考虑碳配额引导需求响应的微电网能量管理策略.pdf
《考虑碳配额引导需求响应的微电网能量管理策略.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《考虑碳配额引导需求响应的微电网能量管理策略.pdf(11页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第57 卷第9 期2023年9月文章编号:10 0 6-2 46 7(2 0 2 3)0 9-112 6-11上海交通大学学报JOURNAL OF SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITYVol.57 No.9Sep.2023DOI:10.16183/ki.jsjtu.2022.378考虑碳配额引导需求响应的微电网能量管理策略姜恩宇1,陈宇1,施峰靖,吴哲城,林顺富,李东东1(1.上海电力大学电气工程学院,上海2 0 0 0 8 2;2.山东核电有限公司,山东烟台2 6 40 0 0)摘要:为了减小微电网运行中可再生能源随机性和波动性造成的预测出力误差,提出考虑碳配额引导需求
2、响应的微电网能量管理策略.构建两层模型预测控制(MPC)的能量管理模型,上层利用长时间尺度模型预测控制构建碳排放配额机制,引导电动汽车参与微电网的需求响应,实现微电网经济运行,降低碳排放量;下层使用MPC滚动优化和反馈校正来实现预测域与控制域之间的耦合,利用短时间尺度模型预测控制平抑可再生能源预测误差造成的功率波动。算例分析结果表明:所提能量管理策略能够有效引导电动汽车或其他可控负荷参与需求响应,实现微电网低碳经济调度和稳定运行.关键词:微电网;能量管理;模型预测控制;碳配额;需求响应中图分类号:TM734文献标志码:AA Microgrid Energy Management Strateg
3、y ConsideringCarbon Quota Guided Demand ResponseJIANGEnyu,CHEN Yu,SHI Zhengjing,WU Zhecheng,LIN Shunfu,LIDongdong(1.College of Electrical Engineering,Shanghai Electric Power University,Shanghai 200082,China;2.Shandong Nuclear Power Co.,Ltd.,Yantai 264000,Shandong,China)Abstract:In order to reduce th
4、e forecast output error caused by the randomness and volatility of renewableenergy in microgrid operation,a microgrid energy management strategy considering carbon quota guideddemand response is proposed.A two-layer model predictive control(MPC)energy management model isconstructed.The upper layer g
5、uides electric vehicles to participate in the demand response of microgrid byconstructing a carbon emission quota mechanism to realize the economic operation of microgrid and reducecarbon emissions.The lower layer uses the model predictive control rolling optimization and the powerfluctuation caused
6、 by the prediction error of renewable energy is suppressed by the short time scale modelpredictive control.The results of calculation analysis show that the proposed energy management strategycan effectively guide electric vehicles or other controllable loads to participate in demand response andrea
7、lize low-carbon economic dispatch and stable operation of microgrid.Key words:microgrid;energy management;model predictive control(MPC);carbon quota;demandresponse收稿日期:2 0 2 2-0 9-2 9修回日期:2 0 2 2-12-2 4录用日期:2 0 2 2-12-2 9基金项目:国家自然科学基金资助项目(5197 7 12 7),上海市科学技术委员会资助项目(190 2 0 50 0 8 0 0),上海市教育发展基金会和上海
8、市教育委员会“曙光计划”(2 0 SG52)作者简介:姜恩宇(198 1-),讲师,从事微电网技术和配电网自动化技术研究;E-mail:enyu_。第9期为了应对化石能源的短缺以及生态环境恶化等问题,习近平总书记在第七十五届联合国大会上宣布,中国力争于2 0 30 年前实现碳达峰,2 0 6 0 年前实现碳中和.中国于2 0 17 年正式启动碳排放权交易市场,简称碳市场;市场中碳排放权交易的商品为中国核证减排量与碳排放配额,简称碳配额2 .目前,我国碳市场的运行机制主要指碳配额交易,利用配额制限制碳排放的同时,将多余碳排放份额视为商品,在市场进行自由交易,促进可再生能源的发展3。已有众多学者将
9、碳配额机制引入含可再生能源的电力系统优化调度中.文献4中指出碳排放交易,尤其是配额交易在成功实现减排目标中发挥极大的作用,并结合我国电力行业的市场特点,提出一种碳排放权可调分配机制.文献5中考虑碳排放配额制对电力系统运行成本的影响,构建经济调度计划模型,在实现低碳调度的同时,实现可再生能源最优接纳.同时,微电网技术作为充分利用新能源、解决传统电网和分布式能源之间的矛盾、发挥负荷侧需求响应作用的有效途径被广泛研究6.文献7 中提出基于分时电价和碳配额双重激励协同博奔的需求响应策略,减小电动汽车接人微电网的影响,但是只考虑系统经济性而没有考虑可再生能源不确定性带来的系统稳定性问题.因此,如何在微电
10、网的优化调度中降低可再生能源不确定性给系统带来的影响,以及耦合需求响应技术推动实现“碳达峰、碳中和”是目前巫需解决的问题8.现阶段,不断发展的预测技术很大程度上解决了可再生能源的不确定性问题9,但是系统在实际运行中总是无法完全吻合预测曲线,也无法应对突然的扰动对系统稳定性的影响,并且随着预测时间范围的增加,预测精度也会随之下降10.越来越多学者从多时间尺度优化调度开展研究,日前制定调度计划值,日内将遗留的偏差对可控分布式电源进行功率调整以平抑功率波动11,从而消除预测误差.文献12 中从日前与日内两个时间尺度对独立微电网进行协调优化,保证微电网经济稳定的运行.尽管多级协调、逐步细化调度策略能很
11、大程度上消纳间歇性能源及负荷的波动性,但是这种开环的优化调度过程并没有考虑实际系统对优化控制过程的反馈校正13.因此,模型预测控制(ModelPredictiveControl,M PC)这一基于模型的有限时域闭环控制算法被应用到微电网中.MPC对状态和控制变量都具有约束的多变量系统进行控制,使用当前时段的测量值和预测模型,并引入反馈校正环节,及时纠正预测误差,从而提高优化控制精度,使微网优化调度姜恩宇,等:考虑碳配额引导需求响应的微电网能量管理策略两层模型预测控制1.1两层模型预测控制能量管理策略典型的模型预测控制具有模型预测、滚动优化和反馈校正3个环节,基本结构如图1所示.由预测模型模块根
12、据被控对象的历史信息等预测未来所需预测范围内的响应.滚动优化模块根据设定的目标函数和约束条件求解最优出力.反馈校正模块将系统实际的运行值反馈到滚动优化环节,代替预测值?滚动优化预测模型反馈校正图1单层模型预测控制结构Fig.1 Structure of single-layer model predictive control1127方案具有较强的抗干扰能力和鲁棒性.目前已有研究者采用MPC策略对微电网的能量调度优化进行研究.文献14中为应对冷热电多能联供型微电网系统不确定性对系统经济调度的影响,以日前计划联供设备的出力值为参考值,在日内基于模型预测控制的多步滚动优化求解出各联供设备的平滑出力
13、,实现其经济及安全运行,但是未考虑需求响应在微电网中的影响和作用.文献15中通过上层基于MPC的滚动优化策略与下层混合储能实时控制策略形成两种时间尺度控制的协调配合来降低微电网光伏和负荷分钟级功率波动对跟踪调度计划的影响,保证调度计划实时有效执行,但是没有考虑微电网运行的经济性.文献16 中针对区域综合能源系统提出“日前-日内-实时”三时间尺度的优化调度策略.在实时调度环节结合模型预测控制理论,利用反馈校正和滚动优化调整微源出力,但在日前的经济性调度中采取直接负荷控制的需求响应方式,并没有考虑类似电动汽车等灵活性需求响应资源17.综上所述,考虑碳配额结合实时电价机制来引导电动汽车参与需求响应,
14、提出基于两层模型预测控制的微电网优化调度策略.在第一层利用由碳配额引导电动汽车参与需求响应,提高电动汽车参与微电网调度的积极性,实现微电网削峰填谷,经济运行;第二层利用短时间尺度的模型预测控制补偿由可再生能源预测误差导致的瞬时功率不匹配,降低其波动性对微电网的影响,实时修正最优出力曲线,实现微电网的稳定运行.1控制对象1128进行下一个控制间隔的滚动优化求解.大多数多时间尺度优化调度的研究都将MPC算法应用在短时间尺度的调度环节中,利用其闭环优化控制的作用校正长时间尺度调度计划上的实际调度偏差.单层MPC中的预测模型模块收集微电网系统的分布式电源出力曲线和负荷曲线历史数据,预测调度时段内下一个
15、控制间隔的调度计划.滚动优化模块,即目标以运行成本最低的能量管理模型根据设定的目标函数和约束条件反复求解出各发电单元的最优出力.反馈校正模块在长时间段内,按照既定的短时间尺度,不断重复将系统实际的运行值反馈到滚动优化环节,代替预测值进行下一个控制间隔的滚动优化求解;但长时间内对调整量过于频繁的滚动优化和反馈校正会导致后期的发用电单元调度压力过大,且该模型稳定性较差,可能会由于可再生能源波动和预测、反馈误差造成求解最优出力序列的波形穴余甚至失真.因此,提出基于两层模型预测控制的调度策略,通过两层之间预测域和控制域的选择,实现双时间尺度的优化功能,并将第二层以功率波动最小为优化目标的MPC优化调度
16、环节作为第一层MPC的反馈校正环节,实现实时修正可再生能源功率波动,降低预测误差带来的影响.两层模型预测控制结构图如图2 所示.第一层MPC经过模型预测和滚动优化两个环节获得第一个调度时段内的各发电单元最优出力结果,并将其下发给第二层;第二层MPC将第一层的每个调度时段再细分Ts个调度时段,经过Ts次滚动优化和反馈校正后将第二层的最终各发电单元最优出力结果返回第一层;第一层再进行下一调度时段的优化.由上述分析可知,两层MPC原理图如图3所示.蓝色表示第一层的优化过程;绿色表示第二层的第一层第MPc,X滚动优化控制对象第二层滚动优化每隔AIs下i发一次调;度计划:11L图2 两层模型预测控制结构
17、Fig.2Structure of two-layer model predictive control上海交通大学学报修正过程.其中,设置第一层MPC预测域长度为Tr,控制间隔为t,滚动优化一次得到tt时刻的最优控制序列ug+T11t(1,2,T),但是只下发第一个url调度指令给第二层;第二层 MPC预测域长度为 Ts,且 Ts=t,控制间隔为ts,因此第二层每一次滚动优化可得到ts时刻的最优控制序列uslsuis+1lsuig+Ts-1/sJT,ts E(1,2,Ts),并只下发第一个调度指令usls给微电网执行,然后继续进行循环,经过时间Ts之后第二层完成一次完整的闭环滚动优化调度,并
18、将最后一次优化结果的状态变量返回给第一层,第一层MPC进行下一次tr十1时刻的优化调度,两层MPC循环滚动优化,直至第一层优化调度周期结束,即t十T时刻.ATt=1Tsts=11s=2L:fs=Tsi14=2:t=TFig.3 Schematic diagram of double-layer MPC1.2石碳配额引导需求响应机制传统需求响应机制有价格型和激励型两种,随着碳排放权交易机制的不断发展和完善,可引人碳配额机制来引导用户参与需求响应,同时发挥用户的减排潜力,形成电力用户自主选择低碳减排、绿色用电的习惯.碳配额交易市场是将二氧化碳等温室气体的排放权作为交易对象,在自上而下的碳排放第一层
19、权核算与分配体系下,基于不同边际减排成本、企业预测模型之间的碳配额市场供需关系,由拥有富余碳配额的ts下时第二层预测模型第二层返馈校正第二层MPCI第57 卷Af:图3 两层MPC原理图7企业出售、碳配额履约不足的企业购买,根据碳配额1价值和市场供需关系产生碳价格,形成市场交易15.1本文提出利用碳配额机制引导电动汽车参与到1111需求响应中,当电动汽车除了为需求侧供能,还可以为大电网输送电能时,大电网因获得电动汽车电能而少排放的碳排量即为电动汽车用户售出的碳配额.电动汽车用户通过售卖所节省的碳配额获得额外收益,进而可以养成用户自发选择低碳减排的习第9期惯.微电网可通过出售碳配额获得收益,同时
20、减少碳排放量.国内碳排放配额一般采用免费分配制,依据分配的参照标准不同又可分为“祖父法则的分配”和“标杆法则的分配”,又称历史法和基准线法.其中基准线法18 在节能减排上效果更佳,因此采用基准线法来确定碳配额,即给定碳配额为F。,在此额度内无需购买碳配额,并可将剩余的碳配额卖出,超出的部分需另外购买碳配额.2考虑碳配额的两层模型预测控制优化调度模型2.1第一层MPC模型2.1.1可再生能源模型与提前预测的时间和预测技术密切相关.太阳能辐照强度的预测技术不同导致太阳能出力预测误差在20%35%之间,而风能在提前1d预测的情况下误差会超过10%,缩短至1h内预测时误差可减小至5%6%191.本文的
21、可再生能源模型根据光伏发电(简称光伏)和风力发电(简称风电)的历史数据,采用梯度不确定性水平进行建模,如下式所示:Ppv(t)=(I+y(pv,ov)0(t)Ppv(t)Pwr(tr)=(I+y(wT,owr)0(tr)Pwr(t)式中:Ppv(t)、Pw T(t)分别为光伏、风电预测数据;Ppvtr)、Pw r(t r)分别为tr时刻光伏、风电历史数据;(pvoiv)、(uwT,o w r)分别为预测范围内光伏、风电服从标准正态分布的随机矩阵2 0 1;I为与同阶的单位矩阵;(t)为t时刻预测误差系数,在预测范围内每时刻分别取误差在15%2 0%的等差数列,能使可再生能源数据随着预测时间的推
22、移,预测误差增加.2.1.2电动汽车行驶特性电动汽车因其特有的电动汽车人网技术(Vehicle-to-Grid,V 2 G)功能,不仅可以作为微电网中灵活性高的可调度负载,同时可作为能量存储设备,在微电网的需求响应中发挥重要作用.研究表明,汽车1d中有超过9 0%的时间处于停驶状态2 1.因此,充分利用电动汽车停驶时间参与微电网需求响应,在保证电动汽车电池寿命的同时,可出售碳配额获取收益.假设某地区的电动汽车总量为N,则t时刻电动汽车最大可调度数量为Nx(tt)=NPpark(tt)式中:Ppark(t r)为tr时刻电动汽车停驶概率.则电动汽车的模型可表示为姜恩宇,等:考虑碳配额引导需求响应
23、的微电网能量管理策略可再生能源的预测误差Pev(t)+Pm(t)式中:Pi(t)为负荷功率;Pm(t i)为大电网在t时刻的总充放电功率。利用列举法,从电动汽车充放电角度出发,将碳配额引导需求响应机制的情况分成PEv0和Pev0,需求侧电能可以由可再生能源、电动汽车、大电网之间协调供电,其供电优先级为 Ppv(t)=Pwr(t)Pev(t)Pm(t).若微电网中有剩余电能可供于大电网,电动汽车和大电网碳排放如下:I PEv II PM IFev=-(I Pev I-I PM I)MHFM=PMMH式中:Fev、FM 分别为电动汽车与大电网的碳排放量;MH为火电单位电量碳排放因子。此时,实际碳排
24、放均由大电网产出,其减少的碳排量为大电网减少碳排量,因此整体的碳排放量需计算电动汽车售卖给大电网和需求侧的碳配额得到,总碳排放量如下:Fc=-PevMH若微电网中无剩余电能可供给大电网甚至需要大电网供电时,电动汽车和大电网碳排放如下:Fev=-PevMHFM=PMMH此时,实际碳排放均由大电网产出,其减少的碳排量(3)为电动汽车售卖给大电网和需求侧的碳配额,因此微电网总碳排放量需计算电动汽车售卖给需求侧的碳配额和大电网的实际碳排放量得到,如下所示:1129Eev(tr+1)=Eev(t)-nevPev(t)t t -Ea r(t)Ear(tr)=N(1-Ppark(tr)VEvSt t式中:E
25、ev(t)、PEv(t)分别为电动汽车在t时刻的电池总实际电量和总充放电功率;nEv为电动汽车充放电效率;Edr(t)为电动汽车在t时段内所有电动汽车行驶的耗电量;UEv为电动汽车平均速度;S为电动汽车每百公里(1公里=1km)耗电量.2.1.3碳配额引导的需求响应机制从电能能量守恒的整体性出发,需求侧的电能一方面可来源于可再生能源,另一方面来源于电动汽车和大电网供电.由此可得新能源放电与需求侧所需电能间的功率差值:P(t)=PL(t)-Pp v(t)-Pw r(t)=(4)(5)(6)(7)(8)(9)1130上海交通大学学报第57 卷AP(t)0微电网+PEVPLPEv0Ppv+PwT微电
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 考虑 配额 引导 需求 响应 电网 能量 管理 策略
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。