基于雙層規(guī)劃的微網(wǎng)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型

基于雙層規(guī)劃的微網(wǎng)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型

0多微網(wǎng)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型為了解決分布電源直接連接網(wǎng)絡(luò)的不利影響，可以將分布電源和本地負(fù)荷結(jié)合起來(lái)，以降低分布電源和統(tǒng)制策略對(duì)大電網(wǎng)的影響。在并網(wǎng)與孤島運(yùn)行模式下,微電網(wǎng)可通過(guò)合理決策制定最佳優(yōu)化運(yùn)行策略,以降低運(yùn)行成本、提高經(jīng)濟(jì)收益。目前,針對(duì)微電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度已有較多研究成果。文獻(xiàn)[2]以運(yùn)行成本最低為優(yōu)化目標(biāo),建立集中控制模式下的優(yōu)化調(diào)度模型。文獻(xiàn)[3在微電網(wǎng)與配電網(wǎng)存在雙邊交易背景下,建立了優(yōu)化調(diào)度模型。隨著微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,地區(qū)毗鄰的多個(gè)微電網(wǎng)群聚形成微網(wǎng)群系統(tǒng),通過(guò)相應(yīng)的控制機(jī)制可實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)間的能量互濟(jì),增強(qiáng)供電可靠性。目前,針對(duì)多微網(wǎng)系統(tǒng)或微網(wǎng)群的調(diào)度模式的研究主要注重于調(diào)控。文獻(xiàn)[4]針對(duì)含“冷-熱-電”聯(lián)供系統(tǒng)的區(qū)域多微網(wǎng),建立了多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型,其求解變量包含區(qū)域內(nèi)所有設(shè)備的控制變量。文獻(xiàn)[5]建立多微網(wǎng)與配電網(wǎng)聯(lián)合調(diào)度模式,建立雙層優(yōu)化調(diào)度模型,其立足點(diǎn)是微網(wǎng)與配電網(wǎng)能量交互,不存在博弈關(guān)系,微電網(wǎng)在絕對(duì)服從上層模型調(diào)度結(jié)果下進(jìn)行優(yōu)化求解。以上文獻(xiàn)均是在電網(wǎng)公司或者多微網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商作為單一利益主體下的集中式優(yōu)化調(diào)度。這種單一主體下的調(diào)度模式將難以適應(yīng)各方主體的利益訴求。隨著微網(wǎng)群規(guī)模的不斷擴(kuò)大,微電網(wǎng)之間交易和電力聯(lián)系復(fù)雜程度劇增,其聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型將具非線性、高維度、高耦合、多主體、多約束的特點(diǎn)。上述文獻(xiàn)的集中調(diào)控模式將面臨求解困難、求解時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題。一些學(xué)者開(kāi)始在調(diào)度問(wèn)題上采用并行計(jì)算的新思路。文獻(xiàn)[6]采用交替方向乘子法實(shí)現(xiàn)獨(dú)立互聯(lián)微電網(wǎng)系統(tǒng)的分布式優(yōu)化,但未考慮并網(wǎng)型互聯(lián)系統(tǒng)的情況。文獻(xiàn)[7]采用目標(biāo)級(jí)聯(lián)分析法實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)和配電網(wǎng)優(yōu)化模型的并行求解。本文基于微網(wǎng)群調(diào)度中心、微電網(wǎng)用戶兩類(lèi)調(diào)控主體,建立一類(lèi)含多個(gè)并列下層雙層規(guī)劃結(jié)構(gòu)的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型:上層以微網(wǎng)群調(diào)度中心總運(yùn)行成本最小作為優(yōu)化目標(biāo),下層以各微電網(wǎng)用戶運(yùn)行成本最低作為優(yōu)化目標(biāo)。模型通過(guò)增廣拉格朗日松弛法將原雙層規(guī)劃模型松弛,采用塊坐標(biāo)下降法將松弛問(wèn)題分解為多個(gè)子問(wèn)題,最后通過(guò)基于塊坐標(biāo)下降-不精確嵌套乘子法的雙層循環(huán)求解模型,逐次逼近原問(wèn)題的全局最優(yōu)解,由松至緊的內(nèi)循環(huán)容限值避免了內(nèi)循環(huán)計(jì)算代價(jià)過(guò)大的問(wèn)題。1源荷協(xié)同調(diào)度傳統(tǒng)電網(wǎng)中的負(fù)荷是不可控的,電力系統(tǒng)只能通過(guò)調(diào)度可控發(fā)電單元來(lái)盡量滿足負(fù)荷的動(dòng)態(tài)變化。在微網(wǎng)群源荷可互動(dòng)聯(lián)合調(diào)度的模式下,負(fù)荷是柔性并部分可控的,其功率在一定程度上可自主調(diào)節(jié)。同時(shí),儲(chǔ)能的應(yīng)用使能量和信息均具有雙向流動(dòng)的特性。若通過(guò)優(yōu)化調(diào)度決策來(lái)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,須要建立微網(wǎng)群內(nèi)可調(diào)度的源荷單元經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。模型包括經(jīng)濟(jì)成本模型及運(yùn)行約束。1.1經(jīng)濟(jì)調(diào)度成本函數(shù)分布式電源(DistributedGeneration,DG)是微網(wǎng)群電源的重要組成部分。風(fēng)機(jī)和光伏系統(tǒng)的輸出功率與外界環(huán)境相關(guān),屬于不可控DG。在優(yōu)化調(diào)度中,須要最大化消納DG,不考慮其發(fā)電成本。除風(fēng)機(jī)和光伏系統(tǒng)外,DG還包括燃料電池、微型燃?xì)廨啓C(jī)、柴油發(fā)電機(jī)等可控DG,其運(yùn)行成本包括燃料成本、維護(hù)成本和啟停機(jī)成本。式(1)為可控DG在單位時(shí)間的經(jīng)濟(jì)調(diào)度成本函數(shù):式中:P不同類(lèi)型DG的燃料成本函數(shù)不同。燃料電池和微型燃?xì)廨啓C(jī)的燃料成本如式(2)所示,燃料成本取決于轉(zhuǎn)換效率。柴油發(fā)電機(jī)的燃料成本如式(3)所示。式中:c可控DG的運(yùn)行約束包括出力約束和爬坡率約束:式中:P1.2ess經(jīng)濟(jì)成本模型本文假設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)(EnergyStorageSystem,ESS)的所有權(quán)歸微電網(wǎng)用戶或微網(wǎng)群調(diào)度中心,其經(jīng)濟(jì)成本模型只考慮運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用和折舊費(fèi)用,而不考慮充電費(fèi)用,ESS可等效為充放電功率的二次函數(shù)。式(5)為儲(chǔ)能系統(tǒng)在單位時(shí)間的經(jīng)濟(jì)調(diào)度成本函數(shù)。式中:C儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行約束包括出力約束、荷電狀態(tài)約束和周期能量平衡約束。式中:P1.3可控負(fù)荷模型根據(jù)用電性質(zhì)和類(lèi)型,將微電網(wǎng)的負(fù)荷分為3類(lèi):重要負(fù)荷、可轉(zhuǎn)移負(fù)荷和可中斷負(fù)荷。重要負(fù)荷主要包括照明、安保、通信等基礎(chǔ)用電設(shè)備,此類(lèi)設(shè)備斷電將影響正常生活,因此不參與日前優(yōu)化調(diào)度?？赊D(zhuǎn)移負(fù)荷包括洗衣機(jī)和電動(dòng)汽車(chē)等,其運(yùn)行起始時(shí)間可推遲或提前,耗電量一定,具有負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力?？烧{(diào)節(jié)負(fù)荷包括空調(diào)、熱水器、電視機(jī)等,用電可隨時(shí)中斷,耗電量受負(fù)荷斷電影響而減少。本文可控負(fù)荷模型考慮可調(diào)節(jié)負(fù)荷。可控負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)成本模型體現(xiàn)在對(duì)可調(diào)節(jié)負(fù)荷的中斷補(bǔ)償費(fèi)用,式(8)所示為可控負(fù)荷在單位時(shí)間的經(jīng)濟(jì)調(diào)度成本函數(shù):式中:C可中斷負(fù)荷的運(yùn)行約束包括中斷量約束:式中:P2微網(wǎng)群優(yōu)化配置模型2.1前優(yōu)化模型的確定微電網(wǎng)層面的優(yōu)化調(diào)度側(cè)重于微電網(wǎng)內(nèi)部DG和儲(chǔ)能系統(tǒng)、可控負(fù)荷在長(zhǎng)期運(yùn)行中的協(xié)調(diào)配合,以實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益最大化。微電網(wǎng)運(yùn)行的日前優(yōu)化依賴(lài)于不可控DG和負(fù)荷的短期功率預(yù)測(cè)。根據(jù)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和電網(wǎng)電價(jià)信息,獲得日前運(yùn)行計(jì)劃,包括可控DG開(kāi)、停機(jī)和出力計(jì)劃、儲(chǔ)能充放電計(jì)劃、負(fù)荷調(diào)控計(jì)劃和與上級(jí)電網(wǎng)的交換功率。目標(biāo)函數(shù)以經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn),包括可控DG發(fā)電成本、儲(chǔ)能和負(fù)荷調(diào)控成本以及購(gòu)電費(fèi)用。式中:N由于微電網(wǎng)在地理位置上毗鄰,因此不考慮微電網(wǎng)內(nèi)部的線路阻抗,約束條件只考慮包括功率等式約束以及可控單元的運(yùn)行約束,如式(11)所示。2.2目標(biāo)函數(shù)及其約束條件微網(wǎng)群調(diào)度層面上的優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)分為兩個(gè)方面:一是保證微網(wǎng)群運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性;二是保證微網(wǎng)群運(yùn)行的安全穩(wěn)定。由于微網(wǎng)群通常接入中低壓電網(wǎng),微電網(wǎng)之間聯(lián)絡(luò)線較中壓配電網(wǎng)短,故忽略系統(tǒng)網(wǎng)損。微網(wǎng)群目標(biāo)函數(shù)以經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn),包括網(wǎng)群內(nèi)可控DG調(diào)控成本、微網(wǎng)群向上級(jí)電網(wǎng)購(gòu)電費(fèi)用:式中:P如式(14)所示,約束條件包括微網(wǎng)群功率平衡約束、備用容量約束和可控單元的運(yùn)行約束。式中:P2.3影響信息規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù)和約束條件雙層規(guī)劃(Bi-LevelProgramming,BLP)是具有雙層遞階結(jié)構(gòu)的規(guī)劃問(wèn)題,上下層均有各自的目標(biāo)函數(shù)和約束條件。本文建立含多個(gè)并列下層的BLP形式日前優(yōu)化調(diào)度模型,由調(diào)度層優(yōu)化調(diào)度模型構(gòu)成BLP模型的上層子項(xiàng)f式中:x為BLP模型上下層共同的控制變量向量,x包括調(diào)度層面可控單元控制變量以及各子微電網(wǎng)并網(wǎng)功率計(jì)劃;y3互補(bǔ)松弛條件目前,針對(duì)式(15)并列BLP問(wèn)題的求解,主要采用KKT條件替代下層規(guī)劃,從而轉(zhuǎn)化為單層規(guī)劃問(wèn)題,去掉互補(bǔ)項(xiàng)之后求解規(guī)劃問(wèn)題;然后,檢驗(yàn)互補(bǔ)項(xiàng)是否成立,如成立則得到潛在最優(yōu)解,否則應(yīng)用分支定界法來(lái)隱式地檢查互補(bǔ)松弛條件的所有組合?？紤]到所建BLP模型在采用傳統(tǒng)解法會(huì)出現(xiàn)計(jì)算成本過(guò)高的問(wèn)題,本文提出基于塊坐標(biāo)下降法-不精確嵌套乘子法的雙層求解模型,實(shí)現(xiàn)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型分布式的求解。3.1變量局部耦合塊坐標(biāo)下降法(BlockCoordinateDescent,BCD),亦稱(chēng)非線性Gauss-Seidel法,適用于目標(biāo)函數(shù)和約束關(guān)于優(yōu)化變量部分可分的結(jié)構(gòu)式中:x式(15)BLP問(wèn)題的上層和下層,通過(guò)連接變量向量x耦合。為實(shí)現(xiàn)獨(dú)立優(yōu)化問(wèn)題的解耦優(yōu)化,并考慮到下層問(wèn)題僅依賴(lài)于系統(tǒng)連接變量x的子集耦合到上層問(wèn)題,定義如下形式的一致性約束:式中:S具體到優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題,x通過(guò)增廣拉格朗日松弛法松弛去除一致性約束和上層耦合約束g式中:y基于BCD法將式(20)分解為獨(dú)立優(yōu)化問(wèn)題PPPP3.2迭代寬松條件下內(nèi)循環(huán)容限值的計(jì)算考慮雙層循環(huán)嵌套求解結(jié)構(gòu)在懲罰參數(shù)還未靠近最優(yōu)值時(shí),將導(dǎo)致內(nèi)循環(huán)計(jì)算代價(jià)過(guò)大的問(wèn)題,采用不精確嵌套乘子法(INMOM),通過(guò)前幾次迭代寬松的內(nèi)循環(huán)容限值在實(shí)際收斂之前切斷內(nèi)循環(huán)(1)初始懲罰參數(shù)式中:f為對(duì)目標(biāo)函數(shù)式(20)的估計(jì)值;(2)利用乘子法更新懲罰參數(shù)如式(27),(28)所示:式中:ν(3)內(nèi)循環(huán)基于BCD法對(duì)式(22),(23)的P式中:ρ為內(nèi)循環(huán)迭代次數(shù);Γ為在實(shí)際收斂之前切斷內(nèi)循環(huán),本文INMOM采用由松至緊的內(nèi)循環(huán)容限值修正方法:式中:N(4)外循環(huán)收斂條件式中:‖·‖4算例2:微網(wǎng)群和上電網(wǎng)總運(yùn)行成本以云南某園區(qū)10kV配電網(wǎng)為例進(jìn)行驗(yàn)證分析。該微網(wǎng)群系統(tǒng)為輻射狀的13節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò),以10kV電壓等級(jí)接入變電站,區(qū)域內(nèi)3個(gè)微電網(wǎng)分別在節(jié)點(diǎn)7,4,10接入。簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖2所示。分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)和可控負(fù)荷配置如表1所示。分布式電源功率因數(shù)設(shè)置為0.95。該配電網(wǎng)所在區(qū)域30m高處的年度風(fēng)速數(shù)據(jù)以及年度光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)均利用國(guó)際可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NationalRenewableEnergyLaboratory,NREL)的Homer軟件獲取。優(yōu)化調(diào)度前后運(yùn)行成本對(duì)比如表2所示。未進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度即是調(diào)度層及各子微網(wǎng)內(nèi)可控單元未參與調(diào)度,其運(yùn)行成本體現(xiàn)在向上級(jí)電網(wǎng)的購(gòu)電費(fèi)用上。由表2可知,微網(wǎng)群的優(yōu)化調(diào)度策略對(duì)于運(yùn)行成本的降低是具有顯著作用的,在本文設(shè)定的算例背景下,其微網(wǎng)群和微電網(wǎng)的總運(yùn)行成本降低19.89%。圖3是該區(qū)域的風(fēng)速和光照日曲線,光照曲線以標(biāo)幺化形式給出,基準(zhǔn)值為1000W/m圖4給出了各微電網(wǎng)的負(fù)荷特性曲線,以標(biāo)幺化形式給出。微網(wǎng)群與上級(jí)電網(wǎng)、微電網(wǎng)與微網(wǎng)群之間交易電價(jià)見(jiàn)文獻(xiàn)[10]。仿真初值設(shè)置為0;懲罰參數(shù)設(shè)置為ν=0,ω=0.05;仿真收斂精度設(shè)置為ξ圖5為各微電網(wǎng)的可控設(shè)備出力曲線。圖6為各微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的SOC曲線。由圖5,6可知,由于夜間負(fù)荷較小,儲(chǔ)能系統(tǒng)在早晨和晚上的用電高峰期放電。由于柴油發(fā)電的電價(jià)較高,在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),通過(guò)其他可控單元能夠滿足系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用容量,因此柴油發(fā)電機(jī)沒(méi)有投入使用。圖7為迭代收斂曲線。BCD-不精確嵌套乘子法經(jīng)過(guò)6次外層迭代收斂,最終式(20)目標(biāo)函數(shù)值接近于2.2×105基于bcd-inmom的雙層循環(huán)本文以微網(wǎng)群為研究對(duì)象,建立了含多個(gè)并列下層的雙層規(guī)劃結(jié)構(gòu)的日前優(yōu)化調(diào)度模型。首先通過(guò)增廣拉格朗日松弛法