李振坤，汪璇璇，時(shí)珊珊，張智泉

(1. 上海電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，上海 200090；2. 國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200437)

0 引言

現(xiàn)階段負(fù)荷迅速增長(zhǎng)和高滲透率分布式電源(distribution generation，DG)大量接入給電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn)。為了提高可再生能源的利用效率，減少電能在傳輸過(guò)程造成的損失，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者提出了微網(wǎng)的概念[1 - 2]。微網(wǎng)是指由同一區(qū)域的分布式電源、儲(chǔ)能資源、負(fù)荷資源及監(jiān)控保護(hù)裝置組成的系統(tǒng)[3]。微網(wǎng)將這些資源集中起來(lái)，統(tǒng)一管理，向周邊的負(fù)荷供電，其具有高度自治能力。通過(guò)實(shí)施需求側(cè)響應(yīng)(demand response，DR)對(duì)負(fù)荷資源進(jìn)行調(diào)整，能夠有效降低負(fù)荷峰谷差、降低電網(wǎng)供電壓力并提升電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性[4]。針對(duì)存在多微網(wǎng)的配電系統(tǒng)，通過(guò)協(xié)調(diào)各微網(wǎng)調(diào)度資源的出力，可以實(shí)現(xiàn)不同微網(wǎng)間的能量互補(bǔ)。在提升電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)滿足安全性是本文研究的重點(diǎn)。

當(dāng)前針對(duì)含微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的研究正在逐步開(kāi)展。文獻(xiàn)[5]考慮到單一微網(wǎng)的情況下，通過(guò)遺傳算法確定微網(wǎng)中各調(diào)度資源的出力情況。文獻(xiàn)[6]建立含微網(wǎng)的配電系統(tǒng)雙層模型，通過(guò)這種模型可以有效管理配電系統(tǒng)中各調(diào)度資源的運(yùn)行情況，提高供電質(zhì)量。文獻(xiàn)[7]建立微網(wǎng)與配網(wǎng)的集中式交易模式，由配網(wǎng)制定交易電價(jià)，從而增加微網(wǎng)的運(yùn)行收益。文獻(xiàn)[8]采用二階錐處理調(diào)度中存在的非線性問(wèn)題，用目標(biāo)級(jí)聯(lián)的方法處理微網(wǎng)和配網(wǎng)的雙層優(yōu)化問(wèn)題。文獻(xiàn)[9]采用區(qū)間不確定理論處理微網(wǎng)中風(fēng)光荷的預(yù)測(cè)不確定問(wèn)題。文獻(xiàn)[10]考慮微網(wǎng)中的風(fēng)光出力不確定的影響，采用算例驗(yàn)證出現(xiàn)風(fēng)光波動(dòng)時(shí)，通過(guò)對(duì)微網(wǎng)層的局部調(diào)整，可以降低風(fēng)光波動(dòng)對(duì)配網(wǎng)運(yùn)行的影響。

現(xiàn)有對(duì)電網(wǎng)調(diào)度的研究多從源側(cè)出發(fā)，對(duì)負(fù)荷側(cè)的研究較少。本文針對(duì)DR下配網(wǎng)與多微網(wǎng)之間的能量交互問(wèn)題開(kāi)展研究，主要開(kāi)展完成以下研究工作。

1)針對(duì)負(fù)荷側(cè)調(diào)度資源利用的不充分問(wèn)題，本文考慮到負(fù)荷內(nèi)存在的可中斷負(fù)荷和直接控制負(fù)荷，對(duì)這兩類(lèi)負(fù)荷進(jìn)行建模，深度挖掘DR資源。

2)針對(duì)配網(wǎng)與多微網(wǎng)之間的功率交互問(wèn)題，本文不僅僅考慮了配網(wǎng)與微網(wǎng)之間的功率交互，還考慮了在開(kāi)放市場(chǎng)環(huán)境下多微網(wǎng)之間的功率交互問(wèn)題。

3)不僅考慮到配網(wǎng)的有功功率經(jīng)濟(jì)調(diào)度，還考慮到配網(wǎng)的無(wú)功功率優(yōu)化能力。通過(guò)建立的安全約束條件，使得配網(wǎng)在滿足經(jīng)濟(jì)調(diào)度的同時(shí)滿足安全可靠供電。

1 配網(wǎng)和多微網(wǎng)之間運(yùn)行策略分析

1.1 配網(wǎng)和多微網(wǎng)之間的雙層框架

配網(wǎng)層與微網(wǎng)層歸屬兩種類(lèi)型的利益主體，將微網(wǎng)層作為調(diào)度的下層。微網(wǎng)首先將自身發(fā)出的電量?jī)?yōu)先供給微網(wǎng)內(nèi)的用戶；當(dāng)電量過(guò)剩時(shí)，微網(wǎng)對(duì)比配網(wǎng)的收購(gòu)電價(jià)和其他微網(wǎng)的收購(gòu)電價(jià)，選擇出售給配網(wǎng)或者其他微網(wǎng)。當(dāng)自身發(fā)出的電能不足時(shí)，微網(wǎng)對(duì)比配網(wǎng)的出售電價(jià)和其他微網(wǎng)的出售電價(jià)，選擇向配網(wǎng)或者其他微網(wǎng)購(gòu)買(mǎi)電能。其優(yōu)化的變量包括各微網(wǎng)間的交互功率、儲(chǔ)能的充放電計(jì)劃、負(fù)荷的調(diào)整計(jì)劃，通過(guò)對(duì)這些變量的優(yōu)化，使得微網(wǎng)層的運(yùn)行成本最小，并確定與配網(wǎng)的功率交互變量[11]。

將配網(wǎng)層作為調(diào)度的上層，配網(wǎng)層根據(jù)微網(wǎng)層的調(diào)度結(jié)果，確定配網(wǎng)與各微網(wǎng)之間的功率交互變量，進(jìn)行上層配網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度。配網(wǎng)層的優(yōu)化變量包括與上級(jí)電網(wǎng)的功率交互、與下級(jí)微網(wǎng)進(jìn)行的功率交互、儲(chǔ)能的充放電計(jì)劃、風(fēng)光的出力計(jì)劃、靜止同步補(bǔ)償器(static synchronous compensator，STC)的出力計(jì)劃。通過(guò)對(duì)這些變量的優(yōu)化，使得配網(wǎng)層的運(yùn)行成本和安全性最優(yōu)。

其中配網(wǎng)與微網(wǎng)、微網(wǎng)與微網(wǎng)之間的交易需通過(guò)電能交易中心，配網(wǎng)和多微網(wǎng)之間的雙層框架如圖1所示。

圖1 配網(wǎng)和多微網(wǎng)之間的雙層框架Fig.1 Double layer framework between distribution network and multi microgrids

1.2 配網(wǎng)和多微網(wǎng)之間的交易方式

傳統(tǒng)的配網(wǎng)與微網(wǎng)之間的交易方式為集中式，即配網(wǎng)與各微網(wǎng)進(jìn)行單邊交易，各微網(wǎng)只能與上級(jí)配網(wǎng)進(jìn)行購(gòu)售電交易[12]。面對(duì)逐漸開(kāi)放的電力市場(chǎng)，微網(wǎng)作為新的利益主體加入電力市場(chǎng)，微網(wǎng)之間也可以進(jìn)行交易，其交易方式也由集中式向分布式轉(zhuǎn)變。微網(wǎng)與微網(wǎng)之間直接交易有利于微網(wǎng)間的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，同時(shí)減少了微網(wǎng)與配網(wǎng)間的功率交互量。

配網(wǎng)與多微網(wǎng)交易涉及的價(jià)格包括配網(wǎng)向微網(wǎng)的購(gòu)電和售電價(jià)格、各微網(wǎng)內(nèi)部交易的電價(jià)。其中配網(wǎng)向微網(wǎng)的購(gòu)電和售電價(jià)格采用分時(shí)電價(jià)；為了鼓勵(lì)微網(wǎng)之間的交易，微網(wǎng)間的交易電價(jià)在扣除向配網(wǎng)支付的過(guò)網(wǎng)費(fèi)后，仍介于配網(wǎng)向微網(wǎng)的購(gòu)電價(jià)格和售電價(jià)格之間，缺電微網(wǎng)更傾向于從其他微網(wǎng)購(gòu)電。各微網(wǎng)之間的交易電價(jià)還與各時(shí)刻微網(wǎng)之間的供需比例相關(guān)[13]，其具體的計(jì)算如式(1)—(2)所示。

(1)

(2)

2 需求側(cè)響應(yīng)分析

供電公司通過(guò)與用戶簽訂協(xié)議，在電網(wǎng)供電能力不足或可靠性受到威脅時(shí)，通過(guò)對(duì)負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整包括削減或轉(zhuǎn)移部分負(fù)荷，從而減少供電壓力。參與實(shí)施DR的負(fù)荷分為可中斷負(fù)荷和直接控制負(fù)荷[14]。

2.1 可中斷負(fù)荷建模

可中斷負(fù)荷指的是在用電高峰時(shí)刻，用戶根據(jù)供電公司下發(fā)的通知減少原計(jì)劃的用電量。負(fù)荷可中斷量需滿足供電公司規(guī)定的上下限約束。考慮到不同類(lèi)型用戶的用電習(xí)慣差異導(dǎo)致各負(fù)荷的可中斷負(fù)荷量范圍也不同。各用戶根據(jù)各自基線負(fù)荷及生產(chǎn)任務(wù)信息上報(bào)滿足自身最低需求的用電量，供電公司根據(jù)上報(bào)信息，通過(guò)計(jì)算確認(rèn)負(fù)荷的可中斷潛力。

可中斷負(fù)荷的潛力計(jì)算公式如式(3)所示。

(3)

采用潛力模型后，可中斷負(fù)荷的轉(zhuǎn)移情況如式(4)所示。

(4)

2.2 直接控制負(fù)荷建模

直接控制負(fù)荷主要以空調(diào)、熱水器為主的溫控負(fù)荷組成，可以隨時(shí)切除，調(diào)度周期較短，響應(yīng)能力強(qiáng)，在夏季負(fù)荷高峰時(shí)刻甚至可達(dá)40%[15]。直接控制負(fù)荷需要考慮反彈負(fù)荷的影響，即負(fù)荷響應(yīng)結(jié)束后，重新接入電力系統(tǒng)，該類(lèi)型負(fù)荷嘗試恢復(fù)之前運(yùn)行狀態(tài)，會(huì)出現(xiàn)負(fù)荷反彈現(xiàn)象，并出現(xiàn)新的負(fù)荷高峰。通常采用3階段模型表示該類(lèi)型負(fù)荷[16]。

考慮反彈性的直接控制負(fù)荷的3階段模型如式(5)所示。

(5)

采用3階段彈性模型后，直接控制負(fù)荷的轉(zhuǎn)移情況如式(6)所示。

(6)

2.3 負(fù)荷參與需求側(cè)響應(yīng)的補(bǔ)償價(jià)格

負(fù)荷參與DR的補(bǔ)償電價(jià)與可中斷容量、可中斷持續(xù)響應(yīng)時(shí)間及提前通知時(shí)間相關(guān)[18]。

各類(lèi)型負(fù)荷參與DR的補(bǔ)償電價(jià)計(jì)算如式(7)所示。

(7)

3 配網(wǎng)和多微網(wǎng)之間的雙層優(yōu)化模型

3.1 微網(wǎng)層的數(shù)學(xué)模型

3.1.1 目標(biāo)函數(shù)

微網(wǎng)層的目標(biāo)函數(shù)為微網(wǎng)總運(yùn)行成本最小，其目標(biāo)函數(shù)如式(8)所示。

Cmt,mg+Cess,mg+Cco2,mg-Ccomp,mg

(8)

式中：C1為微網(wǎng)總運(yùn)行成本；Cmg,dn為微網(wǎng)與配網(wǎng)的交易成本；Cmg,mg為微網(wǎng)內(nèi)的交易成本；Cdg,mg為微網(wǎng)內(nèi)DG的運(yùn)行成本；Cmt,mg為微網(wǎng)內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)(micro-turbine，MT)運(yùn)行成本；Cess,mg為微網(wǎng)內(nèi)儲(chǔ)能系統(tǒng)(energy storage system，ESS)運(yùn)行成本；Cco2,mg為微網(wǎng)內(nèi)碳排放成本；Ccomp,mg為微網(wǎng)內(nèi)各負(fù)荷參與DR獲得的補(bǔ)償成本。

1)微網(wǎng)與配網(wǎng)的交易成本如式(9)所示。

(9)

2)微網(wǎng)與微網(wǎng)的交易成本如式(10)所示。

(10)

3)DG的運(yùn)行成本如式(11)所示。

(11)

4)MT的運(yùn)行成本如式(12)所示。

(12)

5)ESS的充放電損失成本如式(13)所示。

(13)

6)微網(wǎng)內(nèi)碳排放的成本如式(14)所示。

(14)

7)DR的補(bǔ)償成本如式(15)所示。

(15)

3.1.2 約束條件

微網(wǎng)層的約束條件如下。

1)功率平衡約束如式(16)所示。

(16)

2)微網(wǎng)與配網(wǎng)的功率交互約束如式(17)所示。

(17)

3)微網(wǎng)與微網(wǎng)的功率交互約束如式(18)所示。

(18)

4)各機(jī)組的運(yùn)行約束如式(19)所示。

(19)

5)ESS的運(yùn)行約束如式(20)所示。

(20)

6)需求側(cè)響應(yīng)約束如式(21)所示。

(21)

3.2 配網(wǎng)層的數(shù)學(xué)模型

3.2.1 目標(biāo)函數(shù)

配網(wǎng)層的目標(biāo)函數(shù)為配網(wǎng)運(yùn)行成本最小，其目標(biāo)函數(shù)如式(22)所示。

minC2=Cup+Cdn,mg+Cdg,dn+
Cmt,dn+Cess,dn+Cco2,dn

(22)

式中：C2為配網(wǎng)層的運(yùn)行成本；Cup為配網(wǎng)與上級(jí)電網(wǎng)的交易成本；Cdn,mg為配網(wǎng)與微網(wǎng)的交易成本，與Cmg,dn相同；Cdg,dn為配網(wǎng)內(nèi)DG運(yùn)行成本；Cmt,dn為配網(wǎng)內(nèi)MT運(yùn)行成本；Cess,dn為配網(wǎng)內(nèi)ESS的運(yùn)行成本；Cco2,dn為配網(wǎng)內(nèi)碳排放成本。

1)配網(wǎng)與上級(jí)電網(wǎng)功率交互的成本如式(23)所示。

(23)

2)其他配網(wǎng)層目標(biāo)函數(shù)計(jì)算公式參照微網(wǎng)層。

3.2.2 約束條件

配網(wǎng)層的約束條件如下。

1)節(jié)點(diǎn)電壓的安全約束如式(24)所示。

(24)

2)功率平衡約束如式(25)所示。

(25)

3)配網(wǎng)與上級(jí)電網(wǎng)的功率交互約束如式(26)所示。

(26)

4)STC的約束如式(27)所示。

(27)

4 模型求解方法

4.1 基于半不變量的隨機(jī)潮流計(jì)算

傳統(tǒng)潮流計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是定值，當(dāng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)改變時(shí)確定性的潮流計(jì)算無(wú)法滿足計(jì)算要求。實(shí)際電力系統(tǒng)中的風(fēng)光等調(diào)度資源的出力具有不確定性，采用隨機(jī)潮流計(jì)算，用概率的方法解決不確定問(wèn)題，得出各節(jié)點(diǎn)電壓的概率分布情況并對(duì)式(24)進(jìn)行計(jì)算。若結(jié)果滿足各節(jié)點(diǎn)電壓的安全約束范圍，則表示各節(jié)點(diǎn)滿足電壓要求[19]。采用半不變量法可以減少卷積的計(jì)算量，將復(fù)雜的卷積計(jì)算簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的半不變量加減法問(wèn)題[20]。其具體計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 隨機(jī)潮流計(jì)算流程圖Fig.2 Flow chart of stochastic power flow calculation

4.2 雙層模型的求解流程

雙層模型的求解過(guò)程分為兩步，其中微網(wǎng)層采用yalmip建立調(diào)度模型，并調(diào)用gurobi求解器求解該模型。配網(wǎng)層考慮到其具備無(wú)功功率優(yōu)化能力和風(fēng)光的不確定出力，采用和聲搜索算法可以有效處理該數(shù)學(xué)模型，其具體計(jì)算流程如圖3所示。計(jì)算過(guò)程如下。

圖3 雙層模型求解流程圖Fig.3 Flow chart of solving bi-level model

1)輸入微網(wǎng)各調(diào)度資源參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)、微網(wǎng)與配網(wǎng)購(gòu)售電價(jià)和微網(wǎng)間的購(gòu)售電價(jià)。

2)采用yalmip對(duì)微網(wǎng)層建模，并調(diào)用gurobi求解器求解該模型。得出微網(wǎng)層最優(yōu)調(diào)度方案，確定各微網(wǎng)之間的功率交互量及各微網(wǎng)與配網(wǎng)的功率交互量。

3)接收微網(wǎng)層的調(diào)度信息，輸入配網(wǎng)層的各調(diào)度資源參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)、配網(wǎng)與上級(jí)電網(wǎng)的購(gòu)售電價(jià)和設(shè)置算法參數(shù)。

4)初始化和聲庫(kù)，經(jīng)過(guò)隨機(jī)潮流計(jì)算確定節(jié)點(diǎn)電壓的概率分布，判斷是否滿足安全約束。

5)初步計(jì)算各和聲出力情況，進(jìn)行優(yōu)劣排序，3種方式生成新的和聲。傳統(tǒng)和聲搜索算法局部尋優(yōu)能力較弱，求解精度不高等缺陷。結(jié)合粒子群算法的尋優(yōu)過(guò)程，對(duì)新和聲進(jìn)行修正，向最優(yōu)和聲的方向搜索[21]。其修正方程如式(28)所示。

(28)

6)重復(fù)步驟4)，計(jì)算新和聲出力情況并與最劣和聲對(duì)比，若優(yōu)于最劣和聲，則更新記憶庫(kù)。

7)判斷整個(gè)迭代過(guò)程是否收斂，若收斂則輸出最終調(diào)度結(jié)果。

5 算例分析

5.1 算例基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本算例采用如圖4所示的改進(jìn)IEEE 33節(jié)點(diǎn)的配網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，該線路的最大載流量為520 A。該配電系統(tǒng)包括WT、PV、MT、ESS和STC等調(diào)度資源，配網(wǎng)側(cè)的內(nèi)部資源配置參數(shù)參照附表A1。該配網(wǎng)含3個(gè)微網(wǎng)，各微網(wǎng)的內(nèi)部資源配置參數(shù)參照附表A2，微網(wǎng)內(nèi)部各資源發(fā)電成本系數(shù)參照附表A3。微網(wǎng)向配網(wǎng)購(gòu)售電時(shí)段劃分及價(jià)格信息參照表1。其中風(fēng)光數(shù)據(jù)選自某地區(qū)典型日如附圖A1所示。

表A1 配網(wǎng)各設(shè)備參數(shù)Tab.A1 Parameters of distribution network equipment

表A2 微網(wǎng)內(nèi)部資源配置參數(shù)Tab.A2 Internal resource configuration parameters of microgrid

表A3 微網(wǎng)內(nèi)部資源成本系數(shù)Tab.A3 Internal resource cost coefficient of microgrid

圖4 改進(jìn)IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Improving IEEE 33 node distribution system structure

表1 微網(wǎng)向配網(wǎng)購(gòu)售電時(shí)段及價(jià)格信息Tab.1 Period and price information of power purchase and sales from microgrid to distribution network

5.2 微網(wǎng)層調(diào)度策略及結(jié)果分析

為了對(duì)比柔性負(fù)荷參與需求側(cè)響應(yīng)和各微網(wǎng)之間進(jìn)行功率交互對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生的影響，該算例設(shè)置了以下4種場(chǎng)景，如表2所示。

表2 4種場(chǎng)景下實(shí)施措施的對(duì)比Tab.2 Comparison of implementation measures under four scenarios

在負(fù)荷高峰時(shí)刻，通過(guò)實(shí)施DR可以減少配網(wǎng)供電壓力。各時(shí)段的彈性系數(shù)α、β、χ分別取0.6、0.2和0.1。假設(shè)在10:00—12:00對(duì)3個(gè)微網(wǎng)的直接控制負(fù)荷進(jìn)行削減，分別削減20%、15%和10%，根據(jù)3階段彈性模型計(jì)算出負(fù)荷在控制結(jié)束后產(chǎn)生的反彈量。配網(wǎng)提前10 h通知負(fù)荷在19:00—20:00參與可中斷負(fù)荷響應(yīng)計(jì)劃。負(fù)荷根據(jù)當(dāng)日生產(chǎn)計(jì)劃上報(bào)維持最小用電量，根據(jù)可中斷潛力模型，確定負(fù)荷實(shí)際削減量，負(fù)荷參與DR補(bǔ)償價(jià)格參數(shù)參照附表A4。各微網(wǎng)負(fù)荷及實(shí)施DR響應(yīng)量如圖5所示。

表A4 負(fù)荷參與DR補(bǔ)償價(jià)格參數(shù)Tab.A4 Load compensation price parameters

圖5 各微網(wǎng)負(fù)荷及實(shí)施DR的負(fù)荷Fig.5 Loads of each microgrid and response volume of DR implementtion

考慮到各微網(wǎng)間的功率交互，由式(1)—(2)可知，微網(wǎng)間的交易電價(jià)小于微網(wǎng)與配網(wǎng)之間的購(gòu)售電價(jià)。由于價(jià)格導(dǎo)向，缺電微網(wǎng)從余電微網(wǎng)進(jìn)行購(gòu)電，當(dāng)余電微網(wǎng)電量不足時(shí)，從上級(jí)配網(wǎng)進(jìn)行購(gòu)電；反之，余電微網(wǎng)先將多余的電能出售給缺電微網(wǎng)，然后將多余的電能出售給上級(jí)配網(wǎng)；當(dāng)所有微網(wǎng)同時(shí)缺電或余電時(shí)，只與上級(jí)配網(wǎng)進(jìn)行交易。各個(gè)微網(wǎng)在不同時(shí)刻的多余電量如圖6所示，大于0表示該微網(wǎng)處于余電狀態(tài)，小于0表示該微網(wǎng)處于缺電狀態(tài)。

圖6 各個(gè)微網(wǎng)在不同時(shí)刻的余電量Fig.6 Residual power of each microgrid at different times

根據(jù)微網(wǎng)與配網(wǎng)之間在各個(gè)時(shí)刻的分時(shí)電價(jià)信息和各個(gè)微網(wǎng)的供需比關(guān)系計(jì)算出各微網(wǎng)的交易價(jià)格，如圖7所示。其中微網(wǎng)與微網(wǎng)之間交易價(jià)格為零時(shí)，表示各微網(wǎng)之間不進(jìn)行交易，各微網(wǎng)只與上級(jí)配網(wǎng)進(jìn)行交易。

圖7 微網(wǎng)之間的交易價(jià)格Fig.7 Transaction price among microgrids

為了分析不同調(diào)度策略對(duì)配網(wǎng)運(yùn)行的影響，本文分別分析了4種不同類(lèi)型的場(chǎng)景下微網(wǎng)與配網(wǎng)的功率交互量，如圖8所示。

圖8 4種場(chǎng)景下微網(wǎng)與配網(wǎng)之間的總交互功率Fig.8 Total interactive power between microgrid and distribution network in 4 scenarios

對(duì)比分析場(chǎng)景1和場(chǎng)景3，場(chǎng)景3考慮到柔性負(fù)荷參與DR。場(chǎng)景1不考慮柔性負(fù)荷參與DR，微網(wǎng)的總負(fù)荷峰谷差為83.51%，場(chǎng)景3考慮柔性負(fù)荷參與DR，由于微網(wǎng)的購(gòu)電需求減少，其對(duì)應(yīng)時(shí)刻微網(wǎng)與配網(wǎng)的功率交互值也隨之減少，微網(wǎng)的負(fù)荷峰谷差下降為72.12%。經(jīng)過(guò)分析，負(fù)荷實(shí)施DR可以有效降低負(fù)荷的峰谷差，雖然配網(wǎng)需要支付一部分補(bǔ)償成本，但是有效減少了配網(wǎng)在負(fù)荷高峰的供電壓力。

對(duì)比分析場(chǎng)景3和場(chǎng)景4，其中場(chǎng)景4考慮到各微網(wǎng)之間進(jìn)行功率交互。場(chǎng)景3在不考慮微網(wǎng)間功率交互的情況下，微網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷消耗部分電能，多余的電能由儲(chǔ)能吸收一部分，剩余的能源波動(dòng)由配網(wǎng)側(cè)承擔(dān)。以單個(gè)微網(wǎng)為例，微網(wǎng)與配網(wǎng)的最大交互功率達(dá)到336 kW/h，經(jīng)過(guò)計(jì)算該線路載流量達(dá)到484 A，線路負(fù)載率高達(dá)93%，高于正常范圍，線路容易造成功率越限的風(fēng)險(xiǎn)。而場(chǎng)景4考慮到微網(wǎng)間的功率交互，各微網(wǎng)之間能夠及時(shí)互補(bǔ)，通過(guò)控制各微網(wǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電，有效平滑了配網(wǎng)與微電網(wǎng)之間的聯(lián)絡(luò)線功率，減小了線路過(guò)載率過(guò)高引起的功率越限的風(fēng)險(xiǎn)。

配網(wǎng)對(duì)DG的消納能力是衡量配網(wǎng)運(yùn)行安全和經(jīng)濟(jì)的指標(biāo)。根據(jù)附圖A1典型日風(fēng)光數(shù)據(jù)和當(dāng)日負(fù)荷，計(jì)算出微網(wǎng)群的DG滲透率為69.9%。在上午的09:00和下午的14:00點(diǎn)時(shí)風(fēng)光出力較高，單個(gè)微網(wǎng)對(duì)DG的消納能力有限，微網(wǎng)的儲(chǔ)能吸收一部分多余的電能，其余的電能由配網(wǎng)側(cè)承擔(dān)，導(dǎo)致微網(wǎng)與配網(wǎng)之間的交互功率較大。而考慮微網(wǎng)間功率交互后，多余的分布式電能可以由其余微網(wǎng)的負(fù)荷或者儲(chǔ)能裝置吸收。各微網(wǎng)之間能夠及時(shí)消納和互補(bǔ)新能源，減少了棄風(fēng)和棄光現(xiàn)象。

圖A1 某典型日的風(fēng)速和光照強(qiáng)度Fig.A1 Wind speed and light intensity on a typical day

為了驗(yàn)證微網(wǎng)間功率交互可以提高節(jié)點(diǎn)電壓質(zhì)量，選取了場(chǎng)景3和場(chǎng)景4下各微網(wǎng)與配網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的電壓進(jìn)行比較，其結(jié)果如圖9所示。

圖9 場(chǎng)景3和場(chǎng)景4下各節(jié)點(diǎn)電壓值Fig.9 Voltage values of each node in scenario 3 and scenario 4

由圖9可知，場(chǎng)景4下微網(wǎng)與配網(wǎng)的的聯(lián)絡(luò)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)電壓明顯小于場(chǎng)景3。在風(fēng)光較為充足的上午， 考慮微網(wǎng)間的功率交互可以降低節(jié)點(diǎn)電壓值，避免電壓超越上限的風(fēng)險(xiǎn)。在夜間負(fù)荷高峰時(shí)，考慮微網(wǎng)間的功率交互可以提高節(jié)點(diǎn)電壓值，避免電壓越下限風(fēng)險(xiǎn)。

4種場(chǎng)景下各微網(wǎng)的運(yùn)行成本如表3所示。對(duì)比場(chǎng)景1和場(chǎng)景2可知，各微網(wǎng)間的功率交互情況可以降低微網(wǎng)的運(yùn)行成本。對(duì)比場(chǎng)景2和場(chǎng)景4可知，參與DR可以降低微網(wǎng)的運(yùn)行成本，綜合分析場(chǎng)景4的運(yùn)行成本最優(yōu)。

表3 不同場(chǎng)景下各微網(wǎng)的運(yùn)行成本Tab.3 Operation costs of each microgrid in different scenarios

對(duì)比分析柔性負(fù)荷參與DR和各微網(wǎng)之間進(jìn)行功率交互對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生的影響，得出以下結(jié)論。

1)對(duì)比場(chǎng)景1和場(chǎng)景3，柔性負(fù)荷參與DR可以有效降低負(fù)荷峰谷差，減小配電網(wǎng)的供電壓力；

2)對(duì)比場(chǎng)景3和場(chǎng)景4，微網(wǎng)間進(jìn)行功率交互可以有效減小微網(wǎng)與配電網(wǎng)之間的聯(lián)絡(luò)線功率，促進(jìn)風(fēng)光資源的消納，降低線路的負(fù)載率，避免線路發(fā)生功率越限風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)微網(wǎng)間的功率交互可以避免節(jié)點(diǎn)發(fā)生電壓越限風(fēng)險(xiǎn)；

3)對(duì)比4種場(chǎng)景下各微網(wǎng)的運(yùn)行成本，同時(shí)考慮負(fù)荷實(shí)施DR和微網(wǎng)間進(jìn)行功率交互可以有效降低微網(wǎng)的運(yùn)行成本。

在場(chǎng)景4的調(diào)度措施下，以微網(wǎng)1為例，其MT的出力和ESS的充放電計(jì)劃如圖10所示，微網(wǎng)2和微網(wǎng)3內(nèi)的ESS和MT的運(yùn)行狀態(tài)如附圖A2和A3所示。MT的發(fā)電成本低于峰時(shí)電價(jià)，在電價(jià)較高時(shí)，MT出力，可以節(jié)省微網(wǎng)的購(gòu)電成本，同時(shí)MT發(fā)出的多余電能可以出售給缺電微網(wǎng)或者配網(wǎng)。ESS在電價(jià)較低或風(fēng)光資源充足時(shí)吸收電能，在電價(jià)較高時(shí)釋放多余的電能，從而給微網(wǎng)帶來(lái)一定的收益。

圖A2 微網(wǎng)2內(nèi)MT和ESS運(yùn)行狀況Fig.A2 Operation status of MT and ESS in microgrid 2

圖A3 微網(wǎng)3內(nèi)MT和ESS運(yùn)行狀況Fig.A3 Operation status of MT and ESS in microgrid 3

圖10 微網(wǎng)1內(nèi)MT和ESS運(yùn)行狀況Fig.10 Operation status of MT and ESS in microgrid 1

5.3 配網(wǎng)層調(diào)度策略及結(jié)果分析

在場(chǎng)景4的調(diào)度措施下，配網(wǎng)層根據(jù)微網(wǎng)層的調(diào)度結(jié)果，確定與各微網(wǎng)的功率交互變量。配網(wǎng)的各調(diào)度資源有功出力情況如圖11所示。MT在電價(jià)較高和電網(wǎng)供電壓力較大時(shí)發(fā)電，一方面節(jié)省配網(wǎng)購(gòu)電費(fèi)用，另一方面減少電網(wǎng)供電壓力。ESS在電價(jià)較低或者風(fēng)光出力較高時(shí)吸收電能，在電價(jià)較高或者負(fù)荷較大時(shí)釋放電能。

圖11 配網(wǎng)各調(diào)度資源的有功出力情況Fig.11 Active power output of each dispatching resource in distribution network

配網(wǎng)的各調(diào)度資源無(wú)功出力情況如圖12所示。在風(fēng)光出力較大時(shí)段，電網(wǎng)電壓面臨越上限風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)光吸收無(wú)功功率，降低電網(wǎng)電壓。在負(fù)荷較高時(shí)刻，電網(wǎng)電壓面臨越下限風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)STC發(fā)出無(wú)功功率，提高電網(wǎng)電壓。

圖12 配網(wǎng)各調(diào)度資源的無(wú)功出力情況Fig.12 Reactive power output of dispatching resources in distribution network

配網(wǎng)作為調(diào)度的主導(dǎo)者，在調(diào)度過(guò)程中產(chǎn)生的網(wǎng)損由配網(wǎng)側(cè)進(jìn)行承擔(dān)。場(chǎng)景3在風(fēng)光資源較為充足時(shí)，各微網(wǎng)之間不進(jìn)行交易時(shí)，微網(wǎng)只能與上級(jí)配網(wǎng)交易，微網(wǎng)產(chǎn)生的功率倒送會(huì)造成一定的網(wǎng)損。對(duì)比場(chǎng)景4，計(jì)算出調(diào)度產(chǎn)生的網(wǎng)損如圖13所示。

圖13 場(chǎng)景3和場(chǎng)景4的配網(wǎng)網(wǎng)損情況Fig.13 Distribution network losses in scenario 3 and 4

考慮微網(wǎng)間功率交互后，由于微網(wǎng)間距離較近，電壓等級(jí)低等特點(diǎn)，微網(wǎng)與微網(wǎng)進(jìn)行交易會(huì)降低一定的網(wǎng)損值。促進(jìn)微網(wǎng)之間的交易還可以減少配網(wǎng)向上級(jí)電網(wǎng)的購(gòu)電量，從而降低了網(wǎng)損值，提高了運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

合理調(diào)度配網(wǎng)的無(wú)功資源，經(jīng)過(guò)無(wú)功優(yōu)化后33個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓在各個(gè)時(shí)段的均值如圖14所示，各節(jié)點(diǎn)電壓均符合0.95 p.u.的下限和1.05 p.u.的上限。

圖14 配網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)在各個(gè)時(shí)刻的電壓均值Fig.14 Average voltages of each node in distribution network at each time

6 結(jié)論

本文提出一種考慮需求側(cè)響應(yīng)和微網(wǎng)間功率交互的優(yōu)化調(diào)度模型，并分別采用求解器及和聲搜索算法求解微網(wǎng)層和配網(wǎng)層的調(diào)度模型，經(jīng)過(guò)算例分析得出以下結(jié)論。

1)考慮微網(wǎng)間的功率交互可以促進(jìn)微網(wǎng)間的交易、減少微網(wǎng)與配網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線功率、減小線路負(fù)載率、降低網(wǎng)損、促進(jìn)新能源的消納和改善各節(jié)點(diǎn)電壓水平等。

2)實(shí)施需求側(cè)響應(yīng)可以合理調(diào)度負(fù)荷側(cè)的資源，緩解供電壓力，并降低微網(wǎng)的運(yùn)行成本。采用潛力模型和彈性模型能有效反映負(fù)荷的實(shí)際運(yùn)行情況。

3)考慮到配網(wǎng)層具有無(wú)功功率調(diào)節(jié)能力，通過(guò)隨機(jī)潮流計(jì)算判斷節(jié)點(diǎn)電壓的越限情況。通過(guò)調(diào)整STC的出力有效降低了配網(wǎng)的越限風(fēng)險(xiǎn)。