考慮需求側響應的微電網(wǎng)群協(xié)調優(yōu)化調度模型*

付宗強，王紅蕾，2

（1.貴州大學電氣工程學院，貴陽 550025；2.貴州省“互聯(lián)網(wǎng)+”協(xié)同智能制造重點實驗室，貴陽 550025）

1 引 言

在電力行業(yè)中，通過限制火力發(fā)電能有效減少CO2的排放，但大量限制火力發(fā)電也會制約經(jīng)濟的發(fā)展。大多數(shù)國家采用風力發(fā)電和光伏發(fā)電維持自身的負荷需求。微電網(wǎng)由分布式電源（Distributed Generation,DG）、儲能單元和用電單元組成一個小型且完整的電力系統(tǒng)，其中儲能單元與DG出力互補，增強了系統(tǒng)安全性，因此可以通過DG有效地將可再生能源接入到小城鎮(zhèn)電力系統(tǒng)中[1]。文獻[2]利用風、光互補特性提高了微電網(wǎng)的經(jīng)濟特性，但是可再生能源的高度間歇性與波動性、微電網(wǎng)調度策略的限制以及DG之間協(xié)調的不平衡，導致了風、光無法被充分利用[3]。微電網(wǎng)群（Multi-M icrogrid,MMG）能夠進行微電網(wǎng)之間的可再生能源交易，促進可再生能源的全消納。目前，大多數(shù)研究都集中于微電網(wǎng)群調度的經(jīng)濟性[4-5]，但電網(wǎng)群經(jīng)濟指標最優(yōu)不能直接證明微電網(wǎng)群的可再生能源消納最優(yōu)。當配電網(wǎng)電價相對較低時，微電網(wǎng)向配電網(wǎng)購電更有利于系統(tǒng)的經(jīng)濟運行，但這也降低了可再生能源的消納，損壞了環(huán)境的生態(tài)。需求側管理的應用和儲能裝置的使用能夠有效降低微電網(wǎng)運行成本，增強系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性[6]。文獻[7]考慮了需求側管理，將微電網(wǎng)負荷在必要時進行轉移，降低微電網(wǎng)負載的波動。文獻[8]提出公共儲能裝置系統(tǒng)，降低了微電網(wǎng)群系統(tǒng)的運行成本。文獻[9]加入儲能裝置，轉移微電網(wǎng)的可再生能源，從而減少微電網(wǎng)群總運行成本。基于需求側管理的微電網(wǎng)群能量管理中心的協(xié)調調度，能夠有效降低儲能裝置的使用頻率。本設計即是基于此點展開。

2 微電網(wǎng)群結構及不確定性模型

2.1 微電網(wǎng)群拓撲結構

微電網(wǎng)群中，包含了三個微電網(wǎng)：微電網(wǎng)1給工業(yè)負荷供電；微電網(wǎng)2和微電網(wǎng)3給商業(yè)負荷供電。微電網(wǎng)中包含風力發(fā)電機、光伏發(fā)電機、燃料電池和蓄電池。微電網(wǎng)群能量管理中心（EMC）以微電網(wǎng)群向配電網(wǎng)購售電量最低為目標，統(tǒng)一管理微電網(wǎng)群。微電網(wǎng)與微電網(wǎng)之間通過邏輯開關相連。只有微電網(wǎng)之間需要能量交易時，微電網(wǎng)能量管理中心才短暫閉合開關，進行能量交易；無交易時開關處于常開狀態(tài)。微電網(wǎng)與配電網(wǎng)之間通過交流母線連接。微電網(wǎng)群能量管理中心與微電網(wǎng)能量管理中心進行信息交互，實現(xiàn)協(xié)調優(yōu)化調度。微電網(wǎng)群整體拓撲結構如圖1所示。

圖1 微電網(wǎng)群拓撲結構圖

2.2 微電網(wǎng)群的不確定性

微電網(wǎng)群的能量管理及控制策略是影響微電網(wǎng)之間協(xié)調、穩(wěn)定運行的基礎，但微電網(wǎng)在運行過程中仍面臨不確定性因素對其安全、經(jīng)濟運行的影響[10]。預測模型的精度、風源和光源的不確定性都對微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行造成了極大影響。需求側與供給側都具有不確定性，因此同時考慮需求側與供給側的不確定性能夠提高微電網(wǎng)的安全性?？紤]風力發(fā)電機、光伏發(fā)電機、負載的不確定性，有下式：

式中：Pwt,i,t、Ppv,i,t、Pload,i,t分別表示微電網(wǎng)i在t時刻的風力發(fā)電機、光伏發(fā)電機、負載的功率，ωi表示預測值不確定占比，ωi為-1到1之間的隨機數(shù)。

3 微電網(wǎng)群的協(xié)調優(yōu)化

3.1 EMC協(xié)調優(yōu)化

可再生能源屬于不可控能源，微電網(wǎng)需要根據(jù)預測信息提前對其做出調度計劃。然而，可再生能源高度的間歇性和較大的預測誤差會導致單個微電網(wǎng)無法完全消納可再生能源。目前能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展電力市場的改革，使得小型微電網(wǎng)市場主體[11]可以在保證微電網(wǎng)穩(wěn)定性的前提下進行自主購、售電，盡可能增加可再生能源的使用，減小棄風、棄光。

由于微電網(wǎng)群內裝機容量、地理位置、用電負荷特性不同的原因，可能發(fā)生在t時刻，微電網(wǎng)j可再生能源過剩，多余電力無法使用，而同時微電網(wǎng)i對可再生能源的需求量過大，電力無法滿足用電需求。針對此情況，在此根據(jù)微電網(wǎng)群能量管理中心綜合微電網(wǎng)的可再生能源，進行微電網(wǎng)之間可再生能源的交易，如下式表示：

式中，Pbuy,i,t、Psell,i,t、γi分別為t時刻微電網(wǎng)i的買電量、賣電量、轉移因子。

轉移因子根據(jù)該時刻微電網(wǎng)對于可再生能源的需求量Ptrans,i,t的占比而決定，即微電網(wǎng)i的需求量除以總需求量，式為：

式中，Ptrans,i,t=Pload,i,t-Pwt,i,t-Ppv,i,t。當γi＞0時，表示微電網(wǎng)i向微電網(wǎng)j買電，反之，向微電網(wǎng)j賣電。轉移因子的分配可促使產(chǎn)量越高的微電網(wǎng)賣出的可再生能源越多。買電的情況同理，需求量越大，分配到的可再生能源越多。這一分配機理既保證了可再生能源富余的微電網(wǎng)賣電的積極性，又使得可再生能源匱乏的微電網(wǎng)能夠參與到交易中。

3.2 需求側響應

電價是影響用戶用電量的重要因素。微電網(wǎng)群可以通過實時電價來調節(jié)用戶的消費行為。當電價高于用戶期望時，人們的消費理性會驅使用戶會將一些可中斷負荷停止，或者將可轉移負荷轉移到其他時刻。不同用戶對電價的響應也是不同的，此處微電網(wǎng)群包含三種負荷情況：商業(yè)、居民、工業(yè)負荷。

按照經(jīng)濟學理論，供大于求時商品價格低，反之價格高，所以當負荷需求量高時，電價高。用ρi,t表示實時電價，有下式：式中分別表示初始電價、初始電價平均值、電價系數(shù)。

通過分析不同用戶類型對電價的響應情況，此處引入需求價格彈性矩陣，建立不同用戶在實時電價下的響應模型。價格彈性反映了用戶用電需求對價格的靈敏度，可分為自彈性和交叉彈性[12]兩種。

負荷只與該時刻電價有關，不受其他時刻電價的影響，這一價格彈性即稱為自彈性，由下式表示：

式中，Eii表示自彈性；Pi、ρi、P0i、ρ0i分別表示i時段的用電需求、電價、初始用電需求、初始電價。由于用戶消費是具有理性的，電價上漲會減少用電需求，所以自彈性價格矩陣為負。

負荷會受其他時間段的電價影響，從一個時刻轉移到其他時刻，這種形式的價格彈性稱為交叉彈性，由下式表示：

式中，Eij表示交叉彈性價格，當時段j時段電價升高，j時段的部分負荷轉移到電價相對較低的i時段導致i時段的用電需求增加，因此交叉彈性價格矩陣為正。

綜上所述，在實時電價下，用戶的需求響應要考慮自彈性和交叉彈性的影響，總的需求響應模型則可由下式表示：

4 微電網(wǎng)群的雙層調度

4.1微電網(wǎng)群EMC

微電網(wǎng)群EMC是能量管理的控制中心，位于微電網(wǎng)群的上層，用以協(xié)調調度可再生能源。為了達到棄風、棄光最小，微電網(wǎng)群能量管理中心整合微電網(wǎng)群可再生能源，實現(xiàn)微電網(wǎng)之間的交易，達到微電網(wǎng)群向配電網(wǎng)的購電量最小化的目標。此處以t時刻微電網(wǎng)向配電網(wǎng)的購電量為優(yōu)化變量，構建微電網(wǎng)群EMC協(xié)調能力目標函數(shù)，如下式：

式中，Pmg,i,t為t時刻微電網(wǎng)i向配電網(wǎng)的購電量。當Pmg,i,t＞0時，表示微電網(wǎng)向配電網(wǎng)的買電量，反之，則表示賣電量。

4.2微電網(wǎng)EMC

微電網(wǎng)EMC位于下層，接收來自微電網(wǎng)群EMC的交易信息，管理微電網(wǎng)內部的負載需求和發(fā)電機組，根據(jù)實時電價轉移柔性負載，實現(xiàn)“削峰填谷”，達到自身成本最小化的目標，如下式:

式中，Pfc,i,t表示燃料電池出力；Pes,i,t表示儲能裝置出力。Pprice表示向配電網(wǎng)的購售電價，Pprice＞0時表示向配電網(wǎng)購電，反之售電。a、b、c、d、e表示運行成本系數(shù)。

微電網(wǎng)群EMC既要考慮微電網(wǎng)向配電網(wǎng)的交互功率限制，又要考慮微電網(wǎng)群整體功率的平衡。儲能裝置可以在可再生能源富余時，將電能轉換為化學能存儲；在可再生能源不足時將化學能轉換為電能，以滿足負荷需求。

5 算例分析

5.1 基本參數(shù)

實驗環(huán)境使用Intel R CoreTMi7-6700HQ CPU@2.60 GHz，MATLAB 2020商用fmincon解算器。

實例選取一個包含三個微電網(wǎng)的微電網(wǎng)群，其中包含了兩個商業(yè)負荷和工業(yè)負荷，這兩類負荷具有不同的負荷需求特性。15分鐘轉移前、后的負載預測曲線如圖2所示。

圖2 需求側響應結果圖

微電網(wǎng)1的高峰期為9:00～18:00；微電網(wǎng)2的高峰期為18:00～23:00；微電網(wǎng)3的高峰期為8:00～18:00。這三個微電網(wǎng)的風速與光照強度條件有較大差異。15分鐘光伏、風機預測曲線如圖3所示。

圖3 光伏、風機預測曲線圖

5.2 調度結果與分析

5.2.1 優(yōu)化結果

基于實時電價的需求響應優(yōu)化的仿真結果，如圖2所示，表明用戶的需求響應會隨著實時電價的變化而變化，在“峰”時段電價上漲，用戶會將部分柔性負載轉移到“谷”時刻。

實例中，微電網(wǎng)1在1:00～6:00時段負載處于“谷”段，可再生能源有大量富余。為提高此時段用電量，微電網(wǎng)運營商降低實時電價；在9:00～17:45時段負載處于“峰”段，此時提高電價，使部分負載轉移至其他時段，從而減輕微電網(wǎng)的供給壓力。通過“谷”段降價和“峰”段提價來引導用戶的消費行為，實現(xiàn)負荷的“削峰填谷”，不僅降低了戶用的用電成本，同時增強了微電網(wǎng)運行的安全性和可靠性。微電網(wǎng)2和微電網(wǎng)3的負載情況與此同理。實驗結果表明，需求響應對這兩種負荷也有顯著的優(yōu)化效果。

微電網(wǎng)群的調度如圖4所示。在1:00～2:00，微電網(wǎng)1和2的可再生能源不足，且此時微電網(wǎng)3的可再生能源僅能維持自身的用電需求，因此微電網(wǎng)1和2選擇使用燃料電池或向配電網(wǎng)購電來補償這部分功率缺額。在3:00～4:45、21:30～23:45時段，微電網(wǎng)1和2的可再生能源不足，微電網(wǎng)3的可再生能源充足，此時微電網(wǎng)1和2優(yōu)先選擇向微電網(wǎng)3購電，最后剩余的功率差額由儲能裝置來補償。同理，在10:00～14:45，微電網(wǎng)1的可再生能源充足，優(yōu)先將多余的電能賣給其他微電網(wǎng)，再將剩余的電量儲存在儲能裝置。

圖4 微電網(wǎng)群調度結果圖

5.2.2 不同策略調度結果對比分析

對四種調度策略進行對比。策略1是微電網(wǎng)群中微電網(wǎng)之間無法進行交易并且沒有采取實時電價的需求響應；策略2是在策略1的基礎上實施了基于實時電價的需求響應，在此策略下，需求響應雖然使得負荷的分布更加符合可再生能源的發(fā)電規(guī)律，比策略1節(jié)省不少成本，但單個微電網(wǎng)的可再生能源過多或者不足，仍然促使微電網(wǎng)向配電網(wǎng)進行大量的售購電，導致可再生能源的線消納能力不足、運行成本增加，而且過多的能源交易也會增加對配電網(wǎng)的沖擊；策略3是在策略1的基礎上允許微電網(wǎng)之間進行能量交易，在此策略下，微電網(wǎng)之間的能量交易增加了微電網(wǎng)群對可再生能源的線消納能力，減少了微電網(wǎng)與配電網(wǎng)之間的能量交易和對配電網(wǎng)的沖擊；策略4即是本設計的方法，結合策略2和策略3的優(yōu)點，不僅允許微電網(wǎng)之間交易能量，而且采用了實時電價的需求響應。對比結果如表1所示。

表1 微電網(wǎng)各策略對比表

從對比結果中看出，需求側與供給側共同調節(jié)不僅能夠促進可再生能源的線消納，以最低的運行成本進行工作，還能降低微電網(wǎng)對于配電網(wǎng)的購售電量，減少微電網(wǎng)對配電網(wǎng)的沖擊，增強配電網(wǎng)的穩(wěn)定性。在能量利用率方面，策略3相比于策略1，可再生能源使用率提高了1.9%，說明微電網(wǎng)之間能量交易可以有效提高可再生能源的線消納能力。同理，策略4比策略2的可再生能量使用率也提高了1.16%。策略4與策略3都具有能量交易，但由于需求響應的自彈性會降低負荷的使用，策略4對可再生能源的消納能力略有降低。

6 結束語

微電網(wǎng)之間的交易能夠促進可再生能源的全消納，加快實現(xiàn)“碳中和”和“碳達峰”，彌補單個微電網(wǎng)自身消納可再生能源的不足。設計基于實時電價的需求響應，能夠降低微電網(wǎng)的負荷波動，在一定程度上促使負載與可在生能源的發(fā)電規(guī)律更加匹配，實現(xiàn)了網(wǎng)源荷協(xié)同互動控制以及微電網(wǎng)群對可再生能源的全消納。