吳佳齊, 張 東, 于 浩, 李昊軒, 王亞茹, 方文墨, 孫 明, 孫志強(qiáng)

(1. 沈陽(yáng)工程學(xué)院 電力學(xué)院, 沈陽(yáng) 110136; 2. 沈陽(yáng)工程學(xué)院 新能源學(xué)院, 沈陽(yáng) 110136;3. 沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司, 沈陽(yáng) 110034)

0 引 言

風(fēng)力、光伏及潮汐能發(fā)電等分布式發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)在于環(huán)保性能好、各系統(tǒng)之間的獨(dú)立性好、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性能高、輸配電的損耗少、系統(tǒng)的調(diào)峰性能好、簡(jiǎn)單易操作等[1]。微電網(wǎng)群系統(tǒng)內(nèi)的單個(gè)微電網(wǎng)的集群優(yōu)化運(yùn)行能夠進(jìn)一步對(duì)單個(gè)微電網(wǎng)的功能起到優(yōu)化與拓展的作用[2]。

微電網(wǎng)群的運(yùn)行方式主要包括離網(wǎng)型和并網(wǎng)型。離網(wǎng)型微電網(wǎng)群在實(shí)際中通常應(yīng)用在以下2種情況:一是一些地區(qū)由于距離問(wèn)題導(dǎo)致配電網(wǎng)難以接入;二是某些關(guān)鍵負(fù)荷在大電網(wǎng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)孤立運(yùn)行的情況。

SoS(system of systems)是面向任務(wù)(或以任務(wù)為導(dǎo)向)的多個(gè)系統(tǒng)的集合,這些系統(tǒng)通過(guò)共享資源與能力,構(gòu)成一個(gè)新的更復(fù)雜的系統(tǒng),與多個(gè)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單加和相比,具有更強(qiáng)大的功能和性能,稱之為體系,又稱系統(tǒng)中的系統(tǒng)。微電網(wǎng)群的特性與體系的五大特征有許多相似之處,又由于體系方法能夠有效解決多個(gè)獨(dú)立、復(fù)雜聯(lián)系系統(tǒng)相互的協(xié)同優(yōu)化問(wèn)題,因而引入體系方法是解決具有復(fù)雜聯(lián)系行為的微電網(wǎng)群系統(tǒng)問(wèn)題的有效手段[3-7]。

本文在體系架構(gòu)下,考慮需求響應(yīng),針對(duì)離網(wǎng)型微電網(wǎng)群建立SoS架構(gòu)下的微電網(wǎng)群能量管理模型,采用基于改進(jìn)的粒子群算法(particle swarm optimization,PSO),從SoS架構(gòu)的角度分析微電網(wǎng)群的調(diào)度問(wèn)題,建立SoS架構(gòu)下的微電網(wǎng)群模型,以微電網(wǎng)群系統(tǒng)運(yùn)行成本最優(yōu)為目標(biāo),考慮需求響應(yīng),采用改進(jìn)粒子群算法對(duì)所建模型求解,最后通過(guò)仿真分析方法驗(yàn)證模型的有效性。

1 SoS架構(gòu)簡(jiǎn)介及其與微電網(wǎng)群的相關(guān)性

1.1 SoS的提出

SoS的概念最早出現(xiàn)在1964年發(fā)表于《紐約城市參考》的一篇文章中。后來(lái),體系問(wèn)題與現(xiàn)象及其面臨的挑戰(zhàn)已被越來(lái)越多的學(xué)者接受認(rèn)可,并展開(kāi)深入的研究,從而形成了一個(gè)新的學(xué)科----體系工程(system of systems engineering, SoSE)[8]。

1.2 SoS的特征及其與微電網(wǎng)群的相關(guān)性

微電網(wǎng)群是由多個(gè)微電網(wǎng)組成的系統(tǒng),各個(gè)子微電網(wǎng)包括各發(fā)電單元、儲(chǔ)能單元及負(fù)荷,它們既可以獨(dú)立運(yùn)行,也可以通過(guò)同其他微電網(wǎng)聯(lián)系取得更大的收益。由此可見(jiàn),微電網(wǎng)群系統(tǒng)是在電力系統(tǒng)中的SoS,并且SoS架構(gòu)可以對(duì)微電網(wǎng)群的能量管理及調(diào)度問(wèn)題起指導(dǎo)性作用。

2 微電網(wǎng)群SoS架構(gòu)建模

利用雙層結(jié)構(gòu)研究SoS架構(gòu)下微電網(wǎng)群的能量分配管理問(wèn)題通常更有效。微電網(wǎng)群能量管理系統(tǒng)(microgrid cluster energy management system, MC-EMS)為上層,是信息中心,子微電網(wǎng)控制中心(microgrid control center, MGCC)為下層,它可以達(dá)到對(duì)微電網(wǎng)群中的子微電網(wǎng)本身進(jìn)行管理的目的。如上所述的微電網(wǎng)群系統(tǒng)SoS架構(gòu)如圖1所示。

圖1 微電網(wǎng)群系統(tǒng)SoS架構(gòu)Fig.1 SoS framework of microgrid cluster

圖1中的微電網(wǎng)群系統(tǒng)SoS架構(gòu)包含了3個(gè)子微電網(wǎng),其中每個(gè)子微電網(wǎng)中都含有風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等分布式發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)、儲(chǔ)能系統(tǒng)和系統(tǒng)負(fù)荷。

2.1 發(fā)電單元建模

2.1.1 光伏發(fā)電建模

光伏發(fā)電功率主要與太陽(yáng)輻照強(qiáng)度和溫度有關(guān),因而在對(duì)光伏發(fā)電建模時(shí)主要考慮這兩方面因素。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下光伏發(fā)電功率如下式:

(1)

其中:PS表示的是太陽(yáng)能電池板輸出的實(shí)際功率,它的單位為kW;GSTC,PSTC分別表示的是在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下太陽(yáng)能的輻射強(qiáng)度和最強(qiáng)輻射強(qiáng)度,其單位為W·m-1;GING表示的是在當(dāng)下時(shí)刻太陽(yáng)能實(shí)際的輻射強(qiáng)度,其單位為W·m-1;k表示的是溫度因子,其單位為%·℃-1;Tr和Tc分別表示的是太陽(yáng)能電池的額定溫度和實(shí)際溫度,其單位為℃。

2.1.2 風(fēng)力發(fā)電建模

風(fēng)力發(fā)電輸出功率可表示為下式:

(2)

其中:PW表示的是風(fēng)輪機(jī)的實(shí)際輸出功率;Pe表示的是風(fēng)輪機(jī)的額定發(fā)電功率;ρ表示空氣密度;D表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪直徑;vb表示平均風(fēng)速;Cp表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)能利用系數(shù);vin,ve和vout分別表示風(fēng)輪機(jī)的切入風(fēng)速、額定風(fēng)速以及切出風(fēng)速。

2.1.3 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電建模

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電功率與其熱能系數(shù)及其熱能轉(zhuǎn)為動(dòng)能、動(dòng)能轉(zhuǎn)為電能的轉(zhuǎn)換效率有關(guān)。本文選取微型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行建模,其輸出功率如下式:

PMT=HMT×αMT×βMT

(3)

其中:αMT表示燃?xì)廨啓C(jī)熱動(dòng)轉(zhuǎn)換效率;βMT表示燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)電轉(zhuǎn)換效率;HMT表示燃?xì)廨啓C(jī)熱能系數(shù);PMT表示燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際輸出功率。

微型汽輪機(jī)通過(guò)消耗燃料產(chǎn)生電能,因而其運(yùn)行成本以燃料的成本為主,微型汽輪機(jī)成本的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

FMT,i(t)=(aMT,iPMT,i(t)+cMT,i)Δt

(4)

其中:FMT,i(t)表示t時(shí)段燃?xì)廨啓C(jī)i的發(fā)電成本;aMT,i,cMT,i表示燃?xì)廨啓C(jī)t時(shí)段運(yùn)行成本函數(shù);PMT,i(t)表示t時(shí)段燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率;Δt表示調(diào)度周期。

2.2 儲(chǔ)能單元建模

SOC(state of charge)表示的是荷電狀態(tài),它是用來(lái)表示蓄電池性能的主要參數(shù),本文涉及的儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由蓄電池組成,用蓄電池的荷電狀態(tài)來(lái)進(jìn)行儲(chǔ)能單元的建模表示如下:

(5)

其中:SOCmax表示蓄電池在正常運(yùn)行狀態(tài)下的最大荷電狀態(tài)值;SOCmin表示蓄電池在極限狀態(tài)下的最小荷電狀態(tài)值;Pc,Pd分別表示蓄電池的充放電功率大小。

儲(chǔ)能單元的運(yùn)行成本主要由運(yùn)行過(guò)程中的充放電成本構(gòu)成,運(yùn)行成本函數(shù)如下式:

(6)

其中:FBE,i(t)表示子微電網(wǎng)i的儲(chǔ)能在t時(shí)段的運(yùn)行成本;Pc,i(t),Pd,i(t)分別表示t時(shí)段子微電網(wǎng)i的充、放電功率;μi表示子微電網(wǎng)i的充、放電效率。

2.3 需求側(cè)響應(yīng)模型

可平移負(fù)荷指的是可以按照負(fù)荷供電計(jì)劃的改變進(jìn)行調(diào)整的負(fù)荷,靈活調(diào)度可以通過(guò)子微電網(wǎng)的可平移負(fù)荷來(lái)供給需求響應(yīng)。當(dāng)供電計(jì)劃發(fā)生改變時(shí),會(huì)在一定程度上給用戶帶來(lái)不便,所以需要對(duì)用戶進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償,補(bǔ)償成本為FDR,i(t):

(7)

2.4 微電網(wǎng)群SoS架構(gòu)下涌現(xiàn)收益建模

微電網(wǎng)群運(yùn)行產(chǎn)生的總成本相比于多個(gè)微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)減少的部分,稱為微電網(wǎng)群的涌現(xiàn)收益。涌現(xiàn)收益使得微電網(wǎng)群聯(lián)合運(yùn)行的涌現(xiàn)收益得以量化,表達(dá)式為

ΔF=FSoS-Fin d

(8)

其中:ΔF表示的是涌現(xiàn)收益;FSoS表示的是微電網(wǎng)群運(yùn)行產(chǎn)生的總成本;Find表示的是多個(gè)微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)的成本。

3 模型求解

3.1 目標(biāo)函數(shù)

離網(wǎng)型微電網(wǎng)群系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度是在保證子微電網(wǎng)的供電可靠性前提下,以整個(gè)微電網(wǎng)群系統(tǒng)成本最低為目標(biāo)。目標(biāo)函數(shù)設(shè)置如下:

(9)

其中:Fom,i表示子微電網(wǎng)運(yùn)維成本;Fd,i表示DMS中子微電網(wǎng)間的交易成本;FMT,i,FBE,i,FDR,i, ΔF分別表示燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率、 儲(chǔ)能單元運(yùn)行成本和對(duì)用戶的補(bǔ)償成本, 前文已有論述, 在此不再贅述。

3.2 約束條件

3.2.1 功率平衡約束

Pi,MG-n,MG(t)+Pi,MT(t)+Pi,S(t)+Pi,W(t)+Pi,backup(t)-Pi,IL(t)=Pi.load(t)

(10)

其中:Pi,MG-n,MG(t)表示t時(shí)刻子微電網(wǎng)i與子微電網(wǎng)n交互的電量;Pi,MT(t),Pi,S(t),Pi,W(t)分別表示t時(shí)刻燃?xì)廨啓C(jī)、光伏電池板和風(fēng)輪機(jī)的發(fā)電功率;Pi,backup(t)表示的是子微電網(wǎng)i在t時(shí)刻微型燃?xì)廨啓C(jī)的備用容量;Pi,IL(t)表示t時(shí)刻可中斷負(fù)荷容量;Pi.load(t)表示的是子微電網(wǎng)i在t時(shí)刻時(shí)用戶所需要的負(fù)荷。

3.2.2 可再生能源出力約束

(11)

3.2.3 子微電網(wǎng)間傳輸功率約束

(12)

3.3 求解算法及流程

本文以2個(gè)子微電網(wǎng)組成的微電網(wǎng)群系統(tǒng)為例, 首先利用拉丁超立方采樣法獲得子微電網(wǎng)光伏、風(fēng)機(jī)的發(fā)電出力曲線, 將不確定性變量轉(zhuǎn)換為確定性變量, 然后利用改進(jìn)粒子群算法在SoS架構(gòu)下對(duì)上述微電網(wǎng)群系統(tǒng)模型進(jìn)行求解。 求解算法具體流程圖如圖2所示。

圖2 算法流程圖Fig.2 Algorithm flow chart

3.4 仿真結(jié)果分析

將本文在SoS架構(gòu)下離網(wǎng)型微電網(wǎng)群的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果與傳統(tǒng)離網(wǎng)型微電網(wǎng)群調(diào)度結(jié)果進(jìn)行比較,以驗(yàn)證該模型的效果。利用改進(jìn)粒子群對(duì)模型進(jìn)行求解,離網(wǎng)型微電網(wǎng)群調(diào)度運(yùn)行時(shí)的光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果如圖3所示,子微電網(wǎng)中燃?xì)廨啓C(jī)及備用燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率情況和子微電網(wǎng)1,2間的交互情況如圖4、圖5所示。圖中各曲線的英文釋義已在上文中做出詮釋,例如:MT1表示系統(tǒng)中微電網(wǎng)1的燃?xì)廨啓C(jī)出力;MG2-MG1表示子系統(tǒng)間的能量交互;WT1,PV1分別表示系統(tǒng)中微電網(wǎng)1的風(fēng)力、光伏出力。

圖3 風(fēng)光優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Fig.3 Results of scenery optimization dispatching

圖4 子微電網(wǎng)1風(fēng)力、光伏出力情況Fig.4 Wind power output of sub microgrid 1

圖5 子微電網(wǎng)2風(fēng)力、光伏出力情況Fig.5 Wind power output of sub microgrid 2

2個(gè)子微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行和在SoS架構(gòu)下運(yùn)行得到的運(yùn)行成本情況見(jiàn)表1。不難發(fā)現(xiàn),在SoS架構(gòu)下2個(gè)子微電網(wǎng)聯(lián)合運(yùn)行的單獨(dú)運(yùn)行成本會(huì)增加,但整個(gè)微電網(wǎng)群的運(yùn)行成本較獨(dú)立運(yùn)行時(shí)變少,經(jīng)濟(jì)性更好。

表1 普通運(yùn)行模式和SoS架構(gòu)下運(yùn)行成本對(duì)比Table 1 Comparison of operation costs under common operation mode and SoS architecture

4 結(jié) 論

本文針對(duì)微電網(wǎng)群系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題,引入了體系架構(gòu)(SoS)的方法對(duì)包含2個(gè)子微電網(wǎng)的微電網(wǎng)群系統(tǒng)進(jìn)行建模,分析子微電網(wǎng)間能量分配。采用改進(jìn)的粒子群算法,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了建模求解,并通過(guò)仿真分析方法驗(yàn)證了模型的有效性。將SoS架構(gòu)下的微電網(wǎng)群系統(tǒng)與不使用SoS架構(gòu)的微電網(wǎng)群進(jìn)行對(duì)比,證實(shí)了體系方法對(duì)解決微電網(wǎng)群?jiǎn)栴}的重大作用及明顯效果,即組成的新系統(tǒng)比原有系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性有明顯提高。