǎng)動(dòng)態(tài)引導(dǎo)電價(jià)、對(duì)微網(wǎng)中可控負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)：（1）高峰期卸去部分次要負(fù)荷，推遲部分負(fù)荷的運(yùn)行時(shí)間，含電機(jī)的空調(diào)等家電采用變壓調(diào)速驅(qū)動(dòng)，減少總電費(fèi)，實(shí)現(xiàn)移峰;分布式能源和儲(chǔ)能單元甚至可以賣電給大電網(wǎng)，獲得額外經(jīng)濟(jì)利益;（2）低谷期通過(guò)儲(chǔ)能裝置充電、水力發(fā)電機(jī)抽水蓄能等方法，存儲(chǔ)大電網(wǎng)的低價(jià)（或者免費(fèi)）電能，實(shí)現(xiàn)填谷，攢取峰谷差價(jià)。

樓宇智能微網(wǎng)風(fēng)光水儲(chǔ)聯(lián)合供電系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電電源（開(kāi)關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出脈動(dòng)的直流電）、光伏發(fā)電電源、水力發(fā)電機(jī)、蓄電池儲(chǔ)能裝置、能量匯集器和智能控制模塊構(gòu)成，各輸入源均通過(guò)一個(gè)多輸入直流變換器進(jìn)行直流升/降壓變換和能量匯集，輸出到公共直流母線上，優(yōu)先供電給本地多種直流負(fù)荷，再通過(guò)逆變器供電給本地交流負(fù)荷，見(jiàn)圖1。

圖1樓宇智能微網(wǎng)風(fēng)光水儲(chǔ)聯(lián)合供電系統(tǒng)

3?風(fēng)光水儲(chǔ)多源能量匯集

3.1多源能量匯集器

圖2?多輸入/單輸出Buck-Boost變換器

風(fēng)光水儲(chǔ)多源能量匯集采用多輸入/單輸出Buck-Boost?變換器，根據(jù)不同輸入源的電壓、電流及控制占空比，它能在Buck、Boost、Buck-Boost模式下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)升壓、降壓、升/降壓[4]，改善供電質(zhì)量。圖2中，S1、S2、…、Sn+1為功率開(kāi)關(guān)管，V1、V2、…、Vn分別為變換器的多個(gè)分布式輸入源，VD1、VD2、…、VDn為續(xù)流二極管，VDR為輸出整流二極管，L和C分別為電感和輸出濾波電容，R為負(fù)荷。

應(yīng)用伏秒平衡原理，對(duì)電感L，輸出電壓

可知：有n個(gè)分布式能源輸入時(shí)，輸出電壓只與各輸入源電壓、對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)管占空比有關(guān);負(fù)荷不變時(shí)，輸出功率基本穩(wěn)定[5]。

3.2?多源能量雙閉環(huán)控制

圖3為基于多輸入/單輸出Buck-Boost變換器的多源能量匯集控制原理圖，采用主/從式電壓、電流雙閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)多輸入/源的輸入功率分配和能量匯集管理。風(fēng)光水儲(chǔ)樓宇智能微網(wǎng)聯(lián)合供電系統(tǒng)中，風(fēng)力發(fā)電有噪聲，設(shè)定太陽(yáng)能光伏發(fā)電優(yōu)先級(jí)最高，通過(guò)電壓調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器1實(shí)現(xiàn)電壓、電流雙閉環(huán)控制。開(kāi)關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)先級(jí)第二，通過(guò)電壓調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器2實(shí)現(xiàn)電壓、電流雙閉環(huán)控制。水力發(fā)電機(jī)優(yōu)先級(jí)第三，其輸出交流電經(jīng)整流為直流，通過(guò)電壓調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器3實(shí)現(xiàn)電壓、電流雙閉環(huán)控制。蓄電池優(yōu)先級(jí)最低，通過(guò)電壓調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器4實(shí)現(xiàn)電壓、電流雙閉環(huán)控制。從原理上推導(dǎo)，還可以擴(kuò)展到n個(gè)輸入源，可繼續(xù)增加燃料電池、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、潮汐能、波浪能等輸入源，以及超?jí)電容、飛輪等儲(chǔ)能裝置?？刂圃矸治鋈缦拢?/p>

（1）?輸出反饋電壓Vof與參考電壓Vor的偏差經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行PI控制，輸出Ve。Ve送入電流環(huán)，疊加基準(zhǔn)電流Ii2r后得I'i2r。

（2）?I'i2r>0，輸入反饋電流Ii2f與I'i2r的偏差，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器2進(jìn)行PI控制，送PWM發(fā)生器，得開(kāi)關(guān)管S2的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電壓、電流雙閉環(huán)控制。此時(shí)VD1截止，實(shí)際反饋電流Ii1f與基準(zhǔn)電流Ii1r的偏差，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器1進(jìn)行PI控制，送PWM產(chǎn)生器，得到S1的控制信號(hào)。

（3）?若I'i2r<0，電流調(diào)節(jié)器2輸出為負(fù)，S2關(guān)斷;VD1導(dǎo)通，I'i2r疊加基準(zhǔn)電流Ii1r得到I'i1r，與實(shí)際反饋電流Ii1f比較，偏差經(jīng)電流調(diào)節(jié)器1進(jìn)行PI控制，送PWM發(fā)生器得S1的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電壓、電流雙閉環(huán)控制。同時(shí)，S1、S2、S3。。。Sn的占空比經(jīng)或門輸出得到開(kāi)關(guān)Sn+1的控制信號(hào)，?控制多輸入/單輸出Buck-Boost變換器開(kāi)關(guān)管的通/斷時(shí)間，實(shí)現(xiàn)功率協(xié)調(diào)控制和多源能量匯集。

同理，可以分析出電流調(diào)節(jié)器3、電流調(diào)節(jié)器4等其他分布式能源輸入的雙閉環(huán)控制。

圖3?多源能量匯集雙閉環(huán)控制原理圖

4.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1?仿真模型

4.1.1太陽(yáng)能光伏發(fā)電仿真模型

依據(jù)太陽(yáng)能電池單指數(shù)模型中短路電流和禁帶寬度的關(guān)系，搭建基于禁帶寬度的太陽(yáng)能電池?cái)?shù)學(xué)模型

（4）

其中，Id為二極管飽和電流，q為電荷電量，A為二極管因子，K為波爾茲曼常數(shù)T為電池溫度，V為太陽(yáng)能光伏電池輸出電壓[6]。

以JKM250P-60太陽(yáng)能光伏電池為例，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（1000W/m2，25℃）下，最大功率Pm=250W，開(kāi)路電壓Voc=37.7V，短路電流Isc=8.85A，最大功率點(diǎn)電壓Vm=30.5V，最大功率點(diǎn)電流Im=8.2A。8塊光伏電池串聯(lián)成2kW/220V，50組并聯(lián)最大功率P1max=?100kW。

4.1.2?開(kāi)關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模型

3相12/8極開(kāi)關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用自勵(lì)模式，通過(guò)磁鏈方程、電壓方程、轉(zhuǎn)矩方程和能量方程，建立其數(shù)學(xué)模型[7]。

（1）?磁鏈方程

以3相12/8級(jí)20kW開(kāi)關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，額定轉(zhuǎn)速1500r/min，繞組內(nèi)阻r=0.15Ω，轉(zhuǎn)矩慣量J=0.016kg·m2，摩擦系數(shù)f=0.21，轉(zhuǎn)矩128.15?N.m。5臺(tái)并聯(lián)輸出100kW/220V電能。

4.1.3?儲(chǔ)能模型

Hoppecke?12?OPzS?1500型號(hào)蓄電池參數(shù)：額定容量1500A·h，額定電壓2V，最大電流Imax=360A。選用20個(gè)蓄電池并聯(lián)，其中4個(gè)實(shí)現(xiàn)夜間無(wú)電照明，16個(gè)用于低谷電力儲(chǔ)備。

4.1.4?水力發(fā)電機(jī)模型

微型水力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)主要包括：引水系統(tǒng)、微型水輪發(fā)電機(jī)組、水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)和負(fù)載[8]。

微型水輪發(fā)電機(jī)可表示為：

4.2仿真實(shí)驗(yàn)

在MATLAB?/Simulink平臺(tái)上，搭建風(fēng)光水儲(chǔ)聯(lián)合供電系統(tǒng)仿真模型，仿真界面見(jiàn)圖4，分以下7種模式進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

圖4?小功率風(fēng)光水儲(chǔ)能源匯集仿真界面

模式I：電網(wǎng)高峰期（上午8：00-10：00），電價(jià)最高，基于電費(fèi)最小優(yōu)化目標(biāo)，樓宇智能微網(wǎng)暫停部分不重要場(chǎng)所空調(diào)，降低整體電耗。如此時(shí)負(fù)荷所需功率（220?kW），仍然大于風(fēng)光輸出最大功率之和：Po>P1max+P2max，電流調(diào)節(jié)器1、2分別控制風(fēng)、光發(fā)電回路，均輸出最大功率。電壓調(diào)節(jié)器使輸出電壓穩(wěn)定，不足功率由蓄電池組或者水力發(fā)電機(jī)補(bǔ)充，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5（1）。

模式Ⅱ：風(fēng)光滿發(fā)，供需平衡（200?kW），仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5（2）。

模式Ⅲ：?由于外出活動(dòng)較多，負(fù)荷所需功率（150?kW），小于風(fēng)光最大功率之和，大于光伏電源的最大功率，P1max

模式Ⅳ：Po<?P1max，負(fù)荷所需的功率小于光伏的最大功率（80?kW），開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)可以退出工作，光伏電源的功率減小，由電壓調(diào)節(jié)器和光伏電源的電流調(diào)節(jié)器1實(shí)現(xiàn)電壓、電流雙閉環(huán)控制，維持負(fù)荷電壓穩(wěn)定，見(jiàn)圖5（4）。午休以外的時(shí)間，開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)可以滿發(fā)電，多余電能處理同模式Ⅱ。

模式Ⅴ：由于故障或其它原因，光伏電源不能正常工作，開(kāi)關(guān)管S1關(guān)斷。由開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)風(fēng)電電源單獨(dú)向負(fù)荷（60kW）供電，根據(jù)負(fù)荷所需功率進(jìn)行工作模式切換，保持負(fù)荷電壓穩(wěn)定，見(jiàn)圖5（5）。功率不足處理方法同模式I。

模式Ⅵ：由于故障或其它原因，開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)風(fēng)電電源不能正常工作，開(kāi)關(guān)管S2關(guān)斷。由光伏單獨(dú)向負(fù)荷（60?kW））供電，且根據(jù)負(fù)荷所需功率進(jìn)行工作模式切換，保持負(fù)荷電壓穩(wěn)定，見(jiàn)圖5（5）。功率不足處理方法同模式I。

模式Ⅶ：春秋季無(wú)風(fēng)的夜晚，開(kāi)關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)和光伏都不工作。低谷電價(jià)低，大電網(wǎng)提供LED夜間照明（3kW），還給蓄電池充電、水力發(fā)電機(jī)抽水，賺取峰谷差價(jià)。

（1）?模式I時(shí)系統(tǒng)的輸出電壓（左）、功率（右）

（2）?模式Ⅱ時(shí)系統(tǒng)的輸出電壓（左）、功率（右）

（3）?模式Ⅲ時(shí)系統(tǒng)的輸出電壓（左）、功率（右）

（4）?模式Ⅳ、模式Ⅵ時(shí)系統(tǒng)的輸出電壓（左）、功率（右）

（5）?模式Ⅴ時(shí)系統(tǒng)的輸出電壓（左）、功率（右）

圖5仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4?結(jié)論

采用多輸入/單輸出Buck-Boost?變換器實(shí)現(xiàn)風(fēng)光水儲(chǔ)多源能量匯集，分布式能源單獨(dú)/同時(shí)連續(xù)、穩(wěn)定地供給負(fù)荷，增加新能源消納能力，提高電力自動(dòng)需求響應(yīng)的時(shí)效性、可靠性、靈活性，降低成本。智能樓宇微網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控分布式能源發(fā)電情況和實(shí)時(shí)負(fù)荷需求，根據(jù)動(dòng)態(tài)電價(jià)引導(dǎo)，其智能控制模塊動(dòng)態(tài)選擇不同工作模式;移峰填谷，充分利用分布式能源，減少?gòu)碾娋W(wǎng)取得電能，降低樓宇總電費(fèi)。在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，優(yōu)化多源能量匯集器拓?fù)浜突贠penADR的最優(yōu)控制策略，可以進(jìn)一步提高分布式可再生能源的綜合利用率。

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