一种含移动储能的微电网扩展规划方法与流程

本发明属于微电网规划技术领域，具体涉及一种含移动储能的微电网扩展规划方法。

背景技术：

微电网是一个小型的电力系统，它具备完整的发输配电功能，可以实现局部的功率平衡和能量优化，有并网运行和孤岛运行两种运行模式。为了发展低碳、清洁能源的理念，应在微电网内合理地接入光伏、风机电源和储能等装备，并合理规划其容量。

目前，现有规划方案大多只考虑当前负荷，较少考虑突增的短期负荷，如比赛期间的大量增长临时负荷。但由于这类负荷短时发挥作用后即可切除，重新规划微电网内的分布式电源和储能会造成大量的成本浪费。

不同于电动汽车的随机性，移动储能车由购买者公司拥有并完全控制，其结构为储能电池固定在一台大卡车上，具备环境适应性强、安装简便、可扩展性高的特点。移动储能车可以被短期租用来应对短期负荷供电，同时可以在发生交直流侧故障解列时，在交直流侧之间调度运行，实现交直流侧的功率交换，使重要负荷持续运行一段时间，从而减少了移动储能配置的容量，提高了微电网的经济性。因此，研究移动储能在新扩展的微电网中的容量优化配置是目前亟待解决的问题。

技术实现要素：

发明目的：本发明提供一种含移动储能的微电网扩展规划方法，解决了微电网内直流负荷短期大量增长造成的微电网扩展规划资源浪费的问题，可提高微电网扩展规划的经济性。

技术方案：本发明所述的一种含移动储能的微电网扩展规划方法，包括以下步骤：

(1)根据短期内增长的直流负荷发挥作用即可切除的场景，将预先建立的并网型交流微电网拓扑模型扩展为含移动储能的并网型交直流混合微电网拓扑模型；

(2)确立优化目标、正常情况优化约束及移动储能在dc/ac变流器故障导致交直流混合微电网系统解列时间内的调度策略，根据调度策略确立故障情况优化约束，建立含移动储能的并网型交直流混合微电网中移动储能容量优化配置的数学模型；

(3)根据优化目标和优化约束进行模型求解，得到含移动储能的并网型交直流混合微电网中移动储能容量优化配置结果。

步骤(1)所述的含移动储能的并网型交直流混合微电网拓扑模型包括并网型交流微电网拓扑模型、直流微电网拓扑模型和dc/ac变流器；所述直流微电网拓扑模型包括直流母线、移动储能、直流负载；所述移动储能和直流负载与直流母线相连；所述并网型交流微电网通过dc/ac变流器与直流母线相连。

步骤(2)所述的优化目标为含移动储能的微电网扩展规划模型在负荷短期增长时间内的总成本：

ctotal＝cmbess_aic+cmbess_aom+cgrid；

其中，cmbess_aic为移动储能设备在负荷短期增长时间内的租赁成本，cmbess_aom为目标函数中移动储能在负荷短期增长时间内的运行维护成本，cgrid为含移动储能的并网型交直流混合微电网在负荷短期增长时间内从大电网买电和卖电差价。

步骤(2)所述正常情况优化约束包括直流微电网系统功率平衡约束、并网型交流微电网系统功率平衡约束、移动储能设备的安装容量约束、移动储能设备的最大充放电约束、移动储能设备的荷电状态约束、dc/ac变流器功率约束。

所述直流微电网系统功率平衡约束为：

pload_add_dc(t)+pdctransac(t)+pmbs_c_dc(t)＝ηactransdcpactransdc(t)+pmbs_d_dc(t)；

其中，pload_add_dc为直流微电网系统直流侧负荷短期增长时间内的新增的负荷；pdctransac为直流微电网系统传输到并网型交流微电网系统的功率；pmbs_c_dc为移动储能设备的充电功率；ηactransdc为并网型交流微电网系统传输到直流微电网系统的效率；pactransdc为并网型交流微电网系统传输到直流微电网系统的功率；pmbs_d_dc为移动储能设备的充电功率；

所述并网型交流微电网系统功率平衡约束为：

其中，pload_ac为交流负载，ppv为光伏电池的输出功率，pwt为风力发电机的输出功率，ηdctransac为直流微电网系统传输到并网型交流微电网系统的效率，pbs_c_ac为固定储能设备的充电功率，pbs_d_ac为固定储能设备的放电功率；

所述移动储能设备的安装容量约束为：

其中，为移动储能设备的最大安装容量；

所述移动储能设备的最大充放电约束为：

其中，为移动储能设备的最大充电功率，为移动储能设备的最大放电功率；

所述移动储能设备的荷电状态约束为：

其中，为移动储能设备的最小荷电状态，为移动储能设备的最大荷电状态，wmbs_dc(t)为移动储能设备当前时刻存储的能量，ηinv为移动储能换流器的换流效率；

所述dc/ac变流器的功率约束为：

其中，为dc/ac变流器的最大传输功率。

步骤(2)所述移动储能在dc/ac变流器故障导致交直流混合微电网系统解列时间内的调度策略为2小时内的调度策略，包括故障后第0～15分钟的调度策略、故障后第15～30分钟的调度策略、故障后第30～45分钟的调度策略、故障后第45～60分钟的调度策略、故障后第60～75分钟的调度策略、故障后第75～90分钟的调度策略、故障后第90～105分钟的调度策略和故障后第105～120分钟的调度策略。

所述故障后第0～15分钟的调度策略为：直流侧满荷电状态的移动储能放电保证直流侧重要负荷可靠供电，非满荷电状态的移动储能移动到交流侧；交流侧风光储放电保证交流侧重要负荷可靠供电；

所述故障后第15～30分钟的调度策略为：直流侧满荷电状态的移动储能放电保证直流侧重要负荷可靠供电，非满荷电状态的移动储能移动到交流侧；交流侧风光储放电满足交流侧重要负荷可靠供电和移动储能充电所需功率；

所述故障后第30～45分钟的调度策略为：交流侧满荷电状态的移动储能移动到直流侧；直流侧满荷电状态的移动储能放电保证直流侧重要负荷可靠供电，非满荷电状态的移动储能移动到交流侧；交流侧风光储放电满足交流侧重要负荷可靠供电和移动储能充电所需功率；

所述故障后第45～60分钟的调度策略为：交流侧满荷电状态的移动储能移动到直流侧；直流侧满荷电状态的移动储能放电保证直流侧重要负荷可靠供电，非满荷电状态的移动储能移动到交流侧；交流侧风光储放电满足交流侧重要负荷可靠供电和移动储能充电所需功率；

所述故障后第60～75分钟的调度策略为：交流侧满荷电状态的移动储能移动到直流侧；直流侧满荷电状态的移动储能放电保证直流侧重要负荷可靠供电，非满荷电状态的移动储能移动到交流侧；交流侧风光储放电满足交流侧重要负荷可靠供电和移动储能充电所需功率；

所述故障后第75～90分钟的调度策略为：交流侧满荷电状态的移动储能移动到直流侧；直流侧满荷电状态的移动储能放电保证直流侧重要负荷可靠供电，非满荷电状态的移动储能移动到交流侧；交流侧风光储放电满足交流侧重要负荷可靠供电和移动储能充电所需功率；

所述故障后第90～105分钟的调度策略为：交流侧全部移动储能移动到直流侧；直流侧所有移动储能放电保证直流侧重要负荷可靠供电；交流侧风光储放电满足交流侧重要负荷可靠供电；

所述故障后第105～120分钟的调度策略为：直流侧所有移动储能放电保证直流侧重要负荷可靠供电；交流侧风光储放电满足交流侧重要负荷可靠供电。

步骤(2)所述故障情况优化约束为dc/ac变流器故障导致交直流混合微电网系统解列的可靠运行约束。

包括了直流侧重要负荷可靠供电约束、直流侧移动储能荷电状态约束、交流侧重要负荷可靠供电约束、交流侧固定储能荷电状态约束和交流侧移动储能荷电状态约束；

其中，所述直流侧重要负荷可靠供电约束为：

pload_dc_main(t0)≤pmbs_d_dc_abn(t0,t1)-pmbs_c_dc_abn(t0,t1)；

其中，t0为dc/ac变流器发生故障时的时间点，t1＝[0,1,2,3,4,5,6,7,8]为dc/ac变流器发生故障后的时间点，pload_dc_main为直流微电网系统的重要负荷，pmbs_c_dc_abn为dc/ac变流器故障时直流侧移动储能的充电功率，pmbs_d_dc_abn为dc/ac变流器故障时直流侧移动储能的放电功率；

所述直流侧移动储能荷电状态约束为：

其中，nmbs_dc_full(t0,t1)＝nmbs_dc_org_full(t0,t1)+nmbs_ac_full(t0,t1-1)为dc/ac变流器故障时从交流微电网系统移动到直流微电网系统后的直流微电网系统中满荷电状态的移动储能数量，为dc/ac变流器故障时直流微电网系统中满荷电状态的移动储能初始数量，

wmbs_dc_abn(t0,t1+1)＝wmbs_dc_full(t0,t1)+pmbs_c_dc_abn(t0,t1)-pmbs_d_dc_abn(t0,t1)为dc/ac变流器故障时直流微电网系统中移动储能的总能量；

所述交流侧重要负荷可靠供电约束为：

pload_ac_main(t0)≤ppv(t0)+pwt(t0)+pbs_d_ac_abn(t0,t1)-pbs_c_ac_abn(t0,t1)-pmbs_c_ac_abn(t0,t1)

其中，pload_ac_main为并网型交流微电网系统离网运行时的重要负荷；pbs_c_ac_abn为dc/ac变流器故障时交流侧固定储能的充电功率，pbs_d_dc_abn为dc/ac变流器故障时交流侧固定储能的放电功率，pmbs_c_ac_abn为dc/ac变流器故障时交流侧移动储能的充电功率；

所述交流侧固定储能荷电状态约束为：

其中，wbs_ac_abn(t0,t1+1)＝wbs_ac_abn(t0,t1)+pbs_c_ac_abn(t0,t1)-pbs_d_ac_abn(t0,t1)为dc/ac变流器故障时交流微电网系统中固定储能的总能量；

所述交流侧移动储能荷电状态约束为：

其中，wmbs_ac_abn(t0,t1+1)＝wmbs_ac_full(t0,t1)+pmbs_c_ac_abn(t0,t1)为dc/ac变流器故障时交流微电网系统中移动储能的总能量。

有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：1、根据含移动储能的并网型交直流混合微电网拓扑模型，在优化目标中考虑移动储能和换流器的租用和运行费用，减少了微电网的扩展规划成本，解决了微电网内直流负荷短期大量增长造成的微电网扩展规划资源浪费的问题；2、在优化约束中实现微电网中重要负荷两小时可靠供电，建立dc/ac变流器故障导致交直流混合微电网系统解列的可靠运行约束，利用移动储能实现交直流侧的能量交换特性，减少了移动储能配置的容量，从而提高了微电网扩展规划的经济性，缓解了交直流混合微电网dc/ac变流器故障造成的交直流侧解列运行时造成的两侧能量不流通问题。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为并网型交流微电网拓扑模型图；

图3为含移动储能的并网型交直流混合微电网拓扑模型图；

图4为移动储能在dc/ac变流器故障导致交直流混合微电网系统解列时时2小时内的调度策略流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明所述的一种含移动储能的微电网扩展规划方法，包括以下步骤：

1、根据短期内增长的直流负荷发挥作用即可切除的场景，将预先建立的并网型交流微电网拓扑模型扩展为含移动储能的并网型交直流混合微电网拓扑模型。

预先建立的并网型交流微电网拓扑模型结构如图2所示，包括：交流母线、光伏电池、风力发电机、固定储能、交流负载、直流负载、换流器，并将光伏电池、风力发电机和交流负载均与交流母线相连，将固定储能和直流负载通过换流器与交流母线相连，将交流母线通过配电变压器与交流电网相连。

根据未来直流负荷大量增长，短期内即可切除的场景，将原有的并网型交流微电网拓扑模型扩展为含移动储能的并网型交直流混合微电网拓扑模型，如图3所示，包括：并网型交流微电网拓扑模型、直流微电网拓扑模型和dc/ac变流器；其中，直流微电网拓扑模型包括直流母线、移动储能、直流负载。移动储能和直流负载与直流母线相连；交流母线通过所述dc/ac变流器与直流母线相连。

2、确立优化目标、正常情况优化约束及移动储能在dc/ac变流器故障导致交直流混合微电网系统解列时间内的调度策略，根据调度策略确立故障情况优化约束，建立含移动储能的并网型交直流混合微电网中移动储能容量优化配置的数学模型。

当确定的优化目标为经济性目标中的扩展规划总成本时，优化目标可为经济性目标：

ctotal＝cmbess_aic+cmbess_aom+cgrid；

其中：ctotal为含移动储能的微电网扩展规划模型负荷短期增长时间内的的总成本，其中负荷短期增长时间可选为一天。

cmbess_aic为移动储能设备在负荷短期增长时间内的租赁成本：

cmbess_aic＝nmbs_dccmbesst；

其中，nmbs_dc为移动储能的租赁数量，cmbess为移动储能的单台单日租赁价格，t表示移动储能的租赁天数，其中移动储能的租赁天数可选为一天；

cmbess_aom为目标函数中移动储能在负荷短期增长时间内的运行维护成本：

cmbess_aom＝nmbs_dcembess_unitcmbess_aomt；

其中，embess_unit为移动储能的单台容量；cmbess_aom为移动储能设备的单位容量的运行维护成本，t为移动储能的租赁天数，其中移动储能的租赁天数可选为一天；

cgrid为含移动储能的并网型交直流混合微电网在负荷短期增长时间内从大电网买电和卖电差价：

其中，pg2mg(t)为含移动储能的并网型交直流混合微电网单位时间从大电网买入的功率；pmg2g(t)为含移动储能的并网型交直流混合微电网单位时间向大电网售卖的功率；f(t)为单位时间的电价；t为移动储能的租赁天数，其中移动储能的租赁天数可选为一天。

正常情况优化约束包括直流微电网系统功率平衡约束、并网型交流微电网系统功率平衡约束、移动储能设备的安装容量约束、移动储能设备的最大充放电约束、移动储能设备的荷电状态约束和dc/ac变流器功率约束。

直流微电网系统功率平衡约束为：

pload_add_dc(t)+pdctransac(t)+pmbs_c_dc(t)＝ηactransdcpactransdc(t)+pmbs_d_dc(t)；

其中，pload_add_dc为直流微电网系统直流侧一天内新增的负荷；pdctransac为直流微电网系统传输到所述并网型交流微电网系统的功率；pmbs_c_dc为移动储能设备的充电功率；ηactransdc为并网型交流微电网系统传输到所述直流微电网系统的效率；pactransdc为并网型交流微电网系统传输到所述直流微电网系统的功率；

pmbs_d_dc为移动储能设备的充电功率。

并网型交流微电网系统功率平衡约束为：

其中，pload_ac为交流负载；ppv为光伏电池的输出功率；pwt为风力发电机的输出功率；ηdctransac为直流微电网系统传输到并网型交流微电网系统的效率；pbs_c_ac为固定储能设备的充电功率；pbs_d_ac为固定储能设备的放电功率。

移动储能设备的安装容量约束为：

其中，为移动储能设备的最大安装容量。

移动储能设备的最大充放电约束为：

其中，为移动储能设备的最大充电功率；为移动储能设备的最大放电功率。

移动储能设备的荷电状态约束为：

其中，为移动储能设备的最小荷电状态；为移动储能设备的最大荷电状态；wmbs_dc(t)为移动储能设备当前时刻存储的能量；ηinv为移动储能换流器的换流效率。

dc/ac变流器的功率约束为：

其中，为dc/ac变流器的最大传输功率。

确立移动储能在dc/ac变流器故障导致交直流混合微电网系统解列时间内的调度策略，如图4所示，其中移动储能在dc/ac变流器故障导致交直流混合微电网系统解列的2小时内的调度策略包括：

故障后第0～15分钟的调度策略为：直流侧满荷电状态的移动储能放电保证直流侧重要负荷可靠供电，非满荷电状态的移动储能移动到交流侧；交流侧风光储放电保证交流侧重要负荷可靠供电；

故障后第15～30分钟的调度策略为：直流侧满荷电状态的移动储能放电保证直流侧重要负荷可靠供电，非满荷电状态的移动储能移动到交流侧；交流侧风光储放电满足交流侧重要负荷可靠供电和移动储能充电所需功率；

故障后第30～45分钟的调度策略为：交流侧满荷电状态的移动储能移动到直流侧；直流侧满荷电状态的移动储能放电保证直流侧重要负荷可靠供电，非满荷电状态的移动储能移动到交流侧；交流侧风光储放电满足交流侧重要负荷可靠供电和移动储能充电所需功率；

故障后第45～60分钟的调度策略为：交流侧满荷电状态的移动储能移动到直流侧；直流侧满荷电状态的移动储能放电保证直流侧重要负荷可靠供电，非满荷电状态的移动储能移动到交流侧；交流侧风光储放电满足交流侧重要负荷可靠供电和移动储能充电所需功率；

故障后第60～75分钟的调度策略为：交流侧满荷电状态的移动储能移动到直流侧；直流侧满荷电状态的移动储能放电保证直流侧重要负荷可靠供电，非满荷电状态的移动储能移动到交流侧；交流侧风光储放电满足交流侧重要负荷可靠供电和移动储能充电所需功率；

故障后第75～90分钟的调度策略为：交流侧满荷电状态的移动储能移动到直流侧；直流侧满荷电状态的移动储能放电保证直流侧重要负荷可靠供电，非满荷电状态的移动储能移动到交流侧；交流侧风光储放电满足交流侧重要负荷可靠供电和移动储能充电所需功率；

故障后第90～105分钟的调度策略为：交流侧全部移动储能移动到直流侧；直流侧所有移动储能放电保证直流侧重要负荷可靠供电；交流侧风光储放电满足交流侧重要负荷可靠供电；

故障后第105～120分钟的调度策略为：直流侧所有移动储能放电保证直流侧重要负荷可靠供电；交流侧风光储放电满足交流侧重要负荷可靠供电。

根据调度策略建立故障情况优化约束，故障情况优化约束为dc/ac变流器故障导致交直流混合微电网系统解列的可靠运行约束，包括直流侧重要负荷可靠供电约束、直流侧移动储能荷电状态约束、交流侧重要负荷可靠供电约束、交流侧固定储能荷电状态约束和交流侧移动储能荷电状态约束，其中：

直流侧重要负荷可靠供电约束为：

pload_dc_main(t0)≤pmbs_d_dc_abn(t0,t1)-pmbs_c_dc_abn(t0,t1)；

其中，t0＝[1,2,...,96]为dc/ac变流器发生故障时的时间点；dc/ac变流器发生故障时的时间点的间隔时间为15分钟；t1＝[0,1,2,3,4,5,6,7,8]表示在dc/ac变流器发生故障后的时间点；dc/ac变流器发生故障后的时间点以dc/ac变流器发生故障时的时间点为基准，dc/ac变流器发生故障后的时间点的间隔时间为15分钟；pload_dc_main为直流微电网系统的重要负荷；pmbs_c_dc_abn为dc/ac变流器故障时直流侧移动储能的充电功率；pmbs_d_dc_abn为dc/ac变流器故障时直流侧移动储能的放电功率。

直流侧移动储能荷电状态约束为：

其中，nmbs_dc_full(t0,t1)＝nmbs_dc_org_full(t0,t1)+nmbs_ac_full(t0,t1-1)为dc/ac变流器故障时从交流微电网系统移动到直流微电网系统后的直流微电网系统中满荷电状态的移动储能数量；其中为dc/ac变流器故障时直流微电网系统中满荷电状态的移动储能初始数量；

wmbs_dc_abn(t0,t1+1)＝wmbs_dc_full(t0,t1)+pmbs_c_dc_abn(t0,t1)-pmbs_d_dc_abn(t0,t1)为dc/ac变流器故障时直流微电网系统中移动储能的总能量。

交流侧重要负荷可靠供电约束为：

pload_ac_main(t0)≤ppv(t0)+pwt(t0)+pbs_d_ac_abn(t0,t1)-pbs_c_ac_abn(t0,t1)-pmbs_c_ac_abn(t0,t1)

其中，pload_ac_main为并网型交流微电网系统离网运行时的重要负荷；pbs_c_ac_abn为dc/ac变流器故障时交流侧固定储能的充电功率；pbs_d_dc_abn为dc/ac变流器故障时交流侧固定储能的放电功率；pmbs_c_ac_abn为dc/ac变流器故障时交流侧移动储能的充电功率。

交流侧固定储能荷电状态约束为：

其中wbs_ac_abn(t0,t1+1)＝wbs_ac_abn(t0,t1)+pbs_c_ac_abn(t0,t1)-pbs_d_ac_abn(t0,t1)为dc/ac变流器故障时交流微电网系统中固定储能的总能量。

交流侧移动储能荷电状态约束为：

其中wmbs_ac_abn(t0,t1+1)＝wmbs_ac_full(t0,t1)+pmbs_c_ac_abn(t0,t1)为dc/ac变流器故障时交流微电网系统中移动储能的总能量。

3、根据优化约束可通过matlab中yalmip优化工具箱和gurobi求解器联合求解目标函数，得到含移动储能的并网型交直流混合微电网中移动储能容量优化配置结果。

本发明利用移动储能的可租用和可移动特性，解决了微电网内直流负荷短期大量增长造成的微电网扩展规划资源浪费的问题，缓解了交直流混合微电网dc/ac变流器故障造成的交直流侧解列运行时造成的两侧能量不流通问题，降低了微电网的扩展规划成本，提高了微电网系统的经济性。