本發(fā)明涉及微電網(wǎng)經(jīng)濟性與穩(wěn)定性協(xié)調(diào)優(yōu)化領(lǐng)域，具體是一種考慮可再生能源隨機性的微電網(wǎng)經(jīng)濟性與穩(wěn)定性優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

隨著分布式電源滲透率逐漸增加，風力發(fā)電及光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電所具有的隨機性和不可確定性，不僅給微電網(wǎng)的經(jīng)濟調(diào)度帶來了挑戰(zhàn)，同時增大了微電網(wǎng)穩(wěn)定運行的風險。微電網(wǎng)能否穩(wěn)定運行不僅要解決如何保持孤島運行下的穩(wěn)定性問題，同時也要保證在并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)，微網(wǎng)運行方式發(fā)生劇烈變化等各種動態(tài)過程中的穩(wěn)定運行。因此，如何在可再生能源出力不確定的前提下，考慮微網(wǎng)運行過程中運行方式的劇烈變動，實現(xiàn)對微電網(wǎng)的經(jīng)濟優(yōu)化與穩(wěn)定協(xié)調(diào)是如今研究的難點。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對微電網(wǎng)經(jīng)濟優(yōu)化運行做了大量研究，并建立了模型，這些模型過于簡單，考慮的是微電網(wǎng)全年的經(jīng)濟調(diào)度，模型不能滿足微電網(wǎng)實時動態(tài)調(diào)度運行，并且未考慮在分布式電源出力變化時微電網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定性，事實上，微網(wǎng)經(jīng)濟最優(yōu)運行方案并不能保證系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性。而對于微電網(wǎng)穩(wěn)定性的研究中只探討了微電網(wǎng)孤島運行模式下的穩(wěn)定性問題，通過微網(wǎng)頻率以及功率響應(yīng)驗證所提模型及策略的有效性，缺乏對微電網(wǎng)經(jīng)濟性的綜合考慮。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對微電網(wǎng)經(jīng)濟優(yōu)化與穩(wěn)定性研究不能孤立進行的問題，提供一種考慮可再生能源隨機性的微電網(wǎng)經(jīng)濟性與穩(wěn)定性優(yōu)化方法，在不增加外加裝置成本情況下，通過下垂控制實現(xiàn)微網(wǎng)經(jīng)濟穩(wěn)定最優(yōu)運行。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種考慮可再生能源隨機性的微電網(wǎng)經(jīng)濟性與穩(wěn)定性優(yōu)化方法，包括如下步驟：

步驟1、對可再生能源功率出力預(yù)測：采用拉丁超立方采樣法(LHS)將可再生能源輸出功率離散化為多個場景，并采用場景削減方法得到十個計算場景；

步驟2、建立微電網(wǎng)經(jīng)濟優(yōu)化模型：微電網(wǎng)經(jīng)濟調(diào)度是指在滿足功率平衡約束、安全運行約束、機組出力約束以及相應(yīng)場景約束等條件下實現(xiàn)微電網(wǎng)運行成本最小。微網(wǎng)運行成本主要包括常規(guī)發(fā)電機組燃料成本、運行維護及污染氣體排放成本。

微網(wǎng)經(jīng)濟優(yōu)化目標為：

式中：N_t,N_i,和N_k分別為時段數(shù)、可調(diào)微源數(shù)，排污類別數(shù)，是第i個微源在t時刻的輸出功率，是其燃料消耗成本，α_k是第k種廢棄物的處理成本，EF_i,k是第i個微源的廢物排放因子。對于風力發(fā)電機光伏發(fā)電機組，其污染氣體排放為零。

其中可控微源的燃料成本為第i個可控微源DDER(dispatchable distributed energy resource)在t時刻的燃料成本可由其輸出功率的二次函數(shù)表示。

式中：a_i、b_i、c_i為可控機組的燃料成本系數(shù)，可以通過其耗量特性曲線擬合得到。

除了常規(guī)約束條件外，系統(tǒng)的場景約束條件為：

其中，上角標s表示不同的場景。第1個等式為不同場景下的功率平衡約束；第2個等式為不同場景下的發(fā)電機出力約束；第3、4個等式為不同場景下的儲能系統(tǒng)約束；第5、6個等式為不同場景下的系統(tǒng)運行備用約束；第7、8個等式為不同場景下的系統(tǒng)頻率與電壓約束；

步驟3、建立微電網(wǎng)穩(wěn)定性評價指標體系：考慮到可再生能源輸出功率的隨機性與負荷時變性，微電網(wǎng)在孤網(wǎng)運行時的運行工況在時刻變化，因而采用ITAE指標對微網(wǎng)主要狀態(tài)變量進行評價，如系統(tǒng)頻率、母線電壓及各微源的輸出功率。ITAE是綜合考量被測量的誤差與調(diào)節(jié)時間的指標，能夠指導(dǎo)被測量在擾動過度過程中，調(diào)節(jié)時間短，超調(diào)量小，振蕩衰減迅速，具有良好的實用性。

以ITAE為穩(wěn)定性評價指標的目標函數(shù)為：

其中：k為離散時間，k₀是風力及負荷變化起始時間；T₀是系統(tǒng)達到新穩(wěn)態(tài)時間；W是E_abs(k)的加權(quán)矩陣；E_abs(k)表示各被測量在k時刻的絕對誤差相量，可由下式求得：

其中：是t時刻微網(wǎng)的新穩(wěn)態(tài)頻率，是t時刻微網(wǎng)母線j的新穩(wěn)態(tài)電壓，N_j是母線節(jié)點數(shù)，是第i個微源t時刻輸出的無功功率，f^t(k)，分別是t時刻測量的系統(tǒng)頻率、母線電壓、可控微源的輸出有功功率與無功功率；

步驟4、確定微電網(wǎng)有功功率控制策略：在多DG(Distributedgenerations)并聯(lián)運行時，傳統(tǒng)的對于每個可控微源的下垂系數(shù)的分配是基于各自容量分配實現(xiàn)的，m_p1P₁＝m_p2P₂＝…＝m_pnP_n，并沒有考慮經(jīng)濟性與穩(wěn)定性原則。本發(fā)明提出的基于下垂系數(shù)的微網(wǎng)經(jīng)濟調(diào)度策略，是通過對微網(wǎng)頻率的判斷來平衡有功功率的供需匹配?？煽匚⒃磇輸出的有功功率由m_pi決定。在場景s情景下，微源i在t時刻輸出功率與系統(tǒng)頻率ω^t,s關(guān)系可由下式推導(dǎo)：

式中：m_pi^t-1為微源i在t-1時刻的下垂系數(shù)。

步驟5、對微電網(wǎng)經(jīng)濟性與穩(wěn)定性協(xié)調(diào)優(yōu)化：

(1)確定綜合協(xié)調(diào)優(yōu)化模型。

微電網(wǎng)在運行時存在很多的不確定性因素，如風機及光伏出力的不確定性，負荷預(yù)測誤差，儲能裝置工況變化等。這些因素不僅是微網(wǎng)經(jīng)濟調(diào)度的關(guān)鍵，也是維持系統(tǒng)穩(wěn)定的重要手段。為減少運行成本，每個可調(diào)度微源的下垂系數(shù)應(yīng)根據(jù)微源運行成本的大小進行分配，同時，微電網(wǎng)的穩(wěn)定性也很大程度上受下垂系數(shù)的影響。不恰當?shù)南麓瓜禂?shù)的分配，在微網(wǎng)出力或負荷發(fā)生變化時，可能出現(xiàn)較大的超調(diào)和振蕩過程。為了實現(xiàn)微網(wǎng)的經(jīng)濟性和較好的穩(wěn)定性，本發(fā)明提出了包含運行成本及ITAE準則對下垂系數(shù)進行優(yōu)化的多目標模型：

min C＝ω₁×f₁+ω₂×SC×f₂

其中：f₁為最優(yōu)成本，f₂為ITAE評價指標，SC是縮放因子，ω₁和ω₂是相應(yīng)的加權(quán)因子。

不同子目標函數(shù)的值通常在某可變長度范圍內(nèi)變化，一些子目標函數(shù)可能總是被其他子目標所主導(dǎo)。為了使評價更為有效，利用模糊邏輯理論對每個子目標函數(shù)進行歸一化處理，對兩個子目標函數(shù)f₁、f₂的歸一處理。

則綜合優(yōu)化模型為

F_i＝ω₁·μ(f_1,i)+ω₂·μ(f_2,i)

對上述模型的求解即為對各可控微源下垂系數(shù)m_pi的優(yōu)化。

(2)對綜合模型進行優(yōu)化求解

上述所提出的優(yōu)化問題是一個約束非線性優(yōu)化問題，本文采用的微分進化算法(DE)具有無導(dǎo)性，能夠有效求解出最優(yōu)結(jié)果的特性，在計算目標函數(shù)后，會檢查所有的約束條件，如果違反了任何約束，則會增加一個懲罰項。

整個微電網(wǎng)的經(jīng)濟穩(wěn)定優(yōu)化過程主要有2個關(guān)鍵性步驟：首先是對經(jīng)濟性及穩(wěn)定性指標的加權(quán)因子進行確定，然后通過微分進化算法對目標函數(shù)進行優(yōu)化求解。

進一步的，所述步驟1具體為：首先通過采樣不同時段風機及光伏發(fā)電輸出功率，生成具有概率分布的場景集合，然后通過消減聚合的方式選取具有代表性的期望場景。

進一步的，步驟5中對綜合模型進行優(yōu)化求解具體步驟為：

a、確定加權(quán)因子

將ω₁和ω₂兩個區(qū)間分別以0.1的步長劃分為10個子區(qū)間，從而得到兩組子目標函數(shù)f_1,I和f_2,I；

b、優(yōu)化求解

在不同的權(quán)重分配情景下，對綜合優(yōu)化函數(shù)進行優(yōu)化求解，得出一系列的優(yōu)化結(jié)果，當下式中C_i為最小時，即為最優(yōu)解：

本發(fā)明具有如下優(yōu)點:

1、基于下垂控制方法，改善了傳統(tǒng)對于微電網(wǎng)經(jīng)濟性及穩(wěn)定性的孤立研究，有效將兩者進行結(jié)合，為微電網(wǎng)的經(jīng)濟調(diào)度提供了一種新的思路；

2、微電網(wǎng)在各微源出力及負荷變化時，本發(fā)明提出的ITAE指標能夠有效表征微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且各可控微源下垂系數(shù)對ITAE指標有較大的影響，通過下垂控制能夠?qū)崿F(xiàn)對微電網(wǎng)穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)；

3、本發(fā)明提出的微網(wǎng)經(jīng)濟性與穩(wěn)定性相協(xié)調(diào)的優(yōu)化策略能夠適應(yīng)各種不同的運行方式變化，通過微分進化算法對下垂系數(shù)優(yōu)化求解，能夠?qū)崿F(xiàn)微電網(wǎng)較好經(jīng)濟性的同時具有良好的動態(tài)穩(wěn)定性，所建立模型方法合理、有效。

附圖說明

圖1為微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為風機輸出功率場景；

圖3為光伏輸出功率場景；

圖4為多可控微源的下垂特性圖；

圖5為優(yōu)化函數(shù)收斂曲線；

圖6為系統(tǒng)頻率響應(yīng)對比曲線，其中圖6(a)為方式1下系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線，圖6(b)為方式2下系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線；

圖7為系統(tǒng)電壓幅值響應(yīng)對比曲線；其中圖7(a)為方式1下電壓幅值響應(yīng)曲線，圖7(b)為方式2下電壓幅值響應(yīng)曲線；

圖8為DDER2有功功率曲線，其中圖8(a)為方式1下DDER2有功功率曲線，其中圖8(b)為方式2下DDER2有功功率曲線；

圖9為DDER1無功功率曲線，其中圖9(a)為方式1下DDER1無功功率曲線，其中圖9(b)為方式2下DDER1無功功率曲線。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明中的附圖，對本發(fā)明中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述。

一種考慮可再生能源隨機性的微電網(wǎng)經(jīng)濟性與穩(wěn)定性優(yōu)化方法，包括如下步驟：

步驟1、對可再生能源功率出力預(yù)測。

首先結(jié)合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖分析(如圖1所示)，在微電網(wǎng)的孤島運行模式中，含有三個可控分布式微源(DDER)，風力發(fā)電機(WTG)，光伏發(fā)電站(PV)，儲能系統(tǒng)(ESS)，以及母線上的負荷。考慮到實際情況，本發(fā)明將負荷分為可中斷負荷(IL)及不可中斷負荷(NL)。

對風力發(fā)電機，光伏發(fā)電站進行出力預(yù)測，采用拉丁超立方采樣法(LHS)將可再生能源輸出功率離散化為多個場景。首先通過采樣不同時段風機及光伏發(fā)電輸出功率，生成具有概率分布的場景集合，然后通過消減聚合的方式選取具有代表性的10個期望場景。風機及光伏具體出力場景見圖2及圖3。

步驟2、建立微電網(wǎng)經(jīng)濟優(yōu)化模型。微電網(wǎng)經(jīng)濟調(diào)度是指在滿足功率平衡約束、安全運行約束、機組出力約束等條件下實現(xiàn)微電網(wǎng)運行成本最小。微網(wǎng)運行成本主要包括常規(guī)發(fā)電機組燃料成本、運行維護及污染氣體排放成本。

微網(wǎng)經(jīng)濟優(yōu)化目標為：

其中可控微源的燃料成本為第i個可控微源DDER在t時刻的燃料成本可由其輸出功率的二次函數(shù)表示。

式中：a_i、b_i、c_i為可控機組的燃料成本系數(shù)，可以通過其耗量特性曲線擬合得到。

三個可控微源的燃料成本與輸出功率極限、排污成本系數(shù)及儲能裝置容量可見表1、表2和表3。

表1可控微源(DDERs)燃料成本

表2可控微源(DDERs)排污成本

表3儲能系統(tǒng)(ESS)參數(shù)

微電網(wǎng)各時段的總負荷如表4所示，其中50％非可中斷負荷。

表4微網(wǎng)各時段負荷

步驟3、建立微電網(wǎng)穩(wěn)定性評價指標體系。考慮到可再生能源輸出功率的隨機性與負荷時變性，微電網(wǎng)在孤網(wǎng)運行時的運行工況在時刻變化，因而采用ITAE指標對微網(wǎng)主要狀態(tài)變量進行評價，如系統(tǒng)頻率、母線電壓及各微源的輸出功率。ITAE是綜合考量被測量的誤差與調(diào)節(jié)時間的指標，能夠指導(dǎo)被測量在擾動過度過程中，調(diào)節(jié)時間短，超調(diào)量小，振蕩衰減迅速，具有良好的實用性。

以ITAE為穩(wěn)定性評價指標的目標函數(shù)為：

其中：k為離散時間，k₀是風力及負荷變化起始時間；T₀是系統(tǒng)達到新穩(wěn)態(tài)時間；W是E_abs(k)的加權(quán)矩陣；E_abs(k)表示各被測量在k時刻的絕對誤差相量，可由下式求得：

步驟4、確定微電網(wǎng)有功功率控制策略。本發(fā)明提出的基于下垂系數(shù)的微網(wǎng)經(jīng)濟調(diào)度策略，是通過對微網(wǎng)頻率的判斷來平衡有功功率的供需匹配?？煽匚⒃磇輸出的有功功率由m_pi決定。在場景s情景下，微源i在t時刻輸出功率與系統(tǒng)頻率ω^t,s關(guān)系可由下式推導(dǎo)：

式中：m_pi^t-1為微源i在t-1時刻的下垂系數(shù)。

可控微源功率下垂系數(shù)與系統(tǒng)頻率的關(guān)系如圖4所示。

步驟5、對微電網(wǎng)經(jīng)濟性與穩(wěn)定性協(xié)調(diào)優(yōu)化。

(1)確定綜合協(xié)調(diào)優(yōu)化模型。

為減少運行成本，每個可調(diào)度微源的下垂系數(shù)應(yīng)根據(jù)微源運行成本的大小進行分配，同時，微電網(wǎng)的穩(wěn)定性也很大程度上受下垂系數(shù)的影響。不恰當?shù)南麓瓜禂?shù)的分配，在微網(wǎng)出力或負荷發(fā)生變化時，可能出現(xiàn)較大的超調(diào)和振蕩過程。為了實現(xiàn)微網(wǎng)的經(jīng)濟性和較好的穩(wěn)定性，本發(fā)明提出了包含運行成本及ITAE準則對下垂系數(shù)進行優(yōu)化的多目標模型。

min C＝ω₁×f₁+ω₂×SC×f₂

其中：f₁為最優(yōu)成本，f₂為ITAE評價指標，SC是縮放因子，ω₁和ω₂是相應(yīng)的加權(quán)因子。

不同子目標函數(shù)的值通常在某可變長度范圍內(nèi)變化，一些子目標函數(shù)可能總是被其他子目標所主導(dǎo)。為了使評價更為有效，利用模糊邏輯理論對每個子目標函數(shù)進行歸一化處理，對兩個子目標函數(shù)f₁、f₂的歸一處理。

則綜合優(yōu)化模型為

F_i＝ω₁·μ(f_1,i)+ω₂×μ(f_2,i)

對上述模型的求解即為對各可控微源下垂系數(shù)m_pi的優(yōu)化。

(2)對綜合模型進行優(yōu)化求解

整個微電網(wǎng)的經(jīng)濟穩(wěn)定優(yōu)化過程主要有2個關(guān)鍵性步驟：首先是對經(jīng)濟性及穩(wěn)定性指標的加權(quán)因子進行確定，然后通過微分進化算法對目標函數(shù)進行優(yōu)化求解，具體步驟如下：

a、確定加權(quán)因子

將ω₁和ω₂兩個區(qū)間分別以0.1的步長劃分為10個子區(qū)間，從而得到兩組子目標函數(shù)f_1,I和f_2,I。

表5加權(quán)方式

b、優(yōu)化求解

在不同的權(quán)重分配情景下，對綜合優(yōu)化函數(shù)進行優(yōu)化求解，得出一系列的優(yōu)化結(jié)果，當下式中C_i為最小時，即為最優(yōu)解。

上述所提出的優(yōu)化問題是一個約束非線性優(yōu)化問題，本文采用的微分進化算法(DE)具有無導(dǎo)性，能夠有效求解出最優(yōu)結(jié)果的特性，在計算目標函數(shù)后，會檢查所有的約束條件，如果違反了任何約束，則會增加一個懲罰項。圖5為優(yōu)化求解收斂曲線。

微電網(wǎng)最優(yōu)下垂優(yōu)化計算結(jié)果如表6所示。

表6微網(wǎng)最優(yōu)下垂系數(shù)

表7展示了不同優(yōu)化策略下的微網(wǎng)經(jīng)濟性與穩(wěn)定性。在最優(yōu)下垂系數(shù)的控制下，系統(tǒng)的f₁運行成本是1483.3元，ITAE準則f₂為0.0229，此時，在不同的風電與光伏出力場景約束下，微網(wǎng)經(jīng)濟性與穩(wěn)定性協(xié)調(diào)最優(yōu)。

表7微網(wǎng)經(jīng)濟與穩(wěn)定協(xié)調(diào)優(yōu)化結(jié)果

為了證明本發(fā)明所提的微網(wǎng)經(jīng)濟調(diào)度方案將提高系統(tǒng)的暫態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性，對比分析了對經(jīng)濟性與穩(wěn)定性不同加權(quán)情況下微電網(wǎng)的動態(tài)穩(wěn)定性。

圖6-圖9分別為兩種不同調(diào)度策略下系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，對母線電壓幅值響應(yīng)，可控微源(DDER)2的有功功率及與可控微源(DDER)1無功功率響應(yīng)。方式1：最優(yōu)調(diào)度策略(ω₁＝0.5,ω₂＝0.5)，方式2：不考慮穩(wěn)定性的最優(yōu)經(jīng)濟調(diào)度(ω₁＝1,ω₂＝0)。

從圖6-圖9中可以看出，采用最優(yōu)調(diào)度策略(ω₁＝0.5,ω₂＝0.5)時，微網(wǎng)具有較好的動態(tài)穩(wěn)定性，當風機出力和負載變化時，系統(tǒng)瞬態(tài)過程具有的超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時間少，并能振蕩能夠快速衰減。所有的監(jiān)測量如電壓、頻率、可調(diào)微源的出力均未超出系統(tǒng)允許范圍。

如果只考慮運行費用最小，即ω1＝1,ω2＝0,當運行條件發(fā)生變化時，系統(tǒng)的動態(tài)特性較差，系統(tǒng)將會失去穩(wěn)定。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何屬于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范圍為準。