考慮應(yīng)急電源功能的住宅小區(qū)微電網(wǎng)運(yùn)行策略

李先鋒，胡晨剛，卜莉敏，苗文捷，黃文哲，馬建軍

（1. 杭州市電力設(shè)計(jì)院有限公司，杭州 310014；2. 杭州電子科技大學(xué)，杭州 310018）

0 引言

近年來(lái)，全國(guó)電力系統(tǒng)呈現(xiàn)高壓交直流混聯(lián)、風(fēng)電和光電等新能源接入等特點(diǎn)，導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行方式復(fù)雜多變。同時(shí)，全社會(huì)用電量攀升，導(dǎo)致電力供應(yīng)緊張。因此，各地配電網(wǎng)停電事件時(shí)有發(fā)生。尤其在遭遇極端氣候及自然災(zāi)害時(shí)，停電事件更易發(fā)生，如“2022年四川限電事件”“河南暴雨”［1-2］等。再者，電力中斷的次生事件容易給社會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，中國(guó)亟待加強(qiáng)應(yīng)急電源系統(tǒng)的建設(shè)。2018年7月，國(guó)家能源局印發(fā)《電力行業(yè)應(yīng)急能力建設(shè)行動(dòng)計(jì)劃（2018-2020 年）》，提出全面提升電力應(yīng)急基礎(chǔ)設(shè)施利用率，強(qiáng)化應(yīng)急資源保障能力，充分利用、整合電力行業(yè)現(xiàn)有資源，進(jìn)一步增強(qiáng)電力應(yīng)急支撐保障能力，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急資源共享和優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的要求［3］。由此體現(xiàn)國(guó)家對(duì)應(yīng)急能源行業(yè)的關(guān)注，文件對(duì)應(yīng)急能源行業(yè)發(fā)展具有指導(dǎo)意義。

傳統(tǒng)應(yīng)急電源系統(tǒng)主要由發(fā)電裝置和儲(chǔ)能裝置組成，包含自備電廠、柴油（汽油、燃?xì)猓┌l(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組、靜態(tài)儲(chǔ)能裝置等，但傳統(tǒng)應(yīng)急電源大部分時(shí)間處于閑置狀態(tài)，經(jīng)濟(jì)性低且利用柴油發(fā)電存在污染、碳排放等問(wèn)題［4-5］。

EV（電動(dòng)汽車(chē)）作為需求側(cè)中最靈活且兼具可控性和儲(chǔ)能性的資源，能夠?yàn)樽≌^(qū)微電網(wǎng)提供調(diào)峰、調(diào)頻、備用電源［6-9］等功能。文獻(xiàn)［10］提出一種基于V2G（電動(dòng)汽車(chē)并網(wǎng)）技術(shù)的城市電網(wǎng)恢復(fù)策略，將EV儲(chǔ)能作為輔助電源應(yīng)用于城市電網(wǎng)失電負(fù)荷的供電恢復(fù)中［10］。文獻(xiàn)［11］提出基于EV的孤島應(yīng)急供電策略，即調(diào)動(dòng)孤島周邊充電的EV放電，幫助孤島恢復(fù)供電。文獻(xiàn)［12］提出一種基于V2G 的城市配電網(wǎng)彈性提升策略，針對(duì)EV反向輸電參與災(zāi)后供電恢復(fù)提出新的恢復(fù)模型。文獻(xiàn)［13］提出一種城市道路搶修輔助重要負(fù)荷恢復(fù)的EV能量時(shí)空分層調(diào)度策略，解決極端災(zāi)害過(guò)后的負(fù)荷恢復(fù)問(wèn)題［13］。

將分布式光伏-儲(chǔ)能系統(tǒng)作為系統(tǒng)應(yīng)急電源功能的獨(dú)立發(fā)電機(jī)組和儲(chǔ)能裝置，不僅可以為住宅小區(qū)微電網(wǎng)提供清潔、高質(zhì)量的電能［14-15］，提高住宅小區(qū)微電網(wǎng)在供電需求方面的自主參與性，還可以及時(shí)有效地解決停電等突發(fā)狀況，并根據(jù)實(shí)際需求選擇吸收功率或釋放功率，配合電網(wǎng)進(jìn)行削峰填谷。文獻(xiàn)［16］提出一種考慮應(yīng)急電源功能的光儲(chǔ)充放電站，充分利用光儲(chǔ)充放電站和EV作為應(yīng)急電源，在電力供應(yīng)中斷時(shí)提供醫(yī)院所需電能［16］。文獻(xiàn)［17］提出考慮間歇性電源出力不確定性的短時(shí)配電系統(tǒng)恢復(fù)優(yōu)化模型，在含有分布式電源（光伏、儲(chǔ)能等）的系統(tǒng)故障停電時(shí)為負(fù)荷提供電力［17］。目前，研究未考慮將分布式電源（如光伏、EV、儲(chǔ)能等）與需求側(cè)響應(yīng)相結(jié)合且具有系統(tǒng)應(yīng)急電源功能的模型。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出具有應(yīng)急電源功能的住宅小區(qū)微電網(wǎng)運(yùn)行策略，包括常規(guī)狀態(tài)下基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的能量預(yù)管理策略和外部供電中斷情況下住宅小區(qū)微電網(wǎng)應(yīng)急能量管理策略。所提方法可實(shí)現(xiàn)利用微電網(wǎng)內(nèi)可調(diào)資源提高住宅小區(qū)的供電可靠性，并且兼顧系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。本文所提方法的學(xué)術(shù)創(chuàng)新與技術(shù)貢獻(xiàn)總結(jié)如下：

1）針對(duì)住宅小區(qū)主動(dòng)支撐不停電需求，建立包含分布式光伏、儲(chǔ)能及V2G 充電樁的住宅小區(qū)微電網(wǎng)系統(tǒng)。

2）在正常供電情況下，構(gòu)建住宅小區(qū)供電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，提出在不同風(fēng)險(xiǎn)下對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)能量預(yù)留量進(jìn)行調(diào)節(jié)的方法，所提方法可兼顧小區(qū)微電網(wǎng)可調(diào)資源在常規(guī)情況下的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

3）在供電中斷時(shí)，提出住宅小區(qū)微電網(wǎng)應(yīng)急能量管理策略，以充分利用用戶(hù)需求彈性及EV儲(chǔ)能特性，實(shí)現(xiàn)在不同電力供應(yīng)中斷場(chǎng)景下最優(yōu)的系統(tǒng)應(yīng)急供應(yīng)手段與調(diào)控策略。

1 具有應(yīng)急電源功能的住宅小區(qū)微電網(wǎng)系統(tǒng)模型

具有應(yīng)急電源功能的住宅小區(qū)微電網(wǎng)系統(tǒng)如圖1 所示。系統(tǒng)包括配電網(wǎng)、分布式光伏、BESS（電池儲(chǔ)能系統(tǒng)）、私有負(fù)荷和公共負(fù)荷等。系統(tǒng)有兩種運(yùn)行狀態(tài)，分別為常規(guī)狀態(tài)（配電網(wǎng)供電）和臺(tái)區(qū)供電中斷狀態(tài)。

該系統(tǒng)的負(fù)載總功率Pload和可變負(fù)載總功率Pva分別為：

常規(guī)狀態(tài)下，系統(tǒng)功率平衡表達(dá)式為：

式中：Ppv為分布式光伏輸出功率；和分別為其上、下限；為BESS 充電額定功率；和分別為其上、下限；Ppg為配電網(wǎng)分配功率；SSOC為BESS 荷電狀態(tài)；Cess為BESS 的電荷總?cè)萘浚籷ess為BESS 當(dāng)前的電荷容量。多余的分布式光伏電能采取本地消納的方法進(jìn)行處理。

臺(tái)區(qū)供電中斷狀態(tài)下，系統(tǒng)功率平衡表達(dá)式為：

2 住宅小區(qū)微電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及能量預(yù)管理策略

系統(tǒng)在常規(guī)狀態(tài)時(shí)運(yùn)行策略的目標(biāo)為最小化購(gòu)電成本Cbuy，約束為SSOC不小于風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)要求的電池電荷狀態(tài)。

2.1 風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

系統(tǒng)在常規(guī)狀態(tài)下進(jìn)入臺(tái)區(qū)供電中斷狀態(tài)受到多方面因素影響，因此為了更好地優(yōu)化BESS預(yù)存能量，在考慮包括次日用戶(hù)用電需求、天氣及系統(tǒng)用戶(hù)彈性指數(shù)等因素時(shí)，為量化次日系統(tǒng)進(jìn)入臺(tái)區(qū)供電中斷狀態(tài)的可能性，本文引入風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)R，其具體計(jì)算公式為：

式中：Hwt為天氣指數(shù)；Heq為線路故障指數(shù)；Hei為彈性指數(shù)；θ1、θ2、θ3為其對(duì)應(yīng)指數(shù)的權(quán)重系數(shù)。

天氣是影響區(qū)域配電網(wǎng)的穩(wěn)定性因素之一，因此引入天氣指數(shù)Hwt，通過(guò)對(duì)不同的天氣情況進(jìn)行相應(yīng)的賦值來(lái)量化天氣對(duì)電網(wǎng)的影響。天氣指數(shù)隨著天氣惡劣程度逐漸增加：若天氣晴朗，則天氣指數(shù)低；若遇上雷暴、大風(fēng)等天氣，則天氣指數(shù)較高；若遇到自然災(zāi)害，如臺(tái)風(fēng)、颶風(fēng)等天氣，則天氣系數(shù)極高。

線路故障也是配電網(wǎng)穩(wěn)定的影響因素，因此引入線路故障指數(shù)Heq量化線路故障對(duì)于系統(tǒng)進(jìn)入臺(tái)區(qū)供電中斷狀態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)算公式如下：

式中：Prload為系統(tǒng)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)故障進(jìn)入離網(wǎng)狀態(tài)的概率；n為配電網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)總數(shù)量；lk為節(jié)點(diǎn)k的實(shí)際功率；lmax為節(jié)點(diǎn)上限功率；C為節(jié)點(diǎn)越限運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)；Prea為設(shè)備損壞引發(fā)系統(tǒng)進(jìn)入離網(wǎng)狀態(tài)的概率；α和β分別為Prload和Prea的權(quán)重系數(shù)。

彈性指數(shù)Hei是反映系統(tǒng)可調(diào)節(jié)的需求總量，同樣是影響因素之一。為量化需求側(cè)各用戶(hù)的可調(diào)節(jié)資源，本文引入彈性系數(shù)Hei，它反映了用戶(hù)參與需求側(cè)響應(yīng)的意愿，具體計(jì)算公式如下：

式中：ΔP為變化的個(gè)體用戶(hù)功率；P為原個(gè)體用戶(hù)功率；ΔQ為變化的電價(jià)；Q為實(shí)際電價(jià)。

2.2 住宅小區(qū)微電網(wǎng)功率及分布式光伏發(fā)電預(yù)測(cè)

本文對(duì)次日分布式光伏發(fā)電的發(fā)電量Epv、需求側(cè)次日的負(fù)載平均功率及系統(tǒng)次日進(jìn)入臺(tái)區(qū)供電中斷狀態(tài)的概率進(jìn)行預(yù)測(cè)。其中，本文分布式光伏發(fā)電量Epv及系統(tǒng)次日的總負(fù)載平均功率預(yù)測(cè)以大量歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算求解，而進(jìn)入臺(tái)區(qū)供電中斷狀態(tài)的概率將通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)體現(xiàn)。

2.3 能量預(yù)存

該系統(tǒng)存在兩種運(yùn)行狀態(tài)，即常規(guī)狀態(tài)和臺(tái)區(qū)供電中斷狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)供電中斷狀態(tài)下系統(tǒng)能正常運(yùn)作的目標(biāo)，同時(shí)為了應(yīng)對(duì)分布式光伏發(fā)電及小區(qū)負(fù)荷的不確定性問(wèn)題，系統(tǒng)在常規(guī)狀態(tài)下需要提前預(yù)存電能。計(jì)算預(yù)存電能的公式如下：

式中：Epv為預(yù)測(cè)系統(tǒng)次日分布式光伏發(fā)電的發(fā)電量；為預(yù)測(cè)系統(tǒng)次日的總負(fù)載平均功率；EBESS為預(yù)存的儲(chǔ)能能量；T為平均搶修時(shí)間；λ為應(yīng)對(duì)不同風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的增加系數(shù)。

2.4 考慮能量預(yù)管理的常規(guī)運(yùn)行策略

常規(guī)運(yùn)行策略如圖2所示，系統(tǒng)處于常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，BESS獲取的電池電荷狀態(tài)為SSOC。

圖2 常規(guī)狀態(tài)運(yùn)行策略邏輯圖Fig.2 Logic diagram of the operation strategy in normal state

步驟1：針對(duì)日前預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間產(chǎn)生的誤差，住宅小區(qū)微電網(wǎng)系統(tǒng)根據(jù)日內(nèi)及次日風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，計(jì)算得出該風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)下需要預(yù)存的電能EBESS，并實(shí)時(shí)調(diào)整BESS預(yù)存量。

步驟2：住宅小區(qū)微電網(wǎng)系統(tǒng)利用該時(shí)刻分布式光伏發(fā)電功率Ppv預(yù)測(cè)一天的分布式光伏發(fā)電量Epv。

步驟3：住宅小區(qū)微電網(wǎng)系統(tǒng)判斷該時(shí)刻SSOC是否大于，若，則執(zhí)行步驟4；若，則執(zhí)行步驟5。

步驟4：若Epv≥EBESS，則分布式光伏將以一定的功率給BESS 充電，多余的功率補(bǔ)償本地負(fù)載；若Epv

不同時(shí)刻的分布式光伏發(fā)電功率Ppv會(huì)實(shí)時(shí)變化，因此每15 min更新一次Ppv，系統(tǒng)將會(huì)重復(fù)步驟2—5。

3 供電中斷情況下住宅小區(qū)微電網(wǎng)應(yīng)急能量管理策略

3.1 整體運(yùn)行策略

整體運(yùn)行策略如圖3所示，系統(tǒng)進(jìn)入臺(tái)區(qū)供電中斷狀態(tài)時(shí)，在保證必要負(fù)荷正常供電的前提下，以資源利用率最大和運(yùn)行成本最小為目標(biāo)進(jìn)行運(yùn)行調(diào)控。此時(shí)，系統(tǒng)的主要供電單元由配電網(wǎng)變?yōu)榉植际焦夥虰ESS，同時(shí)電網(wǎng)側(cè)給出估計(jì)搶修時(shí)間T。

圖3 臺(tái)區(qū)供電中斷狀態(tài)運(yùn)行策略邏輯圖Fig.3 Logic diagram of the operation strategy under power interruption in the distribution area

步驟1：應(yīng)急能源系統(tǒng)利用分布式光伏和BESS恢復(fù)所有負(fù)載。

步驟2：計(jì)算全負(fù)載功率可維持時(shí)間T1，若T1>T，則僅利用分布式光伏和BESS為系統(tǒng)供給電能。

步驟3：若T1T，則利用分布式光伏和BESS為系統(tǒng)供給電能。

步驟4：若完全切除第二等級(jí)負(fù)載后T2

步驟5：若在切除充電樁負(fù)載后T3

步驟6：考慮不同的需求功率Pde和需求電量ΔE，選擇不同的調(diào)節(jié)方式，實(shí)現(xiàn)以最小的恢復(fù)成本恢復(fù)最大負(fù)載的目標(biāo)，若兩者超出約束條件則執(zhí)行步驟7（具體策略請(qǐng)見(jiàn)3.3.2節(jié)）。

步驟7：如果Pde和ΔE超出約束范圍，則兩種調(diào)節(jié)方式共同作用。

步驟8：如需執(zhí)行步驟7，則系統(tǒng)分配兩種方式調(diào)節(jié)電能需求量的屬歸，達(dá)到最小的恢復(fù)成本minCre。

系統(tǒng)總負(fù)載功率Pload每15 min 會(huì)更新一次，每次更新重復(fù)步驟4—8。

3.2 公共負(fù)荷切除策略

若T1

步驟1：計(jì)算全負(fù)載功率時(shí)可維持時(shí)間T1，若T1

步驟2：計(jì)算功率缺口Plack，若Plack不大于第二等級(jí)公共負(fù)載功率值之和，則執(zhí)行步驟3；若大于第二等級(jí)公共負(fù)載功率值之和，則執(zhí)行步驟4。

步驟3：本文對(duì)公共資源進(jìn)行等級(jí)劃分，其中對(duì)居民生命安全具有保障作用的作為必要資源處于第一等級(jí)，不可切除。第二等級(jí)公共資源對(duì)系統(tǒng)影響較小，則為可切除負(fù)荷，其中切除順序同樣也有劃分。因此，引入負(fù)荷優(yōu)先級(jí)系數(shù)δj，δj由公共負(fù)載j根據(jù)系統(tǒng)管理、用戶(hù)利益、安全等因素的重要程度確定。切除系數(shù)O(x)表達(dá)式見(jiàn)式（13）。

步驟4：從小到大對(duì)可切除負(fù)荷的切除系數(shù)進(jìn)行排列，并依次切除響應(yīng)的公共負(fù)載，直至切除的第二等級(jí)各公共負(fù)載功率Ppu之和不小于功率缺口Plack。

步驟5：若切除所有第二等級(jí)公共負(fù)載后仍存在T1

3.3 私有負(fù)荷調(diào)控方法

3.3.1 激勵(lì)政策

運(yùn)行策略考慮了需求側(cè)響應(yīng)因素，分別為用戶(hù)需求響應(yīng)和EV需求響應(yīng)，兩種方案以不同的價(jià)格激勵(lì)政策進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1）用戶(hù)需求響應(yīng)

通過(guò)分段價(jià)格補(bǔ)貼激勵(lì)政策降低用戶(hù)自身負(fù)荷需求，減輕分布式光伏和BESS 在供電中斷時(shí)的供電壓力。具體計(jì)算如下：

式中：Subs為區(qū)間s內(nèi)單戶(hù)補(bǔ)貼總價(jià)；PUs為區(qū)間s內(nèi)補(bǔ)貼單價(jià)；E為需求側(cè)響應(yīng)電量；Δt為需求側(cè)響應(yīng)時(shí)間，且PU1

2）EV需求響應(yīng)

EV調(diào)節(jié)使用高于正常電價(jià)的單價(jià)補(bǔ)貼及電池衰減補(bǔ)貼激勵(lì)政策來(lái)調(diào)度EV。具體計(jì)算如下：

式中：SEV為EV總補(bǔ)貼；p每度電補(bǔ)貼單價(jià)；Uess為電池衰減補(bǔ)貼。

3.3.2 私有負(fù)荷隨機(jī)優(yōu)化調(diào)控

系統(tǒng)運(yùn)行在臺(tái)區(qū)供電中斷狀態(tài)時(shí)，私有負(fù)荷調(diào)控的目標(biāo)是恢復(fù)成本最小，以降需求功率和EV補(bǔ)償功率為變量。但二者響應(yīng)方式為價(jià)格激勵(lì)政策響應(yīng)，該響應(yīng)方式具有一定的不確定性，因此為保證調(diào)節(jié)的可靠性，需要為二者響應(yīng)的指標(biāo)（分別為Pde和ΔE）預(yù)留出足夠的安全裕度。約束為需求側(cè)響應(yīng)功率要小于ε1倍的可調(diào)節(jié)需求功率，需求電量ΔE小于ε2倍的可調(diào)度EV儲(chǔ)能ΔE′。

式中：x1為降需求功率；x2為EV補(bǔ)償功率；Pde為需求功率；P′de為可調(diào)節(jié)的需求側(cè)響應(yīng)功率；ΔE′為可調(diào)度的EV 儲(chǔ)能；ε1和ε2分別為需求側(cè)響應(yīng)和EV 儲(chǔ)能調(diào)節(jié)的安全裕度（本文選取ε1和ε2的值分別為0.85和0.8）。

整體運(yùn)行策略涉及不同的方式對(duì)系統(tǒng)總負(fù)載進(jìn)行調(diào)整，分別為用戶(hù)需求側(cè)響應(yīng)和調(diào)動(dòng)EV 儲(chǔ)能，兩種方式選擇的具體策略如下。

1）若在切除充電樁負(fù)載后，仍存在T3

2）統(tǒng)計(jì)需求側(cè)內(nèi)可調(diào)度的EV 儲(chǔ)能ΔE′、系統(tǒng)在該階段下的彈性負(fù)載Ei和可調(diào)節(jié)的需求側(cè)響應(yīng)功率P′de。

3）對(duì)比需求功率Pde與可調(diào)節(jié)的需求側(cè)響應(yīng)功率P′de、需求電量ΔE與可調(diào)度的EV 儲(chǔ)能ΔE′，根據(jù)不同的結(jié)果選擇不同的調(diào)節(jié)方式。具體如下：①若滿(mǎn)足Pde>ε1P′de且ΔE≤ε2ΔE′，則選擇調(diào)動(dòng)EV 儲(chǔ)能方式調(diào)節(jié)；②若滿(mǎn)足Pde≤ε1P′de且ΔE>ε2ΔE′，則選擇需求側(cè)響應(yīng)方式調(diào)節(jié)。

4）若滿(mǎn)足Pde≤ε1P′de且ΔE≤ε2ΔE′或Pde>ε1P′de且ΔE>ε2ΔE′，則需要根據(jù)不同調(diào)節(jié)方式所需要的成本，獲取響應(yīng)的調(diào)節(jié)方式。具體如下：①若Pde≤ε1P′de且ΔE≤ε2ΔE′，則計(jì)算兩者需求側(cè)響應(yīng)補(bǔ)貼總價(jià)為Sub及EV 總補(bǔ)貼SEV大小。若Subε1P′de且ΔE>ε2ΔE′，則通過(guò)算法計(jì)算成本最小時(shí)兩種調(diào)節(jié)方式功率分配情況，根據(jù)分配功率使用兩種方式共同進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4 算例分析

4.1 算例場(chǎng)景設(shè)置

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)急電源功能，本文以某小區(qū)為例，對(duì)系統(tǒng)及運(yùn)行策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真場(chǎng)景設(shè)置如下。

1）住宅小區(qū)微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部總用戶(hù)數(shù)為300 戶(hù)，住宅小區(qū)微電網(wǎng)峰值負(fù)荷為942 kW，小區(qū)公共峰值負(fù)荷為108 kW，住宅小區(qū)微電網(wǎng)峰值總負(fù)荷為1 050 kW。

2）系統(tǒng)利用屋頂安裝分布式光伏，小區(qū)內(nèi)可用天臺(tái)面積為4 250 m2，按照每十平方米1 kW 計(jì)算，分布式光伏總?cè)萘考s為425 kW。

3）根據(jù)2020年上半年全國(guó)50個(gè)主要城市供電企業(yè)用戶(hù)供電可靠性報(bào)告統(tǒng)計(jì)的中國(guó)用戶(hù)平均停電時(shí)長(zhǎng)［16］，BESS 總?cè)萘繎?yīng)為足夠小區(qū)峰時(shí)用電3 h左右，因此BESS配置總?cè)萘考s為3 000 kWh。

4）由于系統(tǒng)涉及對(duì)EV的資源利用，本文通過(guò)使用歸一化、曲線擬合等方法對(duì)小區(qū)EV出行行為數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后得出的結(jié)論如下：該小區(qū)EV的最后一次行程結(jié)束時(shí)刻大多分布在16：00—19：00，在17：30 達(dá)到最高峰；首次出行時(shí)刻基本分布在06：00—09：00，且在08：00 達(dá)到最高峰；大多數(shù)EV 每日行駛公里數(shù)在0～60 km；大多數(shù)EV一般會(huì)在完成該天的行程后進(jìn)入充電狀態(tài)，此時(shí)停車(chē)時(shí)間也較長(zhǎng)，基本分布在8～10 h。

5）假設(shè)EV用戶(hù)結(jié)束行程后，即時(shí)與充電樁連接充電；EV 充電樁為V2G 充電樁，充電方式為慢充，充放電功率為7 kW；EV 電池平均容量為35 kWh。

6）對(duì)小區(qū)內(nèi)公共資源等級(jí)劃分具體見(jiàn)表1。

表1 公共資源等級(jí)劃分Table 1 Classification of public resource levels

7）在不同的風(fēng)險(xiǎn)下，系統(tǒng)所要承擔(dān)的運(yùn)行壓力是不同的，因此對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)進(jìn)行等級(jí)劃分，分別為低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、中高風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)4種情況，不同的風(fēng)險(xiǎn)情況根據(jù)系統(tǒng)的總負(fù)載大小對(duì)應(yīng)不同的BESS 預(yù)留能量，本文考慮小區(qū)實(shí)際情況，對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 風(fēng)險(xiǎn)情況與風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)對(duì)照Table 2 Comparison of risk situations and risk coefficients

本文采用負(fù)載滿(mǎn)足率、用電可靠率兩個(gè)指標(biāo)對(duì)所提出的住宅小區(qū)微電網(wǎng)運(yùn)行策略進(jìn)行分析［18］，計(jì)算公式如下：

式中：Lsat為負(fù)載滿(mǎn)足率；Pwork為已滿(mǎn)足負(fù)載功率；Lrel為用電可靠率；Pres為用戶(hù)需求響應(yīng)功率；Puers為用戶(hù)側(cè)所需要的總功率。

4.2 仿真結(jié)果對(duì)比分析

4.2.1 住宅小區(qū)微電網(wǎng)常規(guī)運(yùn)行分析

在仿真時(shí)，考慮極端情況（即BESS 初始荷電狀態(tài)為最低值10%），常規(guī)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)住宅小區(qū)微電網(wǎng)在不同風(fēng)險(xiǎn)下運(yùn)行一天的BESS 荷電狀態(tài)均能達(dá)到或超過(guò)不同風(fēng)險(xiǎn)下的規(guī)定值。

在考慮完全滿(mǎn)足BESS 預(yù)留的情況下，常規(guī)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，住宅小區(qū)微電網(wǎng)在不同風(fēng)險(xiǎn)情況下各供電單元出力情況如圖4所示。圖中展示了分布式光伏、配電網(wǎng)、BESS之間的能量交換情況，其中縱軸為正表示輸出功率，反之則表示吸收功率，同時(shí)給出各時(shí)刻電力供應(yīng)和功率平衡情況。

圖4 住宅小區(qū)微電網(wǎng)常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)出力Fig.4 Output power of residential microgrid under normal operation status

由圖4可以看出，在低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、中高風(fēng)險(xiǎn)情況下，分布式光伏能降低住宅小區(qū)微電網(wǎng)向配電網(wǎng)的購(gòu)電量，同時(shí)減小住宅小區(qū)微電網(wǎng)的運(yùn)行成本。低風(fēng)險(xiǎn)情況下，分布式光伏可以在峰時(shí)供給35%左右的功率；中風(fēng)險(xiǎn)情況下，供給20%左右的功率；中高風(fēng)險(xiǎn)情況下，供給15%左右的功率；高風(fēng)險(xiǎn)情況下，所需預(yù)留的儲(chǔ)能較大，僅能供給2%左右的功率。

4.2.2 住宅小區(qū)微電網(wǎng)臺(tái)區(qū)供電中斷狀態(tài)運(yùn)行分析

本節(jié)將在兩種不同場(chǎng)景下，對(duì)住宅小區(qū)微電網(wǎng)臺(tái)區(qū)供電中斷狀態(tài)的運(yùn)行進(jìn)行分析。2020年上半年全國(guó)50 個(gè)主要城市供電企業(yè)用戶(hù)供電可靠性報(bào)告指出，中國(guó)城市供電企業(yè)用戶(hù)平均停電時(shí)間為2.02 h/戶(hù)，其中城市用戶(hù)平均停電時(shí)間為0.9 h/戶(hù)，農(nóng)村地區(qū)用戶(hù)平均停電時(shí)間為2.72 h/戶(hù)［19］。在住宅小區(qū)微電網(wǎng)系統(tǒng)中，由于極端天氣、線路故障、用電設(shè)備故障、供電系統(tǒng)故障及控制失靈等原因會(huì)導(dǎo)致住宅小區(qū)的供電中斷。因此，本文考慮了兩種場(chǎng)景來(lái)驗(yàn)證住宅小區(qū)微電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)急電源功能的可靠性：場(chǎng)景1，模擬在正午時(shí)刻供電中斷3 h（12：00—15：00）；場(chǎng)景2，模擬用電晚高峰供電中斷2 h（18：00—20：00）。考慮極端情況下系統(tǒng)應(yīng)急電源功能的供電能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 和圖6 所示。圖中展示了配電網(wǎng)、分布式光伏、BESS之間的能量交換情況，其中縱軸為正表示輸出功率，反之表示吸收功率。

圖5 場(chǎng)景1中系統(tǒng)應(yīng)急電源功能供電情況Fig.5 Power supply of emergency power source functionality in scenarios 1

圖6 場(chǎng)景2中系統(tǒng)應(yīng)急電源功能供電情況Fig.6 Power supply of emergency power source functionality in scenarios 2

如圖5所示，在場(chǎng)景1中，系統(tǒng)的應(yīng)急電源功能在預(yù)測(cè)低風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)運(yùn)用分布式光伏、BESS 及少量用戶(hù)需求響應(yīng)（圖中藍(lán)色曲線與黑色曲線差值），實(shí)現(xiàn)超過(guò)80%的負(fù)載滿(mǎn)足率和超過(guò)70%的用電可靠率。在預(yù)測(cè)中風(fēng)險(xiǎn)、中高風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)3種情況下，系統(tǒng)的應(yīng)急電源功能僅依靠分布式光伏、BESS就可以實(shí)現(xiàn)住宅小區(qū)微電網(wǎng)常規(guī)運(yùn)行，每一時(shí)刻負(fù)載滿(mǎn)足率和用電可靠率可以達(dá)到100%。

如圖6所示，在場(chǎng)景2中，系統(tǒng)的應(yīng)急電源功能在預(yù)測(cè)低風(fēng)險(xiǎn)及中風(fēng)險(xiǎn)情況下可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)運(yùn)用分布式光伏、BESS、EV 儲(chǔ)能以及用戶(hù)需求響應(yīng)（藍(lán)色曲線與黑色曲線差值），實(shí)現(xiàn)超過(guò)70%的負(fù)載滿(mǎn)足率和超過(guò)70%的用電可靠率。在中高風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)情況下，當(dāng)沒(méi)有分布式光伏輔助時(shí)，系統(tǒng)的應(yīng)急電源功能僅依靠分布式光伏、BESS就可以實(shí)現(xiàn)住宅小區(qū)微電網(wǎng)常規(guī)運(yùn)行，負(fù)載滿(mǎn)足率和用電可靠率都可以達(dá)到100%。

5 結(jié)論

本文以住宅小區(qū)為例，建立考慮應(yīng)急電源功能的住宅小區(qū)微電網(wǎng)模型，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)供電中斷時(shí)利用分布式光伏、BESS、EV為小區(qū)提供電能，利用用戶(hù)需求側(cè)響應(yīng)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)系統(tǒng)應(yīng)急電源功能的可持續(xù)性。得到結(jié)論如下：

1）在正常供電情況下，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及能量預(yù)管理策略根據(jù)預(yù)測(cè)次日配電網(wǎng)供電中斷風(fēng)險(xiǎn)，利用分布式光伏與配電網(wǎng)互動(dòng)，不僅能實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能預(yù)存，還能降低住宅小區(qū)微電網(wǎng)峰時(shí)負(fù)荷需求、系統(tǒng)運(yùn)行成本并減輕配電網(wǎng)供電壓力。

2）在臺(tái)區(qū)供電中斷情況下，住宅小區(qū)微電網(wǎng)應(yīng)急能量管理策略利用分布式光伏、BESS、EV、用戶(hù)需求彈性，不僅實(shí)現(xiàn)了在不同電力供應(yīng)中斷場(chǎng)景下住宅小區(qū)微電網(wǎng)的負(fù)荷的供給，同時(shí)還保證了高水平的負(fù)載滿(mǎn)足率和用電可靠率。

3）在臺(tái)區(qū)供電中斷時(shí)充分考慮用戶(hù)需求彈性。不僅延長(zhǎng)了系統(tǒng)應(yīng)急電源電源功能的供電可持續(xù)性，降低供電中斷時(shí)住宅小區(qū)微電網(wǎng)系統(tǒng)的恢復(fù)成本和運(yùn)行成本，同時(shí)增強(qiáng)了住宅小區(qū)微電網(wǎng)系統(tǒng)的韌性。

綜上，基于城市電網(wǎng)、分布式光伏、BESS及EV的發(fā)展，本文提出了考慮應(yīng)急功能的住宅小區(qū)微電網(wǎng)運(yùn)行策略，為需要配備應(yīng)急電源的電力用戶(hù)醫(yī)院、政府大樓、小區(qū)等提供可參考的配電網(wǎng)模型及運(yùn)行策略。