專利名稱：基于多時間尺度協(xié)調(diào)的微網(wǎng)經(jīng)濟運行優(yōu)化調(diào)度方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)的運行、仿真、分析與調(diào)度技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于多時間尺度協(xié)調(diào)的微網(wǎng)經(jīng)濟運行優(yōu)化調(diào)度方法。
背景技術(shù)：
分布式發(fā)電技術(shù)是二十一世紀電力工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。它從最底層改變了傳統(tǒng)電力生產(chǎn)供應(yīng)的格局，具有投資省、能耗低、可靠性高、靈活輸電、快速恢復(fù)供電等諸多優(yōu)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(yīng)用，分布式發(fā)電技術(shù)在節(jié)能減排、預(yù)防大面積停電方面的優(yōu)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(fā)展分布式發(fā)電技術(shù)對于我國的可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。微型電網(wǎng)系統(tǒng)(MicroGrid，簡稱微網(wǎng))是分布式發(fā)電系統(tǒng)的基本組成單元。分布式發(fā)電技術(shù)盡管優(yōu)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(wǎng)而言往往是不可控的。比如風能、太陽能發(fā)電技術(shù)，受自然條件的約束，表現(xiàn)出很強的隨機性和間歇性，給整個電網(wǎng)的運行、調(diào)度帶來極大的困難。將發(fā)電裝置、儲能裝置、負荷及控制系統(tǒng)等結(jié)合，構(gòu)成一個輸出功率可控的微型電力網(wǎng)絡(luò)。微型電網(wǎng)系統(tǒng)既可以獨立運行，由內(nèi)部電源向微網(wǎng)內(nèi)部的負荷供電；也可以并網(wǎng)運行，向外部電網(wǎng)供出多余的電能或由外部電網(wǎng)補充自身發(fā)電量的不足。微網(wǎng)作為一種分布式發(fā)電的新型組織形式，與大電網(wǎng)一樣同樣存在能量管理問題，即如何對微網(wǎng)內(nèi)的可控電源(柴油發(fā)電機、微型燃氣輪機、燃料電池)、不可控電源(風力發(fā)電、光伏發(fā)電)和儲能設(shè)備(小型抽水蓄能、氫能循環(huán)裝備、各類型蓄電池)進行能量管理， 規(guī)劃其燃料使用方案、儲能設(shè)備充放電方案、與外部電網(wǎng)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(wǎng)的持續(xù)、經(jīng)濟、安全運行。目前，該領(lǐng)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?，F(xiàn)有研究多集中于微網(wǎng)實時經(jīng)濟運行優(yōu)化調(diào)度，忽視了大時間尺度規(guī)劃(如日前)對系統(tǒng)運行經(jīng)濟性的影響，缺乏多時間尺度的協(xié)調(diào)優(yōu)化；同時現(xiàn)有研究手段也多集中于過于簡化的啟發(fā)式策略和過于復(fù)雜的混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型，前者無法達到數(shù)學(xué)上的最優(yōu)點而無法保證長期運行的經(jīng)濟性，后者求解過程過于復(fù)雜且不易尋找到可行解，因此都無法滿足微網(wǎng)實際運行中經(jīng)濟性、安全性以及節(jié)能減排的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于多時間尺度協(xié)調(diào)的微網(wǎng)經(jīng)濟運行優(yōu)化調(diào)度方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的一種基于多時間尺度協(xié)調(diào)的微網(wǎng)經(jīng)濟運行優(yōu)化調(diào)度方法，包括如下步驟
(1)統(tǒng)計微網(wǎng)運行歷史數(shù)據(jù)，建立微網(wǎng)內(nèi)所有可控電源的成本-出力曲線的非線性函數(shù)，并將其分段線性化；同時根據(jù)微網(wǎng)電路拓撲結(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)，建立微網(wǎng)節(jié)點導(dǎo)納矩陣；
(2)采集微網(wǎng)負荷信息數(shù)據(jù)、氣象信息數(shù)據(jù)以及外部電網(wǎng)電價數(shù)據(jù)，綜合微網(wǎng)運行的歷史數(shù)據(jù)，對負荷/風能/太陽能/電價進行未來一天的預(yù)測，得到未來一天內(nèi)微網(wǎng)的負荷/ 風能/太陽能/電價預(yù)測數(shù)據(jù)；
(3)將微網(wǎng)未來一天內(nèi)的經(jīng)濟運行分為多個時段，以各時段微網(wǎng)運行成本最小為目標函數(shù)，其中所有可控電源的使用分段線性化模型，考慮微網(wǎng)內(nèi)部的各時段能量平衡、各設(shè)備元件的出力/爬坡率/開停機成本、儲能設(shè)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(yù)測數(shù)據(jù)，將此微網(wǎng)日前計劃問題構(gòu)成一個混合整數(shù)線性規(guī)劃問題進行求解，得到各時段微網(wǎng)經(jīng)濟運行調(diào)度方案；
(4)采集微網(wǎng)負荷信息數(shù)據(jù)、氣象信息數(shù)據(jù)以及外部電網(wǎng)電價數(shù)據(jù)，對負荷/風能/太陽能/電價進行超短期預(yù)測，得到未來一個時段內(nèi)微網(wǎng)的負荷/風能/太陽能/電價預(yù)測數(shù)據(jù)；
(5)取當前時段的微網(wǎng)設(shè)備的開停機狀態(tài)，令其在該時段不能改變，以該時段微網(wǎng)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(shù)，其中所有可控電源使用原有非線性模型，考慮微網(wǎng)內(nèi)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(yù)測數(shù)據(jù)，將此微網(wǎng)實時調(diào)度問題構(gòu)成一個非線性規(guī)劃問題進行求解，得到該時段的微網(wǎng)經(jīng)濟運行調(diào)度方案；
(6)評估實時調(diào)度的調(diào)度方案與日前計劃的調(diào)度方案的偏差，若偏差大于給定閾值
σ，即所得到的實時調(diào)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(diào)度方案可行，則進入第七步；
(7)對于經(jīng)第六步可行性檢測滿足要求的微網(wǎng)經(jīng)濟運行調(diào)度方案，形成微網(wǎng)調(diào)度指令， 發(fā)布給微網(wǎng)中的可控電源、不可控電源以及儲能設(shè)備的控制器，使得微網(wǎng)在下一時段按照指定方式安全經(jīng)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(yù)測和實時調(diào)度，即重復(fù)第四步，否則開始對下一天進行預(yù)測和日前計劃，即返回
第一步。 本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明提出了一種基于多時間尺度協(xié)調(diào)的微網(wǎng)經(jīng)濟運行優(yōu)化調(diào)度方法，與已有的技術(shù)相比，本發(fā)明提出的方法主要有以下優(yōu)勢和改進
1、與基于啟發(fā)式策略的技術(shù)方案相比提高了最優(yōu)解的質(zhì)量，減少了電網(wǎng)運行的經(jīng)濟費用和污染排放量，更好的實現(xiàn)了節(jié)能減排；與混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型相比極大的提高了計算速度且避免了出現(xiàn)無可行解的情況，能夠有效提升微網(wǎng)控制中心的響應(yīng)速度，提高電網(wǎng)運行的安全性和可靠性；
2、將問題簡化為“混合整數(shù)線性規(guī)劃+非線性規(guī)劃”后，這兩個數(shù)學(xué)優(yōu)化問題都有成熟的數(shù)學(xué)軟件可以直接求解，降低了系統(tǒng)開發(fā)與集成的難度，從而減少了微網(wǎng)控制中心的投資成本，簡化其調(diào)度流程；
3、所提出的多時間尺度協(xié)調(diào)機制簡單但有效，足以處理微網(wǎng)這種規(guī)模小但波動大的相對獨立系統(tǒng)，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(jié)能減排。


圖1是基于多時間尺度協(xié)調(diào)的微網(wǎng)經(jīng)濟運行優(yōu)化調(diào)度方法流程圖； 圖2是示例微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shù)線性規(guī)劃問題中等式約束系數(shù)矩陣的稀疏結(jié)構(gòu)圖5日前計劃混合整數(shù)線性規(guī)劃問題中不等式約束系數(shù)矩陣的稀疏結(jié)構(gòu)圖6是日前計劃的計算結(jié)果展示圖。
具體實施例方式本發(fā)明基于多時間尺度協(xié)調(diào)的微網(wǎng)經(jīng)濟運行優(yōu)化調(diào)度方法，包括如下步驟 第一步統(tǒng)計微網(wǎng)運行歷史數(shù)據(jù)，建立微網(wǎng)內(nèi)所有可控電源的成本-出力曲線的非線
性函數(shù)，并將其分段線性化；同時根據(jù)微網(wǎng)電路拓撲結(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)，建立微網(wǎng)節(jié)點導(dǎo)納矩陣。第二步采集微網(wǎng)負荷信息數(shù)據(jù)、氣象信息數(shù)據(jù)以及外部電網(wǎng)電價數(shù)據(jù)，綜合微網(wǎng)運行的歷史數(shù)據(jù)，對負荷/風能/太陽能/電價進行未來一天的預(yù)測，得到未來一天內(nèi)微網(wǎng)的負荷/風能/太陽能/電價預(yù)測數(shù)據(jù)。第三步將微網(wǎng)未來一天內(nèi)的經(jīng)濟運行分為多個時段，以各時段微網(wǎng)運行成本最小為目標函數(shù)，其中所有可控電源的使用分段線性化模型，考慮微網(wǎng)內(nèi)部的各時段能量平衡、各設(shè)備元件的出力/爬坡率/開停機成本、儲能設(shè)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(yù)測數(shù)據(jù)，將此微網(wǎng)日前計劃問題構(gòu)成一個混合整數(shù)線性規(guī)劃問題進行求解，得到各時段微網(wǎng)經(jīng)濟運行調(diào)度方案。上述混合整數(shù)規(guī)劃問題的數(shù)學(xué)模型為
其中
優(yōu)化變量定義為
權(quán)利要求
1. 一種基于多時間尺度協(xié)調(diào)的微網(wǎng)經(jīng)濟運行優(yōu)化調(diào)度方法，其特征在于，包括如下步驟(1)統(tǒng)計微網(wǎng)運行歷史數(shù)據(jù)，建立微網(wǎng)內(nèi)所有可控電源的成本-出力曲線的非線性函數(shù)，并將其分段線性化；同時根據(jù)微網(wǎng)電路拓撲結(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)，建立微網(wǎng)節(jié)點導(dǎo)納矩陣；(2)采集微網(wǎng)負荷信息數(shù)據(jù)、氣象信息數(shù)據(jù)以及外部電網(wǎng)電價數(shù)據(jù)，綜合微網(wǎng)運行的歷史數(shù)據(jù)，對負荷/風能/太陽能/電價進行未來一天的預(yù)測，得到未來一天內(nèi)微網(wǎng)的負荷/ 風能/太陽能/電價預(yù)測數(shù)據(jù)；(3)將微網(wǎng)未來一天內(nèi)的經(jīng)濟運行分為多個時段，以各時段微網(wǎng)運行成本最小為目標函數(shù)，其中所有可控電源的使用分段線性化模型，考慮微網(wǎng)內(nèi)部的各時段能量平衡、各設(shè)備元件的出力/爬坡率/開停機成本、儲能設(shè)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(yù)測數(shù)據(jù)，將此微網(wǎng)日前計劃問題構(gòu)成一個混合整數(shù)線性規(guī)劃問題進行求解，得到各時段微網(wǎng)經(jīng)濟運行調(diào)度方案；(4)采集微網(wǎng)負荷信息數(shù)據(jù)、氣象信息數(shù)據(jù)以及外部電網(wǎng)電價數(shù)據(jù)，對負荷/風能/太陽能/電價進行超短期預(yù)測，得到未來一個時段內(nèi)微網(wǎng)的負荷/風能/太陽能/電價預(yù)測數(shù)據(jù)；(5)取當前時段的微網(wǎng)設(shè)備的開停機狀態(tài)，令其在該時段不能改變，以該時段微網(wǎng)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(shù)，其中所有可控電源使用原有非線性模型，考慮微網(wǎng)內(nèi)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(yù)測數(shù)據(jù)，將此微網(wǎng)實時調(diào)度問題構(gòu)成一個非線性規(guī)劃問題進行求解，得到該時段的微網(wǎng)經(jīng)濟運行調(diào)度方案；(6)評估實時調(diào)度的調(diào)度方案與日前計劃的調(diào)度方案的偏差，若偏差大于給定閾值α，即所得到的實時調(diào)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(diào)度方案可行，則進入第七步；(7)對于經(jīng)第六步可行性檢測滿足要求的微網(wǎng)經(jīng)濟運行調(diào)度方案，形成微網(wǎng)調(diào)度指令， 發(fā)布給微網(wǎng)中的可控電源、不可控電源以及儲能設(shè)備的控制器，使得微網(wǎng)在下一時段按照指定方式安全經(jīng)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(yù)測和實時調(diào)度，即重復(fù)第四步，否則開始對下一天進行預(yù)測和日前計劃，即返回第一步。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多時間尺度協(xié)調(diào)的微網(wǎng)經(jīng)濟運行優(yōu)化調(diào)度方法，其特征在于所述步驟(3)中，混合整數(shù)規(guī)劃問題的數(shù)學(xué)模型為
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多時間尺度協(xié)調(diào)的微網(wǎng)經(jīng)濟運行優(yōu)化調(diào)度方法，其特征在于所述步驟(5)中，非線性規(guī)劃問題的數(shù)學(xué)模型為 上述非線性規(guī)劃問題的數(shù)學(xué)模型為優(yōu)化變量JT定義為目標函數(shù)/(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(guān)，一般可以寫成二次形式；為儲能設(shè)備的運行成本；/glidix)為與外部電網(wǎng)電能交易成本等式約束IiCJO包括節(jié)點潮流約束不等式約束包括 ⑴外部電網(wǎng)接入功率因數(shù)約束(2)可控電源出力范圍約束(3)儲能設(shè)備出力范圍約束§1 - - ^Si f-: ； ⑷外部電網(wǎng)接入限值約束(5)逆變器容量約束(6)節(jié)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(shè)備的有功/無功出力， Fgrid,^grid為外部電網(wǎng)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(shù)，C!S為儲能設(shè)備的單位運行成本，CTglrid為外部電網(wǎng)電能交易單價， Ap ^Jgrid為日前計劃解出的可控電源/儲能設(shè)備/外部電網(wǎng)出力值，#。>/%&/Vid 為實時調(diào)度與日前計劃的調(diào)度計劃偏差懲罰因子，Pi, α為節(jié)點注入有功/無功功率，Si, 為節(jié)點電壓實部/虛部，Ciy,微網(wǎng)節(jié)點導(dǎo)納矩陣元素實部/虛部，^!外部電網(wǎng)接入點最小功率因數(shù), , ^"為可控電源有功出力上下限，為儲能設(shè)備有功出力上下限， dd,^為外部電網(wǎng)接入容量上下限，為可控電源/儲能設(shè)備/不可控電源的并網(wǎng)逆變器容量，生巧為節(jié)點電網(wǎng)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(jù)權(quán)利要求1所述的基于多時間尺度協(xié)調(diào)的微網(wǎng)經(jīng)濟運行優(yōu)化調(diào)度方法，其特征在于所述步驟(6)中，所述實時調(diào)度的調(diào)度方案與日前計劃的調(diào)度方案的偏差定義為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于多時間尺度協(xié)調(diào)的微網(wǎng)經(jīng)濟運行優(yōu)化調(diào)度方法，該方法將微網(wǎng)經(jīng)濟運行分為日前計劃與實時調(diào)度兩個時間尺度，在日前計劃階段，將一個調(diào)度周期分為多個時段，基于日前預(yù)測數(shù)據(jù)，將其建模為混合整數(shù)線性規(guī)劃問題；在實時調(diào)度階段，遵從日前計劃的開停機結(jié)果，基于實時超短期預(yù)測數(shù)據(jù)，將其建模為非線性規(guī)劃。本發(fā)明還設(shè)計了兩個時間尺度的協(xié)調(diào)配合機制，使得本方法得到的調(diào)度方案既能滿足長時間尺度的經(jīng)濟因素，也能滿足短時間尺度的微網(wǎng)內(nèi)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(shè)備組成的微型電網(wǎng)的并網(wǎng)和孤網(wǎng)運行中的經(jīng)濟運行優(yōu)化調(diào)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(yōu)先權(quán)日2011年5月11日
發(fā)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(xué)