0 引言

智能電網(wǎng)的運行依靠先進(jìn)的信息技術(shù)(information technology,IT)[1],其提供了以高級計量系統(tǒng)(advanced metering infrastructure,AMI)和能量管理系統(tǒng)(energy management system,EMS)為基礎(chǔ)的雙向通信設(shè)備和雙向電力傳輸技術(shù)[2],把電力系統(tǒng)的發(fā)電側(cè)與用戶終端的監(jiān)測、控制整合在一起,同時促進(jìn)了中國電力市場交易透明化的改革進(jìn)程。2015年,《中共中央國務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見》(中發(fā)[2015]9號)“有序向社會資本開放配售電業(yè)務(wù)”,標(biāo)志著中國電力市場配售分離的改革正式拉開序幕。在此環(huán)境下,隨著高比例分布式能源并網(wǎng),電力網(wǎng)絡(luò)與用戶之間的協(xié)調(diào)和交換日趨密切,電能出現(xiàn)雙向流動,調(diào)度控制手段越加復(fù)雜[3-4]。園區(qū)根據(jù)運行工況在購電方與售電方之間切換使日前優(yōu)化調(diào)度顯得越加重要[5-7],已有文獻(xiàn)證明,合理的日前調(diào)度模型可以更好的把電能的雙向流動特性參與到電力市場,給園區(qū)、配電網(wǎng)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益[8-10]。

需求側(cè)響應(yīng)(demand response,DR)作為一種通過引導(dǎo)用戶主動參與電力市場使其用電行為發(fā)生改變的有效手段,在智能電網(wǎng)發(fā)展的大背景下實現(xiàn)源、網(wǎng)、荷、儲之間的互動具有重要地位[11-12]。有關(guān)研究指出目前的居民用電量比重越來越大、用電行為難以把握[13],因此需求側(cè)響應(yīng)的開展不再拘泥于工業(yè)園區(qū),家庭能源管理[13-14]與智能樓宇建設(shè)[15]的研究相繼成為我國需求側(cè)發(fā)展的熱點。目前針對居民智能小區(qū)的研究如下。文獻(xiàn)[16]研究了動態(tài)電價引導(dǎo)空調(diào)系統(tǒng)使用戶用電費用最少的優(yōu)化調(diào)度方法;文獻(xiàn)[17]在用戶的舒適度和負(fù)荷調(diào)整空間基礎(chǔ)上建立了直接負(fù)荷控制(direct load control,DLC)的空調(diào)負(fù)荷雙層優(yōu)化調(diào)度和控制模型;文獻(xiàn)[18-20]都是基于分時電價(time of use,TOU),在滿足EV用戶用電需求的同時有效地減少充電費用,最終實現(xiàn)削峰填谷、降低負(fù)荷方差;文獻(xiàn)[21]協(xié)調(diào)基于TOU與DLC的主動需求響應(yīng),綜合考慮EV用戶充電需求和配網(wǎng)負(fù)荷水平進(jìn)行研究;文獻(xiàn)[7]把含有光伏的樓宇與電網(wǎng)側(cè)視為多個決策者進(jìn)行非合作博弈,提出了一種基于光伏電能供需比的內(nèi)部價格模型,實現(xiàn)各經(jīng)濟(jì)主體有序電能交易。但文獻(xiàn)[7,16-21]沒有考慮用電設(shè)備之間的相互配合影響。文獻(xiàn)[22]將PV、EV、ESS協(xié)調(diào)控制,實現(xiàn)家庭能源管理用電費用最低;文獻(xiàn)[23]考慮了PV,可控負(fù)荷與EV充放電的聯(lián)合調(diào)度,實現(xiàn)了PV消納與經(jīng)濟(jì)最優(yōu)調(diào)度;文獻(xiàn)[24]考慮ESS、溫控負(fù)荷、EV,基于用戶側(cè)用電行為聚類分析,采用行為矯正的混合粒子群優(yōu)化算法實現(xiàn)需求響應(yīng)模型的互動化方法求解。但文

獻(xiàn)[22-24]都沒有考慮未來具有發(fā)展前景的vehicle- to-grid(V2G)、PV-to-grid(PV2G)、ESS-to-grid (ESS2G)。文獻(xiàn)[8]結(jié)合了ESS、PV、EV,基于動態(tài)電價策略實現(xiàn)智能樓宇與電網(wǎng)的電能雙向流動,但從樓宇中輸送的電能是優(yōu)先送向電網(wǎng)側(cè)還是相鄰的用戶側(cè)并沒有考慮;文獻(xiàn)[25-26]考慮相鄰樓宇之間進(jìn)行電能共享,在不同電價引導(dǎo)策略下對各樓宇的調(diào)度成本進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[8,25-26]模型存在2個問題：1)樓宇屬于別墅,EV模型采用過于簡單的虛擬電池模型,并不適用于含有大規(guī)模EV的智能樓宇小區(qū)建模;2)沒有針對樓宇內(nèi)電能流動模型細(xì)化,導(dǎo)致在含大規(guī)模交直流分布式電源電能互動的智能樓宇中功率調(diào)度存在偏差。

綜上所述,本文首先描述了在電力市場配售分離背景下一種園區(qū)售電商與配電網(wǎng)公司之間調(diào)度模式與市場模式。以此為背景針對智能居民小區(qū),以多個包含PV、ESS、EV以及溫控負(fù)荷等設(shè)施的智能樓宇組成的智能小區(qū)為研究對象進(jìn)行分析與建模。對各分布式電源之間相互流動的電能進(jìn)行分配,在滿足用戶用電需求,用電電費最小基礎(chǔ)上實現(xiàn)園區(qū)內(nèi)電能共享、各樓宇調(diào)度成本最低。此外,針對居民區(qū)配電網(wǎng)變壓器雙向功率限制大小對各個樓宇的經(jīng)濟(jì)利益影響,采用shapley值解決各個樓宇之間的利益分配不公平的問題。

1 框架與模式說明

圖1所示為智能小區(qū)的能量信息流模型。電網(wǎng)與園區(qū)內(nèi)各智能樓宇通過公共連接點[26](point of common coupling,PCC)進(jìn)行電能的相互流動。在新電力市場改革環(huán)境下本文提及的智能小區(qū)售電商,作為園區(qū)的服務(wù)平臺,在園區(qū)內(nèi)所有的電能交易都經(jīng)它管理,但不直接通過電能交易作為盈利手段。在日前調(diào)度計劃中負(fù)責(zé)與電力市場、氣象中心以及園區(qū)內(nèi)各智能樓宇進(jìn)行信息交換,制定電能共享計劃,合理地分配用戶調(diào)度成本。日前調(diào)度過程為售電商根據(jù)天氣預(yù)測、園區(qū)內(nèi)歷史用電數(shù)據(jù)和以往由TSO (transmission system operator)安全校核后的電力市場競價情況得到的歷史電價信息制定園區(qū)日前調(diào)度計劃,考慮延長配電變壓器壽命、園區(qū)內(nèi)線路功率不越限以及電能共享,同時滿足用戶用電需求實現(xiàn)樓宇調(diào)度成本最小。電力市場再結(jié)合TSO安全校核與多個售電商競價情況向各個售電商下達(dá)最終的電價信息。

圖1 智能小區(qū)能量信息流模型

Fig. 1 Energy information flow model in an intelligent community

圖2為智能樓宇能量信息流模型,可見樓宇內(nèi)有多個電能相互流動的PCC。智能樓宇內(nèi)分為住宅區(qū)與EV停車場,前者指B-EMS(building-EMS)管理的用戶住所,內(nèi)配有家庭所需要的用電設(shè)備、PV與ESS,可以根據(jù)需要實現(xiàn)ESS2G、PV2G、ESS-to- building(ESS2B)、PV-to-building(PV2B);后者指EV-EMS管理下的電動汽車充電站,內(nèi)有多智能體(multi-agents)負(fù)責(zé)處理電動汽車充電計劃。必須強(qiáng)調(diào)的是由于EV與住宅區(qū)的用戶并不是一一對應(yīng)的關(guān)系,所以EV-EMS以EV用戶滿足用電需求的同時實現(xiàn)用電費用最少為目標(biāo)是合理的。二者信息由園區(qū)售電商獨立管理,但存在交易上的電能互動,EV停車場可以進(jìn)行V2B(vehicle-to-building)和V2ESS(vehicle-to-ESS)也可以實現(xiàn)B-EMS的PV、ESS向EV輸送電能：PV2V(PV-to-vehicle)、ESS2V (ESS-to-vehicle)。B-EMS與EV-EMS的調(diào)度成本之和作為所在智能樓宇的總調(diào)度成本。本文僅針對園區(qū)售電商根據(jù)歷史數(shù)據(jù)建立日前調(diào)度模型進(jìn)行研究。

2 模型建立

2.1 直流系統(tǒng)模型

本文把圖2中ESS、PV與其并聯(lián)的直流母線稱為直流系統(tǒng)。可知直流系統(tǒng)內(nèi)的電能是通過直流母線相互流動的;而與其他分布式電源的電能互動則是在直流母線與交流母線之間進(jìn)行,其直流系統(tǒng)電能流動模型見附錄圖1。

2.1.1 ESS模型

ESS建模在較多文獻(xiàn)中已有體現(xiàn),詳見附錄。ESS放電功率分配如下。

3 算例仿真

3.1 假設(shè)

本文由如下假設(shè)：1)園內(nèi)樓宇數(shù)為3,即Nh=3。每個樓宇的不可控負(fù)荷相同,EV車數(shù)相同,室外溫度相同,用戶用電需求相同。由下文4.2節(jié)可知園區(qū)售電商對各單元采用相同的電價政策。2)園區(qū)內(nèi)電能交易都以電力市場歷史電價信息作為購售電價。本文擬采用對園區(qū)日用負(fù)荷進(jìn)行k-means聚類分析,確定了峰谷平時段的TOU作為歷史電價信息。3)園區(qū)售電商忽略負(fù)荷節(jié)點電壓、網(wǎng)損問題。4)忽略光伏發(fā)電的隨機(jī)性與波動性。

本文在針對智能小區(qū)日前調(diào)度模型中,EV群采用蒙特卡洛模擬隨機(jī)模型,PV為統(tǒng)計學(xué)數(shù)學(xué)模型、ESS采用等效集中式虛擬電池模型、溫控負(fù)荷為通過控制指令作為系統(tǒng)輸入量納入負(fù)荷群的狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型。因此結(jié)果存在一定誤差,但是屬于允許范圍內(nèi),其原因有：1)文中針對園區(qū)的日前優(yōu)化調(diào)度,電力市場的歷史電價信息與需要獲取的日前調(diào)度數(shù)據(jù)都以1 h為跨度,因此雖然各園區(qū)售電商根據(jù)TOU信息以15 min為尺度進(jìn)行的日前調(diào)度所得到的調(diào)度結(jié)果存在一定誤差,但對于電力市場得到的園區(qū)與電網(wǎng)售購電量預(yù)測數(shù)據(jù)的魯棒性而言是在接受范圍內(nèi)的。2)本文重在說明在售配分離電力市場改革以及電網(wǎng)電能雙向流動背景下,描述園區(qū)內(nèi)的分布式能源如何進(jìn)行合理的功率分配達(dá)到多層次主體利益最大。3)隨著EV大規(guī)模發(fā)展和交通歷史數(shù)據(jù)庫的不斷完善,提取EV用戶的出行概率分布會越來越準(zhǔn)確。PV、ESS、溫控負(fù)荷集中式電池模型也會獲得更加合理的參數(shù)設(shè)置。

3.2 參數(shù)設(shè)定

本文在MATLAB2015a平臺下通過YALMIP工具箱調(diào)用CPELX12.6軟件對算例進(jìn)行求解。以ΔtΔt= 15 min為一個時段,全天共T=96個時段進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度。其中,EV選取BYDE6,電池容量64 kW•h,充放電效率0.95為例,用戶行為習(xí)慣參考文獻(xiàn)[30]。PV出力情況、室外溫度數(shù)據(jù)以文獻(xiàn)[13]數(shù)據(jù)作為研究對象。由于文獻(xiàn)[7]證實光伏用戶以規(guī)模化的方式實現(xiàn)電能共享,可以獲得比單獨運行更好的效益,因此本文樓宇內(nèi)的光伏電池數(shù)量與儲能設(shè)備數(shù)量是具有一定規(guī)模化的。變壓器選用總?cè)萘?200 kVA,其最大負(fù)載率為0.65[31]。樓宇內(nèi)其他參數(shù)見附錄。

本文售電購電電價均采用TOU。電價參考工業(yè)電價[13],見附錄。由假設(shè)2,TOU劃分見附錄圖3。這里說明一點,在園區(qū)內(nèi),售電商作為服務(wù)平臺,為各樓宇提供最小日前調(diào)度成本計劃,樓宇調(diào)度成本則是樓宇內(nèi)部EV-EMS與B-EMS以及樓宇與樓宇、樓宇與電網(wǎng)之間購售電價差值。因此以統(tǒng)一的售購電價作為引導(dǎo)分布式電源的手段以及得到的調(diào)度成本結(jié)果是合理的。

3.3 樓宇內(nèi)功率分配分析

圖3是樓宇3內(nèi)EV-EMS管理的EV充放電以及功率分配情況。可以看出為了保證用戶的用電需求,同時接受電價響應(yīng),大部分EV都處于低谷時段充電、高峰時段放電。此外,EV放電功率、充電功率和實際EV-EMS向樓宇外輸送的功率與樓宇外向EV-EMS輸送的功率相差很多,這是由于樓宇內(nèi)B-EMS在響應(yīng)電價引導(dǎo)后與EV-EMS之間進(jìn)行了電能的相互流動,以樓宇3內(nèi)的光伏出力功率去向為例,見附錄圖4。可以看出PV的功率去向受

電價因素、EV和ESS的充放電情況及其容量因素、甚至變壓器限制因素的影響在各時段并不相同。

圖4為樓宇3的電能交易情況。在大約11:00和13:00—14:00期間,樓宇3向外進(jìn)行售電,樓宇內(nèi)部也沒有進(jìn)行電能共享,這是因為中午時段居民小區(qū)沒有并網(wǎng)的EV、用電負(fù)荷不高,同時也是PV出力最大的時段。在大約21:00時段也出現(xiàn)了少量電能售向樓宇外,這是由于這個時段大部分EV都已經(jīng)并網(wǎng),受電價影響進(jìn)行放電,EV-EMS不僅滿足了樓宇內(nèi)的用戶用電需求,同時把多余的電能進(jìn)行向其他樓宇或者電網(wǎng)輸送。B-EMS與EV-EMS電能之間相互流動,受線路因素影響,不可同時進(jìn)行。在電價引導(dǎo)作用下,在高峰時段,居民負(fù)荷處于用電高峰,因此B-EMS不僅要從園區(qū)買入功率,也可以購買EV-EMS的電能;而在低谷電價時段,EV-EMS為滿足EV用戶享受最低電價對電能有大量需求,不僅要從園區(qū)和電網(wǎng)側(cè)購電,還要在滿足住宅區(qū)用戶用電需求的同時,購買一部分B-EMS的輸送功率。

3.4 園區(qū)調(diào)度情況分析

圖5為樓宇1的功率平衡情況。可以看出合理調(diào)度分布式能源,使樓宇購買電網(wǎng)功率發(fā)生了巨大改變。EV接受電價引導(dǎo)在低谷電價購買功率,在峰時進(jìn)行V2B,把多余電能送向樓宇外;熱水器在文中屬于連續(xù)型溫控負(fù)荷,因此受電價時段的影響;空調(diào)在文中屬于可中斷負(fù)荷,在滿足居民用戶舒適度的前提下,可以關(guān)閉空調(diào)開關(guān),在即將到達(dá)用戶舒適度臨界點的時候再次啟動空調(diào)開關(guān);PV屬于免費能源,因此在峰時盡量進(jìn)行PV2B,減少購電量;由于樓宇1任意時段的ESS、EV、PV的最大放電功率并沒有滿足用戶電能需求,因此在經(jīng)過售電商調(diào)度后,在大約11時段和13時段前后可以購買園區(qū)內(nèi)其他樓宇賣出的功率。圖6為樓宇3內(nèi)的功率平衡情況。由于樓宇3的ESS與PV多于其他樓宇的配置,當(dāng)樓宇3有電能需求時,其他樓宇也需要電能,由附錄式(17)(18)可知樓宇3可以把更多的電能送向樓宇外,但沒有任何時段可以買來自其他樓宇的電能。說明電能的流向雖然與電價引導(dǎo)有關(guān),但是首先要考慮模型的合理性。舉個例子,即使在峰時電價時段,但是園區(qū)整體仍然需要電能,在售電商管理下樓宇3發(fā)出的功率只能與電網(wǎng)流入的電能一起流向需要電能的樓宇。要強(qiáng)調(diào)的是為實現(xiàn)樓宇調(diào)度成本最低,電能相互流動,空調(diào)在滿足居民需求的同時,不同樓宇的開啟時段也發(fā)生了改變,發(fā)生在約17:00。另一個要強(qiáng)調(diào)的是ESS作為不同于EV的儲能設(shè)施,由售電商直接調(diào)度,由于變壓器功率限制以及優(yōu)先考慮EV充放電,在綜合考慮園區(qū)內(nèi)所有樓宇的ESS充放電計劃后、ESS沒有完全響應(yīng)電價。

圖7表示園區(qū)與電網(wǎng)購售功率以及園區(qū)內(nèi)功率共享情況。11:00左右園區(qū)向外輸送功率,同時園區(qū)樓宇之間進(jìn)行了功率共享,這是因為園區(qū)內(nèi)有樓宇把多余電能向外輸送,不僅滿足了其他樓宇的功率需求而且還有多余功率向園區(qū)外輸送。在13:00、14:00左右也有樓宇之間進(jìn)行功率共享的情景。

3.5 不同調(diào)度策略對比分析

在不同策略下園區(qū)內(nèi)所有樓宇從電網(wǎng)側(cè)購、售功率情況對比見附錄圖5。無管理模式是指樓宇內(nèi)未安裝ESS、PV,同時溫控負(fù)荷在居民需求時段持續(xù)用電,EV并網(wǎng)后以最大功率充電直到充滿停止。由附錄圖5可知,無管理模式下負(fù)荷功率對配電變壓器的安全運行造成嚴(yán)重影響。在不受變壓器限制功率情況下,從樓宇內(nèi)ESS、PV、EV之間是否進(jìn)行電能互送對比,說明樓宇內(nèi)電能相互流動可以有效減少園區(qū)與電網(wǎng)側(cè)來往功率,即減少了遠(yuǎn)距離輸送電能帶來的損失。

售電商是否考慮變壓器的功率限制的調(diào)度策略只在園區(qū)購買電網(wǎng)功率上存在著差異,售電功率并沒有受到影響,見圖8。由目標(biāo)函數(shù)式(14)可知售電商的日前調(diào)度實際上是實現(xiàn)所有樓宇的調(diào)度成本最小。如果變壓器功率限制為無窮大,那么每個樓宇在售電商的管理下都會實現(xiàn)自身調(diào)度成本最小。但是,由于存在變壓器的功率限制,實現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)時無法考慮園區(qū)內(nèi)各個樓宇的調(diào)度成本,導(dǎo)致售電商無法根據(jù)樓宇的邊際貢獻(xiàn)對樓宇進(jìn)行公平分配,因此采用shapley值是必要的。不同的調(diào)度策略下樓宇調(diào)度成本見表1。

4 結(jié)論

本文結(jié)合目前電力市場改革中可能出現(xiàn)的配售分離情形,提出了售電商在高比例分布式能源園區(qū)運營中可能承擔(dān)的新角色與新功能。基于此,針對含高比例分布式能源配置的智能樓宇組建的園區(qū)具有電能雙向流動性,各層次主體目標(biāo)多樣且相互制約以及配電變壓器功率越限問題,考慮交直流混合供電方式樓宇模型的功率流動并進(jìn)行了細(xì)化,提出了售電商協(xié)調(diào)下的園區(qū)日前優(yōu)化調(diào)度模型。該模型在滿足EV用戶用電需求及用電費用最少的基礎(chǔ)上,同時滿足溫控負(fù)荷用戶的用電需求,實現(xiàn)園區(qū)內(nèi)電能共享,延長配電變壓器壽命,樓宇調(diào)度成本最低。通過算例分析,驗證了模型的可行性。并針對變壓器功率限制對園區(qū)各個樓宇的經(jīng)濟(jì)影響,基于合作博弈理論,提出采用shapley值合理分配各個樓宇的調(diào)度成本。

下一步將基于含多個售電商的配電網(wǎng)環(huán)境,將潮流與安全約束等系統(tǒng)運行條件以及售電商競價等市場運行機(jī)制納入考慮,研究多主體協(xié)調(diào)運行的日前、實時分布式調(diào)度策略。

附錄

1 模型建立

1)直流系統(tǒng)模型

2)ESS模型

單位ESS模型

2 算例仿真

致 謝

本文研究同時得到了國家電網(wǎng)公司管理咨詢項目“全球電網(wǎng)互聯(lián)效益評估研究及技術(shù)發(fā)展路線需求研究”的部分支持,在此一并感謝!