王雅慧+姚景昌+佘海湘+易靈芝

摘??要：樓宇智能微網(wǎng)采用一個多輸入直流變換器，代替多個單輸入直流變換器，實現(xiàn)風(fēng)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(yōu)先利用分布式能源，并能根據(jù)大電網(wǎng)動態(tài)引導(dǎo)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(wǎng)峰谷差價。多種分布式能源單獨/同時連續(xù)供給負荷，增加新能源消納能力，提高自動需求響應(yīng)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(tǒng)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：動態(tài)電價引導(dǎo)，風(fēng)光水儲混合供電系統(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：TM727 文獻標(biāo)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(tǒng)能源的日益枯竭和環(huán)境的惡化，風(fēng)、光、水、地?zé)?、生物質(zhì)能等綠色可再生能源以其經(jīng)濟性、清潔性、儲能豐富等優(yōu)點，越來越受到重視。微網(wǎng)將風(fēng)分布式電源、負荷和儲能裝置整合，平滑切換并網(wǎng)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(wǎng)充分利用風(fēng)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(wǎng)風(fēng)光水儲聯(lián)合供電系統(tǒng)

直流微網(wǎng)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(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(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)動態(tài)引導(dǎo)電價、對微網(wǎng)中可控負荷進行調(diào)節(jié)：（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(diào)等家電采用變壓調(diào)速驅(qū)動，減少總電費，實現(xiàn)移峰;分布式能源和儲能單元甚至可以賣電給大電網(wǎng)，獲得額外經(jīng)濟利益;（2）低谷期通過儲能裝置充電、水力發(fā)電機抽水蓄能等方法，存儲大電網(wǎng)的低價（或者免費）電能，實現(xiàn)填谷，攢取峰谷差價。

樓宇智能微網(wǎng)風(fēng)光水儲聯(lián)合供電系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電電源（開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電機輸出脈動的直流電）、光伏發(fā)電電源、水力發(fā)電機、蓄電池儲能裝置、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(yōu)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(wǎng)風(fēng)光水儲聯(lián)合供電系統(tǒng)

3?風(fēng)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(fēng)光水儲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模式下運行，實現(xiàn)自動升壓、降壓、升/降壓[4]，改善供電質(zhì)量。圖2中，S1、S2、…、Sn+1為功率開關(guān)管，V1、V2、…、Vn分別為變換器的多個分布式輸入源，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為負荷。

應(yīng)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(yīng)開關(guān)管占空比有關(guān);負荷不變時，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)定太陽能光伏發(fā)電優(yōu)先級最高，通過電壓調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器1實現(xiàn)電壓、電流雙閉環(huán)控制。開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)先級第二，通過電壓調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器2實現(xiàn)電壓、電流雙閉環(huán)控制。水力發(fā)電機優(yōu)先級第三，其輸出交流電經(jīng)整流為直流，通過電壓調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器3實現(xiàn)電壓、電流雙閉環(huán)控制。蓄電池優(yōu)先級最低，通過電壓調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器4實現(xiàn)電壓、電流雙閉環(huán)控制。從原理上推導(dǎo)，還可以擴展到n個輸入源，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(jīng)電壓調(diào)節(jié)器進行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進行PI控制，送PWM發(fā)生器，得開關(guān)管S2的控制信號，實現(xiàn)電壓、電流雙閉環(huán)控制。此時VD1截止，實際反饋電流Ii1f與基準(zhǔn)電流Ii1r的偏差，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器1進行PI控制，送PWM產(chǎn)生器，得到S1的控制信號。

（3）?若I'i2r<0，電流調(diào)節(jié)器2輸出為負，S2關(guān)斷;VD1導(dǎo)通，I'i2r疊加基準(zhǔn)電流Ii1r得到I'i1r，與實際反饋電流Ii1f比較，偏差經(jīng)電流調(diào)節(jié)器1進行PI控制，送PWM發(fā)生器得S1的控制信號，實現(xiàn)電壓、電流雙閉環(huán)控制。同時，S1、S2、S3。。。Sn的占空比經(jīng)或門輸出得到開關(guān)Sn+1的控制信號，?控制多輸入/單輸出Buck-Boost變換器開關(guān)管的通/斷時間，實現(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.實驗驗證

4.1?仿真模型

4.1.1太陽能光伏發(fā)電仿真模型

依據(jù)太陽能電池單指數(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能電池數(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為太陽能光伏電池輸出電壓[6]。

以JKM250P-60太陽能光伏電池為例，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(lián)成2kW/220V，50組并聯(lián)最大功率P1max=?100kW。

4.1.2?開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電機仿真模型

3相12/8極開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電機采用自勵模式，通過磁鏈方程、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20kW開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電機為例，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臺并聯(lián)輸出100kW/220V電能。

4.1.3?儲能模型

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

4.1.4?水力發(fā)電機模型

微型水力發(fā)電機組系統(tǒng)主要包括：引水系統(tǒng)、微型水輪發(fā)電機組、水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)、發(fā)電機的勵磁控制系統(tǒng)和負載[8]。

微型水輪發(fā)電機可表示為：

4.2仿真實驗

在MATLAB?/Simulink平臺上，搭建風(fēng)光水儲聯(lián)合供電系統(tǒng)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(fēng)光水儲能源匯集仿真界面

模式I：電網(wǎng)高峰期（上午8：00-10：00），電價最高，基于電費最小優(yōu)化目標(biāo)，樓宇智能微網(wǎng)暫停部分不重要場所空調(diào)，降低整體電耗。如此時負荷所需功率（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)電機補充，仿真實驗結(jié)果見圖5（1）。

模式Ⅱ：風(fēng)光滿發(fā)，供需平衡（200?kW），仿真實驗結(jié)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(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，負荷所需的功率小于光伏的最大功率（80?kW），開關(guān)磁阻發(fā)電機可以退出工作，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實現(xiàn)電壓、電流雙閉環(huán)控制，維持負荷電壓穩(wěn)定，見圖5（4）。午休以外的時間，開關(guān)磁阻發(fā)電機可以滿發(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，開關(guān)管S1關(guān)斷。由開關(guān)磁阻發(fā)電機風(fēng)電電源單獨向負荷（60kW）供電，根據(jù)負荷所需功率進行工作模式切換，保持負荷電壓穩(wěn)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(guān)磁阻發(fā)電機風(fēng)電電源不能正常工作，開關(guān)管S2關(guān)斷。由光伏單獨向負荷（60?kW））供電，且根據(jù)負荷所需功率進行工作模式切換，保持負荷電壓穩(wěn)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(fēng)的夜晚，開關(guān)磁阻發(fā)電機和光伏都不工作。低谷電價低，大電網(wǎng)提供LED夜間照明（3kW），還給蓄電池充電、水力發(fā)電機抽水，賺取峰谷差價。

（1）?模式I時系統(tǒng)的輸出電壓（左）、功率（右）

（2）?模式Ⅱ時系統(tǒng)的輸出電壓（左）、功率（右）

（3）?模式Ⅲ時系統(tǒng)的輸出電壓（左）、功率（右）

（4）?模式Ⅳ、模式Ⅵ時系統(tǒng)的輸出電壓（左）、功率（右）

（5）?模式Ⅴ時系統(tǒng)的輸出電壓（左）、功率（右）

圖5仿真實驗結(jié)果

4?結(jié)論

采用多輸入/單輸出Buck-Boost?變換器實現(xiàn)風(fēng)光水儲多源能量匯集，分布式能源單獨/同時連續(xù)、穩(wěn)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(yīng)的時效性、可靠性、靈活性，降低成本。智能樓宇微網(wǎng)實時監(jiān)控分布式能源發(fā)電情況和實時負荷需求，根據(jù)動態(tài)電價引導(dǎo)，其智能控制模塊動態(tài)選擇不同工作模式;移峰填谷，充分利用分布式能源，減少從電網(wǎng)取得電能，降低樓宇總電費。在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，優(yōu)化多源能量匯集器拓撲和基于OpenADR的最優(yōu)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

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