含有可再生能源發(fā)電的電力系統(tǒng)設(shè)計

高叢珊

(國能新能源科技開發(fā)有限公司，江蘇 南京 210017)

電力是現(xiàn)代社會重要的能源之一。電力公司在向用戶提供電能時應(yīng)保證供電電壓穩(wěn)定。為了提高供電水平，含有可再生能源發(fā)電的電力系統(tǒng)的應(yīng)用越來越多，這種發(fā)電系統(tǒng)具有可靠性高、靈活性好的優(yōu)點，為偏遠島嶼、山區(qū)等孤島型地區(qū)提供了較好的能源解決方案。但是現(xiàn)有的含有可再生能源發(fā)電的電力系統(tǒng)存在一定的不足，為了滿足應(yīng)用需求，相關(guān)人員進行了研究。崔楊等[1]研究了考慮需求響應(yīng)的含光熱電站可再生能源高滲透率電力系統(tǒng)多源優(yōu)化調(diào)度方法，該方法引入需求機制來應(yīng)對風(fēng)電預(yù)測、光伏預(yù)測誤差等不確定性問題，設(shè)置誤差預(yù)測模型，實現(xiàn)對可再生能源的優(yōu)化調(diào)度；查永星等[2]基于多目標多任務(wù)進化算法研究了含可再生能源混合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法，該方法預(yù)先假設(shè)條件，引入多目標多任務(wù)進化算法，并行處理電力系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度問題。上述文獻提出的方法雖能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)進行調(diào)度，但是電力系統(tǒng)能源調(diào)度效果較差，為此本文基于電力系統(tǒng)多源調(diào)度優(yōu)化視角，設(shè)計了一個新的含有可再生能源發(fā)電的電力系統(tǒng)。

1 含有可再生能源發(fā)電的電力系統(tǒng)總體架構(gòu)

含有可再生能源發(fā)電的電力系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分，硬件主要通過處理器、A/D轉(zhuǎn)換芯片、通信模塊采集與轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，軟件在可再生能源模型構(gòu)建基礎(chǔ)上，設(shè)定電能優(yōu)化目標，對各可再生能源能量進行協(xié)調(diào)控制。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體架構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，本文將重點對處理器、A/D轉(zhuǎn)換器、通信模塊進行設(shè)計。處理器為系統(tǒng)的核心，負責(zé)數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)換；通信模塊為輔助部分，主要負責(zé)系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸。

2.1 處理器設(shè)計

采用型號為TMS320C32的處理器，以滿足電力系統(tǒng)存儲容量、計算速度等方面的要求[3]。該處理器具有程序加載方式靈活的優(yōu)點，并包含空等待和低功耗兩種電源管理方式，是一種數(shù)字信號處理器。該處理器包含1個串行端口和2個定時器，由內(nèi)部時鐘或外部時鐘產(chǎn)生脈沖信號[4]，用戶可以根據(jù)自身需求設(shè)置中斷向量表。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換芯片設(shè)計

采用ADC0832轉(zhuǎn)換芯片，該芯片分辨率較高，達到256級，誤差小、穩(wěn)定性高[4]，芯片各引腳的功能見表1。通過該芯片采集數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[5]，模擬輸出的信號精度較高，可達19.50 mV。

表1 ADC0832轉(zhuǎn)換芯片引腳功能表

2.3 通信模塊設(shè)計

系統(tǒng)采用串行通信方式，通信接口采用RS-485接口，該接口應(yīng)用廣泛[6]。接口網(wǎng)絡(luò)拓撲為平衡驅(qū)動器和差分接收器組合，以一系列位元來一個接一個地傳輸信號，采用平衡發(fā)送和差分接收方式實現(xiàn)通信。發(fā)送端將串行口的電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號[7]，通過A、B兩路輸出。該通訊接口能夠支持多種規(guī)約，適用于電力系統(tǒng)的設(shè)計。其基本參數(shù)見表1。

表2 RS-485接口基本參數(shù)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 可再生能源系統(tǒng)單元模型構(gòu)建

在系統(tǒng)硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，進行系統(tǒng)軟件設(shè)計。由常見的可再生能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以看出，太陽能與風(fēng)能是利用較多的可再生能源[8]，蓄電池是較為常見的儲能設(shè)備[9]。

太陽能通過以下公式計算：

(1)

式中：δ為太陽赤緯角[10]；θ為地軸與地球平面的傾角；n為一年中的序數(shù)天數(shù)；h為太陽高度角；φ為地理緯度；τ為時角；l為太陽輻射強度；t為太陽光入射方向。

基于太陽高度角計算輻射太陽能：

(2)

式中：St為輻射太陽能[11]；S為太陽直射點的緯度。

風(fēng)能通過以下公式計算：

(3)

式中：P(v,t)為風(fēng)能模型；v為實際功率；Vc為瞬時功率；Cp為風(fēng)機性能參數(shù)；ρ為計算時刻的空氣密度；A為轉(zhuǎn)子掃過面積；Pw為風(fēng)機額定功率；Vr為有功功率；Vd為額定功率。

可再生能源系統(tǒng)一般采用蓄電池儲能，為此在電力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計時需要重點考慮電池的荷電狀態(tài)[12]，該值根據(jù)可再生能源發(fā)電量與負載功率之間的關(guān)系而變化，荷電狀態(tài)值由以下公式計算：

(4)

式中：soc(t)為荷電狀態(tài)值；Pb(t)為電池的輸入或者輸出功率；Vy為直流母線電壓；Δt為時間步長；ηt為雙向充電的效率參數(shù)；Cm為單體電池額定容量。

通過上述過程建立可再生能源系統(tǒng)單元模型，為系統(tǒng)資源優(yōu)化調(diào)度奠定基礎(chǔ)。

3.2 電能優(yōu)化目標建立

在上述可再生能源模型構(gòu)建基礎(chǔ)上，設(shè)定優(yōu)化目標，此次設(shè)置的優(yōu)化目標包含兩部分[13]，分別為成本經(jīng)濟性目標與電能質(zhì)量目標。在電力系統(tǒng)中，成本主要包括固定成本、運行維護成本和原料成本：

(5)

式中：C為含有可再生能源發(fā)電電量的總成本；Si,Di分別為第i個指標的發(fā)電成本與發(fā)電總量；Pi(t)為t時間內(nèi)成本投資的折舊費用；Si(s)為平均維護費用;n為變量個數(shù)。

在此基礎(chǔ)上設(shè)置電能質(zhì)量目標，由于各個可再生能源環(huán)境條件不同，存在頻率偏差、電壓波動等問題，導(dǎo)致電能質(zhì)量存在差異[14]，因此將電能質(zhì)量作為優(yōu)化目標，計算公式如下：

(6)

式中：W為電能質(zhì)量；Vk為電能差異參數(shù)；qk為指標要求參數(shù)；m為目標函數(shù)個數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，將上述優(yōu)化目標轉(zhuǎn)換為多目標優(yōu)化問題[15]，假設(shè)優(yōu)化目標包含n個變量、m個目標函數(shù)、p個約束條件，則電能質(zhì)量數(shù)學(xué)模型表示為：

(7)

式中：Q(x)為目標變量；gi(x)為優(yōu)化目標變量；aj(x)為約束變量；qm(x)為目標參量;l為目標個數(shù)。

將優(yōu)化目標的約束條件表示為：

(8)

式中：xi為約束目標函數(shù)；xi,max為最大約束目標函數(shù)；xi,min為最小約束目標函數(shù)。采用式(9)對優(yōu)化模型求解：

(9)

式中：V為優(yōu)化模型；s(x)為求解模型；ΔV為偽逆參數(shù)。

通過上述過程對優(yōu)化模型進行求解，實現(xiàn)對能源的調(diào)度，其流程如圖3所示。基于能源調(diào)度流程對各可再生能源能量協(xié)調(diào)控制，以實現(xiàn)電力系統(tǒng)軟件的設(shè)計。

圖3 調(diào)度流程

4 實際應(yīng)用效果分析

4.1 實際應(yīng)用場景

為了驗證本文設(shè)計的含有可再生能源發(fā)電的電力系統(tǒng)的應(yīng)用效果，進行實驗驗證，實驗場景如圖4所示。

圖4 實驗場景

4.2 測試環(huán)境

測試環(huán)境如圖5所示，其中，母線側(cè)負載由恒功率負載和可編程電子負載并聯(lián)構(gòu)成，接口數(shù)字信號處理器的型號為TMS320F28335，在上述環(huán)境下進行實驗?zāi)軌虮ＷC運算效果。

圖5 測試環(huán)境

含有可再生能源發(fā)電的電力系統(tǒng)參數(shù)見表3。

表3 含有可再生能源發(fā)電的電力系統(tǒng)參數(shù)

4.3 電力系統(tǒng)調(diào)度成本對比

對本文電力系統(tǒng)使用前、后的電力調(diào)度成本進行對比，結(jié)果如圖6所示。從圖6可知，應(yīng)用含有可再生能源發(fā)電的電力系統(tǒng)的調(diào)度成本較低，主要原因是在系統(tǒng)軟件部分設(shè)置了調(diào)度目標函數(shù)，并對光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電單獨建模，減少了電力系統(tǒng)的調(diào)度成本。

圖6 電力系統(tǒng)調(diào)度成本

4.4 切負荷量對比

比較應(yīng)用本文系統(tǒng)前、后的切負荷量，結(jié)果如圖7所示。通過圖7可知，應(yīng)用本文系統(tǒng)后的切負荷量減少，在響應(yīng)調(diào)度需求的同時，能夠降低電力負荷量。

圖7 切負荷量對比

4.5 可再生能源棄電量對比

可再生能源棄電量的調(diào)度效果對比結(jié)果如圖8所示。通過分析圖8能夠發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用本文系統(tǒng)能夠合理運用可再生能源電量，棄電量較少，而應(yīng)用系統(tǒng)前棄電量較多，調(diào)度效果較差。這是因為本文系統(tǒng)通過硬件支持，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣扰c準確性，由軟件建立模型對目標進行優(yōu)化使系統(tǒng)獲得了更好的調(diào)度效果。

圖8 可再生能源棄電量對比

4.6 調(diào)度效率對比

應(yīng)用本文電力系統(tǒng)前、后的調(diào)度效率對比結(jié)果如圖9所示。通過分析圖9能夠發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用本文系統(tǒng)后可以在短時間內(nèi)就實現(xiàn)能源調(diào)度，而沒有應(yīng)用本文系統(tǒng)時調(diào)度時間較長，這表明本文電力系統(tǒng)可以有效提高調(diào)度效率。

圖9 調(diào)度效率對比

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了含有可再生能源發(fā)電的電力系統(tǒng)，實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)在減少發(fā)電成本的同時還減少了切負荷量與棄電量，達到了預(yù)期設(shè)計目標。本文系統(tǒng)雖然降低了電力負荷，但是還不是最優(yōu)的，后續(xù)研究中，還需要將能源調(diào)度優(yōu)化作為研究目標，進一步優(yōu)化電力系統(tǒng)。