基于蟻獅算法的多能互補(bǔ)微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度

熊瑞峰，崔雙喜，王江磊，文 達(dá)

(1. 新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2. 國(guó)網(wǎng)四川省電力公司達(dá)州供電公司，四川 達(dá)州 635000)

1 引言

隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展，對(duì)能源的需求和要求越來越多。但是但目前為止，我國(guó)依舊以石油和天然氣等天然化石能源為主，造成環(huán)境污染問題也較為嚴(yán)重。國(guó)家近年大力倡導(dǎo)開發(fā)，使用清潔高效、可再生的新能源，對(duì)于我國(guó)微網(wǎng)的進(jìn)一步研究和發(fā)展具有重要意義，許多學(xué)者也開始針對(duì)中國(guó)國(guó)情區(qū)域綜合能源系統(tǒng)展開了研究[1]。

隨著可再生能源發(fā)電機(jī)組不斷增加，其發(fā)電滲透率逐年提高，由此帶來的不確定性和波動(dòng)性給區(qū)域微網(wǎng)運(yùn)行帶來了極大的挑戰(zhàn)。

多能互補(bǔ)微網(wǎng)根據(jù)不同需求，既可以與外部電網(wǎng)并行運(yùn)行，也可以實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，不同運(yùn)行調(diào)度模式對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的影響各不相同[2]。文獻(xiàn)[3]將分布式新能源出力波動(dòng)等多種不確定性因素用機(jī)會(huì)約束理論經(jīng)行描述，引入目標(biāo)級(jí)聯(lián)法實(shí)現(xiàn)多微網(wǎng)動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度。文獻(xiàn)[4]建立了考慮系統(tǒng)對(duì)環(huán)境污染以及系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)和器件折舊成本下，以微網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)進(jìn)行調(diào)度。但將微網(wǎng)結(jié)構(gòu)過于簡(jiǎn)化，僅考慮了天然氣和電能供應(yīng)的成本和效益。文獻(xiàn)[5]在典型冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)(CCHP)上，對(duì)該結(jié)構(gòu)如何進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行了研究，但未考慮到風(fēng)光發(fā)電的不確定性和波動(dòng)性。

文獻(xiàn)[6，7]均是對(duì)用戶側(cè)負(fù)荷一端經(jīng)行精細(xì)化描述，將用戶側(cè)負(fù)荷大致分為可中斷負(fù)荷、可平移負(fù)荷、保障性負(fù)荷，并考慮了用戶參與的隨機(jī)性，通過對(duì)用戶側(cè)一定的補(bǔ)償調(diào)節(jié)次日的負(fù)荷分布，但是僅考慮了電負(fù)荷一端。

文獻(xiàn)[8，9]為減小系統(tǒng)的棄風(fēng)棄光量，通過提高區(qū)域?qū)︼L(fēng)電消納水平來實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[10]綜合考慮了激勵(lì)性需求響應(yīng)和價(jià)格型需求響應(yīng)的綜合應(yīng)用對(duì)綜合能源系統(tǒng)的影響。文獻(xiàn)[11]考慮了供熱/冷系統(tǒng)的慣性并結(jié)合魯棒指標(biāo)對(duì)能源系統(tǒng)調(diào)度的影響。

綜上所述，本文以居民室內(nèi)溫度舒適度[12]，并根據(jù)供熱/冷系統(tǒng)的慣性和采暖/冷建筑的‘負(fù)荷惰性’，實(shí)現(xiàn)柔性熱/冷的柔性負(fù)荷供應(yīng)。增加P2G裝置實(shí)現(xiàn)了電-氣網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)動(dòng)，有效的增大了系統(tǒng)對(duì)新能源的消納能力。并且考慮了激勵(lì)型需求響應(yīng)對(duì)居民負(fù)荷的調(diào)節(jié)作用。采用蟻獅算法[13]以微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度成本最小為目標(biāo)，來求解多能互補(bǔ)微網(wǎng)的協(xié)調(diào)調(diào)度。

2 多能互補(bǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)模型

本文建立的多能互補(bǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)居民生活園區(qū)模型，主要包括獨(dú)立發(fā)電源微型燃?xì)廨啓C(jī)(MT)、風(fēng)電(PV)和光伏(PT)新能源、蓄電池、燃?xì)忮仩t(GB)、余熱鍋爐(WH)、電轉(zhuǎn)氣設(shè)備(P2G)，電制冷機(jī)(EC)等設(shè)備，微網(wǎng)與外界大電網(wǎng)連接。居民生活園區(qū)多能互補(bǔ)微網(wǎng)基本架構(gòu)如圖1所示。本文取24小時(shí)為一個(gè)周期即Nt=24，Δt=1表示時(shí)間間斷。

圖1 多能互補(bǔ)微網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)

2.1 微型燃?xì)廨啓C(jī)

微型燃?xì)廨啓C(jī)是一種小型熱力發(fā)電機(jī)，適應(yīng)于“電源小型化且分散化”的趨勢(shì)。燃?xì)廨啓C(jī)的數(shù)學(xué)模型如式(1)

(1)

式中：ηMT表示微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率，可以通過三次項(xiàng)擬合得到其中a，b，c，d均為常數(shù)；PMT(t)為t時(shí)段內(nèi)微型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電功率；VGT為消耗的天然氣量；LNG為燃?xì)獾蜔嶂?，取?.7(kW.h)/m3；HMT(t)為排出煙氣中的余熱量；ηMT.t為熱損失系數(shù)。

2.2 余熱鍋爐

將燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的廢煙中的熱量回收利用，用來供給熱負(fù)荷所需求的量。余熱鍋爐數(shù)學(xué)模型如式(2)：

HWH(t)=HGT(t)ηWH

(2)

式中：HWH(t)為余熱鍋爐在t時(shí)段內(nèi)的輸出熱量；ηWH為轉(zhuǎn)化效率。

2.3 電鍋爐

將輸入的電能轉(zhuǎn)化為熱能，其數(shù)學(xué)模型如式(3)

HEB(t)=PEB(t)ηEB

(3)

式中：HEB(t)為電鍋爐輸出的熱量；PEB(t)為電鍋爐吸收的電量；ηEB為轉(zhuǎn)化效率。

2.4 燃?xì)忮仩t

燃?xì)忮仩t在本文中是主要的供熱設(shè)備，通過燃燒天然氣產(chǎn)生熱量，其數(shù)學(xué)模型如式(4)

HGB(t)=VGB(t)LNGηGB

(4)

式中：HGB(t)為燃?xì)忮仩t在t時(shí)段所產(chǎn)生的熱量；VGB(t)是消耗天然氣量；ηGB轉(zhuǎn)化效率。

2.5 蓄電池

蓄電池不僅可以調(diào)節(jié)負(fù)荷分布時(shí)段，也提高了系統(tǒng)對(duì)新能源的消納能力。蓄電池的差分方程模型如式(5)

Sbt(t+1)=(1-ubt)Sbt(t)+

(5)

式中：Sbt(t)為蓄電池在t時(shí)段內(nèi)荷電狀態(tài)；ubt為蓄電池自損耗的能量系數(shù)；ηbt.abs和ηbt.relea分別代表充、放電效率；Pbt.abs(t)和Pbt.relea(t)分別為充、放電功率。

2.6 電轉(zhuǎn)氣設(shè)備

電轉(zhuǎn)氣設(shè)備(P2G)是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，通過人工合成天然氣，可利用現(xiàn)有的天然氣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大規(guī)模的輸送、儲(chǔ)存，突破了傳統(tǒng)的天然氣只能單向轉(zhuǎn)化為電能的局限。其數(shù)學(xué)模型如式(6)

GEG(t)=PEG(t)ηEG/LNG

(6)

式中：GEG(t)是生成的天然氣體積；ηEG為P2G設(shè)備轉(zhuǎn)化效率；PEG(t)為消耗的電能。

2.7 吸收式制冷機(jī)

吸收式制冷機(jī)將熱負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)中的熱量轉(zhuǎn)化為冷氣。其數(shù)學(xué)模型如式(7)

QAC(t)=HAC(t)ηAC

(7)

式中：QAC(t)為吸收式制冷機(jī)在t時(shí)段內(nèi)的輸出制冷量；HAC(t)為熱負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)中用于吸收式制冷機(jī)的熱量；ηAC為其制冷效率。

2.8 電制冷機(jī)

電制冷機(jī)通過消耗電能產(chǎn)生冷氣用于供給用戶側(cè)對(duì)冷負(fù)荷的需求。數(shù)學(xué)模型如式(8)

QEC(t)=PEC(t)ηEC

(8)

式中：QEC(t)為電制冷機(jī)在t時(shí)段內(nèi)的輸出制冷量；PEC(t)為所消耗的電功率；ηEC為其制冷效率。

3 柔性負(fù)荷

3.1 供熱/供冷系統(tǒng)的冷熱慣性

供冷系統(tǒng)和供熱系統(tǒng)具有較大的慣性。在居民生活園區(qū)內(nèi)，供熱網(wǎng)絡(luò)由供熱水管路組成。在園區(qū)供熱網(wǎng)絡(luò)中，t時(shí)段送水端節(jié)點(diǎn)溫度Tg.t，回水端節(jié)點(diǎn)溫度Th.t，室外溫度Tw.t，室內(nèi)溫度Tn.t之間的四者關(guān)系用自回歸滑動(dòng)平均時(shí)間序列模型[14]進(jìn)行描述，如式 (9)-(10)

(9)

Tn.t=θ1Tn.t-1+φ1Tg.t-1+ω1Tw.t-1

(10)

式中：J為供熱系統(tǒng)的熱慣性，本文J取2，其它的物理參數(shù)均為供熱網(wǎng)絡(luò)的熱慣性常數(shù)。

同樣，采冷建筑主要由吸收式制冷機(jī)和電制冷機(jī)進(jìn)行供冷。由于采冷建筑物有一定的保溫效果，其溫度動(dòng)態(tài)特性可以用等值熱參數(shù)模型[15]進(jìn)行描述，如式(11)所示

(11)

式中：Tnco.t和Twco.t分別為t時(shí)段采冷建筑室內(nèi)溫度和室外溫度；QL.t代表t時(shí)段制冷機(jī)的總功率；R和C分別代表采冷建筑物等效熱阻和等效熱容。

3.2 冷/熱負(fù)荷柔性值

由于人體對(duì)環(huán)境溫度舒適度是具有模糊性的，可以將傳統(tǒng)的冷/熱負(fù)荷固定值轉(zhuǎn)換為滿足用戶對(duì)環(huán)境溫度要求下的區(qū)間范圍柔性值?？梢詼p緩供熱/冷系統(tǒng)的壓力，起到了相當(dāng)于蓄熱箱或蓄冷箱的作用。

文獻(xiàn)[12]提到的預(yù)測(cè)平均投票數(shù)(PMV)是最常用的室內(nèi)環(huán)境溫度舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。λpmv為PMV指標(biāo)值，通常取值范圍為[-1，1]，其數(shù)學(xué)公式如式(12)

λPMV=(0.303e-0.036M+0.028){M-W-3.05×10-3

×[5733-6.99(M-W)-Pa]-0.42(M-W-58.15)-1.7

×10-3M·(5867-Pa)-1.4×10-3M(34-ta)-3.96

×10-8fc1[(td+273)4-(tτ+273)4]-fc1hc(tc1-ta)

}(12)

式中：除了人體周圍溫度ta為變量，其它參數(shù)均為常數(shù)，在文獻(xiàn)[12]中可以查閱到。

3.3 激勵(lì)型需求響應(yīng)

激勵(lì)型DR是由調(diào)度中心直接控制，引導(dǎo)簽訂合同的用戶對(duì)中心的指令做出響應(yīng)，并支付相應(yīng)的補(bǔ)償，有著轉(zhuǎn)移用戶負(fù)荷的分布實(shí)現(xiàn)電力調(diào)節(jié)的作用。參與調(diào)度的負(fù)荷如下式

(13)

式中：ΔL為參與激勵(lì)型DR的負(fù)荷，ΔLt，r和ΔLs,d分別為用戶響應(yīng)調(diào)度中心而在該時(shí)刻增加的負(fù)荷和減少的負(fù)荷。

4 多能互補(bǔ)微網(wǎng)調(diào)度模型

4.1 目標(biāo)函數(shù)

4.1.1 運(yùn)行成本

微網(wǎng)系統(tǒng)中運(yùn)行成本如式(14)所示

(14)

式中：CF為系統(tǒng)總的運(yùn)行成本，Cb(t)、Pgrib.b(t)為t時(shí)刻的分時(shí)電價(jià)以及系統(tǒng)向電網(wǎng)的購(gòu)電量；Cg為天然氣價(jià)格，本文取2.9元/m3；Ggas(t)在t時(shí)刻的微網(wǎng)購(gòu)買的天然氣量；Ci，Pi分別為系統(tǒng)第i個(gè)設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)成本以及在調(diào)度總周期內(nèi)第i個(gè)設(shè)備的總出力；Cs(t)、Pgrib.s(t)分別為系統(tǒng)向大電網(wǎng)在t時(shí)刻售賣電量的價(jià)格和電量；Ggas.s(t)為t時(shí)刻系統(tǒng)售賣的天然氣量。

4.1.2 環(huán)境污染懲罰成本

多能互補(bǔ)微網(wǎng)中環(huán)境成本主要考慮包括通過大電網(wǎng)買電以及燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電消耗天然氣產(chǎn)生的污染氣體(主要針對(duì)CO2)治理費(fèi)用。懲罰成本如式(15)

(15)

式中：CE為環(huán)境污染懲罰成本；W為系統(tǒng)污染環(huán)境懲罰成本；ν為消耗天然氣產(chǎn)生的二氧化碳排放因子。

4.1.3 激勵(lì)型需求響應(yīng)成本

(16)

式中：Cd激勵(lì)型需求響應(yīng)成本，Pt和Ps分別為響應(yīng)的增加負(fù)荷Lt，r和減少負(fù)荷Ls，d的補(bǔ)償系數(shù)。

4.1.4 棄風(fēng)棄光懲罰成本

(17)

式中：CN為棄風(fēng)棄光懲罰成本，L1和L2分別為棄風(fēng)功率Ppv.b和棄光功率Ppw.b的懲罰系數(shù)。

多能互補(bǔ)微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度總成本如下式(18)所示

minCZ=min(CE+CF+Cd+CN)

(18)

4.2 約束條件

1)功率約束

=PL(t)+Ppt.b(t)+Ppv.b(t)+PEG(t)+PEB(t)+

(19)

2)供冷系統(tǒng)約束

QAC(t)+QEC(t)=QL(t)

(20)

3)供熱系統(tǒng)約束

HWH(t)+HGB(t)+HEB(t)-HAC(t)=HL(t)

(21)

4)供氣系統(tǒng)約束

(22)

5)能源轉(zhuǎn)化設(shè)備出力約束式

(23)

5 模型求解

蟻獅算法(ALO)由格里菲斯信息與通信技術(shù)學(xué)院和愛思唯爾有限公司共同研發(fā)，主要模仿蟻獅挖陷阱來捕食螞蟻的行為。

5.1 蟻獅算法數(shù)學(xué)模型以及求解流程

算法流程：

a.根據(jù)輸入?yún)?shù)和約束條件生成螞蟻群和捕食者(蟻獅群)，并選出適應(yīng)度最好的蟻獅作為初代精英蟻獅。

b. 通過輪盤賭選擇蟻獅進(jìn)行捕食。由于受微網(wǎng)運(yùn)行條件的約束，可行域存在邊界條件限制，為確保所生成的解能夠滿足運(yùn)行條件的要求，需要進(jìn)行歸一化處理，如式(24)。

(24)

c.在每次迭代中使用目標(biāo)函數(shù)來評(píng)估每個(gè)嘗試解和局部最優(yōu)解的可行性。第t+1代第i個(gè)螞蟻的位置，如式(25)

(25)

d.蟻獅更新位置如式(26)：

(26)

e.判斷精英蟻獅和蟻獅適應(yīng)度，并更新精英蟻獅的位置。

f.若達(dá)到最大迭代次數(shù)，則輸出全局最優(yōu)解。

6 算例仿真

6.1 算例介紹

本文算例參考浙江省某個(gè)主動(dòng)配電網(wǎng)示范項(xiàng)目，且以冬季居民生活小區(qū)為例，多能互補(bǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以圖1中的模型為參考。微網(wǎng)基于分時(shí)電價(jià)的背景下運(yùn)行，相關(guān)的電價(jià)和時(shí)段劃分如表1所示。冬季某日負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線如圖2所示。

圖2 次日負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線

表1 分時(shí)電價(jià)

6.2 計(jì)及冷/熱負(fù)荷柔性值

由于本系統(tǒng)包含柔性供冷/供熱兩種模式，滿足了用戶舒適度對(duì)室內(nèi)溫度要求。PMV指標(biāo)的大小對(duì)供熱系統(tǒng)的影響，如圖3所示。居住室內(nèi)溫度變化如圖4所示。

圖3 PMV指標(biāo)對(duì)供熱系統(tǒng)的影響

圖4 居住室內(nèi)溫度變化

由圖3和圖4所示，λpmv取值范圍越小，用戶對(duì)室內(nèi)環(huán)境溫度要求越嚴(yán)格，室內(nèi)溫度變化越平緩，用戶側(cè)所需求的熱負(fù)荷則越多，供熱系統(tǒng)所需要提供熱量越多，則供熱系統(tǒng)的儲(chǔ)熱效果越差。

采冷建筑物的室內(nèi)等效熱阻R對(duì)供冷系統(tǒng)和室內(nèi)溫度溫度的影響，如圖5、6所示。

圖5 等效熱阻R對(duì)供冷系統(tǒng)影響

圖6 采冷建筑物室內(nèi)溫度變化

由圖5和圖6和可知，等效熱阻R越大，用戶側(cè)所需求冷負(fù)荷越小，表明采冷建筑物儲(chǔ)冷效果越好，供冷系統(tǒng)所需提供冷氣量越少。

6.3 計(jì)及激勵(lì)型DR值

圖7為引入激勵(lì)型DR值的調(diào)度結(jié)果，其中DR正值代表的是系統(tǒng)負(fù)荷增加，負(fù)值則代表的是系統(tǒng)負(fù)荷減少。

圖7 引入激勵(lì)型DR后負(fù)荷曲線

6.4 調(diào)度結(jié)果分析

為了分析冷/熱負(fù)荷柔性值和激勵(lì)性DR值對(duì)調(diào)度結(jié)果的影響，設(shè)置以下4種情景：情景1：不考慮激勵(lì)性DR和冷/熱負(fù)荷柔性值；情景2：只考慮激勵(lì)性DR；情景3：只考慮冷/熱負(fù)荷柔性值；情景4：同時(shí)考慮激勵(lì)性DR和冷/熱負(fù)荷柔性值。情景4為本文所提策略，4種情景調(diào)度結(jié)果如下表2所示。

表2 不同情景的成本對(duì)比

如表2所示，和其它三種情景相比較，本文所提場(chǎng)景能有效降低系統(tǒng)的總成本并減少棄風(fēng)棄光量，同時(shí)又降低了環(huán)境污染成本。

7 結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)際生活中居民園區(qū)供熱網(wǎng)絡(luò)和供冷系統(tǒng)的冷/熱慣性，在滿足用戶室內(nèi)溫度舒適度情況下，利用其“儲(chǔ)能”特性和人體對(duì)環(huán)境溫度舒適度的模糊性而生成的柔性負(fù)荷值，實(shí)現(xiàn)柔性供冷供熱。并建立多能互補(bǔ)微網(wǎng)在并網(wǎng)模式下協(xié)調(diào)調(diào)度模型，最后引入激勵(lì)型需求響應(yīng)來轉(zhuǎn)移用戶負(fù)荷的分布實(shí)現(xiàn)電力的調(diào)節(jié)。

算例仿真驗(yàn)證了本文所提出慮激勵(lì)型需求響應(yīng)(IDR)以及供熱/冷系統(tǒng)慣性的調(diào)度策略能夠有效的降低成本，減小對(duì)環(huán)境的污染，降低棄風(fēng)棄光量。