湯 曉 棟

(上海交通大學(xué), 上海 200240)

0 引 言

作為典型的超大城市電網(wǎng),上海電網(wǎng)最高負(fù)荷日負(fù)荷曲線呈現(xiàn)典型的“兩峰一谷形態(tài)。上海電網(wǎng)在白天和夜間的用電負(fù)荷峰谷差較大的特點(diǎn),是影響其安全穩(wěn)定運(yùn)行主要難點(diǎn)[1]。近年來,上海夏季電力高峰不斷刷新,電力峰谷差不斷加大,加之外來清潔水電比例不斷加大,電網(wǎng)的柔性負(fù)荷調(diào)節(jié)不足對電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來了很大挑戰(zhàn)[2-3]。截止到2021年11月,上海電動汽車的保有量已突破60萬輛。由于日益電氣化的交通負(fù)荷受個體行為影響較大,且呈現(xiàn)強(qiáng)烈的時空分布特性[4],目前城市配網(wǎng)容量與管理模式將逐漸無法適應(yīng)電動汽車、分布式可再生能源和居民用電需求的快速增長[5-7]。隨著新型電力系統(tǒng)的推進(jìn),城市能源網(wǎng)將呈現(xiàn)“雙高”與“雙隨機(jī)”特點(diǎn)[8],即高比例可再生能源接入、高比例電力電子設(shè)備應(yīng)用及供給側(cè)隨機(jī)性、需求側(cè)隨機(jī)性的特征,面臨著用能需求大、負(fù)荷峰值高、增容成本高等突出問題。

虛擬儲能系統(tǒng)是一種利用其他裝置或者調(diào)度策略來平衡電力系統(tǒng)能量的理論[9],通過對各類電源發(fā)出的電能進(jìn)行轉(zhuǎn)移或者變換能量形式等方法調(diào)節(jié)系統(tǒng)能量,達(dá)到提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和供電質(zhì)量以及改善經(jīng)濟(jì)效益的目的[10]。虛擬儲能系統(tǒng)通過對能源需求的管理和引導(dǎo)干預(yù)來抵消能量儲存的不足,實(shí)現(xiàn)降低儲能容量,減少儲能成本的功效[11]。在不新增儲能設(shè)施的情況下,可利用區(qū)域內(nèi)電動汽車的分布式儲能特性,基于區(qū)域充電調(diào)度,減少峰時段的用電負(fù)荷,并提升谷時段的用電負(fù)荷,結(jié)合對可調(diào)負(fù)荷的控制以及與電價的實(shí)時互動,利用虛擬儲能技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同時段的能量優(yōu)化,降低系統(tǒng)對負(fù)備用的容量要求,可在提升電網(wǎng)安全性的同時提升終端能源利用率,降低充電成本[12]。基于一定的優(yōu)化充電策略,電動汽車的普及不僅不會對電網(wǎng)運(yùn)行帶來明顯沖擊,反而可以成為高質(zhì)量的系統(tǒng)調(diào)節(jié)資源。

1 區(qū)域充電網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的系統(tǒng)架構(gòu)

為了基于區(qū)域充電網(wǎng)絡(luò)調(diào)度實(shí)現(xiàn)虛擬儲能系統(tǒng),并實(shí)現(xiàn)虛擬儲能系統(tǒng)的定容問題及其能源管理優(yōu)化,基于區(qū)域充電網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的虛擬儲能系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于區(qū)域充電網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的虛擬儲能系統(tǒng)架構(gòu)

虛擬儲能系統(tǒng)架構(gòu)具體包括如下:

(1) 數(shù)據(jù)采集層。采集充電負(fù)荷信息及區(qū)域內(nèi)其他負(fù)荷信息,可作為虛擬儲能系統(tǒng)的優(yōu)化提供初始化輸入?yún)?shù)。

(2) 優(yōu)化控制層。虛擬儲能系統(tǒng)的能量管理與優(yōu)化,本文為該層提供了一種優(yōu)化定容及能量優(yōu)化控制的方法。

(3) 調(diào)度交易層。虛擬儲能系統(tǒng)根據(jù)自身能力,與電力交易中心簽訂合同,并根據(jù)合同執(zhí)行充電負(fù)荷的調(diào)整計劃。

2 虛擬儲能系統(tǒng)的優(yōu)化控制模型

為實(shí)現(xiàn)基于區(qū)域充電調(diào)度的虛擬儲能系統(tǒng)的能力優(yōu)化控制,本文提出一種優(yōu)化控制模型。該模型包括了外層優(yōu)化與內(nèi)層優(yōu)化方法。虛擬儲能系統(tǒng)的內(nèi)外層優(yōu)化模型如圖2所示。內(nèi)層為區(qū)域充電調(diào)度的充電負(fù)荷優(yōu)化方法,外層為基于區(qū)域充電調(diào)度所形成的的虛擬儲能系統(tǒng)的優(yōu)化定容方法。

圖2 虛擬儲能系統(tǒng)的內(nèi)外層優(yōu)化模型

具體包含5個步驟:

(1) 計算出或直接獲得區(qū)域分布的初始充電負(fù)荷。

(2) 計算可減少的充電負(fù)荷,作為初始值輸入系統(tǒng),初始化虛擬儲能系統(tǒng)的額定功率與容量。

(3) 以充電負(fù)荷的時空不均衡性最小化為目標(biāo)函數(shù)開始內(nèi)層優(yōu)化。

(4) 以虛擬儲能系統(tǒng)的收益最大化為目標(biāo)函數(shù)開始外層優(yōu)化。

(5) 循環(huán)步驟(3)、步驟(4),更新虛擬儲能系統(tǒng)的容量與功率優(yōu)化值,直至滿足終止條件,并輸出最優(yōu)解。

該方法中外層優(yōu)化模型目標(biāo)函數(shù)為虛擬儲能系統(tǒng)的收益最大化:

(1)

式中:Cresv——虛擬儲能系統(tǒng)因提供備用容量而獲得的備用容量費(fèi);

Csub——虛擬儲能系統(tǒng)參與需求響應(yīng)的填谷活動而獲得的激勵或補(bǔ)貼;

Cpun——虛擬儲能系統(tǒng)未能按照合同要求執(zhí)行負(fù)荷提升而產(chǎn)生的罰金;

Cele——虛擬儲能系統(tǒng)中為電動汽車充電所支付的電費(fèi);

A——電網(wǎng)為備用容量提供的備用容量費(fèi)單價;

a(i)——用戶在電力市場中簽訂的第i時刻每小時提升單位負(fù)荷而獲得的激勵補(bǔ)貼單價;

b(i)——第i時刻未提升的單位負(fù)荷需要支付的罰金單價;

lIC——虛擬儲能系統(tǒng)的定容值,是系統(tǒng)的最大備用容量;

l0(i)、l(i)——響應(yīng)前后的充電負(fù)荷;

lIC(i)——填谷合同要求的第i時刻的負(fù)荷提升量。

式(1)的邊界條件為某時刻i虛擬儲能系統(tǒng)所能提供的備用容量應(yīng)小于系統(tǒng)能夠提供的最大備用容量。

該方法中內(nèi)層優(yōu)化模型目標(biāo)函數(shù)為充電負(fù)荷的時空不均衡性最小化:

(2)

式中:Ftime_uti——區(qū)域內(nèi)充電站點(diǎn)的時間利用率;

Fspa_uti——區(qū)域內(nèi)充電站點(diǎn)的空間利用率;

M——區(qū)域內(nèi)需要充電的車輛總數(shù);

N——區(qū)域內(nèi)的充電站點(diǎn)數(shù)量;

Cn——第n個站點(diǎn)的充電樁的數(shù)量;

Pm——第m輛車的充電功率;

xmni——三維決策矩陣,表示i時刻第m輛車在第n個站點(diǎn)的充電決策變量,xmni∈{0,1}。

3 算例分析

為簡化計算,設(shè)參與的電動汽車為上汽榮威Ei5,電池容量為52.5 kWh,最大充電功率Pm=60 kW;車輛數(shù)穩(wěn)定在100輛,即M=100;區(qū)域內(nèi)有8個充電站參與調(diào)度,即N=8,站內(nèi)充電樁配置如表1所示。

表1 站內(nèi)充電樁配置

容量市場合同數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 容量市場合同數(shù)據(jù)

區(qū)域基礎(chǔ)負(fù)荷數(shù)據(jù)l0(i)及電力市場實(shí)時電價數(shù)據(jù)ρi參考性地采用了PJM電力市場中某區(qū)域的大工業(yè)用戶2019年5月1日至2019年5月31日中的數(shù)據(jù)日均值。

本文所提出的虛擬儲能系統(tǒng)定容及能量優(yōu)化方法屬于非線性、混合整數(shù)問題。在求解外層模型時可采用遺傳算法,基于外層目標(biāo)對虛擬儲能的額定容量、額定充電功率進(jìn)行尋優(yōu);在求解內(nèi)層模型時,可采用DQN強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法進(jìn)行優(yōu)化求解。虛擬儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置結(jié)果如表3所示。

表3 虛擬儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置結(jié)果

由表3可知,基于區(qū)域充電調(diào)度的虛擬儲能系統(tǒng)及能量優(yōu)化方法可在提升谷時段負(fù)荷的同時獲得一定的系統(tǒng)收益。隨著電動汽車進(jìn)一步普及及電力現(xiàn)貨市場建設(shè)的逐漸完善,基于區(qū)域充電網(wǎng)絡(luò)調(diào)度實(shí)現(xiàn)的虛擬儲能系統(tǒng)及優(yōu)化控制方法將具有廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié) 語

針對上海能源結(jié)構(gòu)中西南水電占比較多、而負(fù)荷峰谷差長期較大,導(dǎo)致存在的谷電消納問題,且隨著電動汽車滲透率及充電站覆蓋率的不斷提升,充電負(fù)荷對配電網(wǎng)的影響逐漸變得不可忽視。本文提出了一種以電動汽車及充電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)為主體的虛擬儲能系統(tǒng)及其能源優(yōu)化與管理調(diào)度的方法,通過外層優(yōu)化提升系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)性,通過內(nèi)層優(yōu)化降低充電負(fù)荷的時空不均衡度,在構(gòu)建負(fù)備用容量、提升電網(wǎng)穩(wěn)定性的同時,將有效降低充電成本、提高終端能源利用效率,具有較大的應(yīng)用價值。