电力工程枝*
Electric Power Engineering Technology
2021年1月第40卷第1期40 D01:10.12158/j.2096-3203.2021.01.006
基于小区源-储-荷协同的微网多能协调控制策略
杨金文，吴杰康，庄仲，梁继深，何家裕，余方明
(广东工业大学自动化学院，广东广州510006)
摘要：小区光伏配备的储能装置容量有限且运行模式单一，不能充分发挥储能作用。文中将天燃气储气备用、空调可控负荷产生的虚拟储能与储能装置一起组成储能系统，提出使储能系统在光伏平抑波动、电网有功功率波动和峰谷电价套利3种模式下协调运行的控制策略。在光伏平抑波动和电网有功功率波动模式中，利用小波包分解得到虚拟储能输出功率参考指令，根据空调、燃气管道等状态信息得到虚拟储能输出功率，储能装置根据荷电状态选择性地作为虚拟储能的后备。峰谷电价套利模式中，利用储能装置空闲时段并结合分时电价信息进行充放电控制。3种模式协调运行，可实现小区源-储-荷能量管理。在Matlab中仿真不同模式组合下储能系统的输出功率，验证了所提控制策略的正确性和有效性。
关键词：微网；源-储-荷；虚拟储能；多能协调；小波变换
中图分类号:TM73文献标志码:A文章编号:2096-3203(2021)01-0040-10
0引言
光伏等分布式可再生能源是解决能源危机和环境问题的可行方法。可再生能源具有不确定性和随机性，为了减弱其并网给电网造成的影响，设计时应根据光伏装机容量配备相应的储能装置，但大容量的储能装置成本较高。因此，利用源-储-荷协同运行降低可再生能源对储能装置的依赖，并根据系统现有结构制定合理的协调控制策略具有重要意义。
随着能源互联网的发展UT］，电、气能源的联系愈发紧密，小区能源关系亦是如此。将小区微电网和天然气网组成微网，对微网进行协调控制不仅能提高能源利用率，也能提高微网稳定性"T］。在天然气网中，天然气管道在设计时要满足最大负荷流量，但最大流量的运行时间较少，可将天然气管道储存的多余天然气形成储气备用。储气备用量化不仅能稳定天然气网⑻，还能作为储能装置用于微网的优化调度⑼。在微网中，负荷侧主动配电网技术日益成熟，控制精度越来越高：1M2］，利用需求侧响应技术主动参与能源管理和调度可使微网运行更加灵活多变。已有研究成果以空调负荷为可控负荷参与平抑电网功率波动，文献［13］简化了空调房调温模型，使自适应电网的预测负荷大小进行互补运行，但缺乏实际样机数据支撑。文献［14］提出建立以双耦合偏微分方程组为基础的空调负荷热力学模型，通过对空调设定温度的更改平抑电网中
收稿日期：2020-07-31；修回0期：2020-08-26
基金项目：广东省科技计划项目(2020A050515003)分布式新能源的波动，但只适用于某些特定场合。文献［15］提出了通过改变双巴特沃兹滤波器中的滤波时间常数，实现空调可控负荷和储能电池的协调控制，但未考虑外界环境对空调负荷的影响。文献［16］提出将空调负荷聚类，配合储能装置通过模糊控制平抑电网功率波动，但未考虑气、热能源的作用。文献［17］提出建立空调负荷的虚拟储能聚合模型参与电网能量调度，但未与其他储能装置进行联系。
上述研究建立的天然气储气备用模型只单独作为虚拟储能使用，并未考虑与空调可控负荷产生的虚拟储能相结合。文中在前人的研究成果上，提出将天然气储气备用和空调可控负荷产生的虚拟储能通过控制系统与小区已有储能装置共同参与微网能量管理，并设计多能协调控制策略使源-储-荷微网系统(source-storage-load micro network sys-tem,SSLS)可在光伏平抑波动模式、电网有功功率波动模式和峰谷电价套利模式下协调运行。
六一儿童节快乐的祝福语1SSLS建模
1.1 SSLS结构
SSLS由分布式光伏电站、燃气轮机、蓄电池组及超级电容储能装置、空调负荷和协调控制系统构
成，具体如图1所示。天然气管道储存的天然气通过燃气轮机与微电网耦合，空调虚拟储能由所有住户组成的空调负荷决定。超级电容和空调虚拟储能适合高频动作，蓄电池组和储气备用适合低频动作。
军校委培生为实现小区SSLS协调运行，设置一协调控制系
41杨金文等：基于小区源-储-荷协同的微网多能协调控制策略
图1SSLS结构
Fig.1Structure of SSLS
统对微网进行功率分配。协调控制系统通过收集燃气轮机的输出功率P"和天然气管道储气量计算储气备用虚拟储能；根据室外温度和空调当前的电功率P込计算空调可控负荷的虚拟储能；根据蓄电池组的荷电状态S bat，超级电容的荷电状态S哪和最大充放电功率计算输出功率可用范围。在光伏平抑波动模式或电网波动功率模式下，储气备用输出功率p lrf和蓄电池组输出功率用于平抑原始功率的中频段，空调可控负荷输出功率Pgf和超级电容输出功率Peaf用于平抑高频段。在峰谷电价套利模式下，对蓄电池组和超级电容输出功率进行二次调整，使光伏平抑波动模式和电网波动功率模式嵌套在峰谷电价套利模式中。
1.2空调负荷
1.2.1空调负荷的热力学模型
空调负荷为可控负荷，快速调节空调温度可改变空调出力。单台空调-建筑系统的等效热力学参数模型为⑼：
dT®⑴Cao(0T'outCO-
高污开车名场面dt C RC''式中：T^t)为房间温度；T out(t)为室外温度；QO为空调制冷量；C为建筑等效热容；丘为建筑等效热阻。
Q ac(0与空调电功率巴。(门的关系为：
<2ao(t)=AP ac(t)(2)式中：入为空调热电转换系数。
梦见别人怀孕当空调设定温度几tG)不变时，空调运行状态S(t)会根据几。"⑴和阈值AT调整运行状态M，具体如式⑶所示。
■0TM>U+A71
,
、1<T^(t)-A7
s(t)=(3) s(t-l)Tg(t)-AT<T』)<
几』)+M
空调运行一段时间后处于稳态，房间温度会稳定在设置温度的AT范围内。1.2.2温度变化意愿曲线
改变空调设置温度可以调节空调负荷的平均功率。根据住宅用户对空调温度变化敏感度的研究可知，相对于温度降低，住户对温度升高更敏感，希望保持温度不变的住户比例大致服从图2[19]。
图2温度变化意愿曲线
Fig.2Willingness curve of temperature variation
由图2可以看出，当温度处于24.5-26.5T时，至少70%的住户希望保持温度不变。而60%的住户希望保持温度不变的分界温度为24七和27七。因此，设置2个阶段。需要较小空调负荷参与功率调节时，空调温度升高设定为26.5r，空调温度降低设定为24.5P；需要较大空调负荷参与功率调节时，空调温度升高设定为27七，空调温度降低设定为24七。
当匚⑷为空调初始设置温度时，有：
式(4)代入式(1)得出初始制冷量Q acl(r)，改变陰⑴，房间温度在短时间内发生变化。由于建筑的等效热容效应，可近似认为房间散热不变，房间内温度变化为TM-T®(t)，代入式(1)可得出改变设置温度后的，空调制冷量的变化量A(?ao(t)为：
A<2ao(0=^2(0(5)通过式(2)将△(?«(/)转换为空调电功率即得到一个周期内单台空调参与功率分配的功率。
1.2.3空调负荷
由于单台空调负荷具有随机性，将小区所有空调进行聚类，根据空调的品牌、额定功率、所处环境、住户习惯等进行分类，使不同时段均有稳定的可控负荷参与功率调节。
空调聚类分成不同类别，每个类别空调参与功率调节顺序由空调编号决定，编号依据与空调分类依据相同。空调编号确定后，假定每个住户初始设置的温度即为住户最舒适的温度。在需要较小空调负荷参与功率调节阶段，将空调温度设定值的上
电力工程枝*42
限设定为26.5P，下限设定为24.5P，得到温度改变值，根据等效热力学参数模型得到空调制冷量，再根据式(2)得到可用的空调电功率，称为空调负荷的虚拟储能。若最舒适的温度不在此范围内，则该台空调不参与功率调节。在需要较大空调负荷参与功率调节时，将空调温度设定值上、下限分别设定为27七，24七，按照较小空调负荷参与功率调节的方法得到此时空调负荷的虚拟储能。虚拟储能为负，表示空调从母线获取的功率降低；虚拟储能为正，表示负荷从母线获取的功率增加。每台空调正的虚拟储能值按照从小到大排序，优先使用小虚拟储能值对应的空调。每台空调负的虚拟储能值按照从大到小的顺序排序，优先使用大的虚拟储能值对应的空调。
由于设置了温度上下限，空调在一个控制周期内，不会一直处于工作状态，呈现间歇性的工作特点。为不引起较大的功率变动，将所需参与功率调节的空调分批次进行设置温度调整。
1.3储气备用
天然气管道储气量在管道建成后只由管道两端气压决定，调节管道两端气压可以调节管道的储气量，天然气管道储气曲线可由小区天然气日常使用数据预测得到。设天然气网的一个调度周期为T，在+T)内正储气备用久仏)和负储气备用LM定义为：
L m(t0)=«~L n^(t0)(6)
LM=L^t0)-b(7)式中•a,b分别为管道最大、最小储气量; Z』。)，分别为(t0,t0+T)内储气最大、最小值。
图3为2个周期内天然气正、负储气备用示意。储气备用可提供额外电能的限制条件为管道的储气备用和燃气轮机的爬坡能力。
图3储气备用示意
Fig.3Schematic diagram of the linepack reserve
假设小区内天然气管道配备的燃气轮机参数相同，则：
严=[Pmax-轧(®)]%⑻
Ui=[化(®)-蛊"]/鼻
式中：俎，如分别为一个周期内燃气轮机输出功率增加到最大值和输出功率降低到最小值所需的时间；Pmax,P mi n分别为最大、最小输出功率；轧(如)为燃气轮机初始运行状态；°为爬坡速率。
进而求出：
r昇2/2tm>T
(W；/2)+[P"M-%(")](—九)⑼隘=
w.TP/®)-P"JT-(F：)/2如<T 話/2如MT
(10)式中：隘，陷分别为燃气轮机输出功率增加到最大值和输出功率降低到最小值的能量变化值。
由式(6)—式(10)可知，在(t0,t0+T)周期内，燃气轮机能提供的额外电能为管道储气备用和燃气轮机最大爬坡力能提供电能的较小值，分别如式(11)、式(⑵所示。
Eu(")=皿吠训証®)，監*(®)}(11)
小贝壳海鲜自助火锅Ed(®)=minMGQo),%”(©)}(12)式中:V为管道天然气转化为电能的转化率。
1.4电池储能装置
电池储能装置一般由蓄电池组和超级电容组成，蓄电池组大多采用铅酸蓄电池。蓄电池组适用于大容量、低充放电倍率、少深度循环次数的充放电循环；超级电容适用于小容量、高充放电倍率、多深度循环次数的充放电循环。
在电池储能装置中，铅酸蓄电池和超级电容的荷电状态是储能充放电速率的判断依据，也是整个控制系统功率分配的依据之一。目前，铅酸蓄电池的荷电状态估计常用安时计量算法和卡尔曼滤波法。安时计量算法的优点是简单易测，缺点是误差累积，对荷电状态初始值要求高。卡尔曼滤波法计算准确，但模型相对复杂，计算量大。综合考虑，蓄电池组荷电状态S bal(t)采用安时计量算法估计。
J C^oha^chaCO〜卩血(')/"dis]
s』)=S。+---------------------------(13)式中：So为蓄电池初始荷电状态；“遍，加分别为充、放电效率；p航⑴，PM分别为充、放电功率；E&为蓄电池组容量。
超级电容的荷电状态乂昭门与端电压V(t)呈近似线性关系
。
43杨金文等：基于小区源-储-荷协同的微网多能协调控制策略
S/t)卩G)-匕i"
~v~-V■
max min
(14)
式中：卩"°为超级电容充满电时的端电压；沧为超级电容放完电时的端电压。
为延长电池储能系统的使用寿命，不宜充放电过深，充放电功率不宜过大，蓄电池组和超级电容的荷电状态及充放电功率约束为：
0.2<S bat(O<0.8
0.1<S(t)<0.9
I,P(⑸
九⑴丨W%
-I Pgp(t)I W Plhn,2
式中：P h,P哪分别为蓄电池组和超级电容的充放电功率；P t，掘,2分别为蓄电池组、超级电容充放电功率最大值。
2多能微网协同控制策略
2.1整体控制策略
文献［18］设计了包含电池储能装置以及光伏的控制系统，文中在此基础上设计一个包含光伏、储气备用、空调负荷、蓄电池组和超级电容的控制系统，协调控制不同模式，如图4所示。
图4协同控制原理
Fig.4Principle of coordination control
利用数据采集与监视控制(supervisory control and data acquisition,SCADA)系统实时采集到的光伏数据P pv进行超短期功率预测得到P prf o收集住户空调开关状态、温度设定值用于计算空调负荷可参与
调节的功率。小区管道储气信息用于计算储气备用值聲，Ea。结合负荷数据P说和电网波动功率Pm判定系统运行模式。含有分布式新能源的小区，需要优先保证小区微电网的稳定性，在促进新能源发展的大环境下，优先保证小区光伏发电并网才能作为上级电网调频的备用。而光伏平抑波动模式、电网有功功率波动模式嵌套在峰谷电价套利模式中,3种模式协调运行，既能起虚拟储能作用，又能使储能装置实现峰谷电价套利。
功率分配单元根据运行模式、电池储能信息、储气备用及空调可控负荷的虚拟储能值等信息进行第一次功率分配。功率保护单元对第一次分配的功率进行修正，确保电池储能装置的荷电状态不超过上下限，燃气轮机输出功率不超过允许的最大值，空调设置温度不超过允许值，保证功率分配合理。
天平座最配星座2.2不同控制模式的控制策略
系统运行模式有光伏平抑波动模式、电网有功功率波动模式和峰谷电价套利模式,3种模式采用不同的功率分配策略对空调虚拟储能的可用电功率、储气备用、蓄电池组及超级电容的输出功率进行分配。
2.2.1光伏平抑波动模式
目前，针对光伏发电的随机性，处理方法主要有：利用低通滤波器将光伏发电的原始功率简单分成低频和高频部分，通过调节低通滤波环节的时间常数降低铅酸蓄电池组的充放电频率妙］；通过小波变
换包将光伏发电的原始功率分成低频和高频部分，并将小波包分解后第一个频段的功率作为平抑波动的目标，剩下低频部分由蓄电池组处理，高频由超级电容处理。综合考虑后，文中选择小波包分解将光伏发电的原始功率分解为2个部分，低频能量型部分由储气备用和铅酸蓄电池组平抑，高频功率型部分由空调虚拟储能的可用功率和超级电容平抑。
采用dbl小波对光伏发电原始功率进行3层小波包分解，重构分解信号得到8个频段的功率分量。第］,3,4个频段包含原始光伏功率曲线的大部分能量且满足光伏并网条件，将这3个频段的功率分量作为平抑模式的目标功率P嗣。第2个频段的功率满足储气备用调节周期要求，将此作为储气备用功率调节的参考指令P“。剩余需要平抑的功率作为空调虚拟储能可用功率的参考指令巴』0
为了避免储气备用的输出功率及空调虚拟储能可用功率无法满足参考指令的要求，将蓄电池组功率作为储气备用功率，超级电容作为空调虚拟储能可用功率的备用调节功率。该功率分配属于开环控制，各单元功率分配后仅为参考指令，需校验功率指令是否满足各单元功率约束条件。
一个储气备用功率调整周期内，若储气备用功率参考指令小于燃气轮机能额外提供的功率，则将参考指令作为调整指令；若燃气轮机能额外提供的功率不能满足参考指令，则将燃气轮机能额外提供的功率作为调整指令，再根据S bat(t)
的范围计算蓄
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电池组充放电功率。
在空调负荷虚拟储能的一个功率调整周期内,
若空调虚拟储能参考指令值小于空调可用电功率, 则将参考指令作为调整指令；若空调虚拟储能参考 指令值大于空调可用电功率，则将空调可用电功率
作为调整指令，再根据S/t)的范围计算超级电容 充放电功率。
将荷电状态即S 值分为过充警示区［Sh,l ］、正
常区［S ”Sh ］和过放警示区［O,SJ 。当储能装置
工作在正常区时，充放电功率无需调整；当储能装 置工作在过充警示区时，只需调整充电功率。蓄电
池组和超级电容的调整方式为:
Sbat(t) 1 0.8
Sy, - 0.8
(16)
P b e,1(/)=S/t) - 0.9s 也-0.9
Ae(0
(17)
式中：P bc (0为蓄电池组在正常区的充电功率;
为蓄电池组在过充警示区需要调整的充电
功率；S bh 为蓄电池组过充警示区的荷电状态标志;
Pg(t)为超级电容在正常区的充电功率；P 叫l(t)为 超级电容在过充警示区需要调整的充电功率；S 血为(1) 上级电网出现阶跃性的有功功率扰动时需
要快速响应，可用空调虚拟储能调节功率。
(2) 上级电网出现连续性功率扰动时，利用小
波包函数分解扰动信号，将第1个频段的功率作为 平抑目标，剩下低频段信号功率作为储气备用的参 考指令，高频段信号功率作为空调虚拟储能的参考
指令，采取的处理方式与光伏平抑模式相同。
2.2.3峰谷电价套利模式
该模式下，为保证住户使用空调的舒适度，空 调虚拟储能的可用功率不用于峰谷电价套利。同
时由于我国天然气资源紧张，天然气储气备用也不 参与峰谷电价套利。
小区配备的蓄电池组和超级电容工作在峰谷
套利模式中时，利用峰谷电价获得收益。某市峰谷
电价如图5所示，据峰谷电价的对应时段可知，目前
电价低谷一般出现在00：00-08 ：00o 此阶段后，系
统可能进入光伏平抑波动模式，而光伏平抑波动模 式的优先级比峰谷套利模式高，蓄电池的充电量不
宜过大。因此在峰谷套利模式阶段需要将蓄电池 的荷电状态区间调整为［0.2,0.7］，超级电容的荷
电状态区间调整为［0.2,0.8］ o
超级电容过充警示区的荷电状态标志。
h (q
・
M a )
・賦」圣曲0.95
当储能装置工作在过放警示区时，只需调整放
电功率，调整方式为：
0.9
Aa,1(0 =
s 』)-0.2
S m - 0.2
PM
(18)
0.6
0.58
0.3
0.29
(19)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
t/h
式中：PM 为蓄电池组在正常区的放电功率;
为蓄电池组在警示区的放电功率；S h 为蓄
电池组过放警示区的荷电状态标志；P cd (0为超级 电容在正常区的放电功率；Ped,1(0为超级电容在
警示区需要调整的放电功率；S C1为超级电容过放警
示区的荷电状态标志。
储气备用功率指令P m ，空调虚拟储能功率指 令Paof ，蓄电池组功率指令Pbaf 和超级电容功率指 令p caf 经过功率保护单元修正后得到最终的功率输 出 Plr , Pg , Pbat , Pgp 。
2.2.2电网有功功率波动模式
从电网运行需求角度，降低负荷高峰给电网带
来的影响及降低辅助设备损耗非常必要，因此提出 利用小区可控负荷平抑电网有功功率波动。电网
需要调节的有功功率大小一般由上级电网给出，由
多个小区共同完成。不同类型的有功功率波动采 取不同调节方法。
图5某市峰谷电价
Fig.5 Time of use price of a cartain city
2.3运行模式切换
多模式运行的关键是模式之间的切换控制，保
证3种模式协调运行。协调控制系统先判断小区微 网的光伏发电是否满足入网要求，满足则进入光伏 平抑波动模式，不满足则判断上级电网是否有需要
小区调节的Pm 。有需要则进入电网有功功率波动 模式，否则进入峰谷套利模式。蓄电池组和超级电 容只有单独工作在光伏平抑波动模式或电网有功 功率波动模式输出功率为0时，才能在电价低谷阶 段充电、电价高峰阶段放电，否则蓄电池组和超级
电容不参与峰谷电价套利，保证较高优先级的2种
模式不受影响。协调控制系统的具体流程如图6所 示。图中，P lriD 为储气备用输出功率的初始指令值; P aM 为空调虚拟储能输出功率初始指令值；为 储气备用的功率额度；P
込为空调虚拟储能的功率
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