含光熱的微能源網(wǎng)多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度

趙為光，陳 澤，吳尚陽(yáng)，于天洋

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，哈爾濱 150000)

0 引 言

隨著能源短缺問(wèn)題的凸顯，作為能源互聯(lián)網(wǎng)末端的微能源網(wǎng)為解決能源短缺、提高能源利用率提供了有效途徑[1]。微能源網(wǎng)系統(tǒng)將不可控的新能源發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、燃?xì)忮仩t等設(shè)備和冷、熱、電負(fù)荷組成一個(gè)具備多能源供給的綜合能源系統(tǒng)，從而能夠滿(mǎn)足用戶(hù)的各類(lèi)用能需求，并提高系統(tǒng)內(nèi)的能源利用率[2]。因此，為了使系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)能夠源-荷實(shí)時(shí)匹配，應(yīng)當(dāng)及時(shí)對(duì)系統(tǒng)中設(shè)備的出力進(jìn)行調(diào)整，確保輸出功率與系統(tǒng)負(fù)荷的匹配，進(jìn)而保證了微能源網(wǎng)系統(tǒng)的效益性與穩(wěn)定性。

目前研究人員對(duì)微能源網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了較多的研究。文獻(xiàn)[3]通過(guò)構(gòu)建以電網(wǎng)購(gòu)電消費(fèi)最低為目標(biāo)的綜合能源系統(tǒng)日前優(yōu)化模型，采用混合整數(shù)非線(xiàn)性規(guī)劃的方法對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化求解。文獻(xiàn)[4]通過(guò)構(gòu)建燃?xì)廨啓C(jī)、吸收式制冷機(jī)、蓄電池的數(shù)學(xué)模型，建立了考慮微能源網(wǎng)運(yùn)行成本的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。上述文獻(xiàn)從不同角度分析研究了微能源網(wǎng)的日前運(yùn)行優(yōu)化問(wèn)題。但是，微能源網(wǎng)中包含有大量易受環(huán)境影響的可再生能源發(fā)電設(shè)備，這些可再生能源發(fā)電設(shè)備同傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)備相比具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和波動(dòng)性，進(jìn)而使得微能源網(wǎng)系統(tǒng)日前運(yùn)行優(yōu)化結(jié)果與設(shè)備的實(shí)際出力出現(xiàn)了一些偏差。微能源網(wǎng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)電價(jià)、可再生能源發(fā)電設(shè)施、用戶(hù)負(fù)荷的變化都可能會(huì)造成微能源網(wǎng)在實(shí)際的運(yùn)行中與日前的優(yōu)化策略不一致，導(dǎo)致微能源網(wǎng)中的源荷不能匹配，使得微能源網(wǎng)中用戶(hù)的舒適度下降,削弱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

針對(duì)可再生能源波動(dòng)性對(duì)系統(tǒng)的影響，目前研究主要采用了逐漸細(xì)化的調(diào)度策略，來(lái)提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[5]提出了將微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)分為經(jīng)濟(jì)調(diào)度和實(shí)時(shí)調(diào)整兩個(gè)階段，用以應(yīng)對(duì)可再生能源的波動(dòng)性。文獻(xiàn)[6]通過(guò)使用線(xiàn)性規(guī)劃對(duì)系統(tǒng)內(nèi)負(fù)荷的波動(dòng)性和可再生能源出力的不確定性進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[7]提出采用模型預(yù)測(cè)控制的冷熱電三聯(lián)供型微網(wǎng)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度策略，然后通過(guò)算例驗(yàn)證了所提模型和算法的合理性。

針對(duì)可再生能源發(fā)電設(shè)備輸出功率的隨機(jī)性和用戶(hù)負(fù)荷的波動(dòng)性，提出一種以滾動(dòng)時(shí)域綜合運(yùn)行成本最小為目標(biāo)，基于模型預(yù)測(cè)控制框架的日內(nèi)滾動(dòng)運(yùn)行調(diào)度模型，以降低可再生能源出力、負(fù)荷和電價(jià)不確定性對(duì)系統(tǒng)造成的影響。

1 含光熱的微能源網(wǎng)模型

該文構(gòu)建的微能源網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。此微能源網(wǎng)系統(tǒng)包含光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、光熱發(fā)電系統(tǒng)、燃?xì)忮仩t、電制冷機(jī)、吸收式制冷機(jī)和儲(chǔ)能等裝置。為了能夠詳細(xì)描述微能源網(wǎng)的構(gòu)成及各種設(shè)備的工作特征，利用能量母線(xiàn)建模架構(gòu)，根據(jù)能量流種類(lèi)的不同，定義不同的能量母線(xiàn)[4-5]。該文的能量母線(xiàn)分別是電母線(xiàn)、熱母線(xiàn)和冷母線(xiàn)。電母線(xiàn)：光伏發(fā)電、光熱系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電、外接電網(wǎng)和蓄電池實(shí)施對(duì)電負(fù)荷和電制冷機(jī)的供應(yīng)。熱母線(xiàn)：光熱系統(tǒng)、燃?xì)忮仩t實(shí)施對(duì)熱負(fù)荷與吸收式制冷機(jī)供應(yīng)。冷母線(xiàn)：電制冷機(jī)與吸收式制冷機(jī)實(shí)施對(duì)冷負(fù)荷的供應(yīng)。

圖1 微能源網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 光熱發(fā)電系統(tǒng)

光熱發(fā)電系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，光熱電站發(fā)電功率為

光熱電站發(fā)電出力約束條件：

光熱電站儲(chǔ)熱系統(tǒng)：

圖2 光熱電站內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.2 光伏發(fā)電

光伏電池輸出功率為

1.3 風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電的輸出模型可以表示為

1.4 燃?xì)忮仩t

燃?xì)忮仩t數(shù)學(xué)模型為

1.5 蓄電池模型

儲(chǔ)能裝置在抑制新能源波動(dòng)方面起著重要作用，由于新能源的出力具有不確定性，從而容易對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響，為了減少?zèng)_擊，應(yīng)在系統(tǒng)里加入儲(chǔ)能設(shè)備。其數(shù)學(xué)模型如下：

Ed(t)=Ed(t-1)+(ηd,cPd,c(t)-ηd,dPd,d(t))Δt

式中:Ed(t)、Ed(t-1)分別是蓄電池在t、t-1時(shí)刻的儲(chǔ)能狀態(tài)；Pd,c(t)、Pd,d(t)是蓄電池t時(shí)刻的充電和放電功率；ηd,c、ηd,d是蓄電池的充電和放電效率；Δt為時(shí)間間隔。

儲(chǔ)能設(shè)備的充能、放能功率約束：

0≤Ph,c(t)≤C·Ph,c，max

0≤Ph,d(t)≤(1-C)·Ph,d，max

式中：Ph,c，max、Ph,d，max是儲(chǔ)能設(shè)備的最大充能和放能功率；C是0-1變量，代表儲(chǔ)能設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

儲(chǔ)能設(shè)備中的能量應(yīng)在整個(gè)調(diào)度周期保持不變，如下所示：

儲(chǔ)能設(shè)備應(yīng)受自身的儲(chǔ)能限制約束：

Eh,min≤Eh(t)≤Eh,max

式中：Eh,min、Eh,max分別是儲(chǔ)能設(shè)備的上、下限約束。

1.6 電制冷機(jī)模型

電制冷機(jī)數(shù)學(xué)模型為

1.7 吸收式制冷機(jī)模型

吸收式制冷機(jī)數(shù)學(xué)模型為

2 多時(shí)間尺度運(yùn)行優(yōu)化模型

該文提出的多時(shí)間尺度調(diào)度優(yōu)化模型，主要由日前運(yùn)行優(yōu)化模型和日內(nèi)滾動(dòng)運(yùn)行優(yōu)化模型構(gòu)成。

2.1 日前運(yùn)行優(yōu)化模型

該文所構(gòu)建的微能源網(wǎng)的日前運(yùn)行優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)為系統(tǒng)的日綜合運(yùn)行成本最小。微能源網(wǎng)的日綜合運(yùn)行成本與向電網(wǎng)購(gòu)電費(fèi)用、向天然氣公司的購(gòu)氣費(fèi)用和污染物的排放治理費(fèi)用息息相關(guān)，其具體表達(dá)式為

1)電能平衡約束：

2)熱能平衡約束：

3)冷能平衡約束：

2.2 基于模型預(yù)測(cè)控制的日內(nèi)滾動(dòng)運(yùn)行優(yōu)化

2.2.1 模型預(yù)測(cè)控制的機(jī)理

模型預(yù)測(cè)控制具體包含模型預(yù)測(cè)、滾動(dòng)優(yōu)化與反饋校正三部分。其在每一個(gè)采樣周期，將當(dāng)下的工作狀態(tài)作為整個(gè)系統(tǒng)的初始狀態(tài)，通過(guò)預(yù)測(cè)模型來(lái)預(yù)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)未來(lái)一段時(shí)間的動(dòng)態(tài)行為，依據(jù)所設(shè)置的目標(biāo)函數(shù)與約束條件持續(xù)實(shí)施滾動(dòng)優(yōu)化，計(jì)算得到最優(yōu)控制序列且執(zhí)行該控制，且在每一次滾動(dòng)優(yōu)化計(jì)算中借助實(shí)時(shí)信息進(jìn)行持續(xù)性的校正，達(dá)到對(duì)后續(xù)動(dòng)態(tài)過(guò)程的預(yù)測(cè)[6]。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 模型預(yù)測(cè)控制結(jié)構(gòu)圖

模型預(yù)測(cè)控制的基本理論如圖4所示。由圖4分析可得，控制系統(tǒng)根據(jù)過(guò)去和現(xiàn)在的輸入輸出數(shù)據(jù)和控制量的變化值，預(yù)測(cè)得到未來(lái)有限時(shí)段內(nèi)的輸出量ym(k+i)，利用反饋校正操作，計(jì)算輸出數(shù)值與預(yù)測(cè)數(shù)值的差值，再將其置于預(yù)測(cè)輸出環(huán)節(jié)，來(lái)校正輸出值，從而可以得到經(jīng)過(guò)校正的輸出值yp(k+i)，預(yù)測(cè)值和參考軌跡yr(k+i)在確定的滾動(dòng)優(yōu)化函數(shù)中對(duì)目標(biāo)性能進(jìn)行不斷的滾動(dòng)優(yōu)化計(jì)算，不斷跟蹤修正，最終可以使系統(tǒng)的預(yù)測(cè)值更加逼近實(shí)際的輸出值。

圖4 模型預(yù)測(cè)控制滾動(dòng)時(shí)域控制原理圖

2.2.2 預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)

預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)可以結(jié)合系統(tǒng)過(guò)去的數(shù)據(jù)與預(yù)期的輸入值，對(duì)系統(tǒng)將來(lái)的輸出值進(jìn)行預(yù)測(cè)。該環(huán)節(jié)假設(shè)光熱、光伏、風(fēng)機(jī)輸出功率、負(fù)荷和電價(jià)的預(yù)測(cè)值滿(mǎn)足以下需要，符合下面的預(yù)測(cè)模型：

2.2.3 滾動(dòng)優(yōu)化環(huán)節(jié)

日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化運(yùn)行的目標(biāo)函數(shù)為

2.2.4 反饋校正環(huán)節(jié)

可再生能源輸出功率和冷熱電負(fù)荷的預(yù)測(cè)結(jié)果容易受非線(xiàn)性、時(shí)變性等因素的影響，從而和實(shí)際值不能完全一致，存在一定的偏差。因此，將反饋校正機(jī)制與模型預(yù)測(cè)控制相結(jié)合十分有必要，通過(guò)對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得到兩者之間的差異，并進(jìn)行相關(guān)調(diào)整，從而進(jìn)一步降低因環(huán)境、模型等對(duì)預(yù)測(cè)控制造成的影響。反饋校正的目的是為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)動(dòng)態(tài)的輸出，進(jìn)而增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性與控制準(zhǔn)確性。

3 算例分析

3.1 基本算例數(shù)據(jù)

該文的仿真算例以圖1所示的微能源網(wǎng)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，選取某工業(yè)園區(qū)的微能源網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行案例分析。根據(jù)所在地區(qū)的天氣特點(diǎn)和園區(qū)冷熱電負(fù)荷數(shù)據(jù)，計(jì)算出微能源網(wǎng)在夏、冬兩季節(jié)典型日負(fù)荷下系統(tǒng)中電、冷、熱功率的調(diào)度優(yōu)化結(jié)果。微能源網(wǎng)的設(shè)備參數(shù)如表1所示;污染物的折算系數(shù)及治理費(fèi)用如表2所示；光熱系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表3所示[8]；蓄電池及其他參數(shù)見(jiàn)表4；微能源網(wǎng)的光伏和風(fēng)機(jī)輸出功率預(yù)測(cè)曲線(xiàn)如圖5所示；該工業(yè)園區(qū)的冷熱電日負(fù)荷曲線(xiàn)如圖6所示；該工業(yè)園區(qū)的實(shí)時(shí)電價(jià)和分時(shí)電價(jià)如圖7所示。

表1 微能源網(wǎng)設(shè)備參數(shù)

表2 污染物的折算系數(shù)及治理費(fèi)用

表3 光熱系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)

表4 蓄電池及其他參數(shù)

圖5 典型日可再生能源出力值

圖6 典型日冷熱電負(fù)荷數(shù)據(jù)

圖7 實(shí)時(shí)電價(jià)

3.2 算例調(diào)度結(jié)果分析

該文日前調(diào)度以小時(shí)為時(shí)間尺度，日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化階段，滾動(dòng)時(shí)長(zhǎng)為24 h，時(shí)間間隔為15 min。通過(guò)對(duì)微能源網(wǎng)的日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化模型求解得到各個(gè)設(shè)備的輸出功率優(yōu)化結(jié)果,并繪制了微能源網(wǎng)中各個(gè)主要供能設(shè)備日前和日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化的輸出功率對(duì)比曲線(xiàn)圖，如圖8所示。

圖8 光熱發(fā)電日前和日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化輸出功率結(jié)果

由圖8可知，在含光熱的微能源網(wǎng)中光熱發(fā)電輸出功率作為主要供電設(shè)備，其一天中隨著光照強(qiáng)度和負(fù)荷的變化進(jìn)行出力增減，在日前和日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化的輸出功率曲線(xiàn)差別不大，在白天陽(yáng)光充足時(shí)，光熱發(fā)電承擔(dān)大部分電負(fù)荷，在夜間高電價(jià)時(shí)期光熱電站依靠?jī)?chǔ)能系統(tǒng)依然可以進(jìn)行一定的功率輸出，減少此時(shí)的電網(wǎng)購(gòu)電。日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化由于預(yù)測(cè)時(shí)間縮短能夠更精確地調(diào)控光熱儲(chǔ)能，使其只在夜間高電價(jià)時(shí)期進(jìn)行電功率輸出，從而使系統(tǒng)具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

微能源網(wǎng)與電網(wǎng)購(gòu)電功率日前和日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化輸出功率結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，微能源網(wǎng)的購(gòu)電功率在日前和日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化中結(jié)果偏差不大，在電價(jià)低谷時(shí)期，日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化功率購(gòu)電功率有所波動(dòng)，在電價(jià)高峰時(shí)期隨著系統(tǒng)內(nèi)可再生能源輸出功率的增加電網(wǎng)購(gòu)電功率減少為0。在傍晚低電價(jià)時(shí)期，微能源網(wǎng)系統(tǒng)為了增加系統(tǒng)在夜間高電價(jià)時(shí)期的經(jīng)濟(jì)性，減少光熱發(fā)電的輸出功率，增加對(duì)電網(wǎng)的購(gòu)電功率，使系統(tǒng)在夜間高電價(jià)時(shí)期可以由可再生能源發(fā)電系統(tǒng)輸出更多的電功率，減少系統(tǒng)的購(gòu)電功率，降低系統(tǒng)運(yùn)行的成本。

圖9 微能源網(wǎng)與電網(wǎng)購(gòu)電功率日前和

電制冷機(jī)、吸收式制冷機(jī)日前和日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化輸出功率結(jié)果如圖10、圖11所示。由圖10和圖11可知，電制冷機(jī)和吸收式制冷機(jī)在日前和日內(nèi)運(yùn)行優(yōu)化結(jié)果偏差不大，日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化情況下的輸出功率曲線(xiàn)整體上要稍低于日前出力曲線(xiàn)，這是因?yàn)橄到y(tǒng)在實(shí)際的運(yùn)行中，冷負(fù)荷的減少所引起。

圖10 電制冷機(jī)日前和日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化輸出功率結(jié)果

圖11 吸收式制冷機(jī)日前和日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化輸出功率結(jié)果

燃?xì)忮仩t日前和日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化輸出功率結(jié)果如圖12所示。由圖12可知，燃?xì)忮仩t在日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化情況下的輸出功率曲線(xiàn)和日前輸出功率曲線(xiàn)總體變化不大，在冬季典型日熱負(fù)荷的需求增加，燃?xì)忮仩t開(kāi)機(jī)運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的熱負(fù)荷進(jìn)行供給。

圖12 燃?xì)忮仩t日前和日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化輸出功率結(jié)果

蓄電池日前和日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化輸出功率結(jié)果如圖13所示。根據(jù)圖13，蓄電池在日前、日內(nèi)運(yùn)行優(yōu)化結(jié)果變化趨勢(shì)相類(lèi)似，受電價(jià)和電負(fù)荷波動(dòng)的影響使蓄電池的充放電功率和日前結(jié)果相比有一定的波動(dòng)。蓄電池在低電價(jià)時(shí)段工作于充電狀態(tài)，在高峰電價(jià)和可再生能源出力不足時(shí)為了減少電網(wǎng)購(gòu)電功率，蓄電池工作于放電狀態(tài)。

圖13 蓄電池日前和日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化輸出功率結(jié)果

3.3 運(yùn)行成本分析

微能源網(wǎng)日前運(yùn)行優(yōu)化成本與日內(nèi)滾動(dòng)運(yùn)行優(yōu)化成本具體情況如表5所示。由表5可得，日內(nèi)的優(yōu)化成本相比日前運(yùn)行成本有所提高。這主要是因?yàn)樵谌諆?nèi)實(shí)際運(yùn)行中，系統(tǒng)中可再生能源設(shè)施的隨機(jī)性和用戶(hù)負(fù)荷變化引起的，微能源網(wǎng)在滾動(dòng)優(yōu)化運(yùn)行時(shí)會(huì)對(duì)設(shè)備的輸出功率進(jìn)行一定的調(diào)整，從而導(dǎo)致其日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化的成本會(huì)略高于日前運(yùn)行成本。因此證明了該文所提的模型預(yù)測(cè)控制的方法，在日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化中的有效性。

表5 日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化運(yùn)行成本和日前運(yùn)行成本對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)可再生能源發(fā)電設(shè)備輸出功率的隨機(jī)性和用戶(hù)負(fù)荷的波動(dòng)性，該文主要研究了微能源網(wǎng)的多時(shí)間尺度運(yùn)行優(yōu)化。在微能源網(wǎng)日前運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度模型的基礎(chǔ)上，建立了基于模型預(yù)測(cè)控制的微能源網(wǎng)的日內(nèi)滾動(dòng)運(yùn)行優(yōu)化模型。通過(guò)算例仿真分析可得，當(dāng)微能源網(wǎng)進(jìn)行日內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化時(shí)，能夠有效地對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)設(shè)備的輸出功率進(jìn)行調(diào)控管理，從而降低了新能源電源出力隨機(jī)性和負(fù)荷波動(dòng)性對(duì)微能源網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性的影響。