From Viewpoint of Reserve Provider: A Day-ahead Multi-stage Robust Optimization Reserve Provision Method for Microgrid with Energy Storage
基于备用提供者视角的含储能微电网日前多阶段鲁棒优化调度
| DOI: 10.35833/MPCE.2023.000718
| 作者 唐晔 翟桥柱 周玉洲
现有含储能微电网调度研究主要聚焦于电力平衡角度，微电网需要从主电网获得充足的备用以补偿可能出现的发电波动。但是这种方式会增加主电网的备用负担和主电网的调度难度，无法充分发挥含储能微电网的备用潜力。基于对储能在备用潜力方面的认识，本文提出含储能微电网的备用提供框架，并建立了日前多阶段鲁棒调度模型及求解算法，使含储能微电网实现自调度，同时可以向外部系统或主电网提供备用服务，从而增加微电网的总收益。
基于备用提供者视角研究含储能微电网调度问题有何价值?
作为一种高效率、响应速度快的设备，储能具有快速为系统提供正备用和负备用的能力。因此，进一步优化储能功能，积极推动储能技术在备用辅助市场的应用，充分挖掘储能潜力，是新型电力系统发展的重要方向。
现有含储能微电网调度主要聚焦于电力平衡（备用消耗者）角度，目标是在满足设备等约束条件下使总运行成本最小。在该调度模式下，微电网需要从主电网获得充分的备用服务，补偿可再生能源引起的波动、负荷需求引起的用电不确定性等。但是这种方式会增加主电网的备用负担和调度难度，更无法充分发挥含储能微电网的备用潜力。
因此，本文从备用提供者角度研究含储能微电网调度问题，充分发挥系统的备用能力，通过对备用提供调度问题的合理建模和求解，使系统在无需主电网备用支持的情况下可以实现自调度，应对可能出现的可再生能源输出和负荷需求不确定性。同时，可以为主电网或外部系统提供备用服务，应对主电网或外部系统的不确定备用需求，从而增加微电网收益。
含储能微电网备用提供模式是否具备可行性？
针对一个给定的微电网系统（参数可见表1），当微电网从主电网获得-1 MW，1 MW和1 MW的功率，并向主电网（或其他外部系统）提供[2, 0, 0] MW正备用容量和[0, 2, 0] MW负备用容量，则通过已有（从电力平衡角度）调度方法可以获得储能设备的能量水平安全范围如图1所示。当不确定的正、负备用需求在上述给定的正、负备用容量范围内时，含储能微电网仍可以实现最优经济调度。通过该案例可以说明，含储能微电网备用提供方式具备合理性。
表1 含储能微电网参数
图1 基于备用提供者视角的储能设备能量水平安全范围
实现含储能微电网备用提供模式的主要难点是什么？
难点一：从机理角度，需要合理准确地描述含储能微电网备用提供新模式中各组成部分的主要功能，以及实现含储能微电网备用提供新模式时，微电网的调度逻辑和调度过程。
难点二：从建模角度，需要对提供给外部系统（或主电网）的备用容量进行合理建模，以确保所提供备用的安全可靠性。在此基础上，建立含储能微电网备用提供的完整调度模型，使其满足实际物理过程和调度需求。
难点三：从求解角度，需要提供高效的求解算法，从而快速得到最优的调度方案。
本文的创新与贡献是什么？
1）针对难点一，建立含储能微电网备用提供的运行模式
本文建立含储能微电网备用提供运行模式，如图2所示，包括日前阶段（实线）以及实时阶段（虚线）。不确定因素包括负荷需求、可再生能源输出以及来自主电网或外部系统的备用需求等。
图2 含储能微电网备用提供运行模式
在日前阶段，含储能微电网作为独立的备用供应商，将与主电网进行两方面内容的交易：①提供给主电网或外部系统的正、负备用容量（灰色实线）；②微电网从（给）主电网获得（提供）的功率注入曲线（橙色实线），这是满足系统可行性的重要资源。
一旦确定日前决策，在实时阶段将根据对微电网中实时决策（黑色虚线），如储能的充电、放电功率和可再生能源输出的舍弃量进行合理调度，应对来自主电网或外部系统的备用容量范围内的备用需求以及其他不确定量。
因此，含储能微电网不仅可以针对（不确定集范围内）任何不确定量实现最优自调度，并且可以在日前给定的备用容量内为主电网（或外部系统）提供备用服务。
2）针对难点二，建立含储能微电网备用提供多阶段鲁棒调度模型
首先，基于对含储能微电网备用提供方式的分析，对实际可用备用进行合理表征，将实时阶段的备用需求描述为决策依赖不确定性。
第二，在含储能微电网备用提供调度问题中，由于不确定因素的实现和决策在整个调度周期内交替进行，因此含储能微电网备用提供调度问题是一个典型的多阶段决策过程。对于此类多阶段调度问题，需要考虑决策非预期性和多阶段鲁棒性要求，否则会造成调度解在实际应用中不可行的情况。具体而言，非预期性指的是当前决策只能依赖当前及之前的不确定量实现值。多阶段鲁棒性指的是决策过程在满足非预期性要求的前提下，随机变量在其可能范围内任意实现，调度决策都能保证各设备及系统运行约束得到满足。为此，本文建立了含储能微电网备用提供多阶段鲁棒优化调度模型。
3）针对难点三，建立鲁棒可行性条件并提出备用容量高效求解算法
含储能微电网备用提供多阶段鲁棒调度问题中，同时存在多种耦合约束，甚至非线性耦合约束，例如备用需求不确定性和备用容量决策之间的耦合。考虑到储能充放电效率时，储能存储水平（连续两个时段）的变化与充放电功率之间存在非线性耦合。因此，决策需要保证在这些复杂耦合约束下同时满足非预期性和全场景可行。
针对该问题，本文从耦合约束结构特征（特别是相邻时段储能量动态平衡方程）入手，建立了满足非预期性和多阶段鲁棒性的可行性条件，使原问题在每个时段内都能解耦。在上述可行性条件下，通过求解一个单层的混合整数规划问题，即可得到含储能微电网备用提供调度问题的最优解。
效果如何？
1）调度结果性能
如图3所示，日前调度结果表明：微电网可以向主电网或者外部系统提供充足的正、负备用容量。
图3 日前备用容量和功率注入曲线
为了进一步验证日前调度方案的可行性，选择六个具有代表性的复杂组合场景，包括两组顶点场景（场景1和场景2），基础场景（场景3），两组极端爬坡场景（场景4和场景5）以及蒙特卡洛方法随机生成的场景（场景6）。基于滚动优化框架测试在上述场景下的实时调度性能如图4所示，调度结果表明，本文提供的鲁棒可行区域（安全区域）在上述实现场景下总是会被满足，从而证明调度解满足可行性。
图4 六个代表性场景下的储能能量水平
2）储能参与备用服务收益分析
表2 案例设置及对比结果
引文信息
Ye Tang, Qiaozhu Zhai, and Yuzhou Zhou. From viewpoint of reserve provider: a day-ahead multi-stage robust optimization reserve provision method for microgrid with energy storage [J]. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, 2024, 12(5): 1535-1547.
作者介绍
ABOUT THE AUTHORS
唐晔
西安交通大学博士，现任长安大学电子与控制工程学院讲师，主要研究方向：含可再生能源和储能系统的微电网系统多阶段鲁棒优化、调度和规划。
翟桥柱
博士，教授，西安交通大学系统工程研究所，主要研究方向：大系统优化理论与应用，信息物理融合能源系统优化调度、能源互联网、智能电网，大数据分析及应用。
周玉洲
博士，助理教授，西安交通大学系统工程研究所，主要研究方向：大系统优化理论与应用，信息物理融合能源系统优化调度及规划、能源互联网、智能电网。
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