專利名稱：基于多時間尺度協調的微網經濟運行優化調度方法
技術領域：
本發明屬于電力系統的運行、仿真、分析與調度技術領域，尤其涉及一種基于多時間尺度協調的微網經濟運行優化調度方法。
背景技術：
分布式發電技術是二十一世紀電力工業發展的關鍵技術之一。它從最底層改變了傳統電力生產供應的格局，具有投資省、能耗低、可靠性高、靈活輸電、快速恢復供電等諸多優點。隨著以風能、太陽能為代表的可再生能源在世界各國的推廣應用，分布式發電技術在節能減排、預防大面積停電方面的優勢得到全球能源、電力專家和各國政府部門的一致認可。作為世界上能源消耗和污染排放大國，大力發展分布式發電技術對于我國的可持續發展具有重要的戰略意義。微型電網系統(MicroGrid，簡稱微網)是分布式發電系統的基本組成單元。分布式發電技術盡管優點突出，但也存在諸多問題，其中之一就是單個類型的分布式電源相對大電網而言往往是不可控的。比如風能、太陽能發電技術，受自然條件的約束，表現出很強的隨機性和間歇性，給整個電網的運行、調度帶來極大的困難。將發電裝置、儲能裝置、負荷及控制系統等結合，構成一個輸出功率可控的微型電力網絡。微型電網系統既可以獨立運行，由內部電源向微網內部的負荷供電；也可以并網運行，向外部電網供出多余的電能或由外部電網補充自身發電量的不足。微網作為一種分布式發電的新型組織形式，與大電網一樣同樣存在能量管理問題，即如何對微網內的可控電源(柴油發電機、微型燃氣輪機、燃料電池)、不可控電源(風力發電、光伏發電)和儲能設備(小型抽水蓄能、氫能循環裝備、各類型蓄電池)進行能量管理， 規劃其燃料使用方案、儲能設備充放電方案、與外部電網電能交易方案等，同時保證實際運行中的安全性、物理性約束條件，以此保證微網的持續、經濟、安全運行。目前，該領域研究尚處于理論研究階段，暫時沒有公認成熟的解決方案。現有研究多集中于微網實時經濟運行優化調度，忽視了大時間尺度規劃(如日前)對系統運行經濟性的影響，缺乏多時間尺度的協調優化；同時現有研究手段也多集中于過于簡化的啟發式策略和過于復雜的混合整數非線性規劃模型，前者無法達到數學上的最優點而無法保證長期運行的經濟性，后者求解過程過于復雜且不易尋找到可行解，因此都無法滿足微網實際運行中經濟性、安全性以及節能減排的要求。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供了一種基于多時間尺度協調的微網經濟運行優化調度方法。本發明的目的是通過以下技術方案來實現的一種基于多時間尺度協調的微網經濟運行優化調度方法，包括如下步驟
(1)統計微網運行歷史數據，建立微網內所有可控電源的成本-出力曲線的非線性函數，并將其分段線性化；同時根據微網電路拓撲結構和電氣參數，建立微網節點導納矩陣；
(2)采集微網負荷信息數據、氣象信息數據以及外部電網電價數據，綜合微網運行的歷史數據，對負荷/風能/太陽能/電價進行未來一天的預測，得到未來一天內微網的負荷/ 風能/太陽能/電價預測數據；
(3)將微網未來一天內的經濟運行分為多個時段，以各時段微網運行成本最小為目標函數，其中所有可控電源的使用分段線性化模型，考慮微網內部的各時段能量平衡、各設備元件的出力/爬坡率/開停機成本、儲能設備運行成本與“滿充滿放”原則，基于第二步中的日前負荷/風能/太陽能/電價預測數據，將此微網日前計劃問題構成一個混合整數線性規劃問題進行求解，得到各時段微網經濟運行調度方案；
(4)采集微網負荷信息數據、氣象信息數據以及外部電網電價數據，對負荷/風能/太陽能/電價進行超短期預測，得到未來一個時段內微網的負荷/風能/太陽能/電價預測數據；
(5)取當前時段的微網設備的開停機狀態，令其在該時段不能改變，以該時段微網運行成本最小和當前電源出力值與日前計劃出力值偏差最小化為目標函數，其中所有可控電源使用原有非線性模型，考慮微網內部的該時段交流潮流平衡、母線電壓約束、線路載流量約束、各逆變器的容量約束，同時基于第四步中的超短期預測數據，將此微網實時調度問題構成一個非線性規劃問題進行求解，得到該時段的微網經濟運行調度方案；
(6)評估實時調度的調度方案與日前計劃的調度方案的偏差，若偏差大于給定閾值
σ，即所得到的實時調度方案不可行，則需要在此時段重新進行日前計劃，即返回第二步；
若偏差小于或等于給定閾值即所得到的實時調度方案可行，則進入第七步；
(7)對于經第六步可行性檢測滿足要求的微網經濟運行調度方案，形成微網調度指令， 發布給微網中的可控電源、不可控電源以及儲能設備的控制器，使得微網在下一時段按照指定方式安全經濟運行；同時判斷下一個時段是否已進行過日前計劃，如是則進入下一個時段進行預測和實時調度，即重復第四步，否則開始對下一天進行預測和日前計劃，即返回
第一步。 本發明的有益效果是，本發明提出了一種基于多時間尺度協調的微網經濟運行優化調度方法，與已有的技術相比，本發明提出的方法主要有以下優勢和改進
1、與基于啟發式策略的技術方案相比提高了最優解的質量，減少了電網運行的經濟費用和污染排放量，更好的實現了節能減排；與混合整數非線性規劃模型相比極大的提高了計算速度且避免了出現無可行解的情況，能夠有效提升微網控制中心的響應速度，提高電網運行的安全性和可靠性；
2、將問題簡化為“混合整數線性規劃+非線性規劃”后，這兩個數學優化問題都有成熟的數學軟件可以直接求解，降低了系統開發與集成的難度，從而減少了微網控制中心的投資成本，簡化其調度流程；
3、所提出的多時間尺度協調機制簡單但有效，足以處理微網這種規模小但波動大的相對獨立系統，能夠有效消納風能、太陽能等清潔能源，從而減少碳排放，進一步促進節能減排。
圖1是基于多時間尺度協調的微網經濟運行優化調度方法流程圖； 圖2是示例微網系統結構圖3可控電源成本-出力曲線分段線性化示意圖； 圖4日前計劃混合整數線性規劃問題中等式約束系數矩陣的稀疏結構圖5日前計劃混合整數線性規劃問題中不等式約束系數矩陣的稀疏結構圖6是日前計劃的計算結果展示圖。
具體實施例方式本發明基于多時間尺度協調的微網經濟運行優化調度方法，包括如下步驟 第一步統計微網運行歷史數據，建立微網內所有可控電源的成本-出力曲線的非線
性函數，并將其分段線性化；同時根據微網電路拓撲結構和電氣參數，建立微網節點導納矩陣。第二步采集微網負荷信息數據、氣象信息數據以及外部電網電價數據，綜合微網運行的歷史數據，對負荷/風能/太陽能/電價進行未來一天的預測，得到未來一天內微網的負荷/風能/太陽能/電價預測數據。第三步將微網未來一天內的經濟運行分為多個時段，以各時段微網運行成本最小為目標函數，其中所有可控電源的使用分段線性化模型，考慮微網內部的各時段能量平衡、各設備元件的出力/爬坡率/開停機成本、儲能設備運行成本與“滿充滿放”原則，基于第二步中的日前負荷/風能/太陽能/電價預測數據，將此微網日前計劃問題構成一個混合整數線性規劃問題進行求解，得到各時段微網經濟運行調度方案。上述混合整數規劃問題的數學模型為
其中
優化變量定義為
權利要求
1. 一種基于多時間尺度協調的微網經濟運行優化調度方法，其特征在于，包括如下步驟(1)統計微網運行歷史數據，建立微網內所有可控電源的成本-出力曲線的非線性函數，并將其分段線性化；同時根據微網電路拓撲結構和電氣參數，建立微網節點導納矩陣；(2)采集微網負荷信息數據、氣象信息數據以及外部電網電價數據，綜合微網運行的歷史數據，對負荷/風能/太陽能/電價進行未來一天的預測，得到未來一天內微網的負荷/ 風能/太陽能/電價預測數據；(3)將微網未來一天內的經濟運行分為多個時段，以各時段微網運行成本最小為目標函數，其中所有可控電源的使用分段線性化模型，考慮微網內部的各時段能量平衡、各設備元件的出力/爬坡率/開停機成本、儲能設備運行成本與“滿充滿放”原則，基于第二步中的日前負荷/風能/太陽能/電價預測數據，將此微網日前計劃問題構成一個混合整數線性規劃問題進行求解，得到各時段微網經濟運行調度方案；(4)采集微網負荷信息數據、氣象信息數據以及外部電網電價數據，對負荷/風能/太陽能/電價進行超短期預測，得到未來一個時段內微網的負荷/風能/太陽能/電價預測數據；(5)取當前時段的微網設備的開停機狀態，令其在該時段不能改變，以該時段微網運行成本最小和當前電源出力值與日前計劃出力值偏差最小化為目標函數，其中所有可控電源使用原有非線性模型，考慮微網內部的該時段交流潮流平衡、母線電壓約束、線路載流量約束、各逆變器的容量約束，同時基于第四步中的超短期預測數據，將此微網實時調度問題構成一個非線性規劃問題進行求解，得到該時段的微網經濟運行調度方案；(6)評估實時調度的調度方案與日前計劃的調度方案的偏差，若偏差大于給定閾值α，即所得到的實時調度方案不可行，則需要在此時段重新進行日前計劃，即返回第二步；若偏差小于或等于給定閾值沒，即所得到的實時調度方案可行，則進入第七步；(7)對于經第六步可行性檢測滿足要求的微網經濟運行調度方案，形成微網調度指令， 發布給微網中的可控電源、不可控電源以及儲能設備的控制器，使得微網在下一時段按照指定方式安全經濟運行；同時判斷下一個時段是否已進行過日前計劃，如是則進入下一個時段進行預測和實時調度，即重復第四步，否則開始對下一天進行預測和日前計劃，即返回第一步。
2.根據權利要求1所述的基于多時間尺度協調的微網經濟運行優化調度方法，其特征在于所述步驟(3)中，混合整數規劃問題的數學模型為
3.根據權利要求1所述的基于多時間尺度協調的微網經濟運行優化調度方法，其特征在于所述步驟(5)中，非線性規劃問題的數學模型為 上述非線性規劃問題的數學模型為優化變量JT定義為目標函數/(X)定義為其中，為可控電源白勺運行成本，其形式與具體可控電源類型有關，一般可以寫成二次形式；為儲能設備的運行成本；/glidix)為與外部電網電能交易成本等式約束IiCJO包括節點潮流約束不等式約束包括 ⑴外部電網接入功率因數約束(2)可控電源出力范圍約束(3)儲能設備出力范圍約束§1 - - ^Si f-: ； ⑷外部電網接入限值約束(5)逆變器容量約束(6)節點電壓約束(7)電力線路載流量約束其中，各符號定義如下fW.Je 為可控電源的有功/無功出力， , ,為儲能設備的有功/無功出力， Fgrid,^grid為外部電網交換有功/無功值，1 ,, ( 為可控電源成本-出力曲線二次多項式系數，C!S為儲能設備的單位運行成本，CTglrid為外部電網電能交易單價， Ap ^Jgrid為日前計劃解出的可控電源/儲能設備/外部電網出力值，#。>/%&/Vid 為實時調度與日前計劃的調度計劃偏差懲罰因子，Pi, α為節點注入有功/無功功率，Si, 為節點電壓實部/虛部，Ciy,微網節點導納矩陣元素實部/虛部，^!外部電網接入點最小功率因數, , ^"為可控電源有功出力上下限，為儲能設備有功出力上下限， dd,^為外部電網接入容量上下限，為可控電源/儲能設備/不可控電源的并網逆變器容量，生巧為節點電網上下限,為電力線路正/反向載流量上下限，/ , GijilFii, C^i為電力線路實際正/反向載流量有功/無功值。
4.根據權利要求1所述的基于多時間尺度協調的微網經濟運行優化調度方法，其特征在于所述步驟(6)中，所述實時調度的調度方案與日前計劃的調度方案的偏差定義為
全文摘要
本發明公開了一種基于多時間尺度協調的微網經濟運行優化調度方法，該方法將微網經濟運行分為日前計劃與實時調度兩個時間尺度，在日前計劃階段，將一個調度周期分為多個時段，基于日前預測數據，將其建模為混合整數線性規劃問題；在實時調度階段，遵從日前計劃的開停機結果，基于實時超短期預測數據，將其建模為非線性規劃。本發明還設計了兩個時間尺度的協調配合機制，使得本方法得到的調度方案既能滿足長時間尺度的經濟因素，也能滿足短時間尺度的微網內部電壓、載流量等安全運行約束并平滑新能源的出力波動。該方法適用于任意類型、任意容量配比的由可控電源、不可控電源和儲能設備組成的微型電網的并網和孤網運行中的經濟運行優化調度。
文檔編號G06Q50/00GK102184475SQ201110121088
公開日2011年9月14日 申請日期2011年5月11日 優先權日2011年5月11日
發明者劉霞, 江全元, 汪海蛟, 王云, 石慶均, 程瑋, 耿光超, 薛美東 申請人:浙江大學