郭 慧, 汪 飛, 張?bào)揖? 馮夏云, 羅 建

(1. 上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院, 上海市 200072; 2. 上海市電站自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海市 200072)

0 引言

當(dāng)前,信息技術(shù)推動(dòng)新一輪能源革命——能量流與信息流的融合,特別是電力流與信息流的融合[1-2]。世界各地幾個(gè)具有代表性的示范項(xiàng)目描繪了能源互聯(lián)網(wǎng)的美好愿景。早在2003年,瑞士啟動(dòng)了科研項(xiàng)目“未來(lái)能源網(wǎng)絡(luò)愿景”,蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院于2007年首次提出能量樞紐的概念[3]。2008年,美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金資助的FREEDM項(xiàng)目,提出并研制構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)的核心設(shè)備能量路由器(energy router,ER)[4]。同年,德國(guó)聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部與環(huán)境部發(fā)起包含6個(gè)示范項(xiàng)目的E-energy計(jì)劃,使德國(guó)成為第一個(gè)實(shí)踐能源互聯(lián)網(wǎng)的國(guó)家[5]。2011年,日本成立“數(shù)字電網(wǎng)聯(lián)盟”,開(kāi)始應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)思維優(yōu)化電力系統(tǒng)的運(yùn)行,并采用數(shù)字ER實(shí)現(xiàn)異步區(qū)域電網(wǎng)的互聯(lián)與控制[6-7]。從2012年開(kāi)始,能源互聯(lián)網(wǎng)的研究在國(guó)內(nèi)得到廣泛關(guān)注,國(guó)家電網(wǎng)提出全球能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)想[8]。

在上述科研實(shí)踐項(xiàng)目中,電力電子技術(shù)與信息通信技術(shù)被有機(jī)結(jié)合起來(lái)構(gòu)建未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)。具有間歇性和波動(dòng)性的分布式可再生能源大規(guī)模接入,可導(dǎo)致能源互聯(lián)網(wǎng)中電力傳輸不同步。因此,在ER的設(shè)計(jì)中需要考慮這些特殊需求。由于良好的性能和廣泛的應(yīng)用,由FREEDM提出的基于固態(tài)變壓器(solid state transformer,SST)的ER已成為研究熱點(diǎn)[4]。如同信息路由器能將信息流正確地傳輸?shù)侥康牡刂芬粯?ER也應(yīng)該將一定的能量流正確地傳輸?shù)截?fù)載端。然而,現(xiàn)有研究大多聚焦在SST的電路拓?fù)浜凸δ芙Y(jié)構(gòu)上,很少涉及能量路由的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

文獻(xiàn)[9]介紹了一種基于DC母線的ER,并提出應(yīng)用于能源局域網(wǎng)的能量路由算法。該算法需要通過(guò)遍歷所有路徑得到最低成本方案,并且沒(méi)有自動(dòng)實(shí)現(xiàn)阻塞管理。為解決上述問(wèn)題,文獻(xiàn)[10]在由電動(dòng)汽車組成的多路由動(dòng)態(tài)電網(wǎng)中提出了一種最小成本流算法,該算法主要考慮了能量流從源到負(fù)載端的傳輸限制。但文中所用優(yōu)化模型——認(rèn)為由損耗產(chǎn)生的成本與能量流成線性變化,并不適合能源互聯(lián)網(wǎng)中的輸電線路。

此外,傳統(tǒng)調(diào)度方式難以區(qū)分能量流的源和方向,也不能保證能量流按照合同路徑傳輸[11-13]。因此,電網(wǎng)中規(guī)定了統(tǒng)一的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。然而,一些電氣設(shè)備可能并不需要高質(zhì)量的電能[6]。像普通商品一樣,電力應(yīng)該具有不同的電能質(zhì)量,并體現(xiàn)優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)。未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)中的電能可以能量包的形式進(jìn)行傳輸,含有源地址和目的地址等信息[14]。根據(jù)不同負(fù)荷需求選擇不同電能質(zhì)量的電源,以實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用。這與文獻(xiàn)[6-7]提出的基于電力線載波通信(power line communication,PLC)的能量路由實(shí)現(xiàn)方式相似。但是,如何確定能量包的源地址和目的地址文獻(xiàn)中沒(méi)有提及。

考慮到電力市場(chǎng)的放開(kāi),未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)將會(huì)提供一個(gè)對(duì)等扁平化的能源交易平臺(tái)[15]。因此,本文提出一種基于撮合交易的最小網(wǎng)損路由(minimum loss routing,MLR)算法。該算法首先根據(jù)含有電能質(zhì)量的報(bào)價(jià)信息,利用分類及撮合交易機(jī)制確定交易對(duì),即能量流傳輸?shù)脑吹刂泛湍康牡刂?。然?應(yīng)用本文所提出的MLR算法確定能量流的傳輸路徑,并通過(guò)修正傳輸路徑或交易矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)阻塞管理。區(qū)別于傳統(tǒng)的電力調(diào)度方式,該算法考慮了電能質(zhì)量的差異性,以及電力傳輸?shù)漠惒叫院蛯?shí)時(shí)性。

1 基于ER的能源互聯(lián)網(wǎng)

考慮到可再生能源內(nèi)在的間歇性和波動(dòng)性,大規(guī)模分布式能源直接并網(wǎng)會(huì)對(duì)公共電網(wǎng)的穩(wěn)定性帶來(lái)一定影響。因而,作為可控單元的虛擬發(fā)電廠(virtual power plant,VPP)或微電網(wǎng)被引入來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式能源的聚合及優(yōu)化,并作為一個(gè)整體參與電力市場(chǎng)和電力運(yùn)行的協(xié)調(diào)管理[16-18]。由于能源分布與經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡,大多數(shù)作為源的VPP可能會(huì)遠(yuǎn)離負(fù)荷中心。為擴(kuò)大能源優(yōu)化與共享的范圍,多個(gè)VPP可通過(guò)ER和輸電線路互聯(lián)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),并進(jìn)一步構(gòu)建未來(lái)的能源互聯(lián)網(wǎng),如附錄A圖A1所示。

能源互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)的能量樞紐系統(tǒng)支持電、熱、氣等多種能源接入形式,包括能量的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)[19]。因?yàn)殡娔茉谶h(yuǎn)距離傳輸與轉(zhuǎn)換效率方面具有其他能源形式無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì),因此文中研究的能量流是以電能形式在ER之間進(jìn)行存儲(chǔ)和傳輸?shù)摹Ｗ鳛橐粋€(gè)具有通信和管理功能的多端口變換器,受信息流控制的ER可以較好地實(shí)現(xiàn)分布式可再生能源所發(fā)電能的高效優(yōu)化傳輸。因此,本文從可再生能源集成的角度,對(duì)現(xiàn)有ER的結(jié)構(gòu)、功能和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了總結(jié)歸納。

1.1 能量路由器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

作為能源互聯(lián)網(wǎng)的核心設(shè)備,ER可以實(shí)現(xiàn)電壓等級(jí)變換、電能質(zhì)量調(diào)節(jié)、潮流優(yōu)化和可再生能源接入等功能。具體來(lái)說(shuō),ER由電力變換模塊、能量管理模塊和多個(gè)即插即用接口組成[20]。

1)電力變換模塊作為ER的骨架具有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),可根據(jù)電壓/功率等級(jí)等不同應(yīng)用場(chǎng)合選擇適合的電路拓?fù)?。按照現(xiàn)有ER的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方式可將其分為三類,如附錄A圖A2所示。其中,基于SST的ER,適用于含有不同電壓等級(jí)和交直流電氣特性的電網(wǎng)中,可用來(lái)連接AC或DC微電網(wǎng)；基于DC母線的ER,適用于電壓等級(jí)較低的電網(wǎng)中,可用來(lái)連接光伏、風(fēng)電和儲(chǔ)能等分布式電源,而DC母線是各分布式電源的能量中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)；基于PLC的ER,可利用PLC技術(shù)將源地址和目的地址等信息疊加到能量上,為不同的源—負(fù)載對(duì)實(shí)現(xiàn)電力流和信息流的共同傳輸。

2)控制中心即能量管理模塊作為ER的大腦,是一個(gè)智能的網(wǎng)絡(luò)尋址單元。它不僅與分布式電源相互聯(lián)系,還與其他ER相互連接。為滿足不同的電能傳輸需求,ER的控制中心應(yīng)支持多種傳輸協(xié)議和傳輸交換方式。信息路由器中的虛電路交換與分組交換相比更適合電能傳輸交換,因?yàn)榉纸M交換方式的多次存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)會(huì)增加電能所經(jīng)ER的轉(zhuǎn)換損耗。

3)即插即用接口對(duì)于ER這一多端口變換設(shè)備來(lái)說(shuō)是必需的,用以連接不同的子網(wǎng)和終端用戶。即插即用功能的實(shí)現(xiàn)依賴于ER的功率接口和信息接口。其中,功率接口的標(biāo)準(zhǔn)化可由電力電子變換器實(shí)現(xiàn),而信息接口應(yīng)能識(shí)別不同電氣特性的能量形式,快速響應(yīng)不同接入用戶的需求。

受信息流控制的ER可提高電能傳輸效率,優(yōu)化電能在時(shí)間和空間上的分配。為便于分析和討論基于撮合交易的MLR算法,下文將基于ER的能源互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)化為圖論模型。

1.2 能源互聯(lián)網(wǎng)的圖論模型

應(yīng)用圖論知識(shí),將基于ER的能源互聯(lián)網(wǎng)表示為一個(gè)有向權(quán)重圖G=(V,E,W),如圖1所示。

圖1 能源互聯(lián)網(wǎng)的圖論模型Fig.1 Graph theory model of energy internet

圖中,ER可看作是圖G的節(jié)點(diǎn)集V={1,2，…,i,j,…},節(jié)點(diǎn)i的權(quán)重wi代表ERi的轉(zhuǎn)換損耗。用于連接ER的輸電線路可看作是邊集E={(1,4),…,(i,j),…},邊的權(quán)重w(i,j)代表線路(i,j)的傳輸損耗。此外,邊的方向代表能量的流動(dòng)方向。在上述有向權(quán)重圖中,尋找源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的最小權(quán)重路徑意味著現(xiàn)實(shí)中降低網(wǎng)損、提高效益。

2 基于撮合交易的MLR算法

本文將基于撮合交易機(jī)制的電力市場(chǎng)模型與MLR算法相結(jié)合,以解決不同區(qū)域電網(wǎng)的供需平衡問(wèn)題[21]。

2.1 市場(chǎng)模型

基于撮合交易的MLR算法其優(yōu)化目標(biāo)是通過(guò)交易對(duì)及其最小網(wǎng)損路徑的選擇及修正來(lái)最大化交易參與方的利益。

2.1.1目標(biāo)函數(shù)

(1)

(2)

M=(msb)S×B

(3)

式中:us(M)為賣方利益;ub(M)為買方利益;S和B分別為賣方和買方的數(shù)量;ρs為賣方的售電價(jià)格,ρb為買方的購(gòu)電價(jià)格,ρ為與輸電量成比例的輸電費(fèi)用,(ρs+ρb-ρ)/2表示以交易雙方扣除輸電費(fèi)后的中點(diǎn)電價(jià)為成交價(jià);Δt為單位時(shí)間;msb為構(gòu)成交易矩陣M的交易對(duì)電量;權(quán)重wR:s?b是構(gòu)成路徑R:s?b以連接源節(jié)點(diǎn)s和目的節(jié)點(diǎn)b的所有ER和輸電線路的網(wǎng)損之和,具體計(jì)算可參見(jiàn)式(4)至式(6)。

1)交易矩陣的形成

為促進(jìn)可再生能源優(yōu)先利用,當(dāng)前國(guó)家制定了可再生能源上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼機(jī)制。一方面,隨著補(bǔ)貼資金逐年拖欠,補(bǔ)貼缺口迅速擴(kuò)大,部分地區(qū)的棄風(fēng)/棄光率不斷增加;另一方面,按照電改方向,政府定價(jià)會(huì)被逐步取消,形成以市場(chǎng)為基礎(chǔ)的價(jià)格形成機(jī)制。但為落實(shí)節(jié)能減排的目標(biāo)和可再生能源發(fā)展的責(zé)任與義務(wù),國(guó)家發(fā)改委提出并試行可再生能源綠色電力證書(shū)交易制度。

而在電力市場(chǎng)交易中,電能質(zhì)量與電價(jià)應(yīng)該是正相關(guān)的,交易參與方可根據(jù)電能質(zhì)量,執(zhí)行高/低報(bào)價(jià)策略。交易達(dá)成的前提是賣方的電能質(zhì)量要滿足買方的需求。因此,先將交易參與方按照電能質(zhì)量高/低進(jìn)行分組。然后根據(jù)分組,按照?qǐng)D2所示的撮合交易機(jī)制形成交易矩陣。

如果賣方是交易發(fā)起方,響應(yīng)的買方將按照?qǐng)?bào)價(jià)降序排列,如圖2(a)所示。如果買方是交易發(fā)起方,響應(yīng)的賣方將按照?qǐng)?bào)價(jià)升序排列,如圖2(b)所示。當(dāng)報(bào)價(jià)相同時(shí),響應(yīng)方將按照時(shí)間順序排列。之后,根據(jù)價(jià)格差從高到低形成交易對(duì)(即源—負(fù)載對(duì))。當(dāng)發(fā)起方或響應(yīng)方?jīng)]有剩余電量時(shí),交易配對(duì)過(guò)程結(jié)束。

圖2 撮合交易機(jī)制Fig.2 Mechanism of matchmaking tradeoff competition

2)MLR的選取

交易參與方利用改進(jìn)Dijkstra算法為每一交易對(duì)選擇一個(gè)MLR傳輸交易電量,并根據(jù)式(4)至式(6)計(jì)算該路徑的損耗,包括線路傳輸損耗和ER轉(zhuǎn)換損耗。

(4)

(5)

wi=(1-ηi)msb

(6)

式中:w(i,j)為線路(i,j)的傳輸損耗;R(i,j)和U(i,j)分別為線路(i,j)的電阻和電壓;P(i,j)為線路(i,j)中的已流通功率;ηi為ERi的轉(zhuǎn)換效率。

注意,影響傳輸路徑選擇的主要因素為線路電阻、電壓和ER的轉(zhuǎn)換效率。實(shí)際中,交易電量msb沿著傳輸路徑逐漸減少,但它基本不會(huì)影響到傳輸路徑的優(yōu)化選擇。為便于實(shí)現(xiàn),文中做了簡(jiǎn)化處理,在式(5)與式(6)中直接使用msb來(lái)確定線路傳輸損耗和ER的轉(zhuǎn)換損耗,以選取最小網(wǎng)損路徑。

2.1.2約束條件

1)交易電價(jià)約束:式(7)表示購(gòu)電價(jià)與售電價(jià)之差應(yīng)大于輸電費(fèi)。

ρb-ρs-ρ>0

(7)

2)交易電量約束:式(8)表示多個(gè)買方向作為交易發(fā)起方的賣方購(gòu)買電量時(shí),購(gòu)電總量不能超過(guò)售電量Es；式(9)表示多個(gè)賣方向作為交易發(fā)起方的買方出售電量時(shí),售電總量不能超過(guò)購(gòu)電量Eb。

(8)

(9)

3)MLR約束:式(10)至式(12)表示交易電量應(yīng)滿足MLR的網(wǎng)損量、接口容量和傳輸容量約束。為實(shí)現(xiàn)阻塞管理,需根據(jù)線路中已流通功率對(duì)可用傳輸容量進(jìn)行更新。

msb>wR:s?b

(10)

(11)

(12)

(13)

2.1.3MLR約束越限

情況1:如果msb≤wR:s?b,此時(shí)的解決方案只能是修正交易矩陣M,如圖3(a)所示。原交易對(duì)①的功率msb≤wR:s?b,則買方跳過(guò)賣方1,向賣方2購(gòu)買電量,重新構(gòu)成交易對(duì)①。通過(guò)新構(gòu)成的交易對(duì)①,買方?jīng)]有購(gòu)滿電量,因而繼續(xù)向賣方3購(gòu)買電量形成交易對(duì)②。至此,買方已購(gòu)滿電量,M更新完畢。msb≤wR:s?b,在線路參數(shù)設(shè)計(jì)合理時(shí)基本不會(huì)發(fā)生。

2.2 模型求解

大規(guī)模不可控的可再生能源接入能源互聯(lián)網(wǎng)后,很可能會(huì)引起電力傳輸不同步。考慮電能傳輸?shù)漠惒叫院蛯?shí)時(shí)性,本文主要分析了異步傳輸方式下交易對(duì)最小網(wǎng)損路徑的選擇及修正問(wèn)題。

2.2.1優(yōu)化算法的實(shí)現(xiàn)

算法1描述了能源互聯(lián)網(wǎng)中基于撮合交易的MLR算法,該算法的控制變量為交易對(duì)及其最小網(wǎng)損路徑R:s?b的選擇及修正,步驟如下。

步驟1:初始化能源互聯(lián)的圖論模型G=(V,E,W);由所有ER構(gòu)成節(jié)點(diǎn)集V,由所有輸電線路構(gòu)成邊集E,由ERi的轉(zhuǎn)換損耗構(gòu)成節(jié)點(diǎn)權(quán)重wi,由線路(i,j)的傳輸損耗構(gòu)成邊的權(quán)重w(i,j)。

步驟2:獲取交易參與方的報(bào)價(jià)信息,并根據(jù)電能質(zhì)量高/低進(jìn)行分組。

步驟3:根據(jù)交易發(fā)起方和圖2所示撮合機(jī)制形成交易矩陣即式(3),使交易對(duì)(源—負(fù)載對(duì))msb滿足式(7)至式(9)。

步驟4:根據(jù)交易對(duì)的傳輸時(shí)間依次確定電能傳輸?shù)脑垂?jié)點(diǎn)s和目的節(jié)點(diǎn)b。

步驟5:根據(jù)式(4)至式(6),利用算法2(改進(jìn)Dijkstra算法)選取圖G中從s到b的MLR。

步驟6:若msb滿足運(yùn)行約束式(10)至式(12),則得到MLR及其最小網(wǎng)損,否則轉(zhuǎn)步驟7。

步驟7:修正傳輸路徑或修正交易矩陣(參見(jiàn)2.1.3節(jié)MLR約束越限),根據(jù)式(1)和式(2)選擇使交易方利益較大的可行方案。

需要注意的是,若存在若干交易對(duì)傳輸時(shí)間完全一致的情況,可將若干交易對(duì)的賣方分別作為源節(jié)點(diǎn)來(lái)調(diào)用改進(jìn)Dijkstra算法,同時(shí)尋找所有交易對(duì)的最小網(wǎng)損路徑。此時(shí),若干交易對(duì)的交易功率傳輸前線路中已流通功率均為零,即對(duì)應(yīng)式(5)中已流通功率P(i,j)=0的特例。因此,本文著重分析了異步傳輸方式下,交易對(duì)最小網(wǎng)損路徑的選擇及修正問(wèn)題,包括P(i,j)=0和P(i,j)≠0的情況。

2.2.2改進(jìn)Dijkstra算法

利用圖論知識(shí)尋找MLR是算法1的核心之一?；趫D論的最短路徑算法已逐漸滲透到物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域,并得到廣泛應(yīng)用[22-24]。最短路徑中的Dijkstra算法簡(jiǎn)明、實(shí)際應(yīng)用廣泛并能得到全局最優(yōu)解[24]。因此,本文采用改進(jìn)Dijkstra算法來(lái)查找交易對(duì)的MLR,并在算法2中描述了其基本思想及實(shí)現(xiàn)方式,步驟如下。

步驟1:根據(jù)交易對(duì)msb,確定源節(jié)點(diǎn)s和目的節(jié)點(diǎn)b。

步驟2:引入節(jié)點(diǎn)集U(初始時(shí)只含有s),存儲(chǔ)從s到該集合中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的MLR已被找到的節(jié)點(diǎn)。

步驟3:列出s到(V-U)中所有節(jié)點(diǎn)x的網(wǎng)損,x∈(V-U)。

步驟4:從(V-U)中選擇MLR估計(jì)最小的節(jié)點(diǎn)u,并將u加入U(xiǎn)中。

步驟5:若u是目的節(jié)點(diǎn)b,則記錄s到b的MLR及其網(wǎng)損,否則轉(zhuǎn)步驟6。

步驟6:對(duì)所有從u發(fā)出的邊(u,x)進(jìn)行松弛,即計(jì)算s到u加上u到x的網(wǎng)損之和,并與s到x的原網(wǎng)損進(jìn)行比較。

步驟7:若前者網(wǎng)損之和較小,則取較小的值來(lái)更新相應(yīng)節(jié)點(diǎn)x的網(wǎng)損,否則返回步驟4。

3 仿真結(jié)果與分析

將拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改自于Ward & Hale 6節(jié)點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng),并采用單回路供電方式的附錄A圖A1基于ER的能源互聯(lián)網(wǎng)作為仿真案例,并對(duì)其系統(tǒng)參數(shù)重新設(shè)計(jì)如下[25]。

3.1 基本數(shù)據(jù)

附錄B表B1提供了不同VPP含有電能質(zhì)量的報(bào)價(jià)信息,包括交易電價(jià)和交易電量等。附錄B表B2和表B3給出了用于連接不同VPP的ER和輸電線路的參數(shù)信息。其中,輸電線路的電壓等級(jí)與其輸送距離和輸送功率有關(guān)。

3.2 基于撮合交易的MLR算法優(yōu)化結(jié)果

3.2.1交易對(duì)的形成

根據(jù)電能質(zhì)量分組和交易發(fā)起方等信息,交易參與者的撮合配對(duì)過(guò)程如附錄C圖C1所示。

3.2.2異步傳輸方式下的優(yōu)化結(jié)果

1)MLR的選取

根據(jù)異步傳輸時(shí)間,可以依次尋找到上述交易對(duì)的無(wú)阻塞MLR。為便于分析,假設(shè)交易對(duì)①至③的傳輸時(shí)間與交易次序一致,分別為t1,t2和t3。

場(chǎng)景1:如果傳輸時(shí)間t1,t2和t3不存在重疊,則交易對(duì)在MLR的選取上互不影響,每一交易電量傳輸前輸電線路上已流通功率為零。

經(jīng)驗(yàn)證,交易對(duì)①至③均滿足所選MLR的網(wǎng)損量、接口容量和傳輸容量約束,其優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 基于撮合交易的最小網(wǎng)損路由算法優(yōu)化結(jié)果Table 1 Optimization results of matchmaking tradeoff based MLR algorithm

場(chǎng)景2:如果傳輸時(shí)間t1,t2和t3存在重疊,則重疊時(shí)間內(nèi)后面交易對(duì)的網(wǎng)損量及MLR的選取會(huì)受到前面交易對(duì)的影響,表1同時(shí)給出了場(chǎng)景2的優(yōu)化結(jié)果。

與場(chǎng)景1相比,場(chǎng)景2下交易對(duì)①的MLR和網(wǎng)損量等沒(méi)有發(fā)生任何變化。交易對(duì)②的MLR仍為2→3→4,但因線路(2,3)和(3,4)中已有流通功率40 kW,其網(wǎng)損量變?yōu)?.849 kW，略高于場(chǎng)景1中的3.668 kW。結(jié)果表明,線路損耗不僅與當(dāng)前傳輸功率有關(guān),還受線路中已流通功率的影響。

交易對(duì)③的MLR仍為3→4→6,但線路(3,4)的傳輸容量為105 kW,交易對(duì)①和②已占用70 kW,因此路徑3→4→6的容量?jī)H剩35 kW,無(wú)法傳輸交易對(duì)③的45 kW功率。

2)阻塞管理

對(duì)于上述問(wèn)題,為避免發(fā)生線路阻塞,有以下兩種解決方案:一是修正傳輸路徑；二是修正交易矩陣。

其優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表1和附錄C圖C2。

①修正傳輸路徑:如附錄C圖C2(a)所示,受輸送容量限制,交易對(duì)③的MLR 3→4→6傳輸35 kW功率,而剩余的10 kW功率通過(guò)另一路徑3→5→6傳輸,可增加收益1.171元。

②修正交易矩陣:附錄C圖C2(b)為修正后的交易矩陣,新形成的交易對(duì)④在傳輸時(shí)間重疊期間的MLR為5→6,可增加收益1.035元。

顯然,此時(shí)修正傳輸路徑所增加的收益高于修正交易矩陣,因此選擇修正傳輸路徑來(lái)實(shí)現(xiàn)阻塞管理。

3)對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)比,場(chǎng)景1的總損耗較小,同一時(shí)段內(nèi)線路利用率也相對(duì)較低。場(chǎng)景2以增加損耗為代價(jià),提高了線路利用率。當(dāng)線路電壓等級(jí)設(shè)計(jì)合理時(shí),兩種場(chǎng)景的區(qū)別并不明顯,線路總損耗分別為2.033 kW和2.200 kW,同時(shí)線損率分別為1.768%和1.913%,均符合要求。

3.2.3線路參數(shù)對(duì)優(yōu)化結(jié)果的影響

為分析線路參數(shù)對(duì)優(yōu)化結(jié)果的影響,現(xiàn)將附錄B表B3中的線路電壓等級(jí)統(tǒng)一降為0.8 kV,其優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 線路參數(shù)對(duì)優(yōu)化結(jié)果的影響Table 2 Influence of line parameters on optimization results

1)MLR的選取

與3.2.2節(jié)相比,場(chǎng)景1下各交易對(duì)①～③的MLR未發(fā)生變化,但路徑損耗因線路電壓等級(jí)被降低而均有所增加。

場(chǎng)景2下,交易對(duì)①的MLR仍為2→3→4→1。因線路(2,3)和(3,4)中已有流通功率40 kW,且線路電壓等級(jí)統(tǒng)一降為0.8 kV,對(duì)于交易對(duì)②來(lái)說(shuō),選擇2→3→4的路徑損耗要大于2→5→6→4,因此交易對(duì)②的MLR變?yōu)?→5→6→4。

對(duì)于交易對(duì)③,因原MLR 3→4→6與前一交易對(duì)②的MLR 2→5→6→4,在同一線路(4,6)上傳輸功率方向相反,因此兩者不能共用該輸電線路,其MLR變?yōu)?→5→6。由于線路(5,6)的傳輸容量為50 kW,交易對(duì)②已占用30 kW,因此路徑3→5→6的傳輸容量?jī)H剩20 kW,無(wú)法傳輸交易對(duì)③45 kW的功率。

2)阻塞管理

對(duì)于上述問(wèn)題,類似3.2.2節(jié)有以下兩種解決方案,見(jiàn)表2和附錄C圖C3。

①修正傳輸路徑:如附錄C圖C3(a)所示,受輸送容量限制,交易對(duì)③的MLR 3→5→6傳輸20 kW功率,而剩余的25 kW功率通過(guò)另一路徑3→4→1→6傳輸,可增加收益2.117元。

②修正交易矩陣:附錄C圖C3(b)為修正后的交易矩陣,但新形成的交易對(duì)④在傳輸時(shí)間重疊期間未能找到可行路經(jīng)。

顯然,此時(shí)只能通過(guò)修正傳輸路徑來(lái)實(shí)現(xiàn)阻塞管理。

3)對(duì)比分析

與3.2.2節(jié)相比,因電壓等級(jí)被降低,場(chǎng)景1的線路總損耗升高為9.381 kW,場(chǎng)景2的線路總損耗升高為16.785 kW。兩種情景的區(qū)別比較明顯,線損率分別為8.157%和14.596%,且因電壓等級(jí)設(shè)計(jì)太低,線損率均高于7%的要求。由此可知,線路參數(shù)的合理設(shè)計(jì)對(duì)于電網(wǎng)的穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行至關(guān)重要。

3.3 小結(jié)

上述優(yōu)化結(jié)果表明,傳輸時(shí)間重疊期間,線路中已流通功率的大小和方向需根據(jù)電力交易進(jìn)行更新,以實(shí)現(xiàn)阻塞管理。單回路供電方式下,線路中已流通功率方向確定后,該線路中無(wú)法同時(shí)流通反向功率。若是采用雙回路供電方式,可允許反向功率流通。本文算例是以單回路為例進(jìn)行分析的,所提出的基于撮合交易的最小網(wǎng)損路由算法,可根據(jù)參數(shù)變化為交易對(duì)選取無(wú)阻塞的MLR傳輸交易電量,并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)阻塞管理。

具有通信和控制功能的電力電子變換裝置ER,可將上述優(yōu)化結(jié)果作為控制指令,采用下垂控制或虛擬同步電機(jī)等控制方式實(shí)現(xiàn)給定功率的輸出調(diào)節(jié)。若將多端口ER看作一個(gè)廣義節(jié)點(diǎn),其流入總功率與輸出總功率在忽略損耗的情況下相等,可滿足基爾霍夫定律。

4 結(jié)語(yǔ)

作為能源互聯(lián)網(wǎng)的核心,由信息流控制的ER可以較好地實(shí)現(xiàn)分布式可再生能源所發(fā)電能的高效優(yōu)化傳輸。隨著電力市場(chǎng)的放開(kāi),分布式能源參與電力市場(chǎng)化交易,使得能量流在能源互聯(lián)網(wǎng)中靈活雙向流動(dòng)。傳統(tǒng)調(diào)度方式難以區(qū)分能量流的源和方向,也不能保證能量流按照合同路徑傳輸。

因而,本文在基于ER的能源互聯(lián)網(wǎng)中,提出一種基于撮合交易的MLR算法。該算法考慮了電能質(zhì)量的差異性及電力傳輸?shù)漠惒叫院蛯?shí)時(shí)性,同時(shí)將阻塞管理直接考慮進(jìn)優(yōu)化算法中。仿真結(jié)果證明了該優(yōu)化算法在MLR選擇及阻塞管理中的有效性。文中調(diào)整已通潮流路徑,可能會(huì)影響傳輸時(shí)間靠后的交易對(duì)的網(wǎng)損,但對(duì)于所有交易對(duì)來(lái)說(shuō),所選路徑的整體網(wǎng)損一定是最小的。同一時(shí)段,傳輸時(shí)間靠后的交易對(duì)會(huì)承擔(dān)較大的網(wǎng)損,通過(guò)與傳輸時(shí)間相關(guān)的網(wǎng)損分?jǐn)偡绞絹?lái)調(diào)動(dòng)交易方參與阻塞管理的積極性,可實(shí)現(xiàn)輸電網(wǎng)絡(luò)的削峰填谷。若從公平性上考慮,可通過(guò)后續(xù)網(wǎng)損分?jǐn)偡椒ㄟM(jìn)行調(diào)整。

面對(duì)電力市場(chǎng)的放開(kāi)及大量VPP的出現(xiàn),需考慮不同利益主體的協(xié)同互動(dòng)模式。基于撮合交易的MLR算法通過(guò)交易對(duì)及其最小網(wǎng)損路徑的選擇及修正來(lái)最大化交易參與方的利益,但撮合交易模式要依據(jù)價(jià)格優(yōu)先和時(shí)間優(yōu)先兩個(gè)原則。交易雙方利益最大化本是一個(gè)市場(chǎng)博弈均衡問(wèn)題,后續(xù)研究中需引入博弈策略進(jìn)行優(yōu)化分析。

針對(duì)審稿意見(jiàn)的答復(fù)與討論見(jiàn)附錄D。期待更多的學(xué)術(shù)探討。

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。