鄭 健，楊 耕，耿 華

（清華大學(xué)自動(dòng)化系，北京 100089）

微電網(wǎng)為滿足并網(wǎng)和孤島運(yùn)行模式下的能量平衡問題，其控制/調(diào)度單元需要對光伏、風(fēng)電、儲能系統(tǒng)ESS（energy storage system）、柴油發(fā)電機(jī)等分布式電源DG（distributed generation）及可控負(fù)荷進(jìn)行控制和管理。微電網(wǎng)調(diào)度的目標(biāo)有經(jīng)濟(jì)性、可靠性等[1-3]。ESS 加入微電網(wǎng)后，可以提高新能源的消納，提高供電的可靠性。同時(shí)，由于動(dòng)力電池和變流器的成本目前比較高，ESS 成本也比較高，經(jīng)濟(jì)性和可靠性存在一定的對立關(guān)系。目前大規(guī)模的商用ESS 比較少見，且用于平抑波動(dòng)較多，用于削峰填谷較少[4]。此外，新能源微電網(wǎng)中ESS 參與重要負(fù)荷保障時(shí)，相對柴油發(fā)電機(jī)而言具有無縫切換的優(yōu)勢。因此，對這類要求高可靠性的負(fù)荷而言，ESS 可以同時(shí)提高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，在微電網(wǎng)孤島運(yùn)行的極端工況下，如何充分發(fā)揮ESS 的作用成為微電網(wǎng)調(diào)度的一個(gè)關(guān)鍵問題。

ESS 的容量和荷電狀態(tài)SOC（state of charge）決定了ESS 在未來一段時(shí)間內(nèi)能夠存儲或使用的能量。在以天為時(shí)間長度的調(diào)度中，每天ESS 的SOC初值決定了當(dāng)日ESS 供電和吸收富余能量的能力，進(jìn)一步影響新能源消納、傳統(tǒng)能源出力以及微電網(wǎng)應(yīng)對峰值負(fù)荷的能力，對微電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性影響很大。例如，當(dāng)某一調(diào)度日新能源出力大，微電網(wǎng)能量富余時(shí)，希望ESS 的SOC 初值低，可以多存儲能量，以提高經(jīng)濟(jì)性；當(dāng)調(diào)度日微電網(wǎng)能量不足時(shí)，希望ESS 的SOC 初值高，以保證該調(diào)度日的能量需求，提高系統(tǒng)可靠性。ESS 的加入還使得微電網(wǎng)每日的調(diào)度成為一個(gè)連續(xù)的過程，調(diào)度日之間通過ESS 的SOC 變化緊密聯(lián)系[5]。因此，每天ESS的SOC 初值確定，既要考慮多日工況對該值的需求，也要考慮前一日的調(diào)度計(jì)劃，是微電網(wǎng)調(diào)度中的重要環(huán)節(jié)。在目前對微電網(wǎng)調(diào)度的研究中，通常將ESS 每天的SOC 初值設(shè)定為常值（例如50%），并將一天結(jié)束時(shí)SOC 的終值控制到初值作為調(diào)度模型的一個(gè)約束，使得每日的SOC 初值保持不變[3，9]。這個(gè)約束簡單實(shí)用，但由于每日新能源發(fā)電量和負(fù)荷情況會發(fā)生變化，對儲能系統(tǒng)SOC 初值的需求也不相同，該方法在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上就略顯不足。

本文提出一種微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)調(diào)度日SOC 初值的確定方法。首先，綜合多日調(diào)度下工況的數(shù)據(jù)分析對ESS 每天SOC 初值的不同需求；其次，在調(diào)度模型中引入每日SOC 終值下限約束，并根據(jù)多日工況對ESS 的能量需求給出該下限值；再次，通過多時(shí)間尺度的調(diào)度方法確定ESS 調(diào)度日的SOC初值；最后，通過一個(gè)通用的微電網(wǎng)模型對該方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1 微電網(wǎng)孤島運(yùn)行下ESS 需求分析

典型微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，微電網(wǎng)與公共電網(wǎng)通過公共連接點(diǎn)PCC（point of common coupling）連接，當(dāng)PPC 斷開時(shí)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行。每個(gè)調(diào)度周期調(diào)度中心調(diào)度網(wǎng)內(nèi)所有設(shè)備給網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷、新能源、備用電源、ESS 發(fā)送功率指令Pload，t、Pnew，t、Pbp，t、Pess，t，微電網(wǎng)保持功率平衡。在長時(shí)間尺度下，調(diào)度日還需要保持能量平衡。以d 表示調(diào)度日，是負(fù)荷需求的能量，是新能源、備用電源提供的最大能量；ESS 提供的最大能量是調(diào)度日的初始容量，取決于其初始SOC

圖1 典型微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical structure of microgrid

由以上分析可以得出，d調(diào)度日對ESS 初始SOC 的最低需求為

式（3）計(jì)算了單個(gè)調(diào)度日對于ESS 初始SOC 的最低需求，當(dāng)考慮多個(gè)調(diào)度日后，微電網(wǎng)的工況變得更加復(fù)雜。每個(gè)調(diào)度日有（a）、（b）兩種情況，考慮k 個(gè)調(diào)度日，則有2k種情況，復(fù)雜度呈指數(shù)增加。假設(shè)有n，n+1，…，n+k 個(gè)調(diào)度日，要考慮n+1，n+2，…，n+k 共k 個(gè)調(diào)度日的能量供需情況，計(jì)算第n+1 日對ESS 初始SOC 的最低需求。

首先，考慮的調(diào)度日數(shù)量k 不同，多日的能量缺口疊加使得在n+1 日考慮的多日總能量缺口不斷變化，則有

由于在k 個(gè)調(diào)度日中，后面調(diào)度日的能量是不能在前面調(diào)度日使用的，因此，并不能簡單地將k個(gè)調(diào)度日的能量供需疊加起來計(jì)算最低需求，應(yīng)該取中的最大值，即

通過式（5）和式（6）可知，考慮k 個(gè)調(diào)度日內(nèi)能量供需情況下，對n+1 日ESS 初始SOC 的最低需求。一般情況下，希望這個(gè)最低需求總是能夠滿足，然而ESS 的SOC 是連續(xù)變化的，與每個(gè)調(diào)度周期t的功率指令相關(guān)聯(lián)，其關(guān)系分別表示為

因此，n+1 日ESS 的初始SOC 繼承第n 日的最終SOC，還需要考慮第n 日的能量供需情況。如果第n 日的能量能夠滿足第n+1 日的最低需求，則在此基礎(chǔ)上制定調(diào)度計(jì)劃；如果不能滿足，只能根據(jù)能量供需情況，使第n+1 日的初始SOC 最大，表示為

2 功率預(yù)測和調(diào)度

由上述分析可知，第n+1 調(diào)度日ESS 的SOC初值取決于n+1，n+2，…，n+k 調(diào)度日的需求以及第n 調(diào)度日的調(diào)度計(jì)劃。這需要對未來n+1，n+2，…，n+k 日的發(fā)電和用電進(jìn)行有效預(yù)測，以及對第n 日準(zhǔn)確調(diào)度。

2.1 基于預(yù)測的多時(shí)間尺度調(diào)度方法

以光伏發(fā)電預(yù)測為例，文獻(xiàn)[11]中基于多元線性回歸理論對光伏發(fā)電進(jìn)行了多時(shí)間尺度的預(yù)測。該方法不僅基于定性變量（小時(shí)、月份、天氣類型）和定量變量（光照強(qiáng)度）設(shè)計(jì)了光伏發(fā)電功率預(yù)測模型，而且基于當(dāng)前的實(shí)際發(fā)電量設(shè)計(jì)了短時(shí)間尺度的矯正環(huán)節(jié)。在復(fù)雜氣象條件下進(jìn)行的仿真結(jié)果顯示，矯正環(huán)節(jié)將預(yù)測結(jié)果的平均絕對百分比誤差由0.543 3 減小到0.162 4，能夠顯著改善單一依賴于預(yù)測模型的功率預(yù)測精度。

與之對應(yīng)，調(diào)度環(huán)節(jié)也可以進(jìn)行更為準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)調(diào)度。圖2 說明了多時(shí)間尺度預(yù)測與調(diào)度的關(guān)系。

圖2 多時(shí)間尺度光伏功率預(yù)測與調(diào)度的關(guān)系Fig.2 Relationship between multi-timescale photovoltaic power forecasting and scheduling

在短時(shí)間尺度上，不斷更新預(yù)測數(shù)據(jù)，根據(jù)新的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度，不斷修正調(diào)度計(jì)劃，整個(gè)過程如圖3 所示。

圖3 多時(shí)間尺度調(diào)度過程Fig.3 Process of multi-time scale scheduling

2.2 考慮多日工況對ESS 需求的調(diào)度模型

基于上述多時(shí)間尺度預(yù)測方法進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度時(shí)，對調(diào)度算法的實(shí)時(shí)性要求很高。本文采用凸優(yōu)化調(diào)度方法[9-10]，這種方法不但求解速度快，還可以得到全局最優(yōu)解。

假定微電網(wǎng)孤島運(yùn)行，以1 h 為調(diào)度周期，每個(gè)調(diào)度日共24 個(gè)調(diào)度周期，t=1，2，…表示調(diào)度周期。

假定新能源的發(fā)電成本為0，所以目標(biāo)函數(shù)中的發(fā)電成本只包括備用電源和ESS 的發(fā)電成本。優(yōu)化目標(biāo)為運(yùn)行成本最小，目標(biāo)函數(shù)為

式中：ak為第y 個(gè)備用電源的成本折算系數(shù)；bm、cm為第m 個(gè)ESS 充、放電成本系數(shù)，可以根據(jù)不同體系電池的特性和成本價(jià)格差異進(jìn)行調(diào)整；h 為網(wǎng)損折算系數(shù)；rl為第l 條支路的電阻。

約束條件包括微電網(wǎng)的潮流約束、發(fā)電設(shè)備約束、ESS 約束，潮流約束和發(fā)電設(shè)備約束。參考文獻(xiàn)[9]，本文研究ESS 的SOC 初值確定方法主要與ESS相關(guān)的約束為

式中：SOC24為調(diào)度日SOC 的最終值；為調(diào)度日SOC 的終值下限。式（14）是微電網(wǎng)瞬時(shí)功率平衡的約束；式（15）是ESS 的最大充、放電功率約束；式（16）是為了保證ESS 運(yùn)行過程中SOC 在安全范圍內(nèi)的SOC 上下限約束[12]；式（17）是對調(diào)度日ESS 的SOC 終值進(jìn)行約束，可以根據(jù)多日工況對ESS 的需求獲得。

3 儲能系統(tǒng)調(diào)度日SOC 初值的確定

基于多日的微電網(wǎng)工況分析和多時(shí)間尺度調(diào)度方法，可以確定每個(gè)調(diào)度日的ESS 初始SOC，假定有n，n+1，…，n+k 個(gè)調(diào)度日，考慮2 d 能量供需情況，整個(gè)過程如圖4 所示。

圖4 儲能系統(tǒng)SOC 每日初值確定方法Fig.4 Daily initial SOC determination method for ESS

具體步驟如下。

（1）計(jì)算調(diào)度日ESS 最終SOC 的下限約束。以第n 日調(diào)度為例，在得到2 d 預(yù)測結(jié)果和當(dāng)日ESS的SOC 初值后，根據(jù)式（5）、式（6）、式（9）可以分別計(jì)算第n+1 日對初始SOC 的最低需求和第n 日能夠提供的SOC 最大值。當(dāng)時(shí)，兩日總能量夠用，可以滿足最低需求；否則，只能按提供能量，而第n+1 日必須切除部分負(fù)荷。由此，可以得到第n 日ESS 最終SOC 下限約束為

通過以上兩步，在完成第n 日調(diào)度的同時(shí)，確定了第n+1 日ESS 的SOC 初值，可以繼續(xù)進(jìn)行第n+1 日的調(diào)度。

4 算例分析

本文選用的微電網(wǎng)來自國際大電網(wǎng)組織CIGRE（Conseil International des Grands Réseaux électriques）推薦的Benchmark[13]，其結(jié)構(gòu)如圖5 所示。電網(wǎng)電壓為20 kV，包含11 個(gè)節(jié)點(diǎn)和10 條支路，運(yùn)行在孤島狀態(tài)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)連接的DG、負(fù)荷情況和線路阻抗見表1。

表1 微網(wǎng)相關(guān)參數(shù)Tab.1 Related parameters of microgrid

圖5 微電網(wǎng)Benchmark（孤島運(yùn)行）Fig.5 Microgrid Benchmark（islanded operation）

本文設(shè)計(jì)的微電網(wǎng)采用兩級分層控制架構(gòu)[3]，底層的新能源發(fā)電裝置采用虛擬同步機(jī)控制，而整個(gè)微電網(wǎng)采用一個(gè)集中控制器做全網(wǎng)的控制和調(diào)度。各層控制器已經(jīng)保證微電網(wǎng)的穩(wěn)定性，集中控制器采用第2 節(jié)的多時(shí)間尺度調(diào)度方法進(jìn)行調(diào)度。

在仿真中，以2 d 調(diào)度為例，設(shè)計(jì)了2 種不同的工況，采用本文所提方法對第n 日和第n+1 日進(jìn)行調(diào)度。比較方案則采用ESS 約束為SOC0=SOC24=0.5 的調(diào)度方案，驗(yàn)證本文方法對微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性和可靠性的影響。

4.1 工況1：第n 日新能源發(fā)電量富余

工況1 模擬第n 日新能源發(fā)電量有富余，而第n+1 日需求這部分能量的情況。因此，調(diào)度模型中ESS 約束為≤SOC24，根據(jù)式（18）計(jì)算得第n日2 個(gè)ESS 最終SOC 的下限約束為0.374。仿真結(jié)果如圖6 所示。

工況1 的仿真中，采用2 種方法的共同點(diǎn)是2個(gè)調(diào)度日后，2 個(gè)ESS 的SOC 都回到了0.5。不同之處在于，采用約束SOC0=SOC24=0.5 時(shí)，如圖6（a）所示，第n 日的光伏能夠按照最大功率輸出，但是風(fēng)機(jī)出現(xiàn)了棄風(fēng)現(xiàn)象，調(diào)度的總成本為5 889.7 元；而采用本文方法，通過改變約束，使得第n+1 日2 個(gè)ESS 的SOC 初始值分別為0.86、0.70，第n 日多出的能量存入了ESS，風(fēng)機(jī)不再棄風(fēng)，調(diào)度的總成本為5 498.7 元，降低了6.64%。所以本文方法提高了新能源的利用率，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)更好。

圖6 工況1 仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results in Condition 1

4.2 工況2：第n、n+1 連續(xù)兩日新能源發(fā)電量都不足

工況2 模擬第n、n+1 連續(xù)兩日新能源發(fā)電量都不足的情況，且第n+1 日能量缺口較大，備用電源無法填補(bǔ)缺口，需要ESS 提前存儲足夠的能量。

比較基準(zhǔn)依然是ESS 約束SOC0=SOC24=0.5。使用本文方法，調(diào)度模型中ESS 約束為，根據(jù)式（18）計(jì)算得第n 日兩個(gè)ESS 最終SOC 的下限約束為0.711。仿真結(jié)果如圖7 所示。

圖7 工況2 仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results in Condition 2

由仿真結(jié)果可知，ESS 約束SOC0=SOC24=0.5時(shí)，雖然第n 日調(diào)度計(jì)劃能夠使光伏、風(fēng)電按最大功率輸出，但是由于只考慮了當(dāng)日的使用需求，沒有給ESS 多充電，無法滿足第n+1 日的負(fù)荷需求。所以第n+1 日只能切除部分負(fù)荷。采用本文方法后，使第n 日增加了備用電源的出力，提前給ESS充電，雖然第n 日發(fā)電成本增加了，但是保證了第n+1 日2 個(gè)ESS 的初始SOC 均為0.711，能夠滿足第n+1 日的負(fù)荷需求，提高了供電可靠性。

5 結(jié)論

（1）調(diào)度模型中引入每日SOC 終值下限約束，并根據(jù)多日工況對ESS 的能量需求給出該下限值。

（2）基于多時(shí)間尺度功率預(yù)測技術(shù)和調(diào)度方法的日調(diào)度計(jì)劃。該調(diào)度不但可以使ESS 的運(yùn)行滿足當(dāng)日功率平衡需求，還能實(shí)現(xiàn)所計(jì)劃的次日SOC初值目標(biāo)。

（3）本文采用微電網(wǎng)的一個(gè)Benchmark 進(jìn)行了兩日調(diào)度仿真，結(jié)果表明SOC 初值的合理設(shè)定提高了微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。