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(dòng)供求誤差的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，考慮實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)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(jī)的可控供電、儲(chǔ)能的充放電量、充放電時(shí)間和用戶用電時(shí)間/電量的調(diào)度等為操作變量，利用基于分時(shí)分層的遞階預(yù)測控制優(yōu)化算法，對(duì)各能量模塊的工作狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，以改善對(duì)新能源和用戶負(fù)荷引起的雙向擾動(dòng)并滿足用戶負(fù)荷對(duì)電能的需求，從而保證了微電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性，且適用于實(shí)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(dòng)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(duì)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(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地向用戶負(fù)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(shí)達(dá)到長期內(nèi)能量的優(yōu)化調(diào)度和電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(shí)際的控制需求。因此，要保證微電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的 推廣和應(yīng)用，就需要對(duì)微電網(wǎng)能量管理問題進(jìn)行研究。
[0003] 與負(fù)荷被動(dòng)參與電網(wǎng)運(yùn)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(fù)荷主動(dòng)參與電網(wǎng)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)電能的積極消費(fèi)。但隨著智能用戶數(shù)量的增加，用戶 時(shí)變的用電數(shù)量和隨機(jī)的用電時(shí)間將給負(fù)荷端的能量分配帶來擾動(dòng)。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(jī)性也給微電網(wǎng)的能量管理帶 來了擾動(dòng)的影響。目前，針對(duì)微電網(wǎng)能量優(yōu)化管理時(shí)對(duì)擾動(dòng)的研究主要針對(duì)供電端或從用 戶端。
[0004] 針對(duì)新能源的隨機(jī)擾動(dòng)問題，國內(nèi)外學(xué)者有的引入儲(chǔ)能設(shè)備削峰填谷、平滑新能 源隨機(jī)性的擾動(dòng)，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(jī)性的擾動(dòng)， 有的用分時(shí)優(yōu)化的策略實(shí)現(xiàn)對(duì)新能源隨機(jī)性的平滑；針對(duì)負(fù)荷端的擾動(dòng)問題，采用提前用 電或延遲用電的能量調(diào)度策略來鼓勵(lì)用戶負(fù)荷低峰積極用電、高峰減少用電的方式，實(shí)現(xiàn) 對(duì)用戶端擾動(dòng)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(jī)性擾動(dòng)問題或用 戶端的供求誤差而引起的擾動(dòng)問題，而同時(shí)考慮由新能源隨機(jī)性和用戶動(dòng)態(tài)性引起的方向 擾動(dòng)的能量管理問題研究相對(duì)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(duì)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(duì)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(shí)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(dòng)，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(chǔ)能的充/放電時(shí)間、充/放電量、可控供電功 率以及對(duì)負(fù)荷需求的調(diào)節(jié)作用來實(shí)現(xiàn)能量的優(yōu)化流動(dòng)，下層的集合器通過優(yōu)化對(duì)負(fù)荷需求 的分配作用以滿足負(fù)荷的實(shí)時(shí)需求。為改善能量管理所面臨的雙向擾動(dòng)，針對(duì)不同控制層 分別采取不同時(shí)間尺度進(jìn)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(shí)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(shí)間尺度優(yōu)化問題，實(shí)現(xiàn)短期內(nèi) 對(duì)用戶需求的實(shí)時(shí)供應(yīng)。
[0009] 同時(shí)，為了改善新能源的隨機(jī)性，保證上層的穩(wěn)定運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)對(duì)底層用戶需求的 實(shí)時(shí)分配，這里考慮針對(duì)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(shí)間尺度優(yōu)化 策略。上層集中控制器采用慢時(shí)間尺度，優(yōu)化一天24小時(shí)中每小時(shí)能量的調(diào)度，實(shí)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(jí)采樣周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶負(fù)荷需求的實(shí)時(shí)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(gè)以小時(shí)為采樣周期的MPC控制器，基于一天24小時(shí)內(nèi) 新能源供電信息、儲(chǔ)能狀態(tài)信息以及集合器?，j = 1，…，Μ反饋的用戶負(fù)荷需求預(yù)估信息、 優(yōu)化儲(chǔ)能的充/放電時(shí)間、充/放電量、可控供電能源供電功率的變化以及對(duì)集合器能量需 求的調(diào)節(jié)作用，實(shí)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(gè)基于分鐘級(jí)采樣時(shí)間的MPC控制器Aj，j = 1，"·，Μ，控制管 理Ν個(gè)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(fù)荷的需求信息實(shí)時(shí)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(duì)用戶負(fù)荷需求的實(shí)時(shí)優(yōu)化，實(shí)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(shí)k，k= l，...，Tk，集合器 Α」采集當(dāng)前時(shí)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(duì)用戶負(fù)荷的需求，集中控制器控制可控供電、新能源供電和儲(chǔ)能設(shè)備的工作，向負(fù)荷提供 電能，于是微電網(wǎng)內(nèi)部能量流動(dòng)的動(dòng)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(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)：用戶負(fù)荷的需求信息、儲(chǔ)能設(shè)備當(dāng)前時(shí) 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(chǔ)能容量的動(dòng)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(shí)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(shí)刻，ΔEcon(k)是 可控供電能源功率的變化，ErenewGO是新能源實(shí)時(shí)測量值，Ereq(k)是集中控制實(shí)時(shí)采集 的負(fù)荷需求； (3) 基于微電網(wǎng)內(nèi)部能量的流動(dòng)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(chǔ)能設(shè)備間能量流動(dòng)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(shí)刻儲(chǔ)能設(shè)備的容 量狀態(tài)，儲(chǔ)能的物理損耗系數(shù)a e (〇，1) ; η為儲(chǔ)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(chǔ)能的充放容量、可控供電的功率變化以及對(duì)負(fù)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(chǔ)能充放電量和充放電時(shí)間、以及對(duì)協(xié)調(diào)器需 求的調(diào)節(jié)作用為操作變量，以儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能充放電量和充放電時(shí)間、以及對(duì)協(xié)調(diào)器需求的調(diào)節(jié)作用，以達(dá)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(duì)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(duì)能量的需求作為適應(yīng)值，以協(xié)調(diào)器對(duì)負(fù)荷能量供應(yīng)與負(fù)荷需求間的誤差最低作為目 標(biāo)，在滿足負(fù)荷對(duì)電能需求質(zhì)量的約束條件下，調(diào)整對(duì)負(fù)荷需求的調(diào)度作用，以達(dá)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(shí)分層的能量管理結(jié)構(gòu)，所述上層是以小時(shí)為采樣周期的慢時(shí)間尺度層次，所述下層是以 分鐘為采樣周期的快時(shí)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(dòng)態(tài)模型來描述儲(chǔ)能設(shè)備容量的動(dòng)態(tài)特性，用二進(jìn)制變量S (k)來表示儲(chǔ)能在當(dāng)前時(shí) 刻的工作狀態(tài)，Z(k) = δ (k)Es(k)表示當(dāng)前時(shí)刻儲(chǔ)能充/放電的電量，儲(chǔ)能設(shè)備的動(dòng)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(chǔ)能設(shè)備在K+l時(shí)刻的容量狀態(tài)； SocMf是為保證儲(chǔ)能電池工作的可靠性而設(shè)置的一個(gè)設(shè)定值，即在儲(chǔ)能充放電過程中 的初始時(shí)刻和最終時(shí)刻儲(chǔ)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(chǔ)能設(shè)備充電效率和放電效率； Es (k)代表儲(chǔ)能設(shè)備與其它電力設(shè)備間流動(dòng)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(shí)間尺度的目標(biāo)函數(shù)，其中，上層是以小時(shí)級(jí)別的采樣周期內(nèi)儲(chǔ)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(jí)別的采樣周期內(nèi)能量分配和 負(fù)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(duì)協(xié)調(diào)器需求的調(diào)度、儲(chǔ)能充放電量， 同時(shí)也包含了離散型變量，即儲(chǔ)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(jìn)行求解優(yōu)化問題； Δ&·(;/·/(幻表示可控能源供電功率在k時(shí)刻的預(yù)測變化值； i(幻表示儲(chǔ)能設(shè)備與外界交換的能量的預(yù)測值； 決A:)灰示儲(chǔ)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(duì)智能用戶采取延時(shí)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(duì)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(jí) 別的快速采樣周期內(nèi)采取提前用電或暫時(shí)斷電的措施來改善微電網(wǎng)能量的波動(dòng)，保證微電 網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，Ereqjt) zErefJtHapjAPjt); 其中，APi(t)表示集合器針對(duì)第i個(gè)用戶負(fù)荷需求的調(diào)節(jié)作用，表示集合器p針 對(duì)第i個(gè)用戶負(fù)荷調(diào)節(jié)作用的權(quán)系數(shù)。
【文檔編號(hào)】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)