计及需求侧响应的含PET交直流混合系统日前优化调度

梁丹曦，宋 洁，彭笑东，朱玉婷，赵雪莹

（全球能源互联网研究院有限公司，北京 102211）

近年来，随着包括风电和光伏在内的大量分布式电源并网、电动汽车的普及、储能系统的广泛应用以及用户用电模式的改变，配电网潮流反向、电压越限、网络阻塞等一系列问题不断涌现。电力电子技术的进步推动了配电网智能化互联的发展，催生了交直流混合系统的出现。作为交直流混合系统中交直流分区间典型的能流中转站，电力电子变压器PET（power electronic transformer）是交/直流电网间能量路由的重要环节[1-3]。利用PET进行功率控制可有效提高系统交直流子网之间的功率交互能力，提升可再生能源的就地消纳水平[4]，相关研究受到广泛关注[5-6]。

文献[7]将PET应用于配电网无功优化，发现通过PET调控，系统电压水平明显提升；文献[8]提出了一种含PET的交直流混合系统日前优化调度方法；文献[9]根据PET结构，将三端口PET并网型交直流混合系统分为微网层、混合层和并网点层，进而提出了基于三端口PET的交直流混合系统分层多目标优化方法；文献[10]考虑低压交流系统三相负荷不对称特征，提出了基于PET的交直流混合系统电压不平衡协调抑制方法。然而，上述研究多关注交直流混合系统中PET单元的控制方法，忽略了PET与系统需求侧可响应资源的协同效应，限制了可再生能源的消纳水平。实际上，需求侧响应可为系统提供一种更加灵活的调节资源。例如，文献[11]计及用户需求响应能力，建立了系统“源-储-荷”多级协调的双层调度优化模型；文献[12]针对大型农场混合能源系统，建立了养殖区的功率可调整型负荷和生活区的时间可平移型负荷模型，并将其应用于系统的优化调度；文献[13]基于分时电价，以经济性最优为目标，构建了基于可信性机会约束的源-荷协同调控模型。

综上，目前在含PET的交直流混合系统优化运行和需求侧响应方面已有大量研究，但将两者相结合的研究还相对较少。为此，本文提出一种计及需求侧可控负荷响应及PET灵活调控能力的交直流混合系统日前优化调度方法。首先，本文构建了计及损耗特性的PET优化调度模型；然后，计及需求侧负荷响应能力，提出含PET的交直流混合系统日前优化调度方法；最后，通过利用典型交直流混合系统算例对上述方法进行验证。结果表明，本文方法可实现交直流混合系统实现了“源-储-荷”协调运行，系统运行经济性和间歇性分布式电源出力消纳水平显著提升。

1 含PET交直流混合系统建模

1.1 PET优化调度模型

PET作为系统交流区域和直流区域之间的能量调控单元，可有效协调系统电能平衡。考虑到PET内部存在部分有功损耗，定义η为PET功率转换系数。本文以三端口PET为例，建立计及损耗的PET调度模型，其拓扑结构如图1所示。

图1 PET三端口等效模型Fig.1 Three-port equivalent model of PET

对于三端口PET有下式成立：

此外，为保证PET运行在安全状态，3个端口的交互功率存在以下功率约束：

式中：PM_max为PET与主网最大交互功率；PAC_max为PET与交流区域最大交互功率；PDC_max为PET与直流区域最大交互功率。

1.2 微型燃气轮机模型

优化过程中，微型燃气轮机MT（micro gas tur-bine）的输出功率可作为模型的控制变量，其运行约束如下：

1.3 蓄电池储能系统模型

对于蓄电池储能系统的运行约束，考虑以下3个方面：①储能系统在每一时刻会存在自身放电，因此下一时刻储能系统的储能量等于上一时刻储能系统自放电后所剩余电能与这一时刻充放电能之和；②储能系统每一时刻充放电功率存在上限、下限；③储能系统在最终时刻的储能量与初始时刻的储能量相同，以保证储能系统长期运行。3个约束条件可分别表示为

1.4 需求侧负荷模型

本文系统需求侧负荷分为不可控和可控两类，对于不可控负荷，功率为恒定值、不可控；对于可控负荷，则可在需求时段进行灵活控制（如暖通负荷，可通过控制其运行时间、温度设定值等进行削减）。基于此特性，可控负荷可有效参与到系统优化调度中来。本文所提需求侧负荷模型可分别表示为

2 计及需求侧响应的含PET交直流混合系统日前优化调度模型

2.1 目标函数

本文以系统运行费用最小为目标函数，建立计及需求侧响应的含PET交直流混合系统日前优化调度模型，运行费用将综合考虑设备维护成本、MT发电成本、购售电成本、储能损耗成本及需求侧可控负荷削减成本。考虑到本文重点关注PET与需求侧响应负荷的协同效应，本文假设预测环节可以在日前精确获取风电、光伏的出力曲线。

2.1.1 设备维护成本

设备在运行过程中需要养护，本模型考虑风力发电机和光伏的维护成本F1，维护成本F1与设备输出功率有关，即

2.1.2 MT发电成本

MT发电成本F2可表示为

式中，mMT为MT发电成本系数。

2.1.3 购售电成本F3

除了交流区域和直流区域外，交直流混合系统还与主网相连。当自身系统中存在电能盈余时，可以通过将盈余的电能卖给主网来实现盈利；当自身系统中电能不足时，可通过向主网购电来平衡交直流混合系统的电能不足。因此，购售电的总成本为购电成本与售电盈利的总和，即

2.1.4 电储能损耗成本F4

电储能在系统运行过程中会不断地充电和放电，在充放电过程中会存在电能的损耗。该损耗与储能系统充放电的功率有关。因此储能损耗成本可表示为

式中，mB为储能的损耗成本系数。

2.1.5 需求侧可控负荷削减成本F5

当系统供不应求时，会对系统需求侧的可控负荷进行削减，此时会产生负荷削减成本F5，F5包括t时刻可控交流负荷和可控直流负荷的削减成本，即

2.2 约束条件

运行约束主要考虑交直流混合系统的潮流约束、系统各部分元件的运行约束、系统的功率平衡约束。

（1）系统功率平衡约束。系统交流网络和直流网络的功率可分别表示为

将式（29）和式（30）代入式（7）可得到系统的功率平衡约束为

对于PET、MT、储能电池以及需求侧负荷的约束，已在式（8）～（22）中给出。

（2）交流网络约束。t时刻交流网络节点电压约束和线路功率约束可分别表示为

式中：Ui,t_min、Ui,t_max分别为t时刻节点i的电压下限和上限；Pij,t_max为t时刻线路ij的有功功率上限。

（3）直流网络约束。直流支路有功功率约束和直流网络节点电压约束可分别表示为

式中：Pdc,ij,t为t时刻直流支路ij的有功功率；Pdc,ij_max为直流支路ij的有功功率上限；Udc,i,t为t时刻节点i的电压；Udc,i,t_min、Udc,i,t_max分别为t时刻节点i的电压下限和上限。

3 算例分析

3.1 算例系统

以图2所示典型的含PET的交直流混合系统为例，PET的3个端口分别和交流网络、直流网络和上游电网相连。交流网络中包含MT、风机、交流可控负荷及不可控负荷，每时段MT的发电量及可控负荷削减量可优化控制，其余为给定值。直流网络包括光伏发电单元、电池储能装置、直流可控负荷及不可控负荷。其中，各时刻储能系统储能量、直流可控负荷的削减量为控制变量，光伏出力和不可控负荷为给定值。储能系统充放电状态由优化结果确定。算例对计及需求侧响应和含PET交直流混合系统进行日前优化调度，取优化调度步长为1 h，忽略储能电池自放电系数σ，系统的设备配置参数及各部分成本系数如表1所示。主网购售电电价如表2所示。

表1 系统参数Tab.1 System parameters

表2 主网购售电电价Tab.2 Purchase and selling electricity prices of distribution network

图2 含PET交直流混合系统拓扑结构Fig.2 Topology of AC/DC hybrid system with PET

3.2 算例结果及分析

图3中给出了日内PET直流端口和交流端口的功率交互方案，其中正值、负值分别表示功率从交流/直流系统流出或注入。表3给出了日内PET所连接的交流系统、直流系统及主网3部分的状态值和运行状态。

图3 PET交直流端口输出功率Fig.3 Output power from AC/DC port of PET

表3 PET三端口的状态值Tab.3 Three-port status values of PET

从算例结果可以看出，在1～5 h时段内，由于光伏出力较小，直流网络功率不足，此时交流网络功率过剩，则功率由交流流向直流部分，以实现可再生能源的消纳。由实时电价可知，此时主网购电为谷时电价，明显低于MT单位发电成本，主网购电量也达到上限，所以应该尽可能减少MT出力来降低运行成本。

在6～8 h时段内，直流网络光伏出力不能满足负荷需求，而交流网络也由于风机出力下降而导致供不应求，此时直流网络和交流网络都处于功率不足状态，系统从主网购电来满足其功率需求。当t=6 h时，主网购电已达到上限仍不能满足交直流系统的功率需求，此时将出现负荷削减现象。

在9～14 h时段内，直流网络由于光伏出力增多开始出现盈余，交流网络由于风速持续下降导致功率不足，此时功率由直流网络流向交流网络，可见，当t=9 h时，主网为购电状态。而在10～14 h时段内，主网为售电状态，这是由于当t=9 h时，主网为平时电价，而在10～14 h时段内，主网为峰时电价，此时微燃机发电成本及负荷削减成本均低于向主网售电的成本，故此时间段交直流混合系统向主网售电一直保持在端口上限，以提高系统运行收益。

当t=15 h时，交流网络正好达到自给自足状态，由于此时仍为峰时电价，此时直流网络的盈余全部输送至主网来降低运行成本。当t=16 h时，直流网络功率有所盈余，交流网络功率不足，直流网络的盈余功率不足以平衡交流网络的功率缺额，因为此时主网为平时电价，从主网购电比负荷削减成本低，因此从主网购电来平衡不足的功率。当t=17 h时，交流网络和直流网络都处于功率不足状态，此时系统运行状态同7～8 h时段。当t=18 h时，交流网络和直流网络都出于功率盈余状态，主网处于峰时电价，负荷削减成本低于向主网售电的成本，交流网络和直流网络都出现负荷削减，盈余的电能都卖至主网。

在19～24 h时段内，直流网络由于光伏出力下降处于功率不足状态，交流网络由于风速上升处于功率盈余状态。在19～21 h时段内，由于主网处于峰时电价，此时交流网络MT满载运行，盈余功率除去传输至直流网络外，还输送至主网以实现最大获利。在22～24 h时段内，主网处于谷时电价，交直流系统从主网购电成本更低，故交直流网络向主网购电量保持在端口上限值。

图4给出了储能、主网交互功率与主网购电成本的关系，储能为正值时表示充电，储能为负值时表示放电；主网交互功率为正值时表示功率从主网流向交直流混合系统，主网交互功率为负值时表示功率从交直流混合系统流向主网。从图4中可以看出，储能与主网交互功率的行为与主网购电成本有很强的关联性。当主网购电成本低时，储能进行充电，交直流混合系统从主网购电；当主网购电成本高时，储能进行放电，交直流混合系统向主网售电，这体现了优化调度的全局性与经济性。

图4 储能、主网交互功率与主网购电成本的关系Fig.4 Diagram of relation among energy storage power，distribution network’s interactive power，and distribution network’s power purchase cost

4 结语

本文引入PET净输入功率这一物理量建立了PET的含损优化调度模型，并在此基础上提出了计及需求侧响应的含PET的交直流混合系统日前优化调度方法，实现了包含分布式发电、储能系统、需求侧负荷在内的交直流混合系统“源-储-荷”协调运行。仿真验证结果表明，本文方法有效提高了含PET交直流混合系统的供电的灵活性和经济性，可再生能源消纳能力明显提升。