基于需求侧响应的光伏直流微网智慧管控平台设计

祝永刚，吕 超

（国网山东省电力公司济南市历城区供电公司，山东 济南250100）

将直流组成的微电网称为直流微电网，其对于实现节能减排、保证能源储蓄性发展有着推动意义[1]。与交流微电网的区别在于其对于风、光等分布式可再生能源的发电系统、储能系统等可更为安全地接入。由于光伏直流微电网在应用时，区域性限制较小，因此，成为应用最为广泛的可再生资源电网发力[2]。智慧管控平台是用于实现光伏直流微电网运行管理、能源安全可靠运行的一种管理和控制平台[3]。需求侧响应可理解为是通过对原始用电模式实行调整，在保证正常用电的基础上，提升用电终端的用电效率、降低消耗，以此实现用电的有效控制，使电力系统的经济性和安全性得到明显提升[4]。当下，用电需求逐渐增加，但光伏发电自身存在明显的间歇性以及波动性的特性，对于实现区域内大范围的光伏发电微网的合并存在明显影响，对于电网系统的运行安全性带来一定隐患，不利于智慧管理和控制[5]。本文基于需求侧响应，设计光伏直流微网智慧管控平台，实现该微网的全面控制，并满足用户用能需求侧响应。

1 基于需求侧响应的光伏直流微网智慧管控平台

1.1 平台架构

智慧管控平台采用5层架构设计，包含测控层、网络层、数据层、管控层以及平台层，其架构如图1所示。

图1 平台架构

测控层将采集的光伏直流微网内光伏组件、风机、逆变器等设备信息通过网络层传入数据层，该层对接收的信息进行清洗、融合等处理后，对数据实行分析后实行分布式存储以及数据展示[6]，管控层以数据信息为支撑，实现光伏直流微网的全面管控，将管控结果呈现至平台层，实现需求侧响应。

测控层：该层主要利用消息推送、数据总线以及ETL（extracttransformload）将光伏直流微网内所有的设备信息通过网络层传入数据层。

网络层：该层主要用于支撑平台各层间的数据传输和通信，包含网关、服务接口、通信接口以及防火墙等[7]，保证数据的实时、安全传输。

数据层：该层用于存储光伏直流微网全部信息的分布式存储，并且通过数据模型实现数据的清洗、分析、融合等[8]，提供数据服务，为平台各类业务的执行提供数据支撑。

管控层：管控层作为平台的执行核心层，通过控制器完成光伏直流微网设备状态、运维、应急等方面管理，实现用户需求侧响应以及光伏直流微网优化调度[9]；同时可完成各类信息的统计。

平台层：该层是平台的展示层，用户可通过该层查看微网信息以及监控信息；同时用户可通过该层发布服务以及管理指令。

1.2 平台数据处理结构

平台管控的实现，是以数据为支撑，为实现光伏直流微网的智慧管控，数据的处理效率是系统运行的关键部分，为保证数据的处理过程中时间成本的最小化、数据采集的完整化，满足平台微网管控数据的高速扩张以及线性增长，结合系统运行的数据源相同的特点，设计管控层和数据层独立处理功能[10]，则平台数据处理结构如图2所示。

图2 平台数据处理结构

平台中管控和数据间独立运行，但是业务执行过程中，两者可通过方法达到联合执行，数据层实现数据的专业处理和运算，管控层完成数据的调用[11-12]，可快速完成复杂数据的任务处理。

1.3 逆变器结构

逆变器是光伏直流微网中用于实现直流电能转换的装置，其对于光伏直流微网的整体性能存在直接影响，可提升光伏发电的效率和质量，使能量损失降低[13]。逆变器共由3个部分构成，分别为逆变、控制以及输出滤波。

通过光伏组件完成太阳能的转换，形成输出电压，该电压此时呈不稳定状态，通过Boost对该电压实行转换，形成稳定的直流电压后，经由STM32控制转换成工频交流电，用于输出；其中通过采样电路采样实现逆变器的过压、过流的保护。

1.4 需求侧响应管理模型

在电力系统不断发展下、需求逐渐多样化，因此需要构建需求侧响应管理模型，针对用电高峰时期的需求侧可转移负荷实行控制，以满足用户用能需求侧响应。可转移负荷是以签署的协议为依据，在用电高峰期，用户接受调度中心的调动信号后执行响应，调度灵活性较高的负荷，将其调动至非高峰期[14,15]，或者新能源出力的高峰期；调度完成后，用户将获取相应补偿，其公式为：

式中：CDR为补偿后用户负荷；ρ为在负荷调度时产生的补偿系数；Lin,t和Lout,t为t时刻转入和转出的负荷量；t=1,2,…,N。当Lout,t≥0、Lin,t=0，则负荷则小于光伏出力；如果负荷则大于光伏出力，那么Lout,t≥0、Lin,t=0。

1.5 光伏直流微网优化调度模型

1.5.1 目标函数

智慧管控平台的目的是实现用电的有效控制，使电力系统的经济性和安全性明显提升，基于此平台以实现最大化的光伏消纳量、最小化的运行成本为控制目的，完成智慧管控。该管控包含光伏、储能以及需求侧响应多个方面。

最大化的光伏消纳量以及最小化的运行成本为平台控制的主要目的，其目标函数的公式为：

式中：PL,t为光伏出力，属于被消纳的负荷；P+S,t为t时刻发生的充电功率，属于储能系统消纳；e为购电价格；PN,t为t购买的电量；ε为惩罚因子。该惩罚因子可实现问题间的转化，即为优化和经济调度之间，该值过大后者过小都对运行成本的计算存在影响，因此，运算时需确定其最佳取值。为保证运行成本，设定该影响因子取值不大于1。

如果Pp,t≥Lt，则PL,t=Lt；当PL,t=Pp,t，那么Pp,t＜Lt。因此，t时刻的负荷则为Lt；该时刻的光伏电能则为PL,t=min(Pp,t+Lt)，且属于负荷消纳；则Lt=L0t-Lout,t+Lin,t。

如果Pp,t≥Lt，则PN,t=0；当PN,t=Lt-Pp,t-P-S,t，那么Pp,t＜Lt。

1.5.2 约束条件

光伏直流微网可靠性约束：光伏直流微网运行过程中，需保证其满足运行时间的稳定的标准，同时电力系统容量需对储能系统的存储电能实行掌控，则在t时刻内，储能系统的电能存储需符合公式（3）的标准：

式中：Smin和Smax分别为储能容量，前者对应最小，属于所需配置，且处于重要负荷稳定运行时间达到30min时；后者对应最大。

储能系统功率约束：在一定程度上，约束储能系统以及放电的实时功率，约束条件为：

式中：P+S,t,max、P-S,t,max分别为t时刻充电和放电功率上限。

电力系统余下电能依据与储能系统充电功率存

在关联，其为：

需求侧响应约束：为形成虚拟发电组用于电力系统调度，需对用电模式实行调整，使用电效率提升、电能消耗减少。对可转移负荷实行约束，其条件为：）

式中：Lmaxin和Lmaxout分别为t时刻转入和传出负荷上限。

在单独调度周期内，转入的总负荷量与转出总量相等，其为：

光伏出力约束：

式中：Pmaxp为光伏有功出力最大值。由于光伏消纳过程中约束设定较多，为了实现算法的快速收敛，求解最优解，保证所有变量均在约束范围内。

2 测试分析

为测试本文所设计平台的管控性能和效果，将本文平台用于山东省电力公司济南用电公司彩石供电所，实行相关测试。该供电所的管理目的为降低运行成本，增加经济效益。该供电所的光伏直流微网包含两部分，分别为光伏系统和储能系统，其中光伏系统的最大容量为1.32MW，储能系统包含两套磷酸铁锂电池，其容量为75Ah，电压为48V。储能系统参数和需求侧相应参数如表1所示。

表1 参数详情

获取光伏出力预测值和典型日负荷曲线，如图3所示。

依据图3可知：在一天24h内，负荷量和光伏出力呈现不同的波动变化，在01∶00—05∶00，光伏出力为0，06∶00光伏出力开始增加，08∶00以后增加趋势显著，上升趋势明显，17∶00开始则显著下降，当在20∶00，重新为0，一天内，光伏出力最高的时间段为09∶00—17∶00时，该时间段内的负荷量显著低于光伏出力；在光伏出力为零的两个时间段内，负荷量均在6MW以上。

为测试平台管控效果，测试平台在一周内，实行需求侧响应管理前后，光伏消纳率、购电量以及购电费用的变化结果如图4所示。其中，购电价格为0.5元/kWh。

图4 需求侧响应管理前后的对比结果

根据图4测试结果可知：平台管理前，该供电所的光伏消纳率低于45%，并且购买电量均在95MW以上，产生的购电费用均在5万元上下波动，平台实行管理后，光伏消纳率明显提升，均在60%以上，购买电量均低于82MW，同时产生的购电费用均在4万元上下波动，可使微网运行成本明显降低。该结果直观体现平台对光伏直流微网实行控制后，可在经济效益方面达到良好效果，符合该实验对象的管理目的，并且达到满意结果。

为进一步分析平台的管控效果，结合光伏输出功率存在的随机波动的特征，测试本文平台控制后，参考典型日光伏数据，随机获取该供电所一周内的某日光伏出力变化结果，如图5所示；同时获取该供电所2台储能蓄电池的功率响应情况，结果如图6所示。

图5 日光伏出力变化结果

图6 蓄电池的功率响应情况

根据图5测试结果可知：本文平台应用后，执行需求侧响应管理后，可实现部分负荷转移，可将01∶00—05∶00、20∶00—24∶00的时间段内负荷调度至09∶00—17∶00的时间段内，降低出伏功率的负荷去除功率，最大程度使负荷曲线和光伏出力曲线接近，减小两者之间的差距，以此达到经济效益最大化的控制目的。

根据图6测试结果可知：在本文设计平台的控制下，可实现蓄电池功率补偿以及电池的平稳控制，实现储能的均衡控制，合理分配功率分配，以此保证光伏直流微网的有效控制。

为分析平台在微网在模式切换时的控制效果，测试平台在并、离网两种模式切换时母线电压变化情况、蓄电池切换时的状态变化，结果如图8所示。

依据图7测试结果可知：在并网模式时，光伏值处于输出中，此时，电压发生较小波动后，处于平稳状态；当发生模式转换后，变成离网模式后，光伏输出变为0；除此之外，2个蓄电池在并网模式时，为充电状态，当发生模式转换后，变成离网模式后，2个蓄电池同时进入放电模式。但是在上述情况下，0.32s发生模式转换后，母线电压并没有发生波动，一直呈平稳状态，该结果表明本文平台的控制效果良好，可控制光伏直流微网在转换模式下的平稳运行。

图7 模式切换测试结果

3 结束语

新能源的发展和广泛应用，为有效控制其在应用过程的运行成本、并提升经济效益，本文设计基于需求侧响应的光伏直流微网智慧管控平台，并将其应用在山东省电力公司济南用电公司彩石供电所，依据其控制目的实行相关测试。结果表明：本文所设计平台可显著提升光伏消纳率，最大化实现负荷调度转移，达到经济效益最大化的控制目的，并且在微网发生模式转换时，依旧可控制微网的平稳运行。