張軍,張中丹,王洲,彭婧,王濤
(1.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司,甘肅 蘭州 730030;2.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,甘肅 蘭州 730050)
隨著全球人口的急劇增多、工業(yè)化迅速發(fā)展,煤炭、石油等傳統(tǒng)能源急劇消耗,全球變暖、大氣污染等環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重。為解決傳統(tǒng)能源消耗與環(huán)境污染之間的突出矛盾,電力能源領(lǐng)域?qū)⒛抗馔断蛄司哂形廴拘 ⒖稍偕?、高靈活性等優(yōu)勢(shì)的可再生能源發(fā)電技術(shù)[1]。微電網(wǎng)憑借其供電可靠性高、運(yùn)行方式靈活等優(yōu)點(diǎn),成為可再生能源就地消納和并網(wǎng)遠(yuǎn)送的主要模式,并得到了普遍的關(guān)注和研究[2-3]。
為實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)多目標(biāo)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度和安全穩(wěn)定運(yùn)行,文獻(xiàn)[4-6]利用不同的算法對(duì)微電網(wǎng)調(diào)度做出了一定程度上的優(yōu)化,但均忽略了可再生能源具有的波動(dòng)性、間歇性和隨機(jī)性等不確定性因素對(duì)微電網(wǎng)調(diào)度及安全運(yùn)行產(chǎn)生的巨大影響[7-9]。目前,常用的電力系統(tǒng)不確定性因素調(diào)度優(yōu)化方法主要有兩種:隨機(jī)優(yōu)化和魯棒優(yōu)化。關(guān)于電力系統(tǒng)隨機(jī)優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題的研究,文獻(xiàn)[10]考慮風(fēng)速的不確定性,將每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)出力視為一個(gè)負(fù)的滿足威布爾隨機(jī)分布的負(fù)荷,根據(jù)歷史數(shù)據(jù),用方差—協(xié)方差矩陣描述不同風(fēng)電場(chǎng)相關(guān)系數(shù),建立最優(yōu)潮流模型,定量研究隨著風(fēng)電場(chǎng)之間相關(guān)性的增強(qiáng),最優(yōu)潮流結(jié)果各項(xiàng)指標(biāo)的波動(dòng)情況。關(guān)于電力系統(tǒng)魯棒優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題的研究,文獻(xiàn)[11]提出了一種新的兩階段魯棒安全約束算法機(jī)組組合模型,期望在基本場(chǎng)景中使得運(yùn)行成本最小化,保證魯棒解能夠根據(jù)不確定性自適應(yīng)、安全地進(jìn)行風(fēng)力和負(fù)荷調(diào)整。隨機(jī)調(diào)度優(yōu)化方法需要假定隨機(jī)變量的概率分布模型,但概率分布模型不能準(zhǔn)確地刻畫(huà)實(shí)際不確定性因素復(fù)雜的變化規(guī)律;魯棒調(diào)度優(yōu)化方法采用不確定集合對(duì)不確定性因素變化進(jìn)行刻畫(huà),不需要假定概率分布模型,但在考慮最差場(chǎng)景下的最優(yōu)解時(shí),可能導(dǎo)致魯棒優(yōu)化調(diào)度結(jié)果偏保守[12]。近年來(lái),隨著微電網(wǎng)量測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展完善,終端采集數(shù)據(jù)海量增加,基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化調(diào)度方法開(kāi)始被廣泛關(guān)注,將其有效地應(yīng)用在隨機(jī)優(yōu)化和魯棒優(yōu)化方法上,以解決隨機(jī)優(yōu)化不確定因素建模不準(zhǔn)確和魯棒優(yōu)化保守性強(qiáng)等問(wèn)題。
基于以上問(wèn)題,文章設(shè)計(jì)了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的自適應(yīng)魯棒優(yōu)化(ARO)框架,用于求解風(fēng)電為主的微電網(wǎng)市場(chǎng)調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題。利用K-means聚類(lèi)方法構(gòu)建典型場(chǎng)景代表大量復(fù)雜的場(chǎng)景,然后通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法構(gòu)建風(fēng)電不確定性集合,對(duì)風(fēng)電出力分布進(jìn)行描述,有效地排除了不必要的極端場(chǎng)景,降低了模型保守度??紤]風(fēng)電出力不確定性等因素,建立包括微電網(wǎng)日前預(yù)調(diào)度模型及實(shí)時(shí)調(diào)度模型的兩階段自適應(yīng)魯棒優(yōu)化模型。利用列約束生成算法(C&CG)將模型解耦分解成主問(wèn)題和子問(wèn)題進(jìn)行交互迭代求解。最后,算例仿真驗(yàn)證文章所提方法的可行性和有效性。
考慮到數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的微電網(wǎng)市場(chǎng)優(yōu)化結(jié)果受到訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的直接影響,訓(xùn)練集規(guī)模越大,優(yōu)化結(jié)果往往越準(zhǔn)確,但其訓(xùn)練時(shí)間也越來(lái)越長(zhǎng)。針對(duì)上述問(wèn)題,文章提出了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型預(yù)訓(xùn)練(離線訓(xùn)練)和滾動(dòng)訓(xùn)練(在線訓(xùn)練)的微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度架構(gòu),如圖1所示。由圖1可以看出,離線訓(xùn)練主要是利用系統(tǒng)在線訓(xùn)練前后的空閑時(shí)間,利用K-means聚類(lèi)方法對(duì)微電網(wǎng)歷史交互數(shù)據(jù)和微電網(wǎng)模擬生成數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練,確定不確定參數(shù)典型場(chǎng)景來(lái)代表大量復(fù)雜場(chǎng)景。在線訓(xùn)練主要是利用離線訓(xùn)練預(yù)調(diào)度階段的數(shù)據(jù),加上微電網(wǎng)實(shí)時(shí)調(diào)度階段生成的增量樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)滾動(dòng)訓(xùn)練,實(shí)現(xiàn)預(yù)調(diào)度階段最小成本優(yōu)化和實(shí)時(shí)調(diào)控階段額外調(diào)控成本及棄風(fēng)懲罰成本最小的決策優(yōu)化,得到符合實(shí)時(shí)工況的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果。
圖1 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度框架Fig.1 Optimal dispatching framework of microgrid based on data drive
魯棒優(yōu)化主要采用不確定性集合表示不確定性因素的變化范圍,對(duì)尋求不確定性因素的所有實(shí)現(xiàn)都有良好性能的解。傳統(tǒng)魯棒優(yōu)化根據(jù)不確定性集合中的最劣場(chǎng)景直接進(jìn)行決策,因此優(yōu)化結(jié)果的保守性較強(qiáng)。近年來(lái),ARO在電力系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化方面取得了較好的發(fā)展[13-14],其決策過(guò)程是基于隨機(jī)變量的實(shí)際變化來(lái)進(jìn)行調(diào)整,基于ARO的兩階段調(diào)度優(yōu)化模型表達(dá)式如下:
式中:x為第1階段決策變量,表示機(jī)組啟停計(jì)劃;g(x)為第1階段優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù);ζ為隨機(jī)變量,表示可再生能源發(fā)電與負(fù)荷的不確定性;y為第2階段決策變量;f(y)為第2階段優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù);Ω(x,ζ)為y的可行域;U為隨機(jī)變量ζ的不確定性集合。
在式(1)的基礎(chǔ)上,文章研究構(gòu)建以微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度成本最小為目標(biāo)的兩階段自適應(yīng)調(diào)度優(yōu)化模型,主要包括微電網(wǎng)預(yù)調(diào)度階段和微電網(wǎng)實(shí)時(shí)在線調(diào)控階段。
1.2.1 微電網(wǎng)日前預(yù)調(diào)度階段
該階段主要是確定微電網(wǎng)日前預(yù)調(diào)度計(jì)劃,以選取的微電網(wǎng)歷史交互數(shù)據(jù)與風(fēng)電預(yù)測(cè)值作為基準(zhǔn)場(chǎng)景,考慮微電網(wǎng)市場(chǎng)的獎(jiǎng)懲費(fèi)用和設(shè)備的運(yùn)維成本,確定微電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組的啟停計(jì)劃和發(fā)電量、儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電計(jì)劃以及與主電網(wǎng)的購(gòu)售電計(jì)劃,實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)預(yù)調(diào)度階段運(yùn)行成本最優(yōu)的調(diào)度目標(biāo)。預(yù)調(diào)度階段目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為
式中:G為總成本;T為時(shí)間段總數(shù),預(yù)調(diào)度階段取T=24;為常規(guī)機(jī)組、燃?xì)廨啓C(jī)以及風(fēng)機(jī)在τ時(shí)間段的運(yùn)行運(yùn)行成本;為常規(guī)發(fā)電機(jī)組i在τ時(shí)間段的啟、停成本為儲(chǔ)能設(shè)備在τ時(shí)間段的充放電成本為微電網(wǎng)在τ時(shí)間段與主電網(wǎng)的交易成本為獎(jiǎng)懲費(fèi)用。
預(yù)調(diào)度階段目標(biāo)函數(shù)中各變量表達(dá)式為
式中:Nc為τ時(shí)間段內(nèi)常規(guī)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)為常規(guī)發(fā)電機(jī)組i在τ時(shí)間段的發(fā)電功率;ai,bi,ci為常規(guī)發(fā)電機(jī)組i的傳統(tǒng)能源消耗系數(shù);gq,τ為燃?xì)廨啓C(jī)q在τ時(shí)間段的運(yùn)行成本;Qr為τ時(shí)間段內(nèi)運(yùn)行燃?xì)廨啓C(jī)數(shù);fj,τ為風(fēng)機(jī)j在τ時(shí)間段的運(yùn)行成本;Nw為τ時(shí)間段內(nèi)風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù);ui,τ為常規(guī)發(fā)電機(jī)組i在τ時(shí)間段的運(yùn)行狀態(tài)(u=1表示機(jī)組正在運(yùn)行,u=0表示機(jī)組停止運(yùn)行)分別為機(jī)組i在τ時(shí)間段的啟、停成本;Cch,Cdis以及分別為儲(chǔ)能設(shè)備的充、放電系數(shù)和充、放電功率;以及分別為在τ時(shí)間段,微電網(wǎng)與主電網(wǎng)的交易分時(shí)電價(jià)和購(gòu)、售電功率;h1,h2分別為不等式約束條件、等式約束條件;ωe,ωe0為當(dāng)前階段能源利用率和標(biāo)準(zhǔn)能源利用率;Rτ為每提高單位標(biāo)準(zhǔn)的能源利用率的獎(jiǎng)勵(lì)收益為每增加單位標(biāo)準(zhǔn)的污染廢氣的懲罰費(fèi)用;Hτ,Hτ0分別為運(yùn)行階段和允許標(biāo)準(zhǔn)的污染廢氣排放量;K1,K2分別為不滿足條件時(shí)的懲罰因子,取較大值以保證滿足約束條件。
1.2.2 微電網(wǎng)實(shí)時(shí)調(diào)控階段
在微電網(wǎng)實(shí)時(shí)調(diào)控階段,由于風(fēng)力發(fā)電復(fù)雜的不確定因素,使得風(fēng)力發(fā)電預(yù)測(cè)值與實(shí)際出力之間存在偏差,導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生不平衡功率,因此需要根據(jù)預(yù)調(diào)度計(jì)劃,對(duì)風(fēng)力發(fā)電進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)控成本和風(fēng)力發(fā)電出力最優(yōu)化目標(biāo)。文章考慮到儲(chǔ)能設(shè)備調(diào)控方式靈活,忽略其實(shí)時(shí)調(diào)控時(shí)的調(diào)控成本,僅考慮對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行調(diào)控時(shí)的收益變化,則實(shí)時(shí)調(diào)控階段的目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為
式中:ΔCG,up為常規(guī)發(fā)電機(jī)組上調(diào)成本;ΔCG,down為常規(guī)發(fā)電機(jī)組下調(diào)成本;ΔCES為儲(chǔ)能設(shè)備調(diào)整成本;ΔCM為與主電網(wǎng)購(gòu)售電交易調(diào)整成本;Closs為風(fēng)電棄風(fēng)懲罰調(diào)整費(fèi)用;Cr為燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)控不可行懲罰費(fèi)用,各變量表達(dá)式詳見(jiàn)下式:
1.2.3 約束條件
為保證微電網(wǎng)能源供給側(cè)各設(shè)備在預(yù)調(diào)度階段能協(xié)調(diào)穩(wěn)定運(yùn)行,約束條件主要包括功率平衡約束,風(fēng)電功率約束,機(jī)組爬、滑坡功率約束,儲(chǔ)能設(shè)備約束以及功率交互等約束。
K-means算法[15]主要通過(guò)衡量樣本集內(nèi)不同樣本間的相似度實(shí)現(xiàn)樣本的劃分,該算法計(jì)算效率高且伸縮性好,能夠使相似度高的樣本歸為一簇。考慮到風(fēng)力發(fā)電的復(fù)雜不確定性,提出了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法描述風(fēng)電出力,以風(fēng)電歷史數(shù)據(jù)作為參考來(lái)表征風(fēng)電出力的不確定性。首先對(duì)風(fēng)電出力和負(fù)荷需求等的大規(guī)模歷史樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練統(tǒng)計(jì)分析,確定日內(nèi)各時(shí)段實(shí)際數(shù)據(jù)與典型數(shù)據(jù)服從的相應(yīng)概率分布,然后依據(jù)輪盤(pán)賭的方式,確定不同場(chǎng)景不同時(shí)段下的概率誤差。接著基于場(chǎng)景分析法得出不同的場(chǎng)景,并利用經(jīng)典場(chǎng)景分析法將大量已生成場(chǎng)景縮減至M個(gè)風(fēng)電樣本場(chǎng)景,最后利用K-means聚類(lèi)算法對(duì)M個(gè)風(fēng)電樣本場(chǎng)景進(jìn)行縮減聚類(lèi),采用距離相似性的評(píng)價(jià)指標(biāo),生成具有不確定性和隨機(jī)特征的K(K<M)類(lèi)風(fēng)電時(shí)序離散場(chǎng)景k1,k2,…,ks,每個(gè)典型場(chǎng)景uk中都包含Ns個(gè)原始場(chǎng)景,對(duì)應(yīng)場(chǎng)景標(biāo)準(zhǔn)化概率為Pk(s),K-means算法場(chǎng)景縮減優(yōu)化步驟如圖2所示。
圖2 K-means算法場(chǎng)景縮減流程圖Fig.2 K-means algorithm scene reduction flow chart
通過(guò)K-means算法對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行縮減,利用典型的場(chǎng)景代表大量復(fù)雜的場(chǎng)景來(lái)獲得真實(shí)分布的信息,據(jù)此構(gòu)造基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)力發(fā)電的不確定性集合來(lái)描述風(fēng)力發(fā)電概率分布,文章通過(guò)1—范數(shù)和∞—范數(shù)構(gòu)建的綜合范數(shù)約束集合對(duì)風(fēng)力發(fā)電概率分布進(jìn)行約束,基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的不確定性集合通過(guò)對(duì)大量歷史信息進(jìn)行訓(xùn)練,排除了極端不可能場(chǎng)景概率,相較于傳統(tǒng)盒式不確定集合,有效地降低了決策的保守度,其約束集合表達(dá)式表示如下:
式中:θ1,θ∞分別為1范數(shù)、無(wú)窮范數(shù)概率允許偏差值,具體表達(dá)式形式詳見(jiàn)文獻(xiàn)[16-17]。
以上的主問(wèn)題與子問(wèn)題均在Matlab下調(diào)用CPLEX求解器直接進(jìn)行求解,求解流程圖如圖3所示。
圖3 利用C&CG算法的兩階段自適應(yīng)魯棒優(yōu)化模型求解流程圖Fig.3 The two-stage adaptive robust optimization model of C&CG algorithm is used to solve the flow chart
為了驗(yàn)證文章提出的風(fēng)電不確定性的兩階段自適應(yīng)魯棒優(yōu)化調(diào)度模型的有效性,在Matlab2017b的環(huán)境下進(jìn)行仿真。選取4臺(tái)常規(guī)機(jī)組、6臺(tái)風(fēng)機(jī)以及2臺(tái)儲(chǔ)能設(shè)備,并考慮可轉(zhuǎn)移類(lèi)需求響應(yīng)負(fù)荷。各類(lèi)設(shè)備運(yùn)維成本為:風(fēng)機(jī)0.029 6元/(kW·h),燃?xì)廨啓C(jī)0.063 7元/(kW·h),蓄電池組0.032 7元/(kW·h)。風(fēng)機(jī)參數(shù)如表1所示。儲(chǔ)能設(shè)備參數(shù)為:容量100 kW·h,充放電效率95%,SOCmin=0.2,SOCmax=0.9。設(shè)切負(fù)荷的費(fèi)用為3元/(kW·h),棄風(fēng)費(fèi)用為1.2元/(kW·h)。與主網(wǎng)日前交易的分時(shí)電價(jià)如圖4所示。
表1 風(fēng)機(jī)參數(shù)Tab.1 Wind turbine parameters
圖4 微電網(wǎng)與主網(wǎng)日前交易的分時(shí)電價(jià)圖Fig.4 Time-of-use price of day-trading between the micro grid and the main grid
經(jīng)過(guò)C&CG算法對(duì)主、子問(wèn)題的4次交互迭代求解后,模型最優(yōu)化解達(dá)到收斂,驗(yàn)證了文章提出方法的有效性,其中C&CG算法UB和LB的收斂曲線圖如圖5所示。
圖5 C&CG算法迭代過(guò)程中UB和LB收斂曲線Fig.5 UB and LB convergence curves during C&CG algorithm iteration
各設(shè)備調(diào)控前后的出力對(duì)比圖如圖6所示,在00:00~06:00時(shí)段內(nèi),由于夜間的用電需求較低,常規(guī)機(jī)組基本上沒(méi)有出力,微電網(wǎng)與電力市場(chǎng)的交互功率變化不大,風(fēng)電機(jī)組出力滿足需求側(cè)用電,儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電;在07:00以后,常規(guī)機(jī)組開(kāi)始啟動(dòng)參與調(diào)度,通過(guò)圖6a可以看出,經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)控常規(guī)機(jī)組總體出力有所下降,這是為了消納最?lèi)毫訄?chǎng)景下風(fēng)力發(fā)電增長(zhǎng)部分,常規(guī)機(jī)組會(huì)下調(diào)出力。由于風(fēng)電出力的不確定性影響,在04:00時(shí)刻儲(chǔ)能系統(tǒng)減少了充電功率來(lái)補(bǔ)充風(fēng)電波動(dòng)引起的出力下降部分。在圖6b實(shí)時(shí)調(diào)控階段,由于儲(chǔ)能系統(tǒng)在04:00時(shí)刻減少了充電功率,儲(chǔ)能系統(tǒng)充電儲(chǔ)存了少量電能,使其在09:00~13:00時(shí)段內(nèi),用電需求較大時(shí)放電受到限制;在14:00~23:00時(shí)段內(nèi),風(fēng)電出力明顯增大,微電網(wǎng)向主電網(wǎng)出售電量,常規(guī)機(jī)組減少出力,以提高微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性和新能源消納。
圖6 各設(shè)備調(diào)控前后的出力對(duì)比圖Fig.6 Comparison of output of each device before and after control
ARO方法與傳統(tǒng)魯棒方法優(yōu)化結(jié)果對(duì)比表如表2所示,ARO優(yōu)化方法所獲得目標(biāo)函數(shù)結(jié)果偏差低于傳統(tǒng)魯棒優(yōu)化方法的結(jié)果,其結(jié)果偏差區(qū)間在0.1%~0.85%之間,傳統(tǒng)魯棒優(yōu)化要達(dá)到收斂條件需要進(jìn)行更多次的迭代,計(jì)算時(shí)間更長(zhǎng)。
表2 ARO方法與傳統(tǒng)魯棒方法優(yōu)化結(jié)果對(duì)比表Tab.2 Comparison table of optimization results between ARO method and traditional robust method
ARO調(diào)度方法與傳統(tǒng)調(diào)度方法成本對(duì)比表如表3所示,傳統(tǒng)調(diào)度方法總成本要高于文章提出的ARO調(diào)度總成本。傳統(tǒng)調(diào)度方法在制定預(yù)調(diào)度方案時(shí),未能考慮風(fēng)電不確定性等影響,其預(yù)調(diào)度方案魯棒性差,抵抗風(fēng)電變化不確定性的能力弱,可以看出在后續(xù)調(diào)控階段的調(diào)控成本和棄風(fēng)成本會(huì)隨之增加。而通過(guò)文章提出方法建立的風(fēng)力發(fā)電不確定性集合排除不可能的極端場(chǎng)景,使得最優(yōu)解在更小、更準(zhǔn)確的可行域中求解,更能反映可能的實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)景,抵抗不確定性參數(shù)能力較強(qiáng),使得調(diào)控成本和棄風(fēng)成本較低,從而使ARO調(diào)度方法兩階段總成本要低于傳統(tǒng)調(diào)度方法兩階段總成本,使微電網(wǎng)獲得了較好的經(jīng)濟(jì)收益。
表3 ARO調(diào)度方法與傳統(tǒng)調(diào)度方法成本對(duì)比表Tab.3 Cost comparison table between ARO scheduling method and traditional scheduling method
文章提出了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的微電網(wǎng)兩階段自適應(yīng)魯棒優(yōu)化調(diào)度模型,對(duì)微電網(wǎng)歷史樣本數(shù)據(jù)利用K-means算法進(jìn)行場(chǎng)景縮減,用典型場(chǎng)景代表大量復(fù)雜場(chǎng)景,基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法建立風(fēng)力發(fā)電分布的不確定性集合,降低了模型的保守性。通過(guò)C&CG算法對(duì)模型進(jìn)行解耦,分成主、子問(wèn)題進(jìn)行迭代求解,最后通過(guò)算例驗(yàn)證了所提方法的有效性,使得文章所提方法相對(duì)于傳統(tǒng)的調(diào)度方法有著更好的經(jīng)濟(jì)性。