[发明专利]多时间尺度微电网能量管理优化调度方法

摘要

本发明涉及交流微电网领域管理优化方法，具体是一种多时间尺度微电网能量管理优化调度方法。针对现有研究存在对微电网运行状态考虑不全面、对微电网各运行状态下的控制策略不够详尽、对运行成本计算准确性不足等问题。本发明由日前经济优化调度阶段和日内经济优化调度阶段构成；前者考虑峰、谷、平各时段电价，根据日前光伏与负荷预测，以包含锂电池和燃料电池的运行维护成本、可中断负荷的中断补偿、从大电网购售电价格等总运行成本为目标函数进行微电网内分布式单元功率优化分配；后者通过对微电网向大电网的购售电、超级电容、燃料电池的出力配合安排，针对峰、谷、平电价时段分别建立独立控制策略，控制策略细节更为具体、详尽。

主权项

一种多时间尺度微电网能量管理优化调度方法，所述微电网交流母线通过静态开关与大电网相连，交流母线引出三条馈线，第一馈线和第二馈线上超级电容、锂电池和燃料电池分别通过DC/DC变换器和DC/AC逆变器接入，第三馈线上光伏发电系统通过DC/AC逆变器接入，三条馈线上都接有负荷，所述负荷分为可中断负荷和固定负荷；其特征在于，该管理优化调度方法是由如下步骤实现的：一.日前经济优化调度阶段：(1)日前经济优化调度过程中，按小时分段，将1天分为24时段，假设每一时段中各分布式单元的功率输出和/或吸收为定值；(2)预测未来一天各时段的光伏发电功率以及固定负荷、可中断负荷的波动情况；(3)查询锂电池的额定容量和初始状态SOC值；(4)分布式单元数学模型的建立：a.燃料电池的运行维护成本燃料电池的发电成本CFi(PFi(t))与燃气的价格CFC、燃气的低热值LHVFC、燃料电池的效率ηFC、燃料电池发电功率PFi(t)有关，其运行成本可表示为：CFi(PFi(t))=CFC·LHVFC·PFi(t)ηFC·Δt---(1)]]>燃料电池的维护成本与燃料电池发电功率PFi(t)成正比，其维护成本COMFi(PFi(t))可表示为：COMFi(PFi(t))＝KOMFC·PFi(t)·Δt  (2)其中，KOMFC表示燃料电池维护成本系数；b.锂电池的运行维护成本将锂电池的充电损耗和放电损耗按近似相同考虑，得锂电池放电深度如下式所示：Dod(t)=Ich(t)·Pch(t)+Idis(t)·Pdis(t)ELB·Δt---(3)]]>其中，Ich(t)为0‑1整数变量，取1时表示锂电池在t时段处于充电状态；Idis(t)为0‑1整数变量，取1时表示锂电池在t时段处于放电状态；Pch(t)表示t时段内锂电池充电功率，Pdis(t)表示t时段内锂电池放电功率；Dod(t)表示锂电池在t时段的放电深度，ELB表示锂电池额定容量；锂电池的运行寿命与放电深度之间的关系拟合成如下公式：Nlife(t)＝‑3278·Dod(t)4‑5·Dod(t)3+12823·Dod(t)2‑14122·Dod(t)+5112  (4)其中，Nlife(t)表示t时段锂电池在放电深度Dod(t)下的循环寿命；考虑锂电池循环寿命的运行成本函数如下式所示：CB(t)=Cinv·Ich(t)·Pch(t)+Idis(t)·Pdis(t)Nlife(t)·2·ELB·Δt---(5)]]>其中，CB(t)表示t时段内锂电池的运行成本，Cinv表示锂电池的初始投资费用；锂电池的维护成本与锂电池的充放电功率的绝对值成正比，如下式所示：COMB(t)＝KOMB·|Ich(t)·Pch(t)+Idis(t)·Pdis(t)|·Δt  (6)其中，COMB(t)表示t时段内锂电池的维护成本，KOMB表示锂电池的维护成本系数；(5)建立微电网总运行成本最低目标函数min F：minF=Σt=124Σi=1n[CFi(PFi(t))+COMFi(PFi(t))]+Σj=1m(CBj(t)+COMBj(t)]+Σk=1h(1-I1k(t))·C1k·P1k(t)·Δt+IPgrid(t)·CP(t)·PPgrid(t)·Δt-ISgrid(t)·CS(t)·PSgrid(t)·Δt---(7)]]>其中，n表示微电网中燃料电池数量，PFi(t)表示燃料电池i在时段t内发出的功率，CFi(PFi(t))表示燃料电池i在时段t内的运行成本，COMFi(PFi(t))表示燃料电池i在时段t内的维护成本；m表示微电网中锂电池数量，CBj(t)表示锂电池j在时段t内的寿命周期运行成本，COMBj(t)表示锂电池j在时段t内的维护成本；h表示微电网中可中断负荷的数量，Ilk(t)为0‑1整数变量，为0时表示可中断负荷k在t时段内切除，为1时表示可中断负荷k在时段t内运行，Clk表示可中断负荷k单位时段内的中断补偿金额，各可中断负荷的中断补偿价格因负荷的重要程度而异，Plk(t)表示可中断负荷k在时段t内的功率大小，Δt表示单位时间段，本发明中取为1小时；IPgrid(t)与ISgrid(t)为0‑1整数变量，其组合表示微电网向大电网购售电情况；CP(t)表示t时段购电价，CS(t)表示t时段售电价，考虑售电和购电价格各分为峰谷平3个时段；PPgrid(t)表示t时段购电功率，PSgrid(t)表示t时段售电功率；(6)为保证微电网的安全可靠运行，微电网中各单元在每个时段中均需满足一定的等式约束或不等式约束条件，包括：a.微电网中功率平衡等式约束：Ppv(t)+Σi=1nPFi(t)+IPgrid(t)·PPgrid(t)-ISgrid(t)·PSgrid(t)+Idis(t)·Pdis(t)-Ich(t)·Pch(t)=P1c(t)+Σk=1hI1k(t)·P1k(t)---(8)]]>其中，Ppv(t)表示步骤(2)日前预测在时段t内光伏发出的功率，Plc(t)表示日前预测在时段t内的固定负荷功率；b.燃料电池应满足t时段输出功率在一定范围：PFCmin≤PFi(t)≤PFCmax  (9)其中，PFCmax与PFCmin分别表示t时段内燃料电池输出功率的上下限；c.锂电池运行约束：锂电池荷电状态SOC(t)在t时段内的表达式如下式所示：SOC(t)=ELB(t)ELB---(10)]]>其中，ELB(t)表示在t时段内锂电池的剩余容量；锂电池荷电状态约束为：SOCmin≤SOC(t)≤SOCmax  (11)其中，SOCmax与SOCmin分别表示荷电状态的上下限；在t时段时单个锂电池的剩余容量ELB(t)可表示为：ELB(t)=Ich(t)·(ELB(t-1)+Pch(t)·γ)+Idis(t)·(ELB(t-1)-Pdis(t)γ)---(12)]]>其中，γ表示锂电池的充放电效率，ELB(0)表示锂电池初始剩余容量；为了方便日前周期性调度，锂电池每日的始末剩余容量或荷电状态需保持一致：ELB(0)＝ELB(24)  (13)同一时段t内，锂电池或者处于充电状态，或者处于放电状态，故其运行状态需满足如下约束：Ich(t)+Idis(t)≤1  (14)此外，每时段t内锂电池考虑实时运行状态的充放电功率需满足下式约束:0≤Pch(t)≤min(Pchmax,SOCmax·ELB-ELB(t-1)γ)---(15)]]>0≤Pdis(t)≤min(Pdismax,γ·(ELB(t‑1)‑SOCmin·ELB))  (16)其中Pchmax与Pdismax分别表示锂电池充放电功率限值；d.联络线交互功率约束：同一时段t内，或者处于购电状态，或者处于售电状态，故联络线交互功率需满足下式约束：IPgrid(t)+ISgrid(t)≤1  (17)此外，每时段t内需满足交互功率上下限约束如下：PPgridmin≤PPgrid(t)≤PPgridmax  (18)PSgridmin≤PSgrid(t)≤PSgridmax   (19)PPgridmin和PPgridmax分别表示联络线购电功率限值；PSgridmin和PSgridmax分别表示联络线售电功率限值；e.可中断负荷约束：各可中断负荷根据其重要程度不同，有着不同的每日最大中断时长，其一天内可中断时长约束如下：Σt=124I1k(t)≤T1k---(20)]]>其中，Tlk表示可中断负荷k在一天内可中断最大时长，中断时长视负荷重要程度而定，具体取值依照负荷长期工作的统计结果；(7)根据建立的模型(1)－(20)求解出：未来一天各时段可中断负荷运行状态Ilk(t)、联络线交互功率ISgrid(t)·PSgrid(t)和IPgrid(t)·PPgrid(t)、燃料电池发电功率PFi(t)、锂电池充放电功率Idis(t)·Pdis(t)和Ich(t)·Pch(t)、锂电池SOC值SOC(t)；二.日内经济优化调度阶段：(1)日内调度计划中，以15分钟作为单位时段，将全天分为96个时段，并按照峰、谷、平时段划分策略；(2)超短期预测日内各时段的光伏发电功率以及固定负荷波动情况；(3)在每一时段，根据日前预测与日内超短期预测光伏、负荷功率的差异，计算出微电网波动功率ΔP(t)，ΔP(t)＞0表示负荷功率大于光伏发出功率，ΔP(t)≤0情况相反：ΔP(t)＝Plcn(t)‑Plc(t)‑(Ppvn(t)‑Ppv(t))  (21)其中，Plcn(t)表示t时段超短期预测固定负荷功率，Plc(t)表示t时段日前预测固定负荷功率，Ppvn(t)表示t时段超短期预测光伏发电功率，Ppv(t)表示t时段日前预测光伏发电功率；(4)日内经济优化调度流程：结合分时电价与燃料电池发电成本，分别制定出不同时段的调度策略，在峰平谷时段内根据微电网波动功率ΔP(t)和实时采集到的微电网内分布式单元的实时数据，根据以下a、b和c的控制策略分别得出每时段超级电容充放电功率、超级电容SOC值、燃料电池与联络线交互功率针对功率波动进行的补偿功率；将以上求得的可控分布式单元修正结果与日前经济优化调度求得的可控分布式单元运行计算值进行线性叠加，作为可控分布式单元出力安排的参考值，并以此对可控分布式单元进行控制指令的发送；一个时段执行完后进行下一个时段，直到96个时段完成则进入下一天的控制，从0时刻再开始；a.在峰电价时段，从附加成本最低的角度出发，当ΔP(t)＞0时，优先让超级电容放电，若超级电容剩余容量不足，则使用燃料电池发电，若燃料电池功率仍然不足，则从大电网购电以平抑功率波动；当ΔP(t)≤0时，优先向大电网售电，若未达到交互功率限值，则将超级电容存储电量向大电网售电；若超过限值仍存在功率剩余，则结合超级电容的SOC上限值考虑是否充电；b.在平电价时段，当燃料成本介于该时段购售电价之间时，当ΔP(t)＞0时，优先安排燃料电池发电，然后依次调用超级电容放电、向大电网购电；当ΔP(t)≤0时，优先给超级电容充电，然后才考虑向大电网售电；当燃料成本高于该时段购售电价格时，当ΔP(t)＞0时，按照超级电容放电、向大电网购电和燃料电池发电的优先级顺序安排运行；当ΔP(t)≤0时，优先给超级电容充电，然后才考虑向大电网售电；当燃料成本低于该时段购售电价格时，当ΔP(t)＞0时，优先安排燃料电池发电，然后依次调用超级电容放电、向大电网购电；当ΔP(t)≤0时，优先给超级电容充电，然后才考虑向大电网售电；c.在谷电价时段，当ΔP(t)＞0时，优先从大电网购电，然后结合超级电容的SOC决定是否继续购电来给超级电容充电；当ΔP(t)≤0时，根据超级电容的SOC值优先给超级电容充电。