一種微電網(wǎng)能量優(yōu)化管理方法
【專利摘要】一種微電網(wǎng)能量優(yōu)化管理方法，該方法以微電網(wǎng)能量流動供求誤差的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，考慮實際電網(wǎng)運行中的能量守恒和物理設(shè)備的電氣限制等約束條件，以微汽輪機的可控供電、儲能的充放電量、充放電時間和用戶用電時間/電量的調(diào)度等為操作變量，利用基于分時分層的遞階預(yù)測控制優(yōu)化算法，對各能量模塊的工作狀態(tài)進行優(yōu)化，以改善對新能源和用戶負荷引起的雙向擾動并滿足用戶負荷對電能的需求，從而保證了微電網(wǎng)運行的可靠性、安全性和經(jīng)濟性，且適用于實際電網(wǎng)中的能量優(yōu)化管理。
【專利說明】-種微電網(wǎng)能量優(yōu)化管理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種能量優(yōu)化管理方法，尤其是一種存在多用戶且具有混合動態(tài)邏輯 特性電力系統(tǒng)的能量優(yōu)化管理方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 微電網(wǎng)作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，它對新能源的推廣、電力生產(chǎn)過程中的節(jié) 能降耗、降低碳排放量具有重要意義。微電網(wǎng)能量管理的主要目的是在滿足技術(shù)條件和物 理裝備等約束下，以最小的操作成本實時、準(zhǔn)確地向用戶負荷提供需求質(zhì)量的電能，不僅保 證短期內(nèi)能量的供求平衡，同時達到長期內(nèi)能量的優(yōu)化調(diào)度和電網(wǎng)的經(jīng)濟運行。然而，由于 新能源供電的間歇性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、控制行為的約束性等原因，使得傳統(tǒng)的能量管理 策略難以滿足實際的控制需求。因此，要保證微電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟地運行，實現(xiàn)微電網(wǎng)的 推廣和應(yīng)用，就需要對微電網(wǎng)能量管理問題進行研究。
[0003] 與負荷被動參與電網(wǎng)運行的傳統(tǒng)電網(wǎng)能量管理相比，微電網(wǎng)的能量管理更期望用 戶負荷主動參與電網(wǎng)的運行，實現(xiàn)對對電能的積極消費。但隨著智能用戶數(shù)量的增加，用戶 時變的用電數(shù)量和隨機的用電時間將給負荷端的能量分配帶來擾動。另一方面，微電網(wǎng)的 供電端引入了大量可再生、節(jié)能環(huán)保的新能源，新能源的隨機性也給微電網(wǎng)的能量管理帶 來了擾動的影響。目前，針對微電網(wǎng)能量優(yōu)化管理時對擾動的研究主要針對供電端或從用 戶端。
[0004] 針對新能源的隨機擾動問題，國內(nèi)外學(xué)者有的引入儲能設(shè)備削峰填谷、平滑新能 源隨機性的擾動，有的通過不同類型新能源之間的集群效應(yīng)來改善新能源隨機性的擾動， 有的用分時優(yōu)化的策略實現(xiàn)對新能源隨機性的平滑；針對負荷端的擾動問題，采用提前用 電或延遲用電的能量調(diào)度策略來鼓勵用戶負荷低峰積極用電、高峰減少用電的方式，實現(xiàn) 對用戶端擾動的削減和平滑。但目前的研究工作大多只考慮了新能源隨機性擾動問題或用 戶端的供求誤差而引起的擾動問題，而同時考慮由新能源隨機性和用戶動態(tài)性引起的方向 擾動的能量管理問題研究相對較少。
[0005] 因此，開發(fā)一種適合于存在多用戶情況下的微電網(wǎng)能量優(yōu)化管理方法，對新能源 的推廣、電力生產(chǎn)過程中的節(jié)能降耗、降低碳排放量具有重要意義。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明提供了一種微電網(wǎng)能量優(yōu)化管理的方法，針對存在多智能用戶的微電網(wǎng)能 量優(yōu)化管理問題，提出一種基于分時分層的預(yù)測控制策略。
[0007] 本發(fā)明的構(gòu)思如下：
[0008] 根據(jù)能量在不同模塊間的流動，建立系統(tǒng)的分層模型和基于雙層控制結(jié)構(gòu)的能量 管理優(yōu)化問題，上層的集中控制器通過優(yōu)化儲能的充/放電時間、充/放電量、可控供電功 率以及對負荷需求的調(diào)節(jié)作用來實現(xiàn)能量的優(yōu)化流動，下層的集合器通過優(yōu)化對負荷需求 的分配作用以滿足負荷的實時需求。為改善能量管理所面臨的雙向擾動，針對不同控制層 分別采取不同時間尺度進行優(yōu)化。在慢采樣周期內(nèi)優(yōu)化求解上層優(yōu)化問題，實現(xiàn)能量在長 期內(nèi)的優(yōu)化調(diào)度；在快速采樣周期內(nèi)優(yōu)化求解集合器的快時間尺度優(yōu)化問題，實現(xiàn)短期內(nèi) 對用戶需求的實時供應(yīng)。
[0009] 同時，為了改善新能源的隨機性，保證上層的穩(wěn)定運行，并實現(xiàn)對底層用戶需求的 實時分配，這里考慮針對集中控制器的優(yōu)化問題和集合器的優(yōu)化問題采取多時間尺度優(yōu)化 策略。上層集中控制器采用慢時間尺度，優(yōu)化一天24小時中每小時能量的調(diào)度，實現(xiàn)能量 在長期內(nèi)的優(yōu)化調(diào)度。下層集合器在分鐘級采樣周期內(nèi)實現(xiàn)對用戶負荷需求的實時供應(yīng)。 [0010] 集中控制器和集合器各自功能描述如下：
[0011] (a)上層集中控制器是一個以小時為采樣周期的MPC控制器，基于一天24小時內(nèi) 新能源供電信息、儲能狀態(tài)信息以及集合器?，j = 1，…，Μ反饋的用戶負荷需求預(yù)估信息、 優(yōu)化儲能的充/放電時間、充/放電量、可控供電能源供電功率的變化以及對集合器能量需 求的調(diào)節(jié)作用，實現(xiàn)能量在長期內(nèi)的優(yōu)化利用；
[0012] (b)下層集合器是Μ個基于分鐘級采樣時間的MPC控制器Aj，j = 1，"·，Μ，控制管 理Ν個即插即用的智能用戶i = 1，...，Ν，其中Μ彡Ν，這里簡稱集合器Aj，j = 1，···，Μ。 下層集合器將用戶負荷的需求信息實時向上反饋到上層集中控制器，并接收來自上層集中 控制器的能量分配信息，通過對用戶負荷需求的實時優(yōu)化，實現(xiàn)能量在短期內(nèi)的優(yōu)化利用。
[0013] 存在多用戶的微電網(wǎng)能量管理的模型描述：在每一小時k，k= l，...，Tk，集合器 Α」采集當(dāng)前時刻各組智能用戶的用電需求信息預(yù)估值Eref^ (k)，并上傳給集中控制器。針 對用戶負荷的需求，集中控制器控制可控供電、新能源供電和儲能設(shè)備的工作，向負荷提供 電能，于是微電網(wǎng)內(nèi)部能量流動的動態(tài)特性可描述為：
【權(quán)利要求】
1. 一種微電網(wǎng)能量管理優(yōu)化方法，其特征在于，所述優(yōu)化方法包括如下步驟： (1) 采集微電網(wǎng)各能量模塊的實時運行數(shù)據(jù)：用戶負荷的需求信息、儲能設(shè)備當(dāng)前時 刻的容量狀態(tài)以及新能源供電的輸出； (2) 建立微電網(wǎng)內(nèi)部上下兩層的能量平衡和上層儲能容量的動態(tài)描述，其中，下層在快 采樣周期內(nèi)的能量平衡關(guān)系為：
其中t是快速采樣周期的時刻，\1是用戶需求用電 Ereqjt)在集合器Aj能量需求Ereqj(t)中所占的比例系數(shù)； 上層在慢采樣周期內(nèi)的能量平衡關(guān)系為： Es(k)=Erenew(k) + ΔEcon(k)-Ereq(k)，其中，k是慢采樣周期的時刻，ΔEcon(k)是 可控供電能源功率的變化，ErenewGO是新能源實時測量值，Ereq(k)是集中控制實時采集 的負荷需求； (3) 基于微電網(wǎng)內(nèi)部能量的流動關(guān)系和能量的供需關(guān)系，建立起微電網(wǎng)能量管理的上 層各能量模塊與儲能設(shè)備間能量流動的函數(shù)關(guān)系： [SocM-Sodk+l)] = α[3〇(^-3〇(3(1〇]+ηΕ8(1〇,其中 Soc(k)為 k 時刻儲能設(shè)備的容 量狀態(tài)，儲能的物理損耗系數(shù)a e (〇，1) ; η為儲能設(shè)備的充放電效率，充電效率記為η。、 放電效率記為nd，且它們之間滿足以下關(guān)系：
(4) 以儲能的充放容量、可控供電的功率變化以及對負荷需求的調(diào)節(jié)作用作為約束條 件，建立微電網(wǎng)上下兩層的能量管理的目標(biāo)函數(shù)； 其中，上層的能量管理的目標(biāo)函數(shù)按照如下步驟優(yōu)化：利用基于混合整數(shù)二次規(guī)劃帶 約束的預(yù)測控制優(yōu)化算法，以可控供電功率、儲能充放電量和充放電時間、以及對協(xié)調(diào)器需 求的調(diào)節(jié)作用為操作變量，以儲能設(shè)備最優(yōu)容量為設(shè)定值，以上層的能量供求誤差最低作 為目標(biāo)，在滿足可控能源供電功率、儲能的充放電和容量物理約束條件下，調(diào)整可控供電功 率、儲能充放電量和充放電時間、以及對協(xié)調(diào)器需求的調(diào)節(jié)作用，以達到上層最小的目標(biāo)函 數(shù)值； 下層的能量管理的目標(biāo)函數(shù)按照如下步驟優(yōu)化：利用基于二次規(guī)劃帶約束的預(yù)測控制 優(yōu)化算法，以協(xié)調(diào)器對用戶采取的斷電或提前用電而帶來的能量調(diào)度作用為操作變量，以 用戶對能量的需求作為適應(yīng)值，以協(xié)調(diào)器對負荷能量供應(yīng)與負荷需求間的誤差最低作為目 標(biāo)，在滿足負荷對電能需求質(zhì)量的約束條件下，調(diào)整對負荷需求的調(diào)度作用，以達到下層最 小的目標(biāo)函數(shù)值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電網(wǎng)能量優(yōu)化管理方法，其特征在于，步驟⑵涉及一種分 時分層的能量管理結(jié)構(gòu)，所述上層是以小時為采樣周期的慢時間尺度層次，所述下層是以 分鐘為采樣周期的快時間尺度層次。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電網(wǎng)能量優(yōu)化管理方法，其特征在于，步驟（3)中采用混合 邏輯動態(tài)模型來描述儲能設(shè)備容量的動態(tài)特性，用二進制變量S (k)來表示儲能在當(dāng)前時 刻的工作狀態(tài)，Z(k) = δ (k)Es(k)表示當(dāng)前時刻儲能充/放電的電量，儲能設(shè)備的動態(tài)特 性描述為： [Socref-Soc (k+1) ] = a[Socref-Soc (k) ] + ( ηc-ηd) Z (k) + η dEs (k)； 其中，Soc(k+l)表示儲能設(shè)備在K+l時刻的容量狀態(tài)； SocMf是為保證儲能電池工作的可靠性而設(shè)置的一個設(shè)定值，即在儲能充放電過程中 的初始時刻和最終時刻儲能設(shè)備的容量均保持趨近該設(shè)定值； η ^和nd分別表示儲能設(shè)備充電效率和放電效率； Es (k)代表儲能設(shè)備與其它電力設(shè)備間流動的電量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電網(wǎng)能量優(yōu)化管理方法，其特征在于，步驟（4)中分別為上 下兩層建立了基于不同時間尺度的目標(biāo)函數(shù)，其中，上層是以小時級別的采樣周期內(nèi)儲能 容量期望狀態(tài)和能量供求誤差作為目標(biāo)函數(shù)，下層是以分鐘級別的采樣周期內(nèi)能量分配和 負荷需求間的誤差作為目標(biāo)函數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電網(wǎng)能量優(yōu)化管理方法，其特征在于，步驟（4)中的優(yōu)化和 決策變量中既包含了連續(xù)型變量，即可控供電功率、對協(xié)調(diào)器需求的調(diào)度、儲能充放電量， 同時也包含了離散型變量，即儲能設(shè)備充放電狀態(tài)，通過選取新的決策變量，
，并采用基于混合整數(shù)二次規(guī)范帶約束的預(yù) 測控制優(yōu)化算法進行求解優(yōu)化問題； Δ&·(;/·/(幻表示可控能源供電功率在k時刻的預(yù)測變化值； i(幻表示儲能設(shè)備與外界交換的能量的預(yù)測值； 決A:)灰示儲能設(shè)備工作狀態(tài)充電或放電的預(yù)測值； ΔΡ(Α〇是針對智能用戶采取延時或提前供電的智能用電調(diào)度策略，這里是指上層控制 器對下層集合器采取調(diào)度策略后而引起用電功率變化量的預(yù)測值。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電網(wǎng)能量優(yōu)化管理方法，其特征在于，步驟⑷中在分鐘級 別的快速采樣周期內(nèi)采取提前用電或暫時斷電的措施來改善微電網(wǎng)能量的波動，保證微電 網(wǎng)運行的穩(wěn)定性，Ereqjt) zErefJtHapjAPjt); 其中，APi(t)表示集合器針對第i個用戶負荷需求的調(diào)節(jié)作用，表示集合器p針 對第i個用戶負荷調(diào)節(jié)作用的權(quán)系數(shù)。
【文檔編號】H02J3/32GK104113085SQ201410384575
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年8月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月5日
【發(fā)明者】徐俊, 鄒媛媛, 牛玉剛, 賈廷綱 申請人:華東理工大學(xué)