采用可控負荷平滑光伏發(fā)電功率波動的需求響應(yīng)策略

李衛(wèi)良,黃 堃,陳 璐,楊永標

(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 210008)

目前，在彌補間隙性能源發(fā)電缺點方面，主要通過電源側(cè)和負荷側(cè)角度來考慮。電源側(cè)角度主要采用通過儲能的存儲和釋放，在間隙性能源發(fā)電高峰時進行儲存，低谷時進行釋放[1]；通過其他能源補償?shù)姆绞剑绯Ｒ?guī)發(fā)電資源（如水電、火電、核電、柴機等）和間隙性能源互補（如風(fēng)光互補）等。負荷側(cè)角度主要是利用各種不同特性負荷作為需求響應(yīng)資源，動態(tài)實現(xiàn)“虛擬儲能”或“虛擬電廠”[2]。其中儲能建設(shè)成本高、運行維護難；其他能源互補方式，受地域條件限制；需求響應(yīng)方式是一種成本低廉而且可行的辦法。以建筑暖通負荷、熱水器、電冰箱等為代表的熱力學(xué)可控負荷在城市建設(shè)中占有較大比重，且具有良好的“儲能特性”，是有效的需求響應(yīng)資源。從國內(nèi)外需求響應(yīng)研究情況來看，主要涉及：（1）從需求側(cè)出發(fā)研究大規(guī)模風(fēng)電消納的問題，文獻[3]考慮融入用電激勵、可中斷負荷、電價響應(yīng)等用電調(diào)度方式，在傳統(tǒng)發(fā)電調(diào)度模式中融入用電調(diào)度，提供了并網(wǎng)備用資源。（2）通過在用電設(shè)備上增加新型控制器，實時監(jiān)控、響應(yīng)，平衡供需，文獻[4]提出了控制居民制熱泵的開啟來響應(yīng)間隙性發(fā)電的波動，進行了仿真分析。

1 光伏發(fā)電

光伏陣列輸出特性曲線具有強烈的非線性，隨太陽光照強度和環(huán)境溫度改變而變化，尤其在多云天氣，發(fā)電功率會出現(xiàn)快速劇烈變化。某地光伏發(fā)電在某天輸出有功功率曲線如圖1 所示。從07:00—12:00為光伏功率上升期，變化趨勢較明顯，而在12:00—15:00為相對穩(wěn)定期（由于云朵移動，會有瞬間劇烈波動）。這些劇烈波動，一旦其滲透率達到一定范圍，會對區(qū)域電網(wǎng)甚至整個電網(wǎng)造成頻率和電壓不穩(wěn)定[5]。

圖1 光伏發(fā)電功率曲線

光伏發(fā)電波動特征比較復(fù)雜，波動的時間尺度可從ms 級延伸到h 級甚至更長，存在緩慢變化過程和瞬間特變現(xiàn)象[6，7]。某20 kW 光伏逆變器的輸出功率波動的頻率特性曲線如圖2 所示。由該圖可見光伏發(fā)電的功率波動主要集中在0.1 Hz 以下，且以0.01 Hz 以下的功率波動幅值最大。不同頻率范圍的波動，按變化的頻率范圍可分為3個部分：低頻區(qū)（0.01 Hz 及以下）、高頻區(qū)（1 Hz 及以上）和中頻區(qū)（0.01～1 Hz）。

圖2 光伏功率波動的頻率特性

2 負荷資源的需求響應(yīng)特性

2.1 城市負荷特性

由于抑制可再生能源的波動跟隨主要表征系統(tǒng)的運行特征，適合采用激勵型的需求響應(yīng)（DR）技術(shù)。其中直接負荷控制（DLC）方法是一種重要的激勵型DR 技術(shù)，它是指在由執(zhí)行機構(gòu)借助高級通信、量測系統(tǒng)以及智能控制終端，操作關(guān)閉或者開啟被控用戶用電設(shè)備，并給予用戶一定的電價激勵補償。DLC 算法一般適用于控制居民或小型的工商業(yè)用戶負荷，如典型的具有熱能儲存能力的溫控設(shè)備（家居電熱泵、電空調(diào)和電熱水器）等。

（1）城市居民。通過對城市居民負荷使用情況的調(diào)研，約77%的居民用戶愿意參與需求響應(yīng)，其中可轉(zhuǎn)移的用電設(shè)備有洗衣機、空調(diào)、電飯煲、電熱水器、電暖器等，如圖3 所示。

圖3 居民住宅的負荷結(jié)構(gòu)和日負荷曲線

（2）商業(yè)用戶。一家中等城市商業(yè)用戶的調(diào)研情況數(shù)據(jù)其主要用電設(shè)備：（1）集中式空調(diào)2 臺，每臺額定功率1406 kW，提前24 h 通知可削減；（2）熒光燈4000 盞，總功率144 kW。商業(yè)大樓的負荷結(jié)構(gòu)和日負荷曲線如圖4 所示。

該商業(yè)用戶春、夏季日負荷特性如圖5 所示。圖5中顯示春、夏季典型日負荷曲線相似，8:00 到20:00為用電高峰時段，夏季峰段負荷水平高于春季。8 月18日最大負荷1120 kW 出現(xiàn)在11:00，最小負荷192 kW出現(xiàn)在23:00，峰谷差為928 kW，峰谷差率82.8%；4月21 日最大負荷690 kW 出現(xiàn)在19:00，最小負荷280 kW 出現(xiàn)在03:00，峰谷差為470 kW，峰谷差率59.4%。

2.2 城市負荷特性與光伏發(fā)電特性的一致性

從上述城市商業(yè)、居民負荷曲線來看，主要大容量負荷還是以空調(diào)系統(tǒng)為主，而且光伏發(fā)電特性曲線基本與城市商業(yè)用戶的日負荷曲線相似，存在一致性。從調(diào)研來看，如果通過提前通告，商業(yè)用戶是可以按照需求響應(yīng)機制來調(diào)節(jié)控制中央空調(diào)的。城市居民負荷和商業(yè)照明作為一種可直接中斷負荷，通過需求響應(yīng)手段和響應(yīng)補償機制是可以實現(xiàn)負荷轉(zhuǎn)移的。

圖5 春季和夏季日負荷曲線

3 利用可控負荷資源動態(tài)響應(yīng)策略

根據(jù)以上所述，基于光伏發(fā)電特性與城市商業(yè)、居民負荷特性的相似性，提出一種利用可控負荷（包括可調(diào)節(jié)負荷和可中斷負荷。可調(diào)節(jié)負荷是指那些可以通過技術(shù)手段來改變功率大小的負荷，但不包括直接切除的負荷；可中斷負荷是指可以在需要的情況下直接切斷供電的負荷）。解決光伏發(fā)電波動的方法策略，消減光伏引起的聯(lián)絡(luò)線功率波動，且可以利用城市商業(yè)中的大量中央空調(diào)和居民用戶中的電熱、照明等負荷，采用需求響應(yīng)機制是可以實現(xiàn)光伏發(fā)電的優(yōu)化利用的。整個實現(xiàn)過程滿足功率差的約束條件：

式（1）中：Ppv為光伏發(fā)電功；PL為局部區(qū)域微電網(wǎng)負荷；δ為當?shù)嘏潆娋W(wǎng)允許微電網(wǎng)功率波動置信區(qū)間。

響應(yīng)控制流程圖如圖6 所示。從圖6 中可以看出，利用可控負荷實現(xiàn)消減微電網(wǎng)功率波動的方法，包括2個層次，日前計劃和實時調(diào)節(jié)。

圖6 響應(yīng)控制流程

4 仿真分析

一包含大型光伏的商業(yè)樓宇、公共機構(gòu)的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖7 所示。通過并網(wǎng)點接入城市配電網(wǎng)。結(jié)合上一節(jié)介紹的控制策略和控制流程，對圖7 所示的含光伏和集中空調(diào)的微電網(wǎng)進行控制策略的仿真。圖7 所示的光伏微電網(wǎng)的仿真分析圖如圖8、圖9 所示。主要依據(jù)大型商業(yè)樓宇和大型公共機構(gòu)的屋頂光伏的計劃發(fā)電曲線以及商業(yè)樓宇的公共機構(gòu)的集中空調(diào)的歷史負荷曲線，相減得到盈余/ 缺口額，如果此時時刻節(jié)點盈余/缺口額不在功率置信區(qū)間，調(diào)整集中空調(diào)的控制溫度和策略，使優(yōu)化過后的集中空調(diào)的計劃負荷曲線，功率波動處于可控范圍內(nèi)。實施調(diào)節(jié)中，為了應(yīng)對光伏的瞬間波動（大比例擾動），引起此時的盈余/缺口額大于功率置信區(qū)間，就采用可中斷的電熱負荷和照明負荷，來動態(tài)跟隨此刻的瞬間擾動。

圖7 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

圖9 實時調(diào)節(jié)

通過圖8、圖9 所示的仿真結(jié)果顯示，且通過集中空調(diào)的計劃調(diào)節(jié)和可中斷負荷的實時調(diào)節(jié)，是可以使光伏功率波動得到有效抑制的，這樣的結(jié)果是基于負荷的需求響應(yīng)來實現(xiàn)的，但本文沒有對需求響應(yīng)的價格、補償機制做研究。

5 結(jié)束語

本文提出的方法和策略，主要針對高滲透率情況下的太陽能功率波動問題，在不采用儲能或其他間隙性能源互補的情況，如何采用適合電力市場行為的價格或激勵方式，提出負荷調(diào)節(jié)方式，依據(jù)太陽能發(fā)電預(yù)測功率和預(yù)測變化率，調(diào)節(jié)集中空調(diào)的負荷系數(shù)和電熱、照明等可中斷負荷的開停系數(shù)，動態(tài)響應(yīng)太陽能發(fā)電曲線，使負荷曲線趨同于發(fā)電曲線，將微電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率波動控制在功率波動置信區(qū)間內(nèi)。要實現(xiàn)這樣的策略或方式，本文提出需要解決的幾個關(guān)鍵問題，如突變率、功率波動置信區(qū)間以及需求響應(yīng)模型等。本文沒有對這幾個技術(shù)問題進行展開，但最終目的仍是希望通過這樣的研究，以期針對當前大量以屋頂光伏為主的區(qū)域微電網(wǎng)發(fā)展而造成配網(wǎng)功率波動，提出以需求響應(yīng)資源來平滑微電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率波動的控制策略，實現(xiàn)少用儲能甚至不用儲能來消減高滲透率的分布式電源對配網(wǎng)造成的功率波動。

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