家庭能量管理系統(tǒng)多目標(biāo)能量調(diào)度優(yōu)化策略

李中偉，張 嘯，武東升，梁建權(quán)，關(guān)亞東

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150030)

0 引言

現(xiàn)代社會對供電穩(wěn)定性和電能質(zhì)量的要求越來越高，給電網(wǎng)的發(fā)展帶來了很多新問題[1]。隨著智能用電技術(shù)的逐漸成熟，家庭能量管理系統(tǒng)在電力需求側(cè)管理中的作用日益凸顯[2-3]。其可實(shí)現(xiàn)對戶用分布式電源、儲能設(shè)備和家用負(fù)荷等的優(yōu)化調(diào)控，從而節(jié)約電能[4-5]。因此，構(gòu)建家庭能量管理系統(tǒng)并對其能量調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)更加科學(xué)的家庭用電。

國內(nèi)外已有很多文獻(xiàn)對電能調(diào)度優(yōu)化問題進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[6]根據(jù)家用負(fù)荷的屬性，對負(fù)荷進(jìn)行了分類建模，建立了基于分時電價的家庭負(fù)荷優(yōu)化調(diào)控模型，利用非線性規(guī)劃方法求解，并給出了家用負(fù)荷優(yōu)化控制方案。文獻(xiàn)[7]提出了一個家庭用電優(yōu)化問題，使負(fù)荷等待時間和家庭用電費(fèi)用最小，并用線性規(guī)劃方法對問題進(jìn)行了求解。文獻(xiàn)[8]建立了考慮用戶舒適度的智能用電模型，提出了一種動態(tài)的優(yōu)化控制策略，并分析了其優(yōu)化效果。文獻(xiàn)[9]建立了家庭供、用電模型，提出了以節(jié)約家庭用電費(fèi)用和保證用戶舒適度為目標(biāo)的雙目標(biāo)優(yōu)化決策方案。文獻(xiàn)[10]考慮需求響應(yīng)對光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)的影響，提出了分時電價下的儲能設(shè)備充、放電控制策略以及整個微網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行方案。

上述文獻(xiàn)中，基于實(shí)時電價的研究比較少，且缺乏源、儲、荷三者之間的協(xié)調(diào)配合。實(shí)時電價具有更合理的電價分布，已經(jīng)被歐美國家逐漸采用。隨著國內(nèi)電力市場的不斷完善，國內(nèi)必然會采用實(shí)時電價。本文基于實(shí)時電價，對包含分布式電源、儲能設(shè)備的家庭能量管理系統(tǒng)的能量調(diào)度優(yōu)化策略進(jìn)行深入研究，從而為用戶提供較高的用電收益、減少用能成本。

1 家庭能量管理系統(tǒng)模型

1.1 家庭能量管理系統(tǒng)架構(gòu)

本文擬在用戶側(cè)構(gòu)建家庭能量管理系統(tǒng),其架構(gòu)如圖1所示。

圖1 家庭能量管理系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖1中，分布式能源以光伏發(fā)電單元為例給出，儲能設(shè)備以蓄電池為例給出。戶用光伏發(fā)電單元使用戶能夠自行發(fā)電供給家用負(fù)荷，也能將剩余電能反饋給電網(wǎng)；蓄電池對電能進(jìn)行轉(zhuǎn)移、存儲，并與光伏協(xié)調(diào)配合，在光伏就近消納的原則下，實(shí)現(xiàn)家庭電能不足時供電、電能有剩余時存儲。家庭能量管理系統(tǒng)可通過智能交互終端、智能插座、分布式電源控制器等裝置實(shí)現(xiàn)對家庭用電負(fù)荷、分布式光伏發(fā)電單元、蓄電池的優(yōu)化控制。本文基于該家庭能量管理系統(tǒng)，對其能量調(diào)度優(yōu)化策略進(jìn)行研究。

1.2 負(fù)荷模型

本文根據(jù)家庭用電負(fù)荷是否具有可中斷、可轉(zhuǎn)移屬性，將其分為不可轉(zhuǎn)移類負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移類負(fù)荷兩類?，F(xiàn)分別構(gòu)建這兩類負(fù)荷的用電模型。

①不可轉(zhuǎn)移類負(fù)荷。

該類負(fù)荷的使用時間不具有彈性，對它們的使用是用戶的剛性需求。因此該類負(fù)荷通常不參與調(diào)控，其啟停時刻由用戶在進(jìn)行直接設(shè)定。不可轉(zhuǎn)移類負(fù)荷的用電模型表達(dá)式為：

(1)

②可轉(zhuǎn)移類負(fù)荷。

該類負(fù)荷的使用時間具有彈性，對它們的使用屬于用戶的非剛性需求。如果將該類負(fù)荷的工作時間區(qū)間轉(zhuǎn)移到電價較低的時間段內(nèi)，可為用戶節(jié)省一定的用電開支?？赊D(zhuǎn)移類負(fù)荷的用電模型表達(dá)式為：

(2)

對可轉(zhuǎn)移類負(fù)荷進(jìn)行調(diào)控需要考慮用戶的用電滿意度。其指的是用戶對負(fù)荷實(shí)際工作時間區(qū)間偏離用戶設(shè)置的適用時間范圍的可接受程度，是一種較為模糊的感官體驗(yàn)，不能直觀地體現(xiàn)。本文基于模糊理論建立的用戶滿意度公式為：

(3)

式中：H(·)為階梯函數(shù)。

1.3 光伏發(fā)電模型

光伏發(fā)電模型能簡化為光伏電池組通過串聯(lián)、并聯(lián)等方式構(gòu)成的整體，可對此整體統(tǒng)一建模。但其總輸出功率不是單個光伏電池輸出功率的簡單疊加，而是與太陽光強(qiáng)度、環(huán)境溫度、光線角度、光伏電池組老化程度和光電能量轉(zhuǎn)換效率等因素有關(guān)。文獻(xiàn)[11]中構(gòu)建了實(shí)用的光伏發(fā)電模型。本文基于上述模型，不考慮風(fēng)速等次要因素，建立了光伏發(fā)電的模型。光

伏的總輸出功率可以表示為：

(4)

式中：PPV(k)為k時刻光伏系統(tǒng)輸出功率；PPV,STC為標(biāo)準(zhǔn)測試條件下光伏發(fā)電輸出功率最大值；K(k)為k時刻電池板受到的太陽光輻射強(qiáng)度，kW/m2；KSTC為標(biāo)準(zhǔn)測試條件下電池板受到的最大太陽光輻射強(qiáng)度；εPV為光伏系統(tǒng)的溫度系數(shù)；T(k)為k時刻的環(huán)境溫度；TSTC為標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的環(huán)境溫度。

1.4 蓄電池模型

基于電池容量、電池電動勢、放電深度、荷電狀態(tài)和循環(huán)次數(shù)等蓄電池技術(shù)指標(biāo)，借鑒文獻(xiàn)[12]，本文構(gòu)建的蓄電池模型為：

PBattt(t)=sch(t)PBatt,ch(t)-sdch(t)PBatt,dch)(t)

(5)

sch(t)+sdch(t)≤1sdh(t),sdch(t)∈{0,1}

(6)

式中：PBatt,ch(t)為t時刻的蓄電池充電功率；PBatt,dch(t)為t時刻的蓄電池放電功率；sch(t)為t時刻的蓄電池充電狀態(tài)；Sdch(t)為t時刻的蓄電池放電狀態(tài)。

通過該模型，可計算蓄電池的剩余容量：

(7)

式中：PBatt,ch(k)為k時刻蓄電池的充電功率；PBatt,dch為k時刻蓄電池的放電功率；sch(k)為k時刻蓄電池的充電狀態(tài)；sdch(k)為k時刻蓄電池的放電狀態(tài)；CBatt為蓄電池容量；Δt為最小時間片段；ηch為蓄電池的充電效率；ηdch為蓄電池的放電效率。

2 多目標(biāo)能量調(diào)度優(yōu)化模型

蓄電池在本文構(gòu)建的家庭能量管理系統(tǒng)中，主要起到提高家庭用戶收益和光伏消納能力的作用。為提高用戶的能量收益，對蓄電池的控制常采用谷時充電、峰時放電的策略；為提高光伏消納能力，需要使蓄電池和光伏進(jìn)行配合，即凈光伏有剩余時優(yōu)先向蓄電池充電，凈負(fù)荷有需求時由蓄電池進(jìn)行放電。由于實(shí)時電價涉及的時段較多，采用上述固定調(diào)度策略較難實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)且綜合效益不高，故采用模型優(yōu)化的方法對蓄電池進(jìn)行控制。但該方法需要提前獲取光伏優(yōu)化得到的家庭負(fù)荷分布情況。因此，本文構(gòu)建了兩階段家庭能量調(diào)度優(yōu)化模型。

2.1 光伏能量調(diào)度優(yōu)化模型

第一階段優(yōu)化不考慮蓄電池的參與，單純通過調(diào)節(jié)光伏和負(fù)荷來實(shí)現(xiàn)家庭能量的調(diào)度優(yōu)化。

(1)第一階段優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。

第一階段家庭能量調(diào)度優(yōu)化的目標(biāo)分別為：①家庭能量收益最大；②光伏消納率最大；③保證用戶滿意度。

本文以次日24 h為一個調(diào)度周期，綜合考慮家庭能量調(diào)度優(yōu)化的收益、光伏消納率和用戶滿意度，構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化模型。其中，家庭能量的收益為：

(8)

光伏消納率表征光伏出力被負(fù)荷消納的能力，為：

(9)

用戶對所有負(fù)荷的滿意度可綜合為：

(10)

式中：m為可轉(zhuǎn)移類負(fù)荷的數(shù)量；Sload為用戶的總體用電滿意度。

則多目標(biāo)優(yōu)化模型可為：

max{fall,UPV,Sload}

(11)

(2)第一階段優(yōu)化約束條件。

若光伏發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)模式下工作，k時刻的家庭電能有功功率平衡表達(dá)式為：

(12)

可轉(zhuǎn)移類負(fù)荷工作于可轉(zhuǎn)移時間區(qū)間內(nèi)，滿意度約束可為：

tmi≤ton≤tmx-ds

(13)

式中：tmi為用戶設(shè)定的可轉(zhuǎn)移類負(fù)荷可調(diào)控時間區(qū)間的終止時刻；tmx-ds為用戶設(shè)定的可轉(zhuǎn)移類負(fù)荷可調(diào)控時間區(qū)間的起始時刻；ton為可轉(zhuǎn)移類負(fù)荷的啟動時刻。

2.2 有蓄電池參與的能量調(diào)度優(yōu)化模型

在第一階段優(yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行第二階段優(yōu)化，通過蓄電池的參與實(shí)現(xiàn)家庭能量的再分配。

(1)第二階段優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。

第二階段家庭能量調(diào)度優(yōu)化的目標(biāo)為：①家庭能量收益最大化；②光伏消納率最大化。

頻繁地切換蓄電池的工作狀態(tài)，會縮短蓄電池的壽命。在蓄電池參與能量調(diào)度優(yōu)化得到的收益中，考慮到蓄電池切換成本，則家庭能量收益為：

(14)

基于式(9)，考慮到蓄電池的上述問題，光伏消納率可改寫為：

(15)

多目標(biāo)優(yōu)化模型為：

max{fB,UPV}

(16)

(2)第二階段優(yōu)化約束條件。

有功功率平衡表達(dá)為：

(17)

通過限制蓄電池荷電狀態(tài)，避免過沖過放，需要滿足荷電狀態(tài)約束：

SOCmin

(18)

式中：SOCmin、SOCmax分別為蓄電池的最小及最大荷電狀態(tài)。

蓄電池需要滿足的最大充電功率和最大放電功率之間的關(guān)系為：

(19)

式中：Pch,max為蓄電池的最大充電功率；Pdch,max為蓄電池的最大放電功率。

為使蓄電池在一個調(diào)度周期內(nèi)的充、放電平衡，蓄電池需要滿足的荷電狀態(tài)約束條件為：

SOCstart=SOCend

(20)

式中：SOCstart為蓄電池的初始荷電狀態(tài)；SOCend為調(diào)度結(jié)束后蓄電池的荷電狀態(tài)。

3 多目標(biāo)能量調(diào)度優(yōu)化策略

本文中，光伏電能調(diào)度優(yōu)化的基本優(yōu)化目標(biāo)為家庭用戶電能收益最大化。光伏發(fā)電在考慮用戶用電滿意度的同時，盡可能地遵循就近消納的原則，與現(xiàn)有文獻(xiàn)有較大區(qū)別。本文構(gòu)建的兩階段能量調(diào)度優(yōu)化模型均為多目標(biāo)優(yōu)化模型，對多目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化不能保證得到絕對的最優(yōu)解，即不能使所有目標(biāo)同時達(dá)到最優(yōu)?；诰⒉呗缘姆侵渑判蜻z傳(NSGA-II)算法在處理此類問題時往往能得到較理想的Pareto前沿[12]。理論上，最優(yōu)擇中解是無偏見的最優(yōu)解，能夠較平衡地保證各個優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化效果。因此，本文采用NSGA-II算法進(jìn)行優(yōu)化求解，獲取Pareto解集后確定最優(yōu)擇中解，為用戶提供無偏見的決策方案。

采用NSGA-II算法，對家庭兩階段能量調(diào)度優(yōu)化模型進(jìn)行求解，其流程如圖2所示。

圖2 家庭兩階段能量調(diào)度優(yōu)化模型求解流程圖

4 算例分析

4.1 算例參數(shù)

以某一用戶為例進(jìn)行分析。該用戶家庭安裝有3 kW光伏和600 Ah/2 V的鋰離子蓄電池，其家庭用電負(fù)荷情況如表1和表2所示。

表1 不可轉(zhuǎn)移類負(fù)荷用戶設(shè)定工作情況

表2中給出的“適用時間范圍”是結(jié)合實(shí)時電價和負(fù)荷特性給出的，而表1中的“工作時間范圍”和表2中的“偏好時間范圍”是以某一用戶為例給出的。在實(shí)際應(yīng)用時，用戶可根據(jù)自己家中的情況和自己的意愿，設(shè)置家中不同負(fù)荷的“工作時間范圍”和“偏好時間范圍”。

表2 可轉(zhuǎn)移類負(fù)荷用戶設(shè)定工作情況

當(dāng)?shù)貙?shí)時電價(購電電價)曲線如圖3所示。

圖3 購電電價曲線

政府補(bǔ)貼光伏發(fā)電取0.72元/(kW·h)；參考目前大多數(shù)地區(qū)的電動汽車蓄電池補(bǔ)貼電價和光伏向電網(wǎng)饋電電價，蓄電池放電的饋電電價取0.42元/(kW·h)。

NSGA-II算法參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 NSGA-II算法參數(shù)設(shè)置

4.2 仿真結(jié)果

基于本文構(gòu)建的負(fù)荷模型、光伏發(fā)電模型、蓄電池模型、兩階段家庭能量調(diào)度優(yōu)化模型，利用遺傳算法對所提多目標(biāo)能量調(diào)度優(yōu)化問題進(jìn)行求解。通過MATLAB進(jìn)行仿真驗(yàn)證，得到的能量調(diào)度優(yōu)化前后用戶家庭能量分布情況如圖4所示。

圖4 能量調(diào)度優(yōu)化前后家庭能量分布情況

由圖4可知，通過兩階段優(yōu)化，家庭能量分布情況的變化較大。第一階段優(yōu)化后，負(fù)荷向光伏消納方向及實(shí)時電價較高的方向集中；第二階段優(yōu)化后，蓄電池通過充放電將儲存的電網(wǎng)能量及光伏發(fā)電剩余能量轉(zhuǎn)移到用電高峰時段，以供負(fù)荷利用。由式(3)、式(14)和式(15)計算可得，優(yōu)化前滿意度為100%，家庭能量收益為16.30元，光伏消納率為52.12%。第一階段優(yōu)化后，滿意度為85%，家庭能量收益為16.91元，光伏消納率為58.53%。第二階段優(yōu)化后，滿意度為85%，家庭能量收益為20.60元，光伏消納率為74.11%。優(yōu)化后的光伏消納率和用戶滿意度均保持在較高水平。由仿真結(jié)果可知，采用本文提出的兩階段家庭能量調(diào)度優(yōu)化策略能夠?qū)崿F(xiàn)家庭綜合效益的最大化，并且在保證用戶滿意度與光伏消納率較高的前提下，提高了家庭能量收益。

5 結(jié)束語

本文在構(gòu)建家庭能量管理系統(tǒng)架構(gòu)、家庭用電負(fù)荷模型、光伏發(fā)電模型、蓄電池模型和兩階段家庭能量調(diào)度優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上，提出了一種基于實(shí)時電價和NSGA-II算法的家庭能量管理系統(tǒng)多目標(biāo)能量調(diào)度優(yōu)化策略。以某一典型用戶為例，在MATLAB平臺下進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明：本文提出的量調(diào)度優(yōu)化策略能很好地實(shí)現(xiàn)家庭能量管理系統(tǒng)中源、儲、荷的協(xié)調(diào)配合，提高了家庭綜合收益；使用戶滿意度維持在較高水平，提高了用戶參與需求響應(yīng)的積極性；確保了光伏消納率，在減小光伏饋電上網(wǎng)對電網(wǎng)的影響的同時保證了用戶用電的可靠性；實(shí)現(xiàn)了家庭能量管理系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，有助于回收家庭自備分布式電源的投入成本。