基于動態電價引導的風光水儲多源能量管理

王雅慧+姚景昌+佘海湘+易靈芝

摘??要：樓宇智能微網采用一個多輸入直流變換器，代替多個單輸入直流變換器，實現風光水儲能量匯集，簡化電路，降低成本，提高能源綜合利用率。它優先利用分布式能源，并能根據大電網動態引導電價移峰填谷，降低樓宇總電費，還利用儲能裝置和抽水儲能賺取電網峰谷差價。多種分布式能源單獨/同時連續供給負荷，增加新能源消納能力，提高自動需求響應的快速性、可靠性和靈活性。小功率仿真實驗驗證了多源能量匯集的可行性和混合供電系統的穩定性。

關鍵詞：動態電價引導，風光水儲混合供電系統，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：TM727 文獻標識碼：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

隨著傳統能源的日益枯竭和環境的惡化，風、光、水、地熱、生物質能等綠色可再生能源以其經濟性、清潔性、儲能豐富等優點，越來越受到重視。微網將風分布式電源、負荷和儲能裝置整合，平滑切換并網和孤島運行模式，提高分布式電源利用率?[1-2]。在樓宇智能微網充分利用風能和光能在時間及地域上的天然互補性，減小間歇性和隨機性的影響，并通過儲能裝置進行蓄電削峰，增加可分布式再生能源的消納[3]。

2.樓宇智能微網風光水儲聯合供電系統

直流微網通過直流總線方式，將分布式新能源電力通過能源匯集變換器、儲能裝置直接給本地直流負載供電，省去并網逆變、電能傳輸、用電端整流等環節，節省建設成本（約30%），降低損耗（約15%）。在樓宇智能微網中，采用一個多輸入/直流能量匯集器，代替多個單輸入直流變換器，完成太陽能光伏發電、風力發電、水力發電等分布式能源的能量收集，簡化電路，降低成本，提高能源綜合利用率。它能根據大電網動態引導電價、對微網中可控負荷進行調節：（1）高峰期卸去部分次要負荷，推遲部分負荷的運行時間，含電機的空調等家電采用變壓調速驅動，減少總電費，實現移峰;分布式能源和儲能單元甚至可以賣電給大電網，獲得額外經濟利益;（2）低谷期通過儲能裝置充電、水力發電機抽水蓄能等方法，存儲大電網的低價（或者免費）電能，實現填谷，攢取峰谷差價。

樓宇智能微網風光水儲聯合供電系統主要由風力發電電源（開關磁阻風力發電機輸出脈動的直流電）、光伏發電電源、水力發電機、蓄電池儲能裝置、能量匯集器和智能控制模塊構成，各輸入源均通過一個多輸入直流變換器進行直流升/降壓變換和能量匯集，輸出到公共直流母線上，優先供電給本地多種直流負荷，再通過逆變器供電給本地交流負荷，見圖1。

圖1樓宇智能微網風光水儲聯合供電系統

3?風光水儲多源能量匯集

3.1多源能量匯集器

圖2?多輸入/單輸出Buck-Boost變換器

風光水儲多源能量匯集采用多輸入/單輸出Buck-Boost?變換器，根據不同輸入源的電壓、電流及控制占空比，它能在Buck、Boost、Buck-Boost模式下運行，實現自動升壓、降壓、升/降壓[4]，改善供電質量。圖2中，S1、S2、…、Sn+1為功率開關管，V1、V2、…、Vn分別為變換器的多個分布式輸入源，VD1、VD2、…、VDn為續流二極管，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為負荷。

應用伏秒平衡原理，對電感L，輸出電壓

可知：有n個分布式能源輸入時，輸出電壓只與各輸入源電壓、對應開關管占空比有關;負荷不變時，輸出功率基本穩定[5]。

3.2?多源能量雙閉環控制

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、電流雙閉環控制實現多輸入/源的輸入功率分配和能量匯集管理。風光水儲樓宇智能微網聯合供電系統中，風力發電有噪聲，設定太陽能光伏發電優先級最高，通過電壓調節器與電流調節器1實現電壓、電流雙閉環控制。開關磁阻風力發電的優先級第二，通過電壓調節器與電流調節器2實現電壓、電流雙閉環控制。水力發電機優先級第三，其輸出交流電經整流為直流，通過電壓調節器與電流調節器3實現電壓、電流雙閉環控制。蓄電池優先級最低，通過電壓調節器與電流調節器4實現電壓、電流雙閉環控制。從原理上推導，還可以擴展到n個輸入源，可繼續增加燃料電池、生物質能、地熱能、潮汐能、波浪能等輸入源，以及超級電容、飛輪等儲能裝置。控制原理分析如下：

（1）?輸出反饋電壓Vof與參考電壓Vor的偏差經電壓調節器進行PI控制，輸出Ve。Ve送入電流環，疊加基準電流Ii2r后得I'i2r。

（2）?I'i2r>0，輸入反饋電流Ii2f與I'i2r的偏差，經電流調節器2進行PI控制，送PWM發生器，得開關管S2的控制信號，實現電壓、電流雙閉環控制。此時VD1截止，實際反饋電流Ii1f與基準電流Ii1r的偏差，經電流調節器1進行PI控制，送PWM產生器，得到S1的控制信號。

（3）?若I'i2r<0，電流調節器2輸出為負，S2關斷;VD1導通，I'i2r疊加基準電流Ii1r得到I'i1r，與實際反饋電流Ii1f比較，偏差經電流調節器1進行PI控制，送PWM發生器得S1的控制信號，實現電壓、電流雙閉環控制。同時，S1、S2、S3。。。Sn的占空比經或門輸出得到開關Sn+1的控制信號，?控制多輸入/單輸出Buck-Boost變換器開關管的通/斷時間，實現功率協調控制和多源能量匯集。

同理，可以分析出電流調節器3、電流調節器4等其他分布式能源輸入的雙閉環控制。

圖3?多源能量匯集雙閉環控制原理圖

4.實驗驗證

4.1?仿真模型

4.1.1太陽能光伏發電仿真模型

依據太陽能電池單指數模型中短路電流和禁帶寬度的關系，搭建基于禁帶寬度的太陽能電池數學模型

（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T為電池溫度，V為太陽能光伏電池輸出電壓[6]。

以JKM250P-60太陽能光伏電池為例，標準狀態（1000W/m2，25℃）下，最大功率Pm=250W，開路電壓Voc=37.7V，短路電流Isc=8.85A，最大功率點電壓Vm=30.5V，最大功率點電流Im=8.2A。8塊光伏電池串聯成2kW/220V，50組并聯最大功率P1max=?100kW。

4.1.2?開關磁阻風力發電機仿真模型

3相12/8極開關磁阻風力發電機采用自勵模式，通過磁鏈方程、電壓方程、轉矩方程和能量方程，建立其數學模型[7]。

（1）?磁鏈方程

以3相12/8級20kW開關磁阻風力發電機為例，額定轉速1500r/min，繞組內阻r=0.15Ω，轉矩慣量J=0.016kg·m2，摩擦系數f=0.21，轉矩128.15?N.m。5臺并聯輸出100kW/220V電能。

4.1.3?儲能模型

Hoppecke?12?OPzS?1500型號蓄電池參數：額定容量1500A·h，額定電壓2V，最大電流Imax=360A。選用20個蓄電池并聯，其中4個實現夜間無電照明，16個用于低谷電力儲備。

4.1.4?水力發電機模型

微型水力發電機組系統主要包括：引水系統、微型水輪發電機組、水輪機調節系統、發電機的勵磁控制系統和負載[8]。

微型水輪發電機可表示為：

4.2仿真實驗

在MATLAB?/Simulink平臺上，搭建風光水儲聯合供電系統仿真模型，仿真界面見圖4，分以下7種模式進行仿真實驗。

圖4?小功率風光水儲能源匯集仿真界面

模式I：電網高峰期（上午8：00-10：00），電價最高，基于電費最小優化目標，樓宇智能微網暫停部分不重要場所空調，降低整體電耗。如此時負荷所需功率（220?kW），仍然大于風光輸出最大功率之和：Po>P1max+P2max，電流調節器1、2分別控制風、光發電回路，均輸出最大功率。電壓調節器使輸出電壓穩定，不足功率由蓄電池組或者水力發電機補充，仿真實驗結果見圖5（1）。

模式Ⅱ：風光滿發，供需平衡（200?kW），仿真實驗結果見圖5（2）。

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

模式Ⅳ：Po<?P1max，負荷所需的功率小于光伏的最大功率（80?kW），開關磁阻發電機可以退出工作，光伏電源的功率減小，由電壓調節器和光伏電源的電流調節器1實現電壓、電流雙閉環控制，維持負荷電壓穩定，見圖5（4）。午休以外的時間，開關磁阻發電機可以滿發電，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，開關管S1關斷。由開關磁阻發電機風電電源單獨向負荷（60kW）供電，根據負荷所需功率進行工作模式切換，保持負荷電壓穩定，見圖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，開關磁阻發電機風電電源不能正常工作，開關管S2關斷。由光伏單獨向負荷（60?kW））供電，且根據負荷所需功率進行工作模式切換，保持負荷電壓穩定，見圖5（5）。功率不足處理方法同模式I。

模式Ⅶ：春秋季無風的夜晚，開關磁阻發電機和光伏都不工作。低谷電價低，大電網提供LED夜間照明（3kW），還給蓄電池充電、水力發電機抽水，賺取峰谷差價。

（1）?模式I時系統的輸出電壓（左）、功率（右）

（2）?模式Ⅱ時系統的輸出電壓（左）、功率（右）

（3）?模式Ⅲ時系統的輸出電壓（左）、功率（右）

（4）?模式Ⅳ、模式Ⅵ時系統的輸出電壓（左）、功率（右）

（5）?模式Ⅴ時系統的輸出電壓（左）、功率（右）

圖5仿真實驗結果

4?結論

采用多輸入/單輸出Buck-Boost?變換器實現風光水儲多源能量匯集，分布式能源單獨/同時連續、穩定地供給負荷，增加新能源消納能力，提高電力自動需求響應的時效性、可靠性、靈活性，降低成本。智能樓宇微網實時監控分布式能源發電情況和實時負荷需求，根據動態電價引導，其智能控制模塊動態選擇不同工作模式;移峰填谷，充分利用分布式能源，減少從電網取得電能，降低樓宇總電費。在現有基礎上，優化多源能量匯集器拓撲和基于OpenADR的最優控制策略，可以進一步提高分布式可再生能源的綜合利用率。

參考文獻

[1]??茆美琴，丁明，張榴晨，孫鳴.多能源發電微網實驗平臺及

其能量管理信息集成[J].電力系統自動化，2010，34（1）：

106-111.

[2]??王偉，吳犇，金科，阮新波.?太陽能光伏/市電聯合供電系統[J].?電工技術學報.?2012（10）：45-51

[3]??oyce?Jihyun?Kim，?Rongxin?Yin，?Sila?Kiliccote.?Automated?Price?and?Demand?Response?Demonstration?for?Large?Customers?in?New?York?City?using?OpenADR.?International?Conference?for?Enhanced?Building?Operations?，Montreal，?Quebec，??October?8-10，?2013

[4]??Onwuchekwa?C.?N，?Kwasinski?A.?Analysis?of?boundary?control?for?a?multiple-input?DC-DC?converter?topology[C].IEEE??Applied?Power?Electronics?Conference，?2011：1232-1237.

[5]??Onar?O.?C，?Shirazi?O，?Khaligh?A.?Grid?interaction?operation?of?a?telecommunications?power?system?with?a?novel?topology?for?multi-input?Buck-Boost?converter[J].IEEE?Transaction?on?Power?Delivery，?2010，?25（4）：2633-2645.

[6]??易靈芝，彭寒梅.基于空間矢量的三相光伏并網逆變器解耦控制研究[J].太陽能學?報，2010（1）：72-78.

[7]??彭寒梅，?易靈芝，?徐天昊.?基于Buck變換器的開關磁阻發電機新型勵磁模式[J].?太陽能學報，?2012，?33（3）：?432-438.

[8]??殷桂梁，張圣明.?微型水力發電機組系統建模與仿真.?電網技術文.?2012，?32（6）：147-153