李 翠

(上海理工大學(xué) 管理學(xué)院, 上海200093)

0 引 言

目前,全球存在能源結(jié)構(gòu)不合理、資源利用率較低和資源需求量較大等問題。 面對這種狀況,要大力發(fā)展在自然界中可以不斷再生、永續(xù)利用的可再生能源,主要包括光伏、太陽能、風(fēng)能、水能和生物質(zhì)能等,關(guān)于可再生能源發(fā)電的研究越來越多［1-5］。但新能源發(fā)電也具有不穩(wěn)定性、間歇性、隨機(jī)性的缺點,若單獨采用某單一能源進(jìn)行發(fā)電則存在較多障礙,因此,構(gòu)建多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)架構(gòu),實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級已經(jīng)成為目前新能源發(fā)電的主要發(fā)展方向。 將燃?xì)?、風(fēng)電、光伏、儲存等技術(shù)進(jìn)行融合,實現(xiàn)多種能源的協(xié)同優(yōu)化。 借助風(fēng)光蓄協(xié)作效應(yīng),提出了含大規(guī)模風(fēng)電的電力調(diào)度［6］；提出了風(fēng)、光、蓄一體化出力的調(diào)度策略,該策略不僅減少火電機(jī)組啟停次數(shù),降低火電經(jīng)濟(jì)成本,還起到了提高間歇性能源的利用率和削峰填谷的效果［7］；研究了海島風(fēng)、光、海水蓄聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)度策略,提出了聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的3 種調(diào)度方法［8］。 目前,主要從電力系統(tǒng)規(guī)劃、調(diào)度、控制、仿真角度討論了大規(guī)模新能源發(fā)電對電力系統(tǒng)影響［9］,對含可再生能源的電力系統(tǒng)主要采用多種能源相互協(xié)調(diào)策略,以達(dá)到電網(wǎng)優(yōu)化和能源調(diào)度的目標(biāo)［10］。

隨著新能源發(fā)電的快速發(fā)展,僅靠供應(yīng)側(cè)的能源互補(bǔ)或傳統(tǒng)火力機(jī)組來協(xié)調(diào)可再生能源發(fā)電的不穩(wěn)定性與間歇性,不僅難以控制且成本高［6］。 需求響應(yīng)［11-13］是一種有效的調(diào)整方法,用戶根據(jù)電力市場價格信號(分時電價、實時電價［19］、尖峰電價)或激勵機(jī)制主動改變能源使用行為［14］。 電力系統(tǒng)引入需求響應(yīng)可以促進(jìn)用戶合理用電并優(yōu)化含可再生能源電力系統(tǒng)的調(diào)度,國內(nèi)外已有很多將需求響應(yīng)考慮到含新能源電力系統(tǒng)中的研究。 例如：集成光伏、風(fēng)電、燃?xì)廨啓C(jī)、儲能系統(tǒng)和激勵型需求響應(yīng)為虛擬電廠(VPP),價格型需求響應(yīng)能夠平緩用電負(fù)荷曲線,儲能系統(tǒng)和激勵型需求響應(yīng)能夠增加VPP運營收益［15］；借助電價的需求響應(yīng)來增加對負(fù)荷的調(diào)控能力,以減少光伏的不穩(wěn)定性對發(fā)電調(diào)度優(yōu)化結(jié)果造成的影響,新能源發(fā)電對電力市場的電價制定提出更高的要求［16］； 光伏用戶集群實現(xiàn)電能共享辦法,通過建立內(nèi)部價格模型,實現(xiàn)有序的電能交易［17］；考慮到電價和風(fēng)電的不確定性,建立了風(fēng)險規(guī)避主動分配網(wǎng)絡(luò)(ADN)模型,風(fēng)險規(guī)避(ADN)的目標(biāo)函數(shù)考慮了在集成和不集成儲能風(fēng)電的情況下,相同電力系統(tǒng)之間發(fā)電成本凈減少的條件期望［18］；公用事業(yè)公司與多個住宅用戶之間的實時雙向通信,將每個用戶視為一個智能家居管理系統(tǒng)［20］,提出了一種分布式實時算法,為每個用戶和公共事業(yè)公司尋找最優(yōu)的能源管理調(diào)度方案,使社會福利最大化。 對家用電器進(jìn)行了細(xì)致的分類,以所有用戶收益最大化,成本最小化為目標(biāo)函數(shù),建立優(yōu)化模型,給出了一種既有可存儲設(shè)備又有可再生能源并網(wǎng)情況下用戶優(yōu)化用電策略［21］。

本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上,研究智能電網(wǎng)環(huán)境下的用戶私人新能源并入電網(wǎng)模式。 將家用電器分為必須運行電器、彈性電器和半彈性電器；存儲設(shè)施是既可以充電又可以放電的電動汽車、電池等；供電公司改善發(fā)電模式,除了傳統(tǒng)的火力發(fā)電,還開發(fā)可再生能源發(fā)電,促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)向更安全、更高效、更環(huán)保的方向發(fā)展,從而形成多能互補(bǔ)系統(tǒng)。 為了緩解供電方壓力,充分調(diào)動用戶側(cè)資源,本文假設(shè)用戶側(cè)安裝新能源設(shè)備,如屋頂太陽能、光伏設(shè)備等。 用戶側(cè)的新能源設(shè)備具有發(fā)電功能還可以儲能,這樣用戶私人新能源可以直接發(fā)電供用戶自己使用也可以儲存下來。 供電公司可以給予一定價格,刺激用戶將新能源并入電網(wǎng)。 即在供電公司和用戶之間搭建一個能源交易平臺。 在上述復(fù)雜條件下,以所有用戶效益最大化,成本最小化為目標(biāo)函數(shù),建立模型,給出一種兼顧新能源發(fā)電、存儲設(shè)施和能源交易模型的優(yōu)化用電策略。 對模型進(jìn)行分析,用拉格朗日對偶算法計算出模型的解。 該策略能確保新能源得到優(yōu)先、充分利用,就地消納,存儲設(shè)備合理使用,將其成本降到最低,避免新能源并網(wǎng)對電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成影響。 利用MATLAB 仿真驗證模型的合理性和算法的實效性。

1 系統(tǒng)模型

考慮一個供電公司向多個用戶N = ｛1,…,N ｝供電的系統(tǒng)模型,每個用戶被視為一個智能家居管理系統(tǒng),用家庭負(fù)荷、智能電表、儲能電池和能源收集設(shè)備組成。 每個智能電表都假定嵌入一個能源消耗控制器(ECC)。 ECC 可以控制每個家電的操作時間和模式,充放電量和記錄用戶的用電量。 它還可以與供電公司實時雙向通信：用戶向供電公司提供用戶的用電情況；供電公司根據(jù)用戶用電情況提供在自動化上和經(jīng)濟(jì)上最優(yōu)能源管理調(diào)度方案。

1.1 家用電器分類

將用戶的電器分為三類： Ai,Bi,Ci分別表示用戶i(i ∈N)的三類電器。 a 表示用戶i 的某一電器,表示在h 時段用戶i 正在運行電器a 的用電量,Ea表示電器a 所需的總用電量,= Ea。

(1)必須運行的電器Ai( a ∈Ai)i,這種電器運行時間長短不受價格限制,如冰箱、照明用電等。 運行時間和用電量都是固定,且運行時間可以是連續(xù)的或者是間斷時間構(gòu)成。M 表示i 用戶必須運行電器數(shù)量,表示i 用戶在h 時隙所有必須運行電器的總用電量,即

(2)彈性電器Bi( a ∈Bi) , 這種電器運行時間受價格影響最大,如空調(diào)等；電價高時用電量下降,電價低時用電量增加。 彈性電器使用時間可以根據(jù)電價靈活選擇,一般要求該類電器在每個時段用電量有一個上限閾值。為i 用戶的彈性電器在第h 時段最大用電量,即0 ≤≤, ?i ∈N,?h ∈H.

(3)半彈性電器Ci( a ∈Ci) , 這種電器運行時間也受價格影響,如洗衣機(jī)、洗碗機(jī)等。 這種電器完成任務(wù)所有電量是固定的,而且一旦開始就無法停止,因此它們的運行具有連續(xù)性。 半彈性電器需要在特定時間內(nèi)完成運行,不然影響用戶的滿意度。戶i 的半彈性電器在第h 時段最大用電量。Ea表示電器a 所需的總用電量。

1.2 儲能設(shè)施

由于可再生能源的間歇性、波動性和不可準(zhǔn)確預(yù)測性,其產(chǎn)生的電力若直接輸送給電網(wǎng)中,會造成浪費,且影響電網(wǎng)正常穩(wěn)定運行。 因此,存儲設(shè)施在處理新能源發(fā)電中發(fā)揮著重要作用,以補(bǔ)充間歇性新能源發(fā)電的波動性和不可準(zhǔn)確預(yù)測性。 存儲設(shè)施既可以放電也可以充電。

1.3 新能源發(fā)電

在供電方改善供電系統(tǒng),增加了新能源發(fā)電,擴(kuò)大能源來源途徑,協(xié)調(diào)了傳統(tǒng)火力發(fā)電的局限性,為克服多種能源發(fā)電的間歇性以及不確定性,形成依據(jù)互聯(lián)網(wǎng)上的各種信息進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)和運行的能源互補(bǔ)系統(tǒng)。 全面優(yōu)化能源的生產(chǎn)、分配、轉(zhuǎn)化、存儲后形成產(chǎn)供銷一體化,極大程度上滿足用戶對能源的需求,提升能源利用率,利用能源互補(bǔ)管理系統(tǒng)解決目前能源短缺和能源質(zhì)量較差問題。 多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是由火力發(fā)電技術(shù)、分布式發(fā)電技術(shù)、儲能技術(shù)和太陽能發(fā)電技術(shù)結(jié)合的整體發(fā)電系統(tǒng)。

從供電公司的角度出發(fā),sh表示供電公司在時隙h 的能源供應(yīng),包括多能互補(bǔ)系統(tǒng)提供的新能源。供電公司的能源供應(yīng)受以下條件：0 ≤sh≤ch, ?h∈H.其中ch表示電力公司在時隙h 的供電能力,供電能力受電力基礎(chǔ)設(shè)施的限制,如輸電線路和輸電線路的熱限。 用戶方安裝能源設(shè)備且收集到的能源可以通過能源交易平臺并入電網(wǎng)中。

用戶新能源屬于用戶的私人能源,用戶可以選擇并入電網(wǎng)也可以選擇自用,這取決于供電公司給予用戶的刺激。 這種刺激起到去峰填谷的功效,緩解電網(wǎng)的壓力,同時又可以滿足所有用電的電量需求。

Eu≥0 用戶能源收集設(shè)備總能源,0 ≤Ep≤系統(tǒng)中輔助設(shè)備所耗的電量,Er≥0 能源收集設(shè)備中可供用戶使用的能源。

每個時隙的每個用戶的總能量需求與在相同時隙的其它用戶的能量需求具有空間耦合的關(guān)系, 約束條件如下所示：

1.4 用戶的效用函數(shù)

電力系統(tǒng)中的每個單獨的用戶都是可以獨立運行的實體。 每個用戶的能量需求可以基于不同的參數(shù)而變化。 通過采用微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)的效用函數(shù)概念,可以對不同用戶對各種價格場景的不同響應(yīng)進(jìn)行解析建模。 對于所有用戶,我們將相應(yīng)的實用程序函數(shù)表示為U (x,ω) ,ω ＞0 是可以在用戶之間以及在一天的不同時間內(nèi)變化的參數(shù)。 更正式地說,對于每個用戶,效用函數(shù)表示用戶作為其功耗的函數(shù)所獲得的滿意程度。 我們假設(shè)實用程序函數(shù)滿足以下屬性：

性質(zhì)1效用函數(shù)是不遞減的,即≥0。

性質(zhì)2效用函數(shù)是凹的,邊際效用遞減。

本文考慮了線性遞減邊際效益的二次效用函數(shù)：

其中,α ＞0 是一個預(yù)先確定的參數(shù)。

1.5 成本函數(shù)

供電公司在每個時隙提供給所有用戶用電量的成本,用函數(shù)Chsh( ) 表示,函數(shù)是單調(diào)遞增凸函數(shù),且普遍采用二次函數(shù)：

2 模型建立

一天被認(rèn)為是一個周期, 它被平均地分為H =｛1,...,H｝ 的時間段,H = 24,時間尺度為一個小時。 對于給定的供電公司公布的售賣電價={} 和供電公司購買用戶私人新能源的電價= {},尋找一種最優(yōu)用電策略,使整個系統(tǒng)成本最低,所有用戶效用最大同時新能源可以得到充分利用。

供電公司改變了資源結(jié)構(gòu),大力開發(fā)可再生能源,多種新能源與傳統(tǒng)的發(fā)電模式合并形成多能互補(bǔ)系統(tǒng)。 在多能互補(bǔ)系統(tǒng)中,供電方的新能源直接并入電網(wǎng),新能源還來源用戶側(cè)新能源設(shè)備,用戶私人新能源是否并入電網(wǎng)、并入電網(wǎng)的電量以及并入電網(wǎng)時刻由用戶自己決定,而用戶的并網(wǎng)行為取決于供電方給予的刺激。 以所有用戶最大化,成本最小化為目標(biāo),建立目標(biāo)函數(shù)為：

模型(9)是凸規(guī)劃,解存在且唯一,其實質(zhì)是使所有用戶效用最大化、成本最小化,且能源優(yōu)先使用并充分利用,減少能源的棄廢率。 約束條件(9-2)限制電池電量的邊界,防止電池充放電超過電池邊界,造成電池?fù)p壞。 約束條件(9-3)和(9-4)防止家庭負(fù)荷過重,峰谷轉(zhuǎn)移,造成電網(wǎng)的不穩(wěn)定,確保在每個時隙的用電量在電網(wǎng)最大承受范圍內(nèi)。 約束條件(9-5)和(9-6)使得電網(wǎng)中的新能源發(fā)電被充分、優(yōu)先利用。

模型(9)考慮能源供應(yīng),能源需求和電池儲能,能源供應(yīng)不只在供應(yīng)方,模型考慮用戶側(cè)的資源,緩解供應(yīng)方的供電壓力；模型(9)不僅考慮優(yōu)化可再生能源和存儲設(shè)施,對于多余能源并入電網(wǎng)進(jìn)行研究,對新能源的并網(wǎng)方式進(jìn)行分析,通過供需雙方實時互動,利用電價刺激用戶,從而實現(xiàn)用戶效用最大化。

2.1 模型求解

能量需求約束和電池能量約束是時間上耦合的約束,供需約束是空間耦合的約束,這些約束無法直接解決原始問題,可以利用拉格朗日對偶算法處理這個復(fù)雜的優(yōu)化問題。 因為原始問題是凸問題,利用對偶分解方法,將原問題解耦成一系列獨立的子問題。

λh≥0 是拉格朗日乘數(shù), λ ≡[ λh]h∈H,μ ≡ [i∈N,h∈H,υ ≡ []i∈N,h∈H,σ ≡[]i∈N,h∈Hθ ≡ [ θi]i∈N表示引入的拉格朗日乘數(shù)矩陣來緩和時間上和空間上耦合的約束。

對偶優(yōu)化問題中的目標(biāo)函數(shù)為：

利用次梯度投影法,對偶問題可以隨著對偶目標(biāo)函數(shù)的負(fù)次梯度中的拉格朗日乘子的更新而迭代求解：

可將對偶問題分解成以下幾個子問題：

為了解決該對偶問題,采用梯度投影迭代法進(jìn)行求解。 迭代公式如下：

k ∈N＋表示迭代指數(shù),γλ,γμ,γυ,γσ,γθ＞0 分別是調(diào)整收斂速度λh,的步長,是局部最優(yōu)解。

2.2 算法步驟

輸入能耗水平的下限、上限,電池的最大充放電速率,所需需求,初始電池電量,電池的充放電效率,供電能力等參數(shù)。

算法

Step 1初始化(用戶方)；

Step 2對于每個用戶?i ∈N ,從供電公司接收新的電價：

Step 3結(jié)束；

Step 4初始化(供應(yīng)方)；

Step 5對于供電公司,對每個時隙h = 1,...,H,從每個用戶接受總需求 {}h∈H,更新供應(yīng)量s～h,k；

Step 6將電價 {} 發(fā)送給每個用戶,用戶選擇是否將用戶私人新能源并入電網(wǎng)、并入量以及并入電網(wǎng)時刻；

Step 7結(jié)束；

Step 8k = k ＋1,直到λ,μ,υ,σ,θ 在小范圍ελ,εμ,ευ,εσ,εθ內(nèi)收斂,結(jié)束。

輸出能量需求x*,電池充放電能量b*和用戶并入電網(wǎng)的新能量并網(wǎng)y*。

3 數(shù)值仿真

假設(shè)電網(wǎng)中每一用戶均有11 個電器,具體如下：

(1) Ai類電器有4 個,用戶i 的該類電器在運行時總用電量于［1 2.5］隨機(jī)選取且固定不變；

(2) Bi類電器有3 個,該類電器在每一時段總用電量的上限為4；

(3) Ci類電器有4 個,設(shè)它們一天內(nèi)的總用電量分別為4、3.2、7、4.5,每一時段的最大用電量分別為1.5、1、2、1,這類電器工作時間是連續(xù)時段,設(shè)它們的工作時間分別在時段內(nèi)：｛1,2,...,7｝、｛6,7,...,14｝、 ｛11,12,...,18｝ 和｛16,17,...,22｝內(nèi)。

圖1 給出了各時段某一用戶的3 類電器用電量。

圖1 給出了各時段某一用戶的3 類電器用電量Fig. 1 The electricity consumption of three types of electrical appliances of a user in each period

由圖2、圖3 可知：(1)用戶在電價低時選擇對電池充電,而在電價高時選擇對電池放電以提供家庭負(fù)荷。 (2)用戶新能源收集主要集中在白天,正午時分,夜間能源收集可以忽略不計。

圖2 用戶24 時段充放電量圖Fig. 2 The user's 24-hour charge and discharge volume chart

圖3 用戶24 時段收集到的新能源Fig. 3 New energy collected by users in 24 hours

表1 三種并網(wǎng)模式下的總效益與總成本的差值Tab. 1 The difference between the total benefit and the total cost under the three grid connection modes

圖4 表示全部并網(wǎng)、自發(fā)自用余電并網(wǎng)、完全自發(fā)自用三種模式下,各時刻所有用戶最大總效用。由表1 可以看出,自發(fā)自用余電并網(wǎng)和全部并網(wǎng)的并網(wǎng)模式下的需求響應(yīng)都增加了用戶效用。 因此,充分利用用戶側(cè)新能源,并鼓勵用戶安裝能源設(shè)備且將能源并入電網(wǎng)。

圖圖4 三種并網(wǎng)模式下的各時刻最大的總效益Fig. 4 The maximum total benefit at each moment under the three grid-connected modes

4 結(jié)束語

本文闡述了智能電網(wǎng)中,用戶私人新能源三種并網(wǎng)模式,以所有用戶效用最大化為目標(biāo)。 供電公司不斷更新供電量、用電量和存電量,分析了全部并網(wǎng)、自發(fā)自用余電并網(wǎng)和完全自由的三種并網(wǎng)模式下總效益,得到自發(fā)自用余電并網(wǎng)和全部并網(wǎng)模式下的總效益增加的結(jié)論,鼓勵用戶安裝能新源設(shè)備并根據(jù)自己需求選擇并網(wǎng)模式。 數(shù)值模擬結(jié)果表明,用戶新能源的并網(wǎng)有助于供需平衡,提高用戶總福利、維護(hù)新能源能發(fā)電的智能電網(wǎng)穩(wěn)定性和波動性、促進(jìn)社會新能源合理利用,優(yōu)先使用,就近消納等。

但是由于參數(shù)的設(shè)置都是在理想狀態(tài)下的,未考慮一些不確定因素(如氣候,季節(jié)等)的參與。 在后續(xù)研究中,應(yīng)考慮到新能源發(fā)電和用戶能源收集設(shè)備維修保養(yǎng)等不確定因素,并對用戶負(fù)荷更進(jìn)一步細(xì)化、討論。