基于分時(shí)電價(jià)和需求響應(yīng)的家庭微電網(wǎng)負(fù)荷優(yōu)先級(jí)控制

韓峰，曾成碧，苗虹

(四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，成都 610065)

0 引 言

隨著電力市場(chǎng)的發(fā)展與完善，電力系統(tǒng)的利益主體逐漸多元化，需求側(cè)資源在電力市場(chǎng)中的作用逐步凸顯。電能終端用戶在電力供應(yīng)市場(chǎng)成本較高或在系統(tǒng)穩(wěn)定性遭受沖擊時(shí)，用戶接受供電公司的價(jià)格引導(dǎo)，調(diào)整電力消費(fèi)模式，優(yōu)化市場(chǎng)資源[1-3]的這種用電方式即為需求響應(yīng)(demand response, DR)。 分時(shí)電價(jià)(time-of-use price, TOU)作為電力市場(chǎng)環(huán)境下的需求響應(yīng)DR的主要措施，通過電價(jià)信號(hào)來引導(dǎo)用戶采取合理的用電方式和結(jié)構(gòu)[4-5]。目前，家庭微電網(wǎng)作為一種新型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以將可再生能源發(fā)電、EVS、儲(chǔ)能裝置等統(tǒng)一優(yōu)化調(diào)度[6-7]。然而隨著電動(dòng)汽車(electric vehicles, EVS)、可再生能源發(fā)電以及眾多家居用電設(shè)備走進(jìn)家庭，決策變量的過多必將影響分時(shí)電價(jià)的實(shí)行效果，因此在制定分時(shí)電價(jià)策略和開展實(shí)時(shí)電價(jià)市場(chǎng)時(shí)，必須先結(jié)合用戶需求響應(yīng)特性。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)家庭側(cè)的負(fù)荷控制給予了高度重視。文獻(xiàn)[8]通過分析需求側(cè)管理對(duì)居民用電的影響，構(gòu)建相關(guān)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，但模型未涉及具體的家庭用電設(shè)備負(fù)荷特性。文獻(xiàn)[9]從智能用電雙向交互技術(shù)的角度，對(duì)居民參與DR過程，提出了智能家電管理控制方案。然而該方案未考慮TOU，無法保障指標(biāo)最優(yōu)。文獻(xiàn)[10-11]提出針對(duì)居民用電的家庭能源管理系統(tǒng)，將應(yīng)算法用于家用電器的需求響應(yīng)分析，但過多的用戶輸入影響其友好性。文獻(xiàn)[12]在考慮家居能量管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建立TOU環(huán)境下家居設(shè)備的優(yōu)化模型，以達(dá)到降低用電成本與峰谷差的目標(biāo)，但該模型未考慮用戶舒適度。隨著家庭微電網(wǎng)下參與需求響應(yīng)的負(fù)荷種類增加，以及用戶對(duì)舒適度的追求，在不同功率限定值下研究各類家庭負(fù)荷執(zhí)行需求側(cè)管理后的用電變化變得尤為重要。

本文結(jié)合現(xiàn)有的研究，針對(duì)用戶側(cè)展開需求響應(yīng)的研究，在滿足用戶舒適度的基礎(chǔ)上，控制設(shè)備并保證家庭總耗電功率小于限定值，因此提出了家庭負(fù)荷的優(yōu)先級(jí) (home load priority, HLP) 控制系統(tǒng)。在考慮分時(shí)電價(jià)的情況下，通過算例仿真驗(yàn)證HLP策略在控制用戶用電成本中的有效性。

1 HLP控制系統(tǒng)模型

居民參與需求響應(yīng)時(shí)缺乏時(shí)間和主動(dòng)性[13]， HLP控制系統(tǒng)可解決這一問題。在電網(wǎng)有需求時(shí)，可對(duì)用戶側(cè)進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移和減載，并對(duì)居民的正常生活用電的影響降到最低。

當(dāng)電網(wǎng)負(fù)載壓力過大時(shí)，DR過程可減輕家庭負(fù)荷以緩解供電系統(tǒng)壓力。美國國家實(shí)驗(yàn)室的研究表明，家用電器(空調(diào)、熱水器、冰箱等)可以在不影響或者較小影響用戶舒適度的前提下，通過短時(shí)斷網(wǎng)來響應(yīng)系統(tǒng)的調(diào)控需求[14]。參與DR過程的用戶通過HLP系統(tǒng)從電力公司獲取信號(hào)，文中，假設(shè)HLP系統(tǒng)接受到的信號(hào)只包含功率限定值的具體大小和持續(xù)時(shí)間。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 HLP控制系統(tǒng)模型

當(dāng)HLP控制系統(tǒng)接收到外部信號(hào)時(shí)，根據(jù)負(fù)荷減載的大小和持續(xù)時(shí)間對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行控制，并保證DR期間家庭中總耗電功率低于限定值。

2 HLP控制系統(tǒng)算法

2.1 負(fù)荷優(yōu)先級(jí)和用戶舒適度

用戶在使用HLP控制系統(tǒng)算法之前需設(shè)定家庭中三種用電設(shè)備的優(yōu)先級(jí)和用戶舒適度。研究中采取如下設(shè)定結(jié)果，如表1所示。

表1 負(fù)荷優(yōu)先級(jí)和用戶舒適度

2.2 負(fù)荷控制策略

2.2.1 熱水器

熱水器(WH)可設(shè)定一個(gè)溫度范圍。當(dāng)熱水溫度低于最低需求溫度(TWH,s-△TWH)時(shí)，熱水器應(yīng)處于運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)熱水溫度達(dá)到最高設(shè)定溫度TWH,s時(shí)，熱水器應(yīng)處于停止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)熱水溫度處于設(shè)定的范圍內(nèi)(TWH,s-ΔTWH≤TWH, n≤TWH,s)時(shí)，熱水器應(yīng)保持當(dāng)前狀態(tài)。熱水器控制策略如下：

(1)

式中TWH,s表示最高設(shè)定溫度值；TWH, n表示n時(shí)間段的水溫；ΔTWH表示熱水器溫度設(shè)定范圍；SWH, n為n時(shí)間段內(nèi)熱水器的工作狀態(tài)(0表示熱水器處于停止?fàn)顟B(tài)，1表示熱水器處于運(yùn)行狀態(tài))。

當(dāng)限制用戶的電力需求且熱水器處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，HLP控制系統(tǒng)在電網(wǎng)有需求時(shí)，可根據(jù)優(yōu)先級(jí)對(duì)熱水器進(jìn)行斷電。若熱水器處于最高優(yōu)先級(jí)，則最后對(duì)熱水器進(jìn)行斷電。

2.2.2 制冷空調(diào)

當(dāng)室溫超過最高可允許溫度時(shí)，空調(diào)(AC)應(yīng)處于運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)室溫逐漸下降；當(dāng)室溫低于最低設(shè)定溫度時(shí)，空調(diào)應(yīng)處于停止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)室溫處于舒適度范圍內(nèi)時(shí)，空調(diào)應(yīng)保持當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。制冷空調(diào)控制策略如下：

(2)

式中TAC,s表示可允許的最低室溫值；TAC, n表示n時(shí)間段的室內(nèi)溫度；ΔTAC表示室內(nèi)溫度設(shè)定范圍；SAC, n表示n時(shí)間段內(nèi)制冷空調(diào)的工作狀態(tài)(0表示制冷空調(diào)處于停止?fàn)顟B(tài)，1表示制冷空調(diào)處于運(yùn)行狀態(tài))。

當(dāng)限制用戶的電力需求且制冷空調(diào)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，HLP控制系統(tǒng)在電網(wǎng)有需求時(shí),可根據(jù)優(yōu)先級(jí)對(duì)制冷空調(diào)進(jìn)行斷電。若超出用戶舒適度范圍(室溫過高)，此時(shí)制冷空調(diào)需恢復(fù)到運(yùn)行狀態(tài)且保證用戶總耗電量不超過預(yù)先設(shè)定的值。

2.2.3 電動(dòng)汽車

電動(dòng)汽車(EV)需在HLP控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)的時(shí)間(早晨八點(diǎn))之前完成充電，達(dá)到可允許容量的最大值。

式中：SOCn表示n時(shí)間段車載電池電量；SOCmax表示車載電池所能承載的最大電量；SEV,n表示n時(shí)間段內(nèi)電動(dòng)汽車的狀態(tài)(0表示電動(dòng)汽車處于斷電狀態(tài)，1表示電動(dòng)汽車處于充電狀態(tài))。

HLP控制系統(tǒng)中，電動(dòng)汽車為即插即充式。在某些情況下，若其他擁有更高優(yōu)先級(jí)的設(shè)備需要運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)汽車則停止充電。然而，若電動(dòng)汽車無法在預(yù)設(shè)時(shí)間(早晨8:00)前完成充電，需更改其優(yōu)先級(jí)使其提前充電。

2.3 HLP控制算法

若HLP控制系統(tǒng)收到電力公司控制中心的信號(hào)，則執(zhí)行控制算法。首先對(duì)用電設(shè)備的信息進(jìn)行收集，包括所有設(shè)備的狀態(tài)和電能消耗、負(fù)荷優(yōu)先級(jí)、用戶舒適度、水溫、室溫、功率限定值大小以及持續(xù)時(shí)間。然后，檢查各設(shè)備舒適度情況，熱水器對(duì)應(yīng)的水溫、制冷空調(diào)對(duì)應(yīng)的室溫、電動(dòng)汽車對(duì)應(yīng)的完全充電時(shí)間和最短充電時(shí)間?；谝陨?，流程如圖2所示。

若用戶舒適度受到影響，HLP控制系統(tǒng)根據(jù)DR給定功率限制對(duì)各設(shè)備用電狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖3所示。圖3中：THC為各設(shè)備用電功率總和；DL為功率限定值；LP為負(fù)載優(yōu)先級(jí)；APP表示設(shè)備。

步驟1：將各設(shè)備總功率與功率限定值進(jìn)行比較，若THC小于DL且對(duì)用戶舒適度無影響，則HLP控制系統(tǒng)不動(dòng)作。當(dāng)某設(shè)備用戶舒適度受到影響，HLP控制系統(tǒng)將使該設(shè)備調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)，降低影響。

步驟2：若THC大于DL且對(duì)用戶舒適度無影響，則優(yōu)先關(guān)閉優(yōu)先級(jí)低的負(fù)荷(熱水器)，電動(dòng)汽車和空調(diào)的總功率應(yīng)低于功率限定值。

圖2 HLP算法流程圖(第一部分)

圖3 HLP算法流程圖(第二部分)

步驟3：若THC大于DL且對(duì)用戶舒適度有影響，HLP控制系統(tǒng)根據(jù)各處于運(yùn)行狀態(tài)設(shè)備的優(yōu)先級(jí)由低到高依次比較。當(dāng)該設(shè)備優(yōu)先級(jí)高于其他設(shè)備，則HLP控制系統(tǒng)會(huì)優(yōu)先關(guān)閉優(yōu)先級(jí)低的設(shè)備直到該設(shè)備可以運(yùn)行，同時(shí)應(yīng)滿足THC小于DL。

3 算例分析

3.1 參數(shù)設(shè)置

算例中考慮的時(shí)段為第一天下午5點(diǎn)到第二天凌晨1點(diǎn)，結(jié)合HLP控制算法，設(shè)定DR時(shí)間段為17:00-00:00。根據(jù)系統(tǒng)需求，功率限定值每小時(shí)變換一次，為研究方便，假定功率限定值為固定值。算例中分別給定功率限定值為無限制、7 kW和4 kW。用戶設(shè)備的功率如下：電動(dòng)汽車3.5 kW，制冷空調(diào)2.3 kW，熱水器4.5 kW，重要負(fù)荷為0.5 kW ～2 kW[15]。

3.2 算例仿真

3.2.1 無功率限制

無功率限制情況下，三種負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)及無功率限定下的家庭總功率消耗如圖4所示。

從圖4可以看出，22:00左右，居民熱水用量較大，因此水溫下降較快，需要對(duì)熱水器操作使水溫恢復(fù)到預(yù)設(shè)的舒適度范圍內(nèi)。制冷空調(diào)可通過自身?xiàng)l件維持室溫在舒適度范圍內(nèi)。車主17:30到家后即刻對(duì)電動(dòng)汽車充電。其中，18:00-19:30房屋的總功耗可高達(dá)8 kW，這種功耗水平可能會(huì)導(dǎo)致變壓器過載，對(duì)家電的正常運(yùn)行帶來不利影響。

圖4 算例1負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)仿真結(jié)果

3.2.2 功率限制值為7 kW

功率限定值為7 kW情況下，三種負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)及7 kW限定值下的DR前后家庭總功率消耗如圖5所示。

從圖 5可以看出，在功率限定值為7 kW的情景下，制冷空調(diào)(2.3 kW)可與熱水器(4.5 kW)共同運(yùn)行或與電動(dòng)汽車(3.5 kW)以及重要負(fù)荷(0.5 kW～2 kW)共同運(yùn)行。算例2中負(fù)荷轉(zhuǎn)移發(fā)生在18:00-19:30時(shí)間段，負(fù)荷補(bǔ)償過程在21:30左右結(jié)束，DR后高峰時(shí)段曲線會(huì)趨于平緩，有利于提升電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。

圖5 算例2負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)仿真結(jié)果

3.2.3 功率限制值為4 kW

功率限定值為4 kW情況下，三種負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)4 kW限定值下的DR前后家庭總功率消耗如圖6所示。

圖6 算例3負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)仿真結(jié)果

從圖7可看出，由于HLP控制系統(tǒng)通過控制優(yōu)先級(jí)延緩供電以求達(dá)到DR的功率的限定值，18:30-19:00期間，用戶舒適度受到嚴(yán)重影響，室溫高達(dá)35 ℃。制冷空調(diào)本應(yīng)保持舒適度范圍內(nèi)，然而，DR時(shí)間段的重要負(fù)荷需求為0.5 kW～2 kW，在功率限定值為4 kW的情景下無法滿足制冷空調(diào)的運(yùn)行條件(2.3 kW)。結(jié)果表明，功率限定值過低，DR結(jié)束后的非高峰期間會(huì)產(chǎn)生更高的峰值。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 算例結(jié)果分析

首先，本文提出的HLP控制算法，在管理大功率用電設(shè)備優(yōu)先級(jí)的前提下，可以有效的控制家庭總耗電量低于功率限定值，提升電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性。若限定值過低，則會(huì)影響用戶的舒適度。

其次，DR結(jié)束后，過低的功率限定值會(huì)導(dǎo)致非高峰時(shí)期產(chǎn)生新的峰值。這可能損壞本地的配電變壓器，因此必須避免這種情況的出現(xiàn)。

因此，在任何DR過程中，應(yīng)慎重考慮每個(gè)家庭的功率限定值(應(yīng)大于某特定值)?？杀苊獬霈F(xiàn)影響用戶舒適度以及DR后高負(fù)荷補(bǔ)償?shù)那闆r。

4.2 用戶經(jīng)濟(jì)效益分析

分時(shí)電價(jià)的定義[16]如表2所示。考慮分時(shí)電價(jià)的基礎(chǔ)上，對(duì)比不同功率限定值，分析三種情況下用戶用電量及其費(fèi)用，具體如表3所示。

表2 分時(shí)電價(jià)定義

表3 各算例負(fù)荷電量及電費(fèi)

從表3中的算例1與算例3數(shù)據(jù)比較可知，其總耗電量基本不變。算例2中電動(dòng)汽車的耗電量增加了0.42 kW·h，熱水器和空調(diào)耗電量基本不變。電費(fèi)分別為14.95元和14.66元，節(jié)約電費(fèi)約1.9%。從算例1與算例3數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可知，總耗電量減少了4.6 kW·h。通過表2的分時(shí)電價(jià)進(jìn)行計(jì)算后電費(fèi)分別為14.95元和13.32元，節(jié)約電費(fèi)約11%。

5 結(jié)束語

本文基于分時(shí)電價(jià)和用戶需求響應(yīng)提出負(fù)荷優(yōu)先級(jí)(HLP)控制方案，在滿足用戶舒適度和負(fù)荷優(yōu)先級(jí)的前提下，HLP控制算法可積極有效的控制和管理家庭負(fù)荷，以保證家庭總消耗低于限定值。通過算例仿真得出如下結(jié)論：

(1)在功率限定值較低的時(shí)候，盡管HLP控制算法可以保證家庭總功率消耗低于限定值，但需要犧牲用戶的舒適度(如：室溫會(huì)超過設(shè)定值)，同時(shí)DR結(jié)束后的非高峰期間會(huì)產(chǎn)生下一輪峰值；

(2)在分時(shí)電價(jià)的背景下，本文提出的控制方案可以提升用戶側(cè)的經(jīng)濟(jì)性；

(3)本文的研究僅是一個(gè)基礎(chǔ)模型，結(jié)果將有助于售電公司了解住宅市場(chǎng)DR 的限制及潛力?；谝陨涎芯考?xì)化各用電側(cè)需求響應(yīng)的最佳限定值是未來的擴(kuò)展方向之一。