家庭需求側資源與電力供應商雙向交互策略

葉中行，孫明遠

(長沙理工大學電氣與信息工程學院，湖南長沙410114)

家庭需求側資源與電力供應商雙向交互策略

葉中行，孫明遠

(長沙理工大學電氣與信息工程學院，湖南長沙410114)

需求側資源參與到家庭與電力供應商之間的能量交換過程,能夠降低自身用電成本。針對可平移負荷不同用電特點進行綜合建模，結合電動汽車、光伏，小微儲能裝置模型提出新的家庭需求側資源與電網的雙向能量交換模型，通過求解該模型，對比分析了在需求側資源中加入可平移負荷前、后所得的調度結果，負荷平移后，家庭電費明顯降低，且起到了削峰填谷的作用；討論了需求側資源與家庭和電網之間單向與雙向交互模式下的經濟效益，得出了智能家庭最優調度策略，為進一步的家庭實踐打下基礎。

需求側資源；優化；可平移負荷；對比分析

0 引言

隨著電力市場化進程的加快，家庭用戶作為獨立的個體參與到電力能源優化配置過程，與電力供應商進行互動交易逐漸受到人們的關注[1]。因此，家庭能量管理系統(Home Energy Management System，HEMS)應運而生，該系統以實時電價為參考，以需求側資源[2](Demand Side Resources, DSR)為調度目標，以經濟、舒適為原則，合理安排負荷用電區間。

經濟、社會的發展，使越來越多的家庭有能力構建以小微儲能裝置(ESS)、電動汽車(EV)、分布式光伏(PV)等需求側資源為要素的家庭能量體系[3]。可以通過與電網的電能交互產生一定收益，從而有效減少用戶電費成本，同時對電網來講也能起到削峰填谷之用[4-5]。

國內外已經有相關的研究并用于生產實際，從需求側資源的響應、調度、控制策略以及優化調度算法方面做了大量的工作。文獻[3-6]建立了包含各種家電模型的智能家庭用電協同調度策略；文獻[1]基于負荷資源分類建模，利用啟發式算法對模型進行求解；文獻[4]建立了電動汽車與家庭互動調度模型，并提出了新的智能算法；文獻[5]采用MPC方法建立家庭能源局域網能量管理模型，并以電價預測為基礎尋求最優調度方法。上述文獻對于家庭能量優化管理的研究，雖考慮了需求側資源對調度結果的影響，但并沒有對一類負荷進行具體建模，而且對需求側資源與家庭或外電網的交互考慮的不夠。文獻[7-8]雖然考慮了負荷建模，但研究的是微網的運行優化問題。

本文基于需求側響應(DSM)，針對不同負荷的用電規律提出可平移負荷模型，在實時電價的基礎上優化用電時段；以用戶電費最小為目標，構建考慮DSR與家庭、電網間雙向交互形式下的家庭能量優化管理模型；通過算例仿真，對比分析了負荷平移對家庭能量優化調度結果的影響以及各種交互形式下的電費成本，驗證了所提模型的有效性。

1 可平移負荷模型

1.1 目標函數

本文中負荷平移的目標是將可平移負荷從電價高峰時段轉移到電價低谷時段，從而通過該電價差達到削減用戶電費的目的[6-7]，其目標函數表達式為：

(1)

(2)

(3)

式中：第一項考慮在負荷運行的第一時段轉入的總功率，該總功率也包括橫跨多個運行時段的負荷類型；第二項考慮的是多時段運行負荷轉入的后續功率；m1為可平移負荷種類總數；m2為運行時段數大于1的負荷總類數；xk,i,t表示從i時段轉入至t時段的第k類負荷數；xk,t,q表示從t時段轉出至q時段的第k類負荷數；hmax≥2為負荷持續運行時段數的最大值；p1,k為第k類負荷在其第1個運行時段的功率；ph+1,k為第k類負荷在其持續運行時段內第h+1運行時段的功率。

1.2 約束條件

(1)延遲時段約束

(4)

通常規定用電設備用電時段只能延遲，而不能提前[9]，最大延遲時段為dmax。

(2)負荷平移量約束

根據可平移負荷特點必須保證平移前后同一類別的負荷單元數量維持不變

(5)

式中：xk,t為負荷平移前第k類負荷在t時段的負荷單元數量。

(3)在每一住宅單元每一用電時段通常會有一個限制總能量，一方面限制電網峰值功率，一方面可以間接起到削峰填谷的作用[10]，表達如下：

(6)

式中：pt,after為負荷平移后時段t的功率；pmax為每時段統一的限制功率。

2 智能家庭能量管理優化建模

2.1 智能家庭能量管理目標函數

通過各需求側資源的實時調度，實現智能家庭電費最小這一目標，該目標由家庭向電網的買電成本與賣電收益兩部分構成，其表達式為：

(7)

式中：pt,g為t時段電網向家庭輸送的功率；pt,s為t時段電網向家庭購入的功率，這部分功率由EV、ESS、PV提供，暫不計及各設備向電網的賣電順序；λt,b,λt,s均為實時電價[10]。

且式(5)滿足以下約束條件：

(8)

(9)

2.2 需求側資源模型

考慮到各需求側資源與電網、家庭之間的雙向功率交換，每一時段都有發生各種功率交換方式的可能，基于此，建立模型如下：

(1)電動汽車模型

(10)

(11)

(12)

式(10)～(12)均?t∈[ta，td]

SEV(t)為EV在t時段的荷電狀態，其滿足如下約束：

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

式(13)表示SEV(t)在每一時段的狀態值表達式；式(14)表示狀態變量界限；式(15)(16)表示必須充滿電與必須釋放完的兩種極限狀態；tf,c為必須充滿的時刻；tf,d為必須釋放完的時刻；式(17)表示EV到家時的荷電狀態等于其初始值；式(18)表示EV在離開家后并無任何意義。

(2) 儲能單元模型

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

(3)家庭分布式光伏模型

(25)

(4)實時功率平衡

負荷平移后的負荷分布勢必會對調度結果產生重要影響，鑒于此，本文將實時功率平衡分為負荷平移前、后的功率平衡

①負荷平移前實時功率平衡

(26)

②負荷平移后實時功率平衡

(27)

3 數值實驗

3.1 算例系統

為驗證上文所提出的模型的有效性與實用性，以引入可平移負荷前、后的兩個不同家庭能量管理系統進行對比分析。家庭EV和ESS、PV各相關參數[11]如表1所示；PV出力預測數據如圖1[15]；EV荷電狀態上、下限分別為18 kW、4.8 kW；ESS荷電狀態上、下限為1 kW、0.25 kW；電網向家庭購入電能上限為1 kW·h，價格設為定值0.6元/kW·h；電網向家庭輸送電能上限為2 kW·h。

表1 相關參數

選取3類可平移負荷參與計算，分別是消毒柜、洗衣機和電熱水器[12]。消毒柜持續運行時間為1 h，功率為0.7 kW；洗衣機持續運行時間為2 h，功率分別為0.4 kW和0.25 kW；電熱水器持續工作時間為3 h，功率分別為2、1.5、1.2 kW；家庭負荷的預測功率[16]如圖2。

圖1 PV出力柱狀圖

圖2 家庭負荷預測功率柱狀圖

在頻率為2.3 GHz的PC上運用lingo建模軟件運用分支定界算法進行仿真計算，選取調度周期為一天，分為24時段，調度時段從00:00到24:00。

3.2 負荷平移前、后調度結果分析

3.2.1 需求側調度結果

考慮到負荷平移前EV、ESS、PV與電網和家庭之間的雙向交互，有必要對負荷平移前的調度結果進行分析研究，以預測負荷和平移后負荷作為負荷輸入，其調度結果如圖3、4所示。

圖3 負荷平移前調度結果

圖4 負荷平移后調度結果

在圖3不難看出，在夜間電網電價較低的時候Grid出力始終維持在較高水平，而在白天則主要依靠PV和ESS所提供的電能；在夜間則是電網與EV共同發力，維持負荷運行。

圖4在實施負荷平移后，夜間EV出力尖峰有著明顯下降，且同一時刻的電網出力相對有所回升，進一步說明負荷平移起到了削峰填谷的作用。

圖5反映了未考慮DSR響應情況下的負荷平移前、后其與實時電價之間的關系，可以看出平移后的負荷變化與實時電價密切相關，夜間電價低谷時負荷明顯上升，達到了2.8 kW，而時段1～6在負荷平移前、后曲線幾乎是重合的，而在后續時段出現了急劇上升為1.23 kW，這就是負荷平移的結果。

圖5 負荷平移結果

3.2.2 功率平衡調度結果

圖6和圖7分別為負荷平移前、后功率平衡調度結果，其中圖6設定了時段負荷限值為2.8 kW，可以看出在1～6時段電網真正提供給負荷的功率很小，絕大部分被EV或ESS吸收了，因為此時正處在電價低谷時段，且在1時段EV還向電網售出了部分功率；而在7～17時段，PV與ESS一起參與負荷供能；而在夜間負荷上升，則主要由電網與EV聯合進行供電，且沒有超過其峰荷限值。

圖6 負荷平移后功率平衡調度結果

圖7 負荷平移前功率平衡調度結果

平移后負荷曲線在夜間出現了一段持續高峰，比負荷平移前多出了一些，這是由于負荷已經轉移到這一用電區域。

3.3 不同節電模式對優化結果的影響

本文設置基準節電模式，即在加入可平移負荷之前EV、ESS、PV與家庭、電網間的雙向交互模式，其他模式均為在此基準模式上衍生而出的。得到目標結果如表2所示。

表2 不同模式下優化結果

由上表看出，模式1與模式2對比，一旦不考慮V2G，用戶電費急劇增大了2.1元；模式3與模式1對比，則說明通過負荷轉移，使電費下降了1.43元；模式4與模式2對比，則減少了1.49元；模式4與模式3對比，電費增大了2.01元，表明V2G與負荷轉移的巨大作用。

4 結論

本文從需求側出發，引入負荷控制，對家庭能量的優化調度問題進行了研究。對需求側資源進行分類建模，綜合考慮V2H、V2G和ESS2H、ESS2G模式下的家庭能量優化調度問題，并在此基礎上建立和引入可平移負荷模型，建立了考慮負荷平移的混合整數線性規劃模型，利用lingo優化軟件對模型進行求解。由仿真結果分析可知：

(1)在實時電價的作用下，負荷平移確能起到削峰填谷的作用，其不僅能夠應用于家庭網絡，也同樣適用于其他大型電網。

(2)實施負荷平移，能夠大大節省用戶電費。

(3)以需求側資源為媒介與電網進行互動交易，能夠使家庭能源利用效率更高，更具經濟性。

可以在家庭與電網之間引進可中斷負荷合同，從而進一步優化家庭用電結構。

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Bi-directional Interaction Strategy Household Between Demand Side Resource and the Electricity Supplier

YE Zhonghang, SUN Mingyuan

(College of Electrical and Information Engineering,Changsha University of Science and Technology, Changsha 410004,China)

The cost of electricity consumption could be reduced with the demand side resources involving in the energy exchange process between the demand side and power suppliers. The integrated model is built in the light of the electricity consumption features of the shiftable load, which is the combination of the electric vehicles, photovoltaic, small and micro energy storage device. The newly proposed two-way exchange model between household demand side resources and grid can be solved, and comparative analysis of scheduling results that before and after shiftable load being added in the demand side resources is conducted. After the load shift, the household electricity fees are obviously cut down, and the peak shaving effect manifests itself. The economic benefit produced by the interactive mode of the demand side resources, family and the grid, unilaterally and bilaterally, is analyzed in this paper. The optimal scheduling strategy of intelligent home has drawn according to the research findings. Solid foundation has been laid for further family practice.

demand side resources; optimization; shiftable load; comparative analysis

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.03.001

2016-09-05。

國家自然科學基金(11171095)。

TM711

A

1672-0792(2017)03-0001-06

葉中行(1992-)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統分析、能量優化調度。