DQZHAN技術(shù)訊：發(fā)電成本*小的微電網(wǎng)全分布式頻率控制技術(shù)

1.問(wèn)題提出背景: 微網(wǎng)頻率控制的特殊性

1可再生能源發(fā)電給微網(wǎng)控制帶來(lái)的挑戰(zhàn)

微電網(wǎng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分, 其*大特點(diǎn)是具有高度的自治性, 即通過(guò)自主的協(xié)調(diào)與控制, 實(shí)現(xiàn)電力供需的本地化和單元化。與此同時(shí), 微網(wǎng)的另一個(gè)重要特點(diǎn)是可再生能源的高滲透率。利用分布式太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電技術(shù), 微網(wǎng)能夠有效節(jié)約傳統(tǒng)化石燃料, 降低發(fā)電成本, 減少污染氣體的排放。傳統(tǒng)上, 微網(wǎng)采取類似于大型電力系統(tǒng)中的三級(jí)控制模式。以孤立微網(wǎng)的頻率控制為例, 一次調(diào)頻解決微網(wǎng)功率的實(shí)時(shí)平衡和穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題, 二次調(diào)頻在一次調(diào)頻的基礎(chǔ)上進(jìn)行頻率的無(wú)差控制和電能質(zhì)量的改善, 而微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度則基于對(duì)分布式電源發(fā)電容量和負(fù)荷需求的預(yù)測(cè)以固定周期循環(huán)進(jìn)行, 又被稱為微網(wǎng)的三次調(diào)頻。然而, 由于分布式電源容量較小但波動(dòng)性很強(qiáng), 加之負(fù)荷的頻繁變化, 微網(wǎng)對(duì)發(fā)電容量和負(fù)荷需求的預(yù)測(cè)存在很大偏差, 導(dǎo)致基于預(yù)測(cè)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。另一方面, 因?yàn)槿鄙傩D(zhuǎn)設(shè)備, 微網(wǎng)的慣性系數(shù)很小, 功率不平衡將產(chǎn)生嚴(yán)重的頻率波動(dòng), 所以快速靈活的頻率恢復(fù)控制十分必要。再者, 集中式控制存在單點(diǎn)失效問(wèn)題, 而分布式系統(tǒng)中個(gè)別控制器的退出并不會(huì)影響系統(tǒng)的運(yùn)行。因此, 將經(jīng)濟(jì)調(diào)度與調(diào)頻的目標(biāo)統(tǒng)一, 采用全分布式構(gòu)架實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)敏捷的經(jīng)濟(jì)調(diào)頻控制。

2微網(wǎng)調(diào)頻對(duì)控制的需求

鑒于微網(wǎng)調(diào)頻的特殊性, 頻率控制方法應(yīng)該具有以下5點(diǎn)性質(zhì):

a) 可靠性: 保證微網(wǎng)**可靠運(yùn)行, 盡量降低單點(diǎn)故障對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響;

b) 敏捷性: 及時(shí)應(yīng)對(duì)分布式電源和負(fù)荷的波動(dòng), 提高頻率恢復(fù)的響應(yīng)速度;

c) 擴(kuò)展性: 適應(yīng)不同規(guī)模和類型的微網(wǎng), 并實(shí)現(xiàn)電源與負(fù)荷的即插即用;

d) 上等性: 保障用戶的電能質(zhì)量, 盡量減小頻率與額定值之間的偏差;

e) 經(jīng)濟(jì)性: 考慮分布式電源發(fā)電成本和儲(chǔ)能運(yùn)行成本, 合理分配分布式電源的出力, 提高微網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和可再生能源利用率。

3為什么采用分布式控制方法

集中式的微電網(wǎng)控制依賴于微網(wǎng)集中控制器, 后者通過(guò)復(fù)雜的通信網(wǎng)絡(luò)采集全網(wǎng)的信息, 經(jīng)過(guò)集中式的優(yōu)化計(jì)算后將控制指令下發(fā)給各分布式電源和儲(chǔ)能裝置。這種控制方式不僅增加了通信網(wǎng)絡(luò)和控制器的造價(jià), 而且可靠性差, 存在單點(diǎn)失效的問(wèn)題, 無(wú)法適應(yīng)即插即用的要求, 復(fù)雜的通信網(wǎng)絡(luò)也引入了嚴(yán)重的通信時(shí)延, 降低頻率恢復(fù)速度。

相反地, 分布式控制將電源和儲(chǔ)能視為獨(dú)立的智能體, 各智能體之間基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信, 只與直接相連的“鄰居”之間進(jìn)行通信并交換少量的信息, 整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)迭代達(dá)到優(yōu)化運(yùn)行的目標(biāo)。分布式控制只要求智能體之間的通信拓?fù)涫沁B通的, 因而大大提高了控制系統(tǒng)的可靠性, 也符合微網(wǎng)對(duì)即插即用的要求。因此本文對(duì)全分布式的頻率控制技術(shù)展開(kāi)了研究。

2.模型建立: 考慮可再生能源發(fā)電與儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

考慮一個(gè)含有傳統(tǒng)能源分布式電源, 可再生能源分布式電源, 以及儲(chǔ)能裝置的微電網(wǎng), 其運(yùn)行總成本等于各分布式電源的發(fā)電成本與儲(chǔ)能的運(yùn)行成本之和。我們的目標(biāo)是使得在頻率恢復(fù)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)總成本的*小化, 同時(shí)提高可再生能源的利用率, 當(dāng)無(wú)法消納所有的可再生能源時(shí), 則按照預(yù)測(cè)*大可用發(fā)電容量在各分布式電源之間合理分配功率。事實(shí)上, 按照下面的方法設(shè)置各裝置的成本函數(shù), 上述目標(biāo)可統(tǒng)一為成本*小化問(wèn)題:

(1) 傳統(tǒng)能源的分布式電源: 其發(fā)電成本類似于大型電力系統(tǒng)中的火電機(jī)組, 可建模為有功出力的二次函數(shù);

(2) 可再生能源的分布式電源: 由于我們的目標(biāo)是提高可再生能源的利用率, 盡量避免棄光棄風(fēng), 因此其成本函數(shù)可設(shè)為實(shí)際出力與預(yù)測(cè)可用*大發(fā)電容量差值的平方, 再除以預(yù)測(cè)*大可用發(fā)電容量, 即能源利用率越高成本越低, 且該成本函數(shù)也具有二次函數(shù)形式;

(3) 儲(chǔ)能裝置: 儲(chǔ)能裝置的成本主要考慮充放電速率對(duì)裝置壽命的影響, 因此也可設(shè)置為交換功率的二次函數(shù), 成本隨著交換速率**值的增加而增加, 與分布式電源不同的是, 其交換功率可正可負(fù)。

根據(jù)等微增率準(zhǔn)則: 當(dāng)系統(tǒng)總的成本*小時(shí), 各分布式發(fā)電或儲(chǔ)能(DER)成本函數(shù)的微增率相等, 或其出力在約束邊界上。因此, 暫時(shí)不考慮DER的出力上下限約束, 則功率平衡問(wèn)題可以表示成以功率失配量的平方*小為目標(biāo)函數(shù), 以各DER成本微增率相等為等式約束的凸優(yōu)化問(wèn)題, 下面我們介紹如何通過(guò)分布式的自律控制算法求解這一問(wèn)題。

3.分布式自律控制方法

根據(jù)分布式次梯度算法, 各DER控制器可通過(guò)分布式通信和迭代控制求解上述凸優(yōu)化問(wèn)題。迭代的基本思路是: 各DER的微增率為其自身與“鄰居”上一步迭代微增率的加權(quán)平均, 加上系統(tǒng)功率失配量平方的梯度項(xiàng), 而后者恰好等于系統(tǒng)功率失配量乘以系數(shù)。由于系統(tǒng)功率失配量本地DER控制器無(wú)法獲取, 因此我們采用頻率與額定值的偏差來(lái)替代。可以證明, 當(dāng)?shù)諗繒r(shí), 各DER的成本微增率相等, 且系統(tǒng)的頻率恢復(fù)至額定值, 相關(guān)內(nèi)容請(qǐng)參見(jiàn)原文。因此, 迭代中各DER需要的信息僅為端口的頻率測(cè)量值, 以及自身和其“鄰居”傳遞過(guò)來(lái)的成本微增率, 信息交換量極少, 通信負(fù)擔(dān)很輕。

在上述過(guò)程中, 我們沒(méi)有考慮DER出力的上下限約束, 實(shí)際上這一約束在迭代過(guò)程中很容易滿足。當(dāng)某一DER的出力在迭代過(guò)程中達(dá)到邊界時(shí), 只需要將其出力固定在邊界上, 其余DER繼續(xù)參與控制。根據(jù)等微增率準(zhǔn)則, 該方式下得到的成本是*優(yōu)的。為了保證迭代控制得以繼續(xù), 那些出力固定的DER的微增率仍然參與迭代, 其**作用是在鄰居之間傳遞信息, 而與自身的實(shí)際出力無(wú)關(guān), 因此是“虛擬”的微增率。而由于各DER實(shí)際的出力已反映在頻率變化中, 因此這種方式不影響算法的收斂性。

4.算例驗(yàn)證

本文算例搭建的仿真系統(tǒng)含2臺(tái)傳統(tǒng)發(fā)電機(jī), 3臺(tái)光伏發(fā)電裝置, 1臺(tái)儲(chǔ)能裝置, 以及對(duì)應(yīng)的負(fù)荷。我們分別模擬了負(fù)荷突然增加和突然降低兩種情況下微網(wǎng)頻率和各DER出力的變化, 為了驗(yàn)證本文方法的效果, 我們以集中式方法和通過(guò)分布式算法收集全局信息再進(jìn)行控制的方法作為對(duì)比算例。結(jié)果表明月, 本文提出的方法有更快的收斂速度, 且在負(fù)荷較大時(shí), 光伏電池全部滿發(fā), 在負(fù)荷較小時(shí), 傳統(tǒng)電機(jī)均達(dá)到出力*小限制, 光伏之間按照預(yù)測(cè)*大可用發(fā)電容量分配功率。

我們計(jì)算了4種不同情況下通過(guò)集中式內(nèi)點(diǎn)法求得的*小成本, 并與本方法得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比, 可以發(fā)現(xiàn)兩者基本一致。因此, 本方法保證了發(fā)電成本的*優(yōu)。

在存在測(cè)量誤差的情況下, 我們對(duì)比了采取兩階段方法與只采取次梯度法調(diào)頻的效果, 結(jié)果顯示, 只采取次梯度法造成了頻率的震蕩, 而采取兩階段法后系統(tǒng)頻率可以恢復(fù)穩(wěn)定。

此外, 在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)分別存在0.03 s和0.1 s的通信時(shí)延的情況下, 我們對(duì)比了本文提出的方法與另兩種方法的頻率控制效果, 結(jié)果顯示, 本文的方法在存在通信時(shí)延的情況下具有更快的頻率恢復(fù)速度。

文章還利用一個(gè)實(shí)際的獨(dú)立系統(tǒng)進(jìn)行了上述仿真驗(yàn)證, 得到了同樣的結(jié)論, 限于篇幅不再列出。

5.結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種全分布式的微網(wǎng)頻率控制方法, 該方法在實(shí)現(xiàn)頻率恢復(fù)的同時(shí)能夠保證微網(wǎng)發(fā)電成本的*小, 提高可再生能源的利用率及其合理分配?；诜植际降拇翁荻人惴ê推骄恢滤惴? 各發(fā)電或儲(chǔ)能單元只需要與鄰居交互成本微增率, 通信負(fù)擔(dān)很輕, 系統(tǒng)可靠性相比集中式控制顯著提高。仿真結(jié)果表明, 本文方法具有很好的頻率恢復(fù)動(dòng)態(tài)品質(zhì), 并且當(dāng)系統(tǒng)存在測(cè)量誤差、通信時(shí)延或局部故障的情況下本文方法都能保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定, 具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值, 特別適用于缺乏專業(yè)人員值守的微網(wǎng)。