燕振剛 ,張雪霞,劉晉勇，鐘 偉,馬錫良,鄒 興

(1.西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031；2.國網四川省電力公司計量中心，四川 成都 610045；3.國網四川省電力公司成都供電公司，四川 成都 610041)

微網經濟調度研究綜述

燕振剛1,張雪霞1,劉晉勇2，鐘 偉3,馬錫良3,鄒 興3

(1.西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031；2.國網四川省電力公司計量中心，四川 成都 610045；3.國網四川省電力公司成都供電公司，四川 成都 610041)

針對微網經濟調度問題，綜合現(xiàn)有文獻分別從微網經濟調度模型的種類、微源不確定性因素的處理方法和多時間尺度調度進行論述。其中微網經濟調度模型主要從靜態(tài)模型和動態(tài)模型兩方面論述；不確定性因素處理方法分為確定性方法、模糊理論法和隨機概率分布函數(shù)法；多時間尺度經濟調度主要分為基于短期預測技術的日前調度、基于超短期預測技術的日內調度和基于“秒”級的實時調度。最后，對微網群集調度具有研究前景的方向做了展望。

微網；經濟調度；不確定性；模糊理論；概率分布函數(shù)；多時間尺度

0 引 言

面對能源短缺、環(huán)境污染等問題，可再生能源的開發(fā)與利用成為重要的發(fā)展趨勢。微網作為一種可以充分利用可再生能源的有效方式，是將多種微源、儲能裝置和各類負荷集合在一起，構成的一個可控系統(tǒng)。以孤島和并網兩種方式運行，對節(jié)能和減小污染、充分利用分布式發(fā)電發(fā)揮著重要作用。為合理有效地利用各種微源，微網經濟調度是在滿足一定約束條件和負荷需求下，合理的調度微源和儲能裝置出力，可以有效地減小運行成本和提高環(huán)境效益，對微網優(yōu)化運行起著重要的作用。

然而在微網經濟調度問題的研究中，影響經濟運行結果的因素有很多，歸納起來主要有以下幾個方面：1)微網經濟調度模型；2)求解這類優(yōu)化問題算法；3)微源和負荷隨機性；4)微源控制策略；5)不同調度時間尺度等。這些因素的影響是微網經濟調度研究的重要內容，從系統(tǒng)本身的角度來講，微網模型、微源隨機性處理方法和不同時間尺度3個方面因素影響比較關鍵，下面從這3個方面來進行綜述。

1 微網經濟調度模型研究

微網經濟調度模型是經濟調度研究的核心內容，對微網運行的合理性和可行性有著直接的影響。模型中包含的微源種類、約束條件的設定和考慮的目標函數(shù)都將對優(yōu)化結果產生影響。經濟調度根據是否考慮了不同時間斷面之間的關聯(lián)，主要分為靜態(tài)經濟調度和動態(tài)經濟調度。靜態(tài)經濟調度是忽略了各時間段之間的聯(lián)系，僅僅研究單一時間斷面的優(yōu)化方案；動態(tài)經濟調度為了加強不同時間段之間的關聯(lián)性，增加了可控微源的爬坡率約束。根據現(xiàn)有文獻的研究成果詳細論述兩種經濟調度模型的特點。

1.1 靜態(tài)經濟調度模型

靜態(tài)經濟調度是基于當前時段負荷的需求以及微源的運行維護成本，在滿足負荷和約束條件下，按照經濟性最優(yōu)的原則依次調度設備的啟停和對應的輸出功率。通常忽略各時間段之間的互相關聯(lián)，獨立對每一時間段進行優(yōu)化。這類模型中可再生能源是以當前時刻風、光的有效出力作為確定值來處理的，忽略其隨機性對經濟運行的影響。文獻[1]考慮了功率平衡約束、微源出力約束和電池的充放電深度，以運行維護成本最小為目標函數(shù)，建立了微網靜態(tài)經濟調度模型。文獻[2]建立了微網靜態(tài)多目標經濟調度模型，模型中風、光和負荷都是作為確定量處理的。充分考慮了微源運行維護成本、環(huán)境成本、容量短缺和未滿足的負荷等目標函數(shù)，多目標函數(shù)應用模糊評價函數(shù)進行求解。

針對微網同時承擔冷、熱、電3種負荷供應的情況，研究了微網冷熱電聯(lián)供經濟調度模型。文獻[3]提出了包含蓄能裝置的微網冷熱電聯(lián)供模型，約束中充分考慮冷熱電供需平衡、微源和蓄能裝置的出力約束。以運行維護成本最小和環(huán)境效益最高為多目標函數(shù)。運行結果顯示，蓄電池有利于運行的經濟性，蓄熱蓄冷裝置降低了燃氣輪機的運行成本。文獻[4]研究了冷熱電聯(lián)供微網經濟環(huán)保調度模型，增加了熱備用約束和熱平衡約束，將蓄電池虛擬放電和充電價格計入目標函數(shù)中，建立分階段尋優(yōu)目標函數(shù)。文獻[5]在并網運行條件下，建立了冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的經濟調度模型，研究發(fā)電成本、分時電價和電能交易對微源有功出力值的影響。

從微網靜態(tài)經濟調度模型的研究可以看出，模型中包含的隨機性微源一般作為確定值處理；約束條件也相對單一，一般多以功率平衡約束和微源出力約束為主。目標函數(shù)一般是運行維護成本，環(huán)境效益成本，冷、熱收益和電能交易成本中的一個目標或多個目標的組合形式。但是，靜態(tài)模型忽略了影響經濟運行結果的重要因素，如微源隨機性、可靠性約束、爬坡率約束等；動態(tài)經濟調度模型則更加全面地包含了這些因素，并討論了其對運行結果的影響。

1.2 動態(tài)經濟調度模型

這類模型有別于靜態(tài)模型，考慮了可控微源爬坡率約束和儲能裝置剩余容量約束等因素的影響。運行時間上具有更強的耦合性，為了加強時間耦合性，文獻中關于儲能裝置剩余容量的約束，要求在一個調度周期前后容量保持一致。對微源的出力調度往往是以調度周期內綜合效益最大化為目標進行的，目標函數(shù)更加多樣，如增加了可靠性目標。約束條件增加了機組爬坡率約束、儲能剩余容量約束、備用約束、潮流約束等。文獻[6]研究了包含鈉硫電池儲能的微網動態(tài)經濟調度模型，動態(tài)特性體現(xiàn)在調度周期始末電池能量狀態(tài)保持不變，同時加入鈉硫電池有效地平抑了可再生能源和負荷出力波動。文獻[7]研究了孤島系統(tǒng)經濟調度模型，模型中增加了可控機組爬坡率約束、可靠性約束。針對可再生能源功率波動性問題，加入了失負荷風險指標和風光浪費指標，保證供電可靠性和可再生能源的高效利用。文獻[8]研究了動態(tài)經濟調度模型，考慮了功率平衡約束、微源出力約束和爬坡率約束，功率平衡約束的求解是采用潮流計算方法實現(xiàn)的，并且可以根據出力和負荷情況實時進行調節(jié)。文獻[9]在并網運行條件下，研究計及分時電價冷熱電聯(lián)供微網動態(tài)經濟調度模型，充分考慮機組啟停、爬坡率約束和儲能約束條件，但是該模型中忽略了可再生能源隨機性的影響。針對這一忽略的問題，文獻[10]在熱電聯(lián)產經濟調度模型中引入熱泵裝置，不僅可以有效地消納過剩的風電減少棄風、減小儲能的充放電次數(shù)和節(jié)約燃料，而且能夠承擔部分熱負荷。文獻[11]提出基于電熱聯(lián)合調度的區(qū)域并網型微網運行優(yōu)化模型，該模型有效地克服了以往熱電聯(lián)供模型中電熱之間相對獨立和燃氣輪機通常是完全跟蹤熱負荷而無法參與到電能調度中來的問題。這類模型綜合考慮了啟停及爬坡約束、出力約束和儲能的充放電特性。

上述模型中的動態(tài)特性主要體現(xiàn)在約束上，如爬坡率約束、儲能約束等條件。另外，考慮微源隨機性的動態(tài)經濟調度模型也是研究的熱點。文獻[12]為了克服各時間段之間聯(lián)系不足的問題，充分考慮可再生能源隨機性，鈉硫電池的引入不僅可以平抑微源隨機性波動，也可以加強不同時間斷面之間的關聯(lián)。文獻[13]綜合考慮了可在生能源的功率波動，負荷預測誤差和機組啟停故障等隨機因素，建立了動態(tài)調度的機會約束規(guī)劃模型。模型中，系統(tǒng)可靠性約束通過一定置信水平下的旋轉備用來體現(xiàn)，目標函數(shù)也是在一定置信水平下達到運行費用最小。文獻[14]針對微網中可再生能源和負荷功率等隨機性的影響，目標函數(shù)考慮制熱收益，建立了基于機會約束規(guī)劃的熱電聯(lián)產經濟調度模型。約束條件的處理方式和目標函數(shù)的求解與文獻[13]相同。文獻[15]針對風、光出力隨機性和熱負荷波動性，建立了基于機會約束規(guī)劃的動態(tài)經濟調度模型，增加了熱平衡約束、熱電耦合約束和蓄熱槽運行約束等，蓄熱槽的作用是對熱電聯(lián)產“以熱定電”約束解耦。

目前研究計及需求側響應的微網動態(tài)經濟調度模型有很多。如文獻[16]對一個包含可再生能源的微網動態(tài)經濟調度模型，考慮了分時電價差異，建立了基于不同電價的優(yōu)化目標和約束條件，優(yōu)化各時段內微源的出力。文獻[17]建立了包含需求側響應的微網經濟調度模型，以需求側負荷中的可轉移負荷為研究對象，結合分時電價，對不同時段負荷轉移進行分析，分析負荷轉移對綜合成本的影響。文獻[18]在經濟調度模型中考慮負荷滿意度指標，將可中斷負荷以可平移和不可平移兩種狀態(tài)進行研究，研究表明如果能夠提高需求側的管理，可以有效實現(xiàn)可再生能源的最大化利用和運行效益的最大化。文獻[19]提出了一種考慮負荷中斷的微網并網經濟調度模型，通過引入反應中斷功率和中斷時間影響的浮動電價，來反映用戶滿意度的變化，并有效降低并網運行成本。

近年來，電動汽車的普遍應用，計及電動汽車接入微網經濟調度的研究吸引了學者們的興趣。確定合理的電動汽車入網負荷特性曲線成為這類模型研究的關鍵點。文獻[20]為了得到不同規(guī)模下電動汽車入網負荷特性曲線，對電動汽車的充放行為應用蒙特卡洛法模擬，并研究接入電動汽車的微網多目標經濟調度模型。文獻[21]研究了電動汽車對微網經濟運行的影響，同樣是應用蒙特卡洛模擬法仿真電動汽車的充放電行為，在分時電價的機制下，以效益最大化為目標，討論電動汽車無序充電和有序放電行為對微網運行經濟性的影響。

綜上所述，微網動態(tài)經濟調度模型中增加可以加強時間關聯(lián)性的約束條件，考慮了可再生能源和負荷輸出功率波動性的影響，討論了需求側響應和電動汽車入網而引入新的隨機因素對微網經濟調度的影響。其中，針對可再生能源隨機性的影響，選擇合理有效處理隨機性的方法是十分有必要的，下面就現(xiàn)有文獻進行歸類總結。

2 微源隨機性問題的處理方法

微網系統(tǒng)中風、光電本身的不確定性和預測誤差帶來的不確定性，在調度過程中往往會出現(xiàn)功率的盈余或缺失，會造成系統(tǒng)經濟成本的增加和可靠性的降低。因此應用有效處理隨機性的方法來解決這類不確定性的問題具有重要的意義，大致可以分為以下幾種方法。

2.1 處理隨機性問題的確定性方法

應用確定性方法處理可再生能源隨機性問題，就是利用儲能裝置或響應速度快的可控負荷來補償因為隨機性造成的發(fā)電量的盈余和不足。如文獻[12]提出了應用鈉硫電池來平抑可再生能源出力的波動，有效地解決了功率波動對經濟調度的影響。文獻[22]的海島微網經濟調度模型，針對風能間歇性和隨機性的特征，提出一種將海水抽蓄電站作為儲能設備，配合風電，柴油機組構成微網為海島供電。這種方案很好地解決了風電出力波動帶來的影響，顯著降低了供電成本，且環(huán)境污染小。文獻[23]在含有風電場的經濟調度模型中引入正、負旋轉備用約束，以應對風電功率波動對調度結果帶來的影響。隨著研究的深入，利用需求側響應的“源-荷”雙側調度來平衡微源隨機性引發(fā)的波動越來越普遍。如文獻[24]在調度模型中考慮價格型需求響應，研究表明需求響應可以提高風電的消納能力。文獻[25]在風電調度模型中計及實時電價的需求響應，分析了價格型響應負荷對間歇性能源接入的影響。文獻[26]綜合考慮“源-荷”特性，在調度模型中引入可中斷負荷和分時電價這兩種需求側響應，以應對風電的反調峰特性和間歇性。

但是研究發(fā)現(xiàn)，這種方法是以高運行成本和低可靠性為代價來解決問題的，而且誤差較大，不能完全反映微源隨機性對經濟調度的影響。

2.2 處理隨機性問題的模糊理論建模方法

應用模糊理論建模方法處理微源隨機性問題，就是對負荷預測值和可再生能源輸出功率的不確定性，采用模糊變量進行表示。文獻[27]為解決風電不確定性問題，基于模糊理論采用梯形模糊數(shù)來表示每個優(yōu)化時段的風電出力，建立了包含風電場的動態(tài)經濟調度模糊模型。為更好地表達決策者的意愿，構建風電有功出力和總成本的隸屬度函數(shù)和滿意度指標，更好地適應風電輸出功率的隨機性。文獻[28]也是通過對風電的模糊化建模，將風險引入目標函數(shù)中，求取風險成本和發(fā)電成本兩個目標函數(shù)的最優(yōu)解。同時文獻[29]進一步證明模糊理論可以很好地解決含有不確定性風電的短期經濟調度問題。但是模糊建模的關鍵在于準確確定模糊變量的隸屬度函數(shù)，隸屬度函數(shù)本身不具有對偶性，傳統(tǒng)的模糊理論只能給出“可能性”的結論，很難給出“可信性”結論[30]。為了解決這一問題，已有文獻將模糊理論和可信度結合來處理風電的不確定性問題。文獻[31]將間歇式微源出力和負荷用模糊參數(shù)表示，將確定性約束改為模糊參數(shù)下的約束，并基于可信性理論建立了含多模糊參數(shù)的模糊機會約束模型。文獻[32]考慮風電預測誤差的模糊性，結合可信性理論和模糊機會約束規(guī)劃研究模糊置信水平下的動態(tài)經濟調度問題。

2.3 處理隨機性問題的概率分布函數(shù)方法

除了應用模糊理論解決不確定性問題，還包括基于隨機概率分布的概率建模方法。概率分布函數(shù)的確定主要是基于風速、風電場出力和風電功率的預測誤差來進行的。不同的概率分布模型將會對結果有著直接的影響。實際中風電預測比負荷預測更加困難，為了突出預測的不確定性，通常的做法是對預測誤差建立概率分布模型。例如文獻[33]考慮了風速預測結果，并且分別利用幾種不同的隨機分布函數(shù)來描述風速預測誤差，闡述不同概率密度函數(shù)對優(yōu)化結果的影響。文獻[34]對風電誤差進行統(tǒng)計，得到不同風電功率輸出水平下的誤差概率分布模型，預測誤差在預測值附近一般服從正態(tài)分布。文獻研究表明采用正態(tài)分布密度函數(shù)來描述預測誤差的概率分布和實際誤差分布函數(shù)較吻合。如文獻[35]通過對風速預測來推導風電功率的概率分布函數(shù)，風速預測誤差采用正態(tài)分布函數(shù)描述，在經濟調度中有著很好的表現(xiàn)。從建模的方法上可以看出，概率分布函數(shù)建模方法較模糊模型能夠更加準確地描述風電功率的不確定性。

隨機規(guī)劃方法作為一種能夠有效解決含有隨機變量優(yōu)化問題的方法，對考慮風電功率隨機分布的經濟調度問題有著廣泛的應用。文獻[36]針對風電的隨機性的影響，在風速預測的基礎上，應用隨機規(guī)劃理論建立了動態(tài)的經濟調度模型。而機會約束規(guī)劃可以有效地解決給定置信水平下具有隨機變量的優(yōu)化問題。文獻[37]是應用機會約束規(guī)劃來解決包含隨機因素的經濟調度模型。模型中的約束以概率的形式表示，風電的隨機性問題得到了有效的解決。文獻[38]建立了基于機會約束規(guī)劃的孤島模式微網經濟調度模型，風光出力和負荷預測誤差用隨機變量表示，供電可靠性通過一定置信水平下的旋轉備用表示。

但是隨機規(guī)劃方法是建立在已知隨機變量的精確概率分布的基礎之上的，實際中獲得這類微源和負荷的概率分布比較困難。為了更好地解決隨機性的問題，文獻[39]采用區(qū)間數(shù)優(yōu)化方法。一般對于變量的上下界很容易得到，利用區(qū)間描述變量的不確定性，基于區(qū)間序關系的轉換方法[40]，將模型中不確定的區(qū)間優(yōu)劣比較轉化為確定性的數(shù)值大小比較。文獻[41]針對可再生能源出力和負荷的不確定性，采用區(qū)間數(shù)對風速、光照強度以及負荷的變化的不確定性進行描述，提出基于區(qū)間線性規(guī)劃的微網經濟調度模型。文獻[42]考慮風電和負荷預測值不確定性，應用隨機模糊變量描述風電功率，以區(qū)間形式表述負荷預測的不確定性，利用負荷不等式區(qū)間約束將遺傳算法的初始尋優(yōu)種群模糊化，建立了電力系統(tǒng)隨機模糊多目標交易計劃模型。其中，區(qū)間模糊數(shù)學和隨機數(shù)學是處理不確定性信息的主要方法[32]。

2.4 處理不確定性問題的場景分析法

在已知隨機變量的概率分布的情況下，一般可以通過抽樣的方法來求解。文獻[23]應用極大似然估計從風速樣本中抽取數(shù)據，進而轉化為風電功率，此種方法因抽樣規(guī)模不同誤差較大。文獻[43]針對微網系統(tǒng)中風、光出力隨機性的問題，采用點估計法解決優(yōu)化模型中隨機變量的問題。文獻[44]風電的隨機性是通過場景模擬的方法來解決，采用拉丁超立方采樣獲得場景集，并利用基于概率距離的場景削減技術得到削減后的場景概率集，建立了考慮風電隨機性的微網動態(tài)經濟調度模型。

場景集分析方法是把具有連續(xù)概率分布的隨機性向量離散成場景集合[45]，把隨機優(yōu)化問題轉化為確定性問題。場景法可以明確體現(xiàn)不確定因素的概率特征，重點是研究場景的生成和場景集的削減兩個方面。場景集的生成方法現(xiàn)有文獻主要有幾下幾種抽樣方法：采用蒙特卡洛法抽樣得到大規(guī)模場景集[46]；采用基于自回歸滑動平均模型，并考慮風速多時刻之間的耦合性[47]；通過風電預測功率譜密度來構造場景集，應用線性回歸對歷史數(shù)據進行分析[48]。但是這類場景集的生成方法需要足夠巨大的抽樣規(guī)模，才能保證得到的場景集對原分布的近似。場景削減的方法包括快速向前選擇法、向后削減法和場景樹構造法等。但是這類方法通過遍歷搜索手段來得到最優(yōu)場景集，所以規(guī)模太大導致計算效率低。文獻[45]提出一種處理風電功率隨機性的模型，基于Wassertein距離衡量指標[49]，得到風電功率分布的最優(yōu)近似場景；并采用基于k-medoids的聚類方法得到削減后的場景模型，結果顯示近似程度高，計算速度快。所以場景分析求解概率模型關鍵是選擇合適的方法得到場景集合，并應用高效的削減技術得到具有代表性的概率場景。

3 微網多時間尺度經濟調度

微網不同時間尺度經濟調度本質上是減小運行誤差，使微網系統(tǒng)的抗干擾能力增強，更好地消納間歇性分布式電源。主要目的是平抑由于可再生微源和負荷的隨機性帶來的影響。目前關于多時間尺度的經濟調度問題的研究主要從日前和日內兩個時間尺度進行研究。

文獻[50]的研究彌補了基于短期功率預測技術單一的日前調度并不能完全反映可再生能源和負荷的預測誤差以及非計劃瞬時波動功率對能量管理系統(tǒng)的影響。結合基于超短期功率預測技術的日內調度，在不改變日前調度計劃的前提下來優(yōu)化網內的備用電源、儲能裝置的出力值，兩者協(xié)同共同優(yōu)化各微源的有功出力。文獻[51]提出了一種基于模型預測控制的日內滾動優(yōu)化校正策略，采用有限時間窗內的滾動優(yōu)化代替?zhèn)鹘y(tǒng)單斷面優(yōu)化，提前感知未來一段時間內的可再生能源出力以及聯(lián)絡線計劃的變化情況，對機組出力進行調整，并結合時域滾動和系統(tǒng)實時狀態(tài)反饋，來消除隨機性的影響。日前經濟調度多以小時為時間尺度，但是由于微源和負荷的隨機性使得預測誤差較大，需要實時性強的超短期預測來對其修正。一個是以“時”為尺度，另一個是以“分”為尺度，兩者的時間跨度較大。文獻[52]針對這一問題，在超短期和實時調度之間加入基于準則的功率分配快速消納可再生能源和負荷的功率波動環(huán)節(jié)，減小聯(lián)絡線的功率波動。文獻[53]提出時計劃、調整計劃及實時計劃多時間尺度的協(xié)同優(yōu)化控制方法。加入時間尺度為15 min的調整計劃，以預測曲線為目標，動態(tài)修正微源發(fā)電計劃，逐級平抑因誤差造成PCC功率波動；在以1 min為時間尺度的實時計劃中，利用儲能裝置快速跟蹤負荷的能力平抑因為突發(fā)事件產生的波動。因此，研究微網動態(tài)經濟調度不能僅僅依靠日前經濟調度，更需要多時間尺度協(xié)調優(yōu)化。

4 展 望

目前的研究主要集中在單一微網經濟調度問題。但是單一微網的工作容量有限，抗干擾能力較弱，運行工作過程中容易出現(xiàn)分布式電源出力突變，負荷的接入或脫離等問題，運行可靠性較差。近年來，微網群集經濟調度作為一種新的組網方式，通過子微網及分布式電源之間的能量調度和互補，可以進一步提分布式電源的滲透率。但是目前國內關于微網群集調度的研究還比較少，未來關于微網群集調度的研究，在微網群的組網方式、子網間的協(xié)調控制和微網群能量管理等方面值得做一些深入的研究。

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Aiming at the economic dispatch problems of micro-grid and according to the existing literatures, the classification of micro-grid economic scheduling model, methods of dealing with uncertain factors and multiple time-scale dispatch in the micro-source are discussed. Wherein, the economic dispatch model of micro-grid can be divided into static model and dynamic model; the methods of dealing with uncertain factors is mainly include deterministic method, fuzzy tool and stochastic probability distribution function technique; multiple time-scale dispatch in the micro-source mainly focuses on day-ahead scheduling based on super short time forecasting technique, daily scheduling based on super short time forecasting technique and real time scheduling based on "second". Finally, through comprehensive analysis, some promising research directions of micro-grid cluster scheduling are included.

micro-grid; economic dispatch; uncertainty; fuzzy theory; probability distribution function; multiple time scales

TM727

A

1003-6954(2017)02-0088-07

2016-11-13)

燕振剛(1991)，碩士研究生，研究方向為微電網經濟調度。