社區(qū)型獨(dú)立微網(wǎng)的日前優(yōu)化調(diào)度

趙立夏， 武志剛

(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640)

0 引 言

今后數(shù)十年可再生能源發(fā)電將成為發(fā)電增長(zhǎng)的主要形式，其中分布式發(fā)電占可再生能源發(fā)電的大部分。作為電能傳輸載體的電網(wǎng)形態(tài)也將發(fā)生重要變化，其中最典型的就是微網(wǎng)的推廣和應(yīng)用。目前對(duì)微網(wǎng)的研究大多面對(duì)的是常規(guī)微網(wǎng)，通常規(guī)模較小，不需要很復(fù)雜的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，進(jìn)而在對(duì)微網(wǎng)的分析中往往不需考慮拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響。在宏觀層面，人們往往研究不同滲透率的微網(wǎng)與常規(guī)輸配電網(wǎng)的相互作用，此時(shí)需要考慮微網(wǎng)運(yùn)行的兩種方式，即孤島運(yùn)行方式和并網(wǎng)運(yùn)行方式[1]。

除常規(guī)微網(wǎng)之外，事實(shí)上還存在其他形式的微網(wǎng)。對(duì)于一些發(fā)展中國(guó)家(如巴基斯坦)，其輸電網(wǎng)覆蓋程度較低，為了向沒(méi)有被輸電網(wǎng)所覆蓋的地區(qū)供電，往往依賴所謂社區(qū)型獨(dú)立微網(wǎng)(independent community microgrid, ICMG)。與常規(guī)微網(wǎng)相比，ICMG的供電范圍介于常規(guī)微網(wǎng)和普通配電饋線之間，輸電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞挠绊懸巡荒芎雎?，而且由于電壓等?jí)低，所帶的負(fù)荷乃至電網(wǎng)本身都可能是三相不對(duì)稱的。ICMG基本都運(yùn)行在孤島運(yùn)行方式下，其功率平衡只能依賴自身解決，電網(wǎng)中的可再生能源出力的隨機(jī)性為實(shí)現(xiàn)功率平衡帶來(lái)了很大的困難。

由此可見(jiàn)，ICMG的日常運(yùn)行與常規(guī)微網(wǎng)和常規(guī)輸配電網(wǎng)都不同[2-3]。為此，本文把ICMG中光伏出力隨機(jī)過(guò)程轉(zhuǎn)換成若干等發(fā)生概率基態(tài)場(chǎng)景的疊加，用來(lái)求取追求最大收益期望的光伏最大出力預(yù)測(cè)曲線，進(jìn)而給出考慮ICMG基本特征的日前調(diào)度動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型，通過(guò)巴基斯坦的實(shí)際案例驗(yàn)證了本文所提出優(yōu)化模型的正確性。

1 不可控電源隨機(jī)性的優(yōu)化模型

借鑒文獻(xiàn)[4-5]對(duì)風(fēng)電隨機(jī)性進(jìn)行處理的思想，認(rèn)為在充分的二階段市場(chǎng)機(jī)制下，雖然光伏出力具有隨機(jī)性，但任一時(shí)段內(nèi)光伏出力總能表示為日前市場(chǎng)確定出力和調(diào)整市場(chǎng)確定出力的總和，若把光伏出力隨機(jī)過(guò)程轉(zhuǎn)換成若干基態(tài)場(chǎng)景的疊加，且基態(tài)場(chǎng)景發(fā)生概率相同，則追求最大收益期望的光伏最大出力曲線可以由下述目標(biāo)函數(shù)來(lái)描述：

(1)

式中的目標(biāo)函數(shù)為每個(gè)場(chǎng)景ω對(duì)應(yīng)目標(biāo)函數(shù)值依據(jù)場(chǎng)景發(fā)生概率πω加權(quán)求和，其中每個(gè)場(chǎng)景的目標(biāo)函數(shù)值包含兩部分：

應(yīng)該滿足如下約束條件：

①光伏發(fā)電出力最大值約束

(2)

(3)

(4)

②對(duì)由隨機(jī)因素所造成的不平衡電量的定義

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：Δtω為場(chǎng)景w中在第t小時(shí)光伏發(fā)電的不平衡電量值。

③光伏發(fā)電出力不可預(yù)測(cè)性約束

(9)

(10)

(11)

式中：NT1為日前市場(chǎng)和調(diào)整市場(chǎng)出清時(shí)刻所間隔的階段個(gè)數(shù)；ω′為另一個(gè)場(chǎng)景編號(hào)且ω≠ω′。

④與CVaR有關(guān)的約束

(12)

ηω≥0,?ω

(13)

光伏陣列實(shí)際出力能力超出日前調(diào)度的預(yù)定出力值時(shí)將產(chǎn)生棄光現(xiàn)象，相當(dāng)于并沒(méi)有獲得理論上的最大收益，但由于這部分差額實(shí)際上并沒(méi)有出現(xiàn)，因此可以認(rèn)為光伏側(cè)在這種情況下并沒(méi)有損失。當(dāng)光伏陣列實(shí)際出力能力少于日前調(diào)度的預(yù)定出力值時(shí)，功率缺額將由可控電源(后文算例為生物質(zhì)能發(fā)電)進(jìn)行補(bǔ)償，電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生超出預(yù)計(jì)的額外成本，實(shí)際光伏陣列的出力曲線與最優(yōu)調(diào)度曲線間圍成的面積稱為不平衡電量，為光伏陣列少發(fā)而電網(wǎng)補(bǔ)償?shù)碾娏俊?/p>

式(1)中的CVaR項(xiàng)與光伏實(shí)際出力及預(yù)定出力不同的風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)，算例表明，是否計(jì)入CVaR項(xiàng)，對(duì)同一負(fù)載狀況下產(chǎn)生的不平衡電量均會(huì)產(chǎn)生影響。

2 社區(qū)型獨(dú)立微網(wǎng)及其日前調(diào)度動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型

本文所開(kāi)展的針對(duì)ICMG的研究基于巴基斯坦某地區(qū)的實(shí)際案例，對(duì)于欠發(fā)達(dá)國(guó)家地區(qū)具有一定的通用性。ICMG常由多個(gè)常規(guī)微網(wǎng)聚合而成，例如后文算例中的ICMG由居民區(qū)、工廠和醫(yī)院三部分構(gòu)成，其中居民區(qū)又含多棟樓。從供電服務(wù)區(qū)域來(lái)看，電網(wǎng)已經(jīng)達(dá)到通常的社區(qū)規(guī)模，這也是這種電網(wǎng)被稱為“社區(qū)型”獨(dú)立微網(wǎng)的原因。正因如此，在對(duì)ICMG進(jìn)行建模時(shí)需要考慮詳細(xì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而不能簡(jiǎn)單地忽略之。此外，ICMG電壓等級(jí)低，線路R/X比大，且由于線路較短，所有線路參數(shù)均不宜忽略。

這種電網(wǎng)通常無(wú)法接入傳統(tǒng)的公用輸電網(wǎng)，因此事實(shí)上總是運(yùn)行在孤島模式下，這也是其被稱為社區(qū)型“獨(dú)立”微網(wǎng)的原因。由于所在區(qū)域過(guò)于偏遠(yuǎn)，又因經(jīng)濟(jì)成本所限，只能因地制宜地利用當(dāng)?shù)負(fù)碛械馁Y源來(lái)發(fā)電，通常為分布式的小型可再生能源發(fā)電裝置，又可分為兩大類：一類是所謂不可控電源，例如風(fēng)電、光伏等，其出力受到實(shí)時(shí)的天氣條件等的約束，難以預(yù)先精確安排；另一類電源可稱為可控電源，其特征是可以精確設(shè)定發(fā)電出力時(shí)間特性曲線，最常見(jiàn)的是柴油發(fā)電機(jī)，然而由于ICMG往往位于貧困地區(qū)，無(wú)力承擔(dān)柴油發(fā)電的高成本，故在本文中考慮的可控電源是生物質(zhì)能發(fā)電機(jī)。此外，由于電網(wǎng)規(guī)模較小，電源側(cè)、負(fù)荷側(cè)和電網(wǎng)本身的三相不對(duì)稱性不能完全忽略，在后面的模型中會(huì)充分計(jì)及。

本文以小時(shí)為單位將所研究的日前調(diào)度時(shí)段分成等長(zhǎng)的24個(gè)階段。由于存在先后階段優(yōu)化結(jié)果之間的耦合關(guān)系(例如儲(chǔ)能裝置的荷電狀態(tài)在任一階段結(jié)束后應(yīng)更新，而更新的結(jié)果不能使其超出儲(chǔ)能荷電狀態(tài)的允許范圍)，使得優(yōu)化模型成為一個(gè)動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型。

考慮綜合的優(yōu)化目標(biāo)，即通過(guò)合理加權(quán)得到綜合目標(biāo)函數(shù)，具體如下：

(14)

優(yōu)化模型的約束條件分為四大類：

(1) 與生物質(zhì)能發(fā)電機(jī)有關(guān)的約束，本文考慮了有功出力瞬時(shí)值、出力增加和減少的速度以及瞬時(shí)甩負(fù)荷最大值。

(2) 與儲(chǔ)能裝置有關(guān)的約束，包括荷電范圍、充放電功率的約束，尤其需要注意的是動(dòng)態(tài)規(guī)劃每個(gè)階段結(jié)束后需要更新荷電狀態(tài)，從而給不同階段之間帶來(lái)了耦合關(guān)系，即

(15)

(3) 與三相潮流有關(guān)的約束，包括任一輸電線路任一相傳輸功率不越限、任一母線任一相電壓在允許偏移范圍內(nèi)等不等式約束，以及用三相潮流方程表示某節(jié)點(diǎn)功率平衡的等式約束。

(4) 全局功率平衡約束，包括任何瞬時(shí)ICMG任一相的電源出力應(yīng)大于負(fù)荷需求及網(wǎng)損，以及光伏發(fā)電實(shí)際出力加上棄光部分小于日最大出力曲線上對(duì)應(yīng)值等。

各約束條件均為傳統(tǒng)的不等式約束和等式約束表達(dá)式，且表達(dá)式本身比較簡(jiǎn)單，因篇幅不一一羅列。

所提模型是一個(gè)動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型，需要給定一些固定的曲線才能開(kāi)展優(yōu)化計(jì)算。本文中需要預(yù)先通過(guò)短期負(fù)荷預(yù)測(cè)獲得被調(diào)度日的日負(fù)荷曲線，以及通過(guò)將氣象等信息輸入到式(1)～式(13)的優(yōu)化模型中得到被調(diào)度日光伏最大功率曲線。用于優(yōu)化的變量包括生物質(zhì)能發(fā)電機(jī)的出力曲線、儲(chǔ)能裝置的荷電狀態(tài)變化曲線等。

3 算例分析

本節(jié)根據(jù)巴基斯坦某地區(qū)實(shí)際案例驗(yàn)證前面提出的社區(qū)型獨(dú)立微網(wǎng)日前調(diào)度的優(yōu)化模型。系統(tǒng)的接線圖如圖1所示。

圖1中的ICMG包括了7臺(tái)光伏陣列、4臺(tái)生物質(zhì)能發(fā)電機(jī)和6臺(tái)蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，共有12個(gè)節(jié)點(diǎn)和10條傳輸線。圖2給出了住宅區(qū)子網(wǎng)的詳細(xì)接線圖。住宅區(qū)子網(wǎng)的負(fù)荷按負(fù)荷曲線計(jì)算，其余負(fù)荷認(rèn)為取恒定值，均存在三相不對(duì)稱情況。假定光伏陣列無(wú)運(yùn)行成本，無(wú)污染排放；生物質(zhì)能發(fā)電機(jī)有成本、有排放。優(yōu)化調(diào)度的周期為1天，分為24個(gè)階段，每個(gè)階段時(shí)長(zhǎng)1 h。

圖3為由日前負(fù)荷預(yù)測(cè)所得到的三相負(fù)荷曲線，圖4為經(jīng)過(guò)場(chǎng)景合并優(yōu)化后所得到的三相光伏陣列最大出力曲線，在本例中

為優(yōu)化結(jié)果，且確定不變。圖5為某一場(chǎng)景中少于預(yù)定出力時(shí)的三相光伏陣列出力最大值曲線，用來(lái)驗(yàn)證光伏實(shí)際出力與預(yù)設(shè)出力不同時(shí)的優(yōu)化效果?？梢?jiàn)負(fù)荷和光伏最大出力的關(guān)系均為A相>B相>C相，其中A相和B相的光伏最大出力值接近，較C相為大。

與隨機(jī)性相關(guān)的部分參數(shù)見(jiàn)表1，在本例中為已知條件且確定不變。

表1 隨機(jī)性相關(guān)參數(shù)

將式(14)中的各βi值設(shè)為0，即為不優(yōu)化的狀況，該狀況作為對(duì)照參考值。

使用分別以運(yùn)行成本最低、負(fù)荷滿意度最高和綜合考慮兩種情況為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，只需設(shè)定各βi值即可。采用GAMS中的IPOPT求解器進(jìn)行求解[7]，計(jì)算得出針對(duì)不優(yōu)化和三種優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果，各種關(guān)鍵物理量一天之中的時(shí)間特性示于圖6～圖8,其中1～3號(hào)生物質(zhì)能發(fā)電機(jī)運(yùn)行情況相同，這里只給出了1號(hào)機(jī)的結(jié)果而不重復(fù)給出2～3號(hào)機(jī)結(jié)果。

在綜合目標(biāo)優(yōu)化場(chǎng)景下，保持負(fù)載數(shù)值不變，選擇前述的用于對(duì)照的少于預(yù)定出力的三相光伏陣列出力最大值曲線，分別就計(jì)入CVaR項(xiàng)及不計(jì)入的狀況各進(jìn)行一次優(yōu)化求解，兩種狀況下各相不平衡電量的值示于表2。

表2 各相不平衡電量值

各相不平衡電量一天之中的時(shí)間特性如圖9～圖10所示。

綜合分析計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：

(1)運(yùn)行成本最小與負(fù)荷滿意度最高這兩個(gè)目標(biāo)之間存在著一定的互相制約，根據(jù)本算例的特性，可以認(rèn)為采用綜合目標(biāo)優(yōu)化場(chǎng)景作為最終決定更為合情合理。

(2)引入儲(chǔ)能設(shè)備后，可以減少發(fā)電機(jī)在高峰時(shí)段的出力，同時(shí)可以利用低谷時(shí)段光伏陣列滿足負(fù)荷需求之后多余的電量，進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的靈活性和對(duì)可再生能源的利用率。

(3)當(dāng)光伏發(fā)電能力少于預(yù)定出力時(shí)，缺額部分由生物質(zhì)能進(jìn)行補(bǔ)償，會(huì)產(chǎn)生不平衡電量，即電網(wǎng)產(chǎn)生損失。不平衡電量的變化趨勢(shì)大致與少于預(yù)定出力的場(chǎng)景和最優(yōu)場(chǎng)景的最大出力曲線之差相同，在相差最大的12∶00前后，產(chǎn)生的不平衡電量也最大。無(wú)論是否計(jì)入CVaR，不平衡電量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)均基本相同。

(4)當(dāng)在隨機(jī)性模擬的步驟中計(jì)入CVaR項(xiàng)時(shí)，各相不平衡電量值均較不計(jì)入時(shí)大幅減少，體現(xiàn)了光伏陣列對(duì)電網(wǎng)的補(bǔ)償。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)社區(qū)型獨(dú)立微網(wǎng)的特點(diǎn)提出了日前規(guī)劃調(diào)度的方法和優(yōu)化模型，考慮了模型中存在不可控可再生能源和可控電源的情況，能夠計(jì)及電網(wǎng)的詳細(xì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和負(fù)荷、電源的三相不對(duì)稱，具有一定的通用性。

在GAMS下構(gòu)建了上述優(yōu)化模型，并在巴基斯坦某實(shí)際社區(qū)微網(wǎng)算例中進(jìn)行優(yōu)化求解，計(jì)算結(jié)果表明：①運(yùn)行成本和負(fù)荷滿意度這兩個(gè)目標(biāo)在很多情況下存在矛盾，比較實(shí)際的解決方案是因地制宜地選擇合適的權(quán)重來(lái)得到最優(yōu)結(jié)果；②儲(chǔ)能裝置在減少生物質(zhì)能發(fā)電機(jī)高峰出力、吸納光伏發(fā)電在較低水平負(fù)荷時(shí)的過(guò)剩能力、避免棄光等方面能起到重要作用，可以明顯提高電網(wǎng)運(yùn)行的靈活性和對(duì)可再生能源的消納能力；③社區(qū)型獨(dú)立微網(wǎng)異于常規(guī)微網(wǎng)之處是不能忽略網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌虼巳涨罢{(diào)度的優(yōu)化結(jié)果意味著同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)中潮流的最優(yōu)配置；④在計(jì)及光伏出力預(yù)測(cè)的隨機(jī)性風(fēng)險(xiǎn)后，可以顯著降低實(shí)際發(fā)生的不平衡電量。