陳恩玲, 王向文，賈明瀟，孫充

(1.上海電力大學(xué)電子與信息工程學(xué)院, 上海市 201306；2.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司松江供電公司，上海市 201600)

0 引 言

微電網(wǎng)(microgrid, MG)作為一個(gè)單一可控實(shí)體，既可以并網(wǎng)運(yùn)行，也可以“孤島”運(yùn)行[1]。在配電網(wǎng)故障時(shí)，通過(guò)保護(hù)動(dòng)作和解列控制，可使微電網(wǎng)與配電網(wǎng)解列轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行[2]，MG可以與非故障停電區(qū)域內(nèi)的部分負(fù)荷組成供電孤島，幫助其盡快恢復(fù)供電，極大地提高了用戶與配電系統(tǒng)的供電可靠性，增強(qiáng)了微電網(wǎng)抵御自然災(zāi)害與應(yīng)對(duì)突發(fā)故障的能力。孤島微電網(wǎng)缺乏大電網(wǎng)的支撐，且分布式電源和負(fù)載波動(dòng)具有不確定性，導(dǎo)致微電網(wǎng)應(yīng)急能源管理策略的研究成為難點(diǎn)。文獻(xiàn)[3]在商業(yè)樓宇型微網(wǎng)進(jìn)入孤島狀態(tài)下，提出考慮計(jì)劃停電與非計(jì)劃停電兩種情況的應(yīng)急能量管理策略，該策略能夠維持停電期間對(duì)重要負(fù)荷的供電，減小停電給用戶帶來(lái)的損失。文獻(xiàn)[4]針對(duì)電網(wǎng)供電缺失環(huán)境下電量有限的情況，以進(jìn)行電能共享的多園區(qū)為研究對(duì)象，建立多園區(qū)有限電量?jī)?yōu)化調(diào)度模型，有效降低了停電損失和儲(chǔ)能配置成本，同時(shí)提高用戶滿意度。

與大多數(shù)微電網(wǎng)不同，家庭微電網(wǎng)是一個(gè)集電網(wǎng)、小型可再生能源發(fā)電系統(tǒng)、分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)和多種家用電器為一體的家庭微電力系統(tǒng)[5-7]。隨著儲(chǔ)能和通信技術(shù)的發(fā)展，家庭微電網(wǎng)的儲(chǔ)能方式有所創(chuàng)新。云儲(chǔ)能(cloud energy service, CES)是一種基于云的共享式儲(chǔ)能技術(shù)[8]，用戶可以隨時(shí)按需使用運(yùn)營(yíng)商提供的集中式儲(chǔ)能資源，并與其他用戶進(jìn)行電能交易，提高了儲(chǔ)能資源利用率[9]。當(dāng)微電網(wǎng)進(jìn)入孤島狀態(tài)運(yùn)行，家庭微電網(wǎng)就會(huì)面臨停電問(wèn)題。根據(jù)城區(qū)供電公司歷年停電原因的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，計(jì)劃停電在所有停電中所占比例最大[10]。電力設(shè)備停電直接關(guān)系到用戶的利益，合理的應(yīng)急能源調(diào)度策略可以減少停電給用戶造成的損失。目前，研究較多的是在家庭微網(wǎng)正常并網(wǎng)狀態(tài)下的能量管理調(diào)度策略，而在計(jì)劃停電情況下基于云儲(chǔ)能的住宅微電網(wǎng)的應(yīng)急能源管理鮮少涉及。

本文在配電網(wǎng)發(fā)生計(jì)劃停電的情況下，考慮降低用戶損失和用戶不滿意度，制定云儲(chǔ)能用戶的應(yīng)急能源管理策略。將云儲(chǔ)能分為兩組儲(chǔ)能供電，保證計(jì)劃停電期間重要負(fù)荷的穩(wěn)定供電。該策略以“先調(diào)節(jié)、后切除”為原則[11]，合理分配有限電量，有效降低停電損失和用戶不滿意度。采用遺傳算法進(jìn)行求解，通過(guò)仿真分析，證明所提策略的合理性和有效性。

1 家庭型微網(wǎng)的云儲(chǔ)能模型

1.1 云儲(chǔ)能服務(wù)概述

云儲(chǔ)能系統(tǒng)由云儲(chǔ)能用戶、云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商、儲(chǔ)能設(shè)施3部分組成[12]。云儲(chǔ)能用戶包含不同的家庭微電網(wǎng)，儲(chǔ)能設(shè)施是由云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商集中投資建設(shè)，云儲(chǔ)能用戶向運(yùn)營(yíng)商購(gòu)買獲得儲(chǔ)能電池的使用權(quán)限，無(wú)需自行安裝分布式儲(chǔ)能。云儲(chǔ)能對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)是虛擬的儲(chǔ)能電池，用戶訂閱云儲(chǔ)能服務(wù)，通過(guò)APP控制云電池的充放電時(shí)間表。云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商通過(guò)集中式儲(chǔ)能的方式為微電網(wǎng)內(nèi)用戶提供分布式存儲(chǔ)服務(wù)，綜合用戶信息進(jìn)行調(diào)度決策，更充分利用儲(chǔ)能電池，調(diào)度儲(chǔ)能的充放電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1.2 孤島狀態(tài)下的家庭微電網(wǎng)的云儲(chǔ)能模型

1.2.1 模型組成部分

孤島狀態(tài)下，只有光伏出力和云儲(chǔ)能為用戶負(fù)荷提供電能，孤島狀態(tài)下家庭微電網(wǎng)的云儲(chǔ)能模型如圖1所示，模型主要由云儲(chǔ)能用戶、云儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商和儲(chǔ)能設(shè)備3部分組成。圖中云儲(chǔ)能用戶負(fù)荷分為兩種：重要負(fù)荷和可控負(fù)荷[3]，云儲(chǔ)能也對(duì)應(yīng)分供電儲(chǔ)能和交易儲(chǔ)能雙組儲(chǔ)能供電。

圖1 孤島狀態(tài)下家庭微電網(wǎng)的云儲(chǔ)能模型Fig.1 Cloud energy storage model of household microgrid in island state

重要負(fù)荷是指斷電會(huì)給用戶生活造成較大影響的家電，如通信類、照明類家電等[13]。可控負(fù)荷如電飯鍋、熱水器等，這類負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間有一定規(guī)律且可調(diào)節(jié)，其短時(shí)間斷電對(duì)用戶造成的損失較小，可參與應(yīng)急能源調(diào)度，調(diào)整運(yùn)行時(shí)間或短時(shí)間切除供電。

1.2.2 云儲(chǔ)能的雙組儲(chǔ)能調(diào)度模型

配電網(wǎng)停電情況下，云儲(chǔ)能可以平滑光伏波動(dòng)，并作為應(yīng)急電源參與應(yīng)急能源調(diào)度。把計(jì)劃停電時(shí)間均分為T個(gè)時(shí)間段，考慮云儲(chǔ)能電池的內(nèi)部?jī)?chǔ)能狀態(tài)(state of charge, SOC)，供電儲(chǔ)能Eces,dch和交易儲(chǔ)能Eces,sch根據(jù)單個(gè)蓄電池的規(guī)格設(shè)置如下。

(1)

式中：時(shí)間段t∈{1,2,…,T}；Pim(t)為停電期間t時(shí)間段用戶重要負(fù)荷消耗的功率；函數(shù)ceil(·)代表向上取整，返回值大于或等于參數(shù)的最小整數(shù)；SSOC(t)、SSOCmin分別為云儲(chǔ)能電池的當(dāng)前SOC狀態(tài)值、SOC最小值；Eces,1為云儲(chǔ)能單個(gè)蓄電池的額定容量；Eces,all為云儲(chǔ)能總的額定容量。

考慮儲(chǔ)能的快速調(diào)節(jié)與能量時(shí)移特性[14]，為了最大化利用光伏出力和云儲(chǔ)能電池，并保證重要負(fù)荷供電的穩(wěn)定性，光伏出力大于0的時(shí)間段，優(yōu)先維持重要負(fù)荷供電，期間供電儲(chǔ)能組會(huì)有閑置的單體蓄電池，運(yùn)營(yíng)商將閑置滿電的單體蓄電池與交易儲(chǔ)能組的蓄電池進(jìn)行交換。

2 計(jì)劃停電下云儲(chǔ)能用戶的應(yīng)急能源管理策略

配電網(wǎng)停電后，孤島狀態(tài)下的云儲(chǔ)能用戶由于可租用儲(chǔ)能容量有限以及光伏發(fā)電的不確定性，會(huì)出現(xiàn)供電不足需要切除負(fù)荷的情況。制定應(yīng)急能源管理策略能夠優(yōu)化電能利用，減少停電給用戶帶來(lái)的影響。

2.1 應(yīng)急能源管理模型

應(yīng)急能源管理模型的輸入端包括計(jì)劃停電的起始和終止時(shí)間，云儲(chǔ)能中可用儲(chǔ)能、光伏出力預(yù)測(cè)值、用戶的負(fù)荷預(yù)測(cè)值等信息；輸出為采用遺傳算法對(duì)模型求解得到的應(yīng)急能源優(yōu)化調(diào)度方案。圖2是云儲(chǔ)能用戶應(yīng)急能源管理策略的流程圖。遺傳算法對(duì)所建立的模型求解，得到的最優(yōu)解即為計(jì)劃停電下應(yīng)急能源優(yōu)化調(diào)度方案。

圖2 應(yīng)急能源管理策略流程Fig.2 Flowchart of emergency energy management strategy

應(yīng)急能源管理方案根據(jù)計(jì)劃停電時(shí)間內(nèi)總的可用電能和所需負(fù)荷用電量，確定模型需要消減的負(fù)荷量，先通過(guò)調(diào)整可控負(fù)荷中可時(shí)移負(fù)荷的工作時(shí)間，達(dá)到消減計(jì)劃停電內(nèi)負(fù)荷量的目的。在調(diào)節(jié)后仍需要進(jìn)行負(fù)荷消減情況下，按照負(fù)荷的優(yōu)先級(jí)依次切除部分可控負(fù)荷的供電。本文將負(fù)荷劃分為3個(gè)優(yōu)先級(jí)，當(dāng)應(yīng)急能源管理策略需要切除負(fù)荷時(shí)，按優(yōu)先級(jí)由高到低依次切除。

2.2 目標(biāo)函數(shù)模型

2.2.1 停電損失模型

(2)

式中：μ為不同優(yōu)先級(jí)的負(fù)荷的停電損失系數(shù)。由于不同用戶類型的單位停電損失數(shù)據(jù)隨停電持續(xù)時(shí)間動(dòng)態(tài)變化，所以單位停電成本是一個(gè)變量，本文單位停電損失選取文獻(xiàn)[15]中住宅類用戶停電240 min時(shí)的數(shù)據(jù)；N表示云儲(chǔ)能用戶可控負(fù)荷數(shù)量。

2.2.2 用戶不滿意度模型

用戶滿意度包括舒適度和經(jīng)濟(jì)度2方面[15]，本文僅考慮用戶舒適滿意度。假定日前預(yù)測(cè)的用戶的負(fù)荷用電方式舒適度最高，根據(jù)應(yīng)急能源調(diào)度后用戶的用電曲線與舒適度最大曲線的差異計(jì)算用戶的舒適度，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(3)

式中：P0為日前預(yù)測(cè)的計(jì)劃停電時(shí)間段內(nèi)可控負(fù)荷投入量；Pt為調(diào)度優(yōu)化后t時(shí)刻可控負(fù)荷的投入量；t0、tb分別為停電開始時(shí)間和停電結(jié)束時(shí)間。

(4)

2.2.3 目標(biāo)函數(shù)

以最小化云儲(chǔ)能用戶停電損失和用戶不滿意度為目標(biāo)，并引入權(quán)重因子來(lái)調(diào)整兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的重要性，權(quán)重因子之和為1。

(5)

2.3 約束條件

2.3.1 功率平衡的約束

家庭微電網(wǎng)進(jìn)入孤島狀態(tài)后，各時(shí)刻的光伏出力、CES儲(chǔ)能充放電功率，與用戶實(shí)時(shí)負(fù)荷用電保持動(dòng)態(tài)平衡。

(6)

2.3.2 CES約束

CES的荷電狀態(tài)SSOC(t)表示CES剩余容量與額定容量比值，是儲(chǔ)能電池充放電過(guò)程中的重要約束之一。此外，CES的充放電功率要保證在限制范圍內(nèi)，約束條件如下：

SSOCmin

(7)

(8)

式中：SSOCmax、SSOCmin分別表示荷電狀態(tài)的上下限；Pschmax和Pschmin分別是云儲(chǔ)能充放電功率的上下限。

2.3.3 可控負(fù)荷約束

(9)

(10)

(11)

3 算例分析

3.1 算例數(shù)據(jù)

本文算例所仿真的孤島狀態(tài)下家庭微電網(wǎng)的云儲(chǔ)能模型如圖1所示，假定云儲(chǔ)能用戶計(jì)劃停電4 h，發(fā)生在下午15:00到19:00，以其中某一云儲(chǔ)能用戶為研究對(duì)象進(jìn)行應(yīng)急能源調(diào)度算例分析。該家庭裝設(shè)1臺(tái)8 kW光伏板，云儲(chǔ)能額定容量為50 kW·h。該家庭的可控負(fù)荷信息如表1所示。

表1 可控負(fù)荷參數(shù)Table 1 Parameters of controllable load

假設(shè)電網(wǎng)正常供電，對(duì)該家庭負(fù)荷進(jìn)行日前預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)負(fù)荷和光伏發(fā)電功率如圖3所示。發(fā)生計(jì)劃停電情況下，在計(jì)劃停電初期光伏出力值可以維持部分用戶負(fù)荷供電，過(guò)剩的光伏出力給云儲(chǔ)能充電以維持后期的電能供給。隨著時(shí)間的推移光伏出力值逐漸減小，需要云儲(chǔ)能增加放電功率以維持負(fù)荷供電。

圖3 預(yù)測(cè)負(fù)荷和光伏發(fā)電功率Fig.3 Forecast load and PV power generation

3.2 對(duì)比分析

在不考慮用戶可用云儲(chǔ)能容量有限的情況下，每個(gè)時(shí)段按照負(fù)荷計(jì)劃工作時(shí)間和功率進(jìn)行供電，儲(chǔ)能電量有限則中斷負(fù)荷，PV出力過(guò)剩則進(jìn)行電能儲(chǔ)存，此供電方式稱為即用即給供電方式[4]。為驗(yàn)證提出的計(jì)劃停電下應(yīng)急能源調(diào)度策略優(yōu)勢(shì)，本文設(shè)置3個(gè)調(diào)度方案，為了對(duì)不同的方案進(jìn)行對(duì)比分析，假設(shè)用戶參與3種方案時(shí)，預(yù)測(cè)PV和預(yù)測(cè)負(fù)荷用電相等，且在計(jì)劃停電開始之時(shí)，云儲(chǔ)能電池的荷電狀態(tài)達(dá)到最大值0.9。

方案1：云儲(chǔ)能不采用分組供電，未對(duì)用戶負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)先級(jí)劃分，計(jì)劃停電時(shí)間內(nèi)采用即用即給供電方式。

方案2：云儲(chǔ)能分組供電，由用戶自主將負(fù)荷劃分為3個(gè)優(yōu)先級(jí)，按照優(yōu)先級(jí)依次切除負(fù)荷，采用應(yīng)急能源管理策略，設(shè)定權(quán)重因子α為0.8，β為0.2。

方案3：云儲(chǔ)能分組供電，由用戶自主將負(fù)荷劃分為3個(gè)優(yōu)先級(jí)，按照優(yōu)先級(jí)依次切除負(fù)荷，采用應(yīng)急能源管理策略，設(shè)定權(quán)重因子α為0.2，β為0.8。

計(jì)劃停電期間內(nèi)，用戶在3種方案下各時(shí)刻的負(fù)荷用電情況如圖4所示。圖中在18:00到19:00時(shí)間段內(nèi)方案1的用戶功率逐漸減小至0，原因是在即用即給供電方式下，停電初期的負(fù)荷用電將可用的儲(chǔ)能電量耗盡，導(dǎo)致在停電最后1 h用戶重要負(fù)荷無(wú)法維持供電，不僅增大了用戶停電損失，還可能對(duì)用戶生活造成影響。

圖4 停電期間各方案下的用戶功率Fig.4 User power under each plan during power outage

方案2和方案3即為本文的應(yīng)急能源管理策略下目標(biāo)函數(shù)不同權(quán)重下的調(diào)度方案。本文提出的應(yīng)急能源管理策略的優(yōu)勢(shì)在于首先將云儲(chǔ)能分組供電，維持計(jì)劃停電期間重要負(fù)荷的穩(wěn)定供電；其次，在采用“先調(diào)節(jié)，后切除”的原則上，考慮不同的可控負(fù)荷單位停電損失和斷電造成的用戶不滿意度不同，將負(fù)荷劃分為3個(gè)優(yōu)先級(jí)，按照優(yōu)先級(jí)依次進(jìn)行切除負(fù)荷的方式，達(dá)到減小停電損失和降低用戶不滿意度的目的；最后通過(guò)設(shè)置用戶不滿意度和停電損失的權(quán)重值，對(duì)比分析權(quán)重改變對(duì)停電期間可控負(fù)荷投切量的影響。權(quán)重的改變對(duì)云儲(chǔ)能供電儲(chǔ)能的充放電不會(huì)產(chǎn)生影響，所以方案2和方案3云儲(chǔ)能供電儲(chǔ)能組的蓄電池動(dòng)作相同，如圖5所示。

圖5 方案2和方案3的供電儲(chǔ)能組蓄電池動(dòng)作Fig.5 Battery operation of energy storage discharge group in scheme 2 and 3

云儲(chǔ)能用戶在各方案下的目標(biāo)函數(shù)值如表2所示。由表2知，與即用即給供電方式相比，采用應(yīng)急能源管理策略的方案2和方案3的用戶停電損失分別降低了342.70元和335.96元，用戶不滿意度分別降低了0.06和0.08，表明應(yīng)急能源管理策略有效地降低了用戶停電損失和用戶不滿意度。

表2 各方案的目標(biāo)函數(shù)值Table 2 The objective function value of each example

與方案1不同，方案2與方案3在保證停電期間重要負(fù)荷供電的前提下，調(diào)節(jié)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間，通過(guò)應(yīng)急能源管理策略提前計(jì)劃了各時(shí)刻可控負(fù)荷的投入量，最大化地利用了可用的儲(chǔ)能和PV出力。方案2和方案3對(duì)用戶負(fù)荷調(diào)度以及對(duì)可控負(fù)荷的投切控制如圖6和圖7所示。

圖6 方案2應(yīng)急能源管理結(jié)果Fig.6 Emergency energy management results from Scheme 2

圖7 方案3應(yīng)急能源管理結(jié)果Fig.7 Emergency energy management results from Scheme 3

由圖6可以看到，優(yōu)化后的負(fù)荷用電曲線與調(diào)度前相比，在15:00到19:00期間負(fù)荷用電總功率減少，但是在計(jì)劃停電區(qū)間前后的時(shí)間段以及夜間，優(yōu)化后的負(fù)荷用電要大于用戶正常的計(jì)劃用電。這表明應(yīng)急能源管理策略將停電期間可時(shí)移的負(fù)荷調(diào)整運(yùn)行時(shí)間，減少停電期間的用電任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)減小停電損失。

圖7為將圖6中應(yīng)急能源優(yōu)化調(diào)度方案的停電損失權(quán)重α從0.8降至0.2，用戶不滿意度權(quán)重β從0.2增至0.8的結(jié)果。對(duì)比圖6，15:00到19:00期間圖7中切除負(fù)荷明顯增加，由表2可知，方案3的停電損失比方案2增大6.74元。由上述分析可知，通過(guò)調(diào)節(jié)不同權(quán)重因子可影響應(yīng)急能源優(yōu)化調(diào)度方案的不同時(shí)刻可控負(fù)荷投入量以及云儲(chǔ)能充放電的情況。

4 結(jié) 論

為了解決配電網(wǎng)發(fā)生計(jì)劃停電時(shí)云儲(chǔ)能用戶的停電損失和用電滿意度的問(wèn)題，提出一種云儲(chǔ)能分組供電的應(yīng)急能源管理策略，以減小用戶停電損失和用電不滿意度為目標(biāo)，建立了含有權(quán)重因子的優(yōu)化調(diào)度模型，通過(guò)對(duì)比分析、仿真驗(yàn)證得到以下結(jié)論：

1)計(jì)劃停電在所有停電中所占比例最大，是影響供電可靠性的主要因素。研究計(jì)劃停電下云儲(chǔ)能家庭用戶的應(yīng)急能源管理策略，有助于提高孤島狀態(tài)下家庭微電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和用戶的用電滿意度。

2)采用本文提出的應(yīng)急能源管理策略，能夠保證停電期間重要負(fù)荷供電，調(diào)整負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間，優(yōu)化停電期間可控負(fù)荷的投切，降低了用戶的停電損失和用電不滿意度。

3)本文所提優(yōu)化模型通過(guò)調(diào)節(jié)權(quán)重大小實(shí)現(xiàn)調(diào)整停電期間用戶可控負(fù)荷的運(yùn)行。