计及共享储能与柔性负荷的微电网鲁棒优化调度.pdf
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1、第 38 卷第 2 期电 力 科 学 与 技 术 学 报Vol.38 No.22023 年 3 月JOURNAL OF EIECTRIC POWER SCIENCE AND TECHNOLOGYMar.2023计及共享储能与柔性负荷的微电网鲁棒优化调度周步祥,黄伟,臧天磊(四川大学电气工程学院,四川 成都 610065)摘要:光伏及风力发电等间歇性新能源的快速发展增加了微电网对储能的需求。共享储能及柔性负荷参与调度可以优化负荷曲线以及降低储能成本。为此,提出一种考虑共享储能与柔性负荷的两阶段鲁棒微电网优化调度方法。首先,在日前调度阶段,基于需求响应提前调度柔性负荷;其次,为了补偿日前阶段的决策
2、,日间通过云平台每小时修改共享储能的充放电状态。考虑不确定性的预测信息大部分情况下处于期望值附近,为了寻求微电网运行的经济性和鲁棒性之间的平衡,采用基于期望场景的两阶段鲁棒模型,使用 C&CG 算法求解鲁棒可行解。仿真结果表明,柔性负荷和共享储能能够有效协调,以适应可再生能源和负荷需求的不确定性,同时实现微电网效益的最大化,从而有效平衡鲁棒性和经济性。关键词:共享储能;微电网;两阶段鲁棒优化;柔性负荷;不确定性DOI:10.19781/j.issn.16739140.2023.02.006中图分类号:TM734文章编号:16739140(2023)02004810Robust optimal
3、scheduling of microgrid consideringshared energy storage and flexible loadZHOU Buxiang,HUANG Wei,ZANG Tianlei(College of Electrical Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China)Abstract:The rapid development of intermittent new energy sources such as photovoltaics and wind power has increased
4、the demand for energy storage in microgrids.Shared energy storage and flexible load scheduling can optimize load curvesand reduce energy storage costs.To this end,a twostage robust dispatching optimization method for microgrid consideringshared energy storage and flexible load is proposed.Firstly,fl
5、exible loads are scheduled in advance based on demandresponse in the dayahead scheduling stage.Then,in order to compensate for the decisionmaking in the dayahead stage,the charging and discharging status of the shared energy storage is modified hourly through the cloud platform during theday.In most
6、 cases,the prediction information considering the uncertainty is near the expected value.In order to seek thebalance between the economy and robustness of the microgrid operation,a twostage robust model based on the expectedscenario is adopted,and the columnandconstraint generation(C&CG)algorithm is
7、 used to obtain the robust and feasiblesolution.Simulation results show that the flexible load and shared energy storage can be effectively coordinated to adapt tothe uncertainty of renewable energy and load demand,while maximizing the benefits of the microgrid,thus effectivelybalancing robustness a
8、nd economy.Keywords:shared energy storage;microgrid;twostage robust optimization robust optimization;flexible load;uncertainty收稿日期:20211210;修回日期:20220413基金项目:国家自然科学基金(51907097);四川省科技计划项目(2020JDRC0049)通信作者:臧天磊(1986),男,博士,特聘副研究员,主要从事能源互联网(多能流系统)能量管理与安全分析;Email:周步祥,等:计及共享储能与柔性负荷的微电网鲁棒优化调度第 38 卷第 2 期微电网
9、可消纳清洁能源,其靠近用户侧,造成的能源浪费少,是实现新型电力系统低碳转型的有效方案。然而,风光出力的波动性和间歇性以及多变的负荷需求给微电网运行带来了巨大挑战,这可能导致运行成本增加或违反运行约束13。为了促进微电网能源管理,柔性负荷提供了一种提高可再生能源利用效率的有效手段,在高峰期转移或减少负荷需求4。文献 56 中指出适当比例的柔性负荷可以提高系统的灵活性,并更好地适应可再生分布式电源的日益普及。此外,文献中指出柔性负荷可通过响应不同的电价来激励客户改变电力消费。所有这些工作表明,通过柔性负荷转移微电网中的负荷需求,从而匹配可再生能源发电,提高可再生能源的利用效率。然而,转移负荷需求的
10、能力有限,无法在短时间内跟踪不确定性。因此,仅依靠柔性负荷并不能保证微电网在不确定性下的可靠优化运行。储能的应用被认为是一种有效解决方案7,不过当前储能成本较高,用户并不具备建设储能设施的能力,限制了分布式储能的广泛应用。基于分布式储能成本较高,近年来,有学者提出了共享储能的新概念1。共享储能可以改善分布式储能投资规模大、投资成本高的缺点,在共享储能中,通过共享未充分利用的储能能源,运营成本可以进一步降低8。文献 9 提出在工业园区内配置共享储能,可以较低的成本向住宅和小型商业消费者等用户提供储能服务;文献 10 指出在发电侧使用“共享储能”模式,既能降低发电侧对新建储能的需求,又能降低投资成
11、本。但以上文献均未考虑共享储能运行成本的问题。要解决不确定性下的微电网运行优化,有 2 种主要方法:一是基于传统的随机规划技术,需要场景生成技术,如蒙特卡罗模拟,以获得大量的场景来逼近不确定性1112。然而,随机优化只能为约束满足提供概率保证;此外,通常难以准确表征不确定变量的概率分布,并且由于需要大量的场景,随机优化的计算负担总是很重。二是鲁棒优化技术在电力系统规划和调度中得到了越来越多的关注。鲁棒优化首先在预先定义的不确定性集合中搜索最差情况,然后在这些最差情况下优化目标。由于鲁棒优化解是在最坏的情况下获得的,因此,这些解对于任何不确定性的实现都是鲁棒的1314。尽管鲁棒优化在处理不确定性
12、问题方面具有明显的优势,但上述研究中采用的鲁棒优化方法都是基于最差情景来优化系统的经济运行。更保守的操作稳健性将伴随着更高的系统成本。最坏的情况在实际中很少发生,且预测值大多数情况下均处于期望值附近,因此,实施期望场景下的微电网调度更符合工程实际。基于上述背景,本文构建一种包含共享储能和柔性负荷的微电网架构。在微电网中通过云平台进行储能共享,共享储能服务中心在云平台上运营,为用户提供储能服务;以微电网运行成本最低为目标,考虑共享储能和柔性负荷,构建一种基于期望场景的微电网调度鲁棒优化模型;采用列和约束生成(column and constraint generation,C&CG)算法对模型进
13、行求解,并验证所提出的期望场景鲁棒方法能够在不确定性条件下降低微电网的总运行成本,共享储能与柔性负荷参与调度可以实现削峰填谷,减小微电网的波动。1 计及柔性负荷和共享储能的微电网微电网主要包括风力发电机、光伏机组、共享储能及用户,如图 1所示。对比传统微电网,储能被放置在能量共享云平台上15,云平台中的物理设施由第三方集中构建和运营。云平台需要根据利润、所需容量大小、运行折旧和存储闲置惩罚等经济和安全因素设定合理的共享储能服务价格。对于用户来说,云平台提供的能源服务类似于信息计算和存储的云服务。一方面,用户对储能设施没有所有权,但有权在一定时期内使用;另一方面,用户只需向云平台发送调度指令,即
14、可获得相应的能源服务。此外,微电网还可以与云平台和主电网进行双向电力交换。对比分布式储能,共享储能优势:用户只需在相应的时间内支付订阅的能源服务,并可以根据实际需求定期调整共享储能的容量;共享储能模式的利润来源于规模经济效应、互补特性、设备集中管理和资源充分利用。49电力科学与技术学报2023 年 3 月大电网交流母线智能电表 1用户能量管理中心1交流母线不可控负荷1可转移负荷1可平移负荷1可削减负荷1不可控负荷2智能电表 2用户能量管理中心2交流母线可转移负荷 2可平移负荷 2可削减负荷 2不可控负荷 n智能电表 n用户能量管理中心n交流母线可转移负荷 n可平移负荷 n可削减负荷 nDG微电
15、网调度中心交流母线智能电表云端能量管理中心云平台储能图 1含柔性负荷与共享储能的电网系统Figure 1Power grid system with flexible load and shared energy storage1.1柔性负荷对比激励型负荷,价格型需求侧响应的负荷以中断型负荷为主,种类很多,调度资源更多,能更好地达到削峰填谷的目的。用户可以参与基于电价的需求响应,根据负荷参与电力调度的程度不同,一般分为不可调度负荷、柔性负荷 2 类4。所有用户消耗的总功率为Pload(t)=Pload,fl(t)+Pload,un(t)(1)式中,Pload,un(t)为不可调度负荷的总功率;
16、Pload,fl(t)为柔性负荷的总功率。不可调度负荷主要包括电视、计算机、照明和冰箱等负载,这些负载不参与优化调度;柔性负荷是指可以转移到其他时间参与调度的负荷,通常以额定功率运行。t=aaaj(t)=da,a J(2)aj(t)=0,if ta,a,0,1,if ta,a,a J(3)Pload,fl(t)=n=1Jaj(t)Pj,fl(t)(4)式(2)(4)中,da为柔性负荷总体工作时间间隔,允许的工作范围a,a限制了柔性负荷的工作时间间隔;J为柔性负荷的数量;aj为柔性负荷的状态,0为空闲状态,1为工作状态。柔性负荷可分为可转移负荷、可平移负荷以及可削减负荷 3种。1)可转移负荷。在
17、 3 种柔性负荷当中,可转移负荷灵活度较高,可以改变负荷运行时间,在使用过程中可中断16。典型的可转移负荷包括洗碗机、烘干机等生活清洁负荷。Ltrt=LtrraEtrt,trtratrj=dtra,ttr,tr(5)式中,Ltrt为t时段可转移负荷的功率;Ltrra为用户可转移负荷的比例;Etrt为t时段的可转移负荷总功率;atrj为可转移负荷的状态,1 代表转移状态,0 代表未转移状态;dtra为可转移负荷总的工作时间间隔;可转移负荷可以被转移的区间为tr,tr。可转移负荷的经济补偿费用为Ctr=12Ctrprtrtr|Ltrt-Ptrt(6)式中,Ctrpr为可转移负荷单位功率的补偿价格,
18、设定为0.07元/kW;Ptrt为t时段转移前的可转移负荷功率。2)可平移负荷。可平移负荷工作时段可随着用电计划改变调整用电时间,但在使用过程中不可中断1718。平移时负荷需要整体平移,不能分段平50周步祥,等:计及共享储能与柔性负荷的微电网鲁棒优化调度第 38 卷第 2 期移。典型的可平移负荷包括电动汽车的充电以及智能家居等负荷。Lsht=LshraEsht,shshashj=dsha,tsh,sh(7)式中,Lsht为 t时段用户同意平移的可平移负荷的功率;Lshra为用户同意平移的可平移负荷比例;Esht为t时段的可平移负荷总功率;ashj为可平移负荷的状态,1 代表平移状态,0 代表未
19、平移状态;dsha为可平移负荷总的工作时间间隔;可平移负荷可以被平移的区间为sh,sh。可平移负荷的经济补偿费用为Csh=12Cshprshsh|Lsht-Psht(8)式中,Cshpr为可平移负荷单位功率的补偿价格,设定为 0.03 元/kW;Psht为t时段平移前的可平移负荷功率。3)可削减负荷。在满足用户需求的前提下,可削减负荷可随着用电计划进行部分削减。典型的可削减负荷包括部分照明灯的使用数量及强度等负荷。削减后的负荷功率为Lret=()1-arejEret(9)式中,Lret为被削减后该时段的负荷功率;为可削减负荷的削减比例,arej为可削减负荷的状态;1代表削减状态,0 代表未削减
20、状态;Eret为被削减前该时段的负荷功率。可削减负荷的经济补偿费用为Cre=Creprt=1TErett(10)式中,Crepr为可削减负荷单位功率的补偿价格,设定为 0.26元/kW。1.2共享储能运行成本共享储能运行成本由两部分组成:日常服务成本和对共享储能闲置的惩罚。本文采用能量通过量来衡量共享储能的运行成本。假设共享储能具有能量通过量,并且在其工作寿命期间可以达到总量。能量通过量受云平台充电状态(cloud state ofcharge,CSOC)影响,CSOC(t)表示当前容量ECES,cur与用户订阅的额定容量ECES,ra的比率。充电和放电操作之间始终存在动态能量守恒。CSOC=
21、ECES,curECES,raCSOC(t)=(1-ces)CSOC(t-1)+tPchCES(t)chCESECES,u-tPdchCES(t)dchCESECES,ra(11)式 中,CES为 共 享 储 能 的 自 放 电 效 率;PchCES(t)、PdchCES(t)分别为共享储能充、放电功率;chCES、dchCES分别为共享储能充、放电效率。与 CSOC 相关的寿命加权因子、共享储能的日能量通过量以及共享储能的总寿命周期成本分别为WCSOC(t)=b1,if 0 CSOC(t)0.5b2CSOC(t)+b3,if 0.5 CSOC(t)1(12)LCES,day=t=1TWCSO
22、C(t)PchCES(t)+PdchCES(t)(13)CTL,CES=y=1YCESCOM,y,CES()1-Rtax()1+Rtaxy+Cini,CES-CRV,CES()1+RtaxYi(14)式(14)中,Cini,CES为初始投资成本;COM,y,CES为年运行和维护成本;CRV,CES为系统剩余价值。共享储能的日常服务成本、单位能量通过量的价格分别为CCES,day=LCES,dayVCES,pr(15)VCES,pr=CTL,CESLTL,CES(16)式(15)取决于单位能量通过量的价格和共享储能的日能量通过量;式(16)可定义为共享储能的总寿命周期成本除以总能量通过量。当储能
23、资源不能被充分利用时,需要一个惩罚条款来避免存储闲置。CCES,pen=ECES,u()CSOC,max-CSOC,min()1-max CSOC(t)-min CSOC(t)CSOC,max-CSOC,min(17)式中,CCES,pen为一天内共享储能闲置的罚款,一般来说,该值是非负值,并且小于单位能量通过量的成本;为云平台给出的惩罚系数,适当的惩罚系数可以提高储能系统的利用率。共享储能运行成本为CCES=CCES,day+CCES,pen(18)51电力科学与技术学报2023 年 3 月2目标函数及约束条件2.1目标函数本文以微电网运行成本最小为目标,建立期望场景下考虑风光出力和负荷不确
24、定性的微电网两阶段优化鲁棒调度模型。第 1阶段提前一天基于电价对柔性负荷进行调度;第 2 阶段基于共享储能每小时调度一次,以跟踪不确定性并补偿第 1 阶段的决策。这种协调方法旨在最大限度地降低运行成本,提高风力发电机、光伏机组和负载不确定性下的运行可靠性。目标函数如下:min f=CCES+CWT+CPV+Cgrid+CflCfl=Ctr+Csh+CreCWT=t Tn NWTCWT,OMPWT,n,t(t)CPV=i Tn NPVCPV,OMPPV,n,t(t)Cgrid=t TVgridbuyPgridbuy(t)(19)式中,Cfl、CWT、CPV、Cgrid分别为柔性负荷响应成本、风力
25、发电机运行成本、光伏机组运行成本及微电网与大电网的购电费用;CWT,OM、CPV,OM分别为风力发电机和光伏机组单位功率运行成本系数;Vgridbuy为从大电网购电的电价。2.2约束条件1)电功率平衡约束。Pload(t)=Pgridbuy(t)+PdchCES(t)-PchCES(t)+PWT(t)+PPV(t)+Ploss(t),t 1,T(20)式中,Ploss(t)为微电网的网损。2)购售电功率约束。0 Pgridbuy(t)Pgridbuy,max(t)ugrid(t)ugrid(t)0,1(21)式中,ugrid(t)为微电网向大电网购电的状态,0表示未向大电网购电,1表示向大电网
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