改進加速因子的微電網運行模式切換控制仿真

張 曄,杜春暉,陳學永,張曉峰

(1. 河北建筑工程學院電氣工程學院,河北 張家口 075000;2. 福建農林大學機電工程學院,福建 永定 350100)

1 引言

多能互補微電網可以根據發電機所處位置的地理條件、自然環境,將光能、風能、水能等清潔能源綜合利用,進行多種能源互補協調發電[1],是經濟性強、綠色環保的發電系統[2]。為了提升微電網運行穩定性,進行高效的孤島、并網轉換控制,已成為電網領域研究的熱點課題[2]。

李俊杰[3]通過三元式確定當前輸出電壓穩態,當并網運行不夠穩定時,使用弱通信實現交直流混合微電網的運行切換控制;孫孝峰[4]分析雙有源橋變換器的拓撲結構,搭建以STM32+FPGA為核心的控制器實現運行切換。但是二者在切換控制的時候,沒有注意到對運行模式進行平滑過渡,導致切換過程中電壓產生了微小震蕩,對微電網內部造成了較為嚴重的負荷影響,降低了電能質量,甚至可能會導致故障發生。為此,本文提出一種多能互補微電網運行模式切換控制方法,通過多能發電網數學模型,明確切換過程中能源互補詳細數值,并設立了電壓偏差、電網損耗、經濟費用、環境影響控制約束,實現精準的平滑過渡切換。

2 多能發電系統數學模型

2.1 光伏發電模型

太陽能是最容易獲取的自然清潔能源,也是在微電網中占比較大的發電單元之一,為此,必須對光伏發電量進行精準預測[5],才能實現有效的切換控制。本文使用最大功率跟蹤裝置來簡化光伏發電量預測問題,忽略電壓對模型的影響,能夠得出光伏陣列輸出模型為:

(1)

其中,Ppv描述光伏陣列輸出功率;fpv描述光伏發電功率降損失因子[6],fpv值常取為0.9;Ppv-rate描述光伏發電的最大輸出功率,指在無風無云天氣條件下,溫度保持在25°,太陽能的熱力輻射強度達到1kW/m2標準環境下的額定輸出功率;GT描述在當前環境下光伏電池板陣列斜面上的總輻照度;GS描述在標準環境下光伏電池板陣列斜面上的總輻照度,取值為1kW。

2.2 風力發電模型

在對風力發電進行功率預測時,需要著重考慮風速對風機輪轂轉速的作用[7],才能獲得最精準的風力發電功率輸出結果。為此,本文計算出額定風速vr、切出風速vco、切入風速vci,通過曲線擬合的方式獲得風力發電輸出模型。由于風力發電機和對應的風速功率曲線趨勢基本耦合,可獲得風力發電的功率函數為:

(2)

由于風速的不確定性因素太強,所得到的函數還需要根據實際環境的當前風速特性進行一定修正。

2.3 火力發電模型

由于光伏和風力發電具有不完全的可預測性和可控性,為了令微電網能夠輸出高質量電能和穩定電壓,通常會配置火力發電設備彌補不足,如柴油發電機。但火力發電會對環境造成一定影響,并提高微電網的運營成本,為此只會在清潔能源量不足或不穩定情況下才會使用。

考慮到柴油發電機壽命,無法在極低功率下運行,設置其最低運行功率為35%,最好能將發電機保持在75%的輸出功率水平上運行[8,9],為此,整個柴油機的運行功率被限制在35%到100%之間,這時可獲得火力發電輸出功率與耗油量F之間的關系式為:

F=F0·Pde-rate+F1·Pde

(3)

其中,Pde-rate描述火力發電額定功率;Pde描述實際功率;F0、F1分別描述耗油量與輸出功率間的耦合系數[10],可通過實際發電機測量和計算出來。

2.4 蓄電池儲能模型

蓄電池雖然不能產生電能,卻能在能源充足時存儲、能源短缺時釋放,突破了單一電力系統的時間、空間限制,為微電網的普及應用增添了靈活性和穩定性優勢。使用荷電狀態(SOC)描述蓄電池剩余容量和額定容量的比值[11]:

(4)

其中,Sess,t描述電池當前時刻的荷電狀態,狀態值最好保持在蓄電池額定容量的20%到80%,避免電池過充和過放;Eess,rate、Et描述電池的額定容量和剩余容量。Et的值可通過t-1時刻和t+1時刻的電池充放電狀態計算得出:

(5)

其中,τch、τdis描述電池的充放電效率,在蓄電池未發生任何異?；蚬收系那闆r下,該效率值為90%到95%;Pch,t、Pdis,t描述電池的充放電功率[12];Bch,t、Bdis,t描述電池的充放電狀態,僅用0和1表示。

綜上,本文對多能互補發電系統進行了數學建模,并分析蓄電池儲存單元,為后續的運行模式切換控制奠定了堅實的基礎。

3 微電網運行模式切換控制約束

確定多能互補發電的數學模型后,本文以下面的約束條件來實現切換過程中的平滑過渡。

1)電壓偏差約束

在孤島和并網運行模式切換過程中,要盡可量減少配電網和微電網間的電壓偏差,避免因微小波動導致輸出電壓不穩定[13]。由于切換過程中的電壓偏差不可能為0,因此計算出電壓偏差函數,設多能互補微電網節點有M個,電壓偏差指標為DU,計算公式如下:

(6)

其中,Ui描述為節點i的電壓偏差值;UNi描述節點i所在的母線額定電壓。

限制UNi值越小,就越能降低多能互補微電網中關鍵節點的電壓偏差[14],以實現轉換過程的電壓穩定,保證滿足用戶正常需電質量和容量。

2)電網損耗

多能互補微電網運行過程中必須達到有功功率平衡,等式如下:

∑Pgen=∑Pload+∑Ploss

(7)

其中,∑Ploss描述微電網總功率損耗;∑Pload描述各多能發電設備功率損耗;∑Ploss描述存儲和輸出時線路損耗,該損耗值也要限制在最小。

3)經濟費用

經濟價值是指多能互補微電網與配電網處于并網模式下,具體包括配電網購買電力費用CGrid、設備運維費用COM、折舊損耗費用COD、柴油發電機的燃料費用CFuel,可得出處于并網時的經濟費用如下:

fc(x)=CGrid(x)+COM(x)+COD(x)+CFuel(x)

(8)

如果微電網處于孤島運行模式,不需要購買電力,則CGrid=0。

4)環境影響

對環境的影響主要考慮微電網在進行火力發電時,柴油發電機排放的污染物,計算有害氣體和微小顆粒物對環境的影響,用價值評定:

(9)

其中,Ve,l描述污染物l對環境的影響;n描述柴油發電機排放的污染物種類;Ql描述污染物l的排放量;Vl描述因排放污染物l造成的經濟損失。

4 運行模式切換控制實現

粒子群算法可憑借多次迭代運算,不斷更新當前局部最優解,直至獲得全局最優解。由于傳統的粒子群算法常設定粒子慣性權重和加速因子為常數,不做任何調整直接代入到計算過程中求解。由于微電網的運行模式切換控制是一個復雜的、非線性動態過程,控制算法需要得到動態平衡最佳點,權重和加速因子為固定常數值時,很容易導致求得的解為局部最優,無法實現最佳的控制。

為此,先對粒子慣性權重w進行實時更新,公式表示為:

(10)

其中,wmax描述迭代過程中權重上限值,即初始值;wmin描述迭代過程中下限值,即最后輸出值;itermax描述迭代運行周期的上限值;k描述迭代。

同時也需要對加速因子進行調整,需要考慮到粒子群算法的迭代初期,粒子首先要均勻地遍布于整個空間中,才能便于后期在能力范圍內的小區域進行仔細搜索,從而獲得全局最優位置。那么,對加速因子的調整[15]如下:

(11)

其中,c1i、c1j分別描述加速因子c1的初始值和輸出值;c2i、c2j分別描述加速因子c2的初始值和輸出值;iter描述迭代運行周期。

改進后的粒子慣性權重和加速因子,能夠提高粒子群算法獲得局部最優解的收斂速度和精準程度,具體算法調整如下:

任意粒子速度:

vi=(vi1,vi2,…,viD)

(12)

任意粒子方位:

xi=(xi1,xi2,…,xiD)

(13)

任意粒子局部最優位置:

pi=(pi1,pi2,…,piD)

(14)

任意粒子全局最優位置:

pg=(pg1,pg2,…,pgD)

(15)

迭代計算:

(16)

改進后慣性權重迭代:

(17)

用δ描述粒子局部適應度,改進后加速因子:

(18)

將改進后的粒子群算法投入微電網運行模式切換控制中,為了最大程度使用清潔能源,火力發電和蓄電池輸出功率被限制在最小區間內。當配電網無法滿足用電需求時,微電網由并網運行模式切換為孤島運行模式,反之,如果配電網恢復正常運行,則由孤島切換為并網運行模式,具體的切換控制流程如圖1所示。

圖1 多能互補微電網運行模式切換控制流程

5 仿真研究

為驗證本文方法控制的有效性進行仿真。實驗設備包括10組60kW的光伏陣列,3臺70kW的風力發電設備,容量為70kW/h的蓄電池儲能單元,2臺550kW的火力發電機,以2022年7月中隨機一天的24小時為一個微電網運行模式調度控制周期。為了更加直觀的顯示實驗結果,運用Matlab仿真軟件將實驗結果數據轉換成圖片的形式,圖2-圖4為直流混合自適應切換控制方法、雙有源橋集成切換控制方法和本文方法控制下的各能源出力功率情況。

圖2 直流混合自適應切換控制方法

圖2中,直流混合自適應切換控制方法持續性的使用蓄電池來維持電能輸出,蓄電池在存儲和輸出過程中,均會有損耗,所以直流混合自適應切換控制的切換控制存在資源浪費問題;圖3中,雙有源橋集成切換控制方法大幅度的使用了火力發電來彌補夜晚光伏發電的不足,對于風力發電利用的較少,運行模式清潔力度不夠;反觀圖4本文方法下微電網主要靠風力和光伏出力,火力發電僅彌補夜晚光伏發電的不足,并使用蓄電池的細微出力調整和穩定電網輸出。

圖3 雙有源橋集成切換控制方法

圖4 本文方法

圖5是三種方法控制下微電網運行發電費用明細。

圖5 各方法控制費用對比

從圖5中能夠看出直流混合自適應切換控制的主要成本耗費在蓄電池上,雙有源橋集成切換控制成本主要消耗在火電上,二者的總控制費用都達到了5萬元以上,反觀本文方法充分利用了固定的光伏和風電資源,降低了火力和蓄電池電力資源的使用,使不同運行模式下的總成本達到最低。

圖6是三種方法控制下,微電網由孤島切換到并網運行模式的電網有效電壓值波動結果。

圖6 切換控制中電網有效電壓值波動

圖6中,能夠看到微電網和配電網是在13.4s時進行并網,直流混合自適應切換控制有效電壓瞬時大幅度降低,且恢復到穩定耗時也是最長的;雙有源橋集成切換控制效果相比更好,但依舊存在耗時長的問題;本文方法通過改進慣性權重獲得最優加速因子值,能在最小波動下實現迅速切換控制工作。

6 結論

本文為平滑過渡在微電網并網或孤島運行模式切換下的電壓波動,提出多能互補微電網運行模式切換控制方法,分析多能發電數學模型以及蓄電池儲電單元,電壓偏差、電網損耗、經濟費用、環境影響控制約束,最后,本文方法改進傳統粒子群算法的固定慣性權重和加速因子值,通過動態更新獲得局部最優解和全局適用度均值,獲得最佳控制效果。經過仿真證明,所提方法能夠減低電壓不穩現象,減少成本。