基于智能電網(wǎng)的需求側(cè)新能源并入電網(wǎng)

李 翠

(上海理工大學(xué) 管理學(xué)院, 上海200093)

0 引 言

目前,全球存在能源結(jié)構(gòu)不合理、資源利用率較低和資源需求量較大等問題。 面對(duì)這種狀況,要大力發(fā)展在自然界中可以不斷再生、永續(xù)利用的可再生能源,主要包括光伏、太陽能、風(fēng)能、水能和生物質(zhì)能等,關(guān)于可再生能源發(fā)電的研究越來越多［1-5］。但新能源發(fā)電也具有不穩(wěn)定性、間歇性、隨機(jī)性的缺點(diǎn),若單獨(dú)采用某單一能源進(jìn)行發(fā)電則存在較多障礙,因此,構(gòu)建多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)架構(gòu),實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級(jí)已經(jīng)成為目前新能源發(fā)電的主要發(fā)展方向。 將燃?xì)?、風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)存等技術(shù)進(jìn)行融合,實(shí)現(xiàn)多種能源的協(xié)同優(yōu)化。 借助風(fēng)光蓄協(xié)作效應(yīng),提出了含大規(guī)模風(fēng)電的電力調(diào)度［6］；提出了風(fēng)、光、蓄一體化出力的調(diào)度策略,該策略不僅減少火電機(jī)組啟停次數(shù),降低火電經(jīng)濟(jì)成本,還起到了提高間歇性能源的利用率和削峰填谷的效果［7］；研究了海島風(fēng)、光、海水蓄聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)度策略,提出了聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的3 種調(diào)度方法［8］。 目前,主要從電力系統(tǒng)規(guī)劃、調(diào)度、控制、仿真角度討論了大規(guī)模新能源發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)影響［9］,對(duì)含可再生能源的電力系統(tǒng)主要采用多種能源相互協(xié)調(diào)策略,以達(dá)到電網(wǎng)優(yōu)化和能源調(diào)度的目標(biāo)［10］。

隨著新能源發(fā)電的快速發(fā)展,僅靠供應(yīng)側(cè)的能源互補(bǔ)或傳統(tǒng)火力機(jī)組來協(xié)調(diào)可再生能源發(fā)電的不穩(wěn)定性與間歇性,不僅難以控制且成本高［6］。 需求響應(yīng)［11-13］是一種有效的調(diào)整方法,用戶根據(jù)電力市場(chǎng)價(jià)格信號(hào)(分時(shí)電價(jià)、實(shí)時(shí)電價(jià)［19］、尖峰電價(jià))或激勵(lì)機(jī)制主動(dòng)改變能源使用行為［14］。 電力系統(tǒng)引入需求響應(yīng)可以促進(jìn)用戶合理用電并優(yōu)化含可再生能源電力系統(tǒng)的調(diào)度,國內(nèi)外已有很多將需求響應(yīng)考慮到含新能源電力系統(tǒng)中的研究。 例如：集成光伏、風(fēng)電、燃?xì)廨啓C(jī)、儲(chǔ)能系統(tǒng)和激勵(lì)型需求響應(yīng)為虛擬電廠(VPP),價(jià)格型需求響應(yīng)能夠平緩用電負(fù)荷曲線,儲(chǔ)能系統(tǒng)和激勵(lì)型需求響應(yīng)能夠增加VPP運(yùn)營收益［15］；借助電價(jià)的需求響應(yīng)來增加對(duì)負(fù)荷的調(diào)控能力,以減少光伏的不穩(wěn)定性對(duì)發(fā)電調(diào)度優(yōu)化結(jié)果造成的影響,新能源發(fā)電對(duì)電力市場(chǎng)的電價(jià)制定提出更高的要求［16］； 光伏用戶集群實(shí)現(xiàn)電能共享辦法,通過建立內(nèi)部?jī)r(jià)格模型,實(shí)現(xiàn)有序的電能交易［17］；考慮到電價(jià)和風(fēng)電的不確定性,建立了風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避主動(dòng)分配網(wǎng)絡(luò)(ADN)模型,風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避(ADN)的目標(biāo)函數(shù)考慮了在集成和不集成儲(chǔ)能風(fēng)電的情況下,相同電力系統(tǒng)之間發(fā)電成本凈減少的條件期望［18］；公用事業(yè)公司與多個(gè)住宅用戶之間的實(shí)時(shí)雙向通信,將每個(gè)用戶視為一個(gè)智能家居管理系統(tǒng)［20］,提出了一種分布式實(shí)時(shí)算法,為每個(gè)用戶和公共事業(yè)公司尋找最優(yōu)的能源管理調(diào)度方案,使社會(huì)福利最大化。 對(duì)家用電器進(jìn)行了細(xì)致的分類,以所有用戶收益最大化,成本最小化為目標(biāo)函數(shù),建立優(yōu)化模型,給出了一種既有可存儲(chǔ)設(shè)備又有可再生能源并網(wǎng)情況下用戶優(yōu)化用電策略［21］。

本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上,研究智能電網(wǎng)環(huán)境下的用戶私人新能源并入電網(wǎng)模式。 將家用電器分為必須運(yùn)行電器、彈性電器和半彈性電器；存儲(chǔ)設(shè)施是既可以充電又可以放電的電動(dòng)汽車、電池等；供電公司改善發(fā)電模式,除了傳統(tǒng)的火力發(fā)電,還開發(fā)可再生能源發(fā)電,促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)向更安全、更高效、更環(huán)保的方向發(fā)展,從而形成多能互補(bǔ)系統(tǒng)。 為了緩解供電方壓力,充分調(diào)動(dòng)用戶側(cè)資源,本文假設(shè)用戶側(cè)安裝新能源設(shè)備,如屋頂太陽能、光伏設(shè)備等。 用戶側(cè)的新能源設(shè)備具有發(fā)電功能還可以儲(chǔ)能,這樣用戶私人新能源可以直接發(fā)電供用戶自己使用也可以儲(chǔ)存下來。 供電公司可以給予一定價(jià)格,刺激用戶將新能源并入電網(wǎng)。 即在供電公司和用戶之間搭建一個(gè)能源交易平臺(tái)。 在上述復(fù)雜條件下,以所有用戶效益最大化,成本最小化為目標(biāo)函數(shù),建立模型,給出一種兼顧新能源發(fā)電、存儲(chǔ)設(shè)施和能源交易模型的優(yōu)化用電策略。 對(duì)模型進(jìn)行分析,用拉格朗日對(duì)偶算法計(jì)算出模型的解。 該策略能確保新能源得到優(yōu)先、充分利用,就地消納,存儲(chǔ)設(shè)備合理使用,將其成本降到最低,避免新能源并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成影響。 利用MATLAB 仿真驗(yàn)證模型的合理性和算法的實(shí)效性。

1 系統(tǒng)模型

考慮一個(gè)供電公司向多個(gè)用戶N = ｛1,…,N ｝供電的系統(tǒng)模型,每個(gè)用戶被視為一個(gè)智能家居管理系統(tǒng),用家庭負(fù)荷、智能電表、儲(chǔ)能電池和能源收集設(shè)備組成。 每個(gè)智能電表都假定嵌入一個(gè)能源消耗控制器(ECC)。 ECC 可以控制每個(gè)家電的操作時(shí)間和模式,充放電量和記錄用戶的用電量。 它還可以與供電公司實(shí)時(shí)雙向通信：用戶向供電公司提供用戶的用電情況；供電公司根據(jù)用戶用電情況提供在自動(dòng)化上和經(jīng)濟(jì)上最優(yōu)能源管理調(diào)度方案。

1.1 家用電器分類

將用戶的電器分為三類： Ai,Bi,Ci分別表示用戶i(i ∈N)的三類電器。 a 表示用戶i 的某一電器,表示在h 時(shí)段用戶i 正在運(yùn)行電器a 的用電量,Ea表示電器a 所需的總用電量,= Ea。

(1)必須運(yùn)行的電器Ai( a ∈Ai)i,這種電器運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)短不受價(jià)格限制,如冰箱、照明用電等。 運(yùn)行時(shí)間和用電量都是固定,且運(yùn)行時(shí)間可以是連續(xù)的或者是間斷時(shí)間構(gòu)成。M 表示i 用戶必須運(yùn)行電器數(shù)量,表示i 用戶在h 時(shí)隙所有必須運(yùn)行電器的總用電量,即

(2)彈性電器Bi( a ∈Bi) , 這種電器運(yùn)行時(shí)間受價(jià)格影響最大,如空調(diào)等；電價(jià)高時(shí)用電量下降,電價(jià)低時(shí)用電量增加。 彈性電器使用時(shí)間可以根據(jù)電價(jià)靈活選擇,一般要求該類電器在每個(gè)時(shí)段用電量有一個(gè)上限閾值。為i 用戶的彈性電器在第h 時(shí)段最大用電量,即0 ≤≤, ?i ∈N,?h ∈H.

(3)半彈性電器Ci( a ∈Ci) , 這種電器運(yùn)行時(shí)間也受價(jià)格影響,如洗衣機(jī)、洗碗機(jī)等。 這種電器完成任務(wù)所有電量是固定的,而且一旦開始就無法停止,因此它們的運(yùn)行具有連續(xù)性。 半彈性電器需要在特定時(shí)間內(nèi)完成運(yùn)行,不然影響用戶的滿意度。戶i 的半彈性電器在第h 時(shí)段最大用電量。Ea表示電器a 所需的總用電量。

1.2 儲(chǔ)能設(shè)施

由于可再生能源的間歇性、波動(dòng)性和不可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)性,其產(chǎn)生的電力若直接輸送給電網(wǎng)中,會(huì)造成浪費(fèi),且影響電網(wǎng)正常穩(wěn)定運(yùn)行。 因此,存儲(chǔ)設(shè)施在處理新能源發(fā)電中發(fā)揮著重要作用,以補(bǔ)充間歇性新能源發(fā)電的波動(dòng)性和不可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)性。 存儲(chǔ)設(shè)施既可以放電也可以充電。

1.3 新能源發(fā)電

在供電方改善供電系統(tǒng),增加了新能源發(fā)電,擴(kuò)大能源來源途徑,協(xié)調(diào)了傳統(tǒng)火力發(fā)電的局限性,為克服多種能源發(fā)電的間歇性以及不確定性,形成依據(jù)互聯(lián)網(wǎng)上的各種信息進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)和運(yùn)行的能源互補(bǔ)系統(tǒng)。 全面優(yōu)化能源的生產(chǎn)、分配、轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)后形成產(chǎn)供銷一體化,極大程度上滿足用戶對(duì)能源的需求,提升能源利用率,利用能源互補(bǔ)管理系統(tǒng)解決目前能源短缺和能源質(zhì)量較差問題。 多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是由火力發(fā)電技術(shù)、分布式發(fā)電技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)和太陽能發(fā)電技術(shù)結(jié)合的整體發(fā)電系統(tǒng)。

從供電公司的角度出發(fā),sh表示供電公司在時(shí)隙h 的能源供應(yīng),包括多能互補(bǔ)系統(tǒng)提供的新能源。供電公司的能源供應(yīng)受以下條件：0 ≤sh≤ch, ?h∈H.其中ch表示電力公司在時(shí)隙h 的供電能力,供電能力受電力基礎(chǔ)設(shè)施的限制,如輸電線路和輸電線路的熱限。 用戶方安裝能源設(shè)備且收集到的能源可以通過能源交易平臺(tái)并入電網(wǎng)中。

用戶新能源屬于用戶的私人能源,用戶可以選擇并入電網(wǎng)也可以選擇自用,這取決于供電公司給予用戶的刺激。 這種刺激起到去峰填谷的功效,緩解電網(wǎng)的壓力,同時(shí)又可以滿足所有用電的電量需求。

Eu≥0 用戶能源收集設(shè)備總能源,0 ≤Ep≤系統(tǒng)中輔助設(shè)備所耗的電量,Er≥0 能源收集設(shè)備中可供用戶使用的能源。

每個(gè)時(shí)隙的每個(gè)用戶的總能量需求與在相同時(shí)隙的其它用戶的能量需求具有空間耦合的關(guān)系, 約束條件如下所示：

1.4 用戶的效用函數(shù)

電力系統(tǒng)中的每個(gè)單獨(dú)的用戶都是可以獨(dú)立運(yùn)行的實(shí)體。 每個(gè)用戶的能量需求可以基于不同的參數(shù)而變化。 通過采用微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)的效用函數(shù)概念,可以對(duì)不同用戶對(duì)各種價(jià)格場(chǎng)景的不同響應(yīng)進(jìn)行解析建模。 對(duì)于所有用戶,我們將相應(yīng)的實(shí)用程序函數(shù)表示為U (x,ω) ,ω ＞0 是可以在用戶之間以及在一天的不同時(shí)間內(nèi)變化的參數(shù)。 更正式地說,對(duì)于每個(gè)用戶,效用函數(shù)表示用戶作為其功耗的函數(shù)所獲得的滿意程度。 我們假設(shè)實(shí)用程序函數(shù)滿足以下屬性：

性質(zhì)1效用函數(shù)是不遞減的,即≥0。

性質(zhì)2效用函數(shù)是凹的,邊際效用遞減。

本文考慮了線性遞減邊際效益的二次效用函數(shù)：

其中,α ＞0 是一個(gè)預(yù)先確定的參數(shù)。

1.5 成本函數(shù)

供電公司在每個(gè)時(shí)隙提供給所有用戶用電量的成本,用函數(shù)Chsh( ) 表示,函數(shù)是單調(diào)遞增凸函數(shù),且普遍采用二次函數(shù)：

2 模型建立

一天被認(rèn)為是一個(gè)周期, 它被平均地分為H =｛1,...,H｝ 的時(shí)間段,H = 24,時(shí)間尺度為一個(gè)小時(shí)。 對(duì)于給定的供電公司公布的售賣電價(jià)={} 和供電公司購買用戶私人新能源的電價(jià)= {},尋找一種最優(yōu)用電策略,使整個(gè)系統(tǒng)成本最低,所有用戶效用最大同時(shí)新能源可以得到充分利用。

供電公司改變了資源結(jié)構(gòu),大力開發(fā)可再生能源,多種新能源與傳統(tǒng)的發(fā)電模式合并形成多能互補(bǔ)系統(tǒng)。 在多能互補(bǔ)系統(tǒng)中,供電方的新能源直接并入電網(wǎng),新能源還來源用戶側(cè)新能源設(shè)備,用戶私人新能源是否并入電網(wǎng)、并入電網(wǎng)的電量以及并入電網(wǎng)時(shí)刻由用戶自己決定,而用戶的并網(wǎng)行為取決于供電方給予的刺激。 以所有用戶最大化,成本最小化為目標(biāo),建立目標(biāo)函數(shù)為：

模型(9)是凸規(guī)劃,解存在且唯一,其實(shí)質(zhì)是使所有用戶效用最大化、成本最小化,且能源優(yōu)先使用并充分利用,減少能源的棄廢率。 約束條件(9-2)限制電池電量的邊界,防止電池充放電超過電池邊界,造成電池?fù)p壞。 約束條件(9-3)和(9-4)防止家庭負(fù)荷過重,峰谷轉(zhuǎn)移,造成電網(wǎng)的不穩(wěn)定,確保在每個(gè)時(shí)隙的用電量在電網(wǎng)最大承受范圍內(nèi)。 約束條件(9-5)和(9-6)使得電網(wǎng)中的新能源發(fā)電被充分、優(yōu)先利用。

模型(9)考慮能源供應(yīng),能源需求和電池儲(chǔ)能,能源供應(yīng)不只在供應(yīng)方,模型考慮用戶側(cè)的資源,緩解供應(yīng)方的供電壓力；模型(9)不僅考慮優(yōu)化可再生能源和存儲(chǔ)設(shè)施,對(duì)于多余能源并入電網(wǎng)進(jìn)行研究,對(duì)新能源的并網(wǎng)方式進(jìn)行分析,通過供需雙方實(shí)時(shí)互動(dòng),利用電價(jià)刺激用戶,從而實(shí)現(xiàn)用戶效用最大化。

2.1 模型求解

能量需求約束和電池能量約束是時(shí)間上耦合的約束,供需約束是空間耦合的約束,這些約束無法直接解決原始問題,可以利用拉格朗日對(duì)偶算法處理這個(gè)復(fù)雜的優(yōu)化問題。 因?yàn)樵紗栴}是凸問題,利用對(duì)偶分解方法,將原問題解耦成一系列獨(dú)立的子問題。

λh≥0 是拉格朗日乘數(shù), λ ≡[ λh]h∈H,μ ≡ [i∈N,h∈H,υ ≡ []i∈N,h∈H,σ ≡[]i∈N,h∈Hθ ≡ [ θi]i∈N表示引入的拉格朗日乘數(shù)矩陣來緩和時(shí)間上和空間上耦合的約束。

對(duì)偶優(yōu)化問題中的目標(biāo)函數(shù)為：

利用次梯度投影法,對(duì)偶問題可以隨著對(duì)偶目標(biāo)函數(shù)的負(fù)次梯度中的拉格朗日乘子的更新而迭代求解：

可將對(duì)偶問題分解成以下幾個(gè)子問題：

為了解決該對(duì)偶問題,采用梯度投影迭代法進(jìn)行求解。 迭代公式如下：

k ∈N＋表示迭代指數(shù),γλ,γμ,γυ,γσ,γθ＞0 分別是調(diào)整收斂速度λh,的步長(zhǎng),是局部最優(yōu)解。

2.2 算法步驟

輸入能耗水平的下限、上限,電池的最大充放電速率,所需需求,初始電池電量,電池的充放電效率,供電能力等參數(shù)。

算法

Step 1初始化(用戶方)；

Step 2對(duì)于每個(gè)用戶?i ∈N ,從供電公司接收新的電價(jià)：

Step 3結(jié)束；

Step 4初始化(供應(yīng)方)；

Step 5對(duì)于供電公司,對(duì)每個(gè)時(shí)隙h = 1,...,H,從每個(gè)用戶接受總需求 {}h∈H,更新供應(yīng)量s～h,k；

Step 6將電價(jià) {} 發(fā)送給每個(gè)用戶,用戶選擇是否將用戶私人新能源并入電網(wǎng)、并入量以及并入電網(wǎng)時(shí)刻；

Step 7結(jié)束；

Step 8k = k ＋1,直到λ,μ,υ,σ,θ 在小范圍ελ,εμ,ευ,εσ,εθ內(nèi)收斂,結(jié)束。

輸出能量需求x*,電池充放電能量b*和用戶并入電網(wǎng)的新能量并網(wǎng)y*。

3 數(shù)值仿真

假設(shè)電網(wǎng)中每一用戶均有11 個(gè)電器,具體如下：

(1) Ai類電器有4 個(gè),用戶i 的該類電器在運(yùn)行時(shí)總用電量于［1 2.5］隨機(jī)選取且固定不變；

(2) Bi類電器有3 個(gè),該類電器在每一時(shí)段總用電量的上限為4；

(3) Ci類電器有4 個(gè),設(shè)它們一天內(nèi)的總用電量分別為4、3.2、7、4.5,每一時(shí)段的最大用電量分別為1.5、1、2、1,這類電器工作時(shí)間是連續(xù)時(shí)段,設(shè)它們的工作時(shí)間分別在時(shí)段內(nèi)：｛1,2,...,7｝、｛6,7,...,14｝、 ｛11,12,...,18｝ 和｛16,17,...,22｝內(nèi)。

圖1 給出了各時(shí)段某一用戶的3 類電器用電量。

圖1 給出了各時(shí)段某一用戶的3 類電器用電量Fig. 1 The electricity consumption of three types of electrical appliances of a user in each period

由圖2、圖3 可知：(1)用戶在電價(jià)低時(shí)選擇對(duì)電池充電,而在電價(jià)高時(shí)選擇對(duì)電池放電以提供家庭負(fù)荷。 (2)用戶新能源收集主要集中在白天,正午時(shí)分,夜間能源收集可以忽略不計(jì)。

圖2 用戶24 時(shí)段充放電量圖Fig. 2 The user's 24-hour charge and discharge volume chart

圖3 用戶24 時(shí)段收集到的新能源Fig. 3 New energy collected by users in 24 hours

表1 三種并網(wǎng)模式下的總效益與總成本的差值Tab. 1 The difference between the total benefit and the total cost under the three grid connection modes

圖4 表示全部并網(wǎng)、自發(fā)自用余電并網(wǎng)、完全自發(fā)自用三種模式下,各時(shí)刻所有用戶最大總效用。由表1 可以看出,自發(fā)自用余電并網(wǎng)和全部并網(wǎng)的并網(wǎng)模式下的需求響應(yīng)都增加了用戶效用。 因此,充分利用用戶側(cè)新能源,并鼓勵(lì)用戶安裝能源設(shè)備且將能源并入電網(wǎng)。

圖圖4 三種并網(wǎng)模式下的各時(shí)刻最大的總效益Fig. 4 The maximum total benefit at each moment under the three grid-connected modes

4 結(jié)束語

本文闡述了智能電網(wǎng)中,用戶私人新能源三種并網(wǎng)模式,以所有用戶效用最大化為目標(biāo)。 供電公司不斷更新供電量、用電量和存電量,分析了全部并網(wǎng)、自發(fā)自用余電并網(wǎng)和完全自由的三種并網(wǎng)模式下總效益,得到自發(fā)自用余電并網(wǎng)和全部并網(wǎng)模式下的總效益增加的結(jié)論,鼓勵(lì)用戶安裝能新源設(shè)備并根據(jù)自己需求選擇并網(wǎng)模式。 數(shù)值模擬結(jié)果表明,用戶新能源的并網(wǎng)有助于供需平衡,提高用戶總福利、維護(hù)新能源能發(fā)電的智能電網(wǎng)穩(wěn)定性和波動(dòng)性、促進(jìn)社會(huì)新能源合理利用,優(yōu)先使用,就近消納等。

但是由于參數(shù)的設(shè)置都是在理想狀態(tài)下的,未考慮一些不確定因素(如氣候,季節(jié)等)的參與。 在后續(xù)研究中,應(yīng)考慮到新能源發(fā)電和用戶能源收集設(shè)備維修保養(yǎng)等不確定因素,并對(duì)用戶負(fù)荷更進(jìn)一步細(xì)化、討論。