混合儲能微電網(wǎng)新能源多時段動態(tài)調(diào)度方法

周曉東，宋衛(wèi)東，朱柯

（許繼電氣股份有限公司，河南許昌 461000）

現(xiàn)階段微電網(wǎng)系統(tǒng)仍然是我國偏遠區(qū)域供電的關(guān)鍵形式，同時也是大電網(wǎng)的合理補充。微電網(wǎng)在日常運行的重要任務(wù)就是保障系統(tǒng)運行穩(wěn)定，同時通過對其各類發(fā)電單元的調(diào)度，減少不必要的開銷[1-2]。混合儲能微電網(wǎng)屬于一種包含多發(fā)電單元的微電網(wǎng)系統(tǒng)，由于不同發(fā)電單元受到環(huán)境影響造成的用電負荷波動并不一致，因此在調(diào)度優(yōu)化過程中存在一定的困難[3]。

多時段動態(tài)調(diào)度是可以通過日前、日內(nèi)分析完成調(diào)度的一種手段[4]，在調(diào)度時效果優(yōu)于單一時間段調(diào)度，為此利用該調(diào)度形式處理混合儲能微電網(wǎng)可以提升其經(jīng)濟性[5]。有較多學(xué)者對微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度進行研究，黃敬堯等[6]研究移動儲能的調(diào)度方案，但該調(diào)度方法更注重電動汽車的研究，并不適用于其他微電網(wǎng)；金力等[7]研究電網(wǎng)多時間尺度源儲荷協(xié)調(diào)調(diào)度方法，但是該方法調(diào)度后并不能有效降低發(fā)電成本。

為此，文中研究混合儲能微電網(wǎng)新能源多時段動態(tài)調(diào)度方法，使調(diào)度后的發(fā)電成本更低。

1 新能源調(diào)度

1.1 混合儲能微電網(wǎng)日前優(yōu)化調(diào)度模型

文中考慮混合儲能微電網(wǎng)中包含的柴油發(fā)電系統(tǒng)、可再生能源（風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電）系統(tǒng)等多類型能源特性，以1 h 為時間分辨節(jié)點[8]，構(gòu)建日前優(yōu)化調(diào)度模型。

1.1.1 目標(biāo)函數(shù)

通過式（1）構(gòu)建混合儲能微電網(wǎng)新能源日前優(yōu)化調(diào)度模型目標(biāo)函數(shù)：

式中，F(xiàn)load為負荷收益，F(xiàn)de為柴發(fā)運行成本、Fre為風(fēng)光發(fā)電運行成本，Pdep、Plpsp為負荷缺電懲罰費用；Pde為柴發(fā)機組，Ppv、Pwt分別為光伏、風(fēng)力機組24 h 發(fā)電曲線；uload為負荷功率預(yù)測值，ude表示柴油發(fā)電機組后續(xù)24 h 啟停計劃。

1.1.2 柴油發(fā)電系統(tǒng)運行成本

柴油發(fā)電系統(tǒng)的運行成本主要由環(huán)保折算開銷、啟停開銷、燃料開銷構(gòu)成，可通過式（2）表示：

式中，T1為日前調(diào)度時間，T1=24 h；nde為柴發(fā)機組個數(shù)；ΔT為時間間隔，ΔT=1 h；柴油機組i在t時間內(nèi)調(diào)整為開機情況時，由sde,start,i(t)=1 表示，當(dāng)調(diào)整為停機情況時，由sde,down,i(t)=1 表示，當(dāng)該機組處于開機持續(xù)運行時，由ude,i(t)=1 表示狀態(tài)，并通過ude,i(t)=0 表示停機狀態(tài)；柴油機組的啟、停成本依次為fde,start、fde,down。

1.1.3 可再生能源運行成本

可再生能源部分由風(fēng)力、光伏發(fā)電機組構(gòu)成[9]，計算兩者開銷，具體如式（3）所示：

式中，F(xiàn)re(Ppv,Pwt) 為可再生能源運行成本，風(fēng)力、光伏發(fā)電運行成本系數(shù)依次由fwt,oper、fpv,oper表示；風(fēng)力、光伏機組個數(shù)依次為nwt、npv；第m臺風(fēng)力機組功率為Pwt,m；第l臺光伏發(fā)電功率為Ppv,l。

1.1.4 模型約束

1）系統(tǒng)平衡約束

當(dāng)混合儲能微電網(wǎng)離網(wǎng)運行時，系統(tǒng)每個時間段下各分布式電源出力與負荷功率需要維持平衡[10]，通過式（4）表示：

式中，nipload表示關(guān)鍵負荷數(shù)量；Pipload,s(t)表示第s個關(guān)鍵負荷在t時段下的功率；nsdload表示次要負荷個數(shù)，nctload表示可中斷負荷個數(shù)；同時在t時段內(nèi)，第k個次要負荷與第p個可中斷負荷的投切計劃矩陣分別為usdload,k(t)、uctload,p(t)，同時次要、可中斷負荷的功率分別為Psdload,k(t)、Pctload,p(t)。

2）發(fā)電容量約束

為了保障混合儲能微電網(wǎng)運行更加穩(wěn)定，對不同發(fā)電單元的輸出功率進行合理約束，具體如式（5）所示：

式中，Pwt,max為風(fēng)機最大出力；Ppv,max為光伏機最大出力；Pde,max為柴油機固定功率；Pde,min為柴油機最小輸出功率，其中Pde,min=0.3Pde,max。

1.2 基于多目標(biāo)灰熵算法的多時段動態(tài)調(diào)度

在灰關(guān)聯(lián)分析法與基本煙花算法的基礎(chǔ)上，引入信息熵理論構(gòu)成多目標(biāo)灰熵算法，并行處理序列數(shù)據(jù)[11-12]，實現(xiàn)多時段動態(tài)調(diào)度。算法步驟如下：

步驟一假設(shè)隨機煙花種群為J1，其大小為N1，初始化該種群，并生成合法種群J2，同時輸入模型參數(shù)。

步驟二計算煙花函數(shù)值序列，并分析參考序列的灰熵關(guān)聯(lián)度。

步驟三按照擁擠距離，剔除擁擠度最大的個體[13-15]。

步驟四爆炸。分析煙花爆炸強度Ri，同時計算其爆炸幅度Ai等內(nèi)容，具體如下：

式（6）中，Ri表示在種群中第i個煙花生成火花對數(shù)量；最小灰熵關(guān)聯(lián)度為ρmin；ε表示極小常數(shù)。式（7）中為煙花i制造的火花個數(shù)，z為全部火花數(shù)量，a、b為常數(shù)[16]。式（8）中，Ai表示第i個煙花爆炸范圍，A為最大爆炸幅度，最大灰熵并行關(guān)聯(lián)度為ρmax。式（9）為位移處理，其中，第i個煙花的第d維位置為，(?0,?i)為個體范圍。通過上述計算可以看出，每個煙花都可以經(jīng)過變異生成新火花，獲取全局最佳變異。

步驟五變異。針對每個煙花個體，通過式（10）對其第d維變異：

式中，g表示高斯分布隨機數(shù)。經(jīng)變異處理后，可以增強種群多樣性，幫助算法實現(xiàn)最佳局部尋優(yōu)。

步驟六映射。利用模運算映射規(guī)則處理火花，使非法火花具有合法性：

式中，火花第k維區(qū)域的上下界依次為、，%表示膜運算。

步驟七選擇。選取種群中最佳個體進行下一步處理，每個煙花個體被選擇的概率可通過式（12）計算：

式中，K表示經(jīng)高斯變異后全部煙花種群集合。

步驟八終止條件。分析迭代是否滿足要求，若迭代獲取最佳結(jié)果，則完成迭代并輸出，否則返回步驟二再次計算。

2 實驗分析

為驗證提出方法的有效性，設(shè)計以下實驗，給出測試結(jié)果。建立混合儲能微電網(wǎng)模型，其中包含風(fēng)力、光伏以及柴油發(fā)電機組，三者功率上限依次為50 kW、60 kW、50 kW。利用研究方法對混合儲能微電網(wǎng)新能源0～24 h 的多時段出力完成調(diào)度，對柴油發(fā)電機組日前、日內(nèi)調(diào)度，分析調(diào)度后的柴發(fā)輸出功率，分析結(jié)果如圖1 所示。

圖1 柴發(fā)調(diào)度輸出功率分析

根據(jù)圖1 可知，在日前調(diào)度下功率相對較高，而日內(nèi)調(diào)度輸出功率要略低于日前，這是由于柴發(fā)機組在發(fā)電時的運行成本較高，經(jīng)文中日內(nèi)調(diào)度后柴發(fā)機組的輸出功率存在小幅度下降，通過這一調(diào)度可以有效節(jié)省柴發(fā)成本；同時，在峰時段由于用電量較大，在此時段下文中采用可再生能源發(fā)電，盡可能降低柴發(fā)輸出功率，由此可知，應(yīng)用文中方法后可以實現(xiàn)柴發(fā)機組輸出功率的合理調(diào)度。

分析經(jīng)文中方法調(diào)度后，不同時段下各發(fā)電系統(tǒng)的備用容量，分析結(jié)果如圖2 所示。

圖2 備用容量分析

由圖2 可以看出，應(yīng)用文中方法調(diào)度后，不同發(fā)電系統(tǒng)在每個用電時段均能夠存儲一定的備用容量，其中由于光伏機組功率上限較高，因此其備用容量較高，而風(fēng)力發(fā)電日常發(fā)電量較大，所以在峰時段時備用容量有所下降，但三者的備用容量始終處于較高水平，可以保障混合儲能微電網(wǎng)安全運行。

以目標(biāo)實現(xiàn)度作為評價指標(biāo)，判斷調(diào)度后的負荷收益，當(dāng)目標(biāo)實現(xiàn)度越高，說明負荷收益越高，運行成本越低，分析結(jié)果如圖3 所示。

圖3 負荷收益分析

根據(jù)圖3 可知，應(yīng)用文中方法后目標(biāo)實現(xiàn)程度較高，可以實現(xiàn)較為平穩(wěn)的負荷收益，其中，售電收益相對較高，說明文中方法可有效降低售電成本。

3 結(jié)論

文中研究了一種混合儲能微電網(wǎng)新能源多時段動態(tài)調(diào)度方法，對包含柴發(fā)、風(fēng)電、光電系統(tǒng)的混合儲能微電網(wǎng)發(fā)電能力研究，實現(xiàn)日前、日內(nèi)動態(tài)調(diào)度，改善發(fā)電成本，為用戶提供穩(wěn)定電能。在未來研究過程中，可對現(xiàn)有目標(biāo)繼續(xù)深入研究，使調(diào)度過程能夠更加完善。