CN103606937B - 一种利用可控负荷平抑微电网功率波动的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用可控负荷平抑微电网功率波动的方法，针对可调节负荷特点，通过可调节负荷的日前计划来响应发电功率的缓慢变化，使可控负荷曲线趋同于日前预测的发电曲线；进行实施时，通过可中断负荷的实时调节来响应发电功率的瞬时突变。本发明提供一种有效、实用、科学的微电网功率波动解决方法，可以推广到解决其它分布式间隙性能源的功率波动问题的，也可以推广到解决大型风电场、大型光伏电站的功率波动问题，有利于推动清洁能源的推广应用。
Description
技术领域
本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种利用可控负荷平抑微电网功率波动的方法。
背景技术
在可再生能源开发和利用中，光伏、风电受自然条件限制，发电特性呈现间隙性，往往不能提供可控性的持续、稳定的功率，暴露出了这些间隙性能源的一些不同于传统电源（如火电、水电、核电）的发电特性：波动性、不完全可预测性、低可控性。根据目前实测显示，光伏电站最大功率变化率能达到装机容量的70%/分钟，这些间隙性能源引起的剧烈波动，一旦其渗透率（装机容量与电网系统容量的比值）达到一定范围，会对当地电网甚至整个电网系统造成频率和电压的不稳定。如何通过有效的方式或开辟新型途径，来补偿功率的缺失、抵消间隙性能源引起的波动，避免大规模、高渗透情况下对区域电网造成的影响，已经成为电力领域广泛重视的焦点。目前，在弥补间隙性能源发电缺点方面，主要通过电源侧和负荷侧角度来考虑。电源侧角度主要采用：一是通过储能的存储和释放，在间隙性能源发电高峰时进行储存，低谷时进行释放；二是通过其它能源补偿的方式，如常规发电资源（如水电、火电、核电、柴机等）和间隙性能源互补（如风光互补）等；负荷侧角度主要是利用各种不同特性负荷作为需求响应资源，动态实现“虚拟储能”或“虚拟电厂”。
在上述解决间隙性能源波动方面，储能建设成本高、运维难；其它能源互补方式，也需增加较大的建设成本，而且受地域条件限制。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种利用可控负荷平抑微电网功率波动的方法，以可控负荷（包括可动态调节负荷功率的可调负荷和可中断供电的可中断负荷）的响应来平抑间隙性能源发电功率波动的方法，使以间隙性能源和可控负荷组成的微电网的功率波动在允许范围内。
本发明提供的一种利用可控负荷平抑微电网功率波动的方法，其改进之处在于，针对可调节负荷特点：
通过可调节负荷的日前计划来响应发电功率的缓慢变化，使可控负荷曲线趋同于日前预测的发电曲线；
实施时，通过可中断负荷的实时调节来响应发电功率的瞬时突变。
其中，所述通过可调节负荷的日前计划来响应发电功率的缓慢变化，使可控负荷曲线趋同于日前预测的发电曲线，其步骤包括：
（1）根据间隙性能源的装机容量，计算渗透率；
（2）根据所述渗透率计算微电网的功率波动允许范围P，其下限计为P下限，上限计为P上限；
（3）根据天气预报以及历史数据预测日前间隙性能源发电曲线Py(t)；
（4）根据日前天气预报，预测可调节负荷的负荷曲线Pf(t)；
（5）根据负荷历史使用情况，获取可中断负荷曲线Pz(t)，即可中断负荷的功率-时间曲线；
（6）计算间隙性能源发电预测值与可调节负荷的预测值的差额△P(t)；
（7）计算预测的发电功率与负荷的差额Pc(t)；
（8）判断差额Pc(t)是否在功率波动允许范围P内，若不在范围内，改变可调节负荷曲线Pf(t)为P′f(t)，使Py(t)-P′f(t)-Pz(t)满足在功率波动允许范围P内；其中P′f(t)为根据功率差值调整的可调负荷功率-时间曲线；
（9）根据可调节负荷曲线P′f(t)拟定可调节负荷的调节策略并在第二日按策略进行调节。
其中，步骤（1）计算所述渗透率的表达式如下：
λ=Pm/Ps；
式中，Pm为装机容量；Ps为配网馈线分支出线容量。
其中，步骤（2）功率波动允许范围P∈[P下限，P上限]；P代表微电网间隙性能源发电容量大于微电网负荷容量时，配电网允许微电网输送的最大容量；其为正值，代表向配电网输送能量；
P为微电网负荷容量大于间隙性能源发电容量时，配电网向微电网可供的最大容量；其为负值，代表向配电网吸收能量。
其中，步骤（2）中，用前推回代法计算含间隙性能源的配电网潮流，得到配电网网损，以此网损最小为目标，确定间隙性能源向配电网输送的最大容量P和吸收的最大容量P，即P的允许范围。
其中，步骤（6）计算间隙性能源发电预测值与可调节负荷的预测值的差额的表达式如下：
△P(t)=Py(t)-Pf(t)。
其中，步骤（7）计算预测的发电功率与负荷的差额的表达式如下：
Pc(t)=△P(t)-Pz(t)。
其中，步骤（8）所述改变可调节负荷曲线Pf(t)为P′f(t)的步骤如下：
若某一时刻点则在此时刻点的Pf(t)上叠加一个增量，将叠加增量后的Pf(t)记为P′f(t)，使(Py(t)-P′f(t)-Pz(t))∈[P下限,P上限]；若某一时刻点的Pc(t)本来就满足则不需要叠加增量，或将增量置为0，记Pf(t)为P′f(t)。
其中，步骤（3）-步骤（8）中，时间变量t为0,1,2…95，共96个时间点，间隔15分钟。
其中，步骤（9）的调节策略包括：
以P′f(t)负荷曲线中某一时刻的负荷大小为依据，根据可调节负荷的调节特性，拟定这一时刻的可调节负荷的调节值，用于形成第二天的可调节负荷的调节值序列。
其中，所述通过可中断负荷的实时调节来响应发电功率的瞬时突变的步骤包括：
1）根据日前计划的可调节负荷策略P′f(t)实时调节可调节负荷；
2）根据实时天气预报，测量间隙性能源发电功率突变的变化率△Py(t)，其为时间变量t时刻相对应的时间点的15分钟的功率变化率；
3）计算叠加变化率后的发电曲线与可调负荷曲线的差值△Pc(t)；
4）判断所述差值△Pc(t)是否在功率波动允许范围P内，若不在范围内，计算需改变的可中断负荷容量△Pz(t)，使△Pc(t)-△Pz(t)在功率波动允许范围P内；其中△Pz(t)为需要叠加的可中断负荷容量大小；
5）根据△Pz(t)进行可中断负荷的投入和切断，用以抵消间隙性能源发电的功率突变。
其中，步骤3）计算叠加变化率后的发电曲线与可调负荷曲线的差值△Pc(t)的表达式如下：
△Pc(t)=Py(t)+△Py(t)-P′f(t)-Pz(t)。
其中，步骤4）所述计算需改变的可中断负荷容量△Pz(t)的表达式如下：
△Pz(t)=△Pc(t)-P。
与现有技术比，本发明的有益效果为：
本发明进行预测时，利用天气预报结合历史数据的方式，通过与实际结合，使计算结果更精确。
本发明提供的技术方案可以通过少量的改造成本消减间隙性电源发电的功率波动，尤其针对大型的城市屋顶光伏，利用商业、公共建筑等城市集中空调系统和大型居民电热、照明负荷，消减区域性微电网的功率波动，实现少用储能甚至不用储能来降低高渗透率的间隙性电源对配网造成的功率波动。
本发明分别针对分布式间隙性能源的缓慢变化和瞬时突变，进行不同的流程控制，解决分布式间隙性能源功率变化引起微电网功率波动问题。
本发明提供一种有效、实用、科学的微电网功率波动解决方法，可以推广到解决其它分布式间隙性能源的功率波动问题的，也可以推广到解决大型风电场、大型光伏电站的功率波动问题，有利于推动清洁能源的推广应用。
附图说明
图1为本发明提供的利用可控负荷平抑微电网功率波动的方法的流程图。
图2为本发明提供的一种利用可控负荷平抑微电网功率波动的方法的实施例的微电网结构图。
图3为本发明提供的根据日前计划调节时，光伏发电曲线与可调节负荷曲线、可中断负荷曲线关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本实施例提出一种利用可控负荷平抑微电网功率波动的方法，主要针对以储能来弥补屋顶光伏为主的区域微电网的功率波动这一常用方法，提出以需求响应资源来平抑微电网功率波动的实现方法，以期在高渗透率情况下，实现少用储能甚至不用储能来消减分布式电源对配网造成的功率波动，探索利用需求响应资源来消减间隙性能源功率波动的有效方式。
本实施例的主要思路是，通过日前计划和实时调节两个层次。在间隙性能源发电缓慢变化和瞬间突变两种情况下，分别利用容量调节变化较缓慢的可调节负荷来响应间隙性能源发电的缓慢变化（由日前计划的可调节负荷来实现）和容量可快速投切的可中断负荷来响应间隙性能源的瞬时突变（由实时调节的可中断负荷来实现），从两个层面解决间隙性能源造成的微电网功率波动。
日前计划就是在微电网内间隙性能源发电的功率预测的基础上，在满足负荷舒适度条件下，改变可调节负荷（本发明以集中空调作为实施例的可调节负荷，以电热负荷和照明负荷作为实施例的可中断负荷）的负荷曲线，尽可能趋同于间隙性能源预测的发电曲线，使微电网内负荷容量（可调节负荷与可中断负荷的容量和）与预测的发电容量之间的差，满足在微电网功率波动范围内（以下简称置信区间）。也就是说，日前计划主要通过发电预测，拟定可调节负荷策略，使发电容量与负荷容量的差值满足在置信区间内，解决间隙性能源发电功率的缓慢变化问题。
实时调节就是在日前计划的基础上，实时测量间隙性能源发电的突变量，以突变量作为可中断负荷进行投入和切断的容量依据，实时性响应间隙性能源的功率突变。也就是说，实时调节以实时测量的间隙性能源发电功率瞬间变化量为依据，通过可中断负荷的实时性调节，改变可中断负荷的容量，是功率差值满足在置信区间内，解决间隙性能源发电功率的瞬时突变问题。
图2是一种微电网结构图，微电网内包含大型商业楼宇屋顶光伏、大型商业楼宇光伏幕墙、大型公共机构屋顶光伏三处光伏发电资源，共装机容量Pm，与微电网联络的配电网馈线容量为Ps；可调节负荷包括大型商业楼宇I区集中空调、II区集中空调、III区集中空调和大型公共机构集中空调；可中断负荷包括大型居民小区I区电热和照明负荷、大型居民小区II区电热和照明负荷和大型公共机构照明负荷。
针对上述地区出现的电网波动，本实施例提出的一种利用可控负荷平抑微电网功率波动的方法，其流程图如图1所示，采用通过可调节负荷的日前计划来响应发电功率的缓慢变化（即每分钟变化量小于间隙性能源装机容量的10%），使可控负荷曲线趋同于日前预测的发电曲线；进行实施时，通过可中断负荷（可以被限制供电的负荷）的实时调节来响应发电功率的瞬时突变（即每分钟变化量大于间隙性能源装机容量的10%）。
具体的，
通过可调节负荷的日前计划来响应发电功率的缓慢变化，使可控负荷曲线趋同于日前预测的发电曲线，其步骤包括：
（1）根据附图2，三处大型屋顶光伏的总装机容量Pm，与微电网联络的配电网馈线容量为Ps，则渗透率为λ=Pm/Ps；其中，Pm为装机容量；Ps为配网馈线分支出线容量；
（2）在该渗透率下，结合配电网网架，进行最优潮流、短路电流和扰动性下的仿真计算，分别得出各种在该渗透率下的功率允许变化范围，经过相关权重因子优化，得出该渗透率下，微电网在这一配电网网架下的功率波动允许范围P，P∈[P下限，P上限]；其中，P代表微电网间隙性能源发电容量大于微电网负荷容量时，配电网允许微电网输送的最大容量；其为正值，代表向配电网输送能量；P为微电网负荷容量大于间隙性能源发电容量时，配电网向微电网可供的最大容量；其为负值，代表向配电网吸收能量。
（3）根据历史曲线、拟合技术和天气预报，分别预测不同地点的大型商业楼宇屋顶光伏、大型商业楼宇光伏幕墙、大型公共机构屋顶光伏三处光伏发电资源的日前发电功率，时间间隔为15分钟，三处进行功率叠加，形成日前光伏发电预测曲线Py(t)，即为预测光伏发电的功率-时间曲线，t为0,1,2…95，共96个时间点，24个小时，间隔15分钟；
（4）根据日前天气预报，结合历史负荷曲线，分别拟合计算大型商业楼宇I区集中空调、II区集中空调、III区集中空调和大型公共机构集中空调的负荷曲线，叠加成Pf(t)，即为微电网内所有可调节负荷集中空调的功率-时间曲线，是根据日前天气预报得出的可调节负荷的功率-时间预测曲线，其t与所述上面（3）中的t相对应；
（5）根据负荷历史使用情况，分别拟合计算大型居民小区I区电热和照明负荷、大型居民小区II区电热和照明负荷和大型公共机构照明负荷等可中断负荷的负荷曲线Pz(t)，即为可中断负荷的功率-时间曲线，其t与所述上面（3）中的t相对应；
（6）计算间隙性能源发电预测值与可调节负荷的预测值的差额△P(t)，记为△P(t)=Py(t)-Pf(t)，其t与所述上面（3）中的t相对应；
（7）计算预测的发电功率与负荷（可调节负荷功率和可中断负荷功率）的差额△Pc(t)，计为Pc(t)=△P(t)-Pz(t)，其t与所述上面（3）中的t相对应；此时，所有的功率计算均是基于日前预测为基础；
（8）判断Pc(t)是否在功率波动允许范围P内，若不在范围内，改变可调节负荷曲线Pf(t)为P′f(t)，使Py(t)-P′f(t)-Pz(t)满足在功率波动允许范围P内。如果Pc(t)大于0（表示发电功率大于负荷功率），需要增加可调节负荷功率，使Py(t)-P′f(t)-Pz(t)小于功率波动允许范围P中的P；如果Pc(t)小于0（表示负荷功率大于发电功率），需要减少可调节负荷功率，使Py(t)-P′f(t)-Pz(t)大于功率波动允许范围P中的P。P′f(t)为可调节负荷经过拟定策略调整后的功率-时间曲线，是根据功率差值调整的可调负荷功率-时间曲线，t与所述上面（3）中的t相对应，此时的P′f(t)经过了策略调整后的可调节负荷的计划曲线；
上述中，改变可调节负荷曲线Pf(t)为P′f(t)的方法为：若某一时刻点则在此时刻点的Pf(t)上叠加一个增量，将叠加增量后的Pf(t)记为P′f(t)，使(Py(t)-P′f(t)-Pz(t))∈[P下限,P上限]；若某一时刻点的Pc(t)本来就满足则不需要叠加增量，或将增量置为0，记Pf(t)为P′f(t)。这个叠加的增量就是拟定的第二天的大型商业楼宇I区集中空调或II区集中空调或III区集中空调的负荷响应策略，即改变这些集中空调的出风口的大小和设定温度的高低，来增加或减少可调节负荷的大小，形成可调节负荷曲线P′f(t)。
（9）根据可调节负荷计划曲线P′f(t)，拟定可调节负荷的调节策略并在第二日按策略进行调节。其调节策略包括：以P′f(t)负荷曲线中某一时刻的负荷大小为依据，根据大型商业楼宇I区集中空调、II区集中空调和III区集中空调的调节特性，拟定第二天大型商业楼宇I区集中空调、II区集中空调和III区集中空调，在不同时刻段的出风口、设定温度的大小序列，形成第二天的出风口、设定温度的时间序列。
通过可中断负荷的实时调节来响应发电功率的瞬时突变的步骤包括：
1）根据日前计划拟定的可调节负荷策略P′f(t)，实时调节可调节负荷；
2）根据实时天气预报，测量间隙性能源发电功率突变的变化率△Py(t)，△Py(t)为t时刻相对应的时间点的15分钟的功率变化率；
3）计算叠加变化率后的发电曲线与可调负荷曲线的差值△Pc(t)，为△Pc(t)=Py(t)+△Py(t)-P′f(t)-Pz(t)。
4）判断△Pc(t)是否在功率波动允许范围P内，如不在允许范围内，计算需改变的可中断负荷容量△Pz(t)，使△Pc(t)-△Pz(t)在功率波动允许范围P内，也就是说，如△Pc(t)大于0（表示发电功率大于负荷），判断△Pc(t)是否小于功率波动允许范围P中P，如大于功率波动允许范围P内中P，则需投入更多的可中断负荷△Pz(t)，使△Pc(t)-△Pz(t)小于功率波动允许范围P内中P；如△Pc(t)小于0（表示负荷功率大于发电功率），判断△Pc(t)是否大于功率波动允许范围P内中P（此时△Pc(t)和P均为负值），如△Pc(t)小于功率波动允许范围P内中P，则需切断部分可中断负荷△Pz(t)，使△Pc(t)-△Pz(t)大于功率波动允许范围P内中P。
上述中，计算需改变的可中断负荷容量△Pz(t)的表达式为：
△Pz(t)=△Pc(t)-P。
5）按照ΔPz(t)，进行可中断负荷的投入和切断，ΔPz(t)为需要叠加的可中断负荷容量大小，以此来抵消间隙性能源发电的功率突变。
本实施例针对以城市屋顶光伏、大型集中空调、大型居民电热负荷、照明负荷等组成的微电网的功率波动问题，提出响应的实施步骤，但利用可控负荷和可调节负荷的不同特点来协同实现的这一思想和方法是可以推广到解决其它分布式间隙性能源的功率波动问题的，也可以推广到解决大型风电场、大型光伏电站的功率波动问题，有利于推动清洁能源的推广应用。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (11)
1.一种利用可控负荷平抑微电网功率波动的方法，其特征在于，针对可调节负荷特点：
通过可调节负荷的日前计划来响应发电功率的缓慢变化，使可控负荷曲线趋同于日前预测的发电曲线；
实施时，通过可中断负荷的实时调节来响应发电功率的瞬时突变；
所述通过可调节负荷的日前计划来响应发电功率的缓慢变化，使可控负荷曲线趋同于日前预测的发电曲线，其步骤包括：
(1)根据间隙性能源的装机容量，计算渗透率；
(2)根据所述渗透率计算微电网的功率波动允许范围P，其下限计为P下限，上限计为P上限；
(3)根据天气预报以及历史数据预测日前间隙性能源发电曲线Py(t)；
(4)根据日前天气预报，预测可调节负荷的负荷曲线Pf(t)；
(5)根据负荷历史使用情况，获取可中断负荷曲线Pz(t)，即可中断负荷的功率-时间曲线；
(6)计算间隙性能源发电预测值与可调节负荷的预测值的差额ΔP(t)；
(7)计算预测的发电功率与负荷的差额Pc(t)；
(8)判断差额Pc(t)是否在功率波动允许范围P内，若不在范围内，改变可调节负荷曲线Pf(t)为Pf′(t)，使Py(t)-P′f(t)-Pz(t)满足在功率波动允许范围P内；其中P′f(t)为根据功率差值调整的可调负荷功率-时间曲线；
(9)根据可调节负荷曲线P′f(t)拟定可调节负荷的调节策略并在第二日按策略进行调节；
所述通过可中断负荷的实时调节来响应发电功率的瞬时突变的步骤包括：
1)根据日前计划的可调节负荷策略P′f(t)实时调节可调节负荷；
2)根据实时天气预报，测量间隙性能源发电功率突变的变化率ΔPy(t)，其为时间变量t时刻相对应的时间点的15分钟的功率变化率；
3)计算叠加变化率后的发电曲线与可调负荷曲线的差值ΔPc(t)；
4)判断所述差值ΔPc(t)是否在功率波动允许范围P内，若不在范围内，计算需改变的可中断负荷容量ΔPz(t)，使ΔPc(t)-ΔPz(t)在功率波动允许范围P内；其中ΔPz(t)为需要叠加的可中断负荷容量大小；
5)根据ΔPz(t)进行可中断负荷的投入和切断，用以抵消间隙性能源发电的功率突变。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)计算所述渗透率的表达式如下：
λ＝Pm/Ps；
式中，Pm为装机容量；Ps为配网馈线分支出线容量。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)功率波动允许范围P∈[P下限，P上限]；
其中，P上限代表微电网间隙性能源发电容量大于微电网负荷容量时，配电网允许微电网输送的最大容量；其为正值，代表向配电网输送能量；
P下限为微电网负荷容量大于间隙性能源发电容量时，配电网向微电网可供的最大容量；其为负值，代表向配电网吸收能量。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，用前推回代法计算含间隙性能源的配电网潮流，得到配电网网损，以此网损最小为目标，确定间隙性能源向配电网输送的最大容量P上限和吸收的最大容量P下限，即P的允许范围。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(6)计算间隙性能源发电预测值与可调节负荷的预测值的差额的表达式如下：
ΔP(t)＝Py(t)-Pf(t)。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(7)计算预测的发电功率与负荷的差额的表达式如下：
Pc(t)＝ΔP(t)-Pz(t)。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(8)所述改变可调节负荷曲线Pf(t)为P′f(t)的步骤如下：
若某一时刻点则在此时刻点的Pf(t)上叠加一个增量，将叠加增量后的Pf(t)记为P′f(t)，使(Py(t)-P′f(t)-Pz(t))∈[P下限,P上限]；若某一时刻点的Pc(t)本来就满足则不需要叠加增量，或将增量置为0，记Pf(t)为P′f(t)。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)-步骤(8)中，时间变量t为0,1,2…95，共96个时间点，间隔15分钟。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(9)的调节策略包括：
以P′f(t)负荷曲线中某一时刻的负荷大小为依据，根据可调节负荷的调节特性，拟定这一时刻的可调节负荷的调节值，用于形成第二天的可调节负荷的调节值序列。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)计算叠加变化率后的发电曲线与可调负荷曲线的差值ΔPc(t)的表达式如下：
ΔPc(t)＝Py(t)+ΔPy(t)-P′f(t)-Pz(t)。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)所述计算需改变的可中断负荷容量ΔPz(t)的表达式如下：
ΔPz(t)＝ΔPc(t)-P。
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