考慮源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)的直流微網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化方法

楊 波

（北京平高清大科技發(fā)展有限公司，北京 100085）

0 引 言

在當(dāng)前清潔可再生能源發(fā)電技術(shù)高速發(fā)展的背景下，電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，直流電源和負(fù)荷接入電網(wǎng)的比例大幅度提升，有效地提升電力系統(tǒng)運(yùn)行的效率與質(zhì)量水平[1]。然而，受電力系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)性與不確定性的影響，直流微網(wǎng)調(diào)度難度逐漸升高。廣義角度上，微網(wǎng)指電能調(diào)度時(shí)組織各分布式單元的一種結(jié)構(gòu)，能夠解決電源并網(wǎng)問(wèn)題，具有較高的靈活性與形式多樣性[2]?，F(xiàn)階段，傳統(tǒng)的直流微網(wǎng)調(diào)度方法多數(shù)采用考慮源網(wǎng)荷儲(chǔ)的主動(dòng)配電網(wǎng)協(xié)調(diào)運(yùn)行調(diào)度方法[3]。該方法運(yùn)用了較為合理的電能調(diào)度策略，但是實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，可調(diào)度潛力有限，不能有效地解決數(shù)量龐大的微網(wǎng)調(diào)度問(wèn)題，無(wú)法促進(jìn)可再生能源發(fā)電的消納，且調(diào)度時(shí)效性較差，無(wú)法顯著提高質(zhì)量水平，降低了節(jié)能減排效果。源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)屬于一種包含“電源、電網(wǎng)、負(fù)荷、儲(chǔ)能”整體解決方案的運(yùn)營(yíng)模式，能夠更加精準(zhǔn)地控制用電負(fù)荷與儲(chǔ)能資源，解決能源消納過(guò)程中微網(wǎng)波動(dòng)問(wèn)題，進(jìn)而提高直流微網(wǎng)調(diào)度效果與電網(wǎng)安全運(yùn)行水平?；诖?，文章在傳統(tǒng)直流微網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化方法的基礎(chǔ)上，引入源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)，開展考慮源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)的直流微網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化方法研究。

1 直流微網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化方法研究

1.1 確定直流配電電壓等級(jí)

文章設(shè)計(jì)的考慮源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)的直流微網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化方法，需要確定直流微網(wǎng)的配電電壓等級(jí)，為后續(xù)直流微網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化奠定良好的基礎(chǔ)。

依據(jù)不同行業(yè)應(yīng)用的直流微網(wǎng)配電電壓值與IEC-60038 標(biāo)準(zhǔn)要求，確定了直流配電電壓基礎(chǔ)值分別為±0.4 kV 與±1.5 kV 的電壓等級(jí)[4]?；趲缀尉翟恚?jì)算電壓等級(jí)序列值中的任意一組相鄰電壓值，計(jì)算公式為

式中：uj、ui、ui+1均表示任意電壓等級(jí)序列值中的電壓值，且3 個(gè)電壓值之間為相鄰關(guān)系。計(jì)算式（1）獲取不同電壓等級(jí)序列值中的相鄰電壓值，并選取其中與直流微網(wǎng)電壓等級(jí)序列推薦值最接近的一組相鄰電壓值，根據(jù)該電壓值，確定直流配電電壓等級(jí)。

1.2 建立直流微網(wǎng)中網(wǎng)側(cè)互動(dòng)模型

直流配電電壓等級(jí)確定后，根據(jù)電壓等級(jí)，建立直流微網(wǎng)中網(wǎng)側(cè)互動(dòng)模型。利用該模型調(diào)控直流微網(wǎng)輸出電壓與功率，連接不同配電電壓等級(jí)的變換器。

設(shè)定直流微網(wǎng)電壓裕度范圍，在該裕度范圍內(nèi)，給定直流微網(wǎng)電壓節(jié)點(diǎn)，基于變換器的作用，不斷對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)壓操作，通過(guò)升高節(jié)點(diǎn)電壓的方式，降低微網(wǎng)的網(wǎng)損[5]?；诰W(wǎng)側(cè)互動(dòng)模型，控制直流微網(wǎng)中變換器電壓與功率的動(dòng)態(tài)變化，模型的約束表達(dá)式為

式中：Ui表示直流微網(wǎng)中變換器的實(shí)時(shí)電壓變化工況；Uimin、Uimax分別表示變換器電壓上限與下限；Pi表示直流微網(wǎng)中變換器的實(shí)時(shí)容量變化工況；Pimin、Pimax分別表示變換器容量上限與下限。通過(guò)建立的模型，實(shí)現(xiàn)直流微網(wǎng)輸出電壓與功率實(shí)時(shí)調(diào)控的目標(biāo)，為調(diào)度優(yōu)化提供基礎(chǔ)保障。

1.3 基于源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)的直流微網(wǎng)分級(jí)調(diào)度優(yōu)化

直流微網(wǎng)中網(wǎng)側(cè)互動(dòng)模型的建立，實(shí)現(xiàn)了直流微網(wǎng)輸出電壓與功率實(shí)時(shí)調(diào)控的目標(biāo)。文章基于源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)原理，考慮用戶側(cè)需求與分布式電源特性，提出了一種分級(jí)調(diào)度優(yōu)化策略，并開展了基于源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)的直流微網(wǎng)分級(jí)調(diào)度優(yōu)化研究。文章設(shè)計(jì)的基于源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)的直流微網(wǎng)分級(jí)調(diào)度優(yōu)化結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 基于源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)的直流微網(wǎng)分級(jí)調(diào)度優(yōu)化結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，基于源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)原理，將直流微網(wǎng)劃分為源荷級(jí)與源網(wǎng)荷級(jí)2 個(gè)不同的等級(jí)。這2個(gè)不同的等級(jí)的直流微網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化流程如下。

一方面，直流微網(wǎng)源荷級(jí)調(diào)度優(yōu)化。綜合考慮用戶側(cè)對(duì)于直流微網(wǎng)的需求響應(yīng)，從市場(chǎng)角度出發(fā)，逐漸引導(dǎo)用戶改變用電方式，消納新能源[6]?？刂曝?fù)荷曲線的波動(dòng)變化，使其接近新能源出力曲線，不斷調(diào)動(dòng)用戶參與的積極性，進(jìn)而提升電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性，達(dá)到平抑負(fù)荷峰谷差的目的。

另一方面，直流微網(wǎng)源網(wǎng)荷級(jí)調(diào)度優(yōu)化。在完成直流微網(wǎng)源荷級(jí)調(diào)度優(yōu)化后，未經(jīng)過(guò)調(diào)度優(yōu)化的多余負(fù)荷會(huì)在源網(wǎng)荷級(jí)中被主電網(wǎng)吸收，進(jìn)而獲取效益。源網(wǎng)荷級(jí)調(diào)度優(yōu)化以減少直流微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線的綜合運(yùn)行成本、抑制功率大幅度波動(dòng)為調(diào)度優(yōu)化的核心目標(biāo)，目標(biāo)對(duì)象就是未經(jīng)過(guò)調(diào)度優(yōu)化的這部分多余負(fù)荷。代入源荷級(jí)調(diào)度優(yōu)化獲取到的直流微網(wǎng)凈負(fù)荷數(shù)據(jù)，基于源網(wǎng)荷儲(chǔ)多目標(biāo)優(yōu)化算法，進(jìn)行目標(biāo)對(duì)象調(diào)度優(yōu)化。源網(wǎng)荷儲(chǔ)多目標(biāo)優(yōu)化算法表達(dá)式為

式中：F1表示直流微網(wǎng)整體運(yùn)行成本；S1表示直流微網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化各種建設(shè)成本；S2表示直流微網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行成本；S3表示微網(wǎng)與電網(wǎng)和氣網(wǎng)交互供能成本；Pc(t+1)表示直流微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)；Pc(t)表示直流微網(wǎng)t時(shí)刻的聯(lián)絡(luò)線功率；T表示調(diào)度優(yōu)化時(shí)段數(shù)；ΔT表示調(diào)度優(yōu)化時(shí)間間隔。利用式（5）對(duì)源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)進(jìn)行整體協(xié)同優(yōu)化，針對(duì)直流微網(wǎng)中的可移動(dòng)負(fù)荷進(jìn)行全方位的調(diào)度優(yōu)化約束，實(shí)現(xiàn)直流微網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化目標(biāo)。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

在提出的調(diào)度優(yōu)化方法投入實(shí)際工程使用前，需要對(duì)該方法的可行性及調(diào)度優(yōu)化效果作出客觀驗(yàn)證，確認(rèn)方法的調(diào)度優(yōu)化效果符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求后，方可投入實(shí)際工程中使用。基于此，開展了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。選取S 交直流混合微網(wǎng)數(shù)據(jù)作為此次實(shí)驗(yàn)研究的算例數(shù)據(jù)。該微網(wǎng)中交流區(qū)與滯留區(qū)之間通過(guò)雙向潮流控制器與公共連接點(diǎn)連接。直流區(qū)的分布式電源由燃料電池、蓄電池與光伏發(fā)電共同組成，其運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

表1 S 直流區(qū)分布式電源運(yùn)行參數(shù)

設(shè)定蓄電池的容量為25 kW·h，荷電狀態(tài)介于0.3 ～0.9 變化，充分發(fā)揮蓄電池作用，滿足相關(guān)約束條件。綜合考慮負(fù)荷需求側(cè)響應(yīng)、電源可再生出力情況以及能源互補(bǔ)供電特征后，應(yīng)用文章提出的直流微網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化方法全方位和多維度地調(diào)度優(yōu)化S 直流微網(wǎng)，獲取調(diào)度優(yōu)化結(jié)果，并全面分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.2 結(jié)果分析

設(shè)文章提出的考慮源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)的直流微網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化方法為實(shí)驗(yàn)組，文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]提出的直流微網(wǎng)調(diào)度方法分別為對(duì)照組1 與對(duì)照組2。對(duì)比3種方法的微網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化結(jié)果，并根據(jù)結(jié)果判斷文章提出的調(diào)度優(yōu)化方法是否具有可行性。

選取直流微網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化后光伏的消納能力作為此次實(shí)驗(yàn)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。其計(jì)算表達(dá)式為

式中：R表示直流微網(wǎng)光伏消納率；Ea表示由直流微網(wǎng)負(fù)荷消納的光伏發(fā)電電能；Ec表示源網(wǎng)荷儲(chǔ)能所消納的光伏電能；Em表示光伏總發(fā)電量。計(jì)算式（6），獲取此次直流微網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，光伏消納率越高，說(shuō)明光伏利用效果越好，滿足直流微網(wǎng)功率平衡要求，調(diào)度優(yōu)化質(zhì)量水平越高。利用MATLAB模擬分析軟件，模擬上述3 種方法的調(diào)度優(yōu)化全過(guò)程。隨機(jī)在直流微網(wǎng)中選取6 個(gè)不同位置的節(jié)點(diǎn)，分別標(biāo)號(hào)為JD-01、JD-02、JD-03、JD-04、JD-05、JD-06，測(cè)定并計(jì)算6 個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光伏消納能力，作出客觀對(duì)比，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 直流微網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化后光伏消納能力對(duì)比結(jié)果

由圖2 的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比結(jié)果可知，3 種直流微網(wǎng)調(diào)度方法應(yīng)用后，表現(xiàn)出了不同的性能測(cè)試結(jié)果。其中，文章提出的考慮源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)的直流微網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化方法應(yīng)用后，6 個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的直流微網(wǎng)光伏消納率始終高于另外2 種方法，均達(dá)到了96%以上。由此對(duì)比結(jié)果不難看出，文章提出的直流微網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化方法具有較高的可行性，能夠有效地提高直流微網(wǎng)的光伏消納能力，光伏利用效果更好，全面滿足了直流微網(wǎng)功率平衡的要求，顯著提升調(diào)度優(yōu)化質(zhì)量水平。

3 結(jié) 論

為提高直流微網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化的質(zhì)量水平，優(yōu)化微網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化效果，文章提出了一種考慮源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng)的直流微網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化方法。根據(jù)實(shí)驗(yàn)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比結(jié)果，應(yīng)用文章提出的調(diào)度優(yōu)化方法后，有效地提高直流微網(wǎng)的光伏消納率，滿足微網(wǎng)功率平衡的要求，整體調(diào)度優(yōu)化質(zhì)量水平得到了顯著提高，能夠保證直流微網(wǎng)運(yùn)行的安全性與可靠性，具有重要的研究意義與良好的應(yīng)用前景。