考慮電動(dòng)汽車充電需求的虛擬電廠負(fù)荷均衡管理策略

張衛(wèi)國(guó)，宋 杰，郭明星，楊璐彤，陳良亮，高 輝

（1. 東南大學(xué),江蘇省 南京市 210096；2. 國(guó)電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司,江蘇省 南京市 211106；3. 南瑞集團(tuán)有限公司（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司）,江蘇省 南京市 211106；

4.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,上海市 200233；5. 南京郵電大學(xué),江蘇省 南京市 210023）

0 引言

電動(dòng)汽車在緩解全球能源短缺、環(huán)境污染等問題方面具有重要作用［1-2］。與此同時(shí),以光伏、風(fēng)電為主要形式的分布式電源得到了快速的發(fā)展［3-4］。然而,大規(guī)模電動(dòng)汽車的接入和可再生能源的間歇性將會(huì)加劇電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差,使電網(wǎng)運(yùn)行更加難以控制［5-7］。

虛擬電廠（virtual power plant,VPP）打破了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中物理概念上的發(fā)電廠之間、發(fā)電側(cè)和用電側(cè)之間的界限［8］,不需要改變分布式電源并網(wǎng)方式,而是利用先進(jìn)的協(xié)調(diào)控制技術(shù)、智能計(jì)量技術(shù)及信息通信技術(shù)聚合分布式電源、電動(dòng)汽車［9-10］、儲(chǔ)能系統(tǒng)等不同類型的元件,協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行多個(gè)分布式電源及用電負(fù)荷,提高資源利用率［11］。

針對(duì)虛擬電廠的經(jīng)濟(jì)調(diào)度而言,文獻(xiàn)［12-14］都以虛擬電廠的效益最大為目標(biāo)函數(shù),建立了含風(fēng)電、光伏的虛擬電廠經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型,并且在模型中考慮了風(fēng)電和光伏出力的不確定性及其預(yù)測(cè)誤差,研究不同設(shè)備出力對(duì)虛擬電廠經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略的影響。文獻(xiàn)［15-16］主要對(duì)虛擬電廠經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型的算法進(jìn)行優(yōu)化,更有效地集成大量分布式發(fā)電單元。文獻(xiàn)［17］以經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)為目標(biāo),考慮電動(dòng)汽車無序充電對(duì)電網(wǎng)造成的不良影響,對(duì)其進(jìn)行經(jīng)濟(jì)調(diào)度優(yōu)化策略研究。文獻(xiàn)［18］針對(duì)虛擬電廠及電動(dòng)汽車的運(yùn)行特點(diǎn),重點(diǎn)從電動(dòng)汽車參與虛擬電廠調(diào)度這一方面進(jìn)行研究。

綜上可以看出,目前關(guān)于虛擬電廠經(jīng)濟(jì)調(diào)度的研究較多,其中也有部分研究涉及電動(dòng)汽車方面的虛擬電廠經(jīng)濟(jì)調(diào)度,但對(duì)于綜合考慮各類負(fù)荷與可再生能源預(yù)測(cè)誤差及均衡管理,尤其是電動(dòng)汽車靈活充電的研究較少?？紤]到今后必將有更多種類和數(shù)量的分布式能源及電動(dòng)汽車融合VPP 參與電網(wǎng)運(yùn)行,因此在考慮電動(dòng)汽車充電需求的情況下,實(shí)現(xiàn)虛擬電廠的負(fù)荷均衡管理愈發(fā)重要。

針對(duì)上述問題,本文提出一種面向虛擬電廠并考慮電動(dòng)汽車充電需求的分層日前電力調(diào)度系統(tǒng)（day-ahead power dispatching system,DAPS）,最大限度地利用可再生能源,在用電負(fù)荷高峰時(shí)段減輕傳統(tǒng)發(fā)電企業(yè)的壓力,實(shí)現(xiàn)虛擬電廠負(fù)荷均衡管理。此外,采用實(shí)時(shí)功率跟蹤機(jī)制（real-time power tracking,RTPT）,實(shí)時(shí)處理易變可再生能源發(fā)電、電力負(fù)荷和電動(dòng)汽車充電的預(yù)測(cè)誤差。

1 考慮電動(dòng)汽車的分層日前電力調(diào)度分析

1.1 DAPS 體系結(jié)構(gòu)

本文建立帶有一個(gè)主電網(wǎng)和幾個(gè)區(qū)域虛擬電廠（community virtual power plants,CVPP）的VPP 框架,將整個(gè)電力系統(tǒng)劃分為不同的區(qū)域。CVPP 下屬的每個(gè)生產(chǎn)廠商都可以擁有自己的可再生能源、儲(chǔ)能系統(tǒng)和電動(dòng)汽車,每個(gè)區(qū)域都由CVPP 管理,而位于頂層的主電網(wǎng)則負(fù)責(zé)全部區(qū)域。提出的CVPP分層電力調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示,該系統(tǒng)由生產(chǎn)廠商、CVPP 和主電網(wǎng)構(gòu)成。

圖1 日前電力調(diào)度和實(shí)時(shí)功率跟蹤的體系架構(gòu)Fig.1 Architecture of day-ahead power dispatching and real-time power tracking

在主電網(wǎng)啟動(dòng)其日前電力調(diào)度過程后,主電網(wǎng)首先請(qǐng)求CVPP 啟動(dòng)第1 輪日前電力調(diào)度,每個(gè)CVPP 都向下游的生產(chǎn)廠商發(fā)出電力調(diào)度請(qǐng)求,并要求生產(chǎn)廠商產(chǎn)生盡可能多的額外電力。然后,主電網(wǎng)收集來自下游CVPP 統(tǒng)計(jì)的電力數(shù)據(jù)并計(jì)算整個(gè)電力市場(chǎng)的供需差額。調(diào)度周期為24 h,時(shí)間間隔為1 h,如日前任何時(shí)段出現(xiàn)電力不足,主電網(wǎng)將把電力赤字?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送到CVPP 以啟動(dòng)第2 輪電力調(diào)度。主電網(wǎng)收到CVPP 上報(bào)的日前逐小時(shí)電價(jià)清單后,將售電價(jià)格表按升序排序,對(duì)電力供需進(jìn)行調(diào)度,最大限度地縮小高峰時(shí)段電力供需差額。在主電網(wǎng)根據(jù)生產(chǎn)廠商設(shè)定的銷售價(jià)格確定高峰時(shí)段購(gòu)買的所需電力后,主電網(wǎng)將啟動(dòng)第3 輪電力調(diào)度。因此,被選中向主電網(wǎng)出售電力的生產(chǎn)廠商啟動(dòng)第3 輪電力調(diào)度,按要求節(jié)省電動(dòng)汽車或儲(chǔ)能系統(tǒng)的額外電力。

同時(shí),本文在圖1 提出電動(dòng)汽車充電規(guī)劃方法,CVPP 可檢測(cè)到電動(dòng)汽車充電站的電力盈余/赤字情況,根據(jù)電動(dòng)汽車充電站的電力供應(yīng)能力引導(dǎo)電動(dòng)汽車選擇合適的充電方案。隨后,電動(dòng)汽車將與所選充電站確認(rèn)充電請(qǐng)求,充電站所在的區(qū)域電網(wǎng)將在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)的電力檢查過程中啟動(dòng)第1 輪調(diào)度。在實(shí)際應(yīng)用中,由于可再生能源發(fā)電、電力負(fù)荷和電動(dòng)汽車充電的不確定性,預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)之間的偏差是難以避免的,實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)和計(jì)劃電量與日前計(jì)劃的偏差較大時(shí),需要進(jìn)行調(diào)整。因此,采用圖1 右側(cè)所示的實(shí)時(shí)功率跟蹤模塊來減少預(yù)測(cè)誤差造成的凈交換功率偏差。

由于日前調(diào)度中固定時(shí)間間隔的可再生能源功率、電力負(fù)荷和電動(dòng)汽車充電需求不變,將日前調(diào)度得到的計(jì)劃負(fù)荷和電動(dòng)汽車充電需求進(jìn)行更新,以適應(yīng)可再生能源出力的實(shí)時(shí)更新和預(yù)測(cè)誤差。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),將1 h 的固定時(shí)間間隔劃分為5 min的時(shí)間間隔。每5 min 對(duì)實(shí)際功率和需求功率進(jìn)行跟蹤,及時(shí)處理由電動(dòng)汽車充電速度或電網(wǎng)常規(guī)發(fā)電功率的變化引起的預(yù)測(cè)誤差。本文提出的實(shí)時(shí)功率跟蹤機(jī)制將計(jì)算由于電動(dòng)汽車充電速度放緩導(dǎo)致的電力變化情況,并將累計(jì)節(jié)省的功率報(bào)告給上游的CVPP。

電力調(diào)度和功率實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)各模塊開發(fā)的具體步驟如下。

1.2 主電網(wǎng)的日前電力調(diào)度分析

步驟1：主電網(wǎng)請(qǐng)求CVPP 啟動(dòng)第1 輪日前電力調(diào)度。

步驟2：主電網(wǎng)生成t時(shí)刻總功率赤字PAPDt。

式中：P為主電網(wǎng)生成的t時(shí)刻總功率赤字；P為第m個(gè)CVPP 在t時(shí)刻的功率赤字；P為第n個(gè)CVPP 在t時(shí)刻的功率盈余。

步驟3：主電網(wǎng)根據(jù)P的值判斷是否存在某個(gè)CVPP 在t時(shí)刻存在功率不足問題。如果P的值大于零,這意味著某個(gè)CVPP 在t時(shí)刻存在功率不足問題。主電網(wǎng)將P的值轉(zhuǎn)發(fā)給能夠在t時(shí)刻產(chǎn)生額外功率的CVPP,并要求這些CVPP 啟動(dòng)第2輪日前電力調(diào)度。

步驟4：主電網(wǎng)收集CVPP 報(bào)告的日前逐小時(shí)售電價(jià)格排序列表,并按升序重新排序售電價(jià)格表。

步驟5：主電網(wǎng)計(jì)算如式（2）和式（3）所示的整個(gè)電力系統(tǒng)的供需平衡目標(biāo)優(yōu)化,同時(shí)應(yīng)滿足式（4）的約束條件,即額外功率與電網(wǎng)常規(guī)發(fā)電功率之和能夠滿足電力缺口。

式中：St(p)為對(duì)應(yīng)于主電網(wǎng)排序后的售電價(jià)格表第p項(xiàng)的t時(shí)刻額外功率；q為主電網(wǎng)排序后售電價(jià)格表中排名最高的前q項(xiàng)；P為t時(shí)刻的電網(wǎng)常規(guī)發(fā)電功率,假設(shè)從所有CVPP 收集的額外功率小于P時(shí),電力公司可以提供所需增發(fā)的常規(guī)發(fā)電功率。

步驟6：主電網(wǎng)要求能夠產(chǎn)生額外功率的CVPP啟動(dòng)其第3 輪電力調(diào)度以滿足電力需求。

步驟7：主電網(wǎng)記錄各CVPP 的逐小時(shí)電力盈余/赤字報(bào)告,并根據(jù)需要調(diào)整日前電網(wǎng)常規(guī)發(fā)電功率P。

1.3 CVPP 的日前電力調(diào)度分析

1.3.1 CVPP 第1 輪日前電力調(diào)度

步驟1：CVPP 請(qǐng)求下游各生產(chǎn)廠商啟動(dòng)第1 輪日前電力調(diào)度。

步驟2：計(jì)算下游生產(chǎn)廠商日前逐小時(shí)供需差額P。

式中：Si,t和Li,t分別為第i個(gè)生產(chǎn)廠商在t時(shí)刻的電力供應(yīng)和需求。

步驟3：將下游生產(chǎn)廠商的逐小時(shí)電力盈余/赤字總報(bào)告反饋給主電網(wǎng)。

1.3.2 CVPP 第2 輪日前電力調(diào)度

步驟1：主電網(wǎng)請(qǐng)求能產(chǎn)生額外功率的CVPP啟動(dòng)第2 輪日前電力調(diào)度。

步驟2：CVPP 收集t時(shí)刻下游生產(chǎn)廠商的售電價(jià)格表,并將售電價(jià)格表按升序重新排序。

步驟3：保持售電價(jià)格表中排名靠前的l個(gè)元素,使其能夠滿足總功率赤字P,即在式（7）表示的額外功率能夠滿足總功率赤字的前提下,計(jì)算所需的最小額外功率。

式中：et(p)為對(duì)應(yīng)于售電價(jià)格表第p項(xiàng)的t時(shí)刻額外功率。

步驟4：將排序后的售電價(jià)格表中排名最高的l個(gè)元素返回主電網(wǎng)。

1.3.3 CVPP 第3 輪日前電力調(diào)度

步驟1：CVPP 要求指定的生產(chǎn)廠商啟動(dòng)第3 輪日前電力調(diào)度,根據(jù)需要產(chǎn)生額外功率。

步驟2：將生產(chǎn)廠商的總逐小時(shí)電力盈余/赤字報(bào)告返回主電網(wǎng)。

1.4 生產(chǎn)廠商的日前電力調(diào)度分析

1.4.1 生產(chǎn)廠商第1 輪日前電力調(diào)度

步驟1：根據(jù)采集的電力負(fù)荷和可再生能源的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù),計(jì)算第i個(gè)生產(chǎn)廠商日前逐小時(shí)的電力供需差值P：

式中：Ri,t為第i個(gè)生產(chǎn)廠商的可再生能源在t時(shí)刻的總發(fā)電功率；L和L分別為第i個(gè)生產(chǎn)廠商在t時(shí)刻的第b個(gè)基本負(fù)載的需求功率和第s個(gè)可調(diào)度負(fù)載的需求功率；pi,t為第i個(gè)生產(chǎn)廠商在t時(shí)刻可調(diào)度負(fù)荷的調(diào)度優(yōu)先級(jí)。

如果pi,t被設(shè)為1,則表示第i個(gè)生產(chǎn)廠商被允許加入調(diào)度程序。pi,t可以表示為：

式中：si為預(yù)設(shè)常數(shù)；Ci為調(diào)度優(yōu)先級(jí)狀態(tài)；C為調(diào)度優(yōu)先級(jí)閾值；只有當(dāng)Ci大于等于預(yù)先設(shè)定的閾值C時(shí),第i個(gè)生產(chǎn)廠商才能參與調(diào)度程序。本文采用優(yōu)先級(jí)控制策略［19］來選取可調(diào)度負(fù)荷的調(diào)度優(yōu)先級(jí),Ci值越大,表示調(diào)度優(yōu)先級(jí)應(yīng)越高。

步驟2：計(jì)算第i個(gè)生產(chǎn)廠商的電力供需平衡。

式中：P為第i個(gè)生產(chǎn)廠商在t時(shí)刻的電力供需差額；P和P分別為第j輛電動(dòng)汽車在t時(shí)刻的充、放電功率；P和P分別為第i個(gè)生產(chǎn)廠商的第k個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)在t時(shí)刻的充、放電功率；k和k分別為第j輛電動(dòng)汽車在t時(shí)刻的最大和最小電量；k和k分別為第i個(gè)生產(chǎn)廠商的第k個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)在t時(shí)刻的最大和最小電量；k和k分別為第j輛電動(dòng)汽車和第i個(gè)生產(chǎn)廠商的第k個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)在t時(shí)刻的電量；k和k分別為第j輛電動(dòng)汽車和第i個(gè)生產(chǎn)廠商的第k個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的初始電量；η和η分別為第j輛電動(dòng)汽車的充、放電效率；η和η分別為第i個(gè)生產(chǎn)廠商的第k個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充、放電效率；δ和δ分別為第j輛電動(dòng)汽車在t時(shí)刻的充、放電狀態(tài)；δ和δ分別為第i個(gè)生產(chǎn)廠商的第k個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)在t時(shí)刻的充、放電狀態(tài)；αj,t為第j輛電動(dòng)汽車的充電請(qǐng)求在t時(shí)刻的系統(tǒng)應(yīng)答狀態(tài)。

步驟3：將第i個(gè)生產(chǎn)廠商日前逐小時(shí)電力供需記錄存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

步驟4：向上游CVPP 提交逐小時(shí)功率盈余/赤字報(bào)告。

1.4.2 生產(chǎn)廠商第2 輪日前電力調(diào)度

步驟1：第i個(gè)生產(chǎn)廠商計(jì)算其日前逐小時(shí)的電力供需差值,如式（8）所示。

步驟2：計(jì)算生產(chǎn)廠商可產(chǎn)生的額外功率,并將額外電力節(jié)省在電動(dòng)汽車的電池或儲(chǔ)能系統(tǒng)中。

式中：P為第i個(gè)生產(chǎn)廠商在t時(shí)刻可產(chǎn)生的額外功率；P和P分別為第i個(gè)生產(chǎn)廠商在t時(shí)刻到達(dá)第c個(gè)充電站的第j輛電動(dòng)汽車的充、放電功率。

步驟3：檢索第i個(gè)生產(chǎn)廠商第1 輪電力調(diào)度時(shí)產(chǎn)生的日前逐小時(shí)電力供需記錄。

步驟4：計(jì)算第i個(gè)生產(chǎn)廠商在t時(shí)刻所擁有的第j個(gè)電動(dòng)汽車的電池售電價(jià)格Sj.t和第i個(gè)生產(chǎn)廠商的第k個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的售電價(jià)格Si,k,t。

式中：C為第j個(gè)電動(dòng)汽車在t時(shí)刻的電池降解成本［20］；C為第i個(gè)生產(chǎn)廠商的第k個(gè) 儲(chǔ)能系統(tǒng)在t時(shí)刻的電池降解成本［20］；si為預(yù)先確定的大于1 的常數(shù)；qj,t和qi,k,t分別為第j個(gè)電動(dòng)汽車和第i個(gè)生產(chǎn)廠商的第k個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)在t時(shí)刻的售電價(jià)格系數(shù)；F為生產(chǎn)廠商第1 輪電力調(diào)度過程中第j個(gè)電動(dòng)汽車在t時(shí)刻的放電功率；F為生產(chǎn)廠商第1輪電力調(diào)度過程中第i個(gè)生產(chǎn)廠商的第k個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)在t時(shí)刻的放電功率。

步驟5：對(duì)t時(shí)刻電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能系統(tǒng)額外電力的售電價(jià)格進(jìn)行升序排序。

步驟6：將銷售價(jià)格的排序列表連同在t時(shí)刻產(chǎn)生的額外功率返回到上游的CVPP。

1.4.3 生產(chǎn)廠商第3 輪日前電力調(diào)度

步驟1：第i個(gè)生產(chǎn)廠商在t時(shí)刻按要求產(chǎn)生額外功率。

步驟2：向上游CVPP 提交逐小時(shí)的電力盈余/赤字報(bào)告。

綜上所述,日前電力調(diào)度流程如圖2 所示。

圖2 日前電力調(diào)度流程圖Fig.2 Flow chart of day-ahead power dispatching

1.5 電動(dòng)汽車的充電計(jì)劃

步驟1：電動(dòng)汽車開始出發(fā)后啟動(dòng)該模塊,并在每個(gè)固定時(shí)間段內(nèi)定期執(zhí)行。

步驟2：在每次執(zhí)行的過程中,電動(dòng)汽車檢查在行駛過程中自身是否有可能出現(xiàn)電力短缺的情況。

步驟3：如果電動(dòng)汽車在到達(dá)目的地之前發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)電力短缺,那么電動(dòng)汽車要檢查是否已經(jīng)請(qǐng)求了充電支持并獲得許可。

步驟4：如果電動(dòng)汽車確認(rèn)請(qǐng)求充電并獲得許可,則使用文獻(xiàn)［21］提出的路由規(guī)劃軟件包估算從當(dāng)前位置到充電站的時(shí)間；若未獲得許可,繼續(xù)執(zhí)行步驟7。

步驟5：如果到達(dá)充電站的時(shí)間滿足電動(dòng)汽車充電需求,則在此步驟停止執(zhí)行。否則,電動(dòng)汽車之前的充電請(qǐng)求將被撤回。

步驟6：基于電動(dòng)汽車的優(yōu)先充電選擇,用算法估計(jì)從當(dāng)前位置到路徑上充電站再到目的地的時(shí)間。然后電動(dòng)汽車向這些充電站提交充電請(qǐng)求,并從這些充電站得知電動(dòng)汽車的充電請(qǐng)求是否能夠得到滿足,若能夠得到滿足,則在此處停止執(zhí)行；否則,繼續(xù)執(zhí)行步驟7。

步驟7：電動(dòng)汽車根據(jù)充電電價(jià)、到達(dá)充電站所需額外行駛距離、充電所需時(shí)間等信息選擇最合適的充電站。

步驟8：電動(dòng)汽車向選擇的充電站提交充電請(qǐng)求。

步驟9：當(dāng)選擇的充電站不能滿足電動(dòng)汽車的充電請(qǐng)求時(shí),電動(dòng)汽車將轉(zhuǎn)向路徑上另一個(gè)未選擇的充電站請(qǐng)求充電支持。

步驟10：如果到達(dá)目的地路徑上的所有充電站都不能滿足該請(qǐng)求,則要求電動(dòng)汽車指定路徑上第一個(gè)選擇的充電站向上游的CVPP 請(qǐng)求為電動(dòng)汽車獲取額外電力。

步驟11：此時(shí)電動(dòng)汽車已獲得了電網(wǎng)的充電支持。接受電動(dòng)汽車充電請(qǐng)求的充電站完成第1 輪的調(diào)度后,會(huì)告知電動(dòng)汽車充電請(qǐng)求是否能夠得到滿足。

步驟12：當(dāng)電動(dòng)汽車的充電請(qǐng)求由于某種原因被拒絕時(shí),電動(dòng)汽車將繼續(xù)執(zhí)行步驟7,再次采集電能進(jìn)行充電。

2 實(shí)時(shí)功率跟蹤分析

實(shí)時(shí)功率跟蹤流程如圖3 所示。

圖3 實(shí)時(shí)功率跟蹤流程圖Fig.3 Flow chart of real-time power tracking

2.1 主電網(wǎng)的實(shí)時(shí)功率跟蹤分析

步驟1：主電網(wǎng)請(qǐng)求每個(gè)CVPP 啟動(dòng)其實(shí)時(shí)功率跟蹤模塊。

步驟2：主電網(wǎng)根據(jù)收集到的所有CVPP 報(bào)告,計(jì)算出整個(gè)電網(wǎng)預(yù)測(cè)和實(shí)際的功率供需差值PRTPD。

式中：P為第a個(gè)CVPP 的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)和實(shí)際功率的供需差值。

步驟3：若PRTPD為正,則說明部分CVPP 功率不足的問題可以由其他具有額外功率的CVPP 解決。主電網(wǎng)將協(xié)調(diào)CVPP 之間的功率調(diào)度,并在此步驟停止執(zhí)行。否則,意味著某些CVPP 仍然有功率短缺的問題,主電網(wǎng)將通知所有CVPP 削減實(shí)時(shí)功率消耗。

步驟4：主電網(wǎng)使用CVPP 報(bào)告的總節(jié)省功率來填補(bǔ)電力短缺的缺口PRTTP。

式中：P為第a個(gè)CVPP 的總節(jié)省功率。

步驟5：若PRTTP為負(fù)值,主電網(wǎng)將增加常規(guī)發(fā)電功率,以應(yīng)對(duì)電力短缺問題。

2.2 CVPP 的實(shí)時(shí)功率跟蹤分析

步驟1：CVPP 請(qǐng)求下游的每個(gè)生產(chǎn)廠商啟動(dòng)實(shí)時(shí)功率跟蹤模塊。

步驟2：根據(jù)收集到的報(bào)告,計(jì)算第a個(gè)CVPP的預(yù)測(cè)和實(shí)際功率供需之間的差值PRSLDa,如下所示：

式中：P為第i個(gè)生產(chǎn)廠商的實(shí)際電力供應(yīng)與預(yù)測(cè)電力供應(yīng)的差值；P為第i個(gè)生產(chǎn)廠商的實(shí)際電力需求與預(yù)測(cè)電力需求的差值。

步驟3：根據(jù)主電網(wǎng)要求,通知下游生產(chǎn)廠商在必要時(shí)降低可調(diào)度負(fù)荷的電力消耗并降低電動(dòng)汽車的充電速度。

步驟4：計(jì)算下游生產(chǎn)廠商報(bào)告的總節(jié)省功率P。

式中：P為第i個(gè)生產(chǎn)廠商的總節(jié)省功率。

步驟5：向主電網(wǎng)報(bào)告CVPP 合計(jì)節(jié)省功率情況。

2.3 生產(chǎn)廠商的實(shí)時(shí)功率跟蹤分析

步驟1：計(jì)算可再生能源實(shí)際供電與預(yù)測(cè)供電之間的差值P。

式中：P和P分別為第i個(gè)生產(chǎn)廠商實(shí)時(shí)的實(shí)際和預(yù)測(cè)的可再生能源發(fā)電功率。

步驟2：計(jì)算實(shí)際需求與預(yù)測(cè)需求之間的差值P。

式中：L和L分別為第i個(gè)生產(chǎn)廠商實(shí)時(shí)的第b個(gè)基本負(fù)荷需求功率的實(shí)際值和預(yù)測(cè)值；L和L分別為第i個(gè)生產(chǎn)廠商實(shí)時(shí)的第s個(gè)可調(diào)度負(fù)荷需求功率的實(shí)際值和預(yù)測(cè)值；P和P分別為實(shí)時(shí)的第j個(gè)電動(dòng)汽車放電功率的實(shí)際值和預(yù)測(cè)值；P和P分別為實(shí)時(shí)的第j個(gè)電動(dòng)汽車充電功率的實(shí)際值和預(yù)測(cè)值。

步驟3：將實(shí)時(shí)跟蹤的供需預(yù)測(cè)誤差報(bào)告上游CVPP。

步驟4：根據(jù)上游CVPP 要求,生產(chǎn)廠商通過降低可調(diào)度負(fù)荷功率消耗和降低電動(dòng)汽車充電速度來計(jì)算合計(jì)節(jié)省功率P。

式中：L和L分別為第i個(gè)生產(chǎn)廠商的第s個(gè)可調(diào)度負(fù)荷達(dá)到設(shè)定值時(shí)的消耗功率和最小功率；P為第j輛電動(dòng)汽車實(shí)時(shí)充電功率；P為第j輛電動(dòng)汽車緩慢充電時(shí)的最小充電功率。

步驟5：向上游的CVPP 報(bào)告可調(diào)度負(fù)荷或電動(dòng)汽車充電的合計(jì)節(jié)省功率情況。

3 算例分析

本文使用Python 編程語言進(jìn)行系列仿真,將整個(gè)用電區(qū)域劃分為3 個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域都有自己的CVPP 并由主電網(wǎng)管理。區(qū)域1 為人口密集的城市,只有少量的可再生能源；區(qū)域2 和區(qū)域3 位于農(nóng)村,有大規(guī)模的可再生能源。附錄A 表A1 列出了模擬中使用的參數(shù)。整個(gè)用電區(qū)域用于實(shí)驗(yàn)的電動(dòng)汽車共包含4 種車型,總計(jì)2 000 余輛,具體參數(shù)如表1 所示。

表1 電動(dòng)汽車的參數(shù)Table 1 Parameters of electric vehicles

如附錄B 圖B1 至圖B3 所示,分別顯示3 個(gè)區(qū)域在應(yīng)用本文電力調(diào)度策略之前的日前電力負(fù)荷和可再生能源發(fā)電量。從圖B1 可以看出,由于區(qū)域1人口密度較大,且該區(qū)域可安裝的可再生能源數(shù)量較少,因此在高峰時(shí)段電力赤字會(huì)進(jìn)一步惡化。相反,圖B2 和圖B3 中,農(nóng)村地區(qū)大多數(shù)生產(chǎn)廠商擁有太陽能或風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng),一些額外的電力可以保存在自己的儲(chǔ)能系統(tǒng)或電動(dòng)汽車中,或出售給其他生產(chǎn)廠商。

附錄B 圖B4 顯示了整個(gè)電網(wǎng)在電力調(diào)度前的負(fù)荷與可再生能源的總和。可以看出,整個(gè)電網(wǎng)在高峰時(shí)段出現(xiàn)的電力負(fù)荷與可再生能源的差距要比非高峰時(shí)段大得多。

功率調(diào)度前后的凈負(fù)荷對(duì)比如圖4 所示。

圖4 應(yīng)用調(diào)度系統(tǒng)前后的日前凈負(fù)荷比較Fig.4 Comparison of day-ahead net load before and after applying dispatching system

值得注意的是,這里的凈負(fù)荷是由整個(gè)電網(wǎng)的電力負(fù)荷減去可再生能源發(fā)電總量來計(jì)算的,凈負(fù)荷表示可再生能源不能直接滿足的負(fù)荷?？梢钥闯?提出的日前電力調(diào)度系統(tǒng)可以將可再生能源產(chǎn)生的額外電能存儲(chǔ)在區(qū)域2 和區(qū)域3 的電池中,有效地將電力負(fù)荷轉(zhuǎn)移到非高峰時(shí)段。但實(shí)際數(shù)據(jù)顯示,可再生能源發(fā)電、電力負(fù)荷和電動(dòng)汽車實(shí)時(shí)充電的預(yù)測(cè)存在一定的誤差。因此,本文提出的實(shí)時(shí)功率跟蹤機(jī)制,可降低可調(diào)度負(fù)荷功率消耗和電動(dòng)汽車充電速度,以保持接近電力調(diào)度系統(tǒng)在高峰時(shí)段預(yù)測(cè)的實(shí)際凈負(fù)荷,從而減輕預(yù)測(cè)誤差。

附錄B 圖B5 顯示了電力調(diào)度前后對(duì)傳統(tǒng)發(fā)電的依賴程度對(duì)比。可以看出,在沒有采用調(diào)度系統(tǒng)來節(jié)省可再生能源額外產(chǎn)生的電能前,白天超過儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的太陽能發(fā)電量和區(qū)域2、區(qū)域3 的電動(dòng)汽車電池電量被大量浪費(fèi)。相反,在應(yīng)用了調(diào)度系統(tǒng)后,附近區(qū)域的電動(dòng)汽車電池和儲(chǔ)能系統(tǒng)可協(xié)助區(qū)域2、區(qū)域3 安裝的可再生能源在非高峰時(shí)段儲(chǔ)存額外產(chǎn)生的電力,并在高峰時(shí)段利用節(jié)省下來的電力平滑整個(gè)電網(wǎng)的高峰負(fù)荷,從而有效降低分布式電源及電動(dòng)汽車充電的隨機(jī)性和波動(dòng)性給電網(wǎng)帶來的影響,同時(shí)提高能源利用率。

附錄B 圖B6 顯示了整個(gè)電網(wǎng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電情況對(duì)比?？v軸上的正功率和負(fù)功率分別代表了電池的放電行為和充電行為。在仿真中,區(qū)域1中的儲(chǔ)能系統(tǒng)的數(shù)量明顯大于區(qū)域2（或區(qū)域3）,調(diào)度過程中,區(qū)域1 的儲(chǔ)能系統(tǒng)支撐著整體充放電行為。因此,總的儲(chǔ)能系統(tǒng)處于放電狀態(tài)。盡管在中高峰時(shí)段和高峰時(shí)段調(diào)度后,農(nóng)村地區(qū)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電行為在曲線上略有波動(dòng),但依然可以在非高峰時(shí)段觀察到總體充電行為。

圖5 顯示了在采用實(shí)時(shí)功率跟蹤策略的基礎(chǔ)上,可再生能源的出力偏差與電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能以及可調(diào)度負(fù)荷的平抑偏差出力。從圖中可以看出,可再生能源實(shí)際出力與計(jì)劃出力的偏差基本等于電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能和可調(diào)度負(fù)荷的平抑偏差出力之和,表明實(shí)時(shí)功率跟蹤機(jī)制能夠借助電動(dòng)汽車等各類資源增強(qiáng)電能交互整體平穩(wěn)性,提升負(fù)荷均衡管理水平。

圖5 出力偏差與平抑偏差對(duì)比Fig.5 Comparison of output deviation and suppression deviation

圖6 顯示了整個(gè)電網(wǎng)中電動(dòng)汽車電池的充放電情況對(duì)比。在高峰時(shí)段,調(diào)度前后整個(gè)電網(wǎng)總的電動(dòng)汽車電池從充電狀態(tài)轉(zhuǎn)為放電狀態(tài),在用電高峰期向電網(wǎng)饋電,可大大降低電網(wǎng)在高峰時(shí)段的供電壓力；在非高峰時(shí)段,調(diào)度后整個(gè)電網(wǎng)總的電動(dòng)汽車電池處于大規(guī)模充電狀態(tài),可有效利用電能,促進(jìn)可再生能源消納?？梢钥闯?實(shí)時(shí)功率跟蹤機(jī)制通過降低電動(dòng)汽車電池的充電功率來彌補(bǔ)預(yù)測(cè)誤差,使其與日前電力調(diào)度在高峰時(shí)段預(yù)測(cè)的實(shí)際充放電曲線保持一致。

圖6 電動(dòng)汽車電池的充放電特性比較Fig.6 Comparison of charging and discharging characteristics of electric vehicle batteries

4 結(jié)語

為了解決VPP 面臨的負(fù)荷均衡管理問題,本文基于在生產(chǎn)廠商層面收集的短期電力負(fù)荷和可再生能源發(fā)電數(shù)據(jù),通過CVPP 層級(jí)上的電力調(diào)度將一些生產(chǎn)廠商的多余電力重新分配給其他面臨電力供應(yīng)短缺的生產(chǎn)廠商,同時(shí),在調(diào)度過程中考慮電動(dòng)汽車負(fù)荷和電源的雙重特性,發(fā)揮各類能源間的互補(bǔ)效應(yīng),均衡管理負(fù)荷的用電需求。另外,提出了一種實(shí)時(shí)功率跟蹤機(jī)制,以應(yīng)對(duì)可再生能源以及各類可控負(fù)荷的日前預(yù)測(cè)誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文提出的負(fù)荷均衡管理策略能有效緩解對(duì)傳統(tǒng)發(fā)電廠的依賴,最大限度地利用可再生能源,減少并網(wǎng)消納問題,平衡電力市場(chǎng)的尖峰、非尖峰負(fù)荷。同時(shí),通過降低電動(dòng)汽車電池在高峰時(shí)段的充電功率,彌補(bǔ)預(yù)測(cè)誤差。

在后續(xù)的研究中將考慮更多類型的虛擬電廠負(fù)荷,突出電動(dòng)汽車負(fù)荷在虛擬電廠集群控制中的作用,從電動(dòng)汽車向配電網(wǎng)饋電的角度進(jìn)一步完善策略。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡(luò)全文。