含分布式儲能的能源局域網(wǎng)能量優(yōu)化管理方法

蒲曉湘*1，林厚飛2，金建新2，林啟待2，吳堃銘，劉玢巖

(1.重慶電力高等專科學(xué)校， 重慶400053； 2.國網(wǎng)浙江平陽縣供電有限責(zé)任公司， 浙江溫州325401；3.重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶400044)

0 引言

近年來，化石能源在全球范圍內(nèi)都面臨著日漸枯竭的問題，而且化石能源的使用給全球的環(huán)境和氣候都帶來了十分嚴(yán)重的危害，因此全球范圍內(nèi)都亟待尋求各種清潔、高效、可再生的能源，例如風(fēng)能、太陽能等，來代替化石能源[1-3]。隨著各種可再生能源的使用，利用可再生能源的分布式發(fā)電(distributed generation，DG)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[4-6]。但由于分布式發(fā)電自身存在隨機(jī)性和波動性等缺點(diǎn)，直接接入會給大電網(wǎng)的正常運(yùn)行，帶來很大的負(fù)面影響[7-9]。為了協(xié)調(diào)分布式發(fā)電跟大電網(wǎng)之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)分布式發(fā)電的“即插即用”，能源互聯(lián)網(wǎng)這一理念被提出[10]。目前，大多數(shù)學(xué)者將能源互聯(lián)網(wǎng)定義為：通過互聯(lián)網(wǎng)等信息通訊技術(shù)，以電力系統(tǒng)為中心，將電力系統(tǒng)和智能電網(wǎng)連接在一起，綜合運(yùn)用先進(jìn)的智能管理和電力電子技術(shù)，橫向“多源互補(bǔ)”，縱向“源—網(wǎng)—荷—儲”高度協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)能源與信息高度融合的新型能源體系[11-14]。

由于能源互聯(lián)網(wǎng)一般包含多個能源局域網(wǎng)，因此其控制和管理比單個能源局域網(wǎng)的運(yùn)行管理更加復(fù)雜[15]，已有學(xué)者對能源互聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行管理展開研究。例如，為了解決能源局域網(wǎng)中可在生能源、負(fù)載和實(shí)時電價的波動性對能源局域網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的影響，采用了基于隨機(jī)模型預(yù)測控制的能源局域網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度方法[16]，該方法具有很強(qiáng)的可行性與魯棒性；為了解決可再生能源的隨機(jī)性對能源局域網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的影響，構(gòu)造了考慮風(fēng)、光、儲在內(nèi)的能源局域網(wǎng)管理與優(yōu)化模型，并用改進(jìn)的粒子群算法進(jìn)行求解[17]；為了解決能源局域網(wǎng)網(wǎng)內(nèi)、網(wǎng)外資源利用以及彼此之間的能量交互問題，采用了一種考慮源、荷、儲及網(wǎng)內(nèi)、網(wǎng)外全時段協(xié)同優(yōu)化的建模與優(yōu)化方法[18]；為了實(shí)現(xiàn)可在生能源和傳統(tǒng)能源的協(xié)調(diào)管理，建立了三階段Stackelberg游戲模型，并利用反向歸納法解決了三階段非合作博弈問題[19]，給出了各階段的最后策略表達(dá)式；為了實(shí)現(xiàn)區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，建立了一種電轉(zhuǎn)氣和熱電解耦熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與風(fēng)電聯(lián)合調(diào)度的區(qū)域能源互聯(lián)系統(tǒng)模型[20]，構(gòu)建互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)。上述文獻(xiàn)主要考慮的是能源局域網(wǎng)與電網(wǎng)之間的運(yùn)行管理問題，而沒有考慮多能源局域網(wǎng)之間的運(yùn)行管理問題。

在能源互聯(lián)網(wǎng)的體制中，能源的商品屬性得以還原，需要制定相關(guān)的能源交易策略來管理能源互聯(lián)網(wǎng)的市場環(huán)境[21]。為了解決在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的開放電力市場的競爭問題，提出了基于多群體非對稱演化博弈的均衡穩(wěn)定性的解決方案[22]；為了解決能源交易中的能源短缺多發(fā)生在峰值能量附近的問題，建立了一個新型的能源互聯(lián)網(wǎng)框架，通過分布式儲能系統(tǒng)在終端用戶中建立能源市場，解決峰值能源短缺問題[23]；為了實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)側(cè)與需求側(cè)形成一個整體進(jìn)行綜合統(tǒng)籌，建立了多能互補(bǔ)協(xié)調(diào)發(fā)展的綜合模型，實(shí)現(xiàn)了能源的互動和梯級利用[24]；為了解決含電動汽車和電轉(zhuǎn)氣設(shè)備的園區(qū)級能源互聯(lián)網(wǎng)的能量管理與定價問題，采用了多類型能源動態(tài)定價和能量管理的方法[25]；為了實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)用戶側(cè)的能量管理、調(diào)節(jié)與輸配，建立了用戶側(cè)冷熱負(fù)荷預(yù)測模型[26]；為了實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)中單個終端用戶的最佳經(jīng)濟(jì)性決策，建立了一個混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，并采用遺傳算法來求解該模型[27]。上述文獻(xiàn)都只考慮了區(qū)域內(nèi)部或單個區(qū)域與能源互聯(lián)網(wǎng)之間的能量交易問題，未考慮區(qū)域間的綜合能源協(xié)調(diào)規(guī)劃和可靠性經(jīng)濟(jì)型效益分析。

綜上所述，在目前的文獻(xiàn)中，多能源局域網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)管理問題還沒有得到充分的研究。因此，針對多能源局域網(wǎng)的協(xié)調(diào)管理，實(shí)現(xiàn)區(qū)域與電網(wǎng)、區(qū)域與區(qū)域之間的最優(yōu)能量互動，本文提出了一種基于最優(yōu)能量流的含分布式儲能的能源局域網(wǎng)能量管理方法。本文先構(gòu)造了一種多能源局域網(wǎng)雙層信息流與能量流融合模型，該模型下層為可再生能源、分布式儲能和負(fù)載組成的多個能源局域網(wǎng)，上層分為能源局域網(wǎng)之間的通信網(wǎng)絡(luò)和能源局域網(wǎng)內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)。然后，使用分層的集中式優(yōu)化進(jìn)行能源局域網(wǎng)網(wǎng)間和網(wǎng)內(nèi)管理，其中網(wǎng)間管理是在網(wǎng)間層面來協(xié)調(diào)能源局域網(wǎng)之間的能量流動，求出使多能源局域網(wǎng)總運(yùn)行成本最低的各個能源局域中所有分布式儲能應(yīng)輸出或吸收的能量，并將該能量信息作為網(wǎng)內(nèi)管理的約束條件之一，分別求出使各個能源局域網(wǎng)內(nèi)部總運(yùn)行成本最低的每個分布式儲能有功輸入輸出；在網(wǎng)間管理和網(wǎng)內(nèi)管理的配合下，控制分布式儲能運(yùn)行，得到最優(yōu)的能量流，從而使整個多能源局域網(wǎng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性實(shí)現(xiàn)最優(yōu)。最后，在MATLAB/Simulink中搭建多能源局域網(wǎng)仿真平臺，通過對自然環(huán)境劇烈波動和自然環(huán)境與負(fù)荷均劇烈波動兩種算例進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明它可以快速響應(yīng)負(fù)荷和環(huán)境的波動，通過控制儲能的充放電實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的能量流。

1 信息流與能量流融合模型

為實(shí)現(xiàn)多能源局域網(wǎng)之間的能量最優(yōu)分配，本文構(gòu)造了一種多能源局域網(wǎng)雙層信息流與能量流融合模型，如圖1所示，該模型上層為信息交換的通信網(wǎng)絡(luò)，下層為多能源局域網(wǎng)系統(tǒng)。

圖1 信息流與能量流融合模型Fig.1 Fusion model of information flow and energy flow

下層多能源局域網(wǎng)是由幾個地理位置毗鄰的能源局域網(wǎng)組成。而每一個能源局域網(wǎng)又由可再生能源系統(tǒng)、可控儲能系統(tǒng)和負(fù)載組成，其中可再生能源系統(tǒng)主要包含風(fēng)機(jī)發(fā)電和光伏發(fā)電兩類分布式電源(DG)。在多能源局域網(wǎng)中，由于風(fēng)機(jī)、光伏等可再生能源發(fā)電的輸出功率具有很大的不確定性，為了提高可再生能源發(fā)電的利用率，使其工作在最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)模式。而對于儲能系統(tǒng)，可以人為的加以控制，使其工作在恒功率(PQ)模式，稱為可控儲能系統(tǒng)。

上層通信網(wǎng)絡(luò)由運(yùn)行調(diào)度中心和信息中心組成，可分為能源局域網(wǎng)之間的通信網(wǎng)絡(luò)和能源局域網(wǎng)內(nèi)部的通信網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。能源局域網(wǎng)之間的通信網(wǎng)絡(luò)，主要用來實(shí)現(xiàn)在最優(yōu)能量流的情況下各能源局域網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)總體的功率平衡；而能源局域網(wǎng)內(nèi)部的通信網(wǎng)絡(luò)，主要用來實(shí)現(xiàn)在最優(yōu)能量流的情況下各能源局域網(wǎng)內(nèi)部的功率平衡。

在圖1中，能源局域網(wǎng)之間的通信網(wǎng)絡(luò)，由運(yùn)行調(diào)度中心構(gòu)成。由于主網(wǎng)通過瞬時補(bǔ)充能量來支撐能源局域網(wǎng)的電壓和頻率，因此流入和流出Pcc節(jié)點(diǎn)的能量流，分別代表能源局域網(wǎng)內(nèi)部負(fù)載的能量缺額或可再生能源的能量盈余，所以通過運(yùn)行調(diào)度中心采集Pcc節(jié)點(diǎn)的能量缺額或盈余信息，由其通過集中式優(yōu)化計(jì)算得出各能源局域網(wǎng)中所有分布式儲能應(yīng)輸出或吸收的能量信息，并將該信息傳輸至相應(yīng)的信息中心，作為信息中心進(jìn)行集中式優(yōu)化的約束條件之一。而對于任意一個能源局域網(wǎng)內(nèi)部的通信網(wǎng)絡(luò)，由信息中心構(gòu)成，通過信息中心采集可控儲能的能量流信息，并將該信息與能源局域網(wǎng)最優(yōu)能量流信息進(jìn)行集中式優(yōu)化，計(jì)算得到可控儲能充放電的最優(yōu)計(jì)劃，并將其傳輸至可控儲能系統(tǒng)，控制儲能充放電，實(shí)現(xiàn)能源局域網(wǎng)內(nèi)部的能量平衡，也使整個多能源局域網(wǎng)與電網(wǎng)達(dá)到能量平衡。

綜上所述，在并網(wǎng)運(yùn)行的多能源局域網(wǎng)系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)載或者環(huán)境波動導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)能量缺額或者能量盈余時，整個多能源局域網(wǎng)系統(tǒng)在考慮經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的情況下優(yōu)化，將缺額或盈余的能量，在功率平衡的前提下合理的分配到每個能源局域網(wǎng)上，再由每個能源局域網(wǎng)內(nèi)部通過優(yōu)化來將缺額的能量或者盈余的能量，在能量平衡的前提下以最優(yōu)的方式分配到每一個儲能系統(tǒng)上，使其放電或充電，來得到最優(yōu)的能量流，從而達(dá)到整個多能源局域網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

2 基于最優(yōu)能量流的多能源局域網(wǎng)能量管理方法

多能源局域網(wǎng)處于并網(wǎng)運(yùn)行模式時，可以與主網(wǎng)進(jìn)行能量的交換，而在交換的過程中，主網(wǎng)向多能源局域網(wǎng)傳輸?shù)哪芰渴芟抻诰€路的最大傳輸容量，將這個最大傳輸容量作為一個閾值Pth，作為判定儲能工作方式的一個重要條件，即當(dāng)主網(wǎng)向多能源局域網(wǎng)供能大于Pth時，主網(wǎng)無法供給的一部分能量，利用分布式儲能來供給；當(dāng)主網(wǎng)向多能源局域網(wǎng)供能介于0與Pth之間時，全部由主網(wǎng)來供給這部分能量，儲能不工作；當(dāng)主網(wǎng)向多能源局域網(wǎng)供能小于0，即多能源局域網(wǎng)盈余能量時，不向主網(wǎng)供電，利用儲能用來吸收這部分能量。在整個過程中，儲能用來彌補(bǔ)主網(wǎng)供電的能量缺額和吸收可再生能源的能量盈余，通過合理分配儲能充放電能量，獲得最優(yōu)能量流，從而使整個多能源局域網(wǎng)總運(yùn)行成本最低。

為了合理分配儲能的輸入輸出能量，將能量管理分為網(wǎng)間和網(wǎng)內(nèi)管理。網(wǎng)間管理是在能源局域網(wǎng)之間層面，考慮各個能源局域網(wǎng)的運(yùn)行成本和傳輸線的損耗，使整個多能源局域網(wǎng)的總運(yùn)行成本最低，從而得到每個能源局域網(wǎng)中所有分布式儲能應(yīng)輸出或吸收的能量，并將此供能信息作為網(wǎng)內(nèi)管理的約束條件之一；網(wǎng)內(nèi)管理是在能源局域網(wǎng)內(nèi)部層面，考慮能源局域網(wǎng)內(nèi)部的分布式儲能運(yùn)行成本和傳輸線的損耗，使能源局域網(wǎng)的總運(yùn)行成本最低，從而得到每個分布式儲能的有功輸入輸出；在網(wǎng)間和網(wǎng)內(nèi)管理的配合下，實(shí)現(xiàn)整個多能源局域網(wǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行下的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行。下面，從網(wǎng)間和網(wǎng)內(nèi)管理兩個方面，分別介紹能源局域網(wǎng)之間的能量管理和能源局域網(wǎng)內(nèi)部的能量管理。

2.1 能源局域網(wǎng)之間的能量管理

為了實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)間層面的能源局域網(wǎng)之間能量流動最優(yōu)，應(yīng)以多能源局域網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的總成本為目標(biāo)，構(gòu)建能源局域網(wǎng)網(wǎng)間的能量管理模型，并采用內(nèi)點(diǎn)法來對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，以實(shí)現(xiàn)多能源局域網(wǎng)的總運(yùn)行成本最小。

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

(1)

2.1.2 約束條件

① 多能源局域網(wǎng)功率平衡約束

多能源局域網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行的前提，是多能源局域網(wǎng)能滿足功率的時刻平衡。在本節(jié)中，我們先從能源局域網(wǎng)i來分析功率平衡，當(dāng)能源局域網(wǎng)i中風(fēng)光等可再生能源的總輸出功率、可控儲能總的吸收或輸出功率以及主網(wǎng)向能源局域網(wǎng)i供能之和，與能源局域網(wǎng)i的總負(fù)載需求加上能源局域網(wǎng)i輸入輸出功率之和相等時，能源局域網(wǎng)i滿足功率平衡。將所有能源局域網(wǎng)疊加求和，得到多能源局域網(wǎng)的功率平衡約束為：

(2)

(3)

② 多能源局域網(wǎng)儲能功率約束

在多能源局域網(wǎng)中，能源局域網(wǎng)i中儲能所需的總吸收或輸出功率Pi(t)約束為：

(4)

(5)

③ 傳輸線功率約束

在多能源局域網(wǎng)中，流過傳輸線的功率不能大于傳輸線的最大傳輸容量，因此，傳輸線功率約束為：

0≤PG(t)≤Pth,

(6)

(7)

2.2 能源局域網(wǎng)內(nèi)部的能量管理

為了實(shí)現(xiàn)能源局域網(wǎng)內(nèi)部的能量流動最優(yōu)，應(yīng)以能源局域網(wǎng)內(nèi)部系統(tǒng)運(yùn)行的總成本為目標(biāo)，構(gòu)建能源局域網(wǎng)網(wǎng)內(nèi)的能量管理模型，并采用內(nèi)點(diǎn)法來對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，以實(shí)現(xiàn)能源局域網(wǎng)內(nèi)部的運(yùn)行成本最小。

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

本節(jié)中，為了實(shí)現(xiàn)每個能源局域網(wǎng)內(nèi)部能量流動最優(yōu)，網(wǎng)內(nèi)優(yōu)化目標(biāo)是每個能源局域網(wǎng)總的運(yùn)行成本最小。因此，以能源局域網(wǎng)i中儲能x在時間t時刻的充電與放電功率Pxi(t)為優(yōu)化變量，考慮能源局域網(wǎng)內(nèi)部儲能的運(yùn)行費(fèi)用和能源局域網(wǎng)內(nèi)部能量流動的網(wǎng)絡(luò)損耗，構(gòu)造多能源局域網(wǎng)的總運(yùn)行成本函數(shù)Fi(Pxi(t))，此函數(shù)的目的是為了使運(yùn)行的總成本最小化，由于本文中，風(fēng)機(jī)和光伏發(fā)電屬于清潔可再生能源，不考慮它們的發(fā)電成本，因此，目標(biāo)函數(shù)可寫為：

(8)

式中，ai,x和bi,x為能源局域網(wǎng)i內(nèi)部可控儲能x運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用一次項(xiàng)和常數(shù)項(xiàng)系數(shù)；u代表的是能源局域網(wǎng)i內(nèi)可控儲能的個數(shù)，t是傳輸線的損耗成本系數(shù)，單位為kW2/km，li,x是能源局域網(wǎng)i中可控儲能x與Pcc節(jié)點(diǎn)之間傳輸線的長度，單位為km；Pxi(t)表示儲能x在時間t時刻的充電與放電功率。

2.2.2 約束條件

① 儲能系統(tǒng)約束

在多能源局域網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行時，儲能的荷電狀態(tài)和輸入輸出功率都有一定的范圍，因此儲能系統(tǒng)的約束為：

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

② 能源局域網(wǎng)內(nèi)部供需平衡約束

能源局域網(wǎng)i優(yōu)化運(yùn)行的前提是，能源局域網(wǎng)i內(nèi)部的功率平衡約束時刻滿足，即能源局域網(wǎng)i中儲能所需的總吸收或輸出功率與能源局域網(wǎng)i中每個儲能的吸收或輸出功率之和相等。

(16)

式中，Pi(t)為網(wǎng)間能量管理求得的能源局域網(wǎng)i中儲能所需的總吸收或輸出功率。

2.3 多能源局域網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行模式下的調(diào)度模型

在多能源局域網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行模式下實(shí)現(xiàn)最優(yōu)能量流管理，是利用儲能在保證系統(tǒng)能量平衡的前提下，最大程度的利用可再生能源，使不同的能源系統(tǒng)協(xié)同供能，保障供能的質(zhì)量[28]，所以多能源局域網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行模式下的調(diào)度，如圖2流程框圖所示。

多能源局域網(wǎng)在并網(wǎng)模式下運(yùn)行時，首先利用網(wǎng)間管理，求出網(wǎng)內(nèi)管理的約束條件之一，即每個能源局域網(wǎng)中所有分布式儲能應(yīng)輸出或吸收的能量，接著利用網(wǎng)內(nèi)管理，求出能源局域網(wǎng)中每個分布式儲能的輸入輸出信息，控制儲能的工作，獲得最優(yōu)的能量流，從而實(shí)現(xiàn)整個多能源局域網(wǎng)總運(yùn)行成本最低。

圖2 多能源局域網(wǎng)運(yùn)行框圖Fig.2 Block diagram of operation of multi-energy local area network

3 仿真平臺及參數(shù)設(shè)置

3.1 仿真平臺

為驗(yàn)證本文所提出的基于最優(yōu)能量流的多能源局域網(wǎng)互聯(lián)能量管理方法，在MATLAB/Simulink中搭建多能源局域網(wǎng)仿真平臺，搭建的系統(tǒng)中共包含3個能源局域網(wǎng)，能源局域網(wǎng)1包含3個風(fēng)機(jī)發(fā)電、4個可控儲能和7個負(fù)載；能源局域網(wǎng)2包含3個光伏發(fā)電、3個可控儲能和6個負(fù)載；能源局域網(wǎng)3包含2個風(fēng)機(jī)發(fā)電、2個光伏發(fā)電、4個可控儲能和8個負(fù)載，各可再生能源發(fā)電和可控儲能容量配置見表1。其中，儲能系統(tǒng)是由蓄電池來模擬，工作在PQ模式下；DGi=11,12,13,33,34是永磁同步風(fēng)機(jī)(PMSG-WTs)，DGi=21,22,23,31,32是光伏(photovoltaic, PV)，均工作于MPPT模式。負(fù)載在工作的過程中，會在不同的時刻發(fā)生改變，仿真過程中負(fù)載參數(shù)的變化如表2所示。多能源局域網(wǎng)在工作的過程中，其發(fā)出和吸收能量的成本系數(shù)和網(wǎng)損系數(shù)，如表3所示。風(fēng)機(jī)和光伏的輸出功率受自然環(huán)境的影響，仿真過程中風(fēng)機(jī)和光伏輸出功率如圖3所示。設(shè)定系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率為50 Hz，線電壓幅值為380 V，設(shè)置線路阻抗為0.169+j0.07 Ω/km。

3.2 參數(shù)配置

表1 DG、儲能和負(fù)載相關(guān)參數(shù)Tab.1 Setup and parameters of DGs、BESS、Loads

表2 負(fù)載參數(shù)變化Tab.2 Fluctuations of loads

表3 成本系數(shù)Tab.3 Cost Factor

(a)

(b)

圖3 可再生能源發(fā)電出力曲線
Fig.3 Outputs of all PVs and WTs

4 仿真算例

為了驗(yàn)證基于最優(yōu)能量流的含分布式儲能的能源局域網(wǎng)能量管理方法的有效性，本文共設(shè)計(jì)了2組算例。算例1主要驗(yàn)證了只有自然環(huán)境波動時，例如光照強(qiáng)度、風(fēng)速等的變化，該管理方法的有效性；算例2主要驗(yàn)證了在自然環(huán)境波動的基礎(chǔ)上，當(dāng)負(fù)載發(fā)生劇烈波動時，該管理方法的有效性。

4.1 算例1：自然環(huán)境波動對系統(tǒng)運(yùn)行的影響

針對多能源局域網(wǎng)的能量控制和管理，本節(jié)模型主要考慮了自然環(huán)境波動時對系統(tǒng)運(yùn)行的影響，以此算例來驗(yàn)證本文所提管理方法的有效性。按照表1對風(fēng)機(jī)、光伏、可控儲能和負(fù)載進(jìn)行配置，并且取傳輸線最大傳輸容量，即閾值Pth為100 kW。

分別在有無能量管理方法的情況下進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如下圖所示。圖4表示多能源局域網(wǎng)與主網(wǎng)之間的能量流動，從圖4中可以看出，當(dāng)不采用優(yōu)化方法時，即曲線Pgrid1，主網(wǎng)向多能源局域網(wǎng)供能隨著風(fēng)機(jī)光伏的波動而波動，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于閾值；當(dāng)采用優(yōu)化方法時,即曲線Pgrid2，主網(wǎng)向多能源局域網(wǎng)供能維持在傳輸線的最大傳輸容量，即閾值。圖5表示每個能源局域網(wǎng)對應(yīng)Pcc節(jié)點(diǎn)的能量流動，從圖4和圖5可以看出，不論采不采用優(yōu)化方法，主網(wǎng)流入多能源局域網(wǎng)的功率與多能源局域網(wǎng)吸收功率和相等，所以主網(wǎng)和多能源局域網(wǎng)之間的能量是平衡的。圖6表示能源局域網(wǎng)內(nèi)部儲能輸出/輸入的功率，其中圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)是不采用優(yōu)化方法，在此情況下，可以看出儲能不工作，既不充電也不放電，所有能量均由電網(wǎng)供應(yīng)，而在實(shí)際情況下，由于主網(wǎng)向多能源局域網(wǎng)供能存在閾值，會導(dǎo)致能量缺額，造成部分負(fù)載無法正常工作；圖6(d)、圖6(e)、圖6(f)是采用優(yōu)化方法，在此情況下，由于主網(wǎng)供能大于閾值，大于閾值的部分主網(wǎng)無法供能，而由儲能按最經(jīng)濟(jì)的方式供能，從圖中可以看出，能源局域網(wǎng)3的儲能供能最多，符合能源局域網(wǎng)3的總運(yùn)行成本最低這一實(shí)際情況，而在能源局域網(wǎng)3中，儲能6的供能最多，符合儲能6運(yùn)行成本最低這一實(shí)際情況。圖7表示的是根據(jù)能源局域網(wǎng)總運(yùn)行成本最小這一目標(biāo)函數(shù)畫出的能源局域網(wǎng)總運(yùn)行成本圖，圖7中曲線F1是不采用優(yōu)化方法，圖7中曲線F2是采用優(yōu)化方法，從兩條曲線對比可以看出，當(dāng)采用優(yōu)化方法時，能源局域網(wǎng)的總運(yùn)行成本最小。

綜合對比圖4、圖5、圖6、圖7可以看出，使用本文所提的基于最優(yōu)能量流的含分布式儲能的能源局域網(wǎng)能量管理方法，可以使可控儲能系統(tǒng)在自然環(huán)境波動的情況下，按最經(jīng)濟(jì)的方式承擔(dān)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的總運(yùn)行成本最低，能量流最優(yōu)。

圖4 多能源局域網(wǎng)與電網(wǎng)之間Pcc節(jié)點(diǎn)功率流動(曲線Pgrid1不采用優(yōu)化方法,曲線Pgrid2采用優(yōu)化方法)Fig.4 Power flow of Pcc node between multi-energy local area network and grid (Pgrid1 without optimization method.Pgrid2 with optimization method)

(a) 不采用優(yōu)化方法

(b) 采用優(yōu)化方法

圖5 每個能源局域網(wǎng)Pcc節(jié)點(diǎn)的功率流動
Fig.5 Power flow of Pcc node of each energy local area network

(a) 不采用優(yōu)化方法

(b) 不采用優(yōu)化方法

(c) 不采用優(yōu)化方法

(d) 采用優(yōu)化方法

(e) 采用優(yōu)化方法

(f) 采用優(yōu)化方法

圖7 能源局域網(wǎng)總運(yùn)行成本(曲線F1不采用優(yōu)化方法,曲線F2采用優(yōu)化方法)Fig.7 Total operation cost of the energy local area network (F1 without optimization method, F2 with optimization method)

4.2 算例2：負(fù)載和自然環(huán)境同時波動對系統(tǒng)運(yùn)行的影響

針對多能源局域網(wǎng)的能量控制和管理，本節(jié)模型主要考慮了當(dāng)負(fù)載和自然環(huán)境同時波動時對系統(tǒng)運(yùn)行的影響，以此算例來驗(yàn)證本文所提管理方法的有效性。按照表1對DG、儲能系統(tǒng)和負(fù)載進(jìn)行配置，除此之外，增加如表2所示的負(fù)載波動，并且取傳輸線最大傳輸容量，即閾值Pth為100 kW。

分別在有無能量管理方法的情況下進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如下圖所示。圖8表示多能源局域網(wǎng)與主網(wǎng)之間的能量流動，從圖8中可以看出，當(dāng)不采用優(yōu)化方法時，即曲線Pgrid1，主網(wǎng)向多能源局域網(wǎng)供能隨著風(fēng)機(jī)光伏的波動而波動；從圖8中曲線Pgrid1和Pgrid2的對比可以看出，當(dāng)主網(wǎng)對多能源局域網(wǎng)供能大于閾值時，主網(wǎng)供能下降至閾值；在主網(wǎng)供能小于0時，主網(wǎng)停止供能且不吸收能量；在主網(wǎng)供能處于0和閾值之間時，主網(wǎng)維持供能不變。圖9和圖10表示多能源局域網(wǎng)的協(xié)調(diào)過程，圖11表示能源局域網(wǎng)總運(yùn)行成本，當(dāng)t=2 h時，多能源局域網(wǎng)負(fù)載都下降一定值，導(dǎo)致能源局域網(wǎng)2和3中可再生能源出現(xiàn)功率盈余，Pcc2和Pcc3流出功率，此時通過網(wǎng)間管理求出使多能源局域網(wǎng)總運(yùn)行成本最低的各個能源局域網(wǎng)中所分布式儲能應(yīng)輸出或吸收的功率信息，再利用網(wǎng)內(nèi)管理，得到使能源局域網(wǎng)內(nèi)部總運(yùn)行成本最低的每個分布式儲能輸入輸出功率信息，控制儲能充放電，最終將能源局域網(wǎng)2和3的盈余能量部分儲存在自身內(nèi)部的可控儲能，其余的傳輸至能源局域網(wǎng)1，由能源局域網(wǎng)1內(nèi)部的可控儲能儲存，以此來達(dá)到整個系統(tǒng)的總運(yùn)行成本最低，即能量流最優(yōu)。當(dāng)t=6 h時，多能源局域網(wǎng)的負(fù)載都增加一定值，可以看出多能源局域網(wǎng)之間沒有進(jìn)行能量傳輸，這是由于主網(wǎng)對多能源局域網(wǎng)供能處于0和閾值之間，儲能不工作。當(dāng)t=8 h時，多能源局域網(wǎng)的負(fù)載進(jìn)一步增加，導(dǎo)致多能源局域網(wǎng)都出現(xiàn)了功率缺額，由通過協(xié)調(diào)過程，最終能源局域網(wǎng)3向能源局域網(wǎng)1和2供給部分功率缺額，能源局域網(wǎng)3的儲能供能最多，這與能源局域網(wǎng)3的總運(yùn)行成本最低相符合，能源局域網(wǎng)3中儲能6供能最多，這與儲能6的運(yùn)行成本最低相符合。

綜合對比圖8、9、10、11可以看出，使用本文所提的基于最優(yōu)能量流的含分布式儲能的能源局域網(wǎng)能量管理方法，可以使可控儲能系統(tǒng)在自然環(huán)境和負(fù)載均劇烈波動的情況下，按最經(jīng)濟(jì)的方式承擔(dān)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的總運(yùn)行成本最低，能量流最優(yōu)。

圖8 多能源局域網(wǎng)與電網(wǎng)之間Pcc節(jié)點(diǎn)功率流動(曲線Pgrid1不采用優(yōu)化方法,曲線Pgrid2采用優(yōu)化方法)Fig.8 Power flow of Pcc node between multi-energy local area network and grid (Pgrid1 without optimization method, Pgrid2 with optimization method)

(a) 不采用優(yōu)化方法

(b) 采用優(yōu)化方法

圖9 每個能源局域網(wǎng)Pcc節(jié)點(diǎn)的功率流動
Fig.9 Power flow of Pcc node of each energy local area network

(a) 不采用優(yōu)化方法

(b) 不采用優(yōu)化方法

(c) 不采用優(yōu)化方法

(d) 采用優(yōu)化方法

(e) 采用優(yōu)化方法

(f) 采用優(yōu)化方法

圖11 能源局域網(wǎng)總運(yùn)行成本(曲線F1不采用優(yōu)化方法,曲線F2采用優(yōu)化方法)Fig.11 Total operation cost of the energy local area network (F1 without optimization method, F2 with optimization method)

5 結(jié)論

本文提出一種基于最優(yōu)能量流的含分布式儲能的能源局域網(wǎng)能量管理方法，并給出了一種多能源局域網(wǎng)雙層信息流與能量流融合模型。該模型上層為信息交換的通信網(wǎng)絡(luò)，下層為多能源局域網(wǎng)系統(tǒng)。本文方法分為能源局域網(wǎng)網(wǎng)間管理和網(wǎng)內(nèi)管理，其中網(wǎng)間管理是求出各個能源局域網(wǎng)中所有分布式儲能應(yīng)輸出或吸收的能量，并將該能量信息作為網(wǎng)內(nèi)管理的約束條件之一，從而求出每個分布式儲能有功輸入輸出，在網(wǎng)間和網(wǎng)內(nèi)管理的配合下，通過控制每個能源局域網(wǎng)中的分布式儲能系統(tǒng)，以此來實(shí)現(xiàn)整個多能源局域網(wǎng)的能量協(xié)調(diào)和控制，獲得最優(yōu)能量流。

為了驗(yàn)證本文所提管理方法和模型的有效性，使用MATLAB/Simulink搭建了多能源局域網(wǎng)仿真平臺，仿真結(jié)果表明，在自然環(huán)境劇烈波動下，該管理方法和模型可以使可控儲能按最經(jīng)濟(jì)的方式承擔(dān)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)多能源局域網(wǎng)總運(yùn)行成本的最低，即能量流最優(yōu)；此外，通過設(shè)置負(fù)載波動來模擬多能源局域網(wǎng)功率盈余或者缺額的情況，仿真結(jié)果表明，在自然環(huán)境和負(fù)載均劇烈波動下，使用該管理方法和模型仍可以使可控儲能按最經(jīng)濟(jì)的方式承擔(dān)負(fù)載，來獲得最優(yōu)的能量流，從而實(shí)現(xiàn)多能源局域網(wǎng)的總運(yùn)行成本最低。