薛樹強(qiáng)
(上海電力大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,上海 201306)
家庭能源管理系統(tǒng)是以智能電網(wǎng)和智能家居為基礎(chǔ),通過(guò)參與供電方的需求響應(yīng),將家庭中智能用電器、可再生能源發(fā)電系統(tǒng)(如光伏發(fā)電系統(tǒng))等結(jié)合在一起優(yōu)化管理的智能系統(tǒng)[1],優(yōu)化調(diào)度的主要目標(biāo)是通過(guò)參與需求響應(yīng)優(yōu)化調(diào)度家庭電器負(fù)荷,利用可再生能源,減少用戶的用電費(fèi)用[2]。文獻(xiàn)[3]對(duì)家用電器分類建模,在分時(shí)電價(jià)和峰值功率限制的需求響應(yīng)策略下提出了一種最優(yōu)日前電器調(diào)度的家庭能源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[4]根據(jù)上網(wǎng)電價(jià)和分時(shí)電價(jià)的大小關(guān)系,研究了具有光伏發(fā)電系統(tǒng)的家庭用電負(fù)荷調(diào)度問(wèn)題,建立了用戶與主電網(wǎng)功率方向不確定的數(shù)學(xué)模型,以實(shí)現(xiàn)用戶收益最大化。文獻(xiàn)[5]通過(guò)有效地調(diào)度和管理光伏發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng),使家庭用戶的日常用電成本最小化。上述研究中均從單個(gè)用戶的角度提出了不同的優(yōu)化策略,而未考慮過(guò)不同用戶間的能源共享。
本文提出了一種新型家庭能源管理優(yōu)化策略, 建立了共享型家庭能源管理系統(tǒng)(Shared Home Energy Management System, SHEMS),包含多個(gè)擁有智能電器的家庭用戶、共享型可再生能源發(fā)電系統(tǒng)(如光伏發(fā)電系統(tǒng))等。該策略分別對(duì)家用電器和光伏發(fā)電建模,并以用戶用電費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù),充分利用不同用戶用電的差異性和互補(bǔ)性,提高光伏利用率,降低用戶用電費(fèi)用。
根據(jù)用戶對(duì)智能電器所期望的工作方式將電器分為剛性電器和柔性電器。剛性電器(如照明),用戶一旦需要其工作,必須無(wú)條件開啟。柔性電器(如烘干機(jī))的工作時(shí)間可以適度調(diào)整,通過(guò)優(yōu)化調(diào)度選擇低電價(jià)時(shí)段啟動(dòng)可以減少用戶用電費(fèi)用。
將一天均勻分割成H 個(gè)時(shí)間段,每個(gè)時(shí)間段時(shí)長(zhǎng)Δh=24×60/H min,并定義為調(diào)度空間。引入布爾變量表示電器的工作狀態(tài)。表示用戶 i的柔性電器a 在時(shí)間段h 處為閑置狀態(tài)則為工作狀態(tài)。柔性電器所期望工作的時(shí)間域?yàn)橥瓿芍付ㄈ蝿?wù)所必需的時(shí)間為于是柔性電器的工作狀態(tài)需滿足以下約束:
柔性電器又分為可中斷電器和不可中斷電器??芍袛嚯娖髟谒谕墓ぷ鲿r(shí)間域內(nèi)何時(shí)工作或閑置未定,以經(jīng)濟(jì)運(yùn)行為調(diào)度目標(biāo)合理調(diào)度。但是不可中斷電器一旦開啟工作(如時(shí)間段hs開啟)就必須連續(xù)工作個(gè)時(shí)間段方可停止,因此還需滿足如下約束:
剛性電器雖然不參與調(diào)度,仍然消耗功率,用戶i 在時(shí)間段 h 處總功率的計(jì)算如下式所示:
式中,Na為用戶 i 的柔性電器數(shù)量表示用戶i 的柔性電器 a 在時(shí)間段 h 處的功率表示用戶 i 的所有剛性電器在時(shí)間段h 處的總功率。
采用Osterwald 物理類預(yù)測(cè)方法,根據(jù)日前氣象預(yù)報(bào)的輻射和溫度數(shù)據(jù)計(jì)算太陽(yáng)能光伏發(fā)電的功率輸出式:
式中,PSTC為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的最大測(cè)試功率;GSTC為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的光照強(qiáng)度為實(shí)際太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度;k 為功率溫度系數(shù),取-0.0047/℃;Tr為參考溫度為環(huán)境溫度。
光伏發(fā)電功率遵循“自發(fā)自用,余電上網(wǎng)”原則。如果售電量超過(guò)電網(wǎng)提供的售電峰值功率,則被迫棄電。光伏發(fā)電功率平衡式如公式(7)所示:
用戶電器消耗的功率一部分由光伏電源提供,另一部分從電網(wǎng)購(gòu)買,功率平衡式如公式(8)所示:
此外,用戶買、賣電功率受買、賣電峰值功率限制的約束,如式(9)、(10):
優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)為最大化利用光伏發(fā)電功率,盡量減少電網(wǎng)購(gòu)電量,降低用戶用電費(fèi)用。優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)函數(shù)如下:
式中,Ni是用戶數(shù)量分別為在時(shí)間段h 處的實(shí)時(shí)買、賣電價(jià)。
為了驗(yàn)證共享型家庭能源管理系統(tǒng)的可行性和合理性,本文利用5 個(gè)家庭用戶做了2 個(gè)場(chǎng)景的仿真。仿真中將一天24 小時(shí)分為48 個(gè)時(shí)間段,每個(gè)時(shí)間段時(shí)長(zhǎng)Δh=30min,并利用真實(shí)的光伏發(fā)電數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)電價(jià)代替預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。用戶柔性電器參數(shù)如表1 所示(*表示不可中斷任務(wù),否則為可中斷任務(wù);用戶有該任務(wù)為Y,否則為N),剛性電器功率如圖1 所示。本文采用二進(jìn)制粒子群算法對(duì)模型進(jìn)行求解,優(yōu)化中參數(shù)設(shè)定:最大速度vmax=6;最小速度vmin=-6;慣性權(quán)重ω=0.9;加速系數(shù)c1=c2=1.5;種群個(gè)數(shù)XSize=50;最大迭代次數(shù)MaxIt=300。
在該場(chǎng)景中,本文假設(shè)40%的用戶(用戶1 和用戶2)安裝了5kW 的光伏發(fā)電系統(tǒng),并進(jìn)行了各用戶獨(dú)立優(yōu)化用電的仿真,仿真結(jié)果如圖2 和表2 所示。
從表2 中可以看到,售電量較大,甚至存在棄電,光伏利用率只有70.03%。從圖2 中可以看到,在光伏發(fā)電期間雖然用戶總的用電量大于光伏發(fā)電量,但是卻存在大量余電甚至棄電,其根本原因在于用戶之間不存在能量共享。顯然,傳統(tǒng)的用電模式存在很大的缺陷。
在該場(chǎng)景中,采用共享型家庭能源管理系統(tǒng)優(yōu)化策略,用戶不僅共享光伏并且其用電由共享型家庭能源管理系統(tǒng)統(tǒng)一優(yōu)化調(diào)度。同樣假設(shè)運(yùn)營(yíng)商提供10kW 的光伏發(fā)電系統(tǒng)供所有用戶共享,仿真結(jié)果如圖3 和表3 所示。
從表3 中的數(shù)據(jù)可以看到,與傳統(tǒng)用電模式相比在SHEMS 用電模式下,總電費(fèi)和購(gòu)電量均大幅下降,且售電量和棄電量均降為零,光伏利用率達(dá)到了100%。從圖3 中也可以看出,用戶不僅將光伏發(fā)電量全部利用,而且電器均被盡可能的安排在了較低電價(jià)時(shí)段工作,達(dá)到了最優(yōu)的用電狀態(tài)。
表1 各用戶柔性電器參數(shù)
圖1 各用戶剛性電器功率
圖2 優(yōu)化用電下所有用戶用電量的疊加
表2 傳統(tǒng)用電模式中電費(fèi)及用電相關(guān)數(shù)據(jù)
本文提出了一種新型的家庭能源管理優(yōu)化策略,用戶通過(guò)共享光伏發(fā)電系統(tǒng)和優(yōu)化調(diào)度功能,充分利用了不同用戶間用電的差異性和互補(bǔ)性,提高了光伏利用率,降低了用戶用電費(fèi)用。
圖3 SHEMS 下的用戶用電
表3 SHEMS 用電模式下電費(fèi)及用電相關(guān)數(shù)據(jù)