光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制策略

郭立東 雷鳴宇 楊子龍 王一波 許洪華

（1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100149 2.中國(guó)科學(xué)院電工研究所 北京 100190）

0 引言

清潔能源是日益匱乏的傳統(tǒng)能源的最佳替代能源，如何利用清潔能源優(yōu)化農(nóng)村社區(qū)的供電、供暖是目前的研究熱點(diǎn)。為解決西部農(nóng)村社區(qū)清潔能源供應(yīng)量不足問題，研究人員提出了以清潔能源為主的微網(wǎng)系統(tǒng)的解決方案[1]。在種類眾多的微網(wǎng)系統(tǒng)中，光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)融合了分布式光伏發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以提供優(yōu)于其他類型微網(wǎng)系統(tǒng)的供暖、供電效果，在實(shí)際工程中得到了應(yīng)用廣泛[2]。利用光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)西部農(nóng)村社區(qū)[3]的傳統(tǒng)電采暖方式進(jìn)行優(yōu)化，可以同時(shí)解決電能和熱負(fù)荷供應(yīng)問題[4]。

光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)是基于能量管理系統(tǒng)（Energy Management System,EMS）構(gòu)建的，具有較高的控制維度，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)微網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行[5]。而且，EMS能量控制策略可以綜合舒適性與經(jīng)濟(jì)性對(duì)加熱負(fù)荷進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)與電采暖負(fù)荷的多目標(biāo)協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行，提高了光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)的綜合運(yùn)行效果[6-7]。傳統(tǒng)EMS能量控制策略的控制目標(biāo)是電能高效率利用和轉(zhuǎn)換，其結(jié)合分時(shí)電價(jià)的激勵(lì)政策控制分布式發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)功率，提高了微網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性[8-9]。但傳統(tǒng)EMS能量控制策略中較低的加熱電負(fù)荷權(quán)重會(huì)增加微網(wǎng)的運(yùn)行成本，無(wú)法保證微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行于最優(yōu)狀態(tài)[10-11]。

針對(duì)傳統(tǒng)EMS能量控制策略存在的不足，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電采暖微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部加熱電負(fù)荷的精細(xì)化控制[12]模式進(jìn)行了研究，提出了多種光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)與電采暖負(fù)荷相結(jié)合的優(yōu)化方法。文獻(xiàn)[13]利用加熱負(fù)荷代替部分蓄電池，驗(yàn)證了加熱負(fù)荷的儲(chǔ)能潛力，有效提高了清潔能源的滲透率并降低了微網(wǎng)的運(yùn)行成本。文獻(xiàn)[14]針對(duì)加熱負(fù)荷增加EMS控制過(guò)程復(fù)雜性問題，以消除清潔能源引起的電力波動(dòng)問題為目標(biāo)，構(gòu)建了包含加熱負(fù)荷和清潔能源的控制系統(tǒng)，有效提高了常規(guī)微網(wǎng)系統(tǒng)能量管理算法性能。

為了提高光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷變化等因素的抗擾動(dòng)能力，文獻(xiàn)[15]研究了基于光伏發(fā)電和負(fù)荷功率預(yù)測(cè)的光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)能量管理算法，有效提高了微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。文獻(xiàn)[16]構(gòu)建熱平衡模型，研究了電力供應(yīng)和室內(nèi)溫度之間的非線性耦合關(guān)系，獲取了熱負(fù)荷功率與室內(nèi)溫度和熱負(fù)荷特性等諸多因素的映射關(guān)系。文獻(xiàn)[17]提出一種帶加熱負(fù)荷的微網(wǎng)模糊邏輯能量管理方法，在不考慮微網(wǎng)整體經(jīng)濟(jì)性能前提下，實(shí)現(xiàn)了微網(wǎng)系統(tǒng)與電網(wǎng)交換功率最小化。

本文通過(guò)分析光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能、供暖舒適度和并網(wǎng)電能質(zhì)量等變量間的關(guān)聯(lián)性，提出了一種適用于含可控加熱負(fù)荷光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)的多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制策略，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能系統(tǒng)與可控加熱負(fù)荷等多目標(biāo)的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制。針對(duì)加熱負(fù)荷增加光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)控制自由度和復(fù)雜性問題，研究目標(biāo)函數(shù)求解改進(jìn)方法，提出一種計(jì)算量較低的帶寬能量控制模式。最后，搭建基于Matlab/Simulink的光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)仿真平臺(tái)，并利用西部青海省某示范光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真研究，驗(yàn)證了協(xié)調(diào)控制策略的有效性和優(yōu)越性。

1 微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與能量控制模型

光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)由光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能電站系統(tǒng)和供暖電負(fù)荷系統(tǒng)等部分構(gòu)成，再通過(guò)并網(wǎng)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)與電網(wǎng)的連接。具有可控加熱負(fù)荷的光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 含電加熱負(fù)荷的光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of photovoltaic storage microgrid system with heating load

光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部用于加熱的可控電熱負(fù)荷（電熱地采暖、空氣源熱風(fēng)機(jī)等）在采暖季和非采暖季占總負(fù)荷的比例差別較大，屬于非恒定量。因此，優(yōu)化監(jiān)控單元對(duì)電加熱負(fù)荷的控制效果是提升光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和舒適性的關(guān)鍵。

1.1 目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建研究

為獲得運(yùn)行性能最優(yōu)的光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)，在其能量控制策略目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建過(guò)程中需要考慮多個(gè)變量因素。

1）經(jīng)濟(jì)性是光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的根本要素，定義消耗的電網(wǎng)電力費(fèi)用（光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)用戶與配電網(wǎng)交換功率產(chǎn)生的電費(fèi)）為

式中，cg為電網(wǎng)費(fèi)用的成本系數(shù)；Pg為光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)和主電網(wǎng)之間的交換功率，Pg＜0，電流從配電網(wǎng)流入光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)，光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)用戶消耗電網(wǎng)電力費(fèi)用，Pg＞0，光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)用戶獲得光伏發(fā)電上網(wǎng)收益。

2）在含電加熱負(fù)荷的微網(wǎng)系統(tǒng)中，供暖舒適度是衡量電加熱負(fù)荷控制效果的重要標(biāo)準(zhǔn)，采用實(shí)際溫度與最適宜目標(biāo)溫度的差值衡量，電采暖負(fù)荷供暖效果權(quán)重值FT可表示為

式中，T為實(shí)際測(cè)得的室內(nèi)溫度；Th為目標(biāo)溫度；cT為溫度偏差的成本系數(shù)。

3）儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命損耗與系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性直接相關(guān)，通常利用儲(chǔ)能系統(tǒng)荷電狀態(tài)（State of Charge,SOC）值構(gòu)成的成本目標(biāo)函數(shù)FSOC評(píng)價(jià)光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行性能，其具體表達(dá)式為

式中，SOCr為儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC實(shí)時(shí)值；SOCh為儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC目標(biāo)值；cSOC為SOC成本系數(shù)偏差。偏離基準(zhǔn)SOC值越多，說(shuō)明電池使用的越多，需要計(jì)算出相應(yīng)的成本。

4）并網(wǎng)點(diǎn)交換功率對(duì)微網(wǎng)系統(tǒng)綜合電力費(fèi)用、并網(wǎng)電能質(zhì)量有重要影響，在構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)時(shí)采用Fv表示光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)和大電網(wǎng)間交換功率的成本函數(shù)。由于公共耦合點(diǎn)（Point of Common Coupling,PCC）的高功率流可能導(dǎo)致電壓波動(dòng)或偏差，需要限制PCC的功率交換量。而且光伏發(fā)電價(jià)格大多低于電費(fèi)，實(shí)現(xiàn)最大比例本地消納是微網(wǎng)能源管理的重要目標(biāo)，故從大電網(wǎng)流向微網(wǎng)系統(tǒng)和從微網(wǎng)系統(tǒng)流入大電網(wǎng)兩個(gè)方向的功率流動(dòng)均應(yīng)該減少。因此，F(xiàn)v可表示為

式中，cv為PCC交換功率的成本系數(shù)。此目標(biāo)函數(shù)的作用是鼓勵(lì)自發(fā)自用，描述為微網(wǎng)系統(tǒng)與配網(wǎng)系統(tǒng)交換功率越少越好。

綜上，構(gòu)建的考慮多變量因素的光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)的綜合目標(biāo)函數(shù)為

1.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)模型

儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型需根據(jù)光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)任意時(shí)刻充放電功率與儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC的函數(shù)關(guān)系確立，SOC數(shù)值表達(dá)式為

式中，SOC(k)和SOC(k+1)分別為當(dāng)前和下一個(gè)調(diào)節(jié)周期儲(chǔ)能系統(tǒng)的電量荷電狀態(tài)；PESS為儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電功率；CESS為儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量；t為控制時(shí)間間隔。為了確保儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行，SOC需在最高值和最低值范圍內(nèi)。

1.3 加熱負(fù)荷模型

光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)的可控電采暖負(fù)荷有多種，如碳纖維電地?zé)?、空氣源熱泵、電加熱壁紙等。建筑物的可控電加熱單元由?dú)立的溫度控制器控制。可控電熱負(fù)荷的數(shù)學(xué)模型可描述為

式中，Pload為負(fù)荷功率；P0為一個(gè)控制器控制的電熱負(fù)荷的功率；n為調(diào)節(jié)周期內(nèi)所用控制器數(shù)量。

依據(jù)建立的可控電熱負(fù)荷數(shù)學(xué)模型，確立描述電熱負(fù)荷電功率與住宅室內(nèi)溫度之間函數(shù)關(guān)系的住宅室內(nèi)溫度模型，其具體表達(dá)式為

式中，T(k)和T(k+1)分別為當(dāng)前和下一個(gè)調(diào)節(jié)周期住宅室內(nèi)溫度；Tout為室外溫度；e0為一個(gè)控制器打開時(shí)住宅室內(nèi)溫度的變化率，其數(shù)值取決于電熱負(fù)荷功率及住宅相關(guān)保溫參數(shù)；vT為溫差引起的溫度變化率[16]。

1.4 約束條件

光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制策略的約束條件包括儲(chǔ)能系統(tǒng)最大、最小SOC、儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率和住宅室內(nèi)溫度控制?；诩s束條件確立約束組合表達(dá)式為

式中，SOCmax和SOCmin分別為SOC最大值和最小值；PESS-max和PESS-min分別為充放電功率最大值和最小值；Tmax和Tmin分別為住宅室內(nèi)溫度最大值和最小值。

2 多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制策略

能量控制策略是光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)的核心，其通過(guò)調(diào)節(jié)儲(chǔ)能系統(tǒng)與可控加熱負(fù)荷功率達(dá)到調(diào)節(jié)微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部能量流動(dòng)的目的。傳統(tǒng)能量控制策略采用啟發(fā)式迭代尋優(yōu)算法，在預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)中尋找最優(yōu)調(diào)度計(jì)劃，存在計(jì)算量較大等不足，無(wú)法滿足含可控加熱負(fù)荷光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)的能源調(diào)節(jié)需求；另一方面，光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)和電加熱負(fù)荷均為可控變量，控制指令求解過(guò)程復(fù)雜，若目標(biāo)函數(shù)不收斂，無(wú)法直接獲得最優(yōu)解。

為了提高能量控制策略的適用性，本文提出在一個(gè)控制周期內(nèi)對(duì)目標(biāo)函數(shù)推導(dǎo)直接獲得控制指令運(yùn)算解的優(yōu)化方法，得到計(jì)算量小且可以提供確定解析值的多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制策略。多目標(biāo)能量協(xié)調(diào)控制策略相對(duì)于傳統(tǒng)能量控制策略的優(yōu)點(diǎn)是：在一個(gè)調(diào)節(jié)周期內(nèi)僅改變儲(chǔ)能系統(tǒng)或加熱負(fù)荷功率，同時(shí)提高控制頻率，保證光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)的控制效果。

2.1 功率指令計(jì)算分析

考慮微網(wǎng)內(nèi)部各單元特點(diǎn)，如光伏盡量工作在最大功率點(diǎn)模式，常規(guī)負(fù)荷被控制的用戶接受度較差，故采用對(duì)儲(chǔ)能和加熱負(fù)荷進(jìn)行控制的方式實(shí)現(xiàn)能量管理?；诙嗄繕?biāo)能量協(xié)調(diào)控制策略，可將光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)周期控制指令分為如下幾類：

1）控制加熱負(fù)荷。若打開n個(gè)加熱控制器，儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率不變，控制指令的表達(dá)式為

2）控制儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率。加熱負(fù)荷的功率不變，控制指令的表達(dá)式為

根據(jù)前文構(gòu)建的儲(chǔ)能系統(tǒng)模型和加熱負(fù)荷模型，結(jié)合式（6）所示k+1時(shí)刻儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC與k時(shí)刻儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC關(guān)系、式（8）所示k+1時(shí)刻室內(nèi)溫度T(k+1)與k時(shí)刻室內(nèi)溫度T(k)關(guān)系、式（5）所示光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)綜合目標(biāo)函數(shù)，確立k+1時(shí)刻多目標(biāo)優(yōu)化綜合目標(biāo)函數(shù)為

2.2 目標(biāo)函數(shù)求解研究

由前文分析可知，最優(yōu)能量管理系統(tǒng)的控制目標(biāo)是獲得目標(biāo)函數(shù)最小值。光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)能量控制策略對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)功率和加熱負(fù)荷功率的控制方式會(huì)影響目標(biāo)函數(shù)，需要研究不同工況下目標(biāo)函數(shù)的求解方式。

1）工況1：改變加熱負(fù)荷功率且儲(chǔ)能系統(tǒng)功率恒定。k+1時(shí)刻并網(wǎng)點(diǎn)功率與k時(shí)刻并網(wǎng)點(diǎn)功率的函數(shù)關(guān)系為

式中，n(k)為k時(shí)刻打開加熱控制器的數(shù)量，其取值范圍是[0,1,…,N]，N為總控制器數(shù)量；n(k+1)為下一時(shí)刻打開的控制器的數(shù)量。

工況1的儲(chǔ)能系統(tǒng)沒有動(dòng)作，故式（6）即為儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC值；而加熱負(fù)荷是變化的，室內(nèi)溫度式（8）也隨之變化。由于加熱負(fù)荷可選功率指令是有限的，比較每一個(gè)可選n(k+1)(n(k+1)=0,1,…,N)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值，可獲得目標(biāo)函數(shù)最小值，即

式中，n(k+1)的求解結(jié)果是在成本函數(shù)F最小時(shí)，接通的加熱控制器數(shù)量。

2）工況2：改變儲(chǔ)能系統(tǒng)功率且加熱負(fù)荷功率恒定。k+1時(shí)刻并網(wǎng)點(diǎn)功率與k時(shí)刻并網(wǎng)點(diǎn)功率的函數(shù)關(guān)系為

工況2的加熱負(fù)荷沒有變化，故k+1時(shí)刻與k時(shí)刻室內(nèi)溫度的變化關(guān)系式變?yōu)?/p>

儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率是變化的，故儲(chǔ)能系統(tǒng)的SOC變化為

綜上所述，工況2在k+1時(shí)刻的目標(biāo)函數(shù)可表示為

儲(chǔ)能系統(tǒng)可用功率值是連續(xù)的，不能采用列舉法求解式（18）最小值[5]，本文采用目標(biāo)函數(shù)求導(dǎo)方式，將工況細(xì)分為四類進(jìn)行分析。

分析式（19）四種情況的函數(shù)單調(diào)性關(guān)系，可以得到目標(biāo)函數(shù)最小值的四種狀態(tài)值分別為

根據(jù)四種目標(biāo)函數(shù)狀態(tài)值可知，k+1時(shí)刻目標(biāo)函數(shù)取最小值的解包含三種狀態(tài)：Pout-max?PESS(k)；③?Pin-max?PESS(k)。

分析可知，將三種目標(biāo)函數(shù)取最小值時(shí)的解作為變量代入目標(biāo)函數(shù)，即可得到三個(gè)目標(biāo)函數(shù)值，最小目標(biāo)函數(shù)值對(duì)應(yīng)的解就是光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)所需的功率指令。目標(biāo)函數(shù)最小值的表達(dá)式為

最后，對(duì)比式（14）工況1目標(biāo)函數(shù)最小值和式（24）工況2目標(biāo)函數(shù)最小值選擇最佳功率，即對(duì)比控制儲(chǔ)能系統(tǒng)和熱負(fù)荷系統(tǒng)的成本，進(jìn)而確定下一控制周期最優(yōu)控制方法。

2.3 新型帶寬控制模式

為提高本文提出的能量管理算法的實(shí)際應(yīng)用性能，需要進(jìn)一步減少本算法的計(jì)算量，因而提出一種帶寬能量控制方法，其創(chuàng)新點(diǎn)描述如下：考慮了住宅建筑保溫性能和室內(nèi)溫度變化惰性，在不影響光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)控制效果前提下，通過(guò)減少能量控制對(duì)加熱功率的控制頻率來(lái)減少能量控制系統(tǒng)的計(jì)算量，消除了過(guò)高控制頻率對(duì)實(shí)際系統(tǒng)計(jì)算速度的較高要求，有效提高了算法實(shí)際應(yīng)用性能。新型帶寬能量控制模式流程如圖2所示。

圖2 新型帶寬控制模式流程Fig.2 Flow chart of new bandwidth control energy management strategy

根據(jù)圖2可知，光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)在每個(gè)計(jì)算周期內(nèi)計(jì)算最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值，并不計(jì)算所要求解的功率指令，而以最優(yōu)的目標(biāo)函數(shù)值為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)頻率控制帶?？刂茙У淖畲笾岛妥钚≈刀x為

式中，k1和kh分別為下限和上限控制帶寬系數(shù)；Fmin(k)和Fmax(k)分別為目標(biāo)函數(shù)的控制帶寬下限和上限；F(k)為k時(shí)刻的目標(biāo)函數(shù)值，并利用相關(guān)采集數(shù)據(jù)根據(jù)式（5）計(jì)算得到。

k+1時(shí)刻光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)的電能數(shù)據(jù)根據(jù)測(cè)量獲得的光伏、儲(chǔ)能和負(fù)荷等功率求得，其對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值則在考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的SOC值和室內(nèi)、外溫度基礎(chǔ)上根據(jù)式（5）求得。

對(duì)比k時(shí)刻和k+1時(shí)刻光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)最小值得到控制指令：

1）若F(k+1)數(shù)值在控制帶帶寬內(nèi)，則認(rèn)為外部環(huán)境沒有明顯變化，不需要計(jì)算新的控制命令。

2）若k+1時(shí)刻最小目標(biāo)函數(shù)值超出控制帶的帶寬，則需要計(jì)算新的功率指令，并計(jì)算生成新的目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解，以及新的控制帶寬。

2.4 帶寬系數(shù)求解研究

新型帶寬能量控制模式避免了每個(gè)調(diào)度周期最優(yōu)輸出功率指令的計(jì)算，有效降低了能量控制系統(tǒng)的計(jì)算量。為了消除控制帶寬對(duì)能量管理結(jié)果的影響，本文采用實(shí)際工程數(shù)據(jù)仿真結(jié)果對(duì)比的方式設(shè)定帶寬系數(shù)，在保證數(shù)據(jù)真實(shí)有效的基礎(chǔ)上，驗(yàn)證帶寬能量控制模式的有效性，并根據(jù)實(shí)際工程數(shù)據(jù)信息確定較為合理的帶寬系數(shù)。

仿真采用的工程數(shù)據(jù)為青海省某含電加熱負(fù)荷的光儲(chǔ)微網(wǎng)實(shí)際示范系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)，其中分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量為100kWp，儲(chǔ)能系統(tǒng)的裝機(jī)容量為200kW·h?；诓煌瑤捪禂?shù)的光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)10天控制周期的運(yùn)行效果見表1。

分析表1仿真數(shù)據(jù)可知，光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能、儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC和室內(nèi)溫度會(huì)隨控制帶寬的增加而提升。但是，計(jì)算次數(shù)和平均SOC與參考SOC(0.6)之間的偏差與帶寬系數(shù)呈負(fù)相關(guān)性。因此，在選擇系數(shù)k1和kh時(shí)需要考慮經(jīng)濟(jì)性、溫度、SOC狀態(tài)等多個(gè)因素。不同帶寬系數(shù)下，光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、SOC和溫度性能如圖3所示。

表1 不同帶寬系數(shù)下的仿真結(jié)果Tab.1 Simulation results under different bandwidth coefficients

圖3 不同帶寬系數(shù)下的性能比較Fig.3 Comparison of performances under different hysteresis coefficients

根據(jù)圖3光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)不同帶寬系數(shù)下各變量的變化曲線即可確定其適用的帶寬系數(shù)：

1）kl＜0.9時(shí)，控制帶寬越小，經(jīng)濟(jì)性、儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC和室內(nèi)溫度性能越高。

2）隨著k1的增加，經(jīng)濟(jì)性、儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC和室內(nèi)溫度性能變化不大，k1值大于0.9后計(jì)算次數(shù)大幅度提升，但是能量管理的效果幾乎不變。

綜上所述，對(duì)于類似本案例的含可加熱負(fù)荷的光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)可采用的帶寬系數(shù)k1和kh分別為0.9和1.1。

3 仿真結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證多目標(biāo)能量協(xié)調(diào)控制策略相對(duì)于傳統(tǒng)EMS能量控制策略的優(yōu)越性，本文利用Matlab/Simulink構(gòu)建包括光伏發(fā)電系統(tǒng)、可控加熱負(fù)荷和蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)仿真平臺(tái)。利用仿真平臺(tái)分析光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本、室內(nèi)溫度、平均儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC值和并網(wǎng)功率波動(dòng)性能，獲取光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)的綜合運(yùn)行性能。其中，光伏發(fā)電、住宅保溫及供熱負(fù)荷等參數(shù)依據(jù)西部青海省的某實(shí)際光儲(chǔ)微網(wǎng)示范系統(tǒng)，仿真參數(shù)見表2。光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)在考慮示范系統(tǒng)環(huán)境特征基礎(chǔ)上，設(shè)置仿真運(yùn)行時(shí)間為96h。

表2 仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameter settings

微網(wǎng)系統(tǒng)中光伏上網(wǎng)電價(jià)結(jié)合示范案例的當(dāng)?shù)卣邅?lái)確定，包括光伏發(fā)電的政策補(bǔ)貼和賣電費(fèi)用，為0.37+0.3247=0.694 7元/(kW·h)。多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制策略按照實(shí)際系統(tǒng)分時(shí)電價(jià)和上網(wǎng)電價(jià)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)成本的計(jì)算，分時(shí)電價(jià)分三個(gè)等級(jí)，價(jià)格分別為：①高峰(9:00～12:00或18:00～23:00)，電價(jià)0.94元/(kW·h)；②低谷（0:00～8:00），電價(jià)0.33元/(kW·h)；③其他時(shí)段，電價(jià)0.63元/(kW·h)。

3.1 傳統(tǒng)EMS能量控制策略性能仿真研究

仿真研究傳統(tǒng)EMS能量控制策略性能時(shí)，按照實(shí)際光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)容量配置：光伏發(fā)電裝機(jī)容量為100kW，集中儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量為200kW·h。傳統(tǒng)EMS能量控制策略的具體控制模式設(shè)定描述如下：

1）定時(shí)自動(dòng)控制加熱負(fù)荷。

2）光伏系統(tǒng)不受控發(fā)電，微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行在“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式。

3）為提高整體經(jīng)濟(jì)性，儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電功率由分時(shí)電價(jià)決定，即儲(chǔ)能系統(tǒng)在電價(jià)低時(shí)充電，電價(jià)高時(shí)放電。

4）能量管理系統(tǒng)控制加熱負(fù)荷，以保證室內(nèi)溫度在要求范圍內(nèi)。

基于傳統(tǒng)EMS能量控制策略的光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)的光伏發(fā)電、加熱負(fù)荷功率、儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率、PCC功率波形、建筑物的室內(nèi)溫度、電力費(fèi)用和儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC值仿真結(jié)果分別如圖4～圖10所示。

圖4 光伏發(fā)電功率Fig.4 Power of PV

圖5 加熱負(fù)荷功率Fig.5 Power of heating load

圖6 儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率Fig.6 Power of energy storage system

圖7 PCC功率Fig.7 Power of PCC

圖8 室內(nèi)溫度Fig.8 Temperature of the building

圖9 電力費(fèi)用Fig.9 Electricity cost

圖10 儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC值Fig.10 SOC of the energy storage system

分析上述基于傳統(tǒng)EMS能量控制策略的光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)性能仿真波形曲線可知：

1）基于傳統(tǒng)EMS能量控制策略的發(fā)電最大功率約為80kW。

2）加熱負(fù)荷由能量控制系統(tǒng)控制，可以根據(jù)目前用戶使用規(guī)律和住宅溫度對(duì)電采暖負(fù)荷進(jìn)行控制，保證在固定時(shí)間段開啟加熱負(fù)荷，并在固定時(shí)間段關(guān)閉加熱負(fù)荷。

3）傳統(tǒng)EMS能量控制策略對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)功率的控制依據(jù)是分時(shí)電價(jià)，在電價(jià)低的時(shí)間段進(jìn)行儲(chǔ)能系統(tǒng)充電，在電價(jià)高的時(shí)間段進(jìn)行儲(chǔ)能系統(tǒng)放電，保證了較高的經(jīng)濟(jì)收益。

4）定時(shí)充放電控制情況下，PCC功率最大值為100kW，最小值為-70kW左右，即配電網(wǎng)向微網(wǎng)系統(tǒng)供電功率最大值為100kW，而微網(wǎng)系統(tǒng)向配電網(wǎng)送電功率為70kW。

5）傳統(tǒng)EMS能量控制策略采用加熱負(fù)荷定時(shí)控制模式，可將室內(nèi)溫度控制在16～19℃范圍內(nèi)。

6）在96h仿真時(shí)間內(nèi)，光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)的電力費(fèi)用為423元。

7）加熱負(fù)荷和室內(nèi)溫度雖然存在波動(dòng)，采用儲(chǔ)能系統(tǒng)改善了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，基于定時(shí)控制模式的儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC值變化范圍是0.6～0.9。但是微網(wǎng)和電網(wǎng)之間的交換功率較大，存在交換功率大于光伏發(fā)電功率的可能性，會(huì)導(dǎo)致公共電網(wǎng)接入點(diǎn)超過(guò)允許電壓范圍，影響微網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 多目標(biāo)能量協(xié)調(diào)控制策略性能仿真研究

仿真研究多目標(biāo)能量協(xié)調(diào)控制策略性能時(shí)，按照與傳統(tǒng)EMS能量控制策略性能仿真分析相同的實(shí)際光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)容量配置。

由于光伏發(fā)電不受控，基于多目標(biāo)能量協(xié)調(diào)控制策略和傳統(tǒng)EMS能量控制策略的光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)光伏發(fā)電性能相同，故本文僅列舉基于多目標(biāo)能量協(xié)調(diào)控制策略的光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)加熱負(fù)荷功率、儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率、PCC功率、建筑物的室內(nèi)溫度、電力費(fèi)用和儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC值結(jié)果，分別如圖11～圖16所示。

圖11 加熱負(fù)荷功率（帶寬控制）Fig.11 Power of heating load(bandwidth control)

圖12 儲(chǔ)能系統(tǒng)功率（帶寬控制）Fig.12 Power of energy storage system(bandwidth control)

圖13 PCC功率（帶寬控制）Fig.13 Power of PCC(bandwidth control)

圖14 建筑物室內(nèi)溫度（帶寬控制）Fig.14 Temperature of the building(bandwidth control)

圖15 電力費(fèi)用（帶寬控制）Fig.15 Electricity cost(bandwidth control)

圖16 儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC值（帶寬控制）Fig.16 SOC of the energy storage system(bandwidth control)

對(duì)比上述基于多目標(biāo)能量協(xié)調(diào)控制策略和傳統(tǒng)EMS能量控制策略的光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)性能仿真波形曲線可知：

1）基于多目標(biāo)能量協(xié)調(diào)控制策略的加熱負(fù)荷功率根據(jù)實(shí)際情況不斷優(yōu)化，保證了加熱負(fù)荷的工況自適應(yīng)調(diào)整，相對(duì)于傳統(tǒng)EMS能量控制策略的定時(shí)開關(guān)模式，可以有效提高光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

2）基于多目標(biāo)能量協(xié)調(diào)控制策略的儲(chǔ)能系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)情況判斷充放電時(shí)間，其在光伏發(fā)電多的時(shí)間段，用光伏發(fā)電為儲(chǔ)能系統(tǒng)補(bǔ)充電量，在光伏發(fā)電少的時(shí)間段放電補(bǔ)充加熱負(fù)荷的功率缺額，有效提高了光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

3）相對(duì)于傳統(tǒng)EMS能量控制策略，多目標(biāo)能量協(xié)調(diào)控制策略可以有效控制微網(wǎng)系統(tǒng)與大電網(wǎng)的交換功率基本保持在20kW以內(nèi)，高功率波動(dòng)僅會(huì)出現(xiàn)于特定時(shí)間。

4）基于多目標(biāo)能量協(xié)調(diào)控制策略的室內(nèi)溫度變化范圍是16.5～19.5℃，溫度中間值是18℃，室內(nèi)溫度控制效果與傳統(tǒng)EMS能量控制策略相近。

5）在96h仿真時(shí)間內(nèi)，基于多目標(biāo)能量協(xié)調(diào)控制策略的光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)電力費(fèi)用為102.3元，相對(duì)于傳統(tǒng)EMS能量控制策略可減少約76%的電力費(fèi)用。分析原因可知，多目標(biāo)能量協(xié)調(diào)控制策略的目標(biāo)函數(shù)綜合考慮光伏發(fā)電功率和室內(nèi)溫度等多個(gè)因素，PCC處的交換功率比傳統(tǒng)EMS能量控制策略小了很多，即微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部有效消納了光伏發(fā)電功率，儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配更優(yōu)，從而大幅降低了電力費(fèi)用。

6）基于帶寬能量控制模式的儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC值變化范圍與傳統(tǒng)定時(shí)控制模式效果相同，有利于延長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)使用壽命。

綜上所述，多目標(biāo)能量協(xié)調(diào)控制策略對(duì)室內(nèi)溫度和儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC值的控制效果比較理想。相對(duì)于傳統(tǒng)EMS能量控制策略，多目標(biāo)能量協(xié)調(diào)控制策略有效改善了微網(wǎng)系統(tǒng)與大電網(wǎng)的交換功率，將PCC交換最大功率降低至20kW，減少約76%的電力費(fèi)用，有效降低了功率波動(dòng)對(duì)電能質(zhì)量的影響，并提高了光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。另外，采用傳統(tǒng)EMS能量控制策略和多目標(biāo)能量協(xié)調(diào)控制策略的光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)仿真計(jì)算量分別為11 520次和2 000次，故基于多目標(biāo)能量協(xié)調(diào)控制策略的光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)具有較高的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。

4 結(jié)論

本文針對(duì)含有可控電熱負(fù)荷的光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)，提出了一種基于帶寬能量控制模式的多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制策略。建立了考慮電力費(fèi)用、儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC對(duì)壽命的影響、室內(nèi)溫度舒適度及公共接入點(diǎn)功率波動(dòng)的多目標(biāo)函數(shù)。在目標(biāo)函數(shù)求解過(guò)程中，采用求導(dǎo)、單調(diào)性分析等優(yōu)化方法，確立能量控制功率指令計(jì)算方法。為了進(jìn)一步提高算法的實(shí)際應(yīng)用性能，提出采用帶寬控制的能量控制算法，在不影響控制效果前提下，有效降低了系統(tǒng)計(jì)算量。最后，利用示范系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真研究，驗(yàn)證了多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制策略的有效性和優(yōu)越性。較傳統(tǒng)能量管理策略，本文所提出的策略可以提高微網(wǎng)系統(tǒng)能量管理的整體效果，降低經(jīng)濟(jì)成本，減小公共接入點(diǎn)的交換功率，提高光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)綜合運(yùn)行性能。