考慮激勵型需求響應(yīng)的孤立型微網(wǎng)優(yōu)化運行

吳翰韜，溫步瀛

(1. 福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350108； 2. 福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福建 福州 350108)

風(fēng)、光等清潔能源因具有環(huán)保、資源豐富等優(yōu)點而受到電力行業(yè)的重視，電力行業(yè)開始大力發(fā)展清潔能源發(fā)電[1-3]。同時，風(fēng)、光等清潔能源在發(fā)電時具有間歇性和隨機性的特點，并入電網(wǎng)運行后會對電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性造成一定的影響[4]。目前，微網(wǎng)系統(tǒng)被普遍認為是提高風(fēng)、光等清潔能源利用率的有效手段[5-6]。激勵型需求響應(yīng)(Demand Response，簡稱DR)是指根據(jù)政府或電力公司發(fā)布的相關(guān)激勵政策，用戶主動調(diào)整自身用電行為，從而緩解負荷峰值時段電力供應(yīng)緊缺的一種有效措施[7]。在微網(wǎng)中引入激勵型DR措施，能夠引導(dǎo)用戶合理用電，優(yōu)化負荷側(cè)需求分布。

目前，已有文獻針對考慮激勵型DR的微網(wǎng)展開了研究。文獻[8]從供電可靠性角度出發(fā)，提出激勵型DR的微網(wǎng)負荷削減策略?；诖耍瑯?gòu)建計及激勵型DR的微網(wǎng)調(diào)度模型。文獻[9]為解決清潔能源的消納量問題，將激勵型DR措施引入到微網(wǎng)調(diào)度運行中，建立計及激勵型DR的微網(wǎng)調(diào)度模型。文獻[10]以提高供電可靠性和能源利潤為目的，構(gòu)建考慮激勵型DR和電池儲能的優(yōu)化模型，算例分析了激勵型DR和電池儲能對微網(wǎng)可靠性與盈利能力的影響。

本文針對考慮激勵型DR的微網(wǎng)運行問題展開研究。首先建立激勵型DR模型，并參考階梯電價，建立階梯型補償方案；其次以微網(wǎng)日運行成本最小為目標，建立考慮激勵型DR的微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型；最后以一個微網(wǎng)系統(tǒng)為例進行仿真，驗證建提模型的有效性。

1 激勵型DR模型

激勵型DR是根據(jù)電網(wǎng)供需狀態(tài)制定的相關(guān)激勵政策，可引導(dǎo)用戶在電力供應(yīng)緊張時減少用電需求，從而獲得相應(yīng)的補償[7]。激勵型DR的合同中一般規(guī)定了響應(yīng)補償標準以及響應(yīng)容量。對于激勵型DR的補償方式，本文參考階梯電價，設(shè)置一種階梯型補償方案，如圖1所示。

圖1 激勵型DR階梯型補償方案示意圖

(1)

綜上，在t時段用戶的總響應(yīng)容量和相應(yīng)的補償如下：

(2)

(3)

2 微網(wǎng)運行優(yōu)化模型

2.1 目標函數(shù)

以微網(wǎng)日運行成本最小為目標，包括微網(wǎng)系統(tǒng)中分布式電源的運行成本和激勵型DR的響應(yīng)成本。其中，分布式電源的運行成本包括燃料成本、啟動成本和運維成本。綜上所述，目標函數(shù)為

(4)

式中CFuel——分布式電源的燃料成本；CSt——分布式電源的啟動成本；CDG——分布式電源的運維成本；CBess——電池儲能系統(tǒng)的運維成本；T——運行周期。

其中，分布式電源的燃料成本：

(5)

分布式電源啟動成本：

(6)

分布式電源運維成本：

(7)

電池儲能系統(tǒng)的運維成本：

(8)

2.2 約束條件

(1)系統(tǒng)功率平衡約束

(9)

(2)分布式電源約束

出力約束：

(10)

爬坡約束：

(11)

(3)風(fēng)電出力約束

(12)

(4)光伏出力約束

(13)

(5)電池儲能系統(tǒng)約束。

1)出力約束：

(14)

2)電量和充放電功率關(guān)系約束：

(15)

3)荷電狀態(tài)約束：

SSOCmin≤SSOCt≤SSOCmax

(16)

SSOC0=SSOCT

(17)

式中 SSOCmin，SSOCmax——電池儲能系統(tǒng)荷電狀態(tài)的最小值和最大值；SSOC0，SSOCT——始、末時刻電池儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)。

(6)激勵型DR約束

見式(1)和式(2)。

2.3 模型求解

構(gòu)建的模型中分布式電源燃料成本函數(shù)是非線性的，利用文獻[11]中的分段線性方法將其線性化。

如將模型中的非線性部分進行線性化處理后，得到混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，可以利用MATLAB軟件進行編程，并調(diào)用CPLEX求解器進行求解。

3 算例分析

3.1 算例參數(shù)

本文研究對象為風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電以及電池儲能系統(tǒng)組成的微網(wǎng)。

微網(wǎng)中風(fēng)電出力、光伏發(fā)電出力以及負荷的日預(yù)測曲線如圖2所示。微網(wǎng)中各類設(shè)備的基本參數(shù)如表1和表2所示。分布式電源的燃料成本曲線如圖3所示。激勵型DR補償方案如表3所示。

圖2 風(fēng)電、光伏發(fā)電以及負荷的日預(yù)測曲線

表1 電池儲能系統(tǒng)基本參數(shù)

表2 分布式電源基本參數(shù)

圖3 分布式電源的燃料成本曲線

表3 激勵型DR補償方案

3.2 優(yōu)化結(jié)果

微網(wǎng)處于孤立運行模式下，其優(yōu)化結(jié)果如圖4所示。優(yōu)化后的微網(wǎng)日運行成本為3 424.70元。

圖4 微網(wǎng)孤立運行時的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果

由圖4可知，微網(wǎng)負荷主要由風(fēng)電和光伏發(fā)電供電。由于清潔能源發(fā)電成本較低，風(fēng)電和光伏發(fā)電優(yōu)先上網(wǎng)；激勵型DR的實施降低了負荷高峰時段的用電需求，優(yōu)化微網(wǎng)用戶側(cè)需求布局；電池儲能系統(tǒng)在負荷低谷時段充電，在負荷高峰時段放電，對負荷進行削峰填谷。

3.3 激勵型DR對系統(tǒng)運行的影響

為分析激勵型DR的實施對微網(wǎng)系統(tǒng)運行的影響，給定兩種場景進行對比分析。兩種場景的設(shè)置和優(yōu)化結(jié)果如表4所示。

表4 兩種場景的優(yōu)化結(jié)果

由表4可知，場景1的微網(wǎng)日運行成本與場景2相比，下降了19.25%。

這是由于場景1中考慮了激勵型DR，將其參與到微網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)度中，能夠在一定程度上削減負荷，優(yōu)化用戶側(cè)需求布局，使微網(wǎng)的整體經(jīng)濟性達到最優(yōu)。

4 結(jié)語

針對激勵型DR的特點，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并參照階梯電價，提出了階梯型補償方案。以微網(wǎng)總運行成本最小為目標，建立了考慮激勵型DR的孤立型微網(wǎng)優(yōu)化運行模型。

對算例的仿真與分析結(jié)果表明，在微網(wǎng)中引入激勵型DR，可以引導(dǎo)用戶積極參與負荷削減、優(yōu)化需求側(cè)負荷分布，從而可提高微網(wǎng)整體的經(jīng)濟性。