由可再生源产生的功率的消耗的优化方法与流程

本发明的领域是电力产生和分配的微电网的领域。更具体地说，本发明涉及一种用于优化由一个或多个可再生电力源产生的电功率的消耗的方法。

背景技术：

微网络或微电网通常是旨在在远离大型电能产生中心的隔离区域中产生和分配电能的本地电力网络。隔离区域例如是岛屿、山区或沙漠区。当连接到广泛分布网络的建筑物、地区、校园或其他实体想要有差别地管理其能量产生以及增加其稳定性时，微电网原理也适用。

微电网的主要吸引力是，它们可以自主地运行(在孤岛模式下，没有与公共网络的连接)，并且它们位于消耗区域(负载)附近。因此，长距离的分配网络中的固有损耗是有限的。

微电网的能量自给通常由不同类型的电力源来确保的，在不同类型的电力源中发电机组占据了重要的位置(这被称为同步能量源)。实际上，从经济角度来看，发电机组代表着小的初始投资，并且确保电力产生足够灵活以便吸收在峰值负载时间的消耗峰值。然而，发动机组的运行需要大量的燃料(例如柴油)，这相应地增加了能量账单，也增加了大气污染。

为了减轻这些经济和环境问题，微电网是混合系统，并且还包括可再生电力源，例如光伏电力源。由可再生电力源生成的dc电流和dc电压通常由逆变器转换成在网络的频率f的ac电流和电压。逆变器通常根据赋予(confer)在频率/有功功率p和有效电压(rms电压)/无功功率q上的“下垂”控制的控制律来伺服控制。下垂控制使得逆变器与同步发电机(例如发电机组)可以在电力产生和分配网络上并联连接。然而，来自可再生电力源的电功率的产生的波动和/或间歇性，造成经由逆变器由可再生电力源输送的ac频率、电压和电流的不稳定性。由可再生电力源输送的电压和电流的频率的不稳定性对发电厂和分配网络有直接的影响。发电厂被理解为表示连接到分配网络并且能够产生电功率的所有可再生电力源、以及所有的不可再生电力源。为了限制由这种不稳定性引起的后果和不便，可再生电力源通常不超过所述网络的标称功率的30％(即，可再生电力源的渗透率限于标称值的30％)。然后，产生可再生电功率的波动被永久运行的发电机组抵消(offset)。

为了增加可再生电力源的渗透率，已经开发了虚拟发电机或同步虚拟发电机的概念，并且本领域技术人员将能够参考文献[1]，其详细描述了虚拟发电机的基本原理。虚拟发电机通常包括可再生电力源(例如光伏或风力涡轮机面板)、以及逆变器。虚拟发电机的设置(installation)允许达到可再生电力源的100％的渗透率。

虽然在渗透率和降低燃料消耗方面提供了相当大的进步，但是该解决方案没有解决由可再生电力源产生的功率和/或电能的消耗的优化。

实际上，上述解决方案不允许发电机组在可再生能量产生停止时(例如在夜间，当光伏电力源不再产生电功率时)降低燃料消耗。

此外，为了确保网络的电压和电流频率的平衡，可能需要通过调峰(peak-shaving)来限制可再生电功率的产生。当设置的可再生电功率产生的潜力(potential)达到电力产生和分配网络的标称功率的100％时，这种调峰是更加可取的。可再生电功率的产生的调峰通常由与所述源相关联的逆变器来进行以及到达其能力的程度。

于是，本发明的一个目的是提供一种用于优化由可再生电力源产生的功率和/或电能的消耗的方法，以便减少由也连接到电力产生和分配网络的发电机组的燃料消耗。

本发明的另一个目的还在于最大化由可再生电力源对可再生电功率的产生。

本发明的另一个目的还在于优化待设置的可再生电功率。

技术实现要素：

本发明的目的至少部分地是通过一种用于优化负载对由连接到电力产生和分配网络的至少一个可再生电力源和至少一个非间歇电力源产生的功率的消耗的方法实现的，所述方法包括：

a.预报(forecast)在接下来的时间段内由至少一个可再生电力源产生的可再生电功率的时间分布(profile)的步骤；

b.在连接到网络的负载中确定对所述负载的使用的约束的步骤；

c.确定所述负载的运行计划的步骤，所述运行计划用于在遵守对使用的所述约束的同时最大化在接下来的时间段内由至少一个可再生电力源产生的可再生电功率的消耗，此确定包括评估在启动所述负载中的一个或者其它时的时移的影响下的可再生电功率的消耗。

因此，对连接到发电厂和分配网络的所述负载的使用的约束的考虑，使得可以适应于电功率消耗模式，并且使得一旦可再生电力源产生电功率就可以促成(favour)电功率的消耗。可再生电功率的消耗是实时发生的，并且不需要任何的存储用于推迟(defer)这种消耗的功率和/或能量的模式。实际上，根据本发明，现在可以至少部分地时移通常排他地消耗由非间歇电力源输送的电功率的负载的电功率消耗阶段。

此外，本发明使得一旦可再生电力源产生电功率就可以考虑负载“预消耗”电功率，以提高所述负载的能量状态。提高所述负载的能量状态因此允许一旦可再生电力源停止其电功率的产生就更少地消耗电功率。

因此，本发明使得可以减少由非间歇电力源产生的功率的消耗。

根据一个实施例，确定负载运行计划的步骤c.还适于最小化负载对由至少一个非间歇电力源产生的电功率的消耗。

因此，还可以设想减小由非间歇电力源产生电功率的能力。

根据一个实施例，确定负载运行计划的步骤c.是通过对由至少一个可再生电力源产生的可再生电功率、由负载根据对负载的使用的约束对电功率的消耗进行建模的数学算法来执行的，数学算法有利地是分支和定界和切割平面算法。

数学问题可以有利地根据混合整数线性规划的技术来公式化。

根据一个实施例，至少一个可再生电力源提供确定规格的(dimensioned)电功率产生能力，使得在连接到网络的负载中最大的负载消耗由所述可再生电力源产生的电功率。

有利地，由至少一个可再生电力源产生的电功率被实时消耗。换句话说，不需要存储功率和/或能量的系统来推迟所述消耗。

根据一个实施例，可再生电力源包括选自以下的源中的至少一个：光伏电力源和风力涡轮机电力源。

根据一个实施例，可再生电力源包括可再生电力产生系统、和旨在将由所述产生系统产生的功率转换成ac电压和电流的逆变器，所述逆变器和所述产生系统由控制律控制以使得可再生电力源形成虚拟发电机。

根据一个实施例，电力产生和分配网络有标称功率，并且至少一个可再生电力源具有大于所述标称功率的电功率产生能力。

根据一个实施例，电力产生和分配网络是微电网。

根据一个实施例，发电机组还连接到电力产生和分配网络，并且与可再生电力源并联。

附图说明

在以下参考附图作为非限制性实施例给出的、对用于优化负载对由至少一个可再生电力源和至少一个非间歇能量源产生的功率的消耗的方法的实施方式的描述中，其它特征和优点将出现，在附图中：

图1是根据本发明的方法中的步骤的简化图；

图2是表示微电网的标称功率pnom、由可再生电力源产生和输送到微电网的电功率(曲线a)、和由连接到微电网的负载消耗的电功率(曲线b)的曲线图，曲线表示为时间t(在水平轴上)的函数；

图3是表示根据本发明的优化方法的实现的曲线图，该曲线表示微电网的标称功率pnom、由可再生电力源产生和输送到微电网的电功率(曲线a)和由连接到微电网的负载消耗的电功率(曲线b)，曲线表示为时间t(在水平轴上)的函数。

具体实施方式

现在将在微电网的背景中描述本发明，但是本发明可以非常好地扩展到任何类型的电力产生和分配网络。因此，除非另有说明，术语“微电网”可以指微电网和网络二者。

在本发明中，将考虑能够消耗由(可再生或不可再生)电力源产生的功率和/或电能的负载。应当理解，当负载在一定时间范围内消耗电功率时，所述负载消耗电能。然而，本发明的公开将限于电功率的产生和消耗，应当理解，当所述电功率的产生和/或消耗随着时间发生时，其将涉及电能的产生和/或消耗。

因此，微电网将被认为包括至少一个可再生电力源。

参考图1，因此，将描述用于优化对由至少一个可再生电力源产生的电功率的消耗的方法。

因此，根据本发明的微电网包括：

-至少一个可再生电力源，向微电网输送可再生电功率，

-至少一个负载或多个负载，旨在消耗输送到微电网的电功率。

微电网还可以包括非间歇电力源，例如发电机组。非间歇电力源消耗燃料以产生电功率和输送电功率到微电网。

负载是指连接到网络并且消耗存在于所述网络上的电功率(如前所述，电功率在一个时间范围内被消耗，并且，因此可以与消耗的能量相关联)的元件。

优化方法包括步骤a.：预报在接下来的时间段内可再生电力源进行的电功率产生的时间分布。

接下来的时间段可以覆盖例如一天或几天的周期。

对功率产生时间分布的预报可以从一天到下一天发生，但也可以对应于更长期的预报，例如一周或一个月。

可再生电力源通常被描述为间歇电力源，因为它们非常依赖于例如气候条件的不可控因素。

因此，一个或多个可再生电力源可以包括一个或多个光伏电力源、和/或一个或多个风力涡轮机电力源。光伏电力源仅在存在阳光的情况下产生电功率。此外，由光伏电力源产生的电功率的时间分布取决于气候条件、以及所述光伏电力源相对于太阳的取向。实际上，完全朝南的光伏面板并不与朝东或朝西的光伏面板展现出相同的产生的电功率的时间分布。此外，光伏面板可以展现相对于太阳的可变取向(即，它们“跟随太阳”)，以便最大化它们产生的电功率。

作为示例，图2示出了在一天的过程(沿着横轴的时间t)中的光伏电力源(曲线a)的电功率产生分布(沿着纵轴的p)。在图2所示的情况下，光伏电力源完全朝南，使得分布展现出钟形，并且在中午(曲线a上的点x)观察到最大的电功率产生。水平pnom是微电网的标称功率，也就是说，是连接到微电网的负载所消耗的平均电功率。

对于光伏电力源的其它取向，可以观察到更加“扁平”的分布(未示出)。

风力涡轮机电力源也取决于气候条件。实际上，风力涡轮机仅对于在预定速度范围内吹的风而产生电功率。

因此，可再生电功率产生的时间分布将取决于可再生电力源的类型。

确定或预测可再生电功率产生的时间分布可以基于预测模型。事实上，关于影响由给定类型的可再生电力源进行的可再生电功率的产生的因素的知识，可以用于预测由所述可再生电力源进行的电功率产生的分布。

因此，关于天气条件和光伏电力源的规范的知识可以用于预测由光伏电力源进行的电功率产生的时间分布。

确定或预测可再生电功率产生的时间分布还可以基于可再生电功率的产生历史。实际上，可再生电功率的产生的日常监测可以用于预计未来将产生的可再生电功率。当影响可再生电功率的产生的不可控因素随时间可再现(reproducible)时，这种类型的确定将是特别有利的。因此，在具有稳定和可再现的阳光的区域中，可以预测由光伏电力源在时间尺度(例如一年的量级)上产生的可再生电功率。可以通过将天气预报考虑在内来改进这个模型。

根据本发明的方法还包括步骤b.：在连接到所述网络的负载中，确定对所述负载的使用的约束。负载由图1中的框b.中的括号(1)、(2)、......、(n)之间的整数表示。

负载也可以存在对启动的约束，该约束可以在步骤b.的执行中被考虑。

对负载的启动的约束被理解为指所述负载的启动模态以允许负载根据预定的规范使用。换句话说，对给定负载的启动的约束对应于所述负载达到给定能量状态所需的时间和功率。启动所述负载包括电功率的消耗。对称地抑制负载必须遵守某些约束。

对使用的约束被理解为指由给定负载提供的服务。换句话说，对使用的约束对应于负载必须处于其中以便可根据其运行规范来使用的状态的范围或一个状态(有利地是，能量状态范围或一个能量状态)。运行规范被定义为将由所述负载的物理参数实现的设定点。换句话说，运行规范是负载为了可以被使用而要满足的要求的集合。所述负载状态通过电功率消耗来实现。状态范围可以是能量状态的范围，但也可以与库存(stock)相关联。例如，对使用的约束可以是热水器的水必须达到以便可以使用的温度范围。在对封闭环境进行加热或制冷(airconditioning)的情况下，对使用的约束可以是所述环境的温度必须处于的温度范围。在有库存的工厂的情况中，对使用的约束将是工厂在不同时间间隔必须具有的最小库存、以及工厂具有的并且在任何情况下都不会超过的最大库存(库存可以对应到在工厂制造的产品的数量)。在水塔的情况中，对使用的约束对应于水塔在不同时间间隔必须具有的最小水量、和由所述水塔物理性地约束的最大水量。

如前所述，连接到微电网的负载在给定时间段内消耗由可再生电力源或多个可再生电力源、以及非间歇电力源(例如发电机组)产生的电功率。

连接到微网的负载受制于对启动和使用的约束。

例如，可以举出必须能够在给定温度范围内、和在给定的小时范围内输送热水的热水器的情况。通常，热水器被编程为在夜间加热水，使得在早晨水的温度在给定的温度范围内，例如在60℃和80℃之间。根据现有技术已知的这种运行模式，热水器消耗由非间歇电力源(发电机组)产生的电功率。

在本发明的背景下，因而提出在可再生电力源产生可再生电功率的时刻检查启动负载(在该示例中是热水器)时的时移的影响。

启动给定负载时的时移可以包括以如下这样的方式的电功率的预消耗：在可再生电力源产生可再生电功率的阶段期间使所述负载进入状态范围或一个给定状态(例如能量状态范围或一个能量状态)。当可再生电力源不再产生电功率时，这种预消耗允许减少由所述负载对电功率的消耗。因此，在热水器的示例中，一旦可再生电功率的产生可察觉(appreciable)就启动，将允许较少地消耗由发电机组为了保持热水器中热水的温度在预定温度范围内而输送的非间歇功率。

可以对连接到微电网的每个负载执行此分析。

下面的表1提供了负载和对启动和使用的关联约束的其他示例。

表1：

根据本发明的方法的步骤b.因此包括确定对连接到微电网的负载的使用的约束。尽管在热水器的背景中更详细，但该分析不仅限于热水器，而且因此适用于任何类型的负载。该分析可用于报告被考虑的负载的运行和使用的灵活性。

运行和使用的灵活性是指对负载的启动进行时移而不影响实现其对使用的约束的可能性。启动负载时的时移对应于所述负载的电功率消耗的全部或部分偏移(shift)。

运行和使用的灵活性还指连续负载对电功率的消耗的向下或向上变化。连续负载被理解为表示在正常使用条件下并且根据现有技术的已知运行而永久地消耗电功率的负载。

根据本发明的方法还包括步骤c.：确定用于在遵守对使用的所述约束时最大化在接下来的时间段内由所述至少一个可再生电力源产生的电功率的消耗的负载运行计划，这种确定包括在启动所述负载中的一个或其它时的时移的影响下、或者对提供给负载的电功率的调制的影响下，对消耗的评估。

负载运行计划是指由所述负载在时间范围期间(例如30分钟、10分钟等的间隔)消耗的电功率。因此，为连接到微电网的每个负载定义运行计划，并且，运行计划对于每个负载包括一个或多个运行时间范围以及由所述负载消耗的电功率。因此，运行计划为连接到网络的所有负载建立所述负载的每个的启动模态，启动模态包括运行时间范围和在所述时间范围期间消耗的电功率。

此步骤c.的执行包括从连接到网络的负载中选择对启动和使用的约束允许启动时的时移的负载。调整时移以使得一旦可再生电力源在微电网上产生和输送电功率，负载就消耗电功率。

一旦可再生电力源在微电网上产生和输送电功率，被选择启动的负载就也可以在可再生电力源在微电网上既不产生也不输送电功率时消耗电功率。在这种情况下，电功率由非间歇能量源输送。关于所选择的负载里的一部分上的电功率消耗的这种时间分布(distribution)，可以用于增加可再生电功率的消耗，并且减少由非间歇电力源输送的电功率的消耗。因此，可以减少微电网的正常运行所需的燃料量。

以特别有利的方式，步骤c.可以借助于数学算法来执行。来自可再生电力源的可再生能量产生的时间分布、以及对连接到微电网的负载的启动和使用的约束，构成了所述数学模型的输入数据。

数学模型因此适于根据输入数据对微电网的运行建模。

数学模型包括目标函数、约束、决策变量和参数。

数学模型包括在约束下的目标函数的最小化。

根据本发明，目标函数可以表示微电网的运行“成本”。微电网的运行“成本”例如与非间歇电力源的燃料消耗相关联，但也可以(并且以非限制性的方式)考虑：

-用户对各个负载的满意度；

-最大化负载消耗的可再生电功率的消耗；

-最大化可再生电功率的产生。

约束包括运行约束，并且可选地包括对启动负载的约束。在所述负载中，启动不能被偏移的负载也被识别出来。这些启动不能被偏移的负载被描述为非灵活负载，而其他负载是灵活负载。非灵活负载的功率消耗需求被描述为不可避免的需求。

为了确保微电网的稳定性，可以考虑能量储备相对于非间歇性产生部件的约束。非线性约束(例如冷藏室中的温度变化)可以被线性化。

数学模型和约束基于多个输入参数：

-可再生电力源和非间歇电力源的电功率产生分布(假定这些分布是已知的)，

-各个负载和产生部件的运行成本，

-各个负载和产生部件的运行参数。

最小化问题的目的是找到决策变量集合的最佳值。这些决策变量对于每个负载是特定的，然后可以根据负载(时间、功率)具有不同的性质。

例如，灵活负载的时间范围(运行的小时)和运行功率(反映对所述负载的启动和使用的约束)、以及各种非间歇性的电功率产生部件是该问题的决策变量。这些变量可以是整数或实数。

因此，以目标函数及其约束公式化的问题类似于本领域技术人员公知的并且在文献[2]中描述的“背包(knapsack)问题”。

这种问题的解决方案可以有利地通过结合文献[2]中描述的“分支和定界”和“切割平面”技术的算法来实现。

通过数学算法对问题的解决方案允许更好地优化由连接到微电网的负载消耗的电功率的消耗。

建模和/或求解数学算法的步骤可以有利地由计算器或计算机执行。

优化可以静态或动态地执行，然后，周期性地考虑可再生能源产生预报以及建立有适应能力的产生/消耗计划(或时间表)。

当可再生电功率的产生具有可再现的性质时，可优选静态优化。例如，在全年强烈阳光照射的区域中连接到微电网的光伏电力源的情况可以适合于静态优化。

与可以明确设定灵活性的静态最优不同，对于优化由所述可再生电力源产生的电功率的份额(share)更高效的动态优化涉及把用于监测灵活性的通信设备放到合适的位置。

另一方面，微电网中风力涡轮机电力源的存在可以在步骤c.中强制动态优化。

因此，步骤c.的输出数据包括：

-选择可以在可再生电力源的可再生电功率产生阶段期间被启动的负载(图1中的数据x1、x2、......、xn)；

-所选负载可消耗的可再生电功率。

以特别有利的方式，优化的步骤c.还可以允许对可再生电力源(也就是说，可再生电功率的产生能力)确定规格。

因此，根据本发明的方法也可以用于设置大于微电网的标称功率的可再生电功率潜力。

根据本发明的优化方法可以导致启动负载时的时移，使得所述负载消耗大于微电网的标称功率的电功率。因此，根据本发明的优化方法将导致设置大于微电网的标称功率的可再生电功率产生能力。因此，启动负载时的时移允许可再生能量的渗透率大于100％。

在这种情况下，可再生电力源或者多个可再生电力源可以有利地被配置为虚拟发电机。

在这点上，虚拟发电机意味着表现得像发电机组的虚拟发电机。

为此，可再生电力源可以包括可再生电力产生系统、和逆变器。逆变器旨在将由所述产生系统产生的功率转换成ac电压和电流。逆变器和可再生电力产生系统可以由控制律控制以使得可再生电力源表现为虚拟发电机。

通过说明的方式，图3是根据本发明的方法的实现的示意图。横轴表示时间t，纵轴表示电功率p。水平线pnom表示微电网的标称功率。曲线a表示由可再生电力源(例如光伏能量源)产生的可再生电功率，曲线b表示负载消耗的电功率。在该示例中，可再生电功率超过微电网的标称功率。负载(分别为灰色和黑色的负载(1)和(2))被“移位”。根据现有技术的已知方法，出于对启动和使用的约束的原因，负载(1)和(2)消耗可再生电功率产生的时段之外的电功率(例如热水器)。然而，根据本发明的优化方法允许一旦可再生电力源在微电网上产生并且输送功率，就考虑所述热水器的预热。

因此，根据本发明的方法可以用于优化由可再生电力源产生的可再生电功率的消耗，并且最小化调峰。此外，可再生能量的渗透率也可超过网络的标称功率，因此，允许较少地依赖于非间歇电力源。因此，结果是燃料消耗的减少。

参考文献

[1]hussamalatrash等人的“generatoremulationcontrolsforphotovoltaicinverters”,ieeetransactionsonsmartgrid,第3卷,第2号,2012年6月。

[2]garfinkel、roberts.和georgel.nemhauser.integerprogramming，第4卷，纽约:怀利(wiley),1972年。