一种微电网能量优化管理方法
【专利摘要】一种微电网能量优化管理方法，该方法以微电网能量流动供求误差的数学模型为基础，考虑实际电网运行中的能量守恒和物理设备的电气限制等约束条件，以微汽轮机的可控供电、储能的充放电量、充放电时间和用户用电时间/电量的调度等为操作变量，利用基于分时分层的递阶预测控制优化算法，对各能量模块的工作状态进行优化，以改善对新能源和用户负荷引起的双向扰动并满足用户负荷对电能的需求，从而保证了微电网运行的可靠性、安全性和经济性，且适用于实际电网中的能量优化管理。
【专利说明】-种微电网能量优化管理方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种能量优化管理方法，尤其是一种存在多用户且具有混合动态逻辑 特性电力系统的能量优化管理方法。
【背景技术】
[0002] 微电网作为智能电网的重要组成部分，它对新能源的推广、电力生产过程中的节 能降耗、降低碳排放量具有重要意义。微电网能量管理的主要目的是在满足技术条件和物 理装备等约束下，以最小的操作成本实时、准确地向用户负荷提供需求质量的电能，不仅保 证短期内能量的供求平衡，同时达到长期内能量的优化调度和电网的经济运行。然而，由于 新能源供电的间歇性、系统结构的复杂性、控制行为的约束性等原因，使得传统的能量管理 策略难以满足实际的控制需求。因此，要保证微电网安全、可靠、经济地运行，实现微电网的 推广和应用，就需要对微电网能量管理问题进行研究。
[0003] 与负荷被动参与电网运行的传统电网能量管理相比，微电网的能量管理更期望用 户负荷主动参与电网的运行，实现对对电能的积极消费。但随着智能用户数量的增加，用户 时变的用电数量和随机的用电时间将给负荷端的能量分配带来扰动。另一方面，微电网的 供电端引入了大量可再生、节能环保的新能源，新能源的随机性也给微电网的能量管理带 来了扰动的影响。目前，针对微电网能量优化管理时对扰动的研究主要针对供电端或从用 户端。
[0004] 针对新能源的随机扰动问题，国内外学者有的引入储能设备削峰填谷、平滑新能 源随机性的扰动，有的通过不同类型新能源之间的集群效应来改善新能源随机性的扰动， 有的用分时优化的策略实现对新能源随机性的平滑；针对负荷端的扰动问题，采用提前用 电或延迟用电的能量调度策略来鼓励用户负荷低峰积极用电、高峰减少用电的方式，实现 对用户端扰动的削减和平滑。但目前的研究工作大多只考虑了新能源随机性扰动问题或用 户端的供求误差而引起的扰动问题，而同时考虑由新能源随机性和用户动态性引起的方向 扰动的能量管理问题研究相对较少。
[0005] 因此，开发一种适合于存在多用户情况下的微电网能量优化管理方法，对新能源 的推广、电力生产过程中的节能降耗、降低碳排放量具有重要意义。
【发明内容】
[0006] 本发明提供了一种微电网能量优化管理的方法，针对存在多智能用户的微电网能 量优化管理问题，提出一种基于分时分层的预测控制策略。
[0007] 本发明的构思如下：
[0008] 根据能量在不同模块间的流动，建立系统的分层模型和基于双层控制结构的能量 管理优化问题，上层的集中控制器通过优化储能的充/放电时间、充/放电量、可控供电功 率以及对负荷需求的调节作用来实现能量的优化流动，下层的集合器通过优化对负荷需求 的分配作用以满足负荷的实时需求。为改善能量管理所面临的双向扰动，针对不同控制层 分别采取不同时间尺度进行优化。在慢采样周期内优化求解上层优化问题，实现能量在长 期内的优化调度；在快速采样周期内优化求解集合器的快时间尺度优化问题，实现短期内 对用户需求的实时供应。
[0009] 同时，为了改善新能源的随机性，保证上层的稳定运行，并实现对底层用户需求的 实时分配，这里考虑针对集中控制器的优化问题和集合器的优化问题采取多时间尺度优化 策略。上层集中控制器采用慢时间尺度，优化一天24小时中每小时能量的调度，实现能量 在长期内的优化调度。下层集合器在分钟级采样周期内实现对用户负荷需求的实时供应。 [0010] 集中控制器和集合器各自功能描述如下：
[0011] (a)上层集中控制器是一个以小时为采样周期的MPC控制器，基于一天24小时内 新能源供电信息、储能状态信息以及集合器?，j = 1，…，Μ反馈的用户负荷需求预估信息、 优化储能的充/放电时间、充/放电量、可控供电能源供电功率的变化以及对集合器能量需 求的调节作用，实现能量在长期内的优化利用；
[0012] (b)下层集合器是Μ个基于分钟级采样时间的MPC控制器Aj，j = 1，"·，Μ，控制管 理Ν个即插即用的智能用户i = 1，...，Ν，其中Μ彡Ν，这里简称集合器Aj，j = 1，···，Μ。 下层集合器将用户负荷的需求信息实时向上反馈到上层集中控制器，并接收来自上层集中 控制器的能量分配信息，通过对用户负荷需求的实时优化，实现能量在短期内的优化利用。
[0013] 存在多用户的微电网能量管理的模型描述：在每一小时k，k= l，...，Tk，集合器 Α」采集当前时刻各组智能用户的用电需求信息预估值Eref^ (k)，并上传给集中控制器。针 对用户负荷的需求，集中控制器控制可控供电、新能源供电和储能设备的工作，向负荷提供 电能，于是微电网内部能量流动的动态特性可描述为：
【权利要求】
1. 一种微电网能量管理优化方法，其特征在于，所述优化方法包括如下步骤： (1) 采集微电网各能量模块的实时运行数据：用户负荷的需求信息、储能设备当前时 刻的容量状态以及新能源供电的输出； (2) 建立微电网内部上下两层的能量平衡和上层储能容量的动态描述，其中，下层在快 采样周期内的能量平衡关系为：
其中t是快速采样周期的时刻，\1是用户需求用电 Ereqjt)在集合器Aj能量需求Ereqj(t)中所占的比例系数； 上层在慢采样周期内的能量平衡关系为： Es(k)=Erenew(k) + ΔEcon(k)-Ereq(k)，其中，k是慢采样周期的时刻，ΔEcon(k)是 可控供电能源功率的变化，ErenewGO是新能源实时测量值，Ereq(k)是集中控制实时采集 的负荷需求； (3) 基于微电网内部能量的流动关系和能量的供需关系，建立起微电网能量管理的上 层各能量模块与储能设备间能量流动的函数关系： [SocM-Sodk+l)] = α[3〇(^-3〇(3(1〇]+ηΕ8(1〇,其中 Soc(k)为 k 时刻储能设备的容 量状态，储能的物理损耗系数a e (〇，1) ; η为储能设备的充放电效率，充电效率记为η。、 放电效率记为nd，且它们之间满足以下关系：
(4) 以储能的充放容量、可控供电的功率变化以及对负荷需求的调节作用作为约束条 件，建立微电网上下两层的能量管理的目标函数； 其中，上层的能量管理的目标函数按照如下步骤优化：利用基于混合整数二次规划带 约束的预测控制优化算法，以可控供电功率、储能充放电量和充放电时间、以及对协调器需 求的调节作用为操作变量，以储能设备最优容量为设定值，以上层的能量供求误差最低作 为目标，在满足可控能源供电功率、储能的充放电和容量物理约束条件下，调整可控供电功 率、储能充放电量和充放电时间、以及对协调器需求的调节作用，以达到上层最小的目标函 数值； 下层的能量管理的目标函数按照如下步骤优化：利用基于二次规划带约束的预测控制 优化算法，以协调器对用户采取的断电或提前用电而带来的能量调度作用为操作变量，以 用户对能量的需求作为适应值，以协调器对负荷能量供应与负荷需求间的误差最低作为目 标，在满足负荷对电能需求质量的约束条件下，调整对负荷需求的调度作用，以达到下层最 小的目标函数值。
2. 根据权利要求1所述的微电网能量优化管理方法，其特征在于，步骤⑵涉及一种分 时分层的能量管理结构，所述上层是以小时为采样周期的慢时间尺度层次，所述下层是以 分钟为采样周期的快时间尺度层次。
3. 根据权利要求1所述的微电网能量优化管理方法，其特征在于，步骤（3)中采用混合 逻辑动态模型来描述储能设备容量的动态特性，用二进制变量S (k)来表示储能在当前时 刻的工作状态，Z(k) = δ (k)Es(k)表示当前时刻储能充/放电的电量，储能设备的动态特 性描述为： [Socref-Soc (k+1) ] = a[Socref-Soc (k) ] + ( ηc-ηd) Z (k) + η dEs (k)； 其中，Soc(k+l)表示储能设备在K+l时刻的容量状态； SocMf是为保证储能电池工作的可靠性而设置的一个设定值，即在储能充放电过程中 的初始时刻和最终时刻储能设备的容量均保持趋近该设定值； η ^和nd分别表示储能设备充电效率和放电效率； Es (k)代表储能设备与其它电力设备间流动的电量。
4. 根据权利要求1所述的微电网能量优化管理方法，其特征在于，步骤（4)中分别为上 下两层建立了基于不同时间尺度的目标函数，其中，上层是以小时级别的采样周期内储能 容量期望状态和能量供求误差作为目标函数，下层是以分钟级别的采样周期内能量分配和 负荷需求间的误差作为目标函数。
5. 根据权利要求1所述的微电网能量优化管理方法，其特征在于，步骤（4)中的优化和 决策变量中既包含了连续型变量，即可控供电功率、对协调器需求的调度、储能充放电量， 同时也包含了离散型变量，即储能设备充放电状态，通过选取新的决策变量，
，并采用基于混合整数二次规范带约束的预 测控制优化算法进行求解优化问题； Δ&·(;/·/(幻表示可控能源供电功率在k时刻的预测变化值； i(幻表示储能设备与外界交换的能量的预测值； 决A:)灰示储能设备工作状态充电或放电的预测值； ΔΡ(Α〇是针对智能用户采取延时或提前供电的智能用电调度策略，这里是指上层控制 器对下层集合器采取调度策略后而引起用电功率变化量的预测值。
6. 根据权利要求1所述的微电网能量优化管理方法，其特征在于，步骤⑷中在分钟级 别的快速采样周期内采取提前用电或暂时断电的措施来改善微电网能量的波动，保证微电 网运行的稳定性，Ereqjt) zErefJtHapjAPjt); 其中，APi(t)表示集合器针对第i个用户负荷需求的调节作用，表示集合器p针 对第i个用户负荷调节作用的权系数。
【文档编号】H02J3/32GK104113085SQ201410384575
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年8月5日 优先权日:2014年8月5日
【发明者】徐俊, 邹媛媛, 牛玉刚, 贾廷纲 申请人:华东理工大学