CN110752629B - 一种交直流混合家庭微电网能量优化管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种交直流混合家庭微电网的能量优化管理方法，考虑交流和直流双母线结构，在分析可再生能源和负荷需求的随机波动的基础上，建立了考虑负荷柔性的交直流混合家庭微电网能量优化管理数学模型，并提出采用动态规划的方法对能量优化管理的数学模型进行求解。本发明可以实现对家庭能源系统中的交流和直流负荷以及储能进行互补运行与优化调控，保证舒适度的同时，提高家庭用能的经济性。

Description

一种交直流混合家庭微电网能量优化管理方法

技术领域

本发明涉及电网管理领域，尤其涉及一种交直流混合家庭微电网能量优化管理方法。

背景技术

家庭能源管理主要是通过智能电表、智能终端和传感器等设备检测和控制家庭能源的使用，再结合优化调度算法来进一步优化，在满足用户的舒适度的同时，达到节能减耗和提高用能经济性的目的。传统的家庭能源系统以交流配电为主，配电过程电能变化环节多，用电效率低，但随着电动汽车、计算机、LED照明等直流负荷，以及太阳能光伏发电等分布式直流电源的大规模接入，直流配电受到越来越多研究。交直流混合家庭微电网，包含交流母线和直流母线，集成光伏和风力发电、蓄电池储能、LED照明、空调、冰箱、洗衣机等智能家电、及电动汽车充电桩等，可以提高用能效率，并且降低用能成本。

目前国内外研究针对传统交流家庭能源管理进行了一些研究，包括家庭用电信息采集、家庭设备的自动化控制、电力负荷需求响应、家庭能源管理系统建模方法等，但仅仅限于交流用电方式，对家庭直流用电的建模与分析，直流用电的能量平衡与优化管理等方面还鲜有研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种交直流混合家庭微电网能量优化管理方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种交直流混合家庭微电网能量优化管理方法，包括以下步骤：

S1、构建交直流混合微电网的网络架构；

S2、建立直流和交流负荷的数学模型，包括家庭用电负荷的随机特性；根据可中断负荷的功率的约束条件，建立所述可中断负荷参与系统需求响应获得的经济收益的数学模型；根据可转移负荷柔性调节特性的约束条件，建立所述可转移负荷参与系统需求响应获得的经济收益的数学模型；

S3、利用时间序列分析法，预测家庭光伏发电量，建立基于历史光伏发电数据的自回归滑动平均模型；

S4、在蓄电池储能状态和充放电功率满足边界约束条件的基础上，建立所述蓄电池储能电荷状态的数学模型；

S5、建立交直流混合家庭微电网的能量管理优化模型

所述能量管理优化模型包括能量管理的运行约束条件和所述能量管理优化模型的目标函数；

S6、求解所述能量优化管理模型，从而得出能量优化运行调度结果。

优选的，所述网络架构包括光伏发电、蓄电池储能、交直流负载、交流母线和直流母线；交流母线连接市电提供电源，直流母线通过DC/AC与所述交流母线相连，光伏发电、蓄电池储能、直流家电连入所述直流母线，交流家电和交流充电桩连入交流母线。

优选的，所述交流和直流负荷为家庭用电负荷，其数学模型为：

式中，

为t时刻电负荷；

是确定性的成分，

代表随机成分；

家庭电负荷随机成分的随机特性由下面公式计算：

式中，δ_t是标准的正态分布随机变量，δ_t～N(0,1)，μ为均值，σ为标准差。

优选的，所述可中断负荷中可削减负荷的功率满足：0≤P_LC,t≤y_LC,tP_LC,t,max，

式中：P_LC,t为t时段削减负荷功率；y_LC,t为表示削减状态的0-1变量；P_LC,t,max为t时段削减负荷功率的最大值；

可中断负荷参与系统需求响应获得经济收益C_LC,t，计算公式为：

C_LC,t＝c_LC,tP_LC,t

式中：c_LC,t为t时段每kW可中断负荷的补偿费用。

优选的，所述可转移负荷的功率的约束条件为：

式中：

与

分别为t时段移入和移出负荷状态变量；

分别为t时段转移入和转移出该时段负荷功率；

分别为t时段可以转移入和转移出该时段负荷功率的最大值；

可转移负荷参与系统需求响应获得经济收益C_LS,t，计算公式如下：

式中：c_LS为t时段每kW可转移负荷的补偿费用。

优选的，所述光伏发电的预测模型为：

式中：P_PV,t为t时段光伏发电预测功率；p和q为ARMA模型的自回归阶数和移动平均阶数；

和θ_j为模型的待定系数；ε_t为误差项。

优选的，所述蓄电池储能根据电价的不同来控制充放电策略，所述蓄电池储能的荷电状态的数学模型为：

其所述蓄电池储能的荷电状态和重放电功率的约束条件为：

SOC_min≤SOC_t≤SOC_max

0≤P_ch,t≤P_ch,max

0≤P_disch,t≤P_disch,max

式中，SOC_t为蓄电池储能在t时的荷电状态；SOC_min和SOC_max分别为SOC的最小值和最大值；P_ch,t和P_disch,t分别为蓄电池储能在t时的充电和放电功率；P_ch,max和P_disch,max分别为充电和放电功率的最大值；η_ch和η_disch分别为蓄电池储能的充电效率和放电效率。

优选的，所述能量管理的系统级运行约束公式为：

式中,P_e,t为微电网与外部电网交换功率值；

为交流母线与直流母线之间变换器的运行损耗。

优选的，所述能量管理优化模型的运行成本为目标函数，所述运行成本为：

式中，C_sum为运行成本，T为微电网调度周期总时长，第一项为微电网与上层电网的交换功率成本，λ_t表示实时电价，P_e,t表示交换功率值；第两项为可转移负荷的需求响应收益，第三项为可消减负荷的需求响应收益。

优选的，所述能量优化管理模型的决策变量为：

式中，P_e,t为微电网与市电的交换功率，P_ch,t为储能充电功率，P_disch,t为储能放电功率，P_LC,t为可消减负荷功率，

为可转移负荷功率；

状态变量为：

包括

为电负荷功率和S_t为蓄电池储能的荷电状态。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种交直流混合家庭微电网的能量优化管理方法，考虑交流和直流双母线结构，在分析可再生能源和负荷需求的随机波动的基础上，建立了考虑负荷柔性的交直流混合家庭微电网能量优化管理模型，并提出采用动态规划的方法对能量优化管理的数学模型进行分析，从而得出家庭能源系统中最为合理的运行方式。本发明通过交流和直流的双母线结构，提高了家庭用电的用能效率；并且配合蓄电池储能根据电价控制充放电的作用，更降低了家庭用电的成本。本发明可以实现对家庭能源系统中的交流和直流负荷以及储能进行互补运行与优化调控，保证舒适度的同时，提高家庭用能的经济性。

附图说明

图1是家庭能量管理系统的网架结构；

图2是交直流混合家庭微电网能量管理优化方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种交直流混合家庭微电网能量优化管理方法，首先建立所述交直流混合家庭微电网的网络架构，如图1所示，包括能量管理系统、静态开关和交直流母线；所述能量管理系统包括光伏发电、蓄电池储能设备和家庭各类负载；所述交流母线连接380V的市电提供电源，直流母线通过DC/AC与所述交流母线相连，光伏发电、蓄电池储能、直流家电连入所述直流母线，交流家电和交流充电桩连入交流母线。之后构建能量优化管理的模型数学模型，从而得出能量优化运行的调度结果。所述能量管理优化模型进行求解时，所涉及的变量包括决策变量为

式中，P_e,t为微电网与市电的交换功率，P_ch,t为储能充电功率，P_disch,t为储能放电功率，P_LC,t为可消减负荷功率，

为可转移负荷功率

和状态变量：

包括

为电负荷功率，SOC_t为蓄电池储能在t时的荷电状态，S_t为蓄电池储能的荷电状态。

所述能量管理优化模型的构建包括以下步骤：

S1、建立家庭用电负荷的数学模型，所述家庭用电负荷包括直流负荷和交流负荷，其数学模型为：

家庭电负荷随机成分

的随机特性由下面公式计算：

式中，

为t时刻电负荷；

是确定性的成分，

代表随机成分，δ_t是标准的正态分布随机变量，δ_t～N(0,1)，μ为均值，σ为标准差。

S2、建立可中断负荷参与系统需求响应获得的经济收益的数学模型，为：

C_LC,t＝c_LC,tP_LC,t

所述可中断负荷中可削减负荷的功率的约束条件为：0≤P_LC,t≤y_LC,tP_LC,t,max，

式中：P_LC,t为t时段削减负荷功率；y_LC,t为表示削减状态的0-1变量；P_LC,t,max为t时段削减负荷功率的最大值；c_LC,t为t时段每kW可中断负荷的补偿费用

S3、建立可转移负载参与系统需求相应获得的经济收益的数学模型，为：

所述可转移负荷的功率的约束条件为：

式中：c_LC,t为t时段每kW可中断负荷的补偿费用；

与

分别为t时段移入和移出负荷状态变量；

分别为t时段转移入和转移出该时段负荷功率；

分别为t时段可以转移入和转移出该时段负荷功率的最大值。

S4、利用时间序列分析法对家庭光伏发电量进行预测，建立基于历史光伏发电数据的自回归滑动平均模型，为：

式中：P_PV,t为t时段光伏发电预测功率；p和q为ARMA模型的自回归阶数和移动平均阶数；

和θ_j为模型的待定系数；ε_t为误差项。

S5、建立蓄电池储能的调度模型，相邻调度时段蓄电池储能的荷电状态的函数公式为：

蓄电池储能的荷电状态和充放电功率的边界约束条件为：

SOC_min≤SOC_t≤SOC_max

0≤P_ch,t≤P_ch,max

0≤P_disch,t≤P_disch,max

式中，SOC_t为蓄电池储能在t时的荷电状态；SOC_min和SOC_max分别为SOC的最小值和最大值；P_ch,t和P_disch,t分别为蓄电池储能在t时的充电和放电功率；P_ch,max和P_disch,max分别为充电和放电功率的最大值；η_ch和η_disch分别为蓄电池储能的充电效率和放电效率。

蓄电池具有灵活的功率响应，根据不同电价控制充放电策略，可以实现对家庭微电网的削峰填谷，同时可以弥补光伏发电的波动性。

S6、建立所述能量管理优化模型的运行约束，所述运行约束包括可中断约束、可转移约束和蓄电池储能约束，还包括系统级运行约束，所述系统级运行约束公式为：

式中,P_e,t为微电网与外部电网交换功率值；

为交流母线与直流母线之间变换器的运行损耗。

S7、建立所述能量管理优化模型的目标函数，所述目标函数为交直流混合微电网的运行成本，包括可转移负荷参与需求响应获得的收益和可中断负荷参与需求响应获得的收益，还包括外购电量成本，所述能量管理优化模型的目标函数的计算公式为：

式中，C_sum为运行成本，T为微电网调度周期总时长，第一项为微电网与上层电网的交换功率成本，λ_t为实时电价，P_e,t为交换功率值；第两项为微电网内可转移负荷的需求响应收益，第三项为微电网内可消减负荷的需求响应收益。

S8、能量管理优化模型在时间维度上分为T个决策阶段，不同阶段相互影响，是典型的多阶段耦合决策过程，在每个阶段决策时，需要考虑阶段内的优化运行目标和本阶段运行决策对未来的影响，所以所述能量管理优化模型在多阶段决策时的状态变量的数学模型为：

通过家庭用电负荷的数学模型：

和蓄电池储能的调度模型：

计算相邻时刻t+1和t的状态变量S_t+1和S_t之间的换算关系。

S9、能量管理优化模型的求解采用动态规划的方法，对所述交直流混合家庭微电网的能量管理优化模型进行求解，求解过程中，决策变量为：

状态变量为：

式中，P_e,t为微电网与市电的交换功率，P_ch,t为储能充电功率，P_disch,t为储能放电功率，P_LC,t为可消减负荷功率，

为可转移负荷功率；包括

为电负荷功率和S_t为蓄电池储能的荷电状态。

根据所述决策变量和所述状态变量的结果，对蓄电池充放电以及交流、直流负荷进行调控运行，以达到用电高效率、低成本的目的。

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

本发明提出了一种交直流混合家庭微电网的能量优化管理方法，考虑交流和直流双母线结构，在分析可再生能源和负荷需求的随机波动的基础上，建立了考虑负荷柔性的交直流混合家庭微电网能量优化管理模型，并提出采用动态规划的方法对能量优化管理的数学模型进行分析，从而得出家庭能源系统中最为合理的运行方式。本发明通过交流和直流的双母线结构，提高了家庭用电的用能效率；并且配合蓄电池储能根据电价控制充放电的作用，更降低了家庭用电的成本。本发明可以实现对家庭能源系统中的交流和直流负荷以及储能进行互补运行与优化调控，保证舒适度的同时，提高家庭用能的经济性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种交直流混合家庭微电网能量优化管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、构建交直流混合微电网的网络架构；

S2、建立直流和交流负荷的数学模型，包括家庭用电负荷的随机特性；根据可中断负荷的功率的约束条件，建立所述可中断负荷参与系统需求响应获得的经济收益的数学模型；根据可转移负荷柔性调节特性的约束条件，建立所述可转移负荷参与系统需求响应获得的经济收益的数学模型；

S3、利用时间序列分析法，预测家庭光伏发电量，建立基于历史光伏发电数据的自回归滑动平均模型；

S4、在蓄电池储能状态和充放电功率满足边界约束条件的基础上，建立所述蓄电池储能电荷状态的数学模型；

S5、建立交直流混合家庭微电网的能量管理优化模型

所述能量管理优化模型包括能量管理的运行约束条件和所述能量管理优化模型的目标函数；

S6、求解所述能量优化管理模型，从而得出能量优化运行调度结果；

所述能量优化管理模型的决策变量为：

式中，P_e,t为微电网与市电的交换功率，P_ch,t为储能充电功率，P_disch,t为储能放电功率，P_LC,t为可消减负荷功率，

为可转移负荷功率；

状态变量为：

包括

为电负荷功率和S_t为蓄电池储能的荷电状态，γ∈{ac,dc}中ac表示交流电，dc表示直流电，应用于PL中，分别表示交流负荷和直流负荷；

根据所述决策变量和所述状态变量的结果，对蓄电池充放电以及交流、直流负荷进行调控运行，从而得出能量优化运行调度结果。

2.根据权利要求1所述的交直流混合家庭微电网能量优化管理方法，其特征在于，所述网络架构包括光伏发电、蓄电池储能、交直流负载、交流母线和直流母线；交流母线连接市电提供电源，直流母线通过DC/AC与所述交流母线相连，光伏发电、蓄电池储能、直流家电连入所述直流母线，交流家电和交流充电桩连入交流母线。

3.根据权利要求1所述的交直流混合家庭微电网能量优化管理方法，其特征在于，所述交流和直流负荷为家庭用电负荷，其数学模型为：

式中，

为t时刻电负荷；

是确定性的成分，

代表随机成分，其中ξ表示随机成分；γ∈{ac,dc}中ac表示交流电，dc表示直流电，应用于PL中，分别表示交流负荷和直流负荷；

家庭电负荷随机成分的随机特性由下面公式计算：

式中，δ_t是标准的正态分布随机变量，δ_t～N(0,1)，μ为均值，σ为标准差。

4.根据权利要求1所述的交直流混合家庭微电网能量优化管理方法，其特征在于，所述可中断负荷中可削减负荷的功率满足：0≤P_LC,t≤y_LC,tP_LC,t,max，

式中：P_LC,t为t时段削减负荷功率；y_LC,t为表示削减状态的0-1变量；P_LC,t,max为t时段削减负荷功率的最大值；

可中断负荷参与系统需求响应获得经济收益C_LC,t，计算公式为：

C_LC,t＝c_LC,tP_LC,t

式中：c_LC,t为t时段每kW可中断负荷的补偿费用。

5.根据权利要求1所述的交直流混合家庭微电网能量优化管理方法，其特征在于，所述可转移负荷的功率的约束条件为：

式中：

与

分别为t时段移入和移出负荷状态变量；

分别为t时段转移入和转移出该时段负荷功率；

分别为t时段可以转移入和转移出该时段负荷功率的最大值；

可转移负荷参与系统需求响应获得经济收益C_LS,t，计算公式如下：

式中：c_LS为t时段每kW可转移负荷的补偿费用。

6.根据权利要求1所述的交直流混合家庭微电网能量优化管理方法，其特征在于，所述光伏发电的预测模型为：

式中：P_PV,t为t时段光伏发电预测功率；p和q为ARMA模型的自回归阶数和移动平均阶数；

和θ_j为模型的待定系数；ε_t为误差项。

7.根据权利要求1所述的交直流混合家庭微电网能量优化管理方法，其特征在于，所述蓄电池储能根据电价的不同来控制充放电策略，所述蓄电池储能的荷电状态的数学模型为：

其所述蓄电池储能的荷电状态和重放电功率的约束条件为：

SOC_min≤SOC_t≤SOC_max

0≤P_ch,t≤P_ch,max

0≤P_disch,t≤P_disch,max

式中，SOC_t为蓄电池储能在t时的荷电状态；SOC_min和SOC_max分别为SOC的最小值和最大值；P_ch,t和P_disch,t分别为蓄电池储能在t时的充电和放电功率；P_ch,max和P_disch,max分别为充电和放电功率的最大值；η_ch和η_disch分别为蓄电池储能的充电效率和放电效率；△t为蓄能电池中两个相邻调时段之间的时间间隔。

8.根据权利要求1所述的交直流混合家庭微电网能量优化管理方法，其特征在于，所述能量管理的系统级运行约束公式为：

式中,P_e,t为微电网与外部电网交换功率值；

为交流母线与直流母线之间变换器的运行损耗；

为t时段削减的交流负荷功率，

为t时段削减的直流负荷功率。

9.根据权利要求1所述的交直流混合家庭微电网能量优化管理方法，其特征在于，所述能量管理优化模型的运行成本为目标函数，所述运行成本为：

式中，C_sum为运行成本，T为微电网调度周期总时长，第一项为微电网与上层电网的交换功率成本，λ_t表示实时电价，P_e,t表示交换功率值；第两项为可转移负荷的需求响应收益，第三项为可消减负荷的需求响应收益。

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