發(fā)布時(shí)間：2021-12-02所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：近年來，快速發(fā)展的智能家居行業(yè)為用戶側(cè)資源的接入管理創(chuàng)造條件，具有參與微電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行的巨大潛力。文章考慮智能家居平臺(tái)(SmartHomePlatform，SHP)參與微電網(wǎng)需求響應(yīng)的場(chǎng)景，提出一種社區(qū)微電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化策略。首先，制定保證微電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商(MicrogridOperator
摘要：近年來，快速發(fā)展的智能家居行業(yè)為用戶側(cè)資源的接入管理創(chuàng)造條件，具有參與微電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行的巨大潛力。文章考慮智能家居平臺(tái)(SmartHomePlatform，SHP)參與微電網(wǎng)需求響應(yīng)的場(chǎng)景，提出一種社區(qū)微電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化策略。首先，制定保證微電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商(MicrogridOperator，MGO)與用戶利益得到帕累托(Pareto)改進(jìn)的實(shí)時(shí)電價(jià)定價(jià)原則;然后，以MGO收益最大和SHP綜合成本最小為目標(biāo)，建立主從博弈模型，并結(jié)合KKT條件和拉格朗日對(duì)偶思想對(duì)問題進(jìn)行求解;最后，算例仿真結(jié)果表明，所提策略可以改善微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商經(jīng)濟(jì)效益和智能家庭平臺(tái)綜合成本，保證用戶參與需求響應(yīng)的積極性。
關(guān)鍵詞：智能家居;需求響應(yīng);帕累托(Pareto)改進(jìn);主從博弈
0 引言
社區(qū)微電網(wǎng)是并網(wǎng)型微電網(wǎng)的一個(gè)典型應(yīng)用場(chǎng)景，其將分布式電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)分布式電源的有效管理，為消費(fèi)者提供經(jīng)濟(jì)、安全、可靠的供電服務(wù)[1]。社區(qū)微電網(wǎng)通常處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，電源供能不足時(shí)可以通過大電網(wǎng)補(bǔ)充缺額，供能富余時(shí)又可將多余電量上網(wǎng)銷售。光伏、風(fēng)電等分布式電源出力具有間歇性和波動(dòng)性，傳統(tǒng)微電網(wǎng)依靠?jī)?chǔ)能裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，成本高且容量較小[2]。某些情況下還需要通過與外部電網(wǎng)進(jìn)行功率交互，以維持系統(tǒng)內(nèi)部功率平衡，由于微網(wǎng)購(gòu)電價(jià)格中包含輸配電成本、政府性基金及附加等元素，一般高于其上網(wǎng)售電電價(jià)，當(dāng)分布式電源出力不足時(shí)，向外部電網(wǎng)大量購(gòu)電會(huì)使微電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商(MicrogridOperator，MGO)經(jīng)濟(jì)利益降低。因此，靈活性、經(jīng)濟(jì)性俱佳的需求側(cè)資源受到了越來越多的關(guān)注[3-4]。
用戶負(fù)荷是優(yōu)質(zhì)的需求側(cè)資源，但個(gè)體用戶負(fù)荷小且較為分散，微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商不能直接控制用戶內(nèi)部負(fù)荷，針對(duì)個(gè)體用戶實(shí)行激勵(lì)補(bǔ)償或?qū)崟r(shí)電價(jià)等形式的需求響應(yīng)也不易實(shí)現(xiàn)，如何合理開發(fā)和利用需求側(cè)資源成為微網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化的一個(gè)難題。文獻(xiàn)[5-7]在微網(wǎng)的運(yùn)行優(yōu)化中采用需求價(jià)格彈性對(duì)用戶的響應(yīng)行為進(jìn)行建模。上述基于電量電價(jià)彈性系數(shù)的用戶簡(jiǎn)化模型能有效提高計(jì)算效率，但準(zhǔn)確度相對(duì)較低。文獻(xiàn)[8-9]分別對(duì)用戶參與需求響應(yīng)的轉(zhuǎn)移負(fù)荷和可中斷負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償，激勵(lì)用戶調(diào)整相關(guān)用電設(shè)備以實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度，但在研究中未對(duì)負(fù)荷響應(yīng)的具體實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行明確。文獻(xiàn)[10]通過對(duì)內(nèi)部各分散空調(diào)進(jìn)行周期性暫停控制，實(shí)現(xiàn)了微網(wǎng)在負(fù)荷高峰時(shí)期負(fù)荷削減。微網(wǎng)采用直接控制的方式對(duì)負(fù)荷進(jìn)行管理，控制精度高，但存在投資費(fèi)用高和時(shí)效性較差等問題。文獻(xiàn)[11]引入基于實(shí)時(shí)電價(jià)的需求響應(yīng)，通過實(shí)時(shí)電價(jià)引導(dǎo)用戶用電行為，可以保證響應(yīng)的實(shí)時(shí)性，但在制定電價(jià)時(shí)需注意平衡微網(wǎng)與用戶雙方的利益，以保證用戶參與需求響應(yīng)的積極性。
近年來，智能家居逐漸滲透到居民的日常生活，為用戶負(fù)荷參與需求側(cè)響應(yīng)提供了新的解決方案。新型智能家電具備聯(lián)網(wǎng)功能，傳統(tǒng)家電也可借助智能插座實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，國(guó)內(nèi)美的、小米、華為等代表性企業(yè)的智能家居平臺(tái)(SmartHomePlatform，SHP)均已形成了巨大的用戶群體。未來，智能家居不僅能為用戶提供便捷的互動(dòng)操作，還可以實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部的用能管理，同時(shí)可以參與自動(dòng)需求響應(yīng)，進(jìn)一步提高用戶效益[12]。由于智能家居符合行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)和用戶實(shí)際需求，微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商借助與智能家居平臺(tái)的互動(dòng)進(jìn)行輔助調(diào)節(jié)時(shí)不需要投入額外的建設(shè)成本。
綜上所述，本文研究考慮智能家居平臺(tái)參與自動(dòng)需求響應(yīng)時(shí)的微電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化策略，提出智能家居平臺(tái)聚合負(fù)荷參與自動(dòng)需求響應(yīng)的框架，并設(shè)計(jì)一種帕累托(Pareto)改進(jìn)的需求響應(yīng)機(jī)制。首先，建立微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商收益模型和考慮用戶舒適度的智能家居平臺(tái)綜合成本模型，在此基礎(chǔ)上建立兼顧微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商與智能家居平臺(tái)雙方利益的主從博弈模型;然后，通過KKT(Karush–Kuhn–Tucker)條件和對(duì)偶思想對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化和求解;最后，構(gòu)建算例對(duì)所提模型的合理性和有效性進(jìn)行分析。
1SHP參與需求響應(yīng)的微電網(wǎng)運(yùn)行框架和定價(jià)機(jī)制
如圖1所示，在微網(wǎng)系統(tǒng)中，MGO可對(duì)分布式電源和儲(chǔ)能裝置進(jìn)行直接調(diào)度，用戶側(cè)可控負(fù)荷由SHP代為托管參與微網(wǎng)需求響應(yīng)。本文所提SHP參與需求響應(yīng)的微電網(wǎng)運(yùn)行框架如圖2所示。用戶可控負(fù)荷接入智能家居平臺(tái)，并實(shí)時(shí)上傳自身運(yùn)行狀態(tài)信息和用戶設(shè)定的運(yùn)行條件要求。SHP根據(jù)各用戶的上傳信息對(duì)負(fù)荷進(jìn)行等值聚合，代表用戶為微網(wǎng)提供需求響應(yīng)服務(wù)。MGO通過向SHP發(fā)布電力價(jià)格信號(hào)，引導(dǎo)其參與需求響應(yīng)，在接收到電價(jià)信號(hào)后，智能家居平臺(tái)綜合考慮所有用戶的整體利益做出決策，并控制相應(yīng)設(shè)備以完成響應(yīng)。
MGO通過電價(jià)信號(hào)引導(dǎo)SHP參與需求響應(yīng)，以提高自身經(jīng)濟(jì)利益，為調(diào)動(dòng)用戶的積極性，本文設(shè)計(jì)電價(jià)機(jī)制的基本原則為：相較于固定電價(jià)，MGO提供需求響應(yīng)電價(jià)可實(shí)現(xiàn)自身和SHP雙方利益的Pareto改進(jìn)。
2 基于主從博弈的微網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化模型
2.1上層微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商優(yōu)化模型
MGO通過優(yōu)化儲(chǔ)能裝置的充放電行為、各時(shí)段的需求響應(yīng)電價(jià)及與外部電網(wǎng)的功率交互，在保證微網(wǎng)內(nèi)部功率平衡的前提下，提高自身的經(jīng)濟(jì)效益。
2.2下層智能家居平臺(tái)優(yōu)化模型
2.2.1 智能家居平臺(tái)聚合模型
在眾多具備調(diào)節(jié)能力的用電負(fù)荷中，空調(diào)是一種典型的需求側(cè)響應(yīng)資源。其負(fù)荷體量大、調(diào)節(jié)潛力可觀，相較于洗衣機(jī)、洗碗機(jī)等用戶可平移負(fù)荷，短時(shí)間內(nèi)對(duì)空調(diào)進(jìn)行功率調(diào)整對(duì)用戶沒有明顯的影響，可以實(shí)行連續(xù)控制[13-15]。智能空調(diào)的發(fā)展也處于智能家居行業(yè)的領(lǐng)先地位，已基本具備參與需求響應(yīng)的前提條件[16-17]。因此，本文以空調(diào)為例作為SHP的控制對(duì)象進(jìn)行研究。
2.3求解過程
由于在本文所提電價(jià)機(jī)制下MGO和SHP可以實(shí)現(xiàn)Pareto改進(jìn)，SHP將自身運(yùn)行模型上傳給MGO，故本文采用集中優(yōu)化的方式對(duì)定價(jià)問題進(jìn)行求解以提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。對(duì)于上述雙層優(yōu)化問題，下層問題采用KKT條件進(jìn)行等值替代，從而將雙層問題轉(zhuǎn)化為單層問題進(jìn)行求解。
3 算例分析
本文根據(jù)圖1所示微網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)建仿真算例，以驗(yàn)證所提模型的合理性和有效性，算例程序在MATLAB仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，并通過在GAMS中調(diào)用Gurobi求解器進(jìn)行求解。
3.1算例設(shè)置
微網(wǎng)全天的光伏、風(fēng)電出力及剛性負(fù)荷曲線如圖3所示。儲(chǔ)能裝置額定容量為1000kW⋅h，其初始容量及運(yùn)行時(shí)允許的最大、最小剩余容量分別為50%、90%、20%的額定容量，額定充放電功率為200kW，儲(chǔ)能充放電效率為90%，單位容量的調(diào)節(jié)成本為0.10元/(kW⋅h)。
本算例中，SHP共接入空調(diào)設(shè)備4000臺(tái)，空調(diào)負(fù)荷參數(shù)的取值范圍如表1所示，各空調(diào)設(shè)備的參數(shù)在取值范圍內(nèi)服從均勻分布，并取用戶舒適度的懲罰系數(shù)為0.2×10–6。
各時(shí)段的室外溫度曲線及微網(wǎng)購(gòu)電價(jià)格曲線如圖4所示。微網(wǎng)上網(wǎng)售電價(jià)格取0.30元/(kW⋅h)，微網(wǎng)內(nèi)用戶的基本電價(jià)為0.60元/(kW⋅h)。
為說明本文所提策略的合理性和可行性，設(shè)置以下3個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)比分析。
1)場(chǎng)景1。對(duì)空調(diào)負(fù)荷提供固定基本電價(jià)，且不考慮儲(chǔ)能裝置參與微網(wǎng)調(diào)節(jié)。
2)場(chǎng)景2。對(duì)空調(diào)負(fù)荷提供固定基本電價(jià)，只考慮儲(chǔ)能裝置參與微網(wǎng)調(diào)節(jié)。
3)場(chǎng)景3。采用本文所述的策略，即對(duì)空調(diào)負(fù)荷提供折扣電價(jià)，并考慮儲(chǔ)能裝置參與微網(wǎng)調(diào)節(jié)。
3.2微網(wǎng)優(yōu)化效果分析
本文設(shè)定總優(yōu)化時(shí)段為24h，以每15min為1個(gè)斷面并以6h為滾動(dòng)優(yōu)化時(shí)間窗，求解上述3種場(chǎng)景中的微網(wǎng)運(yùn)行策略，得到各場(chǎng)景下微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商總收益、購(gòu)電費(fèi)用、售電收入、SHP電費(fèi)及儲(chǔ)能調(diào)節(jié)費(fèi)用多項(xiàng)指標(biāo)的對(duì)比結(jié)果，如表2所示。微網(wǎng)在場(chǎng)景1和場(chǎng)景2下的聯(lián)絡(luò)線功率對(duì)比和儲(chǔ)能調(diào)度結(jié)果如圖5所示。由圖5(a)可見，黃色區(qū)域表示儲(chǔ)能裝置充電功率，綠色區(qū)域表示儲(chǔ)能裝置放電功率。MGO在考慮儲(chǔ)能裝置參與調(diào)節(jié)時(shí)，控制其在微網(wǎng)電能富余的時(shí)間進(jìn)行充電，并在微網(wǎng)供能不足且購(gòu)電價(jià)格相對(duì)較高的時(shí)段(高于微網(wǎng)上網(wǎng)電價(jià)和儲(chǔ)能的充放電調(diào)節(jié)成本)放電，可以降低微網(wǎng)運(yùn)行成本，提高M(jìn)GO的經(jīng)濟(jì)效益。由圖5(b)可見，MGO控制儲(chǔ)能裝置在4:15—6:45以及11:00—15:302個(gè)微網(wǎng)電能富余的時(shí)段進(jìn)行充電，在微網(wǎng)供能不足的8:15—10:45時(shí)段及15:45—19:00時(shí)段進(jìn)行放電，從而在購(gòu)電價(jià)格較高的時(shí)段減少微網(wǎng)購(gòu)電功率，降低購(gòu)電成本。由表2可知，MGO在場(chǎng)景2中的總收益為38410.61元，與場(chǎng)景1相比增加了318.81元。在場(chǎng)景2中，雖然儲(chǔ)能的動(dòng)作產(chǎn)生了調(diào)節(jié)費(fèi)用并減少了部分售電收入，但同時(shí)節(jié)省了更多的購(gòu)電成本，從而能夠提高微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商的經(jīng)濟(jì)效益。
場(chǎng)景3下微網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果如圖6所示。場(chǎng)景3較場(chǎng)景1增加空調(diào)需求響應(yīng)和儲(chǔ)能裝置調(diào)節(jié)，由圖6(a)可見，粉色區(qū)域和黃色區(qū)域分別表示儲(chǔ)能和SHP參與需求響應(yīng)對(duì)微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率的影響。由場(chǎng)景1的聯(lián)絡(luò)線功率曲線圖可以看出，微網(wǎng)在7:00—10:45時(shí)段電能缺額較大，且購(gòu)電價(jià)格較高，僅靠?jī)?chǔ)能調(diào)節(jié)無法有效改善自身經(jīng)濟(jì)效益，需通過電價(jià)信號(hào)引導(dǎo)用戶側(cè)可控負(fù)荷向電能富余的時(shí)段轉(zhuǎn)移。
由圖6(b)可見，MGO在5:15—6:45、12:30—16:15、21:15—24:00時(shí)段為SHP提供折扣電價(jià)，以引導(dǎo)用戶參與需求響應(yīng)，實(shí)行需求響應(yīng)后SHP聚合空調(diào)負(fù)荷用電主要集中在微網(wǎng)電能富余的5:30—6:15時(shí)段、10:15—15:30時(shí)段及21:15—24:00時(shí)段，減少此時(shí)段內(nèi)微網(wǎng)的售電量，由于用戶電價(jià)高于向大電網(wǎng)售電的價(jià)格，故在電能富余時(shí)段引導(dǎo)用戶增加用電可以增加微電網(wǎng)收益。同時(shí)，與場(chǎng)景1相比，空調(diào)負(fù)荷在微網(wǎng)供能不足的7:45—10:45時(shí)段及15:45—21:00時(shí)段相應(yīng)地降低，使得微網(wǎng)向外部電網(wǎng)購(gòu)買的電量大幅減少。
圖6(c)中場(chǎng)景3的儲(chǔ)能裝置充放電功率情況表明，由于微網(wǎng)引入SHP需求響應(yīng)，與場(chǎng)景2相比，儲(chǔ)能裝置充放電頻率在0:15—1:15、4:15—6:45、10:15—11:45等聯(lián)絡(luò)線功率較小的時(shí)段有所下降，說明需求響應(yīng)與儲(chǔ)能調(diào)節(jié)存在一定的互補(bǔ)作用。當(dāng)微網(wǎng)引入SHP需求響應(yīng)后，盡管運(yùn)營(yíng)商向SHP提供了低于基本電價(jià)的折扣電價(jià)，但由此帶來的微網(wǎng)購(gòu)電費(fèi)用、儲(chǔ)能調(diào)節(jié)費(fèi)用的下降仍有利于提升微網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，MGO總收益與場(chǎng)景1相比增加了1328.57元，增幅約為3.49%，可以看出，場(chǎng)景3在經(jīng)濟(jì)效益方面均優(yōu)于場(chǎng)景1和場(chǎng)景2。
3.3用戶優(yōu)化效果分析
微網(wǎng)運(yùn)行過程中SHP的相關(guān)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)對(duì)比如圖7所示，其目標(biāo)為最小化包含用電成本和舒適度影響的綜合成本。結(jié)果表明，SHP空調(diào)集群在參與基于折扣電價(jià)的需求響應(yīng)后，用電成本下降13.17%，用戶犧牲小部分舒適度可換來較大的經(jīng)濟(jì)效益，使得SHP綜合成本降低1.06%，從整體上看，用戶仍是受益的。
各空調(diào)的室內(nèi)溫度變化曲線如圖8所示，由曲線分布可以看出，需求響應(yīng)后用戶的平均室內(nèi)溫度上升，用戶舒適度有所下降，但優(yōu)化時(shí)間內(nèi)室內(nèi)溫度沒有超出用戶舒適溫度范圍，驗(yàn)證本文所提考慮SHP需求響應(yīng)的微網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化策略的可行性。
4 結(jié)語
本文綜合考慮微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商與居民用戶雙方利益，設(shè)計(jì)一種考慮智能家居平臺(tái)自動(dòng)需求響應(yīng)的微電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化策略，在此基礎(chǔ)上提出微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商與智能家居平臺(tái)的主從博弈模型，并通過KKT條件和拉格朗日對(duì)偶思想將模型進(jìn)行簡(jiǎn)化求解。最后，通過算例仿真驗(yàn)證所提策略的有效性和合理性，得到結(jié)論如下：
1)微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商通過本文策略引導(dǎo)用戶空調(diào)參與需求響應(yīng)，促進(jìn)分布式能源的就地消納，降低自身購(gòu)電成本，經(jīng)濟(jì)效益得到提高;
2)對(duì)用戶來說，其在可接受的舒適度范圍內(nèi)改變空調(diào)用電策略參與需求響應(yīng)，使得用戶整體利益也有所增長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商與用戶的互利共贏。——論文作者：黃曉明，史守圓，余濤
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