基于用户侧需求响应和分布式储能的风电并网控制方法与流程

本发明属于分布式储能和风电并网技术领域，尤其涉及一种基于用户侧需求响应和分布式储能的风电并网控制方法。

背景技术：

众所周知，风能具有随机性和不稳定性，致使风电发电机组的输出功率在一天内的变化大且不规则，从一年中风电场每天平均输出功率来看，每天最大和最少发电量至少相差约40～50倍。从微观上分析一天内的输出功率变化，风电在24小时内仍处于非常不稳定状态，输出功率(mw)在0～100之间随机波动。同时，风电具有反调峰特性，夜间用电负荷处于低谷时段风电发电出力往往较大，即使常规电源降出力，当风电规模达到一定程度(大于低谷用电负荷)，也难免出现限电弃风。因此，风电的波动性和反调峰特性带来的是它需要对应合理的电源进行调峰，从而来满足负荷平衡。

当前调峰方法通过传统的火电厂、传统的水电站、抽水蓄能电站、燃气轮机发电厂等进行调节。传统火电厂是中国主要的调控方式，特别是在北方电网，火电厂占总装机容量的90％以上，但火电机组存在最小输出约束的问题，使得可调峰能力只占额定容量的20％～75％。另外，火电机组的功率调节速度不能随负载快速变化，这一问题在与风电整合后尤为明显。传统的水电站具有响应速度快，运行成本低的优点，且调峰能力可达到额定容量的100％，但水电站的分布和装机容量易受到水文、地理环境的限制，且当河流上游无大型水电站的情况下，也难以在汛期进行调节。抽水蓄能电站可根据负载和发电的需要进行调节，但其机组仅占全国总产量的1.7％左右，不能满足风电发展的快速需求。

我国“三北”地区拥有大量的“以热定电”的热电联产机组，要求根据城市的供暖需求来决定机组的发电出力和供暖出力。以煤电为主的这一电源结构决定了难以满足风电并网的深度调峰需求，经常出现限电弃风现象。储能是一个把能量通过介质或者设备储存起来，在需要时释放的过程。分布式春呢过技术能够针对风能随机性和不确定性的问题，缓解电能供需不平衡问题，增强系统的稳定性。将分布式储能系统安装在家庭等用户侧可参与需求响应，在负荷高峰进行放电，负荷低谷进行充电，起到削峰填谷的作用，缓解电力系统的调峰压力。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于用户侧需求响应和分布式储能的风电并网控制方法，通过改变热电联机组以热定电的运行方式，降低热电联产机组发电功率来获得额外可调度的发电容量；同时，在用电侧引入分布式储能技术和分布式热泵来合理调整用户的能源需求响应，补偿热电联产机组减少的发热量，等效减小负荷峰谷差，从而降低风电并网调峰容量。

本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种基于用户侧需求响应和分布式储能的风电并网控制方法，包括以下几个步骤：

(1)建立包括风电发电机组、热电联产机组、供水管、以及用户侧的分布式储能系统和分布式热泵的风电并网发电调度系统；由热电联产机组产生供暖热能和电能；

(2)根据步骤(1)所述风电并网发电调度系统的用电负荷特性、风电出力特性、热负荷特性以及负荷峰谷差建立目标优化函数；

(3)在负荷高峰期，减少热电联产机组的供暖出力，即减少热能的产生，对应的获得热电联产机组的发电出力增量；同时控制用户侧的分布式储能系统向电网系统供电，等效的削减高峰负荷；然后根据热电联产机组供暖出力的减少量和用户侧的空间采暖热能需求，用户侧的分布式热泵响应工作，补偿热电联产机组供热出力的减小量，用以填补低谷负荷；

(4)在负荷低谷期，减少热电联产机组的供暖出力，以降低热电联产机组的发电出力，留出风电出力空间，减少风电并网的调峰压力；同时控制用户侧的分布式储能系统充电，等效的填补低谷负荷；然后根据因减少热水流量而导致的用户所需采暖热能不足，靠近热电联产机组的用户侧分布式热泵响应工作，填补低谷负荷，等效的减小负荷峰谷差，从而降低风电并网调峰容量。

进一步的，所述步骤(2)中目标优化函数的构建方法包括以下几个步骤：

(2.1)将风电并网发电调度系统的实际运行时间r离散化为计算运行时间t：

t＝[r/δt](t＝0,1,2,...,t)

式中：t表示最大计算运行时间，[]表示向下取整符号，计算运行时间t代表归一化时间，将总运行时间离散化为t+1个时段，每个时段长度即一个单位调度时长δt；

(2.2)将热电联产机组与用户之间的供水管传输距离d离散化为归一化距离l：

l＝[d/(v·δt)](l＝0,1,2,...,l)

式中：[]表示向下取整符号，v表示供暖热水在供水管内的流速(m/s)，l表示归一化距离l的最大值，按照供水管道距离将用户离散化为l+1个用户组，相邻两个用户组之间的间隔距离，即在单位调度时长δt内，供暖热水在供水管内流过的距离；

(2.3)根据用电负荷特性、风电出力特性、热负荷特性以及负荷峰谷差，所述目标优化函数由下式来表示：

prl(t)＝pl(t)-pw(t)-(pcd(t)-pc(t))+pehp(t)+pb(t)

式中：prl(t)为调度后t时刻的等效负荷，prla(t)为prl(t)的算术平均值；pl(t)为调度前t时刻的等效负荷，pw(t)为t时刻的风电出力，pc(t)为热电联产机组调度前t时刻的发电出力；pcd(t)为热电联产机组调度后t时刻的发电出力；pehp(t)为t时刻的分布式热泵功率；pb(t)为t时刻的分布式储能系统功率；pehp(t,l)为t时刻归一化距离l所需用户热泵的耗电功率。

进一步的，所述步骤(2.3)中热电联产机组的发电出力满足以下约束函数：

pcd(t)-pc(t-1)|≤vc·δt(t≥1)

式中，vc为单位缓变率，pc(t)为热电联产机组调度前t时刻的发电出力；pcd(t)为热电联产机组调度后t时刻的发电出力，δt为单位调度时长，分别为热电联产机组调度前t时刻发电出力的最小值和最大值。

进一步的，所述分布式储能系统包括直流母线、主储能单元、多个从储能单元以及上位机控制器；所述直流母线由正极直流母线和负极直流母线组成；所述主储能单元和多个从储能单元分别与直流母线连接；

所述主储能单元包括主储能单元控制器、主储能设备以及双向dcdc变换器；所述双向dcdc变换器通过开关与所述直流母线连接，所述主储能设备与双向dcdc变换器连接；所述主储能单元控制器分别与双向dcdc变换器和上位机控制器连接，用于采集双向dcdc变换器和主储能设备的状态信息，并控制双向dcdc变换器的工作状态，通过通信协议与上位机控制器进行控制信息的交换；

所述从储能单元包括从储能单元控制器、从储能设备以及双向dcdc变换器；所述双向dcdc变换器通过开关与所述直流母线连接，所述从储能设备与双向dcdc变换器连接；所述从储能单元控制器分别与双向dcdc变换器和上位机控制器连接，用于采集双向dcdc变换器和从储能设备的状态信息，并控制双向dcdc变换器的工作状态，通过通信协议与上位机控制器进行控制信息的交换。

进一步的，所述双向dcdc变换器包括相互串联连接的第一电容和第一电感；输入端与所述第一电感另一端连接、输出端与所述第一电容另一端连接的第一nmos晶体管；输出端与所述第一nmos晶体管输入端连接的第二nmos晶体管；与所述第一nmos晶体管输出端和第二nmos晶体管的输入端分别连接的第二电容；至少一个并联与所述第一nmos晶体管两端的较低高电压传输模块，所述较低高电压传输模块包括输入端与第三电容串联连接的第三nmos晶体管，所述第三nmos晶体管的输出端与第一nmos晶体管的输入端连接，所述第三电容的另一端与第一nmos晶体管的输出端连接；

所述第一电容的两端分别作为双向dcdc变换器的低电压输入输出端口；所述第二电容的两端分别作为双向dcdc变换器的高电压输入输出端口；所述第三电容的两端分别作为双向dcdc变换器的较低高电压输入输出端口。

与现有技术相比，本发明所提供的基于用户侧需求响应和分布式储能的风电并网控制方法，主要是针对风速变化导致风电发电机组输出不确定以及风电输出依赖于电网系统峰值调节的问题，通过调节热电联产机组的发电出力和供暖出力，同时，对用户侧，控制分布式储能系统和分布式热泵响应工作，对应的补偿热电联产机组发电出力和供暖出力的调节量，等效削减负荷峰谷差，降低风电并网的调峰容量，能够获得额外的负荷峰值调节能力，改善风电并网存在的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明分布式储能系统的结构框图；

图2是本发明双向dcdc变换器的原理图；

图3是本发明调度前后的负荷曲线仿真图；

图4是本发明热电联产机组调度前后的出力情况图；

图5是本发明用户采暖负荷的空间分布及各个用户组分布式热泵的使用情况图；

其中，1-较低高电压传输模块。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明所提供的一种基于用户侧需求响应和分布式储能的风电并网控制方法，包括以下几个步骤：

(1)建立包括风电发电机组、热电联产机组、供水管、以及用户侧的分布式储能系统和分布式热泵的风电并网发电调度系统；热电联产机组既提供发电出力又提供供暖出力，分布式热泵作为用于加热的附件电源，以增加电力消耗；热源和用户之间的热水传输距离转换成运输时间成本，作为一项关键参数。

(2)根据步骤(1)风电并网发电调度系统的用电负荷特性、风电出力特性、热负荷特性以及负荷峰谷差建立目标优化函数：

(2.1)将风电并网发电调度系统的实际运行时间r按式(1)离散化为计算运行时间t：

t＝[r/δt](t＝0,1,2,...,t)(1)

式中：t表示最大计算运行时间，[]表示向下取整符号，计算运行时间t代表归一化时间，将总运行时间离散化为t+1个时段，每个时段长度即一个单位调度时长δt；

(2.2)将热电联产机组与用户之间的供水管传输距离d按式(2)离散化为供暖热水传输距离l：

l＝[d/(v·δt)](l＝0,1,2,...,l)(2)

式中：[]表示向下取整符号，v表示供暖热水在供水管内的流速(m/s)，[]表示向下取整符号，l表示归一化距离l的最大值，按照供水管道距离将用户离散化为l+1个用户组，相邻两个用户组之间的间隔距离，即在单位调度时长δt内，供暖热水在供水管内流过的距离；

(2.3)目标优化函数由下式(3)来表示：

prl(t)＝pl(t)-pw(t)-(pcd(t)-pc(t))+pehp(t)+pb(t)(4)

式中：prl(t)为调度后t时刻的等效负荷，prla(t)为prl(t)的算术平均值；pl(t)为调度前t时刻的等效负荷，pw(t)为t时刻的风电出力，pc(t)为热电联产机组调度前t时刻的发电出力；pcd(t)为热电联产机组调度后t时刻的发电出力；pehp(t)为t时刻的分布式热泵功率；pb(t)为t时刻的分布式储能系统功率；pehp(t,l)为t时刻归一化距离为l的用户热泵的耗电功率；

其中，热电联产机组的发电出力满足以下约束函数：

|pcd(t)-pc(t-1)|≤vc·δt(t≥1)(7)

式中，vc为单位缓变率，pc(t)为热电联产机组调度前t时刻的发电出力；pcd(t)为热电联产机组调度后t时刻的发电出力，δt为单位调度时长，分别为热电联产机组调度前t时刻发电出力的最小值和最大值。

(3)在负荷高峰期，减少热电联产机组的供暖出力，即减少供暖热水的产生，对应的获得热电联产机组的发电出力增量，提高热电联产机组的发电出力以削减负荷，从而获得额外的调节峰值的能力。对于用户侧，控制分布式储能系统向电网系统供电，等效的削减高峰负荷；然后根据热电联产机组供暖出力的减少量和用户侧的空间采暖热能需求，分布式热泵响应工作，补偿热电联产机组供热出力的减小量，用以填补低谷负荷。

设热电联产机组的供暖出力由qc(t)减少至qcd(t)，t时段热水供给的减少量由0～l个用户组的分布式热泵，分别在t～t+l时段通过消耗电力来补偿因热电联产机组供暖出力减少所带来的采暖热能供应不足，热电联产机组的供暖出力的减小量由(8)式来表示：

δq(t)＝qc(t)-qcd(t)(8)

用户侧分布式热泵的热电比约束由(9)式来表示：

qehp(t,l)＝cehp·pehp(t,l)(10)

式中，qehp(t+l,l)是t+l时刻归一化距离为l的用户热泵的采暖响应功率，qehp(t,l)是t时刻归一化距离为l的用户热泵的采暖响应功率，cehp为分布式热泵的性能系数。

其中，用户热泵的采暖响应功率满足式(11)的约束函数：

0≤qehp(t,l)≤ql(t,l)(11)

式中，ql(t,l)为用户空间采暖负荷。

(4)在负荷低谷期，减少热电联产机组的供暖出力，以降低热电联产机组的发电出力，留出风电出力空间，减少风电并网的调峰压力；对于用户侧，控制分布式储能系统充电，等效增加低谷负荷；然后根据因减少热水流量而导致的用户所需采暖热能不足，靠近热电联产机组的用户侧分布式热泵响应工作，增加低谷负荷，等效的减小负荷峰谷差，从而降低风电并网调峰容量，改善风电并网的条件。

如图1所示，分布式储能系统包括直流母线、主储能单元、多个从储能单元以及上位机控制器；直流母线由正极直流母线和负极直流母线组成；主储能单元和多个从储能单元分别与直流母线连接；从储能单元的数量可以根据需要进行配置。

主储能单元包括主储能单元控制器、主储能设备以及双向dcdc变换器；双向dcdc变换器通过开关与直流母线连接，主储能设备与双向dcdc变换器连接；主储能单元控制器分别与双向dcdc变换器和上位机控制器连接，用于采集双向dcdc变换器和主储能设备的状态信息，并控制双向dcdc变换器的工作状态，通过通信协议与上位机控制器进行控制信息的交换。

从储能单元包括从储能单元控制器、从储能设备以及双向dcdc变换器；双向dcdc变换器通过开关与直流母线连接，从储能设备与双向dcdc变换器连接；从储能单元控制器分别与双向dcdc变换器和上位机控制器连接，用于采集双向dcdc变换器和从储能设备的状态信息，并控制双向dcdc变换器的工作状态，通过通信协议与上位机控制器进行控制信息的交换。

分布式储能系统各储能单元之间不需要互连线，控制简单，易于扩展，同时分布式储能系统采用主从控制方式，降低了各并联模块之间的耦合度，降低了模块之间的相互干扰。

如图2所示，双向dcdc变换器包括相互串联连接的第一电容c1和第一电感l1；输入端与第一电感l1另一端连接、输出端与第一电容c1另一端连接的第一nmos晶体管q1；输出端与第一nmos晶体管q1输入端连接的第二nmos晶体管q2；与第一nmos晶体管q1输出端和第二nmos晶体管q2的输入端分别连接的第二电容c2；至少一个并联与第一nmos晶体管q1两端的较低高电压传输模块1，较低高电压传输模块1包括输入端与第三电容c3串联连接的第三nmos晶体管q3，第三nmos晶体管q3的输出端与第一nmos晶体管q1的输入端连接，第三电容c3的另一端与第一nmos晶体管q1的输出端连接；

第一电容c1的两端分别作为双向dcdc变换器的低电压输入输出端口；第二电容c2的两端分别作为双向dcdc变换器的高电压输入输出端口；第三电容c3的两端分别作为双向dcdc变换器的较低高电压输入输出端口；当低电压输入输出端口连接储能设备时，储能设备通过第二nmos晶体管q2和第二电容c2从高电压输入输出端口获取高电压，或通过第三nmos晶体管q3和第三电容c3从较低高电压输入输出端口获取另一较低的高电压，然后再进行降压充电，使储能设备通过较低高电压输入输出端口获取电能实现充电，以满足储能设备充电效率最大化，减少充电过程中的电能损耗；同理，也满足储能设备放电效率最大化，减少放电过程中的电能损耗，提高整个风电并网发电调度系统的电能利用率。

实施例：

以甘肃省某天的风电出力曲线为例，运用gams软件进行模拟仿真，仿真计算的总运行时间为24小时，单位调度时间δt为15分钟。城市供暖热水的流速v为2.5m/s，考虑到供暖效率，电厂的供暖范围在9km左右，每个用户组之间的供水管管道管道距离l为2.25km，分布式热泵的性能系统cehp是3。每个用户组的分布式储能系统的总容量为200mw，用户集中供暖由25台热电联产组c135/n150-13.24负责，用户采暖负荷ql(t,l)为4425mw。输入仿真参数，得到图3至图5的仿真结果。图3为调度前后的用电负荷曲线，从图中可以得出：调度前，原负荷、等效负荷曲线的最大值和最小值差距较大；调度后，负等效荷的峰谷差从5181mw降低至1291mw，调度后等效负荷曲线变得相对平缓，峰谷差明显减小。

图4为热电联产机组调度前后的出力情况，从图中可以得出，负荷低谷期，例如2:00-4:00时间段，热电联产机组减少供暖出力，减少发电出力；负荷高峰期，例如8:00-11:00时间段，热电联产机组减少供暖出力，增大发电出力，等效削减负荷。

图5为用户采暖负荷的空间分布以及各个终端用户组分布式热泵的使用情况，及分布式热泵供暖负荷的时间、空间分布；从图中可以得出，负荷高峰期，如8:00-11:00/17:00-23:00两个时间段，分布式热泵供暖负荷较高，以补偿热电联产机组减少的供暖出力。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。