張 娟

(東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林132012)

近年來，為了能有效緩解能源危機和環(huán)境問題，可再生能源發(fā)電逐步受到關(guān)注[1-2].孤島微電網(wǎng)由于其獨立組網(wǎng)的特點，為高原、海島等偏遠地區(qū)分散電力提供了有效的解決方法.然而，由于可再生能源出力的隨機性和波動性給電力系統(tǒng)安全運行帶來較大挑戰(zhàn)[3]，這使得微電網(wǎng)的經(jīng)濟調(diào)度難度大大增加，而合理的調(diào)度微網(wǎng)內(nèi)資源將有助于提高微網(wǎng)的運行經(jīng)濟性.因此研究微電網(wǎng)內(nèi)源儲荷協(xié)調(diào)優(yōu)化意義重大.傳統(tǒng)模式下的微電網(wǎng)大多從供應(yīng)側(cè)研究能源優(yōu)化分配，然而隨著電能需求的日益增長，負荷峰谷差逐漸被拉大，這使得需求側(cè)響應(yīng)得到廣泛關(guān)注[4-5].需求側(cè)響應(yīng)是指用戶根據(jù)價格信號或激勵機制做出響應(yīng)，改變其固有用電模式的行為，可分為價格型需求側(cè)響應(yīng)和激勵型需求側(cè)響應(yīng)[6].伍惠鋮等[7]針對含有多個售電商的智能住宅小區(qū)，提出了一種考慮負荷轉(zhuǎn)移和多重博弈的智能小區(qū)需求側(cè)響應(yīng)策略，算例結(jié)果驗證了所提策略可以有效提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性.羅鑫等[8]為了實現(xiàn)微電網(wǎng)源-網(wǎng)-荷的綜合優(yōu)化，采用混沌煙花算法對微電網(wǎng)中需求側(cè)負荷與電源側(cè)功率進行綜合優(yōu)化，算例結(jié)果表明此模型使得微網(wǎng)系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性有所提高.陳厚合等[9]綜合考慮風(fēng)電預(yù)測誤差、負荷波動等因素，將需求側(cè)響應(yīng)與旋轉(zhuǎn)備用聯(lián)系起來建立優(yōu)化模型.劉寶林等[10]提出了一種售電收益最大化和需求側(cè)補償成本最小化為目標(biāo)的微電網(wǎng)能量優(yōu)化調(diào)度策略，算例結(jié)果表明所提調(diào)度策略提高了系統(tǒng)運行的經(jīng)濟型.黃燾等[11]在考慮大電網(wǎng)分時電價的基礎(chǔ)上引入需求側(cè)管理，建立了含風(fēng)光燃儲的微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型，降低了用戶的購電成本，同時也提高了用戶的舒適度.

然而到目前為止，對于需求側(cè)響應(yīng)的探討都集中于研究需求側(cè)響應(yīng)帶來的經(jīng)濟優(yōu)勢，但是文獻中很少嘗試量化需求側(cè)響應(yīng)的經(jīng)濟效益.Dharme等[12]量化了需求側(cè)響應(yīng)的經(jīng)濟效益，但是僅僅考慮了單個指數(shù)，對于需求側(cè)響應(yīng)的其他效益并未做出評估.因此，本文在已研究基礎(chǔ)上對含風(fēng)力發(fā)電機、光伏發(fā)電機、柴油發(fā)電機以及蓄電池儲能組成的微電網(wǎng)作為研究對象，提出了孤島微電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度模型.該模型綜合考慮了微電網(wǎng)直接經(jīng)濟成本、需求側(cè)響應(yīng)成本以及綜合碳排放治理成本，同時提出了量化需求側(cè)響應(yīng)的三個指標(biāo)，可用于確定特定需求側(cè)響應(yīng)對于微電網(wǎng)系統(tǒng)的可用性，同時也可以為調(diào)度人員工作提供參考依據(jù).最后采用CPLEX對所提模型分別在四種模式下進行算例求解，驗證了所提模型的有效性.

1 微電網(wǎng)系統(tǒng)模型

微電網(wǎng)是一個把各個分布式電源及負荷、儲能設(shè)備結(jié)合在一個系統(tǒng)里的小型可控電力系統(tǒng).一般的微電網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示，包括風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池儲能系統(tǒng)、柴油發(fā)電機以及負荷.負荷作為分布式電力系統(tǒng)中的重要組成部分，可分為可控負荷和不可控負荷，不可控負荷為一些基礎(chǔ)性用電設(shè)備，如照明用電、通信用電等，在調(diào)度時段內(nèi)優(yōu)先滿足其供電；可控負荷為一些用電時段具有一定靈活性的用電設(shè)備，如洗衣機、可定時電飯煲等，在調(diào)度時段內(nèi)采用激勵型需求響應(yīng)直接控制方式進行負荷轉(zhuǎn)移，并給予補償.本文所研究的需求側(cè)響應(yīng)模型主要是以可控制負荷為研究對象.

1.1 光伏發(fā)電模型

光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率與外界的溫度Tamb和光照度R有關(guān)，關(guān)系為[13]

(1)

(2)

在公式(1)和公式(2)中：PPV，STC為標(biāo)準(zhǔn)測試條件下最大功率；RSTC為標(biāo)準(zhǔn)測試條件下光照度值；γ為一個系數(shù)；Tr、Ta和TNOC分別為光伏單元的參照溫度，光伏單元的實際溫度和在正常運行條件下光伏單元的溫度.

1.2 風(fēng)力發(fā)電模型

對于風(fēng)力發(fā)電機，風(fēng)能轉(zhuǎn)化為風(fēng)機功率輸出的能量轉(zhuǎn)換公式為

(3)

公式中：ρ為空氣密度；R為風(fēng)機葉片的半徑；V為葉尖來風(fēng)速度；CP為風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，是葉尖速比λ與葉片槳距角θ的函數(shù)，表達式為

Cp=f(θ，λ).

(4)

葉尖速比λ定義為

(5)

公式中：Ww為風(fēng)機機械角速度(rad/s).

1.3 柴油發(fā)電機模型

柴油發(fā)電機的燃料消耗量[14]是其輸出功率的線性函數(shù)，即

F=F0×Ygen+F1×Pgen，

(6)

公式中：F為燃料消耗率；F0為截距系數(shù)；F1為斜率；Ygen為柴油發(fā)電機額定功率；Pgen為實際輸出功率.

柴油發(fā)電機運行功率約束為

(7)

公式中：Lmin為柴油機最小負載率.

此部分中柴油發(fā)電機產(chǎn)生的碳排放CO2(Pd)可以表示為[15]

(8)

公式中：a、b和c分別為碳排放系數(shù)，它們的值分別設(shè)定為28.144 4、1.728和0.001 7.

1.4 蓄電池模型

對容量為Cb額定電壓為Ub的單體鉛酸蓄電池，假設(shè)其允許的最大放電深度為D，放電效率為μb，則每次充放電蓄電池可提供的電能為

Eb=CbUbDμb×10-3.

(9)

一般情況下，蓄電池工作電壓穩(wěn)定，工作電流控制在 0.1 CA 左右，故蓄電池的輸出功率為

Pb=CbUb×10-4.

(10)

2 基于低碳效益的微電網(wǎng)調(diào)度模型

2.1 微電網(wǎng)運行的低碳綜合成本模型

微電網(wǎng)運行的低碳綜合成本包括三部分：直接經(jīng)濟成本CZ、需求側(cè)響應(yīng)成本CX和綜合碳排放治理成本CP.

2.1.1 微電網(wǎng)直接經(jīng)濟成本

微電網(wǎng)的直接經(jīng)濟成本包括分布式電源運行成本以及蓄電池儲能系統(tǒng)運行成本兩部分.

(1)分布式電源運行成本分析

風(fēng)機、光伏發(fā)電系統(tǒng)和柴油發(fā)電機的運維成本相似，因為風(fēng)和光都是清潔能源，不計發(fā)電成本，所以風(fēng)機和光伏發(fā)電系統(tǒng)主要考慮設(shè)備維護成本，如公式(11)和公式(12)所示.柴油發(fā)電機運行需要考慮其發(fā)電成本和運維成本兩部分，其發(fā)電成本與火電機組的發(fā)電成本類似，是與其輸出功率的二次方相關(guān)；其維護成本與風(fēng)、光發(fā)電系統(tǒng)相似，都與輸出功率正相關(guān)，如公式(13)所示.

Com-pv=Cm-pv·Ppv，t，

(11)

Com-wt=Cm-wt·Pwt，t，

(12)

(13)

公式中：Cm-pv、Cm-wt和Com-de分別為光伏發(fā)電單元、風(fēng)力發(fā)電機和柴油發(fā)電機的單位功率維護成本；Ppv，t、Pwt，t和Pde，t分別為光伏發(fā)電單元、風(fēng)力發(fā)電機和柴油發(fā)電機在t時刻輸出的額定功率；a、b、c分別為柴油發(fā)電機的發(fā)電擬合系數(shù).

(2)蓄電池儲能系統(tǒng)運行成本分析

蓄電池儲能系統(tǒng)的運行維護成本可以分成固定部分和可變部分，前者與蓄電池儲能系統(tǒng)的額定容量有關(guān)，后者與蓄電池儲能系統(tǒng)的累積發(fā)電量有關(guān)，可表示為：

Com-ess=Cm-ess·Rr-ess+Cme-ess·Ea，

(14)

公式中：Cm-ess·Rr-ess為蓄電池儲能系統(tǒng)運維成本的固定部分；Cm-ess、Rr-ess分別為蓄電池儲能系統(tǒng)的單位運行維護成本和額定容量；Cme-ess·Ea為蓄電池儲能系統(tǒng)的可變運維成本；Cme-ess、Ea分別為蓄電池儲能系統(tǒng)的單位運維成本和統(tǒng)計周期內(nèi)的總充放電電量.

Cz=Com-pv+Com-wt+Cde+Com-ess.

(15)

2.1.2 需求側(cè)響應(yīng)成本分析

可轉(zhuǎn)移負荷主要是根據(jù)供需雙方事先簽訂好的協(xié)議，由調(diào)度中心向用戶發(fā)出信號，將用電高峰時期的某些比較靈活的負荷轉(zhuǎn)移到用電低谷期或者新能源出力的高峰期，經(jīng)過用戶的響應(yīng)之后，主動轉(zhuǎn)移部分負荷，按照協(xié)議用戶會得到一定的費用補償，其補償費用為

(16)

公式中：ρ為可轉(zhuǎn)移負荷的補償系數(shù)；Lin，t為t時刻轉(zhuǎn)入的負荷量；Lout，t為t時刻轉(zhuǎn)出的負荷量.當(dāng)分布式出力大于負荷的時候，Lin，t0，Lout，t=0；當(dāng)分布式出力小于負荷的時候，Lout，t0，Lin，t=0.

2.1.3 綜合碳排放治理成本分析

柴油發(fā)電機發(fā)電運行過程中會消耗燃料產(chǎn)生污染氣體，例如CO2、SO2、NOx等.為了統(tǒng)計并減少這些氣體的排放，就應(yīng)該減少柴油發(fā)電機啟動運行，依據(jù)不同氣體對大氣污染的程度不同，從而設(shè)置單位氣體排放治理費用，類似于罰函數(shù)的形式從而產(chǎn)生環(huán)境保護成本，表達式如下所示：

(17)

2.2 基于低碳綜合成本的微電網(wǎng)調(diào)度模型

2.2.1 微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)

微電網(wǎng)利用大量的清潔能源，促進了用電、發(fā)電過程的低碳化，根據(jù)上文建立的微電網(wǎng)低碳綜合成本模型，調(diào)度的目標(biāo)是使低碳綜合效益最大，低碳綜合成本最小，微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)為

minC1=min(Com-pv+Com-wt+Cd2+Com-ess+CDR+Cpol).

(18)

2.2.2 微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型約束條件

功率平衡約束

PL+Pde+Ppv+Pwt+Pat+Punmet，

(19)

公式中：PL為負荷功率；Punmet為未滿足的負荷功率；Pde、Ppv、Pwt、Pbat分別為柴油發(fā)電機、光伏、風(fēng)機和蓄電池功率，其中Pbat為正表示放電，為負表示充電.

設(shè)備級約束條件

(1)風(fēng)機光伏輸出功率約束

(20)

公式中：Pwt-max為當(dāng)前風(fēng)機最大可輸出功率；Ppv-max為當(dāng)前光伏最大可輸出功率.

(2)柴油發(fā)電機功率約束

kde-minPde-rate≤Pde≤Pde-rate，

(21)

公式中：Pde-rate為柴油發(fā)電機額定功率；kde-min為柴油發(fā)電機最小功率比例系數(shù)，通常可設(shè)為0.3.

(3)蓄電池功率和SOC約束[16]

(22)

公式中：Smax和Smin分別為蓄電池SOC的上下限值；Pmax-charge和Pmax-discharge分別為設(shè)定的蓄電池最大充放電功率；η為蓄電池轉(zhuǎn)換效率，充電時取充電效率ηc，放電時取放電效率ηd的倒數(shù)1/ηd；Rbat為蓄電池總?cè)萘浚沪為時間步長.

系統(tǒng)規(guī)劃約束條件

(1)可轉(zhuǎn)移負荷的限值約束為

(23)

(24)

(25)

(2)未滿足負荷率約束

(26)

公式中：funmet為未滿足負荷比例，可用于表征離網(wǎng)型微電網(wǎng)的供電可靠性.離網(wǎng)型微電網(wǎng)未與大電網(wǎng)相連，其負荷需求全部由系統(tǒng)自身獨立供應(yīng).在進行優(yōu)化配置時，未滿足負荷比例通常小于一定的限值f1.

(3)碳排放約束

為了嚴(yán)格控制碳排放量，減少溫室氣體的排放，碳排放需要低于碳排的最大值CO2max，即

CO2(Pd)≤CO2max.

(27)

2.3 需求側(cè)響應(yīng)評價指標(biāo)

電力需求側(cè)響應(yīng)是通過改變用戶用電方式、提高終端用電效率等手段對終端電能使用進行控制，在滿足用戶電能使用效用的同時降低電力消耗.微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的主要目標(biāo)是消減高峰負荷同時提高新能源消納率.因此可以提出三個指標(biāo)來量化需求側(cè)響應(yīng)結(jié)果.

(1)峰值消減指數(shù)

需求側(cè)管理如果合理規(guī)劃，可以減少一些高峰時段負荷，從而減輕操作員的壓力.峰值消減指數(shù)可表示為

(28)

公式中：LFDSM是考慮需求側(cè)響應(yīng)時的電網(wǎng)負載系數(shù)，LFWDSM是在沒有計及需求響應(yīng)的情況下運行的電網(wǎng)負載系數(shù).如果需求側(cè)管理成功削減了在高峰時段的負載，峰值功率削減指數(shù)會增大.

(29)

(30)

(2)可再生能源消納率

需求側(cè)管理如果合理規(guī)劃，可以在可再生能源出力峰值時刻多轉(zhuǎn)移一些負荷來消納風(fēng)光等能源，所以可再在能源的消納率應(yīng)該會增加.可再生能源消納率指數(shù)Mrei可表示為

(31)

公式中：Pgr為由可再生能源提供的有功功率；Pgt為所有微源提供的有功功率.

(3)用戶舒適度

用戶各時段的用電量同用戶的舒適度密切相關(guān)，一般來講，考慮到用戶對電價的自適應(yīng)性，可以認為，在相對穩(wěn)定的電價水平下，用戶將會自主選擇其舒適度最大的用電方式.需求側(cè)響應(yīng)的投入會改變系統(tǒng)中負荷結(jié)構(gòu)，使用戶舒適度降低.因此用戶舒適度也是需求側(cè)響應(yīng)的一個評價指標(biāo)，其可表示為

(32)

3 算例分析

3.1 算例設(shè)置

以某孤島微網(wǎng)為例，該微網(wǎng)內(nèi)有2臺柴油發(fā)電機160 kW，蓄電池容量為800 kW，風(fēng)電機組裝機容量為350 kW，光伏裝機容量為250 kW.柴油發(fā)電機和可再生能源的功率限值如表1所示；污染物對應(yīng)環(huán)境價值如表2所示.儲能電池SOC初始值為0.4，最大值為0.9，最小值為0.2.蓄電池充電效率為1，放電效率為0.96.其中表1為風(fēng)機、光伏和柴油發(fā)電機參數(shù)，表2為污染物對應(yīng)環(huán)境價值[17].在此微電網(wǎng)配置下，本節(jié)以微電網(wǎng)直接經(jīng)濟成本、需求側(cè)響應(yīng)成本以及綜合碳排放治理成本為目標(biāo)函數(shù)，考慮功率平衡約束、設(shè)備約束以及系統(tǒng)規(guī)劃約束條件對此微電網(wǎng)進行優(yōu)化調(diào)度，并通過峰值消減指數(shù)、可再生能源消納率以及用戶舒適度三個需求側(cè)響應(yīng)指標(biāo)來量化需求側(cè)響應(yīng)效益.

表1 風(fēng)機、光伏和柴油發(fā)電機參數(shù)

表2 污染物對應(yīng)環(huán)境價值

3.2 仿真結(jié)果分析

區(qū)域光伏功率、風(fēng)電功率以及負荷的預(yù)測值，如圖2所示.系統(tǒng)負荷、新能源總出力以及凈負荷對比情況，如圖3所示.凈負荷表示的是WT、PV滿足負荷后的剩余功率.從圖2可以看出新能源出力與用電負荷的時序性并不一致.0時到下午4時系統(tǒng)中存在過剩功率，而在4時之后又出現(xiàn)功率不足的現(xiàn)象.為了保證該地區(qū)的供電可靠性，同時最大程度的利用本地風(fēng)光等可再生能源，需要通過增加儲能裝置或者實施需求側(cè)響應(yīng)措施.為了研究儲能系統(tǒng)和需求側(cè)響應(yīng)在微電網(wǎng)中削峰填谷能力和可再生能源消納率的影響，分別設(shè)計了4個情景進行對比優(yōu)化分析：

情景一：系統(tǒng)中不含儲能和需求側(cè)響應(yīng).

情景二：系統(tǒng)中只含儲能裝置.

情景二：系統(tǒng)只考慮需求側(cè)響應(yīng).

情景四：系統(tǒng)中同時采用儲能裝置和需求側(cè)響應(yīng)，兩者聯(lián)合運行.

圖2 光伏風(fēng)電以及負荷的預(yù)測值 圖3 各種負荷對比情況

3.2.1 情景1調(diào)度結(jié)果分析

場景一中各微電源出力情況如圖4所示；從圖4可以看出，下午4時之后盡管柴油發(fā)電機以最大功率供負荷，系統(tǒng)中仍存在大量負荷未得到滿足.運行成本為7 949.7元，碳排放治理成本為998.5元，峰值功率消減指數(shù)為0.524，新能源消納率為77.6%，由于未進行負荷轉(zhuǎn)移，用戶舒適度為1，未滿足負荷占比為14.6%.

圖4 場景一各微電源出力情況圖 圖5 場景二各微電源出力情況

3.2.2 場景2調(diào)度結(jié)果分析

場景二中各微電源出力情況如圖5所示；加入蓄電池之后蓄電池充放電功率如圖6所示.從圖5可以看出在凈負荷為負的時刻仍有部分未滿足的負荷.從圖6可以看出在凈負荷為正時，多余的功率對蓄電池充電而在凈負荷為負時蓄電池放電.與情景一相比，由于加入蓄電池儲能運行成本增加為7 536.4元，新能源消納率增加為81.2%，未滿足負荷占比降低為3.4%，碳排放治理成本為849.5元；由于未進行負荷轉(zhuǎn)移，峰值功率消減指數(shù)為0.628，用戶舒適度仍為1.

圖6 蓄電池充放電功率圖7 場景三各微電源出力情況

3.2.3 場景3調(diào)度結(jié)果分析

場景三中各微電源出力情況如圖7所示；需求側(cè)響應(yīng)前后負荷對比情況如圖8所示；負荷轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出情況如圖9所示.從圖7可以看出在凈負荷為負的時刻仍有部分未滿足的負荷.與情景一相比，由于增加了需求側(cè)響應(yīng)措施，運行成本增加為7 754.9元，碳排放治理成本為734.5元，新能源消納率增加為84.7%，未滿足負荷占比降低為4.1%；由于進行了負荷轉(zhuǎn)移，峰值功率消減指數(shù)增加為0.634，用戶舒適度降低為0.684.

圖8 需求側(cè)響應(yīng)前后負荷對比情況圖9 負荷轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出情況

3.2.4 場景4調(diào)度結(jié)果分析

場景四各微電源出力情況如圖10所示；加入蓄電池之后蓄電池充放電功率如圖11所示；需求側(cè)響應(yīng)前后負荷對比情況如圖12所示；負荷轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出情況如圖13所示.從圖10可以看出系統(tǒng)中沒有未滿足的負荷.從圖11可以看出在凈負荷為正時，多余的功率對蓄電池充電而在凈負荷為負時蓄電池放電.由于同時增加了蓄電池儲能和需求側(cè)響應(yīng)措施，較情景二和情景三，運行成本降低為6 985.6元，新能源消納率為93%，系統(tǒng)中未滿足負荷為0，碳排放治理成本為649.8元；較情景三負荷峰值功率消減指數(shù)增加為0.812，較情景三相比，由于負荷轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出時間段減少，因此用戶滿意度增加為0.896.

表3 四種模式下的各個參數(shù)值

圖10 場景四各微電源出力情況圖11 蓄電池充放電功率圖12 需求側(cè)響應(yīng)前后負荷對比情況圖13 負荷轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出情況

4 結(jié) 論

本文考慮需求側(cè)響應(yīng)，構(gòu)建了包含儲能系統(tǒng)的微電網(wǎng)“源-儲-荷”優(yōu)化模型，同時設(shè)置了兩個評價指標(biāo)來評估需求側(cè)響應(yīng)效益.為了驗證儲能和需求側(cè)響應(yīng)的作用，設(shè)立了4種情景，通過對比分析進行驗證.結(jié)果表明：

(1)儲能系統(tǒng)將可再生能源消納率從77.6%提高到81.2%，同時降低了系統(tǒng)中未滿足負荷占比，提高了微電網(wǎng)系統(tǒng)用戶用電的可靠性.

(2)需求側(cè)響應(yīng)的引入也能夠在一定程度上降低未滿足負荷占比，同時可以改變負荷結(jié)構(gòu)，使負荷曲線在時序上更加貼近新能源發(fā)電曲線，從而將可再生能源消納率從81.2%提高到84.7%.

(3)同時引入儲能系統(tǒng)和需求側(cè)響應(yīng)可以使二者對提高可再生能源消納率的作用更為明顯，即將該數(shù)值從84.7%提高到93.7%，比二者單獨作用時的效果更佳，同時降低微電網(wǎng)內(nèi)未滿足負荷為0，增加了微電網(wǎng)的運行可靠性.