實時電力交易下的新能源電網(wǎng)能量管理策略

張 帆，丁士明，陳汝昌，雷炳銀

（1.云南電力調(diào)度控制中心，昆明650041；2.易能（中國） 電力科技有限公司，北京100093）

在資源緊缺和環(huán)保問題的多重壓力下，分布式發(fā)電技術愈發(fā)受到全球關注。分布式發(fā)電在能源利用、環(huán)境效益和供電靈活性等方面具有明顯優(yōu)勢。但大量的分布式電源并網(wǎng)，也會引發(fā)安全性、可靠性和電能質(zhì)量等一系列系統(tǒng)性問題。為了合理利用分布式發(fā)電，在分布式發(fā)電領域產(chǎn)生了微電網(wǎng)的概念[1-6]。微電網(wǎng)是一個由負荷、多種微電源及儲能裝置在電網(wǎng)用戶終端互聯(lián)組成，能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護和管理的局部發(fā)配電系統(tǒng)。微電網(wǎng)雖小，但組成和結構非常復雜，內(nèi)部的分布式微電源系統(tǒng)具有多種行為特性和多樣的能源管理需求，需要合理構建能量管理系統(tǒng)，才能充分發(fā)揮分布式發(fā)電的優(yōu)勢，提高微電網(wǎng)能源供應的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益[7-9]。

構建合理的微電網(wǎng)的能源管理策略，首要任務是：要針對各分布式能源的運行特性，建立有效的目標函數(shù)和約束條件，在保證安全可靠運行的前提下最大限度地減少運行成本和污染排放。另一個任務是找到合適的優(yōu)化算法求解該能源管理問題。因為微電網(wǎng)的能量管理屬于多維非線性優(yōu)化問題，合適的算法方可搜索到全局最優(yōu)解[10-12]。

鑒于上述原因，本文針對由多分布式能源組成的微電網(wǎng)，提出了一種高效的能源管理優(yōu)化策略，目的是提高微電網(wǎng)能源供應的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。該研究首先針對各分布式能源的運行特性和約束條件，構建了實時交易下的微電網(wǎng)的運行成本和污染排放目標函數(shù)，并以加權的形式將多目標函數(shù)轉換為單目標函數(shù)，目的是在保證微電網(wǎng)安全運行的前提下，最大限度地降低運行成本和污染排放。本文提出一種改進的粒子群優(yōu)化方法，對微電網(wǎng)能量管理進行優(yōu)化，目的是快速搜尋最優(yōu)解，以便對各分布式能源單元進行實時最佳功率調(diào)度。最后進行仿真研究以驗證該能量管理策略的有效性。

1 目標函數(shù)的構建

本文以一個多能源組合的微電網(wǎng)為例來研究系統(tǒng)的能源管理策略。該微電網(wǎng)有6 個分布式能源單元組成：即微型渦輪（MT）發(fā)電單元，燃料電池（FC），柴油發(fā)電機（DE）發(fā)電單元，光伏（PV）和風力渦輪機（WT）發(fā)電單元，還有一個儲能單元即電池（BT）參與功率平衡調(diào)節(jié)。

1.1 構建運行成本目標函數(shù)

以微電網(wǎng)內(nèi)各分布式電源的運行特性為基礎，在實時電力交易下，考慮燃料成本、維護成本以及啟動、停止成本構建運行成本目標函數(shù)：

式中：F（Pit）是微電網(wǎng)內(nèi)總的經(jīng)濟運行成本；Pit為微電網(wǎng)內(nèi)第i 個微電源在時刻t 的功率；N 為微電網(wǎng)內(nèi)分布式能量源的數(shù)目；T 為微電網(wǎng)運行調(diào)度時間。Cfuel（Pit）為微電網(wǎng)的燃料成本。PV 和WT 作為可再生資源，無成本消耗，故它們不包括在燃料成本函數(shù)中，但它們的啟停受自然條件約束。燃料電池、微型燃氣輪機以及柴油發(fā)電機等的燃料成本（CFC，CMT，CDE）可表示為

式中：Cfuel為燃料電池所用的燃料價格；Pt表示燃料電池在時段t 內(nèi)輸出的功率；ηt為此時段燃料電池的效率。微型燃氣輪機使用天然氣、氫氣和甲烷等為燃料，因此其燃料消耗表達式與燃料電池的非常相似，即

柴油發(fā)電機的燃料消耗方程為

式中，ai、bi、ci為柴油發(fā)電機功率系數(shù)。

式（1）中，Cstart（Pit）為系統(tǒng)的啟動成本，表示為

式中：ui（t）為機組運行狀態(tài)，啟動時取值為1，停機時取值為0；Si為機組的啟動耗量函數(shù)，可表示為

式中：σi為機組熱啟動費用；δi為機組冷啟動費用；τi為機組冷卻時間；Toff表示機組的停運時間。

在式（1）中，Com（Pit）為微電網(wǎng)的維護成本，可表示為

式中，Kom（i）為維護系數(shù)，表1 列出了各分布式能量源的維護系數(shù)值。

表1 維護系數(shù)Tab.1 Maintaining coefficients

考慮實時電力交易，即微電網(wǎng)在供給負荷時，如果出現(xiàn)發(fā)電量不足的情況，需要向大電網(wǎng)買入電能以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；另一方面，當微電網(wǎng)發(fā)出的電能超過負荷需求時，微電網(wǎng)可以向大電網(wǎng)售電。式（1）中考慮了實時的電力交易，即Pbuy（t）和Psell（t）表示微電網(wǎng)向大電網(wǎng)買入和賣出的電能，Cbuy和Csell為買入和賣出時的電價，是通過微電網(wǎng)在電力市場中的博弈競價過程得到的，這里視為已知量。

1.2 污染排放目標函數(shù)

除了可再生能源發(fā)電外，MT、FC 和DE 發(fā)電單元在本身發(fā)電過程中和與大電網(wǎng)交換電能時，由于燃燒石化燃料和柴油燃料，所以均排放氧化氮、一氧化碳、二氧化碳和二氧化氯等污染氣體。

考慮微電網(wǎng)本身的污染排放和與大電網(wǎng)交換電能時產(chǎn)生的污染排放，構建污染排放目標函數(shù)為

式中：E（Pit）為微電網(wǎng)造成污染后折合的總的環(huán)境成本；Pit為微電網(wǎng)內(nèi)第i 個微電源在時刻t 的功率；k 為各分布式電源排放的污染氣體種類；βk為處理每千克污染物所需的費用；fk（Pexc）為與大電網(wǎng)交換電能時排放的污染氣體；M 為污染物種類；fk（Pit）為第i 個微電源在時刻t 排放的污染氣體，其表達式為

式中，αi、μi、γi、ξi、λi為分布式電源的產(chǎn)生氣體的排放系數(shù)。表2 給出了各氣體的排放量與處理費用。

表2 排放標準Tab.2 Emission standard （g/kW·h）

1.3 約束條件

功率平衡約束為

式中：Pload（t）為總負荷需求；Pdst，i和Pcst，i分別表示儲能單元的充電和放電功率；Ndst為儲能單元數(shù)目；Ploss（t）為系統(tǒng)的功率交換損失，可通過潮流計算獲得，故這里視為已知量。

發(fā)電單元的不等約束為

儲能裝置容量不等約束為

傳輸電能容量的約束為

為了保證系統(tǒng)安全運行，發(fā)電單元的啟動停機次數(shù)也要有所限制，即

式中：Nstart-stop為啟動停機次數(shù)；Nmax為其上限值。

考慮環(huán)境效益的緣故，需要限定分布式電源產(chǎn)生氣體的排放水平：

式中：Yk為發(fā)電機組第k 種氣體的排放量；Ylim為其排放的限值。

1.4 多目標函數(shù)的處理

由于經(jīng)濟利益與環(huán)境效益之間相互沖突，為了達到最佳的優(yōu)化效果需要對兩個目標函數(shù)做折中處理，本文采用線性加權法處理該優(yōu)化問題：

式中：C（Pit）為最終優(yōu)化目標；λ1和λ2是多目標的權重系數(shù)，兩者的關系滿足等式λ1+λ2=1（本文仿真算例中時取值為0.2 和0.8）。

2 改進的優(yōu)化算法

本文提出了一種改進的粒子群算法（PSO）來解決上述優(yōu)化問題。粒子群優(yōu)化求解過程可被視為：在N 維空間中，將搜索目標看作一個點，稱之為一個粒子，這個粒子在搜索空間中根據(jù)本身飛行經(jīng)驗和同伴的飛行經(jīng)驗隨時動態(tài)調(diào)整自己的速度和方向，然后追隨當前的最優(yōu)粒子尋求最優(yōu)結果。粒子的優(yōu)劣程度由適應度函數(shù)決定，粒子的適應值則由目標函數(shù)決定；粒子還要知道兩個極值，即個體極值和全局最優(yōu)值[13-14]。個體極值記錄了自己在飛行中經(jīng)歷的最好位置和當前位置，全局最優(yōu)值記錄了所有粒子發(fā)現(xiàn)的最好位置。在迭代過程中，粒子會不斷更新這兩個極值從而動態(tài)的調(diào)整自己飛行的速度和方向，解出目標函數(shù)的最優(yōu)解。粒子更新速度及位置的方程可表示為

式（19）和式（20）表示了第i 個粒子第j 維的速度和位置變化規(guī)則。速度更新公式中的第1 項表示粒子速度；ω 是用來控制粒子群算法中收斂情況的慣性權重因子；c1、c2表示加速系數(shù)以控制一個粒子在一次迭代過程中移動距離，相應地，φ1、φ2是0到1 之間的隨機數(shù)；Pi，j（t）參數(shù)表示最佳粒子適應度函數(shù)值；Gi，j（t）是任何粒子迄今所取得的全局極值。根據(jù)公式，在計算出速度和位置之后，新的粒子按照該算法進行下一次迭代。通常，需要設置一定的迭代次數(shù)，或者直到結果達到允許的精度再停止迭代。

本文結合微電網(wǎng)成本和排放優(yōu)化問題的特點在以下兩方面進行了改進。

（1）為了跳出局部極小點，需要提高慣性權重系數(shù)，但過大的慣性權重系數(shù)會降低系統(tǒng)的收斂性。為了兼顧這兩個目標，本文應用線性方程更新權重系數(shù)，即隨著迭代的進行線性地減少權重系數(shù)值為

式中：ωmax和ωmin分別為權重系數(shù)的初始值和終值；iter為當前迭代次數(shù)；itermax為迭代的最大值。

（2）當粒子在種群中的位置與全局最優(yōu)值重疊時，粒子只有在之前速度及權重系數(shù)值不為零的情況下才能成功跳出最優(yōu)值，否則會造成算法的收斂早熟現(xiàn)象。本文應用新的速度更新方程

式中：ρ（t）（1-2rj（t））從樣本空間隨機生成樣本長度2ρ（t）；ρ 為適應每一次迭代的比例因子，可由下式更新：

式中：# failures 和# successes 為連續(xù)失敗或成功數(shù)目；sc和fc為可調(diào)閾值參數(shù)分別設為15 和5。

采用此改進的粒子群算法可快速求得能量管理策略的最優(yōu)解，以便對各分布式能量源進行實時最佳調(diào)度。

3 仿真研究

本文對于改進粒子群算法的參數(shù)設置如下：種群大小的初始化是40，迭代的最大數(shù)目是300，并且搜索空間維數(shù)被設定為6，加速度系數(shù)c1=1.496 2，初始慣性權重c2為0.2，終止時為0.9。

圖1 為典型一天的微電網(wǎng)負荷需求曲線。圖2為微電網(wǎng)一天的實時電力交易。在本文提出的能量管理策略下，基于實時的電力交易，微電網(wǎng)中各微電源的最佳功率分派如圖3 和4 所示。總成本優(yōu)化曲線如圖5 所示。

圖1 典型一天的負荷需求Fig.1 Load demand for a typical day

圖2 實時電力交易曲線Fig.2 Real-time power trade

圖3 PV 和WT 的功率輸出Fig.3 PV and WT power output

圖4 其他分布式能源功率輸出Fig.4 Output power of other distributed recourses

圖5 微電網(wǎng)總優(yōu)化成本Fig.5 Total optimal cost of the MG

以上結果可以看出，在仿真的一天周期內(nèi)，可再生能源一直工作在MPPT 模態(tài)，即該能量管理策略能最大限度地采用可再生能源供電，因為這些發(fā)電單元無燃料成本且零污染排放。當可再生能源供電大于負荷時，可以將剩余功率儲存于儲能單元里；當可再生能源發(fā)電低于負荷時，儲能元件放電。在整個仿真時間里，該管理策略保證了FC、DE 和MT 發(fā)電單元輸出平穩(wěn)且盡可能地降低輸出，因為這些發(fā)電單元具有相對高的燃料成本和污染排放，而且不平穩(wěn)的輸出也會較低運行效率。該仿真結果表明：本文提出的能量管理策略在保證可靠負荷供電的前提下，能最大程度地提高經(jīng)濟和環(huán)境效益。

4 結語

本文針對多能源組成的微電網(wǎng)，在實時電力交易下研究其能量管理策略，其目的是提高微電網(wǎng)運行的經(jīng)濟和環(huán)境效益。該研究的創(chuàng)新性工作是：考慮了實時的電力交易，構建了運行成本和污染排放的目標函數(shù)；并將其轉換成單目標函數(shù)，采用一種改進的粒子群算法對其進行優(yōu)化。仿真結果表明，該管理策略在負載變化和實時電力交易的情況下通過最佳的功率分派實現(xiàn)了微電網(wǎng)經(jīng)濟和環(huán)境效益的最大化。

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