付宗強(qiáng)，王紅蕾，2

（1.貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴陽 550025；2.貴州省“互聯(lián)網(wǎng)+”協(xié)同智能制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽 550025）

1 引 言

在電力行業(yè)中，通過限制火力發(fā)電能有效減少CO2的排放，但大量限制火力發(fā)電也會制約經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。大多數(shù)國家采用風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電維持自身的負(fù)荷需求。微電網(wǎng)由分布式電源（Distributed Generation,DG）、儲能單元和用電單元組成一個小型且完整的電力系統(tǒng)，其中儲能單元與DG出力互補(bǔ)，增強(qiáng)了系統(tǒng)安全性，因此可以通過DG有效地將可再生能源接入到小城鎮(zhèn)電力系統(tǒng)中[1]。文獻(xiàn)[2]利用風(fēng)、光互補(bǔ)特性提高了微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)特性，但是可再生能源的高度間歇性與波動性、微電網(wǎng)調(diào)度策略的限制以及DG之間協(xié)調(diào)的不平衡，導(dǎo)致了風(fēng)、光無法被充分利用[3]。微電網(wǎng)群（Multi-M icrogrid,MMG）能夠進(jìn)行微電網(wǎng)之間的可再生能源交易，促進(jìn)可再生能源的全消納。目前，大多數(shù)研究都集中于微電網(wǎng)群調(diào)度的經(jīng)濟(jì)性[4-5]，但電網(wǎng)群經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)不能直接證明微電網(wǎng)群的可再生能源消納最優(yōu)。當(dāng)配電網(wǎng)電價(jià)相對較低時，微電網(wǎng)向配電網(wǎng)購電更有利于系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，但這也降低了可再生能源的消納，損壞了環(huán)境的生態(tài)。需求側(cè)管理的應(yīng)用和儲能裝置的使用能夠有效降低微電網(wǎng)運(yùn)行成本，增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性[6]。文獻(xiàn)[7]考慮了需求側(cè)管理，將微電網(wǎng)負(fù)荷在必要時進(jìn)行轉(zhuǎn)移，降低微電網(wǎng)負(fù)載的波動。文獻(xiàn)[8]提出公共儲能裝置系統(tǒng)，降低了微電網(wǎng)群系統(tǒng)的運(yùn)行成本。文獻(xiàn)[9]加入儲能裝置，轉(zhuǎn)移微電網(wǎng)的可再生能源，從而減少微電網(wǎng)群總運(yùn)行成本?；谛枨髠?cè)管理的微電網(wǎng)群能量管理中心的協(xié)調(diào)調(diào)度，能夠有效降低儲能裝置的使用頻率。本設(shè)計(jì)即是基于此點(diǎn)展開。

2 微電網(wǎng)群結(jié)構(gòu)及不確定性模型

2.1 微電網(wǎng)群拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)群中，包含了三個微電網(wǎng)：微電網(wǎng)1給工業(yè)負(fù)荷供電；微電網(wǎng)2和微電網(wǎng)3給商業(yè)負(fù)荷供電。微電網(wǎng)中包含風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏發(fā)電機(jī)、燃料電池和蓄電池。微電網(wǎng)群能量管理中心（EMC）以微電網(wǎng)群向配電網(wǎng)購售電量最低為目標(biāo)，統(tǒng)一管理微電網(wǎng)群。微電網(wǎng)與微電網(wǎng)之間通過邏輯開關(guān)相連。只有微電網(wǎng)之間需要能量交易時，微電網(wǎng)能量管理中心才短暫閉合開關(guān)，進(jìn)行能量交易；無交易時開關(guān)處于常開狀態(tài)。微電網(wǎng)與配電網(wǎng)之間通過交流母線連接。微電網(wǎng)群能量管理中心與微電網(wǎng)能量管理中心進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度。微電網(wǎng)群整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微電網(wǎng)群拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.2 微電網(wǎng)群的不確定性

微電網(wǎng)群的能量管理及控制策略是影響微電網(wǎng)之間協(xié)調(diào)、穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，但微電網(wǎng)在運(yùn)行過程中仍面臨不確定性因素對其安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的影響[10]。預(yù)測模型的精度、風(fēng)源和光源的不確定性都對微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了極大影響。需求側(cè)與供給側(cè)都具有不確定性，因此同時考慮需求側(cè)與供給側(cè)的不確定性能夠提高微電網(wǎng)的安全性?？紤]風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏發(fā)電機(jī)、負(fù)載的不確定性，有下式：

式中：Pwt,i,t、Ppv,i,t、Pload,i,t分別表示微電網(wǎng)i在t時刻的風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏發(fā)電機(jī)、負(fù)載的功率，ωi表示預(yù)測值不確定占比，ωi為-1到1之間的隨機(jī)數(shù)。

3 微電網(wǎng)群的協(xié)調(diào)優(yōu)化

3.1 EMC協(xié)調(diào)優(yōu)化

可再生能源屬于不可控能源，微電網(wǎng)需要根據(jù)預(yù)測信息提前對其做出調(diào)度計(jì)劃。然而，可再生能源高度的間歇性和較大的預(yù)測誤差會導(dǎo)致單個微電網(wǎng)無法完全消納可再生能源。目前能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展電力市場的改革，使得小型微電網(wǎng)市場主體[11]可以在保證微電網(wǎng)穩(wěn)定性的前提下進(jìn)行自主購、售電，盡可能增加可再生能源的使用，減小棄風(fēng)、棄光。

由于微電網(wǎng)群內(nèi)裝機(jī)容量、地理位置、用電負(fù)荷特性不同的原因，可能發(fā)生在t時刻，微電網(wǎng)j可再生能源過剩，多余電力無法使用，而同時微電網(wǎng)i對可再生能源的需求量過大，電力無法滿足用電需求。針對此情況，在此根據(jù)微電網(wǎng)群能量管理中心綜合微電網(wǎng)的可再生能源，進(jìn)行微電網(wǎng)之間可再生能源的交易，如下式表示：

式中，Pbuy,i,t、Psell,i,t、γi分別為t時刻微電網(wǎng)i的買電量、賣電量、轉(zhuǎn)移因子。

轉(zhuǎn)移因子根據(jù)該時刻微電網(wǎng)對于可再生能源的需求量Ptrans,i,t的占比而決定，即微電網(wǎng)i的需求量除以總需求量，式為：

式中，Ptrans,i,t=Pload,i,t-Pwt,i,t-Ppv,i,t。當(dāng)γi＞0時，表示微電網(wǎng)i向微電網(wǎng)j買電，反之，向微電網(wǎng)j賣電。轉(zhuǎn)移因子的分配可促使產(chǎn)量越高的微電網(wǎng)賣出的可再生能源越多。買電的情況同理，需求量越大，分配到的可再生能源越多。這一分配機(jī)理既保證了可再生能源富余的微電網(wǎng)賣電的積極性，又使得可再生能源匱乏的微電網(wǎng)能夠參與到交易中。

3.2 需求側(cè)響應(yīng)

電價(jià)是影響用戶用電量的重要因素。微電網(wǎng)群可以通過實(shí)時電價(jià)來調(diào)節(jié)用戶的消費(fèi)行為。當(dāng)電價(jià)高于用戶期望時，人們的消費(fèi)理性會驅(qū)使用戶會將一些可中斷負(fù)荷停止，或者將可轉(zhuǎn)移負(fù)荷轉(zhuǎn)移到其他時刻。不同用戶對電價(jià)的響應(yīng)也是不同的，此處微電網(wǎng)群包含三種負(fù)荷情況：商業(yè)、居民、工業(yè)負(fù)荷。

按照經(jīng)濟(jì)學(xué)理論，供大于求時商品價(jià)格低，反之價(jià)格高，所以當(dāng)負(fù)荷需求量高時，電價(jià)高。用ρi,t表示實(shí)時電價(jià)，有下式：式中分別表示初始電價(jià)、初始電價(jià)平均值、電價(jià)系數(shù)。

通過分析不同用戶類型對電價(jià)的響應(yīng)情況，此處引入需求價(jià)格彈性矩陣，建立不同用戶在實(shí)時電價(jià)下的響應(yīng)模型。價(jià)格彈性反映了用戶用電需求對價(jià)格的靈敏度，可分為自彈性和交叉彈性[12]兩種。

負(fù)荷只與該時刻電價(jià)有關(guān)，不受其他時刻電價(jià)的影響，這一價(jià)格彈性即稱為自彈性，由下式表示：

式中，Eii表示自彈性；Pi、ρi、P0i、ρ0i分別表示i時段的用電需求、電價(jià)、初始用電需求、初始電價(jià)。由于用戶消費(fèi)是具有理性的，電價(jià)上漲會減少用電需求，所以自彈性價(jià)格矩陣為負(fù)。

負(fù)荷會受其他時間段的電價(jià)影響，從一個時刻轉(zhuǎn)移到其他時刻，這種形式的價(jià)格彈性稱為交叉彈性，由下式表示：

式中，Eij表示交叉彈性價(jià)格，當(dāng)時段j時段電價(jià)升高，j時段的部分負(fù)荷轉(zhuǎn)移到電價(jià)相對較低的i時段導(dǎo)致i時段的用電需求增加，因此交叉彈性價(jià)格矩陣為正。

綜上所述，在實(shí)時電價(jià)下，用戶的需求響應(yīng)要考慮自彈性和交叉彈性的影響，總的需求響應(yīng)模型則可由下式表示：

4 微電網(wǎng)群的雙層調(diào)度

4.1微電網(wǎng)群EMC

微電網(wǎng)群EMC是能量管理的控制中心，位于微電網(wǎng)群的上層，用以協(xié)調(diào)調(diào)度可再生能源。為了達(dá)到棄風(fēng)、棄光最小，微電網(wǎng)群能量管理中心整合微電網(wǎng)群可再生能源，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)之間的交易，達(dá)到微電網(wǎng)群向配電網(wǎng)的購電量最小化的目標(biāo)。此處以t時刻微電網(wǎng)向配電網(wǎng)的購電量為優(yōu)化變量，構(gòu)建微電網(wǎng)群EMC協(xié)調(diào)能力目標(biāo)函數(shù)，如下式：

式中，Pmg,i,t為t時刻微電網(wǎng)i向配電網(wǎng)的購電量。當(dāng)Pmg,i,t＞0時，表示微電網(wǎng)向配電網(wǎng)的買電量，反之，則表示賣電量。

4.2微電網(wǎng)EMC

微電網(wǎng)EMC位于下層，接收來自微電網(wǎng)群EMC的交易信息，管理微電網(wǎng)內(nèi)部的負(fù)載需求和發(fā)電機(jī)組，根據(jù)實(shí)時電價(jià)轉(zhuǎn)移柔性負(fù)載，實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”，達(dá)到自身成本最小化的目標(biāo)，如下式:

式中，Pfc,i,t表示燃料電池出力；Pes,i,t表示儲能裝置出力。Pprice表示向配電網(wǎng)的購售電價(jià)，Pprice＞0時表示向配電網(wǎng)購電，反之售電。a、b、c、d、e表示運(yùn)行成本系數(shù)。

微電網(wǎng)群EMC既要考慮微電網(wǎng)向配電網(wǎng)的交互功率限制，又要考慮微電網(wǎng)群整體功率的平衡。儲能裝置可以在可再生能源富余時，將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能存儲；在可再生能源不足時將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，以滿足負(fù)荷需求。

5 算例分析

5.1 基本參數(shù)

實(shí)驗(yàn)環(huán)境使用Intel R CoreTMi7-6700HQ CPU@2.60 GHz，MATLAB 2020商用fmincon解算器。

實(shí)例選取一個包含三個微電網(wǎng)的微電網(wǎng)群，其中包含了兩個商業(yè)負(fù)荷和工業(yè)負(fù)荷，這兩類負(fù)荷具有不同的負(fù)荷需求特性。15分鐘轉(zhuǎn)移前、后的負(fù)載預(yù)測曲線如圖2所示。

圖2 需求側(cè)響應(yīng)結(jié)果圖

微電網(wǎng)1的高峰期為9:00～18:00；微電網(wǎng)2的高峰期為18:00～23:00；微電網(wǎng)3的高峰期為8:00～18:00。這三個微電網(wǎng)的風(fēng)速與光照強(qiáng)度條件有較大差異。15分鐘光伏、風(fēng)機(jī)預(yù)測曲線如圖3所示。

圖3 光伏、風(fēng)機(jī)預(yù)測曲線圖

5.2 調(diào)度結(jié)果與分析

5.2.1 優(yōu)化結(jié)果

基于實(shí)時電價(jià)的需求響應(yīng)優(yōu)化的仿真結(jié)果，如圖2所示，表明用戶的需求響應(yīng)會隨著實(shí)時電價(jià)的變化而變化，在“峰”時段電價(jià)上漲，用戶會將部分柔性負(fù)載轉(zhuǎn)移到“谷”時刻。

實(shí)例中，微電網(wǎng)1在1:00～6:00時段負(fù)載處于“谷”段，可再生能源有大量富余。為提高此時段用電量，微電網(wǎng)運(yùn)營商降低實(shí)時電價(jià)；在9:00～17:45時段負(fù)載處于“峰”段，此時提高電價(jià)，使部分負(fù)載轉(zhuǎn)移至其他時段，從而減輕微電網(wǎng)的供給壓力。通過“谷”段降價(jià)和“峰”段提價(jià)來引導(dǎo)用戶的消費(fèi)行為，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的“削峰填谷”，不僅降低了戶用的用電成本，同時增強(qiáng)了微電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和可靠性。微電網(wǎng)2和微電網(wǎng)3的負(fù)載情況與此同理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，需求響應(yīng)對這兩種負(fù)荷也有顯著的優(yōu)化效果。

微電網(wǎng)群的調(diào)度如圖4所示。在1:00～2:00，微電網(wǎng)1和2的可再生能源不足，且此時微電網(wǎng)3的可再生能源僅能維持自身的用電需求，因此微電網(wǎng)1和2選擇使用燃料電池或向配電網(wǎng)購電來補(bǔ)償這部分功率缺額。在3:00～4:45、21:30～23:45時段，微電網(wǎng)1和2的可再生能源不足，微電網(wǎng)3的可再生能源充足，此時微電網(wǎng)1和2優(yōu)先選擇向微電網(wǎng)3購電，最后剩余的功率差額由儲能裝置來補(bǔ)償。同理，在10:00～14:45，微電網(wǎng)1的可再生能源充足，優(yōu)先將多余的電能賣給其他微電網(wǎng)，再將剩余的電量儲存在儲能裝置。

圖4 微電網(wǎng)群調(diào)度結(jié)果圖

5.2.2 不同策略調(diào)度結(jié)果對比分析

對四種調(diào)度策略進(jìn)行對比。策略1是微電網(wǎng)群中微電網(wǎng)之間無法進(jìn)行交易并且沒有采取實(shí)時電價(jià)的需求響應(yīng)；策略2是在策略1的基礎(chǔ)上實(shí)施了基于實(shí)時電價(jià)的需求響應(yīng)，在此策略下，需求響應(yīng)雖然使得負(fù)荷的分布更加符合可再生能源的發(fā)電規(guī)律，比策略1節(jié)省不少成本，但單個微電網(wǎng)的可再生能源過多或者不足，仍然促使微電網(wǎng)向配電網(wǎng)進(jìn)行大量的售購電，導(dǎo)致可再生能源的線消納能力不足、運(yùn)行成本增加，而且過多的能源交易也會增加對配電網(wǎng)的沖擊；策略3是在策略1的基礎(chǔ)上允許微電網(wǎng)之間進(jìn)行能量交易，在此策略下，微電網(wǎng)之間的能量交易增加了微電網(wǎng)群對可再生能源的線消納能力，減少了微電網(wǎng)與配電網(wǎng)之間的能量交易和對配電網(wǎng)的沖擊；策略4即是本設(shè)計(jì)的方法，結(jié)合策略2和策略3的優(yōu)點(diǎn)，不僅允許微電網(wǎng)之間交易能量，而且采用了實(shí)時電價(jià)的需求響應(yīng)。對比結(jié)果如表1所示。

表1 微電網(wǎng)各策略對比表

從對比結(jié)果中看出，需求側(cè)與供給側(cè)共同調(diào)節(jié)不僅能夠促進(jìn)可再生能源的線消納，以最低的運(yùn)行成本進(jìn)行工作，還能降低微電網(wǎng)對于配電網(wǎng)的購售電量，減少微電網(wǎng)對配電網(wǎng)的沖擊，增強(qiáng)配電網(wǎng)的穩(wěn)定性。在能量利用率方面，策略3相比于策略1，可再生能源使用率提高了1.9%，說明微電網(wǎng)之間能量交易可以有效提高可再生能源的線消納能力。同理，策略4比策略2的可再生能量使用率也提高了1.16%。策略4與策略3都具有能量交易，但由于需求響應(yīng)的自彈性會降低負(fù)荷的使用，策略4對可再生能源的消納能力略有降低。

6 結(jié)束語

微電網(wǎng)之間的交易能夠促進(jìn)可再生能源的全消納，加快實(shí)現(xiàn)“碳中和”和“碳達(dá)峰”，彌補(bǔ)單個微電網(wǎng)自身消納可再生能源的不足。設(shè)計(jì)基于實(shí)時電價(jià)的需求響應(yīng)，能夠降低微電網(wǎng)的負(fù)荷波動，在一定程度上促使負(fù)載與可在生能源的發(fā)電規(guī)律更加匹配，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)源荷協(xié)同互動控制以及微電網(wǎng)群對可再生能源的全消納。