鄒 文，吳福保，施 濤，赫衛(wèi)國(guó)

（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇南京210003）

微網(wǎng)是從系統(tǒng)的角度將分布式發(fā)電（DG）與負(fù)荷組成單一的可控單元[1]。微網(wǎng)中的電源多為微電源，包括光伏電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、燃料電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)等，還包括蓄電池、超級(jí)電容器等儲(chǔ)能裝置。它們接在用戶側(cè)，具有低污染、低成本、低電壓的特點(diǎn)[2]。微網(wǎng)既可以與大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，也可以在大電網(wǎng)故障時(shí)獨(dú)立孤島運(yùn)行。作為微網(wǎng)主要清潔發(fā)電設(shè)備的光伏電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等對(duì)氣候與環(huán)境的變化比較敏感，一旦天氣發(fā)生劇變，其出力隨之出現(xiàn)大的改變。聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，由于有大電網(wǎng)的支撐，微網(wǎng)運(yùn)行不會(huì)受到很大影響。在孤島運(yùn)行模式下，電源出力的較大波動(dòng)可能會(huì)引起微網(wǎng)有功不平衡和頻率大幅偏移，超出安全運(yùn)行范圍。因此，在孤島運(yùn)行模式下，有效的微網(wǎng)有功功率優(yōu)化控制策略非常重要。針對(duì)于此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了一些初步研究，給出了抑制微網(wǎng)功率波動(dòng)和阻止微網(wǎng)頻率大幅偏移的一些方法，主要包括協(xié)調(diào)控制微電源[3]和設(shè)計(jì)微電源控制器[4]。一些研究針對(duì)微網(wǎng)出現(xiàn)嚴(yán)重有功缺額的現(xiàn)象，提出了中斷負(fù)荷的想法，或者給出了智能負(fù)荷控制的概念[5]。文中引入了需求響應(yīng)的概念，提出了以微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)收益最優(yōu)為目標(biāo)，計(jì)及可中斷負(fù)荷的有功功率優(yōu)化控制模型和計(jì)及可中斷負(fù)荷與電源備用的聯(lián)合優(yōu)化控制模型，并對(duì)負(fù)荷的被迫中斷和用戶自愿中斷加以區(qū)分。

1 可中斷負(fù)荷

需求響應(yīng)是指電力用戶針對(duì)市場(chǎng)價(jià)格信號(hào)或激勵(lì)機(jī)制做出響應(yīng)并改變正常電力消費(fèi)模式的市場(chǎng)參與行為[6]。根據(jù)美國(guó)能源部的研究報(bào)告，按照用戶不同的響應(yīng)方式可將需求響應(yīng)劃分為2種類型：基于價(jià)格的需求響應(yīng)和基于激勵(lì)的需求響應(yīng)[7]。

可中斷負(fù)荷是1種基于激勵(lì)的需求側(cè)響應(yīng)，指那些以合約等方式允許有條件停電的負(fù)荷?？芍袛嘭?fù)荷的方式有折扣電價(jià)的事前補(bǔ)償和實(shí)際停電后的事后高額賠償2種。低電價(jià)可中斷負(fù)荷（ILL）是在事故前通過電價(jià)打折來換取負(fù)荷的可中斷權(quán)，高額賠償可中斷負(fù)荷（ILH）則是在事故發(fā)生且中斷措施實(shí)施后才進(jìn)行賠償[8]。

部分用戶根據(jù)自己的實(shí)際負(fù)荷狀況與微網(wǎng)簽訂可中斷運(yùn)行合同，對(duì)可靠性要求不高的可中斷負(fù)荷，簽訂折扣式ILL合同，而對(duì)供電可靠性要求相對(duì)高一些的可中斷負(fù)荷，簽訂ILH高賠償式合同。

2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)微網(wǎng)運(yùn)行的特點(diǎn)，本文建立的微電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行數(shù)學(xué)模型基于如下假設(shè)。

（1）假設(shè)每個(gè)可中斷負(fù)荷均為定值，通過折扣（賠償）系數(shù)來體現(xiàn)各個(gè)負(fù)荷被中斷意愿的強(qiáng)弱。

（2）將所有可中斷負(fù)荷的狀態(tài)分為3種情況，分別為：①用戶自行中斷，即用戶根據(jù)自身實(shí)際需要實(shí)施的中斷操作，此時(shí)無需繳納電費(fèi)，也不計(jì)及中斷補(bǔ)償費(fèi)用；②微網(wǎng)調(diào)度中斷，需計(jì)及中斷補(bǔ)償費(fèi)用；③運(yùn)行中，需繳納電費(fèi)。

（3）忽略后備電源初始安裝費(fèi)用，只計(jì)及燃料成本和固定運(yùn)行成本。

（4）后備和可中斷負(fù)荷在微網(wǎng)有功優(yōu)化調(diào)度過程中的優(yōu)先級(jí)相同，其響應(yīng)速度滿足要求。

2.1 僅計(jì)及可中斷負(fù)荷管理

優(yōu)化目標(biāo)為微網(wǎng)收益最大，控制變量為所有可中斷負(fù)荷的開關(guān)狀態(tài)xi。數(shù)學(xué)模型為：

其中，pi和bi分別為第i個(gè)可中斷負(fù)荷與微網(wǎng)簽訂的合同電價(jià)和被微網(wǎng)調(diào)度中斷后的單位賠償費(fèi)用，pi=αip0， bi=βip0，i=1，2，…，I，I為負(fù)荷總數(shù)，αi為可中斷負(fù)荷i的電價(jià)系數(shù)，βi為中斷賠償系數(shù)（對(duì)于ILL，αi≤1， βi=0，對(duì)于 ILH，αi=1），p0為基本售電電價(jià)，元/MW；c0為微網(wǎng)平均購(gòu)電成本為微網(wǎng)向第g個(gè)微電源購(gòu)電的購(gòu)電，元/MW，Pg為第g個(gè)微電源賣給微網(wǎng)的有功功率，MW，G為微電源的總數(shù)；Pi為第i個(gè)可中斷負(fù)荷的大小，MW；xi為第i個(gè)可中斷負(fù)荷的開斷狀態(tài)，1表示接入電網(wǎng)運(yùn)行，0表示斷開，表示取反；ui為可中斷負(fù)荷的中斷性質(zhì)，1表示微網(wǎng)調(diào)度中斷，0為用戶自中斷；s為可中斷負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)變化次數(shù)標(biāo)識(shí)，只要其狀態(tài)發(fā)生變化，s就將增加1；ΔP為微網(wǎng)的有功缺額；E為開關(guān)動(dòng)作次數(shù)的限值；為“異或”運(yùn)算符；γ為微網(wǎng)優(yōu)化不匹配量限值：

式中，P為微網(wǎng)的有功發(fā)電容量，MW；a為限值的初始因數(shù)；t為調(diào)節(jié)檔數(shù)；m為調(diào)節(jié)幅度大小。

某一時(shí)刻微網(wǎng)有功缺額ΔP是確定的，各可中斷負(fù)荷的大小也是確定且不可調(diào)節(jié)的，在優(yōu)化過程中，往往有功調(diào)節(jié)量無法準(zhǔn)確平衡有功缺額。此時(shí)可退而要求有功優(yōu)化調(diào)節(jié)后功率差額在限值γ內(nèi)，以滿足系統(tǒng)頻率要求。初始時(shí)，可取調(diào)節(jié)檔次t=0，當(dāng)無法計(jì)算出優(yōu)化解時(shí)，可逐步改變檔次，但若t已經(jīng)為最高檔 （即微網(wǎng)所能承受的最大有功不平衡量），仍然無解時(shí)，說明通過可中斷負(fù)荷的作用已經(jīng)無法消除出現(xiàn)的有功缺額，此時(shí)將目標(biāo)函數(shù)變?yōu)椋?/p>

即以微網(wǎng)安全運(yùn)行取代微網(wǎng)收益，以最小化有功不平衡量為優(yōu)化目標(biāo)。

2.2 同時(shí)計(jì)及可中斷負(fù)荷與備用投入

實(shí)際微網(wǎng)運(yùn)行中，為了提供更好供電質(zhì)量與更高可靠性的電能，會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中增加后備電源。若后備電源有功出力在限定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，則同時(shí)計(jì)及可中斷負(fù)荷與電源備用的有功功率優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)有功的準(zhǔn)確平衡。

仍然取優(yōu)化目標(biāo)為微網(wǎng)收益最大，優(yōu)化變量包括所有可中斷負(fù)荷的開關(guān)狀態(tài)xi，后備電源的投入狀態(tài)yj和投入有功量Pj，數(shù)學(xué)模型為：

其中，pi，c0，bi，xi，ui，Pi，s，I，ΔP，E 含義同（1）式；cj，Pj和rj分別為第j個(gè)后備電源的單位發(fā)電成本、有功出力和運(yùn)行固定成本；yj為第j個(gè)后備電源的投入狀態(tài)，1為投入發(fā)電，0表示未投入；和分別為第j個(gè)后備電源的最小和最大出力限制，j=1，2，…J，J為所有后備電源的個(gè)數(shù)。

在等式約束中，第一項(xiàng)為可中斷負(fù)荷優(yōu)化調(diào)節(jié)量，第二項(xiàng)為后備電源優(yōu)化調(diào)節(jié)量，二者之和為有功優(yōu)化總調(diào)節(jié)量。由于后備電源有功輸出連續(xù)可調(diào)，因此聯(lián)合優(yōu)化模型可以做到完全消除不平衡量。

文章所構(gòu)建的優(yōu)化模型的控制變量包括各可中斷負(fù)荷的開關(guān)狀態(tài)、后備電源的投入狀態(tài)和投入有功功率大小，屬于離散變量和連續(xù)變量的混合優(yōu)化問題。文中引入遺傳算法對(duì)式（1）和式（4）分別求解，其基本步驟略。

3 算例分析

參照文獻(xiàn)[9]，微網(wǎng)仿真系統(tǒng)如圖1所示。孤島運(yùn)行時(shí)，微網(wǎng)總發(fā)電容量P=10 MW。微型燃?xì)廨啓C(jī)MT2為微網(wǎng)后備電源，其出力限值Pmin=0.1 MW，Pmax=0.85 MW，單位發(fā)電成本 cj=300 元 /（MW·h），固定運(yùn)行成本rj=300元。整個(gè)微網(wǎng)中有10個(gè)可中斷負(fù)荷， 其中 1，2，5，6，8，10，11 為 ILL，3，7，12 為ILH，其相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

基本售電電價(jià)取為 P0=700 元 /（MW·h），平均購(gòu)電成本 c0=300元 /（MW·h）；不平衡量限值 γ的初始因數(shù) a=0.3%， 檔數(shù) t=0，1，2， 調(diào)節(jié)幅度 m=0.35%；開關(guān)損耗限值E=7。微網(wǎng)出現(xiàn)的有功不平衡分為有功過剩（ΔP＞0），有功不足（ΔP＜ 0）2種情況?，F(xiàn)對(duì)微網(wǎng)可中斷負(fù)荷開關(guān)初始狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，如表2所示。其中開關(guān)狀態(tài)（xiui）為1表示開關(guān)閉合，開關(guān)狀態(tài)為00或者01分別表示開關(guān)為用戶自中斷或調(diào)度中斷。

圖1 微網(wǎng)仿真系統(tǒng)

表1 可中斷負(fù)荷數(shù)據(jù)

根據(jù)不同的有功不平衡量ΔP，模型一（僅計(jì)及可中斷負(fù)荷）和模型二（同時(shí)計(jì)及可中斷負(fù)荷與后備電源）的優(yōu)化結(jié)果分別如表3和表4所示。由表3和表4可得出以下結(jié)論：

表2 可中斷負(fù)荷初始開關(guān)狀態(tài)

（1）一般情況下，優(yōu)化結(jié)果遵循先切 （后投）ILL，再切（先投）ILH的規(guī)律。但是表3中當(dāng)ΔP=1.7 MW時(shí)，違背了該規(guī)律，這是因?yàn)樵趦?yōu)化后需要保持有功不匹配量在微網(wǎng)要求的限值內(nèi)。

（2）有功偏差較小時(shí)，模型一比模型二收益更大。這是因?yàn)槟Ｐ鸵粌?yōu)化無需精確匹配功率差額，因此不需要啟動(dòng)成本相對(duì)較高的后備電源，而僅需啟動(dòng)運(yùn)行成本較低的ILL。

（3）有功偏差較大時(shí)，模型一通常比模型二收益小。因?yàn)槟Ｐ鸵恢?，即使中斷所有的ILL也無法做到補(bǔ)償所有功率缺額，必須中斷高成本的ILH，這樣不僅損失了售電收入，還需要給予高價(jià)的賠償。而模型二中啟動(dòng)后備電源時(shí)可以減少甚至避免中斷ILH。

（4）由用戶實(shí)施自中斷的負(fù)荷，在優(yōu)化計(jì)算時(shí)不作為可中斷調(diào)度計(jì)入。

（5）2組模型對(duì)于微網(wǎng)出現(xiàn)的有功不平衡量均具有較好的平衡作用。僅計(jì)及可中斷負(fù)荷優(yōu)化模型雖無法保證完全補(bǔ)償有功缺額，但是能保持不匹配量在可以承受的限值范圍之內(nèi)，加入后備電源的聯(lián)合優(yōu)化模型能夠完全消除有功不平衡量。

表3 計(jì)及可中斷負(fù)荷優(yōu)化結(jié)果

表4 同時(shí)計(jì)及可中斷負(fù)荷和后備電源優(yōu)化結(jié)果

4 結(jié)束語

作為微網(wǎng)主要清潔發(fā)電設(shè)備的光伏和風(fēng)力發(fā)電具有較大的間歇性，導(dǎo)致微網(wǎng)經(jīng)常出現(xiàn)較大的有功不平衡量。論文以微網(wǎng)收益最大為優(yōu)化目標(biāo)，給出了2種模型，分別為計(jì)及可中斷負(fù)荷優(yōu)化模型和同時(shí)計(jì)及可中斷負(fù)荷與備用電源的優(yōu)化模型，在優(yōu)化中區(qū)別用戶自中斷行為與調(diào)度中斷行為。算例仿真表明，所建立的2組模型均能有效補(bǔ)償微網(wǎng)中出現(xiàn)的有功缺額，保證微網(wǎng)運(yùn)行在安全范圍內(nèi)。

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