黃兆元* 馬海 林俊安 元金生 吳璽

（1、華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院，河南 鄭州 450045 2、黃淮學(xué)院智能制造學(xué)院，河南 駐馬店 463000 3、平頂山學(xué)院電氣與機(jī)械工程學(xué)院，河南 平頂山 467000）

隨著社會(huì)的不斷向前發(fā)展，人們希望將科技進(jìn)步和節(jié)約能源二者結(jié)合統(tǒng)一。建設(shè)分布式能源系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)我國“雙碳”發(fā)展目標(biāo)，順應(yīng)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，推動(dòng)我國經(jīng)濟(jì)向綠色低碳方向轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。但就目前的分布式能源系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀來看，它雖然具有運(yùn)行靈活、方便等特點(diǎn)，但分布電源中新能源出力具有隨機(jī)性，會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來不良影響[1]。

虛擬電廠（Virtual power plant，VPP）是將多個(gè)分布式電源、儲(chǔ)能裝置和負(fù)荷等分布式單元通過先進(jìn)的通信技術(shù)和最優(yōu)控制有效集成為可控的“獨(dú)立發(fā)電廠”，它以規(guī)?；氖侄斡行Ы鉀Q分布式電網(wǎng)的控制調(diào)度問題，是一個(gè)基于客戶需求、兼顧考慮可再生能源的利用，將過剩的新能源轉(zhuǎn)化為可儲(chǔ)備、可調(diào)度的能源系統(tǒng)[2]。通過在VPP 中應(yīng)用電轉(zhuǎn)氣（power-to-gas，P2G）技術(shù),將過剩的新能源出力通過電解水等一系列操作轉(zhuǎn)化為CH4儲(chǔ)存起來，因此P2G 技術(shù)對(duì)VPP的優(yōu)化調(diào)度是應(yīng)對(duì)VPP 內(nèi)新能源出力不穩(wěn)定的關(guān)鍵[3]。

無論是國內(nèi)還是國外，對(duì)VPP 優(yōu)化調(diào)度的研究都是一個(gè)熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]提出了一種考慮電動(dòng)汽車氣電互聯(lián)VPP 的調(diào)度策略優(yōu)化方法，但沒有考慮燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電余熱的回收再利用；文獻(xiàn)[5]提出了一種考慮用戶供需需求的電動(dòng)汽車充放電調(diào)度策略，但沒有考慮電動(dòng)汽車的荷電約束；隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，駕駛電動(dòng)汽車的用戶數(shù)量日益增加，文獻(xiàn)[6]對(duì)含有P2G 機(jī)組的虛擬電廠進(jìn)行物理建模與分析，但并沒有考慮電動(dòng)汽車對(duì)虛擬電廠的影響。

因此，本文構(gòu)建了含電動(dòng)汽車和P2G 設(shè)備的虛擬電廠調(diào)度優(yōu)化模型，并且選取某地符合本文所描述的VPP 冬季供暖場景進(jìn)行算例分析，最終獲得了合理的調(diào)度優(yōu)化方案。

1 含有電動(dòng)汽車和P2G 設(shè)備的虛擬電廠結(jié)構(gòu)

圖1 明確了含電動(dòng)汽車和P2G 設(shè)備的虛擬電廠結(jié)構(gòu)，包括風(fēng)光發(fā)電設(shè)備、儲(chǔ)電、儲(chǔ)氣設(shè)備、電動(dòng)汽車、燃?xì)廨啓C(jī)和P2G 設(shè)備。負(fù)荷主要包括用戶側(cè)負(fù)荷、電動(dòng)汽車充電負(fù)荷、天然氣負(fù)荷及供暖負(fù)荷。VPP 可以在不改變分布電源并網(wǎng)方式的前提下，通過對(duì)分布式能源進(jìn)行聚合，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)能量交互。

圖1 含電動(dòng)汽車的虛擬電廠結(jié)構(gòu)圖

本文所介紹的VPP 中含有的P2G 設(shè)備的工作原理是：P2G 設(shè)備在用電低谷期可對(duì)低谷電能進(jìn)行轉(zhuǎn)化利用，通過使用該能量電解水產(chǎn)生H2，并以燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)作時(shí)產(chǎn)生的二氧化碳為原料生成CH4，將電能轉(zhuǎn)化為天然氣能量儲(chǔ)存起來。并且在燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的余熱可以用來給用戶供暖。這樣VPP 內(nèi)部就可以實(shí)現(xiàn)能量的靈活流動(dòng)和轉(zhuǎn)變，降低了分布式電源特別是新能源出力的不穩(wěn)定性。

2 VPP 內(nèi)各單元模型

2.1 風(fēng)電機(jī)組模型

在額定風(fēng)速vn下，風(fēng)機(jī)出力與自然來風(fēng)的關(guān)系為：

其中：PWPP表示風(fēng)機(jī)出力；Pn表示機(jī)組的額定出力；vin和vout分別表示切入和切除風(fēng)速。

2.2 光伏發(fā)電模型

設(shè)有x 塊光伏電池板，每塊面積為Si，轉(zhuǎn)換效率為ηi，則光伏電站總出力可表示為：

其中：r 為實(shí)際接受的光照強(qiáng)度；S 為太陽能電池板總面積；η 為光伏電站總換效率。

2.3 燃?xì)廨啓C(jī)模型

本文考慮燃?xì)廨啓C(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的運(yùn)行，忽略了其內(nèi)部的一些動(dòng)態(tài)特性和外界不穩(wěn)定因素對(duì)燃燒效率帶來的影響，在此條件下其電功率可以表示為：

其中：PMT（t）燃?xì)廨啓C(jī)單位時(shí)間內(nèi)輸出的電功率；Vf（t）天然氣在單位時(shí)間內(nèi)的消耗量，單位為：m3；ηMT為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率；RLHVng（t）為天然氣低熱值，取9.8kw·h/m3。

燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電余熱可用于對(duì)居民用戶供暖，其熱功率與電功率的關(guān)系為：

其中：QMT（t）為燃?xì)廨啓C(jī)單位時(shí)間內(nèi)輸出的熱功率；ηLOSS為散熱損失率。

燃?xì)廨啓C(jī)二氧化碳排放量與燃?xì)廨啓C(jī)的電功率關(guān)系如下：

其中：QCO2為燃?xì)廨啓C(jī)二氧化碳排放總量；CCO2為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電排放二氧化碳系數(shù)；ρCO2為二氧化碳密度，取ρCO2=1.977Kg/m3。

2.4 P2G 設(shè)備模型

P2G 設(shè)備利用用電低峰電能經(jīng)過電解水產(chǎn)生氫氣，并通過甲烷反應(yīng)器釋放天然氣。對(duì)P2G 設(shè)備數(shù)學(xué)建模如下：

其中：XH2和ηH2分別是P2G 設(shè)備產(chǎn)生的氫氣量和產(chǎn)氫率；PP2G為P2G 設(shè)備的耗電功率；LH2為氫氣的低熱值。XCH4為甲烷反應(yīng)器產(chǎn)生的天然氣量；ηp2GCH4是甲烷運(yùn)行器的反應(yīng)效率；XH2是P2G 設(shè)備產(chǎn)生的氫氣量；LCH4為甲烷的低熱值；β是氫氣轉(zhuǎn)化為天然氣的摩爾質(zhì)量系數(shù)；mCH4為天然氣氣體質(zhì)量密度，單位為kg/m3。

2.5 電動(dòng)汽車模型

電動(dòng)汽車在日常生活中正在逐步代替燃油汽車，它即能滿足人們的出行需求，又符合低碳環(huán)保的理念。根據(jù)用戶的可調(diào)度時(shí)刻和電動(dòng)汽車的電池的SOC(即荷電狀態(tài)，用來反映電池的剩余容量)建立電動(dòng)汽車的充電模型，具體如下：

其中：Pev（t）為電動(dòng)汽車t 時(shí)刻的目標(biāo)充電功率；SOCev為電動(dòng)汽車用戶所期望的荷電狀態(tài)；SOCev（t）為電動(dòng)汽車t 時(shí)刻的荷電狀態(tài)；C 是電動(dòng)汽車電池的額定容量；tq是電動(dòng)汽車駛離時(shí)刻；td為當(dāng)前時(shí)刻。

3 含有電動(dòng)汽車和P2G 設(shè)備的虛擬電廠優(yōu)化調(diào)度策略

3.1 目標(biāo)函數(shù)的建立

為實(shí)現(xiàn)本文所描述的虛擬電廠在運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益和用戶舒適度兩個(gè)方面達(dá)到最優(yōu)，將運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益和各個(gè)時(shí)刻實(shí)際溫度與設(shè)定溫度偏差的平方和（即用戶熱舒適度的一種表達(dá)方式，用戶熱舒適度與上述偏差的平方和成反比）作為目標(biāo)函數(shù)，具體目標(biāo)函數(shù)F 如下：

其中：Tnow（t）為t 時(shí)刻作用與用戶的溫度；TS為設(shè)定溫度。

3.2 約束條件

4 算例分析

選取某地符合本文所描述的VPP 冬季供暖場景進(jìn)行算例分析。

4.1 經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)調(diào)度案

此方案通過高低峰期間的用電需求不同，來調(diào)度優(yōu)化市場經(jīng)濟(jì)。

調(diào)度結(jié)果如圖2 所示，在22:00～6:00 期間光伏作用微乎其微，電動(dòng)汽車夜間用電多，充電功率大，此時(shí)的電網(wǎng)交互功率達(dá)到峰值，燃?xì)廨啓C(jī)為保證電動(dòng)汽車及用戶用電需求將達(dá)到其高功率的工作狀態(tài)；在用電低谷期，儲(chǔ)電功率作用效果明顯，為高峰期用電提供充足的準(zhǔn)備。

圖2 經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)方案調(diào)度結(jié)果圖

4.2 舒適性最優(yōu)方案

此方案通過對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)工作效率的控制來滿足電負(fù)荷的需求來控制室內(nèi)溫度，可較好滿足用戶制熱性的需求，達(dá)到最優(yōu)舒適性。

調(diào)度結(jié)果如圖3 所示：P2G 設(shè)備在用戶用電高峰期間，工作效率增高，將剩余電量利用并降低損耗；同時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)工作效率增高，電網(wǎng)交互功率曲線增大，EV 充電功率降低，儲(chǔ)電功率降低，接近用戶用電與配電平衡，滿足制熱需求又降低用電消耗。

圖3 舒適性最優(yōu)方案調(diào)度結(jié)果圖

5 結(jié)論

分布式能源系統(tǒng)雖然具有運(yùn)行靈活、方便等特點(diǎn)，但其運(yùn)行具有不穩(wěn)定性。在此背景下本文研究了虛擬電廠在不同時(shí)段下的優(yōu)化調(diào)度策略，首先建立了含電動(dòng)汽車和P2G 設(shè)備的模型，然后建立了運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益最大和用戶熱舒適度最小目標(biāo)函數(shù)，考慮了功率平衡約束和電動(dòng)汽車約束，最后通過算例仿真，證明了本文數(shù)學(xué)模型的有效性。