蘭國鋒，趙文，李偉，李捷，趙亮亮，白雪峰

摘要：交直流混合實(shí)現(xiàn)了對單獨(dú)交流或直流微網(wǎng)特色的巧妙統(tǒng)一，將其和關(guān)鍵的管理平臺進(jìn)行結(jié)合，所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)調(diào)度方式，在當(dāng)前業(yè)界普遍受到關(guān)注，傳統(tǒng)微網(wǎng)模式與交直流混合運(yùn)行之間有著不匹配的情況，混合微網(wǎng)大幅度改善了適時應(yīng)對條件，以這種混合模式為基礎(chǔ)所建立的儲能電量控制經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，首先合理制定儲能充放電功率的相應(yīng)計劃，并對目標(biāo)函數(shù)、約束條件設(shè)定，最終完成對實(shí)時經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型的構(gòu)建，借助該模型進(jìn)行算例分析。結(jié)果表明，該模型不僅有效性較好，而且還具有較高準(zhǔn)確率。

關(guān)鍵詞：交直流混合微網(wǎng)；儲能電量控制；經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型；算例分析

中圖分類號：TM731

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2023）12-0188-05

Construction and case analysis of economic dispatch model for energy storage capacity control in hybrid AC/DC microgrid

LAN Guofeng，ZHAO Wen，LI Wei，LI Jie，ZHAO Liangliang，BAI Xuefeng

（State Grid Shanxi Electric Power CompanyLuliang Power Supply Company，Luliang 033000，Shanxi China）

Abstract：The hybrid AC/DC achieve the ingenious unify of a single AC or DC microgrid characteristics.The economic scheduling mode generated by combining it with the key management platform has generally attracted attention in the current industry.There is a mismatch between traditional microgrid mode and the operation of hybrid AC/DC systems，and the hybrid microgrid greatly improves the timely response conditions.Based on this hybrid mode，the economic scheduling model of energy storage power control was established，firstly，the corresponding plan of energy storage charging and discharging power was reasonably formulated，the objective function and constraints were set，finally the construction of the real-time economic scheduling model was completed，and the case analysis was carried out with the help of the model.The results showed that the model was not only effective but also had a high accuracy.

Key words：hybrid AC/DC microgrid;energy storage capacity control;economic dispatch model;case analysis

將交流母線與直流母線結(jié)合形成的交直流混合微網(wǎng)，具備單獨(dú)兩種微網(wǎng)的綜合優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)前有著比較廣泛的應(yīng)用。根據(jù)類型差異，確定分布式電源功能、儲能設(shè)備儲能與電網(wǎng)各自的接入形式，這樣可以合理的控制因?yàn)閾Q流設(shè)備數(shù)量存在的損耗情況，提高微網(wǎng)效率以及可再生能源消納率。另外，因?yàn)榻恢绷骰旌衔⒕W(wǎng)結(jié)合了2個不同的區(qū)域，使得改造微網(wǎng)的困難降低，在配置各項(xiàng)系統(tǒng)和構(gòu)建整個模型上的成本大幅下降。目前，關(guān)于混合微網(wǎng)的研究都處于起步的階段。在混合微網(wǎng)控制與保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域上，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了討論，整體來看，對其經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型的相關(guān)分析相對較少。針對傳統(tǒng)模式與混合微網(wǎng)存在著不協(xié)調(diào)、不適應(yīng)情況，加上要對混合模式下的適時應(yīng)對條件進(jìn)行改進(jìn)，研究構(gòu)建了混合模式下的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。

1交直流混合微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)模型

在混合微網(wǎng)當(dāng)中，主要存在3大區(qū)域范圍，分別為交流、直流以及交直流斷面。三者有著不同的運(yùn)行條件，而且對接的部分也存在著區(qū)別，分別對應(yīng)于能夠控制的微源、不能夠控制的微源和負(fù)荷。由此能夠大體確定混合微網(wǎng)當(dāng)中的每一個形態(tài)。圖1中不同的電氣設(shè)備分別包括了微型燃?xì)廨啓C(jī)（MT）、燃料電池（FC）、風(fēng)力發(fā)電（WT）、光伏發(fā)電（PV）、雙向功率變換器（ILC）、蓄電池儲能（SB）、公共耦合點(diǎn)（PCC）等，在交流側(cè)方面，其通過PPC實(shí)現(xiàn)了連接外網(wǎng)的目的。微網(wǎng)模式當(dāng)中，分布式風(fēng)光發(fā)電滲透率如果偏低，此時在跟蹤時必然離不開最高功率的支持，由此消納才可以實(shí)現(xiàn)全消納。其凈負(fù)荷功率保持大于0的狀態(tài)?；旌衔⒕W(wǎng)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

1.1不可控微源模型

不可控微源，也是不能夠控制的微源，其有風(fēng)力、光伏兩種。前者中，風(fēng)力發(fā)電功率（Pwind）通常與另一個數(shù)據(jù)有著緊密聯(lián)系，即風(fēng)速度（v），二者具體關(guān)系可以用公式表示：

Pwind=0，v≤vciα+bv，vci≤v≤vrPr，vr≤v≤vco0，v>vco（1）

α=Prvci÷（vci-vr）

b=Pr÷（vr-vci）（2）

式中：切入風(fēng)速為vci；額定風(fēng)速為vr；切出風(fēng)速為vco；額定輸出功率是Pr；α、b是系數(shù)。

某區(qū)域風(fēng)速分布可以采用（k，c）Weibull為雙參數(shù)，由此得出概率密度函數(shù)：

f（v）=kc（vc）k-1exp［-（-vc）k］（3）

式中：k、c都是常數(shù)。

vci到vr是風(fēng)速大多數(shù)的區(qū)間，由此得出Pwind概率密度函數(shù)：

f（Pwind）=kbc（Pwind-αbc）k-1·exp［-（Pwind-αbc）k］（4）

光伏發(fā)電系統(tǒng)Ppv與I、s、η之間存在的關(guān)系：

Ppv=Isη（5）

式中：輸出功率為Ppv；光照強(qiáng)度為I；電池陣列面積為S；光電轉(zhuǎn)換率為η。既定時間上，光照強(qiáng)度分布可以看作是服從β，那么Ppv概率密度函數(shù)：

f（Ppv）=Γ（α+β）Ppv.maxΓ（α）Γ（b）（PpvPpv.max）α-1·（1-PpvPpv.max）β-1（6）

式中：最大輸出功率為Ppv.max；I分布中的形狀參數(shù)為α、β。

1.2能夠控制的微源模型

能夠控制的微源模型，也是可控微源，其同樣有2個部分，即微型燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池。以t個的優(yōu)化時段而言，前者對應(yīng)的燃料成本函數(shù)：

fMT（t）=CNGPMT（t）QLHVηMT（t）Δt（7）

式中：天然氣價格和低位熱值分別用CNG，QLHV體現(xiàn)；在t個優(yōu)化時段上，MT發(fā)電功率、效率依次為PMT（t）、ηMT（t）；每一單位的優(yōu)化時段長是Δt。

這里微型燃?xì)廨啓C(jī)只有唯一的作用，即發(fā)電。在發(fā)電功率、效率方面，二者存在的關(guān)系表達(dá)式：

ηMT（t）=kiPMT.R（t）+k2RMT+k3PMT.R（t）RMT+k4（8）

式中：微型燃?xì)廨唽Τ?shù)ki有著決定作用，通過廠家樣本數(shù)據(jù)查詢，能夠得出具體數(shù)值；額定功率為PMT.R；荷載率表達(dá)式為PMT=PMT/PRMT，體現(xiàn)了具體的負(fù)載情況。

同樣t個優(yōu)化時段上，后者燃料成本函數(shù)：

fFC（t）=CNGPFC（t）QLHVηFC（t）Δt （9）

式中：燃料電池發(fā)電功率和效率分別為PFC（t）和ηFC（t）。發(fā)電功率、效率二者對應(yīng)關(guān)系：

ηFC（t）=r1.1PFC（t）+r1，2，P1≤PFC（t）≤P2r2.1PFC（t）+r2，2，P2≤PFC（t）≤PmaxFC（10）

式中：燃料電池型號直接影響常數(shù)ri，j；燃料電池具體的出力上限用PmaxFC表示。

1.3ILC模型

雙向功率變換器可以實(shí)現(xiàn)交直流電能變化。在具體轉(zhuǎn)變時，通常都存在著能量消耗過程，可以將其具體描述為以下表達(dá)式：

Paft=ηtransPbef（11）

其中雙向功率變換器流入和流出功率，依次對應(yīng)為Pbef、Paft。通常從交流向直流轉(zhuǎn)變時，數(shù)值為正值；反之，則為負(fù)值。交直流轉(zhuǎn)換效率則表示為ηtrans。

1.4儲能模型

儲能設(shè)備中，蓄電池有著重要的地位，而且其儲能技術(shù)成熟。從儲能裝置上分析，在微電網(wǎng)當(dāng)中這種儲能技術(shù)是最為常見的一種。蓄電池作業(yè)時，剩余電量是一個很重要的指標(biāo)。以t時刻而言，一般對蓄電池在充放電狀態(tài)下的剩余電量表示為sSB（t），由此得出以下2個公式：

SSB（t）=SSB（t-1）+ηchPch（t）Δt-λSsB（12）

SSB（t）=SSB（t-1）+Pdis（t）Δt/ηdis-λSSB（13）

其中，在t時間上，蓄電池充電與放電功率依次對應(yīng)為Pch（t）、Pdis（t）；充電與放電效率依次對應(yīng)為ηch、ηdis。另外，蓄電池自放電率為λ；容量為sSB；時間間隔為Δt。

2建立混合微網(wǎng)實(shí)時經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型

2.1編制儲能充、放電計劃

若蓄電池儲能容量為sSB，并對其進(jìn)行SminSB，S1、S1，S2和S2，SmaxSB區(qū)域的劃分。在幾個區(qū)域當(dāng)中存在最低許可范圍內(nèi)的電量SminSB和最高許可范圍內(nèi)電量SmaxSB，如果有S1

研究以各時段為基礎(chǔ)，實(shí)時進(jìn)行經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型方案制定。首先制定儲能放電計劃是基于2種依據(jù)，一種依據(jù)是目前時段內(nèi)的剛開始的儲能電量情況；另一種是外網(wǎng)分時向用戶收取電價情況，其次基于制定的該計劃出發(fā)，更深入的對實(shí)時運(yùn)行計劃進(jìn)行設(shè)計。

若當(dāng)前時刻是t，那么用SSB（t）表示儲能電量，p（t）表示外網(wǎng)不同時段的電價，則在t時段上，儲能充放電功率是PSB（t）；如果其數(shù)值高于零，視為放電，充放電上限表示為PmaxSB。基于此，可以分析不同狀況下經(jīng)濟(jì)調(diào)度方案：

當(dāng)S2≤SSB≤SmaxSB，且p（t）=pr，表示有較高水平的儲能電量水平。不過此時有著非常高的外網(wǎng)分時電價。這種情況下導(dǎo)致微網(wǎng)存在較高購電成本，通過向外網(wǎng)進(jìn)行售電，能夠取得較高的效益。儲能方面要采取全面放電方式，以此實(shí)現(xiàn)對高成本可控微源發(fā)電的取代，或者采取對外售電方式。該情況中，在t個時段當(dāng)中，儲能放電標(biāo)準(zhǔn)為PmaxSB；

當(dāng)S2≤SSB（t）≤SmaxSB，且p（t）=pr，表示有較高水平的儲能電量。但在外網(wǎng)分時電價方面并不高，儲能以放電形式存在，但效益不夠理想。并且放電狀態(tài)時，不會使得電量水平改變，確保其穩(wěn)定。該情況中，在t個時段當(dāng)中，儲能放電標(biāo)準(zhǔn)為min（PmaxSB，（SSB（t）-S2）/Δt）；

當(dāng)S2≤SSB（t）≤SmaxSB，且p（t）=pr，同樣為較高儲能電量狀態(tài)，但外網(wǎng)分時電價比較低。雖然有著理想儲能電量，不過放電帶來的效益不佳。需要將電量保留到高電價時采取放電方式，這樣可以獲得更好的效益。因此，該情況下，在t個時段當(dāng)中，儲能充電功率標(biāo)準(zhǔn)為min（PmaxSB，［SmaxSB-SSB（t）］/Δt）。

以上幾個狀況，都是在較高儲能電量狀態(tài)下的方案。采用相同思路，對以下儲能放電計劃進(jìn)行設(shè)計和制定：

（1）當(dāng)S1≤SSB（t）≤S2，且p（t）=pr，儲能電量處于一般狀態(tài)，外網(wǎng)分時的電價較高，此時采取的方案為儲能放電min（PmaxSB，（SSB（t）-S1）/Δt），p（t）=pm；

（2）當(dāng)S1≤SSB（t）≤S2，且p（t）=pm，此時為一般狀態(tài)的儲能電量水平，并且外網(wǎng)分時的電價也為一般水平，不管是采取充電方式，還是放電方式，都無法明確獲得效益。此時采取儲能計劃為不充電也不放電；

（3）當(dāng)S1≤SSB（t）≤S2，且p（t）=pv，同樣儲能電量處于一般狀態(tài)，不過外網(wǎng)電價相對比較低，此時采取的方案為儲能充電min（PmaxSB，（SSB（t）-S1）/Δt）；

（4）當(dāng)SminSB≤SSB（t）≤S1，且p（t）=pr，儲能電量處于較少的狀態(tài)，外網(wǎng)分時的電價較高。此時，可以采取外網(wǎng)購電方式，所得到的效益更佳。因此儲能放電標(biāo)準(zhǔn)采取min（PmaxSB，SSB（t）/Δt）；

（5）當(dāng)SminSB≤SSB（t）≤S1，且p（t）=pm，儲能電量處于較小的狀態(tài)，但外網(wǎng)分時的電價同樣一般，此時采取的方案是儲能充電min（PmaxSB，（S1-SSB（t））/Δt）；

（6）當(dāng)SminSB≤SSB（t）≤S1，且p（t）=pv，儲能電量處于偏低的狀態(tài)，并且有著相對比較低的外網(wǎng)電價。該情況下進(jìn)行充分充電，儲能充電標(biāo)準(zhǔn)是PmaxSB。

2.2實(shí)時經(jīng)濟(jì)調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)儲能充放電計劃，來對目前微網(wǎng)實(shí)時經(jīng)濟(jì)調(diào)度計劃進(jìn)行設(shè)計。在這一計劃設(shè)計過程中，將會對混合微網(wǎng)具有的特殊結(jié)構(gòu)采取充分且全面的思考，既要考慮微型燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池出力情況，也不能夠忽視雙向功率變換器、外網(wǎng)、微網(wǎng)的功率數(shù)據(jù)。

在t時間上，混合微網(wǎng)模式的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型函數(shù)表達(dá)式：

minF（t）=p（t）Pgrid（t）+fMT［PTM（t）］+PIoss（t）fFC［PFC（t）］+∑m∈［DG，SB］γmPkm+

∑i∈MT.FC∑Nθ=1λθicθPi（t）（14）

該目標(biāo)函數(shù)中，t時間要達(dá)到的經(jīng)濟(jì)調(diào)度目標(biāo)為F（t）；微網(wǎng)與外網(wǎng)電功率為Pgrid（t），若電功率比零大，則采取購電方案；燃料成本函數(shù)包括fMT（）和fFC（），分別對應(yīng)的是MT和FC；排放污染物類型用N表示；在i種可控微源上，對應(yīng)污染物為第θ種，此時用λθi表示排放系數(shù)；在m臺設(shè)備上，所需要的運(yùn)維成本系數(shù)，可以用γm表示；在n種運(yùn)維成本中，t時段上設(shè)備相應(yīng)的出力，可以表示為Pm（t）；t時間當(dāng)中，微網(wǎng)網(wǎng)損功率用Ploss（t）體現(xiàn)，詳細(xì)可以查閱相關(guān)文獻(xiàn)。

2.3經(jīng)濟(jì)調(diào)度的限止條件

混合微網(wǎng)模式中，其在t時間上有著約束條件。如在式（14）中，不僅僅需要考量功率的平衡問題，也需要考量可控微源出力情況等。

Pgrid（t）+PWT（t）+PMT（t）=PILC（t）+PL-AC（t）PSB（t）+PPV（t）+PFC（t）+PILG（t）=PL-DC（t）PMT（t）（PMT（t）-PminMT）≥0，PMT（t）≤PmaxMTPFC（t）（PFC（t）-PminFC）≥0，PFC（t）≤PmaxFC0≤Pgrid（t）≤Pmaxgrid（15）

式中：Pgrid（t）含義類同于式（13）；外網(wǎng)交換功率、FC與MT出力上限，依次是Pmaxgrid、PmaxFC、PmaxMT，后二者在不等于0的情況下，得到的最小出力可以用PminMT、PminFC表示：t時間上，凈負(fù)荷在交流與直流側(cè)依次為PL-AC（t）和PL-DC（t）。由此得到雙向功率變換器交換功率上限、直流側(cè)光伏發(fā)電功率PWT（t）和Ppv（t），基于規(guī)則所設(shè)計的儲能充電計劃表示為PSB（t）。

3算例分析

以圖1混合微網(wǎng)模型為例進(jìn)行了算例分析。混合微網(wǎng)之中，有10 kV的交流母線額定電壓，而直流的是560 V。儲能容量設(shè)計為“kW·h”的模型，其儲能充電功率最高限度則設(shè)定為150 kW。微型燃?xì)廨啓C(jī)出力為200 kW的上限，燃料電池則是300 kW的上限。雙向功率變壓器配備為2，傳輸功率最高250 kW·h。再有：1：00～7：00、24：00均為低谷電價水平，0.27元/度的分時電價。平時電價水平：9：00～11：00、16：00～18：00和22：00～23：00這3個時段，此時為0.59元/度的分時電價。其他均屬于高峰電價水平，為0.93元/度的分時電價，參見表1。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)可以得出，微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池各自的成本曲線。至于計算環(huán)境折算成本過程中，可以參考表2確定2大內(nèi)容，（1）各污染物的折算成本；（2）能夠控制的策源排放因子。

某日當(dāng)天，混合微網(wǎng)模式中風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電的功率以及交流、直流區(qū)負(fù)荷情況，可參見圖2。

由圖2可知，在混合微網(wǎng)中，交、直流區(qū)負(fù)荷有著很大的差異。但需要注意，不能夠控制微源存在著偏低的滲透率情況。在模型當(dāng)中，對棄風(fēng)和棄光情況可以忽略不計。

通過對混合網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型的構(gòu)建，能夠獲取到一天內(nèi)的混合網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度方案，如圖3所示。

由圖3可知，其中包括了3大功率曲線，同時還囊括了多個組成部分，如微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、雙向功率變換器等。一天儲能剩余電量情況，如圖4所示。

由圖3、圖4可知，提出的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，可以對混合微網(wǎng)中的各種不足進(jìn)行有效的應(yīng)對，確?；旌衔⒕W(wǎng)運(yùn)行的合理、有效及經(jīng)濟(jì)。凌晨1：00～4：00是儲能電量一般水平，不過這一時段的外網(wǎng)分時電價是谷峰狀態(tài)。這一情況下所采取的儲能充放電標(biāo)準(zhǔn)，確保了充電狀態(tài)，由此給后來負(fù)荷高峰的下降以及負(fù)荷低谷的有效填充創(chuàng)造條件。上午8：00～16：00，由于微網(wǎng)所處的負(fù)荷是第1個高峰期，這種情況下，以儲能充放電來解決外網(wǎng)購電的問題，并采取售電措施，這樣能夠獲得理想的效益。下午16：00～18：00，這一時段中，可以保證最低充電成本，進(jìn)而服務(wù)于下次高峰的到來。晚上19：00～21：00，是第2次高峰階段，此時再次處于儲能全面放電狀態(tài)，由此實(shí)現(xiàn)負(fù)荷高峰的下降，并對負(fù)荷低谷進(jìn)行補(bǔ)充。但當(dāng)在第1天結(jié)束階段中，存在顯著降低的分時電價，則儲能采取充電措施，這樣可以在比較低的成本下，使得儲能容量恢復(fù)到原來的一半水平。

4結(jié)語

混合微網(wǎng)模式下的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型是建立在儲能電量控制基礎(chǔ)之上，所構(gòu)建的模型，有助于科學(xué)設(shè)計和制定相應(yīng)的充放電計劃。同時基于該模型出發(fā)，對綜合實(shí)時運(yùn)行計劃進(jìn)行了相應(yīng)的編制。這樣既使得微網(wǎng)效率大幅提高，也使得微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性得到改善。在今后的分析與研究過程中，需要進(jìn)一步深入的對混合微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型進(jìn)行探討，從而為細(xì)致全面的制定儲能充放電計劃提供便利，最終實(shí)現(xiàn)混合微網(wǎng)實(shí)時調(diào)度有效性與經(jīng)濟(jì)性的全面提高。

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