计及综合需求响应的能源路由器多时间尺度调度

尹杰　娄柯　李冬玉　巩冠华

摘 要：为解决可再生能源的有效利用问题，能源互联网技术应运而生，而作为能源互联网的关键设备，能源路由器的研究至关重要。本文以能源路由器为主体，围绕其调度策略展开研究。基于模型预测控制方法，提出一种计及综合需求响应的多时间尺度调度策略，并建立计算机仿真模型对调度策略进行验证。仿真结果表明，该策略将不同负荷的响应差异性考虑在内，通过调整负荷及设备出力情况平抑功率波动，提高能源互联网的经济稳定性。

关键词：综合需求响应；能源互联网；能源路由器；多时间尺度

中图分类号：TP393  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2023）05-0036-04

1 引言

能源路由器作为能源互联网的核心装置，既与电网交互，又与负载及储能单元相连，既可以根据不同需求响应对负荷进行削减，又能合理调整各能源装置的出力情况，完成能源互联网优化调度。阮博等[1]将微电网功率平衡考虑在内，基于一致性理论，搭建分布式能量管理调度模型，降低微电网运行成本。张政斌等[2]提出源荷储联合调度，提高微网的经济效益。杨帅等[3]搭建电热综合能源系统调度模型，基于电热负荷增强微电网对风电的消纳。张伊宁等[4]搭建电气综合能源系统调度模型，结合需求响应优化负荷曲线，提高系统运行效率。蔡颖凯等[5]聚焦于提高综合能源系统需求侧的灵活性，同时将调度策略建模为双层规划问题并求解。然而上述文献只建立了包含两种负荷的能源系统，对多种负荷的综合需求响应研究较少。将电、气、热、冷四种负荷的综合需求响应考虑在内，同时与多时间尺度调度策略相结合，促进能源互联网经济稳定运行。

2 综合需求响应

综合需求响应是能源互联网与作为能源消费方的用户签订协议，按照协议的相关规定获得响应的可削减负荷量和补偿价格等数据。能源路由器会按照不同负荷的响应特性或是对能源消费方造成的影响程度大小，选择对应的需求响应策略。

2.1 能源路由器结构

能源路由器结构如图1所示，包括交流配电网、负载模块、储能单元及分布式单元。负载模块分为交直流负载，储能单元分为能量存储设备和转换设备。存储设备包括蓄电池、蓄热槽和储气罐等。转换设备包括燃气锅炉和电转气设备等。分布式单元则包括风能、光伏及冷热电联产系统等，其中冷热电联产系统包括燃气轮机和吸收式制冷机等。

2.2 电、气负荷需求响应

2.3 热、冷负荷需求响应

2.4 约束条件

3 多时间尺度调度策略

根据负荷的预测精度与时间负相关，本文搭建了能源路由器多时间尺度模型。图2为计及综合需求响应的多时间尺度策略流程图。采用MPC法，短时间尺度选用5分钟级，长时间尺度选用15分钟级[7，8]。

3.1 长时间调度模型

长短时间尺度调度模型在日前调度的基础上，采用MPC法，利用調动策略去限制各个类型能源的功率变化情况。长时间调度模型从t₀刻起，选用15分钟级获取的各个负荷的数据变化，修正各模块在之后的15分钟间的调度策略，从而限制各负荷的功率变化。长时间调度期间的要求是使长时间尺度总成本达到最少。

3.2 短时间调度模型

短时间调度模型基于更新后5分钟级的源荷预测数据，继续执行各模块长时间调度后修正的运行策略，采用调整购电功率、加入超级电容器以及调整用电策略等方式来限制调度时间不长的电功率。短时间调度期间的要求是使短时间尺度总成本达到最少。

4 算例验证

4.1 相关参数

为了验证提能源路由器调度策略的经济性与效益性，故对多时间尺度模型进行仿真。通过日前预测数据以及对应的概率产生日内数据。假设不同能源出力情况和各个负荷需求情况的预测都满足正态分布，其误差范围见表1。

4.2 结果分析

本文设计3种方案进行对比，各方案最终的成本对比情况如表3所示。

方案1：选择基于DA-P的调度策略。DA-P是指能源路由器基于调控结果，而日内由预测误差导致的联络线功率波动都由外部电网平抑。

方案2：只采取多时间尺度调度，不涉及综合需求响应。

方案3：计及综合需求响应的多时间尺度调度策略。

（1）方案1、2分析

方案1选取DA-P策略，故增加了许多购电、气成本，使得能源路由器的运行成本及联络线交互功率波动都增大了。而方案2选择多时间尺度策略，其长时间调度利用改变不同模块设备输出功率的方式修正预测误差导致的功率波动，短时间调度使用超级电容器来平抑调度时长较短的电功率波动。由表3可知，方案2的能源互联网总成本和联络线交互功率波动率相比方案1减少了884.3元和7.42%。

（2）方案3分析

方案3综合考虑了四种负荷的综合需求响应，长时间调度结合了改变不同模块设备出力情况和采取调整负荷两种方式来平抑功率波动，短时间调度则在超级电容器的平抑基础上，还采取调整电负荷的方式减少电功率波动。由表3可知，方案3的总成本和联络线交互功率波动率相比方案1减少了1340.2元和11.12%。

4.3 综合需求响应优化结果

图3是计及综合需求响应的四种负荷削减前后对比。因为各模块设备出力情况调整的惩罚成本相对更高，而削减负荷可以比较好地减少各模块设备的修正情况，降低功率波动率。如电负荷在负荷高峰期时削减量相对更大，所以可以采取对电负荷进行调整的方式去减少各模块设备出力情况修正的成本。由于削减负荷能够比较好地减少和大电网交互过程中的联络线功率波动性，从而增强能源互联网的经济稳定性。除电负荷外，其他几种负荷同样在对应的用能高峰期存在部分削减的情况，然而综合需求响应资源受限。故为避免用户用能满意度降低，在非负荷高峰期时一般不进行对负荷的调整。

4.4 设备出力情况

图4展示了能源设备的出力情况，调度策略将不同负荷能源的调度差异性考虑在内，同时结合多时间尺度调度，从而修正的各模块设备的出力情况，让能源路由器内不同的能源模块均加入到平抑功率波动中。各能源设备在调度策略作用下采取修正自身出力情况去降低功率波动。

5 总结

以能源路由器为主体，提出了能源路由器的调度策略，考虑不同负荷的需求响应，同时结合多时间尺度调度策略。在MATLAB平台建立调度策略模型并利用Cplex进行求解。通过三种场景下的成本差异、不同负荷削减前后结果及各装置出力情况对比，得出以下结论：

（1）多时间尺度调度策略采取改变能源装置的输出功率去减少预测误差导致的功率波动。

（2）综合需求响应策略采取调整负荷的方式减小设备的出力变化量，从而减少能源路由器与大电网的交互，降低联络线交互功率波动。

（3）能源路由器调度策略既可以发挥负荷响应的潜力，又可以减少各模块设备的出力调整成本，降低功率波动情况，促进能源互联网经济稳定运行。

参考文献：

〔1〕阮博，俞德华，李斯吾.基于一致性的微网分布式能量管理调度策略[J].电力系统保护与控制，2018， 46（15）：23-28.

〔2〕张政斌，叶鹏，张娜，等.基于能源路由器的微网源荷储联合优化调度[J].河北电力技术，2022，41（03）：30-36.

〔3〕杨帅，陈磊，徐飞，等.基于能量流的电热综合能源系统弃风消纳优化调度模型[J].电网技术，2018， 42（02）：417-426.

〔4〕张伊宁，何宇斌，晏鸣宇，等.计及需求响应与动态气潮流的电—气综合能源系统优化调度[J].电力系统自动化，2018，42（20）：1-8.

〔5〕蔡颖凯，张冶，曹世龙，等.面向综合需求响应的综合能源系统优化调度[J].电网与清洁能源，2022， 38（09）：65-72.

〔6〕汤翔鹰，胡炎，耿琪，等.考虑多能灵活性的综合能源系统多时间尺度优化调度[J].电力系统自动化，2021，45（04）：81-90.

〔7〕王成山，吕超贤，李鹏，等.园区型综合能源系统多时间尺度模型预测优化调度[J].中国电机工程学报，2019，39（23）：6791-6803+7093.

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〔9〕葛少云，刘静仪，刘洪，等.需求响应机制下含建筑虚拟储能的能源站经济调度[J].电力系统自动化，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.