CN103762611A - 一种平滑微网联络线功率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平滑微网联络线功率的方法，包括：将不加任何控制措施下的微网联络线功率连续通过两个具有不同时间常数的巴特沃兹滤波器，分别得到平滑高频功率波动后的联络线功率目标信号和平滑低频功率波动后的联络线功率目标信号；根据温度优先列表对每一时刻处于不同开关状态的热泵进行分组，每组再根据室内温度的高低进行排序，由联络线功率目标信号获取热泵控制目标功率；由联络线功率目标信号和获取储能电池的调节目标功率，通过储能电池的容量模型和负荷转移模型，使储能电池进行相应的充放电操作达到目标功率；检验每一个采样点的热泵真实响应值和热泵控制目标功率是否吻合，电池整体的实际响应功率值和电池的调节功率目标值是否吻合。

Description

一种平滑微网联络线功率的方法

技术领域

本发明涉及智能电网、用户侧需求响应和混合储能领域，特别涉及一种平滑微网联络线功率的方法。 

背景技术

可再生能源发电技术（如光伏发电和风力发电）以其无污染、可再生、分布广等优点，受到了越来越大的关注，但其发电的间歇性和波动性对微网带来了极大的挑战，可再生能源发电的间歇性和波动性会引起微网联络线功率的波动性。传统上，利用电储能系统抑制微网联络线功率波动是工程界和学术界普遍提出的方法，因此，就地配置一定容量的储能装置可提高电网接纳可再生能源发电的能力，现有的储能介质可以分为能量型介质和功率型介质，能量型介质诸如电池具有能量密度大、功率密度小的特点，功率型介质诸如超级电容、飞轮储能等具有能量密度小、功率密度大，高倍率充放电不会影响其性能的特点。因考虑到荷电状态、充放电功率限制、充放电频率以及使用寿命等约束，单独使用一类型储能很难满足需要，因此，混合储能技术逐渐成为当前研究的重点。 

混合储能技术综合了功率型储能和能量型储能的优势，弥补了单一储能技术的不足，在以往的研究中，通常使用的是超级电容器和蓄电池的混合电源，充分发挥蓄电池能量大，超级电容器能快速充放电、循环寿命长等优点，建立二者的数学模型，通过模糊控制等方式来平滑微网联络线的功率波动，改善了蓄电池的充放电过程，延长了其使用寿命，具有较强的技术经济性。 

需求响应技术是指通过电力价格或者其他激励手段，有效控制需求侧分布的大量负荷设备，通过其自动响应，实现系统负荷调节目标的技术手段。家居温控设备（如电热泵、热水器以及电冰箱等）以其良好的储能特性而成为重要的可调负荷资源。通过需求响应策略实时控制家居温控设备的开关状态，可使一定数量的家居温控设备响应系统的负荷调节目标。 

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存下以下缺点和不足： 

目前，大多数研究者主要通过建立超级电容器和蓄电池相互配合的混合电储能系统来抑制由可再生能源发电引起的微网联络线功率波动。这些方法的局限在于，只是用不同形式的电储能介质来平滑波动，而且就地配置一定容量的电储能装置，会使得占地总面积增大，储能装置的造价比较昂贵，导致微网建设成本提高，在运行过程中，相应的损耗也会增加，此 外，储能装置还面临着使用寿命的问题。 

若单独使用需求响应技术来平滑微网联络线的功率波动，由于可参与调节的热力学可控负荷的数目有限，可提供的能量则有限，可以平滑的功率波动的幅值较小，若需要平滑幅值较大的功率波动，需求响应技术则很难达到理想的平滑效果。 

发明内容

本发明提供了一种平滑微网联络线功率的方法，本方法不仅提高了电能质量，降低了电网控制成本，对储能系统的维护也起到了很大的作用，详见下文描述： 

一种平滑微网联络线功率的方法，所述方法包括以下步骤： 

（1）采用简化1阶等值热力学参数模型来描述热泵的热力学动态，采用电池的容量模型和负荷转移模型对电池的充放电过程进行描述； 

（2）将不加任何控制措施下的微网联络线功率P_TL0连续通过两个具有不同时间常数的巴特沃兹滤波器，分别得到平滑高频功率波动后的联络线功率目标信号

和平滑低频功率波动后的联络线功率目标信号

（3）实时采集室内调节温度以及可控温控设备热泵的开关状态及额定功率，根据温度优先列表对每一时刻处于不同开关状态的热泵进行分组，每组再根据室内温度的高低进行排序，由联络线功率目标信号

获取热泵控制目标功率

由本时刻的热泵控制目标功率

和上一时刻的热泵真实响应值P_HP,k-1之差计算出进行状态转换的热泵的数目并加以操作； 

（4）由联络线功率目标信号

和

获取储能电池的调节目标功率

通过储能电池的容量模型和负荷转移模型，使储能电池进行相应的充放电操作达到目标功率； 

（5）检验每一个采样点的热泵真实响应值P_HP和热泵控制目标功率

是否吻合，以及电池整体的实际响应功率值P_BT和电池的调节功率目标值

是否吻合。 

所述步骤（2）具体为： 

高频功率波动由温控负荷热泵来平滑，低频功率波动由储能电池来平滑； 

电池充\放电功率P_S=0时，微网内部的功率平衡公式为P_TL+(P_W+P_V)=P_HP+P_NL，P_TL为联络线功率，P_W为风机出力，P_V为光伏发出功率，P_HP为热泵调节功率，P_NL为不可控负荷的功率； 

当 $P_{\mathrm{TL}}=P_{\mathrm{TL}}^l$ 时， $P_{\mathrm{HP}}^{*}=P_{\mathrm{TL}}^l+(P_W+P_V)-P_{\mathrm{NL}},$ 设置储能电池的调节目标功率为 $P_{\mathrm{BT}}^{*}=P_{\mathrm{TL}}^{*}-P_{\mathrm{TL}}^l;$

若T_HP和T_BT分别是平滑高频功率波动和低频功率波动的巴特沃兹滤波器的时间常数，k为采样时间，Δt为时间步长，则在k采样点，通过滤波器后得到的两个联络线功率目标信号为： 

$P_{\mathrm{TL},k}^l=\frac{\mathrm{\Δt}}{T_{\mathrm{HP}}}(P_{\mathrm{TL}0,k}-P_{\mathrm{TL},k-1}^l)+P_{\mathrm{TL},k-1}^l$

$P_{\mathrm{TL},k}^{*}=\frac{\mathrm{\Δt}}{T_{\mathrm{BT}}}(P_{\mathrm{TL},k}^l-P_{\mathrm{TL},k-1}^{*})+P_{\mathrm{TL},k-1}^{*}$

其中，P_TL0,k为在k采样点，不加任何控制措施下的微网联络线功率，

和

分别为在k和k-1采样点，平滑高频功率波动后的联络线功率目标信号，

和

分别为在k和k-1采样点，平滑低频功率波动后的联络线功率目标信号。 

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明采用热泵作为负荷响应资源平滑高频功率波动，采用储能电池平滑低频功率波动，二者配合不仅可以达到很好的功率平滑效果，在对热泵进行调节的时候也能满足终端用户的使用和舒适度要求。除此之外，以热储能设备作为响应资源来平滑功率，为含有可再生能源的微网应用提供了一个新的技术途径。与其它混合储能相比，对温控设备控制的投资要比电储能系统的投资少，整体上有助于降低电力系统运行和建设成本，具有更强的技术经济性。 

附图说明

图1为本发明提供的单个电热泵热力学动态过程； 

图2为通过滤波器的微网联络线功率平滑目标信号的结构图； 

图3为对热泵进行TPL控制的示意图； 

图4为本发明提供的基于热泵和电池配合控制算法所得到的微网联络线功率平滑效果示意图； 

图5为一种平滑微网联络线功率的方法的流程图。 

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。 

为了有效平滑微网联络线功率波动，同时降低电网控制成本和系统维护费用，本发明实施例提供了一种平滑微网联络线功率的方法，详见下文描述： 

101：采用简化1阶等值热力学参数模型[1][2]来描述热泵的热力学动态，采用电池的容量模型和负荷转移模型对电池的充放电过程进行描述； 

热力学参数模型为： 

${\mathrm{\θ}}_{a,i,k+1}={\mathrm{\θ}}_{o,i,k}+\mathrm{QR}-({\mathrm{\θ}}_{o,i,k}+\mathrm{QR}-{\mathrm{\θ}}_{a,i,k})e^{-\frac{1}{\mathrm{RC}}\mathrm{\Δt}}(n_{i,k}=1)$

${\mathrm{\θ}}_{a,i,k+1}={\mathrm{\θ}}_{o,i,k}-\mathrm{QR}-({\mathrm{\θ}}_{o,i,k}-{\mathrm{\θ}}_{a,i,k})e^{-\frac{1}{\mathrm{RC}}\mathrm{\Δt}}(n_{i,k}=0)$

当θ_a,i,k≤θ_-=θ_S-δ时，n_i,k+1=1，当θ_a,i,k≥θ₊=θ_S+δ时，n_i,k+1=1，当θ_a,i,k∈(θ_-,θ₊)时，n_i,k+1=n_i,k。 

其中，i为热泵标号，k为采样时间，Δt为时间步长，θ_a为室内温度，θ₀为室外温度，n为热泵开关状态，θ_a,i,k和θ_a,i,k+1则分别为第i个热泵在k和k+1采样点的室内温度，θ_o,i,k和θ_o,i,k+1则分别为第i个热泵在k和k+1采样点的室外温度，n_i,k和n_i,k+1分别为第i个热泵在k和k+1采样点的开关状态，为1代表热泵处于“开”的状态，为0代表热泵处于“关”的状态，Q为运行热消耗，R为等效热电阻，θ_S为温度设定点，δ为温度死区大小，θ₊和θ_-分别是温度的上下边界。 

参见图1，为单个热泵的热力学动态过程，其中，横坐标代表时间，纵坐标代表室内温度和热泵的消耗功率，τ_ON代表热泵在稳定运行之后的处于“开”的状态的时间，τ_OFF代表热泵处于“关”的状态的时间，它整体上反映了在一定温度设定点之下，室内温度和热泵功率随着时间的变化情况，由于此变化为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做详述。 

根据常用的动力电池模型[3]对电池机组进行建模，主要用到了容量模型和负荷转移模型，在此模型中，电池被看做是双槽储能设备，一个槽可以快速的进行充放电，而另一个只能以有限的速率进行充放电，电池的容量模型和负荷转移模型为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述。 

102：将不加任何控制措施下的微网联络线功率P_TL0连续通过两个具有不同时间常数的巴特沃兹滤波器，分别得到平滑高频功率波动后的联络线功率目标信号和平滑低频功率波动后的联络线功率目标信号

其中高频功率波动由温控负荷热泵来平滑，低频功率波动由储能电池来平滑； 

在不考虑任何功率损失的条件下，微网内部的功率平衡公式为： 

P_TL+(P_W+P_V)+P_S=P_HP+P_NL

其中，P_TL为联络线功率，P_W为风机出力，P_V为光伏发出功率，P_S为电池充\放电功率，P_HP为热泵调节功率，P_NL为不可控负荷的功率。 

参见图2，P_TL0是不加任何控制措施下的微网联络线功率，它经过第一个高频巴特沃兹滤波器得到平滑高频功率波动后的联络线功率目标信号

通过第二个低频滤波器得到平滑低频功率波动后的联络线功率目标信号其中，高频功率波动由温控负荷热泵来平滑，即由热泵调节达到联络线功率目标信号设置热泵控制目标功率为

则在没有电池参与调节的情况下，即P_S=0时，微网内部的功率平衡公式为P_TL+(P_W+P_V)=P_HP+P_NL，当 时，

低频功率波动由电池来调节，即由电池调节达到联络 线功率目标信号设置储能电池的调节目标功率为

若T_HP和T_BT分别是平滑高频功率波动和低频功率波动的巴特沃兹滤波器的时间常数，k为采样时间，Δt为时间步长，则在k采样点，通过滤波器后得到的两个联络线功率目标信号为： 

$P_{\mathrm{TL},k}^l=\frac{\mathrm{\Δt}}{T_{\mathrm{HP}}}(P_{\mathrm{TL}0,k}-P_{\mathrm{TL},k-1}^l)+P_{\mathrm{TL},k-1}^l$

$P_{\mathrm{TL},k}^{*}=\frac{\mathrm{\Δt}}{T_{\mathrm{BT}}}(P_{\mathrm{TL},k}^l-P_{\mathrm{TL},k-1}^{*})+P_{\mathrm{TL},k-1}^{*}$

其中，P_TL0,k为在k采样点，不加任何控制措施下的微网联络线功率，

和

分别为在k和k-1采样点，平滑高频功率波动后的联络线功率目标信号，

和分别为在k和k-1采样点，平滑低频功率波动后的联络线功率目标信号。 

103：实时采集室内调节温度以及可控温控设备热泵的开关状态及额定功率，根据温度优先列表(TPL，Temperature Priority List)[4]对每一时刻处于不同开关状态的热泵进行分组，每组再根据室内温度的高低进行排序，由联络线功率目标信号

获取热泵控制目标功率

由本时刻的热泵控制目标功率和上一时刻的热泵真实响应值P_HP,k-1之差计算出进行状态转换的热泵的数目并加以操作； 

参见图3，其为对热泵进行TPL控制的示意图，横坐标代表时间，纵坐标代表室内温度，T_S为温度设定点，T₊和T_-分别为温度的上下限，n_i为热泵的开关状态，每个小方框都代表一台热泵，根据热泵的响应曲线，在每个采样点采集每个热泵的开关状态及额定功率以及其所在的室内调节温度，并依据TPL控制策略，在每个采样点，将处于开的状态即n_i=1的热泵分为一组，假定总个数为m，并按其所在的室内温度高低进行升序排列，将处于关的状态即n_i=0的热泵分为一组，假定总个数为n，并按其所在的室内温度高低进行降序排列，图3所示为5个热泵处于开的状态，15个热泵处于关的状态，设定所有热泵的平均额定功率为

在k采样点，需要热泵平滑的功率大小为

则需要参与调节的热泵的个数S为： 

$S=\frac{|P_{\mathrm{HP},k}^{*}-P_{\mathrm{HP},k-1}|}{{\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{rated}}}$

在

的值大于等于0的情况下，热泵需要开启以达到目标功率值，此时，处于关的状态的热泵要被打开，如果S≥m，则所有处于关闭状态的热泵均被开启，如果S＜m，则按照降序排列所得到的结果，开启温度相对较低的后S个热泵，例如，若S=3，则开启20，19和18号热泵；反之，在

的值小于0的情况下，热泵需要关闭以达到目标功率值，此时，处于开的状态的热泵要被关闭，如果S≥n，则所有处于开启状态的热泵均被关闭， 如果S＜n，则按照升序排列所得到的结果，关闭温度相对较高的后S个热泵，例如，若S=3，则关闭5，4和3号热泵。 

104：由联络线功率目标信号和

得知储能电池的调节目标功率

通过储能电池的容量模型和负荷转移模型，使储能电池进行相应的充放电操作达到目标功率； 

根据负荷转移模型，由电池的调节功率目标值

得知响应充放电电流I_BT。若

则由

得知所需要的放电电流I_d，如果I_d大于电池本身所允许的最大放电电流I_d,max，则响应放电电流I_BT=I_d,max，反之，如果I_d小于等于电池本身所允许的最大放电电流I_d,max，则响应放电电流I_BT=I_d。若

则由

得知所需要的充电电流I_c，如果I_c大于电池本身所允许的最大充电电流I_c,max，则响应充电电流I_BT=I_c,max，反之，如果I_c小于等于电池本身所允许的最大充电电流I_c,max，则响应充电电流I_BT=I_c。 

根据容量模型，利用由负荷转移模型得到的响应充放电电流I_BT，分别得知电池双槽的实际响应功率值，进而得知电池整体的实际响应功率值P_BT。 

105：检验每一个采样点的热泵真实响应值P_HP和热泵控制目标功率

是否吻合，以及电池整体的实际响应功率值P_BT和电池的调节功率目标值

是否吻合。 

如果P_HP和

以及P_BT和

均可以完全吻合，即热泵和电池的实际响应值均达到了目标值，则微网联络线的实际功率值和目标功率值完全吻合，目标功率值是平滑的，代表家居温控负荷热泵需求响应和电池储能相互配合的控制方法达到了平滑微网联络线功率的效果。 

下面以具体的实验来验证本发明提供的一种平滑微网联络线功率的方法的可行性，详见下文描述： 

在验证家居温控负荷需求响应和电池储能相互配合以平滑微网联络线功率波动的效果时，建立了1000个热泵模型，单个热泵响应特性曲线如图2所示，每个热泵的温度设定点均为21℃，死区范围为8℃，其热力学动态参数C，R，Q分别设置为3599.3J/℃，0.1208℃/W，400W。室外日平均温度为10℃。建立了200个电池机组，每个机组串联电池数目为80，其额定电压V_rated，最大容量q_max，KBM模型的容量比c，KBM模型的比例常数k以及时间步长Δt分别设置为6V，97.41Ah，0.35，0.53hrs^-1以及1/60hrs。高低频巴特沃兹滤波器的时间常数分别设置为10分钟和6小时。以1分钟作为采样间隔，一天之内的仿真效果如图4所示。 

参见图4，横坐标代表时间，纵坐标代表联络线功率，可以看出，在电热泵和电池的共同调节之下，微网联络线实际响应功率曲线可以很好的跟随目标功率曲线，即二者相吻合，而且，相比较未采取任何控制措施下的微网联络线自然功率曲线，波动性大大降低，变化程度更加缓慢，具有很强的平滑性。结果表明，这一控制算法在满足终端用户使用和舒适度要 求的前提下，可以对由可再生能源的集成所引起的微网联络线的功率波动起到很好的平滑效果。 

综上所述，本发明实施例提供了一种平滑微网联络线功率的方法，该方法采用热泵作为负荷响应资源，平滑高频功率波动，采用储能电池平滑低频功率波动，二者配合不仅可以达到很好的功率平滑效果，在对热泵进行调节的时候也能满足终端用户的使用和舒适度要求。除此之外，以热储能设备作为响应资源来平滑功率，为含有可再生能源的微网应用提供了一个新的技术途径，同时有助于提高电能质量，降低电力系统运行和建设成本，具有更强的技术经济性。 

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

参考文献 

[1]Lu N.An evaluation of the HVAC load potential for providing load balancing service[J].Smart Grid,IEEE Transactions on,2012,3(3):1263-1270. 

[2]Lu N,Chassin D P.A state-queueing model of thermostatically controlled appliances[J].Power Systems,IEEE Transactions on,2004,19(3):1666-1673. 

[3]Manwell J F,Rogers A,Hayman G,et al.HYBRID2-A hybrid system simulation model,Theory manual[J].National Renewable Energy Laboratory,Subcontract No.XL-1-11126-1-1,2006. 

[4]Lu N,Chassin D P.A state-queueing model of thermostatically controlled appliances[J].Power Systems,IEEE Transactions on,2004,19(3):1666-1673。 

Claims (2)

1.一种平滑微网联络线功率的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：（1）采用简化1阶等值热力学参数模型来描述热泵的热力学动态，采用电池的容量模型和负荷转移模型对电池的充放电过程进行描述；

（2）将不加任何控制措施下的微网联络线功率P_TL0连续通过两个具有不同时间常数的巴特沃兹滤波器，分别得到平滑高频功率波动后的联络线功率目标信号

和平滑低频功率波动后的联络线功率目标信号

（3）实时采集室内调节温度以及可控温控设备热泵的开关状态及额定功率，根据温度优先列表对每一时刻处于不同开关状态的热泵进行分组，每组再根据室内温度的高低进行排序，由联络线功率目标信号

获取热泵控制目标功率

由本时刻的热泵控制目标功率

和上一时刻的热泵真实响应值P_HP，k-1之差计算出进行状态转换的热泵的数目并加以操作；

（4）由联络线功率目标信号

和

获取储能电池的调节目标功率

通过储能电池的容量模型和负荷转移模型，使储能电池进行相应的充放电操作达到目标功率；

（5）检验每一个采样点的热泵真实响应值P_HP和热泵控制目标功率

是否吻合，以及电池整体的实际响应功率值P_BT和电池的调节功率目标值是否吻合。

2.根据权利要求1所述的一种平滑微网联络线功率的方法，其特征在于，所述步骤（2）具体为：

高频功率波动由温控负荷热泵来平滑，低频功率波动由储能电池来平滑；

电池充\放电功率P_S=0时，微网内部的功率平衡公式为P_TL+(P_W+P_V)=P_HP+P_NL，P_TL为联络线功率，P_W为风机出力，P_V为光伏发出功率，P_HP为热泵调节功率，P_NL为不可控负荷的功率；

当 $P_{\mathrm{TL}}=P_{\mathrm{TL}}^l$ 时， $P_{\mathrm{HP}}^{*}=P_{\mathrm{TL}}^l+(P_W+P_V)-P_{\mathrm{NL}},$ 设置储能电池的调节目标功率为

$P_{\mathrm{BT}}^{*}=P_{\mathrm{TL}}^{*}-P_{\mathrm{TL}}^l;$

若T_HP和T_BT分别是平滑高频功率波动和低频功率波动的巴特沃兹滤波器的时间常数，k为采样时间，Δt为时间步长，则在k采样点，通过滤波器后得到的两个联络线功率目标信号为：

$P_{\mathrm{TL},k}^l=\frac{\mathrm{\Δt}}{T_{\mathrm{HP}}}(P_{\mathrm{TL}0,k}-P_{\mathrm{TL},k-1}^l)+P_{\mathrm{TL},k-1}^l$

$P_{\mathrm{TL},k}^{*}=\frac{\mathrm{\Δt}}{T_{\mathrm{BT}}}(P_{\mathrm{TL},k}^l-P_{\mathrm{TL},k-1}^{*})+P_{\mathrm{TL},k-1}^{*}$

其中，P_TL0,k为在k采样点，不加任何控制措施下的微网联络线功率，

和

分别为在k和k-1采样点，平滑高频功率波动后的联络线功率目标信号，

和

分别为在k和k-1采样点，平滑低频功率波动后的联络线功率目标信号。

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