计及综合需求响应的能源路由器多时间尺度调度.pdf

1引言能源路由器作为能源互联网的核心装置袁既与电网交互袁又与负载及储能单元相连袁既可以根据不同需求响应对负荷进行削减袁又能合理调整各能源装置的出力情况袁完成能源互联网优化调度遥 阮博等1将微电网功率平衡考虑在内袁基于一致性理论袁搭建分布式能量管理调度模型袁降低微电网运行成本遥张政斌等2提出源荷储联合调度袁提高微网的经济效益遥 杨帅等3搭建电热综合能源系统调度模型袁基于电热负荷增强微电网对风电的消纳遥 张伊宁等4搭建电气综合能源系统调度模型袁结合需求响应优化负荷曲线袁提高系统运行效率遥 蔡颖凯等5聚焦于提高综合能源系统需求侧的灵活性袁同时将调度策略建模为双层规划问题并求解遥然而上述文献只建立了包含两种负荷的能源系统袁对多种负荷的综合需求响应研究较少遥 将电尧气尧热尧冷四种负荷的综合需求响应考虑在内袁同时与多时间尺度调度策略相结合袁促进能源互联网经济稳定运行遥2综合需求响应综合需求响应是能源互联网与作为能源消费方的用户签订协议袁按照协议的相关规定获得响应的可削减负荷量和补偿价格等数据遥能源路由器会按照不同负荷的响应特性或是对能源消费方造成的影响程度大小袁选择对应的需求响应策略遥2.1能源路由器结构能源路由器结构如图 1 所示袁 包括交流配电网尧负载模块尧储能单元及分布式单元遥负载模块分为交直流负载袁储能单元分为能量存储设备和转换设备遥存储设备包括蓄电池尧蓄热槽和储气罐等遥转换设备包括燃气锅炉和电转气设备等遥分布式单元则包括风能尧光伏及冷热电联产系统等袁其中冷热电联产系统包括燃气轮机和吸收式制冷机等遥2.2电尧气负荷需求响应电负荷的波动所产生的影响大小取决于所处的时间段遥 特别是在用电高峰情况下袁要是对电负荷进行削减会大大降低能源消费方的用能满意度遥因此袁为减少此类情况的发生袁故电负荷选择日分时电价的需求响应策略遥 而因为气负荷有着类似的性质袁故对气负荷也选择日分时气价的需求响应策略遥Pte,c=滋e窑 渍tgrid窑 Mte,cPtg,c=滋g窑 渍tgas窑 Mtg,c嗓(1)式中院Pte,c和 Ptg,c分别为电尧气负荷需求响应策略袁滋e和 滋g分别为电尧气负荷补贴系数袁渍tgrid和 渍tgas分别为分时电尧 气价袁Mte,c和 Mtg,c分别为用户削减计及综合需求响应的能源路由器多时间尺度调度尹杰袁 娄柯袁 李冬玉袁 巩冠华渊安徽工程大学袁 安徽芜湖241000冤摘要院为解决可再生能源的有效利用问题袁能源互联网技术应运而生袁而作为能源互联网的关键设备袁能源路由器的研究至关重要遥本文以能源路由器为主体袁围绕其调度策略展开研究遥基于模型预测控制方法袁提出一种计及综合需求响应的多时间尺度调度策略袁并建立计算机仿真模型对调度策略进行验证遥仿真结果表明袁该策略将不同负荷的响应差异性考虑在内袁通过调整负荷及设备出力情况平抑功率波动袁提高能源互联网的经济稳定性遥关键词院综合需求响应曰能源互联网曰能源路由器曰多时间尺度中图分类号院TP393文献标识码院A文章编号院1673-260X渊2023冤05-0036-04Vol.39 No.5May 2023赤 峰 学 院 学 报 渊 自 然 科 学 版 冤Journal of Chifeng University(Natural Science Edition)第 39 卷第 5 期2023 年 5 月收稿日期院2023-02-25图 1能源路由器结构36-的电尧气负荷量遥2.3热尧冷负荷需求响应能源消费方的热尧冷负荷包括柔性负荷袁对这部分能够进行调度遥本文选取人体热反应评价指标渊PMV冤来评价用户的舒适情况6遥 PMV 是将人体热舒适感诸多相关联的因素综合考虑在内的全面评价指标袁ISO 7730 标准中袁 认为 PMV 的合理区间应是-0.5,0.5袁即院-0.5臆PMV=2.43-3.76 窑33.5-TtinM 窑(Icl+0.1)臆0.5(2)式中院Ttin为室内温度袁M 为人体新陈代谢率袁Icl为人体衣物服装热阻遥由上式可求出能源消费方的适宜温度范围遥削减热尧冷负荷大体上是对体验舒适度造成影响遥 在综合需求响应过程中袁能源路由器会对加入调度的热尧冷负荷进行阶梯型的成本补贴遥 热负荷的需求响应策略如下院Pth,c=滋h窑 Mth,c滋h=滋ah0|Mth,r-Mth,i|兹h滋ah滋bh扇墒设设设设设缮设设设设设扇墒设设设设设设设缮设设设设设设设(3)同理袁冷负荷的需求响应策略如下院Ptc,c=滋c窑 Mtc,c滋c=滋ac0|Mtc,r-Mtc,i|兹c滋ac滋bc扇墒设设设设设缮设设设设设扇墒设设设设设设设缮设设设设设设设(4)式中院Pth,c和 Ptc,c分别为热尧冷负荷需求响应策略袁滋h和 滋c分别为热尧 冷负荷补贴系数袁滋ah和 滋ac为低补贴系数袁滋bh和 滋ac为高补贴系数袁Mth,c和 Mtc,c分别为用户削减的热尧 冷负荷量袁Mth,r和 Mtc,r分别为用户实际热尧冷负荷袁Mth,i和 Mtc,i分别为用户初始热尧冷负荷袁兹h和 兹c分别为热尧冷负荷偏离划分边界遥2.4约束条件联立(1)(3)(4)袁能源路由器削减四种负荷进行补贴的总价格如下院Pc=移Tt=1Pte,c+移Tt=1Ptg,c+移Tt=1Pth,c+移Tt=1Ptc,c(5)对总负荷削减量及温度的约束情况如下院|Mtx,c|Mtx臆渍xt|移96t=1Mtx,c|移Tt=1Dtx臆渍xsTminin臆Ttin臆Tmaxin扇墒设设设设设设设设设设设缮设设设设设设设设设设设(6)式中院x 为四种负荷之一袁Dtx为 t 时刻第 x 种原始负荷袁渍xt为 t 时刻 x负荷削减率上限袁渍xs为 x 负荷的总削减率上限袁Tminin和Tmaxin分别为室内最低尧高温度遥3多时间尺度调度策略根据负荷的预测精度与时间负相关袁本文搭建了能源路由器多时间尺度模型遥 图 2 为计及综合需求响应的多时间尺度策略流程图遥采用MPC 法袁短时间尺度选用 5 分钟级袁长时间尺度选用 15分钟级7,8遥3.1长时间调度模型长短时间尺度调度模型在日前调度的基础上袁采用 MPC 法袁 利用调动策略去限制各个类型能源的功率变化情况遥 长时间调度模型从 t0刻起袁选用15 分钟级获取的各个负荷的数据变化袁 修正各模块在之后的 15 分钟间的调度策略袁 从而限制各负荷的功率变化遥长时间调度期间的要求是使长时间尺度总成本达到最少遥minFL=Fgrid+Fgas+Fp+Fc(7)其中各项如下院Fgrid=移Tt=t0(Ptgrid,b窑 Rtgrid,b-Ptgrid,s窑 Rtgrid,s冤Fgas=移Tt=t0(Ptgas,s+CtGT+CtGB)窑 Rtgas,sFp=移Tt=t0移i(驻Pti)2窑 棕i+移j(驻Ptj,c+驻Ptj,d)2窑 棕j 窑 驻tFc=移Tt=t0Ptg,c+移96t=1Pth,c+移96t=1Ptc,c扇墒设设设设设设设设设缮设设设设设设设设设(8)式中院FL为长时间尺度总成本袁Fgrid尧Fgas分别为购电尧气成本袁Fp为设备调整惩罚成本袁Fc为负荷削减补偿成本袁Ptgrid,b尧Ptgrid,s分别为购尧售电功率袁Rtgrid,b尧Rtgrid,s分别为分时购尧售电价格袁Ptgas,s为售气功率袁CtGT尧CtGB分别为燃气轮机尧燃气锅炉耗气量袁Rtgas,s为分时图 2能源路由器调度框架图计算机科学37-售气价格遥 i 为燃气锅炉等能源转换模块的种类袁j为蓄电池等多源储能模块的种类袁棕i尧棕j分别为 i尧j装置的调整惩罚成本系数袁驻Pti为 i 装置的调整功率曰驻Ptj,c尧驻Ptj,d分别为 j 装置的充尧放能调整功率遥3.2短时间调度模型短时间调度模型基于更新后 5 分钟级的源荷预测数据袁继续执行各模块长时间调度后修正的运行策略袁采用调整购电功率尧加入超级电容器以及调整用电策略等方式来限制调度时间不长的电功率遥短时间调度期间的要求是使短时间尺度总成本达到最少遥minFS=驻Fgrid+Fsc+Fe(9)其中各项如下院驻Fgrid=移Tt=t0(Ptgrid,b+驻Ptgrid,b)窑 Rtgrid,b-(Ptgrid,s+驻Ptgrid,s)窑 Rtgrid,sFsc=移Tt=t0Rsc窑(Ptsc,ch+Ptsc,dis)Fe=移Tt=t0滋e窑 渍tgrid窑 Mte,c扇墒设设设设设设设设设缮设设设设设设设设设(10)式中院FS为短时间尺度总成本袁驻Fgrid为购电功率变化成本袁Fsc为超级电容运行成本袁Fe为电负荷补贴成本袁驻Ptgrid,b尧驻Ptgrid,s分别为购尧 售电功率调整量袁Rsc为超级电容器运行成本袁Ptsc,ch尧Ptsc,dis分别为其充尧放电功率遥4算例验证4.1相关参数为了验证提能源路由器调度策略的经济性与效益性袁故对多时间尺度模型进行仿真遥 通过日前预测数据以及对应的概率产生日内数据遥假设不同能源出力情况和各个负荷需求情况的预测都满足正态分布袁其误差范围见表 1遥各参数取值如下遥超级电容器的充放电功率最大值均取 200/kW袁 充放电效率为 0.9遥 渍et尧渍es尧渍gt尧渍gs尧渍ht尧渍hs尧渍ct尧渍cs都是 5%袁而 滋e尧滋g尧滋ah尧滋bh尧滋ac尧滋bc分别为 0.04尧0.04尧0.03尧0.05尧0.03尧0.059遥 分时电尧气价如表 2 所示遥模块修正惩罚系数参见文献10遥模型使用 CPLEX 进行求解计算遥4.2结果分析本文设计 3 种方案进行对比袁各方案最终的成本对比情况如表 3 所示遥方案 1院选择基于 DA-P 的调度策略遥 DA-P 是指能源路由器基于调控结果袁而日内由预测误差导致的联络线功率波动都由外部电网平抑遥方案 2院只采取多时间尺度调度袁不涉及综合需求响应遥方案 3院计及综合需求响应的多时间尺度调度策略遥(1)方案 1尧2 分析方案 1 选取 DA-P 策略袁故增加了许多购电尧气成本袁使得能源路由器的运行成本及联络线交互功率波动都增大了遥 而方案2 选择多时间尺度策略袁其长时间调度利用改变不同模块设备输出功率的方式修正预测误差导致的功率波动袁短时间调度使用超级电容器来平抑调度时长较短的电功率波动遥 由表 3 可知袁方案2 的能源互联网总成本和联络线交互功率波动率相比方案1 减少了884.3 元和7.42%遥(2)方案 3 分析方案 3 综合考虑了四种负荷的综合需求响应袁长时间调度结合了改变不同模块设备出力情况和采取调整负荷两种方式来平抑功率波动袁短时间调度则在超级电容器的平抑基础上袁还采取调整电负荷的方式减少电功率波动遥 由表 3 可知袁方案 3 的总成本和联络线交互功率波动率相比方案 1 减少了 1340.2 元和 11.12%遥4.3综合需求响应优化结果图 3 是计及综合需求响应的四种负荷削减前后对比遥因为各模块设备出力情况调整的惩罚成本相对更高袁而削减负荷可以比较好地减少各模块设备的修正情况袁降低功率波动率遥 如电负荷在负荷参数日前阶段 方案 1方案 2方案 3补贴成本000267.64设备调整惩罚成本00523.44284.32联络线交互功率波动率019.8812.468.76总成本33546.535129.6 34245.3 33789.4表 3各方案下成本对比误差范围光伏风能电气热冷长时间尺度20%25%10%5%5%5%短时间尺度10%10%5%-表 1预测误差范围时段范围电价渊元/kWh冤气价渊元/m3冤0:00-6:000.462.4822:00-24:00平12:00-18:000.722.88峰6:00-12:001.203.4618:00-22:00谷表 2分时电尧气价计算机科学38-高峰期时削减量相对更大袁所以可以采取对电负荷进行调整的方式去减少各模块设备出力情况修正的成本遥由于削减负荷能够比较好地减少和大电网交互过程中的联络线功率波动性袁从而增强能源互联网的经济稳定性遥 除电负荷外袁其他几种负荷同样在对应的用能高峰期存在部分削减的情况袁然而综合需求响应资源受限遥故为避免用户用