配電臺(tái)區(qū)靈活資源多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度方法
——以含虛擬儲(chǔ)能的建筑微網(wǎng)為例

黃 旭，祖國(guó)強(qiáng)，司 威，丁 琪，劉明陽(yáng)，唐萬(wàn)鑫，靳小龍

（1國(guó)網(wǎng)天津市電力公司城東供電分公司，天津 300250；2國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300384；3國(guó)網(wǎng)天津市電力公司濱海供電分公司，天津 300450；4天津大學(xué)，智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

分布式發(fā)電單元、電動(dòng)汽車(chē)、微網(wǎng)以及智能建筑等越來(lái)越多的新元素在配電臺(tái)區(qū)接入，在給中低壓配網(wǎng)安全運(yùn)行帶來(lái)挑戰(zhàn)的同時(shí)也蘊(yùn)含著巨大的靈活調(diào)節(jié)潛力[1]。以智能建筑為例，我國(guó)建筑運(yùn)行總能耗約占全社會(huì)能耗的33%[2]。伴隨我國(guó)城鎮(zhèn)化水平的提高，該比例仍會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。組成建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料具有隔熱和蓄熱能力，使得建筑制冷/制熱設(shè)備可在一定范圍內(nèi)進(jìn)行功率調(diào)整而不影響用戶的溫度舒適度。因此，建筑是配電臺(tái)區(qū)靈活調(diào)控的重要資源之一，而如何對(duì)智能建筑進(jìn)行能量?jī)?yōu)化管理從而挖掘其靈活潛力成為了研究熱點(diǎn)[3]。

微網(wǎng)是由分布式能源和負(fù)荷組成的小型低壓配電系統(tǒng)，其采用能源管理技術(shù)和智能通信技術(shù)，可為建筑內(nèi)各類(lèi)設(shè)備（例如建筑制冷設(shè)備）的運(yùn)行和控制提供高效的基礎(chǔ)設(shè)施和能源管理服務(wù)[4]。因此，建筑微網(wǎng)是利用微網(wǎng)的能源管理理念來(lái)制定建筑的優(yōu)化調(diào)度策略，通過(guò)對(duì)建筑內(nèi)的多種類(lèi)型供用能系統(tǒng)和單元進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度，可實(shí)現(xiàn)清潔能源的充分利用、降低建筑運(yùn)行費(fèi)用等目標(biāo)[5]。目前國(guó)內(nèi)外已有部分關(guān)于建筑微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度方法的研究[6]。文獻(xiàn)[7]提出了由熱儲(chǔ)能單元、吸收式制冷機(jī)、冷-熱-電聯(lián)供(combined cooling, heating and power system，CCHP)組成的建筑綜合能源一體化供能系統(tǒng)的日前優(yōu)化調(diào)度方法。文獻(xiàn)[8]提出了建筑微網(wǎng)中電動(dòng)汽車(chē)的充放電優(yōu)化策略，所提方法可減少建筑微網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)外部電網(wǎng)的依賴(lài)。文獻(xiàn)[9]提出了社區(qū)型獨(dú)立微網(wǎng)日前調(diào)度的動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型，通過(guò)協(xié)調(diào)可控電源、不可控電源、儲(chǔ)能裝置和用戶需求側(cè)響應(yīng)能力來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)。文獻(xiàn)[10]進(jìn)一步考慮了建筑微網(wǎng)中風(fēng)電的不確定性，提出了基于場(chǎng)景生成的建筑微網(wǎng)日前優(yōu)化調(diào)度模型。

然而，已有建筑微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度及能量管理研究工作中，沒(méi)有充分考慮建筑制冷需求與用戶溫度舒適度及室外溫度之間的定量數(shù)學(xué)關(guān)系，忽略了需求側(cè)建筑的虛擬儲(chǔ)能系統(tǒng)在微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度中的潛力。事實(shí)上，構(gòu)成建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料具有良好的隔熱和蓄熱能力[11]，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱特性使得建筑室內(nèi)溫度變化存在一定的滯后性和惰性[12]，從而使得建筑用能表現(xiàn)出一定的儲(chǔ)能特性及靈活性。因此，建筑的制冷需求可以根據(jù)微網(wǎng)的調(diào)度需求在一定用戶舒適度范圍內(nèi)與調(diào)控環(huán)境下進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。因此，建筑可被視為一種天然的儲(chǔ)能系統(tǒng) (本文統(tǒng)稱(chēng)為虛擬儲(chǔ)能)，并具有相當(dāng)大的靈活性潛力。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者探索在建筑微網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度和能量管理中考慮建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的虛擬儲(chǔ)能特性。文獻(xiàn)[13]提出了考慮建筑相變儲(chǔ)能系統(tǒng)的建筑微網(wǎng)電-熱聯(lián)合日前優(yōu)化調(diào)度方法，所提方法可以提高微網(wǎng)可再生能源的消納率，同時(shí)減少向電網(wǎng)的購(gòu)電量，并降低建筑微網(wǎng)的運(yùn)行成本。文獻(xiàn)[14]提出了考慮建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱特性的熱電聯(lián)供型微網(wǎng)多目標(biāo)日前優(yōu)化調(diào)度方法，所提方法可在減少經(jīng)濟(jì)成本的同時(shí)實(shí)現(xiàn)較好的環(huán)境效益。文獻(xiàn)[15]則進(jìn)一步在熱電聯(lián)供微網(wǎng)的優(yōu)化規(guī)劃中考慮建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱特性以及建筑熱水箱的熱力學(xué)特性，使得規(guī)劃方案降低熱電聯(lián)供微網(wǎng)所需配置的燃?xì)忮仩t和儲(chǔ)熱罐容量，從而使系統(tǒng)綜合成本明顯降低。文獻(xiàn)[16]建構(gòu)了以發(fā)電成本、購(gòu)售電成本與棄風(fēng)成本最小為目標(biāo)的建筑微網(wǎng)日前調(diào)度方法，所構(gòu)建的日前調(diào)度模型考慮了建筑的虛擬儲(chǔ)能特性以及相變儲(chǔ)能的靈活性。文獻(xiàn)[17]考慮了我國(guó)北方地區(qū)集中供熱背景下的建筑微網(wǎng)日前優(yōu)化調(diào)度方法，并充分考慮了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的虛擬儲(chǔ)能特性。

上述研究對(duì)建筑虛擬儲(chǔ)能特性在其優(yōu)化調(diào)度和能量管理中的高效利用提供了重要的借鑒意義。然而，上述研究只考慮了日前調(diào)度的單一時(shí)間尺度，建筑的虛擬儲(chǔ)能特性也只在日前優(yōu)化調(diào)度中進(jìn)行了利用?？紤]到建筑微網(wǎng)中可再生能源不同時(shí)間尺度的預(yù)測(cè)精度存在差異，單一時(shí)間尺度的優(yōu)化調(diào)度無(wú)法全面考慮可再生能源出力預(yù)測(cè)誤差對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響，從而使得優(yōu)化結(jié)果可能與建筑微網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況不符。為此，本文進(jìn)一步挖掘配電臺(tái)區(qū)側(cè)的建筑微網(wǎng)靈活調(diào)控能力，提出了利用建筑虛擬儲(chǔ)能特性的建筑微網(wǎng)多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度方法，分別在日前調(diào)度和日間修正兩個(gè)時(shí)間尺度對(duì)建筑虛擬儲(chǔ)能進(jìn)行充分利用。首先，充分考慮建筑制冷需求與用戶溫度舒適度及室外溫度之間的定量數(shù)學(xué)關(guān)系，采用虛擬儲(chǔ)能模型實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑靈活性的定量描述。虛擬儲(chǔ)能模型通過(guò)在建筑用戶舒適度范圍內(nèi)對(duì)室內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬儲(chǔ)能的充電和放電進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑微網(wǎng)的日前/日間多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度。其次，本文進(jìn)一步發(fā)掘需求側(cè)建筑的虛擬儲(chǔ)能系統(tǒng)在建筑微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度及能量管理中的潛力，將建筑中的虛擬儲(chǔ)能系統(tǒng)整合到多時(shí)段優(yōu)化的建筑微電網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型中，從而在日前調(diào)度階段降低微網(wǎng)運(yùn)行成本；在日間修正階段跟蹤日前調(diào)度生成的微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線設(shè)定值，使聯(lián)絡(luò)線功率因日前預(yù)測(cè)的誤差而產(chǎn)生波動(dòng)的問(wèn)題得到解決。

1 建筑虛擬儲(chǔ)能模型

構(gòu)成建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料具有良好的隔熱和蓄熱能力，使得建筑室內(nèi)外熱量傳遞具有一定的延時(shí)和熱動(dòng)態(tài)特性，從而使得建筑用能表現(xiàn)出一定的儲(chǔ)能特性及靈活性。為了有效利用這一靈活性，本工作將建筑建模為與室外進(jìn)行熱量交換的虛擬儲(chǔ)能單元。因此，建筑虛擬儲(chǔ)能系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)特性主要來(lái)源于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱特性。本文基于建筑的蓄熱特性，依據(jù)能量守恒得到建筑的熱平衡方程，如式(1)所示[18]：

式中，ΔQ為建筑室內(nèi)空間的熱量變化量；ρ為空氣密度；C為空氣比熱容；V是室內(nèi)空氣的體積；Tin為室內(nèi)溫度，t為時(shí)間。

影響建筑物內(nèi)部熱量的主要因素有：室內(nèi)外溫度的差異、太陽(yáng)輻射、建筑內(nèi)人體和建筑設(shè)備的傳熱以及冷卻/加熱設(shè)備的冷卻/加熱能力等。以夏季某時(shí)段的制冷過(guò)程為例，式(1)可以表達(dá)成如式(2)所示。

式中，kwall為熱量從外墻傳導(dǎo)至室內(nèi)的傳熱系數(shù)[18]；Fwall為墻體的總面積；kwin為窗戶傳熱系數(shù)；Fwin為窗戶的總面積；Tout為室外溫度；Tin為室內(nèi)溫度；I為光照強(qiáng)度；SC為遮陽(yáng)系數(shù)[19]；Qin為室內(nèi)熱源發(fā)熱功率；Qcl為制冷設(shè)備功率。為了降低建筑熱平衡建模復(fù)雜度并簡(jiǎn)化計(jì)算，本文采用了與文獻(xiàn)[20]類(lèi)似的簡(jiǎn)化處理方法，將建筑屋頂算作建筑外墻的一部分。

建筑內(nèi)虛擬儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率如式(3)所示[18]：

式中，Q′cl,t為不調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的建筑制冷功率；Qcl,t為在熱舒適度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的建筑制冷功率；QVSS,t為虛擬儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電功率，充電為負(fù)，放電為正。

式(2)和式(3)共同構(gòu)成了虛擬儲(chǔ)能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型[18]：將建筑的環(huán)境溫度控制在用戶的室內(nèi)溫度舒適范圍內(nèi)，根據(jù)式(2)可以得到建筑的制冷需求(相當(dāng)于制冷系統(tǒng)的制冷功率)的調(diào)整量，然后根據(jù)式(3)計(jì)算結(jié)果，得出等效模型中虛擬儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電功率。

2 建筑微網(wǎng)分層能量管理框架

本工作研究的建筑微網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文所提建筑微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度分為日前經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度及日間實(shí)時(shí)修正兩個(gè)時(shí)間尺度。

圖1 臺(tái)區(qū)下的某建筑微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of a building microgrid connected to a distribution station

2.1 日前調(diào)度

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

建筑微網(wǎng)在日前調(diào)度階段的優(yōu)化目標(biāo)是最小化其運(yùn)行費(fèi)用。因此含虛擬儲(chǔ)能系統(tǒng)的建筑微網(wǎng)日前調(diào)度目標(biāo)設(shè)為運(yùn)行成本最小，其目標(biāo)函數(shù)見(jiàn)式(4)：

式中，Pex,t是建筑微網(wǎng)向上級(jí)配電變電站買(mǎi)電的功率，本文暫不考慮建筑微網(wǎng)向上級(jí)配電變電站賣(mài)電的場(chǎng)景；Cph,t為微網(wǎng)從配電變電站購(gòu)電的價(jià)格；CPV_om為分布式光伏的維護(hù)成本；CEC_om為電制冷機(jī)的維護(hù)成本；PPV,t和PEC,t分別為t時(shí)刻光伏出力和制冷機(jī)電功率[21]。

2.1.2 約束條件

（1）電功率平衡：

式中，Pel為t時(shí)刻的電負(fù)荷。與很多研究微網(wǎng)能量管理的工作相同，本文將光伏出力考慮為不可控變量，不對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控[10,13,15-18]。因此，在模型中不對(duì)光伏的出力進(jìn)行約束，而是采用全部消納的策略，如式(5)所示。

（2）冷負(fù)荷平衡：

式中，Qcl,t是建筑的制冷負(fù)荷。

（3）建筑熱平衡如式(2)所示。

（4）電制冷機(jī)的運(yùn)行約束：

（5）建筑室內(nèi)溫度上下限約束：

2.2 日間修正

建筑微網(wǎng)在日間修正階段，通過(guò)實(shí)時(shí)記錄日前調(diào)度計(jì)算得到的微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線設(shè)定值，以及控制虛擬儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率，降低日前預(yù)測(cè)結(jié)果(負(fù)荷及分布式電源)的偏差，從而平抑微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率的波動(dòng)。優(yōu)化目標(biāo)設(shè)定為追蹤日前調(diào)度給定的微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線設(shè)定值，目標(biāo)函數(shù)見(jiàn)式(9)：

圖1 所示建筑微網(wǎng)含虛擬儲(chǔ)能的日間修正階段，模型的約束條件與日前調(diào)度模型相同，之后不再贅述。

2.3 多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度算法

本文所提建筑微網(wǎng)多時(shí)間尺度優(yōu)化算法見(jiàn)圖2。優(yōu)化調(diào)度算法包括日前經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度和日間實(shí)時(shí)修正兩個(gè)階段。為了有效調(diào)度虛擬儲(chǔ)能系統(tǒng)參與日間修正，提出包含上層調(diào)度和底層管理的雙層日間修正算法。具體流程如下。

圖2 建筑微網(wǎng)多時(shí)空優(yōu)化調(diào)度方法Fig.2 Flowchart of the multi-temporal optimal scheduling method for the building microgrid

（1）初始化：日前調(diào)度中，以運(yùn)行成本最小作為日前調(diào)度中的優(yōu)化目標(biāo)[見(jiàn)式(4)]；在日間修正中，將每日調(diào)度后的聯(lián)絡(luò)線指令作為每日修正的優(yōu)化目標(biāo)[見(jiàn)式(9)]。

（2）日前調(diào)度：以建筑微網(wǎng)負(fù)荷、可再生能源出力、室外環(huán)境及室內(nèi)熱源得熱量日前預(yù)測(cè)結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)日前優(yōu)化調(diào)度模型進(jìn)行計(jì)算，并生成日前調(diào)度計(jì)劃。

（3）日間修正：通過(guò)在建筑用戶溫度舒適度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)室溫，等效成虛擬儲(chǔ)能的充放電管理，從而跟蹤日前調(diào)度給定的微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線設(shè)定值，達(dá)到減小微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)的功能。

在上層調(diào)度中，主要任務(wù)是：以式(9)為目標(biāo)，根據(jù)日前調(diào)度計(jì)劃中的日間實(shí)時(shí)量測(cè)數(shù)據(jù)及聯(lián)絡(luò)線功率，求解最優(yōu)調(diào)度模型，生成建筑微網(wǎng)中的虛擬儲(chǔ)能系統(tǒng)目標(biāo)運(yùn)行設(shè)定點(diǎn)(包括虛擬儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電功率及室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)信號(hào))；在底層管理中，主要任務(wù)是：底層管理系統(tǒng)一方面根據(jù)日前調(diào)度計(jì)劃中生成的建筑室內(nèi)溫度調(diào)度指令及用戶的舒適度需求(室溫可調(diào)節(jié)范圍)，計(jì)算得到日間實(shí)際運(yùn)行階段中，建筑用戶不參與日間修正的實(shí)際制冷負(fù)荷，將結(jié)果向上傳遞給上層調(diào)度系統(tǒng)，以供上層調(diào)度系統(tǒng)生成虛擬儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)定點(diǎn)；另一方面，基于建筑虛擬儲(chǔ)能模型生成建筑微網(wǎng)中各個(gè)設(shè)備的功率調(diào)度指令。

圖3給出了多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度算法的執(zhí)行示意圖：日前調(diào)度階段的時(shí)間尺度為1小時(shí)，全天調(diào)度時(shí)間為24小時(shí)，因此日前調(diào)度階段共有n1=24個(gè)時(shí)段；日間修正階段的時(shí)間尺度為15 分鐘，全天調(diào)度時(shí)間為24小時(shí)，因此日間修正階段共有n2=96個(gè)時(shí)段。日前調(diào)度和日間修正的優(yōu)化問(wèn)題均為混合整數(shù)線性規(guī)劃問(wèn)題，可直接調(diào)用商業(yè)優(yōu)化求解器進(jìn)行求解[22]。為此，本文基于MATLAB-YALMIP聯(lián)合仿真平臺(tái)，通過(guò)調(diào)用CPLEX 商業(yè)求解器對(duì)日前調(diào)度和日間修正的優(yōu)化問(wèn)題求解[22]。聯(lián)合仿真計(jì)算平臺(tái)示意圖如圖4所示。整個(gè)計(jì)算平臺(tái)包括兩個(gè)計(jì)算模塊：①多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度建模模塊；②優(yōu)化計(jì)算模塊。日前調(diào)度及日間修正的優(yōu)化調(diào)度數(shù)學(xué)建模均在MATLAB-YALMIP 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。CPLEX 求解器集成在優(yōu)化計(jì)算模塊中，通過(guò)與多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度建模模塊的接口進(jìn)行模塊之間的數(shù)據(jù)通信，從而完成對(duì)日前調(diào)度及日間修正的優(yōu)化調(diào)度數(shù)學(xué)模型的求解。

圖3 多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度算法的執(zhí)行時(shí)間線Fig.3 Timeline of the multi-temporal optimal scheduling algorithm

圖4 多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度算法計(jì)算平臺(tái)Fig.4 Calculation platform of the multi-temporal optimal scheduling algorithm

3 算例分析

3.1 算例數(shù)據(jù)

對(duì)圖1中建筑微網(wǎng)進(jìn)行日前日間的多時(shí)間尺度模型分析。日前調(diào)度預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)為小時(shí)級(jí)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，日間調(diào)度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為15 min 級(jí)數(shù)據(jù)。建筑相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1[18]。算例采用的光照強(qiáng)度曲線、室外溫度的日前預(yù)測(cè)及日間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5。建筑微網(wǎng)中建筑設(shè)定為獨(dú)棟辦公建筑，假定建筑用戶辦公時(shí)間為8:00—20:00。

表1 建筑參數(shù)信息表Table 1 Building parameters

圖5 室外的溫度及光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)Fig.5 Data of the outdoor temperature and the solar radiation

某一典型日的光伏預(yù)測(cè)/實(shí)測(cè)曲線、電負(fù)荷預(yù)測(cè)/實(shí)測(cè)曲線以及室內(nèi)得熱預(yù)測(cè)/實(shí)測(cè)曲線如圖6 所示。本文不對(duì)光伏出力進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控，對(duì)其采用全部消納的策略。本文設(shè)定的光伏額定容量為100 kW，光伏的日前預(yù)測(cè)出力值為光照強(qiáng)度日前預(yù)測(cè)值乘以光伏額定容量，光伏的日間實(shí)際出力值為光照強(qiáng)度日間實(shí)際值乘以光伏額定容量。本工作日前優(yōu)化調(diào)度中采用的日前實(shí)時(shí)電價(jià)如圖7 所示。圖中所示的數(shù)字為建筑微網(wǎng)從電網(wǎng)買(mǎi)電時(shí)的價(jià)格，在建筑微網(wǎng)向電網(wǎng)賣(mài)電時(shí)，價(jià)格為買(mǎi)電價(jià)格乘以某一系數(shù)，本文設(shè)定系數(shù)為0.8。微網(wǎng)中設(shè)備相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2[21,23]。

表2 相關(guān)設(shè)備參數(shù)Table 2 Parameters of the energy equipment

圖6 建筑微網(wǎng)的預(yù)測(cè)及實(shí)測(cè)曲線Fig.6 The forecasting and real data of the building microgird

圖7 日前電價(jià)Fig.7 Day-ahead prices

3.2 算例分析

3.2.1 日前調(diào)度

建筑微網(wǎng)日前調(diào)度計(jì)劃中，假定用戶在工作時(shí)間內(nèi)可接受溫度在20～25 ℃內(nèi)被調(diào)整。用戶在非工作時(shí)間尺度中，其對(duì)室內(nèi)溫度無(wú)必須要求。如圖8 和圖9 所示為建筑微網(wǎng)融合虛擬儲(chǔ)能后的日前優(yōu)化調(diào)度結(jié)果。

圖8 日前電能優(yōu)化調(diào)度Fig.8 Optimal day-ahead scheduling of the electric power generation/consumption

圖9 日前制冷優(yōu)化調(diào)度Fig.9 Optimal day-ahead scheduling of the cooling power generation

從圖8結(jié)果可以看出，在辦公時(shí)間內(nèi)室內(nèi)溫度在22.5 ℃上下波動(dòng)，室內(nèi)溫度的變化會(huì)影響電制冷機(jī)電功率的消耗。從圖9所示結(jié)果可以看出，虛擬儲(chǔ)能系統(tǒng)在工作時(shí)間內(nèi)參與了日前優(yōu)化調(diào)度，從而一定程度上降低運(yùn)行成本。仿真計(jì)算結(jié)果表明，沒(méi)有引入虛擬儲(chǔ)能的建筑微網(wǎng)系統(tǒng)，其日前優(yōu)化調(diào)度的運(yùn)行成本為602.4元，而引入虛擬儲(chǔ)能的建筑微網(wǎng)，其運(yùn)行成本為578.7元，與不引入虛擬儲(chǔ)能的優(yōu)化調(diào)度情況下的結(jié)果相比較，運(yùn)行成本下降3.93%。

日前調(diào)度算例的結(jié)果表明，通過(guò)在用戶舒適溫度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，可以在日前優(yōu)化調(diào)度階段，調(diào)節(jié)虛擬儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電功率，從而在一定程度上減少建筑微網(wǎng)的運(yùn)行費(fèi)用。

3.2.2 日間修正

由圖5和圖6可知，建筑微網(wǎng)負(fù)荷、光伏出力、光照強(qiáng)度、室外溫度及室內(nèi)熱源得熱量的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際量測(cè)數(shù)據(jù)存在誤差，在日間的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，需要在日間修正中對(duì)功率指令進(jìn)行調(diào)整，從而對(duì)經(jīng)過(guò)日前調(diào)度計(jì)算而得到的微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線的設(shè)定值進(jìn)行跟蹤，減小微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)。虛擬儲(chǔ)能參與建筑微網(wǎng)日間修正的調(diào)度結(jié)果見(jiàn)圖10 和圖11。從圖10 結(jié)果可以看出，電制冷機(jī)功率和室內(nèi)溫度有明顯變化，即虛擬儲(chǔ)能系統(tǒng)中的充放電功率控制可以通過(guò)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度而實(shí)現(xiàn)。而在日間修正階段中應(yīng)用這種方法，可以達(dá)到減少微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)的效果。

圖10 日間電能優(yōu)化調(diào)度Fig.10 Optimal intra-day scheduling of the electric power generation/consumption

圖11 日間制冷優(yōu)化調(diào)度Fig.11 Optimal intra-day scheduling of the cooling power generation

從圖11 可以看到，底層管理中的日間修正階段，根據(jù)日間調(diào)度生成的室內(nèi)溫度調(diào)度指令，和基于用公式(2)構(gòu)建的虛擬儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的日間實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖11中的黑色實(shí)線)，計(jì)算出實(shí)際日間運(yùn)行中不參與日間修正的虛擬儲(chǔ)能系統(tǒng)的制冷需求，并送入上級(jí)調(diào)度系統(tǒng)。在上級(jí)調(diào)度系統(tǒng)中，運(yùn)用日間修正的最優(yōu)調(diào)度模型來(lái)計(jì)算得到虛擬儲(chǔ)能系統(tǒng)參與日間修正的建筑制冷需求，該需求以圖11中的黑色虛線表示。

我們?cè)O(shè)定以下兩種比對(duì)場(chǎng)景進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提方法的有效性。

場(chǎng)景一：系統(tǒng)根據(jù)日前調(diào)度生成的結(jié)果，進(jìn)行日間實(shí)時(shí)修正。場(chǎng)景一虛擬儲(chǔ)能系統(tǒng)不參與日間實(shí)時(shí)修正，建筑用戶室內(nèi)溫度保持22.5 ℃不參與調(diào)節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)由于日前預(yù)測(cè)誤差而引起的電/冷功率缺額時(shí)，全部以電能作為補(bǔ)充能源。該場(chǎng)景下日間調(diào)度的聯(lián)絡(luò)線功率如圖12中所示；

圖12 建筑微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率Fig.12 Electric tie-line power of building microgrid

場(chǎng)景二：根據(jù)日前調(diào)度計(jì)劃，考慮虛擬儲(chǔ)能系統(tǒng)以式(9)為調(diào)度目標(biāo)參與日間修正，所得功率結(jié)果如圖12所示。

對(duì)比場(chǎng)景一和場(chǎng)景二，不難看出，經(jīng)過(guò)對(duì)虛擬儲(chǔ)能充放電功率的日間調(diào)度來(lái)參與日間修正，場(chǎng)景二聯(lián)絡(luò)線功率的跟蹤效果優(yōu)于場(chǎng)景一，從而使得建筑微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率的波動(dòng)有了一定程度的降低。對(duì)建筑室溫進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以在日間調(diào)度階段跟蹤日前調(diào)度給定的微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線設(shè)定點(diǎn)，從而減少微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率的波動(dòng)。

從圖12 可以看到，場(chǎng)景二相對(duì)于場(chǎng)景一的室內(nèi)溫度波動(dòng)更加劇烈。這是因?yàn)閳?chǎng)景一作為對(duì)比場(chǎng)景不對(duì)虛擬儲(chǔ)能做調(diào)控，即室內(nèi)溫度一直保持為22.5 ℃而不做調(diào)節(jié)。場(chǎng)景二通過(guò)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬儲(chǔ)能的調(diào)控，因此相較于場(chǎng)景一的室內(nèi)溫度波動(dòng)更加劇烈。雖然場(chǎng)景二的室內(nèi)溫度變化比較劇烈，但是在建筑用戶的工作時(shí)間，室內(nèi)溫度一直保持在用戶設(shè)定的20～25 ℃溫度舒適度范圍內(nèi)，如圖12灰色框所示。

3.2.3 光伏接入容量影響分析

為充分體現(xiàn)建筑虛擬儲(chǔ)能在建筑微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度中的作用，本文突出高比例光伏接入建筑微網(wǎng)系統(tǒng)所帶來(lái)的影響，分別分析了光伏接入的額定容量分別為100 kW、150 kW、200 kW、250 kW 以及300 kW 情況下，建筑微網(wǎng)在日間修正階段的聯(lián)絡(luò)線功率修正情況。5 組光伏額定容量下的光伏出力曲線如圖13 所示，其中實(shí)線表示光伏日前預(yù)測(cè)出力曲線，虛線則表示光伏日內(nèi)的實(shí)測(cè)曲線。

圖13 不同光伏額定功率下的光伏出力曲線Fig.13 Power outputs of the PV units with different capacities

圖14 給出了在不同光伏額定功率下的微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率日間修正偏差，從圖中可以看到，隨著接入光伏額定容量的增大，微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率日間修正的偏差越來(lái)越大。以表3 所示的13:45 時(shí)刻為例，當(dāng)光伏額定容量為100 kW 時(shí)，日間修正階段經(jīng)過(guò)對(duì)虛擬儲(chǔ)能調(diào)度的微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線的功率偏差為0.69 kW；而隨著伏額定容量的逐漸增大到300 kW，微網(wǎng)在日間運(yùn)行階段的聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)越大，其偏差也增加至3.19 kW。對(duì)表3 的16:00時(shí)刻的仿真結(jié)果分析可得到相同結(jié)論。因此，由于光伏出力存在預(yù)測(cè)誤差，其接入的額定容量越大，則微網(wǎng)在日間運(yùn)行階段的聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)越大，相應(yīng)的聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)平滑難度也越大。

表3 13:45和16:00兩個(gè)時(shí)刻的微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率日間修正偏差Table 3 Errors of the electric tie-line power of thebuilding microgrid at the intra-day stage at 13:45 and 16:00

圖14 不同光伏額定功率下的微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率日間修正偏差Fig.14 Errors of the electric tie-line power of the building microgrid at the intra-day stage with different PV capacities

圖15 給出了日間修正階段不同光伏額定功率下的建筑室內(nèi)溫度。可以看出，由于接入光伏額定容量的增大，日間修正階段微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率的波動(dòng)增加，因此需要對(duì)建筑虛擬儲(chǔ)能進(jìn)行更加深度的調(diào)度以實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)的平抑，因此建筑室內(nèi)溫度的波動(dòng)也會(huì)更加劇烈。從圖15可以明顯看到，當(dāng)光伏的額定容量為300 kW 的時(shí)候，日間修正階段的建筑室內(nèi)溫度的波動(dòng)明顯大于光伏額定容量為100 kW 的室內(nèi)溫度波動(dòng)。需要注意的是，由于本工作考慮的日前預(yù)測(cè)誤差除了光伏出力外，還包括室外溫度、建筑常規(guī)電負(fù)荷、建筑室內(nèi)的熱量等，這些預(yù)測(cè)誤差也會(huì)引起日間運(yùn)行微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率的波動(dòng)。

圖15 日間修正階段不同光伏額定功率下的建筑室內(nèi)溫度Fig.15 Electric tie-line power of building microgrid

根據(jù)建筑虛擬儲(chǔ)能數(shù)學(xué)模型及上述分析可知，室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)范圍越大，虛擬儲(chǔ)能的效果越好。因此，室內(nèi)溫度上下限值的選取會(huì)決定虛擬儲(chǔ)能的可調(diào)度潛力，而通過(guò)改變?cè)O(shè)定的室內(nèi)溫度可調(diào)范圍，可實(shí)現(xiàn)虛擬儲(chǔ)能效果的控制。因此，建筑虛擬儲(chǔ)能模型具有一定的實(shí)用價(jià)值，其可以根據(jù)具體的使用場(chǎng)景來(lái)靈活調(diào)整其虛擬儲(chǔ)能效果。例如，如果用戶對(duì)于室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)比較敏感，則可以減小其溫度調(diào)節(jié)區(qū)間，反之亦然。此外，隨著我國(guó)用戶側(cè)商業(yè)模式和經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償制度的完善，越來(lái)越多的用戶會(huì)愿意參與到需求響應(yīng)中來(lái)。因此，進(jìn)一步完善引導(dǎo)樓宇用戶用能行為及激勵(lì)機(jī)制的方法可以擴(kuò)大虛擬儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用范圍及場(chǎng)景，也可以增強(qiáng)虛擬儲(chǔ)能系統(tǒng)的效果及潛力，從而為本文所提的虛擬儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供可能。

4 結(jié) 論

本工作以建筑微網(wǎng)中夏季時(shí)段制冷負(fù)荷為建?；A(chǔ)，利用建筑物固有的儲(chǔ)熱能力，構(gòu)建含有虛擬儲(chǔ)能的建筑模型。之后，建筑微網(wǎng)結(jié)合虛擬儲(chǔ)能，構(gòu)建多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度模型，結(jié)論如下。

（1）在日前調(diào)度階段，建立建筑微網(wǎng)日前優(yōu)化調(diào)度模型，在溫度舒適度范圍內(nèi)調(diào)控建筑室內(nèi)溫度，可在一定程度上減少微網(wǎng)的運(yùn)行費(fèi)用。

（2）日間修正階段，通過(guò)在溫度舒適度范圍內(nèi)對(duì)建筑室溫進(jìn)一步調(diào)控，以此跟蹤日前調(diào)度生成的微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線設(shè)定值，從而在一定程度上緩解由日前預(yù)測(cè)誤差導(dǎo)致的聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)。

本工作取得了一些進(jìn)展，但仍有若干問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。

（1）本工作虛擬儲(chǔ)能系統(tǒng)主要來(lái)自于獨(dú)棟辦公型建筑的蓄熱能力，容量相對(duì)較小，類(lèi)型較為單一。未來(lái)研究將探索更多類(lèi)型建筑的蓄熱特性，形成容量更大，類(lèi)型更為豐富的虛擬儲(chǔ)能系統(tǒng)，研究其在不同場(chǎng)景下參與微網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行的協(xié)調(diào)調(diào)度方法。

（2）本工作算例中所選取的典型日的光伏發(fā)電功率波動(dòng)性較小，未來(lái)將探索多種氣候條件或者極端氣候條件中光伏出力波動(dòng)較大的場(chǎng)景下，建筑微網(wǎng)融合虛擬儲(chǔ)能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度的響應(yīng)控制方法。

（3）本工作研究了夏季制冷場(chǎng)景，其中智能樓宇的制冷負(fù)荷是通過(guò)電制冷機(jī)實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，很多大型的智能樓宇的制冷/制熱負(fù)荷通過(guò)ICES中的區(qū)域集中供熱/供冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。因此，如何在集中供熱/供冷環(huán)境下，對(duì)單體智能樓宇及智能樓宇集群進(jìn)行建模及能量管理，并考慮電-冷-熱耦合系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化和互動(dòng)協(xié)同，需進(jìn)一步研究。