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含有电力弹簧的微电网能量优化模型

作者:创始人 日期:2019-10-08 人气:3697

0 引言
       可再生能源 RES(Renewable Energy Source)的应用是缓解能源危机的有效途径之一,微电网是有效进行分布式电源 DG(Distributed Generator)大规模多点分散接入并对其进行有效利用的重要平台。
       但是可再生能源内在的间歇性和不稳定性增大了微电网中信息流和能量流的管控难度,对微电网造成了一系列诸如电压跌落、频率波动等问题。为了安全经济地利用新能源,需要进一步研究微电网能量优化和管理。当前能量优化研究集中于计及不同源、荷种类的能量优化策略[1⁃2]和新型能量管理方法[3⁃4],但是已有的考虑需求侧响应的能量优化模型未能涵盖不断产生的新型负荷侧调节媒介和手段。减小可再生能源发电量与用电量差额的途径包括电力负荷调度[5]、用电器开关控制[6]以及用户侧微电网能量管理方法[3⁃4]等。在微电网负荷智能化程度不断提升的大背景下,挖掘负荷特性、对多种负荷进行运行控制和能量管理成为微电网能量优化的着眼点。
       微电网中对电能质量要求较高的负荷一般称作关键负荷 CL(Critical Load),其几乎不接受调节,比如医疗设备、涉及微电网区域安全的监控和通信设备。可以在较宽的电压范围内运行的负荷称作非关键负荷 NL(Non-criticalLoad),主要包括 2 类:第一类近似纯阻性,功率因数为0.99左右,比如电热负荷和不重要的照明;第二类为阻感性负荷,比如固体蓄热式电炉[7]热效率高达95%以上,功率因数为0.8左右,在推行峰谷电价和大量可再生能源并网的地区,可以在低谷电价时段工作或者积极消纳可再生能源,储存热能供其他时段使用,在负荷峰谷差较大的地区或者弃风、弃光率偏高同时需要大量供暖的西北、东北地区具有广阔的应用前景。
       香港大学的许树源教授于 2012 年开创性地提出电力弹簧 ES(Electric Spring)的概念和原理[8]。
       ES的核心装置是逆变器和直流侧电容或电池,应用ES 的方式是将 ES 与非关键负荷串联,整体称为智能负荷 SL(Smart Load),再与关键负荷并联。ES通过调整非关键负荷的用电量实现能量缓冲作用,维持关键负荷的电压稳定,可以使得使用电量主动跟踪发电量。ES使得用电负荷智能化,积极与可再生能源、储能系统和微电网运营商互动,以形成多赢的局面,在智能电网的大背景下具有一定的意义。
       ES 内部的基本结构经历了从第一代 ES-1[8]、第二代 ES-2[9]、背靠背 ES[10]到多种新型 ES拓扑[11⁃12]的发展。ES-1具有无功调节的能力,用以稳定关键负荷的电压[13]。ES-2在逆变器直流侧加装小型储能,具备有功调节能力,可以调节总体负荷的功率因数、大小等,大幅提高了负荷的智能化水平。文献[14]对智能负荷的负荷特性进行分析,对比纯阻性、阻感性、阻容性和恒功率的非关键负荷加装 ES-1后形成的智能负荷的稳态运行特性,包括非关键负荷的电压、智能负荷的有功需求与ES电压的关系。当前对ES 在微电网中应用的研究主要集中在多种控制策略[12⁃13,15⁃17],而较少关注 ES 在微电网能量优化中的应用。
       含有 ES 的微电网能量优化相较于传统微电网能量优化的特殊性体现在:ES为有高可靠用电需求的关键负荷提供保障,保障费用成为微电网运营商的额外收益;智能负荷同时具有向上和向下的调节范围,以享有补贴为条件接受 ES 调节,对于减少储能充放电功率和弃风弃光具有积极意义。
       基于ES和智能负荷的应用和调节模式,本文提出含有ES的微电网能量优化模型,该模型以经济效益最大化为目标,定量分析ES在计及储能充放电成本、弃风成本、补贴成本和 ES 折旧成本的微电网能量优化中带来的经济性提升,体现在微电网运营商经济效益、关键和非关键负荷用电需求的“多赢”。算例结果表明本文模型能够实现经济性提升,同时多典型场景验证了本文模型的正确性和有效性。

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