基于線性規(guī)劃的源網(wǎng)荷儲優(yōu)化控制方法研究

魯 浩，鄭 帥，杜永騰，沙志成

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟(jì)南 250013）

0 引 言

建立源網(wǎng)供應(yīng)鏈，并將供應(yīng)技術(shù)體制與新能源技術(shù)相結(jié)合。荷儲優(yōu)化管理需要以能源供給中心為載體，在統(tǒng)一的管理模式下，提出相對規(guī)范的管理模式[1]。傳統(tǒng)源網(wǎng)荷儲優(yōu)化控制方法管理模式松散，導(dǎo)致市場對能源供應(yīng)尚存在一些問題。為了改善市場需求現(xiàn)狀，提出了一種基于線性規(guī)劃的源網(wǎng)荷儲優(yōu)化控制方法。它在能源統(tǒng)計(jì)學(xué)方面對控制進(jìn)行綜合性分析，有效地解決了能源供應(yīng)和傳輸技術(shù)之間的矛盾關(guān)系，促進(jìn)源網(wǎng)行業(yè)與其他相關(guān)行業(yè)進(jìn)行有效的融合，從根本上促進(jìn)了國家新能源的發(fā)展。

1 基于線性規(guī)劃的源網(wǎng)荷儲優(yōu)化控制方法設(shè)計(jì)

1.1 基于線性規(guī)劃建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

控制荷儲過程中，應(yīng)將源網(wǎng)按照運(yùn)算符劃分節(jié)點(diǎn)，并將每個節(jié)點(diǎn)作為一個線性調(diào)度內(nèi)容進(jìn)行處理[2]，處理過程如下：

式中，g(x)為源網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化控制模式，ki(i=1,2,…,n)為項(xiàng)目處理系數(shù)，xi(i=1,2,…,n)為線性同步處理項(xiàng)目，n為處理次數(shù)。為了降低源網(wǎng)荷儲成本，提高控制效率，可選擇在線性約束條件下建立優(yōu)化控制目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算源網(wǎng)荷儲約束的極值。目標(biāo)函數(shù)如下：

式中，C為線性規(guī)劃項(xiàng)目，P為源網(wǎng)儲能在線性約束條件下的輸出功率，D為網(wǎng)絡(luò)能源成本，G為可再生能源成本，e為源網(wǎng)荷載，n為線性規(guī)劃下的約束條件，B為源網(wǎng)代理功率，L為線路總能耗，k為優(yōu)化控制目標(biāo)。根據(jù)式（2），完成對源網(wǎng)控制最小目標(biāo)的選擇。在選定線性控制目標(biāo)的基礎(chǔ)上，劃分在線性約束下的源網(wǎng)荷載能源分布層次，如圖1所示。

圖1 源網(wǎng)荷載能源分布層次

如圖1所示，源網(wǎng)荷載能源分布最頂層為協(xié)調(diào)控制的起始端，應(yīng)將優(yōu)化控制的目標(biāo)直接與荷儲控制建立聯(lián)系，并將其完全置于與內(nèi)置ARM的源網(wǎng)線性關(guān)系中[3]。為此，選擇一個源網(wǎng)控制節(jié)點(diǎn)作為自變量，采用建立多元線性回歸方程的方式，檢索源網(wǎng)頂層的優(yōu)化控制目標(biāo)，函數(shù)表達(dá)式為：

式中，ni為在源網(wǎng)儲存能源在某一節(jié)點(diǎn)的使用量，mi為使用量的平均值，α和β為荷載控制與荷載優(yōu)化系數(shù)，εi為在線性回歸方程中無法直接控制的荷儲能源量。根據(jù)式（3），將控制目標(biāo)近似看作一個整體，以完成源網(wǎng)荷儲優(yōu)化控制目標(biāo)選擇的目的。

1.2 多空間源網(wǎng)荷儲約束

結(jié)合基于線性規(guī)劃的源網(wǎng)荷儲優(yōu)化控制方法，根據(jù)源網(wǎng)不同層荷儲量劃分源網(wǎng)優(yōu)化控制空間?？紤]到不同空間內(nèi)源網(wǎng)的正消耗量，計(jì)算在負(fù)載狀態(tài)下源網(wǎng)荷儲在傳輸功率過程的能源消耗，計(jì)算公式如下：

式中，l為在正常環(huán)境中的源網(wǎng)荷儲量，r為荷儲負(fù)載情況，loss為能源傳輸線路。通常情況下，在能源傳輸過程中，損耗的能源量通常在5%～9%。為此，在明確回歸方程控制變量的情況下，將控制變量設(shè)置為優(yōu)化目標(biāo)，根據(jù)源網(wǎng)荷儲空間的使用量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，并以此作為依據(jù)，明確源網(wǎng)在不同狀態(tài)下的源網(wǎng)荷儲優(yōu)化控制條件，如表1所示。

表1 多空間源網(wǎng)荷儲尺度約束條件

為了獲得源網(wǎng)的等邊優(yōu)化約束，采用控制約束邊界成本的方式引入自適應(yīng)擴(kuò)散算法，對迭代產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次更新，并估算全局的約束成本，進(jìn)而保障在實(shí)現(xiàn)主動源網(wǎng)荷儲間協(xié)調(diào)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，對擴(kuò)散邊界源網(wǎng)實(shí)施有效的約束。

1.3 目標(biāo)函數(shù)求解

在源網(wǎng)荷儲運(yùn)行中，求解目標(biāo)函數(shù)，即：

式中，qi為源網(wǎng)荷儲優(yōu)化控制邊界，λi為控制上限元素集合，δi為控制下限元素集合。

采用控制協(xié)調(diào)面板的方式進(jìn)行源網(wǎng)荷儲面板中能源輸送功率的控制，根據(jù)控制功率的大小進(jìn)行優(yōu)化增量值的計(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中，PT0為能源穩(wěn)定存儲目標(biāo)的計(jì)劃控制功率，PT為實(shí)際輸出功率。根據(jù)式（6），可分析荷儲優(yōu)化控制偏差值。

結(jié)合線性約束條件進(jìn)行控制路徑的選擇，建立路徑與目標(biāo)的映射聯(lián)系，及時矯正在優(yōu)化控制中出現(xiàn)偏差的路徑，依照環(huán)境對優(yōu)化控制提出的要求，提升優(yōu)化控制過程的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)基于線性規(guī)劃的源網(wǎng)荷儲優(yōu)化控制方法設(shè)計(jì)。

2 對比實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于線性規(guī)劃的源網(wǎng)荷儲優(yōu)化控制方法的有效性，與傳統(tǒng)的優(yōu)化控制方法對源網(wǎng)荷儲的調(diào)速耗能情況進(jìn)行比較，設(shè)計(jì)了如下對比實(shí)驗(yàn)。選擇一能源廠址為此次實(shí)驗(yàn)試點(diǎn)場所，并按照實(shí)驗(yàn)需求布設(shè)大型風(fēng)力電廠和大型消耗燃?xì)獾碾妱虞啓C(jī)，并將實(shí)驗(yàn)需求設(shè)備接入源網(wǎng)控制節(jié)點(diǎn)。選擇源網(wǎng)交換電站為此次實(shí)驗(yàn)的充換電必須場所，并接入源網(wǎng)饋線節(jié)點(diǎn)中。

控制源網(wǎng)荷儲過程中，源網(wǎng)運(yùn)行需滿足下述要求。第一，負(fù)荷要求。源網(wǎng)運(yùn)行最高負(fù)荷值可承受108 MW，其中10 kV以下供應(yīng)設(shè)備可承受的最高負(fù)荷值為98 MW；第二，峰谷時段劃分。最高峰時間段為5:00—21:00，此時控制成本為0.455元/kW·h，低谷時間段為21:00—次日5:00，此時控制成本為0.205元/kW·h；第三，各級單元能源補(bǔ)償與供應(yīng)量。為了確保此次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，可選擇8塊太陽能源網(wǎng)能源供應(yīng)板。相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

根據(jù)表2選擇設(shè)備參數(shù)和實(shí)驗(yàn)流程，采用基于線性規(guī)劃的源網(wǎng)荷儲優(yōu)化控制方法，選擇控制線路與控制目標(biāo)對源網(wǎng)荷儲進(jìn)行控制，計(jì)算控制目標(biāo)線路用來控制日消耗功率，并以此作為評估方法有效性的主要依據(jù)。此后，應(yīng)用傳統(tǒng)方法進(jìn)行相同步驟的操作，獲取兩種優(yōu)化控制方法的日消耗功率數(shù)據(jù)，并整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將其繪制成曲線圖，如圖2所示。

由實(shí)驗(yàn)及曲線圖數(shù)據(jù)可知，設(shè)計(jì)的優(yōu)化控制方法在實(shí)際應(yīng)用中消耗的功率明顯低于傳統(tǒng)方法與實(shí)施優(yōu)化控制所消耗的功率?？梢?，無論是實(shí)時優(yōu)化控制方法或傳統(tǒng)優(yōu)化控制方法，均無法達(dá)到基于線性規(guī)劃的源網(wǎng)荷儲優(yōu)化控制方法的低耗能量。綜上所述，基于線性規(guī)劃的源網(wǎng)荷儲優(yōu)化控制方法在應(yīng)用中耗能更低，具有更高的實(shí)用性能，更能滿足低能耗市場需求。

表2 實(shí)驗(yàn)所需源網(wǎng)供應(yīng)板參數(shù)設(shè)置

圖2 優(yōu)化控制消耗功率對比

3 結(jié) 論

為了滿足現(xiàn)代化社會背景下的能源供給，本文開展了基于線性規(guī)劃的源網(wǎng)荷儲優(yōu)化控制方法的相關(guān)探索，并對一些基礎(chǔ)工作做了可持續(xù)優(yōu)化。但是，此次研究受到時間和場地的限制，研究結(jié)果與實(shí)際結(jié)果可能存在出入。因此，在后續(xù)調(diào)研工作中，可將工作重點(diǎn)放在對微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制優(yōu)化、優(yōu)化結(jié)果的理論值概述以及對實(shí)施控制的優(yōu)化等方面。