基于开放市场环境下的多微电网系统优化方法与流程

本发明属于微电网系统优化技术领域，本发明涉及一种基于开放市场环境下的多微电网系统优化方法。

背景技术：
微电网是由分布式电源、储能系统、能量转换装置、监控和保护装置、负荷等汇集成的小型发、配、用电系统。将分布式电源以微电网的形式接入电网，可以充分发挥分布式电源的能源利用率，提高配电系统对分布式电源的接纳能力。随着分布式电源接入量的逐年提升，在一个局部配电系统中有可能会同时接入多个微电网，形成局部的多微电网系统。同时，我国目前正稳步推进电力体制改革，有序向社会资本开放电力市场，允许分布式电源用户和微电网系统以利益独立主体的身份参进行电能传输。可以预见，未来的微电网不仅可与所在配电系统进行电能传输，还可与临近的微电网进行电能传输，从而使含有多微电网系统的配电系统成为一个多利益主体的复杂网络，这对多微电网系统的优化提出了新的挑战。目前，对多微电网系统优化的研究有许多，主要分为两类，一类研究较为初期，作为研究对象的微电网都被限定为只与配电系统进行电能传输，没有考虑微电网之间的电能传输，一般以微电网系统总体成本最低，或总体效益最高为优化目标，对分布式电源进行优化。另一类虽然考虑了微电网之间的电能传输，但优化过程中依然将多微电网系统视为一个整体，没有考虑各个微电网自身的利益。这与目前开放的市场环境，以及分布式电源和微电网的发展趋势并不相符，对分布式能源和微电网的有序发展缺乏有效的指导。

技术实现要素：
针对上述问题，本发明的目的是提出一种基于开放市场环境的多微电网系统优化方法，可以解决多微电网间进行电能传输的问题，其中所关注的多微电网系统是指当多个微电网接入同一个中低压配电系统，并接受同一个配电管理机构调控时形成的复杂系统。为实现上述目的，本发明采取的技术方案是提供基于开放市场环境下的多微电网系统优化方法，该方法建立在多个邻近的微电网接入同一个中压配电系统的多微电网系统结构上，多微电网系统中的微电网被称为成员微电网，每个微电网包含风电(WT)、光伏(PV)、微型燃气轮机(MT)、柴油发电机(DEG)和储能电池(Bat)中的一种或几种分布式电源，成员微电网通过微电网能量管理系统(MicroGridEnergyManageSystem，MGEMS)对自身内部可控发电单元的出力计划进行优化，并与所连接配电网的配电管理机构之间进行信息交互，多微电网系统中配电网的配电管理机构由配电管理系统(DistributionManagementSystem，DMS)担当，负责完成与各成员微电网之间的信息交换与共享、并协调微电网所制定的输电计划间的冲突，每个多微电网系统包含一个DMS和多个MGEMS；该方法包括以下步骤：步骤1收集数据：多微电网系统中各成员微电网的MGEMS收集自身微电网内部未来24小时的负荷Load、光伏出力PPV和风电出力PWT信息，并制定自身在多微电网系统内进行电能传输费用psell，并将psell、Load、PPV、PWT传递给所连接配电网的DMS；步骤2数据公布：配电网的DMS收集步骤1中各微网的负荷Load、光伏出力PPV和风电出力PWT信息，同时制定各微电网间进行电能传输的服务费用pser，并将服务费用pser连同步骤1中全部数据一起公布给所有成员微电网的MGEMS；步骤3下层优化：各成员微电网的MGEMS以运行成本最低为目标函数，目标函数的数学表达式为：其中，TRi,t表示微电网i在t时刻的电能传输成本，表示微电网i中柴油发电机在t时刻的发电燃料费用，表示微电网i中微型燃气轮机在t时刻的发电燃料费用，代表微电网i中各种分布式电源在t时刻的运行维护费用，SCi,t表示微电网i中柴油发电机和微型燃气轮机的启动费用；其中TRit的计算公式可表示为：其中，式(2)中的表示微电网i在t时刻与在同一多微电网系统下除微电网i以外的成员微电网之间传输电能所需的传输费用和服务费用之和，表示微电网i在t时刻与配电系统的电能传输费用，pi,t·Loadi,t表示微电网向自身负荷的供电所得，pi,t为微网i在t时刻向用户供电的价格，Loadi,t为微网i在t时刻的负荷大小，式(3)中的pselli表示微网i的送电价格，pser,ij表示微网i与微网j间进行传输电能的服务费用价格，PtMG,ij表示微电网i与微电网j之间的传输的电量，大于零时表示微电网i向微电网j输送的电量，小于零时表示微电网j向微电网i输送的电量，式(4)中pSP表示配电网向微电网的送电价格，pBP表示微电网向配电网的送电价格，PtD,i表示微网i与配电网之间的传输的电量，大于零时表示配电系统向微电网i输送的电量，小于零时表示微电网i向配电系统输送的电量；DEG的发电成本表示为：其中，FDEG表示柴油发电机的发电成本，ND表示柴油发电机数目，dDEG，eDEG，fDEG表示发电成本系数，由发电机性能和柴油价格决定，表示柴油发电机的有功出力；MT的发电成本表示表示为：其中，FMT表示微型燃气轮机的发电成本，NT表示微型燃气轮机数目，Cnl为天然气价格($/m3)，L为天然气热值(kWh/m3)，η表示燃气轮机的发电效率(％)，表示微型燃气轮机的有功出力；分布式电源的运行维护费用表示为：其中，NW表示风机个数，NP表示光伏个数，表示第n台机组的出力，KOPn表示第n台机组的运行维护费用系数，光伏风电机组燃料成本为零；DEG和MT的启动费用SCi,t表示为：其中，hstn表示机组热启动费用，cstn表示机组冷启动费用，CLTn表示机组冷却时间，TFtn表示第n台机组到t时刻时处于关停状态下的持续时间；下层优化过程中的约束条件包括负荷平衡约束、电量传输约束、爬坡约束和储能运行约束，具体表达式为：1)微电网负荷平衡约束其中，表示微电网i在t时刻的负荷，PtWT表示风电在t时刻的有功出力，PtPV表示光伏在t时刻的有功出力，PtBat表示储能系统在t时刻的充放电功率；2)电量传输约束PtMG,ji＝-PtMG,ij(10)其中，式(10)表示微电网输电矩阵是一个反对称矩阵，式(11)表示微电网i和j之间传输电量的上下限，和分别表示柴油发电机出力的上下限，和分别表示微型燃气轮机出力的上下限；3)爬坡约束其中，式(12)、(13)、(14)表示柴油发电机的爬坡约束，分别表示柴油发电机在t时刻的出力、出力下限和出力上限，表示第m台柴油发电机在t时刻的运行状态，为1时表示运行在工作状态，0时表示停止运行，分别表示柴油发电机额定出力的上下限；4)储能系统运行约束DPc≤PtBat≤DPd(16)其中，式(16)表示储能系统的充放电约束，DPc、DPd分别表示最大充电深度和最大放电深度，表示t时刻电池的剩余电量，式(17)是蓄电池容量约束，分别表示电池容量的上下限；通过以上优化目标函数和约束条件得出自身内部柴油发电机出力计划PDEG、微型燃气轮机出力计划PMT、储能电池出力计划Pbat和与同一多微电网系统中除自身以外的成员微电网之间的电能传输计划PMG,ij即表示微电网i向微电网j输送的电量，并传递给DMS；步骤4上层协调：配电网的DMS检验步骤3中所有成员微电网的出力计划和电能传输计划，按照多微电网系统电能传输规则，解决各成员微电网电能传输计划中的冲突，并将传输计划PMG,ij通过DMS与MGEMS之间的信息通道返回给MGEMS；步骤5执行方案：各成员微电网的MGEMS接受并执行DMS下达的最终优化方案。本发明的效果是采用本方法在进行多微电网系统的优化时，以各微网自身利益为优化目标，微网可以自主制定自身的优化计划，增加自身所得，与不允许微电网间进行传输的多微电网系统相比，允许微电网间电能自由传输后，各微电网可以提升2％左右的所得。附图说明图1是本发明中所用具体实例的多微电网结构示意图图2是本发明中所用到的各微网日负荷曲线；图3是本发明中所用到的各微网风电和光伏出力预测曲线；图4是本发明中所用到的配电系统协调流程图；图5是本发明的多微电网系统协调流程图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明的基于开放市场环境下的多微电网系统优化方法进行详细的描述。本发明的基于开放市场环境下的多微电网系统优化方法是建立在多个邻近的微电网接入同一个中压配电系统的多微电网系统结构上，多微电网系统中的微电网被称为成员微电网，每个微电网包含风电(WT)、光伏(PV)、微型燃气轮机(MT)、柴油发电机(DEG)和储能电池(Bat)中的一种或几种分布式电源，成员微电网通过微电网能量管理系统(MicroGridEnergyManageSystem，MGEMS)对自身内部可控发电单元的出力计划进行优化，并与所连接配电网的配电管理机构之间进行信息交互，多微电网系统中配电网的配电管理机构由配电管理系统(DistributionManagementSystem，DMS)担当，负责完成与各成员微电网之间的信息交换与共享、并协调微电网所制定的输电计划间的冲突，每个多微电网系统包含一个DMS和多个MGEMS；该方法包括以下步骤：步骤1收集数据：多微电网系统中各成员微电网的MGEMS收集自身微电网内部未来24小时的负荷Load、光伏出力PPV和风电出力PWT信息，并制定自身在多微电网系统内进行电能传输费用psell，并将psell、Load、PPV、PWT传递给所连接配电网的DMS。步骤2数据公布：配电网的DMS收集步骤1中各微网的负荷Load、光伏出力PPV和风电出力PWT信息，同时制定各微电网间进行电能传输的服务费用pser，并将服务费用pser连同步骤1中全部数据一起公布给所有成员微电网的MGEMS。步骤3下层优化：各成员微电网的MGEMS以运行成本最低为目标函数，目标函数的数学表达式为：其中，TRit表示微电网i在t时刻的电能传输成本，表示微电网i中柴油发电机在t时刻的发电燃料费用，表示微电网i中微型燃气轮机在t时刻的发电燃料费用，代表微电网i中各种分布式电源在t时刻的运行维护费用，SCi,t表示微电网i中柴油发电机和微型燃气轮机的启动费用。其中TRi,t的计算公式可表示为：其中，式(2)中的表示微电网i在t时刻与在同一多微电网系统下除微电网i以外的成员微电网之间传输电能所需的传输费用和服务费用之和，表示微电网i在t时刻与配电系统的电能传输费用，pi,t·Loadi,t表示微电网向自身负荷的供电所得，pi,t为微网i在t时刻向用户供电的价格，Loadi,t为微网i在t时刻的负荷大小，式(3)中的pselli表示微网i的送电价格，pser,ij表示微网i与微网j间进行传输电能的服务费用价格，PtMG,ij表示微电网i与微电网j之间的传输的电量，大于零时表示微电网i向微电网j输送的电量，小于零时表示微电网j向微电网i输送的电量，式(4)中pSP表示配电网向微电网的送电价格，pBP表示微电网向配电网的送电价格，PtD,i表示微网i与配电网之间的传输的电量，大于零时表示配电系统向微电网i输送的电量，小于零时表示微电网i向配电系统输送的电量。DEG的发电成本表示为：其中，FDEG表示柴油发电机的发电成本，ND表示柴油发电机数目，dDEG，eDEG，fDEG表示发电成本系数，由发电机性能和柴油价格决定，表示柴油发电机的有功出力；MT的发电成本表示表示为：其中，FMT表示微型燃气轮机的发电成本，NT表示微型燃气轮机数目，Cnl为天然气价格($/m3)，L为天然气热值(kWh/m3)，η表示燃气轮机的发电效率(％)，表示微型燃气轮机的有功出力；分布式电源的运行维护费用表示为：其中，NW表示风机个数，NP表示光伏个数，表示第n台机组的出力，KOPn表示第n台机组的运行维护费用系数，光伏风电机组燃料成本为零；DEG和MT的启动费用SCi,t表示为：其中，hstn表示机组热启动费用，cstn表示机组冷启动费用，CLTn表示机组冷却时间，TFtn表示第n台机组到t时刻时处于关停状态下的持续时间；下层优化过程中的约束条件包括负荷平衡约束、电量传输约束、爬坡约束和储能运行约束，具体表达式为：1)微电网负荷平衡约束其中，表示微电网i在t时刻的负荷，PtWT表示风电在t时刻的有功出力，PtPV表示光伏在t时刻的有功出力，PtBat表示储能系统在t时刻的充放电功率；2)电量传输约束PtMG,ji＝-PtMG,ij(10)其中，式(10)表示微电网输电矩阵是一个反对称矩阵，式(11)表示微电网i和j之间传输电量的上下限，和分别表示柴油发电机出力的上下限，和分别表示微型燃气轮机出力的上下限；3)爬坡约束其中，式(12)、(13)、(14)表示柴油发电机的爬坡约束，分别表示柴油发电机在t时刻的出力、出力下限和出力上限，表示第m台柴油发电机在t时刻的运行状态，为1时表示运行在工作状态，0时表示停止运行，分别表示柴油发电机额定出力的上下限；4)储能系统运行约束DPc≤PtBat≤DPd(16)其中，式(16)表示储能系统的充放电约束，DPc、DPd分别表示最大充电深度和最大放电深度，表示t时刻电池的剩余电量，式(17)是蓄电池容量约束，分别表示电池容量的上下限。通过以上优化目标函数和约束条件得出自身内部柴油发电机出力计划PDEG、微型燃气轮机出力计划PMT、储能电池出力计划Pbat和与同一多微电网系统中除自身以外的成员微电网之间的电能传输计划PMG,ij即表示微电网i向微电网j输送的电量，并传递给DMS。步骤4上层协调：配电网的DMS检验步骤3中所有成员微电网的出力计划和电能传输计划，按照多微电网系统电能传输规则，解决各成员微电网电能传输计划中的冲突，并将传输计划PMG,ij通过DMS与MGEMS之间的信息通道返回给MGEMS。步骤5执行方案：各成员微电网的MGEMS接受并执行DMS下达的最终优化方案。上述步骤4中所述的多微电网系统电能传输规则具体为：1)微电网需要首先满足自身的负荷需求，只有在自身负荷都满足的情况下，多余的电量才能够向外输送；2)多微电网系统内电能传输费用psell应满足pBP<psell≤pSP(18)3)微电网间进行电能传输时需要配电系统提供线路容量、信息交换等配套服务，因此传输电能会产生服务成本，并由传输电能的双方承担；4)当各微电网制定的与其他成员微电网的电能传输计划中出现冲突的情况时，缺电量最大的微电网拥有优先购电权。步骤4中的电能传输计划冲突的解决方法，其具体步骤为：步骤一：DMS读取各成员微电网的电量传输计划，对每个时段t生成各微电网间输电矩阵A，其中Aij＝PtMG,ij(i≠j)(19)Aii＝0(20)步骤二：比较矩阵的对应元素Aij和Aji，将绝对值较小的一个作为实际的输送电量，再将A中各元素去除实际的输送电量部分形成新的矩阵A’；步骤三：求A’各行的和，若第i行和为正，则将微电网i放入多电微电网序列中，若第i行和为负，则将微电网i放入缺电微电网序列中，按照电量缺额从大到小对缺电微电网进行排序，按照送电电价从低到高对多电微电网进行排序；步骤四：电量缺额排在第一位的缺电微电网优先按步骤三中对多电微电网排序的顺序向多电微电网引入电量，电量缺额完全满足后，排在下一位的缺电微电网才有资格按顺序向剩余的多电微电网引入电量，直到所有多电微电网的电量余额用尽或所有缺电微电网的电量缺额补足；步骤五：若所有多电微电网的电量余额都平衡后，微电网依然还有剩余的电量缺额，则剩余的缺电量由配电系统补足，若所有缺电微电网的电量缺额都平衡后，微电网依然还有剩余的电量余额，则剩余的多电量全都输送给配电系统。选取一个含三个微电网的配电系统，其结构如图1所示，各微电网中的分布式发电设备情况如表1所示。表1各微电网分布式发电设备信息表如图5所示，对系统进行如下处理：第一步：收集数据：多微电网系统中各成员微电网的MGEMS收集自身微电网内部未来24小时的负荷Load、光伏出力PPV和风电出力PWT信息，其中各微电网内部的日负荷预测曲线如图2所示，风电和光伏预测出力情况如图3所示。各MGEMS制定自身在多微电网系统内进行电能传输的费用psell，其中MG1、MG2、MG3的电能传输费用分别为0.635元/kW·h、0.61元/kW·h、0.66元/kW·h。接下来各成员微电网的MGEMS将psell、Load、PPV、PWT传递给所连接配电网的DMS。第二步：数据公布：配电网的DMS收集第一步中各微网的负荷Load、光伏出力PPV和风电出力PWT信息，同时制定各微电网间进行电能传输的服务费用pser为0.01元/kW·h。接下来DMS将服务费用pser连同第一步中全部数据一起公布给所有成员微电网的MGEMS。第三步：下层优化：各成员微电网的MGEMS以运行成本最低为目标函数，以负荷平衡约束、电量传输约束、爬坡约束和储能运行约束为约束条件，其中，柴油发电机参数d＝0.4333，e＝0.2333，f＝0.0074，微型燃气轮机参数Cnl＝0.76元/m3，L＝9.7kW·h/m3，η的取值如下式所示：各类机组的运行维护费用系数如表3所示：表3各类机组运行维护费用系数MG1的MGEMS通过以上优化目标函数和约束条件得出自身内部柴油发电机出力计划deg1、微型燃气轮机出力计划mt1、储能电池出力计划bat1和与MG2、MG3之间的电能传输计划MG1_2、MG1_3，结果如表4所示。MG2的MGEMS通过以上优化目标函数和约束条件得出自身内部微型燃气轮机出力计划mt2、储能电池出力计划bat2和与MG1、MG3之间的电能传输计划MG2_1、MG2_3，结果如表5所示。MG3的MGEMS通过以上优化目标函数和约束条件得出自身内部柴油发电机出力计划deg3、储能电池出力计划bat3和与MG1、MG2之间的电能传输计划MG3_1、MG3_2，结果如表6所示表4MG1优化结果表5MG2优化结果表6MG3优化结果接下来MG1将MG1_2、MG1_3，MG2将MG2_1、MG2_3，MG3将MG3_1、MG3_2传递给配电网的DMS。第四步：上层协调：过程如图4所示。配电网的DMS检验第三步中的MG1_2、MG1_3、MG2_1、MG2_3、MG3_1、MG3_2，按照多微电网系统电能传输规则，解决各成员微电网电能传输计划中的冲突，对每个时段t，具体步骤如下：步骤一：DMS读取t时段的MG1_2、MG1_3、MG2_1、MG2_3、MG3_1、MG3_2，生成各微电网间输电矩阵A，其中步骤二：比较矩阵的对应元素Aij和Aji，将绝对值较小的一个作为实际的输送电量，再将A中各元素去除实际的输送电量部分形成新的矩阵A’；步骤三：求A’各行的和，若第i行和为正，则将微电网i放入多电微电网序列中，若第i行和为负，则将微电网i放入缺电微电网序列中，按照电量缺额从大到小对缺电微电网进行排序，按照送电电价从低到高对多电微电网进行排序；步骤四：电量缺额排在第一位的缺电微电网优先按步骤三中对多电微电网排序的顺序向多电微电网引入电量，电量缺额完全满足后，排在下一位的缺电微电网才有资格按顺序向剩余的多电微电网引入电量，直到所有多电微电网的电量余额用尽或所有缺电微电网的电量缺额补足；步骤五：若所有多电微电网的电量余额都平衡后，微电网依然还有剩余的电量缺额，则剩余的缺电量由配电系统补足，若所有缺电微电网的电量缺额都平衡后，微电网依然还有剩余的电量余额，则剩余的多电量全都输送给配电系统。对每个时段t重复以上5个步骤，得到最终的电能传输计划PMG,ij，如表7所示：表7最终电能传输计划将最终的电能传输计划PMG,ij通过DMS与MGEMS之间的信息通道返回给各成员微电网的MGEMS。第五步：执行方案：各成员微电网的MGEMS接受并执行DMS下达的最终优化方案。