計(jì)及需求側(cè)響應(yīng)的含PET交直流混合系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度

梁丹曦，宋 潔，彭笑東，朱玉婷，趙雪瑩

（全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司，北京 102211）

近年來，隨著包括風(fēng)電和光伏在內(nèi)的大量分布式電源并網(wǎng)、電動(dòng)汽車的普及、儲(chǔ)能系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用以及用戶用電模式的改變，配電網(wǎng)潮流反向、電壓越限、網(wǎng)絡(luò)阻塞等一系列問題不斷涌現(xiàn)。電力電子技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了配電網(wǎng)智能化互聯(lián)的發(fā)展，催生了交直流混合系統(tǒng)的出現(xiàn)。作為交直流混合系統(tǒng)中交直流分區(qū)間典型的能流中轉(zhuǎn)站，電力電子變壓器PET（power electronic transformer）是交/直流電網(wǎng)間能量路由的重要環(huán)節(jié)[1-3]。利用PET進(jìn)行功率控制可有效提高系統(tǒng)交直流子網(wǎng)之間的功率交互能力，提升可再生能源的就地消納水平[4]，相關(guān)研究受到廣泛關(guān)注[5-6]。

文獻(xiàn)[7]將PET應(yīng)用于配電網(wǎng)無功優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)通過PET調(diào)控，系統(tǒng)電壓水平明顯提升；文獻(xiàn)[8]提出了一種含PET的交直流混合系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度方法；文獻(xiàn)[9]根據(jù)PET結(jié)構(gòu)，將三端口PET并網(wǎng)型交直流混合系統(tǒng)分為微網(wǎng)層、混合層和并網(wǎng)點(diǎn)層，進(jìn)而提出了基于三端口PET的交直流混合系統(tǒng)分層多目標(biāo)優(yōu)化方法；文獻(xiàn)[10]考慮低壓交流系統(tǒng)三相負(fù)荷不對(duì)稱特征，提出了基于PET的交直流混合系統(tǒng)電壓不平衡協(xié)調(diào)抑制方法。然而，上述研究多關(guān)注交直流混合系統(tǒng)中PET單元的控制方法，忽略了PET與系統(tǒng)需求側(cè)可響應(yīng)資源的協(xié)同效應(yīng)，限制了可再生能源的消納水平。實(shí)際上，需求側(cè)響應(yīng)可為系統(tǒng)提供一種更加靈活的調(diào)節(jié)資源。例如，文獻(xiàn)[11]計(jì)及用戶需求響應(yīng)能力，建立了系統(tǒng)“源-儲(chǔ)-荷”多級(jí)協(xié)調(diào)的雙層調(diào)度優(yōu)化模型；文獻(xiàn)[12]針對(duì)大型農(nóng)場(chǎng)混合能源系統(tǒng)，建立了養(yǎng)殖區(qū)的功率可調(diào)整型負(fù)荷和生活區(qū)的時(shí)間可平移型負(fù)荷模型，并將其應(yīng)用于系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度；文獻(xiàn)[13]基于分時(shí)電價(jià)，以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)，構(gòu)建了基于可信性機(jī)會(huì)約束的源-荷協(xié)同調(diào)控模型。

綜上，目前在含PET的交直流混合系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行和需求側(cè)響應(yīng)方面已有大量研究，但將兩者相結(jié)合的研究還相對(duì)較少。為此，本文提出一種計(jì)及需求側(cè)可控負(fù)荷響應(yīng)及PET靈活調(diào)控能力的交直流混合系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度方法。首先，本文構(gòu)建了計(jì)及損耗特性的PET優(yōu)化調(diào)度模型；然后，計(jì)及需求側(cè)負(fù)荷響應(yīng)能力，提出含PET的交直流混合系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度方法；最后，通過利用典型交直流混合系統(tǒng)算例對(duì)上述方法進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，本文方法可實(shí)現(xiàn)交直流混合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了“源-儲(chǔ)-荷”協(xié)調(diào)運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和間歇性分布式電源出力消納水平顯著提升。

1 含PET交直流混合系統(tǒng)建模

1.1 PET優(yōu)化調(diào)度模型

PET作為系統(tǒng)交流區(qū)域和直流區(qū)域之間的能量調(diào)控單元，可有效協(xié)調(diào)系統(tǒng)電能平衡。考慮到PET內(nèi)部存在部分有功損耗，定義η為PET功率轉(zhuǎn)換系數(shù)。本文以三端口PET為例，建立計(jì)及損耗的PET調(diào)度模型，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 PET三端口等效模型Fig.1 Three-port equivalent model of PET

對(duì)于三端口PET有下式成立：

此外，為保證PET運(yùn)行在安全狀態(tài)，3個(gè)端口的交互功率存在以下功率約束：

式中：PM_max為PET與主網(wǎng)最大交互功率；PAC_max為PET與交流區(qū)域最大交互功率；PDC_max為PET與直流區(qū)域最大交互功率。

1.2 微型燃?xì)廨啓C(jī)模型

優(yōu)化過程中，微型燃?xì)廨啓C(jī)MT（micro gas tur-bine）的輸出功率可作為模型的控制變量，其運(yùn)行約束如下：

1.3 蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)模型

對(duì)于蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行約束，考慮以下3個(gè)方面：①儲(chǔ)能系統(tǒng)在每一時(shí)刻會(huì)存在自身放電，因此下一時(shí)刻儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能量等于上一時(shí)刻儲(chǔ)能系統(tǒng)自放電后所剩余電能與這一時(shí)刻充放電能之和；②儲(chǔ)能系統(tǒng)每一時(shí)刻充放電功率存在上限、下限；③儲(chǔ)能系統(tǒng)在最終時(shí)刻的儲(chǔ)能量與初始時(shí)刻的儲(chǔ)能量相同，以保證儲(chǔ)能系統(tǒng)長期運(yùn)行。3個(gè)約束條件可分別表示為

1.4 需求側(cè)負(fù)荷模型

本文系統(tǒng)需求側(cè)負(fù)荷分為不可控和可控兩類，對(duì)于不可控負(fù)荷，功率為恒定值、不可控；對(duì)于可控負(fù)荷，則可在需求時(shí)段進(jìn)行靈活控制（如暖通負(fù)荷，可通過控制其運(yùn)行時(shí)間、溫度設(shè)定值等進(jìn)行削減）。基于此特性，可控負(fù)荷可有效參與到系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度中來。本文所提需求側(cè)負(fù)荷模型可分別表示為

2 計(jì)及需求側(cè)響應(yīng)的含PET交直流混合系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

本文以系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，建立計(jì)及需求側(cè)響應(yīng)的含PET交直流混合系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度模型，運(yùn)行費(fèi)用將綜合考慮設(shè)備維護(hù)成本、MT發(fā)電成本、購售電成本、儲(chǔ)能損耗成本及需求側(cè)可控負(fù)荷削減成本。考慮到本文重點(diǎn)關(guān)注PET與需求側(cè)響應(yīng)負(fù)荷的協(xié)同效應(yīng)，本文假設(shè)預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)可以在日前精確獲取風(fēng)電、光伏的出力曲線。

2.1.1 設(shè)備維護(hù)成本

設(shè)備在運(yùn)行過程中需要養(yǎng)護(hù)，本模型考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏的維護(hù)成本F1，維護(hù)成本F1與設(shè)備輸出功率有關(guān)，即

2.1.2 MT發(fā)電成本

MT發(fā)電成本F2可表示為

式中，mMT為MT發(fā)電成本系數(shù)。

2.1.3 購售電成本F3

除了交流區(qū)域和直流區(qū)域外，交直流混合系統(tǒng)還與主網(wǎng)相連。當(dāng)自身系統(tǒng)中存在電能盈余時(shí)，可以通過將盈余的電能賣給主網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)盈利；當(dāng)自身系統(tǒng)中電能不足時(shí)，可通過向主網(wǎng)購電來平衡交直流混合系統(tǒng)的電能不足。因此，購售電的總成本為購電成本與售電盈利的總和，即

2.1.4 電儲(chǔ)能損耗成本F4

電儲(chǔ)能在系統(tǒng)運(yùn)行過程中會(huì)不斷地充電和放電，在充放電過程中會(huì)存在電能的損耗。該損耗與儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電的功率有關(guān)。因此儲(chǔ)能損耗成本可表示為

式中，mB為儲(chǔ)能的損耗成本系數(shù)。

2.1.5 需求側(cè)可控負(fù)荷削減成本F5

當(dāng)系統(tǒng)供不應(yīng)求時(shí)，會(huì)對(duì)系統(tǒng)需求側(cè)的可控負(fù)荷進(jìn)行削減，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生負(fù)荷削減成本F5，F(xiàn)5包括t時(shí)刻可控交流負(fù)荷和可控直流負(fù)荷的削減成本，即

2.2 約束條件

運(yùn)行約束主要考慮交直流混合系統(tǒng)的潮流約束、系統(tǒng)各部分元件的運(yùn)行約束、系統(tǒng)的功率平衡約束。

（1）系統(tǒng)功率平衡約束。系統(tǒng)交流網(wǎng)絡(luò)和直流網(wǎng)絡(luò)的功率可分別表示為

將式（29）和式（30）代入式（7）可得到系統(tǒng)的功率平衡約束為

對(duì)于PET、MT、儲(chǔ)能電池以及需求側(cè)負(fù)荷的約束，已在式（8）～（22）中給出。

（2）交流網(wǎng)絡(luò)約束。t時(shí)刻交流網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電壓約束和線路功率約束可分別表示為

式中：Ui,t_min、Ui,t_max分別為t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i的電壓下限和上限；Pij,t_max為t時(shí)刻線路ij的有功功率上限。

（3）直流網(wǎng)絡(luò)約束。直流支路有功功率約束和直流網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電壓約束可分別表示為

式中：Pdc,ij,t為t時(shí)刻直流支路ij的有功功率；Pdc,ij_max為直流支路ij的有功功率上限；Udc,i,t為t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i的電壓；Udc,i,t_min、Udc,i,t_max分別為t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i的電壓下限和上限。

3 算例分析

3.1 算例系統(tǒng)

以圖2所示典型的含PET的交直流混合系統(tǒng)為例，PET的3個(gè)端口分別和交流網(wǎng)絡(luò)、直流網(wǎng)絡(luò)和上游電網(wǎng)相連。交流網(wǎng)絡(luò)中包含MT、風(fēng)機(jī)、交流可控負(fù)荷及不可控負(fù)荷，每時(shí)段MT的發(fā)電量及可控負(fù)荷削減量可優(yōu)化控制，其余為給定值。直流網(wǎng)絡(luò)包括光伏發(fā)電單元、電池儲(chǔ)能裝置、直流可控負(fù)荷及不可控負(fù)荷。其中，各時(shí)刻儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能量、直流可控負(fù)荷的削減量為控制變量，光伏出力和不可控負(fù)荷為給定值。儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電狀態(tài)由優(yōu)化結(jié)果確定。算例對(duì)計(jì)及需求側(cè)響應(yīng)和含PET交直流混合系統(tǒng)進(jìn)行日前優(yōu)化調(diào)度，取優(yōu)化調(diào)度步長為1 h，忽略儲(chǔ)能電池自放電系數(shù)σ，系統(tǒng)的設(shè)備配置參數(shù)及各部分成本系數(shù)如表1所示。主網(wǎng)購售電電價(jià)如表2所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 System parameters

表2 主網(wǎng)購售電電價(jià)Tab.2 Purchase and selling electricity prices of distribution network

圖2 含PET交直流混合系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of AC/DC hybrid system with PET

3.2 算例結(jié)果及分析

圖3中給出了日內(nèi)PET直流端口和交流端口的功率交互方案，其中正值、負(fù)值分別表示功率從交流/直流系統(tǒng)流出或注入。表3給出了日內(nèi)PET所連接的交流系統(tǒng)、直流系統(tǒng)及主網(wǎng)3部分的狀態(tài)值和運(yùn)行狀態(tài)。

圖3 PET交直流端口輸出功率Fig.3 Output power from AC/DC port of PET

表3 PET三端口的狀態(tài)值Tab.3 Three-port status values of PET

從算例結(jié)果可以看出，在1～5 h時(shí)段內(nèi)，由于光伏出力較小，直流網(wǎng)絡(luò)功率不足，此時(shí)交流網(wǎng)絡(luò)功率過剩，則功率由交流流向直流部分，以實(shí)現(xiàn)可再生能源的消納。由實(shí)時(shí)電價(jià)可知，此時(shí)主網(wǎng)購電為谷時(shí)電價(jià)，明顯低于MT單位發(fā)電成本，主網(wǎng)購電量也達(dá)到上限，所以應(yīng)該盡可能減少M(fèi)T出力來降低運(yùn)行成本。

在6～8 h時(shí)段內(nèi)，直流網(wǎng)絡(luò)光伏出力不能滿足負(fù)荷需求，而交流網(wǎng)絡(luò)也由于風(fēng)機(jī)出力下降而導(dǎo)致供不應(yīng)求，此時(shí)直流網(wǎng)絡(luò)和交流網(wǎng)絡(luò)都處于功率不足狀態(tài)，系統(tǒng)從主網(wǎng)購電來滿足其功率需求。當(dāng)t=6 h時(shí)，主網(wǎng)購電已達(dá)到上限仍不能滿足交直流系統(tǒng)的功率需求，此時(shí)將出現(xiàn)負(fù)荷削減現(xiàn)象。

在9～14 h時(shí)段內(nèi)，直流網(wǎng)絡(luò)由于光伏出力增多開始出現(xiàn)盈余，交流網(wǎng)絡(luò)由于風(fēng)速持續(xù)下降導(dǎo)致功率不足，此時(shí)功率由直流網(wǎng)絡(luò)流向交流網(wǎng)絡(luò)，可見，當(dāng)t=9 h時(shí)，主網(wǎng)為購電狀態(tài)。而在10～14 h時(shí)段內(nèi)，主網(wǎng)為售電狀態(tài)，這是由于當(dāng)t=9 h時(shí)，主網(wǎng)為平時(shí)電價(jià)，而在10～14 h時(shí)段內(nèi)，主網(wǎng)為峰時(shí)電價(jià)，此時(shí)微燃機(jī)發(fā)電成本及負(fù)荷削減成本均低于向主網(wǎng)售電的成本，故此時(shí)間段交直流混合系統(tǒng)向主網(wǎng)售電一直保持在端口上限，以提高系統(tǒng)運(yùn)行收益。

當(dāng)t=15 h時(shí)，交流網(wǎng)絡(luò)正好達(dá)到自給自足狀態(tài)，由于此時(shí)仍為峰時(shí)電價(jià)，此時(shí)直流網(wǎng)絡(luò)的盈余全部輸送至主網(wǎng)來降低運(yùn)行成本。當(dāng)t=16 h時(shí)，直流網(wǎng)絡(luò)功率有所盈余，交流網(wǎng)絡(luò)功率不足，直流網(wǎng)絡(luò)的盈余功率不足以平衡交流網(wǎng)絡(luò)的功率缺額，因?yàn)榇藭r(shí)主網(wǎng)為平時(shí)電價(jià)，從主網(wǎng)購電比負(fù)荷削減成本低，因此從主網(wǎng)購電來平衡不足的功率。當(dāng)t=17 h時(shí)，交流網(wǎng)絡(luò)和直流網(wǎng)絡(luò)都處于功率不足狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)同7～8 h時(shí)段。當(dāng)t=18 h時(shí)，交流網(wǎng)絡(luò)和直流網(wǎng)絡(luò)都出于功率盈余狀態(tài)，主網(wǎng)處于峰時(shí)電價(jià)，負(fù)荷削減成本低于向主網(wǎng)售電的成本，交流網(wǎng)絡(luò)和直流網(wǎng)絡(luò)都出現(xiàn)負(fù)荷削減，盈余的電能都賣至主網(wǎng)。

在19～24 h時(shí)段內(nèi)，直流網(wǎng)絡(luò)由于光伏出力下降處于功率不足狀態(tài)，交流網(wǎng)絡(luò)由于風(fēng)速上升處于功率盈余狀態(tài)。在19～21 h時(shí)段內(nèi)，由于主網(wǎng)處于峰時(shí)電價(jià)，此時(shí)交流網(wǎng)絡(luò)MT滿載運(yùn)行，盈余功率除去傳輸至直流網(wǎng)絡(luò)外，還輸送至主網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)最大獲利。在22～24 h時(shí)段內(nèi)，主網(wǎng)處于谷時(shí)電價(jià)，交直流系統(tǒng)從主網(wǎng)購電成本更低，故交直流網(wǎng)絡(luò)向主網(wǎng)購電量保持在端口上限值。

圖4給出了儲(chǔ)能、主網(wǎng)交互功率與主網(wǎng)購電成本的關(guān)系，儲(chǔ)能為正值時(shí)表示充電，儲(chǔ)能為負(fù)值時(shí)表示放電；主網(wǎng)交互功率為正值時(shí)表示功率從主網(wǎng)流向交直流混合系統(tǒng)，主網(wǎng)交互功率為負(fù)值時(shí)表示功率從交直流混合系統(tǒng)流向主網(wǎng)。從圖4中可以看出，儲(chǔ)能與主網(wǎng)交互功率的行為與主網(wǎng)購電成本有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。當(dāng)主網(wǎng)購電成本低時(shí)，儲(chǔ)能進(jìn)行充電，交直流混合系統(tǒng)從主網(wǎng)購電；當(dāng)主網(wǎng)購電成本高時(shí)，儲(chǔ)能進(jìn)行放電，交直流混合系統(tǒng)向主網(wǎng)售電，這體現(xiàn)了優(yōu)化調(diào)度的全局性與經(jīng)濟(jì)性。

圖4 儲(chǔ)能、主網(wǎng)交互功率與主網(wǎng)購電成本的關(guān)系Fig.4 Diagram of relation among energy storage power，distribution network’s interactive power，and distribution network’s power purchase cost

4 結(jié)語

本文引入PET凈輸入功率這一物理量建立了PET的含損優(yōu)化調(diào)度模型，并在此基礎(chǔ)上提出了計(jì)及需求側(cè)響應(yīng)的含PET的交直流混合系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度方法，實(shí)現(xiàn)了包含分布式發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)、需求側(cè)負(fù)荷在內(nèi)的交直流混合系統(tǒng)“源-儲(chǔ)-荷”協(xié)調(diào)運(yùn)行。仿真驗(yàn)證結(jié)果表明，本文方法有效提高了含PET交直流混合系統(tǒng)的供電的靈活性和經(jīng)濟(jì)性，可再生能源消納能力明顯提升。