朱天成, 蔣 偉

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

時下流行的家庭能源管理系統(tǒng)(Home Energy Management System,HEMS)是智能電網(wǎng)需求側(cè)響應(yīng)項目在居民側(cè)的拓展[1]。HEMS的主要目標是節(jié)約能源、降低用戶能源消耗成本以及提高用戶的舒適度[2]。

家庭用電設(shè)備的運行調(diào)度是HEMS的核心問題。最近,一些研究提出了針對HEMS的用電調(diào)度策略。在分時電價機制下,對居民側(cè)的多種用電設(shè)備進行調(diào)度,為用戶節(jié)省電費。文獻[3]通過實時優(yōu)化調(diào)度,降低光伏(Photovaltaic,PV)發(fā)電和用戶用電不確定的影響,進而降低實際用電調(diào)度的成本。在文獻[4]提出的HEMS優(yōu)化調(diào)度模型中,將調(diào)溫設(shè)備、蓄電設(shè)備和其他用電設(shè)備結(jié)合起來進行建模,其調(diào)度目標也是為了減少系統(tǒng)運行成本。

不同用戶的用電習(xí)慣不同,同一個用戶在不同日期的用電情況也不同,因此在家庭微電網(wǎng)中會存在用電過?；蛘哂秒娙鳖~的情況。在傳統(tǒng)的HEMS中,用電不足時用戶只能從電網(wǎng)購買電能進行補充;用電過剩時只能出售給電網(wǎng)。這種僅存在用戶與電網(wǎng)之間的電能交換往往忽視了用戶與用戶之間電能交換可以進一步降低用電費用的潛能。

本文提出的基于共享蓄電池下的多用戶HEMS調(diào)度模型,不僅具有蓄電池模型的優(yōu)點,而且可以讓多個用戶間的電能互濟,從而進一步節(jié)約用電電費。

1 家庭能源管理系統(tǒng)

HEMS是由智能家居和智能電網(wǎng)構(gòu)成的,并且借助智能化的電表測量,將小區(qū)家庭用戶全部用電、發(fā)電和儲能設(shè)備整合為一體的小區(qū)家庭智能化網(wǎng)絡(luò)下的控制系統(tǒng)。在本文考慮的HEMS中,電力公司發(fā)布的電價信號和需求響應(yīng)信號通過智能電表傳給HEMS的控制器,HEMS的控制器通過家庭局域網(wǎng)利用無線(例如ZigBee)的方式與智能電器或智能插座進行通信交流,并結(jié)合用戶設(shè)置的參數(shù),以滿足用戶需求,且以最小化電費為目的自動調(diào)度用電設(shè)備的運行。

傳統(tǒng)的HEMS使得用戶與電網(wǎng)之間存在電能交流,如圖1所示。當(dāng)用戶發(fā)電不足時只能從電網(wǎng)購買電能,電能過剩時則保存在蓄電池中或出售給電網(wǎng)[5]。該模型的缺點是用戶與用戶之間的能源無法交流,導(dǎo)致電能不能得到充分利用。

本文提出一個基于共享的HEMS,如圖2所示。這里的用戶象征著用電設(shè)備,用電量不足時除了可以向電網(wǎng)買電外,還可以通過共享蓄電池得到其他用戶的剩余電能;過剩時,不僅可以出售給電網(wǎng),還可以出售給其他的用戶。單個用戶通過共享蓄電池進行了多用戶之間的聯(lián)系,使得電能得到充分的利用。

圖1 傳統(tǒng)的HEMS示意

圖2 基于共享的HEMS示意

1.1 用電設(shè)備模型

一般認為,小區(qū)家庭里的電氣設(shè)備可分為剛性負荷和柔性負荷兩類[6]。剛性負荷和柔性負荷的區(qū)別在于其具有的調(diào)度時間彈性。剛性負荷沒有時間彈性,用戶并不會為了降低電費而去降低用電體驗,故這類設(shè)備的用電需求應(yīng)優(yōu)先被滿足。本文對剛性負荷不進行建模,但在計算用戶總用電需求時,要將其消耗的電能包括在內(nèi);而對于柔性負荷,如洗碗機、洗衣機、烘干機和水泵等,用戶只關(guān)心用電任務(wù)是否在給定時間內(nèi)完成,因此根據(jù)其用電靈活性來緩解電網(wǎng)負荷在最高峰時供電緊張的狀況,下面主要對這類設(shè)備進行建模。

將一天切割為H個連續(xù)的時間間段,每個間段的長度為Δhstep=24×60/H(min)。用a=1,2,3,…,A表示柔性負荷的編號。引入一個二進制數(shù)sa(h)表示設(shè)備a在時隙h的工作狀態(tài):sa(h)=1表示設(shè)備處于工作狀態(tài);sa(h)=0表示設(shè)備處于閑置狀態(tài)。用[αa,βa]表示用戶設(shè)定的設(shè)備a允許工作時間區(qū)域,da為設(shè)備a完成某項任務(wù)所需要的工作時長,那么設(shè)備a應(yīng)符合的基本時間約束[7]為

(1)

(2)

上述約束適用于所有柔性負荷。為了使模型更具有實用性,本文將柔性負荷進一步分類。根據(jù)供電的持續(xù)性,分為可中斷設(shè)備和不可中斷設(shè)備。下面討論它們各自的約束條件。

可中斷設(shè)備(如熱水器等)在允許工作范圍內(nèi)可以開啟或暫停,不可中斷設(shè)備(如電飯煲等)一旦開始運行就必須保證在開始時隙與結(jié)束時隙之間一次性完成工作需求。因此,二者在符合以上基本時間約束的前提下,還需符合如下約束條件。

(1) 可中斷設(shè)備

sa(h)={0,1},h∈[αa,βa]

(3)

(2) 不可中斷設(shè)備

(4)

式(4)表示設(shè)備a在允許時隙內(nèi)為連續(xù)da個1。

對于柔性設(shè)備(如電飯煲),它在非工作狀態(tài)的功率為零,而在工作狀態(tài)的功率為Pa。為了簡化計算,假設(shè)這種設(shè)備在工作時均以其額定功率Pa運行,則其在時隙h的耗電量PDEFE(h)的計算式為

(5)

1.2 儲能設(shè)備

本文將蓄電池作為家庭儲能裝置。荷電的狀態(tài)(State of Charging,SOC)表示蓄電池的剩余容量與其額定容量的比值。在不同時刻下蓄電池的充放電過程會影響其SOC,則其動態(tài)過程[6]為

SOC(h+1)=SOC(h)+

(6)

Ebat——蓄電池的額定容量。

為了增加電池的用電壽命,需要將其SOC限制在一定范圍內(nèi),其約束條件為

(7)

當(dāng)蓄電池放電至下界限時,則不可以接著放電;當(dāng)蓄電池充電到上界限時,則不可以繼續(xù)充電。由于同一時刻蓄電池只允許是充電或放電中的一種,因此引入一個二進制變量sbat(h)表示電池的充放電狀態(tài)。在時隙h下,若電池處于充電狀態(tài),則Sbat(h)=1;若電池處于放電狀態(tài),則Sbat(h)=0。

考慮到蓄電池的充放電效率,在任何一時刻蓄電池的充放電量限制如下:

(8)

(9)

式中:ηch,ηdch——電池的充電和放電效率;

電池在各個時隙的輸出功率的計算式為

(10)

其正值表示充電,負值表示放電。

在多用戶里,可以假設(shè)共享的蓄電池容量和充放電功率與單用戶的蓄電池成正比,其他約束不變。

2 調(diào)度目標

2.1 不共享下單用戶最優(yōu)經(jīng)濟調(diào)度目標

不共享蓄電池下,小區(qū)電能規(guī)劃的對象是蓄電池的充放電行為以及對負荷的控制。首先根據(jù)實時電價來對負荷進行控制,然后規(guī)劃蓄電池的充放電行為。小區(qū)所安裝的蓄電池,通過彈性的充放電行為,將蓄電池視為發(fā)電設(shè)備(當(dāng)電網(wǎng)電價過高時或者陰雨天光伏發(fā)電不夠時)進行放電,同時將蓄電池看作負荷(電網(wǎng)的電價處于低谷時段以及晴朗的天氣光伏發(fā)電充裕時)進行充電。將蓄電池加入小區(qū)中,可以間接起到削峰填谷的作用,同時也可以節(jié)省電費。加入蓄電池后的電能優(yōu)化調(diào)度方法的思想是,在一天里的充放電行為根據(jù)可再生能源的充裕度和電網(wǎng)的電價進行合理的調(diào)配,以減少用電的波動性。

家庭能源控制系統(tǒng)的基本調(diào)度目標是節(jié)省用戶用電費用。單用戶調(diào)度目標函數(shù)可表示為

(11)

PGRID(h)=PNDEFE(h)+PDEFE(h)+

Pbat(h)-Ppv(h)

(12)

式中:RTP(h)——電力公司發(fā)布的實時電價;

PGRID(h)——每個時間段家庭向大電網(wǎng)購入或賣出的電量,正值表示購入的電量,負值表示賣出的電量;

PNDEFE(h)——所有剛性負荷在時隙h的總耗電量,這類設(shè)備的用電量和用電時段不可調(diào)節(jié),需要實時監(jiān)測以疊加到所有設(shè)備的總耗電量中;

PDEFE(h)——柔性負荷的電力消耗量;

Ppv(h)——PV模塊在h時隙的輸出功率。

此外,蓄電池在h時隙的輸出功率Pbat(h)的正值為充電,負值為放電。根據(jù)電網(wǎng)的需求響應(yīng)機制,每個時隙的Ppv(h)都應(yīng)有上限的約束限制。

2.2 小區(qū)共享蓄電池下的最優(yōu)經(jīng)濟調(diào)度目標

基于共享蓄電池能夠?qū)崿F(xiàn)小區(qū)用戶間的電能互補,使用戶側(cè)的可再生發(fā)電得到合理利用,蓄電池充分發(fā)揮其儲能功能,同時也能滿足小區(qū)內(nèi)各個家庭的用電需求。因為單個用戶通過共享蓄電池進行了多用戶之間的聯(lián)系,進而使得用電費用更少。每個用戶建模的思想是一致的。小區(qū)共享蓄電池下的最優(yōu)經(jīng)濟調(diào)度目標為

(13)

式中:COS,Tall——小區(qū)內(nèi)n個用戶的總用電成本;

COS,Tui——第i個用戶的用電成本,i=1,2,3,…,n。

該調(diào)度目標的約束為每個單用戶的約束。

3 仿真實驗與結(jié)果分析

為了證明多用戶基于共享下的HEMS具有更優(yōu)的經(jīng)濟性,本文假設(shè)某小區(qū)包含用戶A和用戶B,分別在傳統(tǒng)的HEMS和共享蓄電池的HEMS下進行仿真分析。本文討論的HEMS包含用電設(shè)備、儲能設(shè)備和屋頂光伏發(fā)電模塊。對一天的用電任務(wù)進行優(yōu)化,將一天24 h分成48個連續(xù)的時間段。在調(diào)度執(zhí)行前,用戶可以通過人機交互界面將柔性負荷的相關(guān)參數(shù)提供給調(diào)度控制器。假設(shè)兩個用戶的柔性用電器參數(shù)如表1所示。表1中,用戶A和用戶B下的數(shù)字1表示有這個設(shè)備,數(shù)字0表示沒有該設(shè)備。在是否中斷這列里,1表示可以中斷,0表示不可以中斷。

表1 用戶A和用戶B一天柔性用電器參數(shù)

兩個用戶的剛性負荷功率以及光伏發(fā)電的功率如圖3所示。單個用戶的儲能設(shè)備為鉛鋅蓄電池,其容量為40 kWh,充放電功率最大值為5 kW,充放電效率都為0.98,其SOC需維持在0.2～0.9,初始SOC都為0.5。

圖3 剛性負荷功率和光伏發(fā)電功率

此外,電力公司會將實時電價信息通過智能電表發(fā)送給用戶。本文采用美國Ameren公司提供的實時電價數(shù)據(jù)。

3.1 單用戶在傳統(tǒng)的HEMS下的調(diào)度結(jié)果

圖4 傳統(tǒng)HEMS下用戶A的調(diào)度結(jié)果

3.2 多用戶在基于共享的HEMS下的調(diào)度結(jié)果

圖6 基于共享HEMS下多用戶的調(diào)度結(jié)果

對比前后的優(yōu)化結(jié)果,可知基于多用戶共享蓄電池后可以實現(xiàn)小區(qū)內(nèi)部電能的合理分配,減少了與電網(wǎng)交換功率的時段,使得整個小區(qū)的用電費用大大減少。

4 結(jié) 語

本文介紹了面向HEMS的多用電設(shè)備運行調(diào)度方法。所提出的調(diào)度模型中包含了柔性負荷、剛性負荷和儲能設(shè)備。在單用戶建模過程中,還考慮了儲能設(shè)備的影響,儲能設(shè)備的充放電決策為中間調(diào)控手段,可加強整體經(jīng)濟效益。仿真結(jié)果表明:多用戶基于共享蓄電池的用電費用可以進一步優(yōu)化,節(jié)省電費;將剩余的光伏電能進行合理調(diào)度,可使多家庭用戶間進行電能的互補共享,電能得到合理的使用,最終讓小區(qū)能夠在一定程度上降低購電費用。