計及綜合需求響應的能源路由器多時間尺度調度

尹杰　婁柯　李冬玉　鞏冠華

摘 要：為解決可再生能源的有效利用問題，能源互聯網技術應運而生，而作為能源互聯網的關鍵設備，能源路由器的研究至關重要。本文以能源路由器為主體，圍繞其調度策略展開研究?；谀Ｐ皖A測控制方法，提出一種計及綜合需求響應的多時間尺度調度策略，并建立計算機仿真模型對調度策略進行驗證。仿真結果表明，該策略將不同負荷的響應差異性考慮在內，通過調整負荷及設備出力情況平抑功率波動，提高能源互聯網的經濟穩(wěn)定性。

關鍵詞：綜合需求響應；能源互聯網；能源路由器；多時間尺度

中圖分類號：TP393? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2023）05-0036-04

1 引言

能源路由器作為能源互聯網的核心裝置，既與電網交互，又與負載及儲能單元相連，既可以根據不同需求響應對負荷進行削減，又能合理調整各能源裝置的出力情況，完成能源互聯網優(yōu)化調度。阮博等[1]將微電網功率平衡考慮在內，基于一致性理論，搭建分布式能量管理調度模型，降低微電網運行成本。張政斌等[2]提出源荷儲聯合調度，提高微網的經濟效益。楊帥等[3]搭建電熱綜合能源系統(tǒng)調度模型，基于電熱負荷增強微電網對風電的消納。張伊寧等[4]搭建電氣綜合能源系統(tǒng)調度模型，結合需求響應優(yōu)化負荷曲線，提高系統(tǒng)運行效率。蔡穎凱等[5]聚焦于提高綜合能源系統(tǒng)需求側的靈活性，同時將調度策略建模為雙層規(guī)劃問題并求解。然而上述文獻只建立了包含兩種負荷的能源系統(tǒng)，對多種負荷的綜合需求響應研究較少。將電、氣、熱、冷四種負荷的綜合需求響應考慮在內，同時與多時間尺度調度策略相結合，促進能源互聯網經濟穩(wěn)定運行。

2 綜合需求響應

綜合需求響應是能源互聯網與作為能源消費方的用戶簽訂協(xié)議，按照協(xié)議的相關規(guī)定獲得響應的可削減負荷量和補償價格等數據。能源路由器會按照不同負荷的響應特性或是對能源消費方造成的影響程度大小，選擇對應的需求響應策略。

2.1 能源路由器結構

能源路由器結構如圖1所示，包括交流配電網、負載模塊、儲能單元及分布式單元。負載模塊分為交直流負載，儲能單元分為能量存儲設備和轉換設備。存儲設備包括蓄電池、蓄熱槽和儲氣罐等。轉換設備包括燃氣鍋爐和電轉氣設備等。分布式單元則包括風能、光伏及冷熱電聯產系統(tǒng)等，其中冷熱電聯產系統(tǒng)包括燃氣輪機和吸收式制冷機等。

2.2 電、氣負荷需求響應

2.3 熱、冷負荷需求響應

2.4 約束條件

3 多時間尺度調度策略

根據負荷的預測精度與時間負相關，本文搭建了能源路由器多時間尺度模型。圖2為計及綜合需求響應的多時間尺度策略流程圖。采用MPC法，短時間尺度選用5分鐘級，長時間尺度選用15分鐘級[7，8]。

3.1 長時間調度模型

長短時間尺度調度模型在日前調度的基礎上，采用MPC法，利用調動策略去限制各個類型能源的功率變化情況。長時間調度模型從t₀刻起，選用15分鐘級獲取的各個負荷的數據變化，修正各模塊在之后的15分鐘間的調度策略，從而限制各負荷的功率變化。長時間調度期間的要求是使長時間尺度總成本達到最少。

3.2 短時間調度模型

短時間調度模型基于更新后5分鐘級的源荷預測數據，繼續(xù)執(zhí)行各模塊長時間調度后修正的運行策略，采用調整購電功率、加入超級電容器以及調整用電策略等方式來限制調度時間不長的電功率。短時間調度期間的要求是使短時間尺度總成本達到最少。

4 算例驗證

4.1 相關參數

為了驗證提能源路由器調度策略的經濟性與效益性，故對多時間尺度模型進行仿真。通過日前預測數據以及對應的概率產生日內數據。假設不同能源出力情況和各個負荷需求情況的預測都滿足正態(tài)分布，其誤差范圍見表1。

4.2 結果分析

本文設計3種方案進行對比，各方案最終的成本對比情況如表3所示。

方案1：選擇基于DA-P的調度策略。DA-P是指能源路由器基于調控結果，而日內由預測誤差導致的聯絡線功率波動都由外部電網平抑。

方案2：只采取多時間尺度調度，不涉及綜合需求響應。

方案3：計及綜合需求響應的多時間尺度調度策略。

（1）方案1、2分析

方案1選取DA-P策略，故增加了許多購電、氣成本，使得能源路由器的運行成本及聯絡線交互功率波動都增大了。而方案2選擇多時間尺度策略，其長時間調度利用改變不同模塊設備輸出功率的方式修正預測誤差導致的功率波動，短時間調度使用超級電容器來平抑調度時長較短的電功率波動。由表3可知，方案2的能源互聯網總成本和聯絡線交互功率波動率相比方案1減少了884.3元和7.42%。

（2）方案3分析

方案3綜合考慮了四種負荷的綜合需求響應，長時間調度結合了改變不同模塊設備出力情況和采取調整負荷兩種方式來平抑功率波動，短時間調度則在超級電容器的平抑基礎上，還采取調整電負荷的方式減少電功率波動。由表3可知，方案3的總成本和聯絡線交互功率波動率相比方案1減少了1340.2元和11.12%。

4.3 綜合需求響應優(yōu)化結果

圖3是計及綜合需求響應的四種負荷削減前后對比。因為各模塊設備出力情況調整的懲罰成本相對更高，而削減負荷可以比較好地減少各模塊設備的修正情況，降低功率波動率。如電負荷在負荷高峰期時削減量相對更大，所以可以采取對電負荷進行調整的方式去減少各模塊設備出力情況修正的成本。由于削減負荷能夠比較好地減少和大電網交互過程中的聯絡線功率波動性，從而增強能源互聯網的經濟穩(wěn)定性。除電負荷外，其他幾種負荷同樣在對應的用能高峰期存在部分削減的情況，然而綜合需求響應資源受限。故為避免用戶用能滿意度降低，在非負荷高峰期時一般不進行對負荷的調整。

4.4 設備出力情況

圖4展示了能源設備的出力情況，調度策略將不同負荷能源的調度差異性考慮在內，同時結合多時間尺度調度，從而修正的各模塊設備的出力情況，讓能源路由器內不同的能源模塊均加入到平抑功率波動中。各能源設備在調度策略作用下采取修正自身出力情況去降低功率波動。

5 總結

以能源路由器為主體，提出了能源路由器的調度策略，考慮不同負荷的需求響應，同時結合多時間尺度調度策略。在MATLAB平臺建立調度策略模型并利用Cplex進行求解。通過三種場景下的成本差異、不同負荷削減前后結果及各裝置出力情況對比，得出以下結論：

（1）多時間尺度調度策略采取改變能源裝置的輸出功率去減少預測誤差導致的功率波動。

（2）綜合需求響應策略采取調整負荷的方式減小設備的出力變化量，從而減少能源路由器與大電網的交互，降低聯絡線交互功率波動。

（3）能源路由器調度策略既可以發(fā)揮負荷響應的潛力，又可以減少各模塊設備的出力調整成本，降低功率波動情況，促進能源互聯網經濟穩(wěn)定運行。

參考文獻：

〔1〕阮博，俞德華，李斯吾.基于一致性的微網分布式能量管理調度策略[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2018， 46（15）：23-28.

〔2〕張政斌，葉鵬，張娜，等.基于能源路由器的微網源荷儲聯合優(yōu)化調度[J].河北電力技術，2022，41（03）：30-36.

〔3〕楊帥，陳磊，徐飛，等.基于能量流的電熱綜合能源系統(tǒng)棄風消納優(yōu)化調度模型[J].電網技術，2018， 42（02）：417-426.

〔4〕張伊寧，何宇斌，晏鳴宇，等.計及需求響應與動態(tài)氣潮流的電—氣綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調度[J].電力系統(tǒng)自動化，2018，42（20）：1-8.

〔5〕蔡穎凱，張冶，曹世龍，等.面向綜合需求響應的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調度[J].電網與清潔能源，2022， 38（09）：65-72.

〔6〕湯翔鷹，胡炎，耿琪，等.考慮多能靈活性的綜合能源系統(tǒng)多時間尺度優(yōu)化調度[J].電力系統(tǒng)自動化，2021，45（04）：81-90.

〔7〕王成山，呂超賢，李鵬，等.園區(qū)型綜合能源系統(tǒng)多時間尺度模型預測優(yōu)化調度[J].中國電機工程學報，2019，39（23）：6791-6803+7093.

〔8〕王磊，周建平，朱劉柱，等.基于分布式模型預測控制的綜合能源系統(tǒng)多時間尺度優(yōu)化調度[J].電力系統(tǒng)自動化，2021，45（13）：57-65.

〔9〕葛少云，劉靜儀，劉洪，等.需求響應機制下含建筑虛擬儲能的能源站經濟調度[J].電力系統(tǒng)自動化，2020，44（04）：35-43.

〔10〕Kong X ， Xiao J ， Wang C ， et al. Bi-Level Multi-Time Scale Scheduling Method Based on Bidding for Multi-Operator Virtual Power Plant[J]. Applied Energy， 2019， 249： 178-189.