CN102315650A - 并网模式下微电网微型燃气轮机供电量的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并网模式下微电网微型燃气轮机供电量的优化方法，包括以下步骤：(1)供电方式分类——将并网模式下的微电网供电方式分为以下4类：大电网向微电网进行供电、可再生分布式发电、不可再生分布式发电以及可中断负荷IL；(2)量化各类供电方式的供电成本；(3)基于协调优化理论提出优化微型燃气轮机供电量的数学模型，该数学模型以各类供电方式的供电成本之和最小为目标建立，从而获取微型燃气轮机供电优化量P_g,t.0。因此本发明在满足微电网负荷需求的前提下，充分利用该并网模式下微电网各类供电方式的经济互补特性，综合考虑各种供电方式之间的关系以提高该模式下微电网供电经济性，从而实现对微型燃气轮机供电量的优化。

Description

并网模式下微电网微型燃气轮机供电量的优化方法

技术领域

本发明涉及一种并网模式下微电网微型燃气轮机供电量方法，属微电网运行与控制技术领域。

背景技术

微电网优化问题包括微电网备用配置优化与供电方式优化两个方面，其中微电网供电方式优化问题实质为在给定微电网可再生分布式发电(DG)与负荷需求的前提下，研究如何合理安排各类供电方式来协调微电网供电可靠性与供电经济性问题，属于经济调度问题，其目标是追求供电成本最小化。

长期以来，有关供电方式优化方面的研究较多集中在大电网，主要为供电公司在风险大小不同两市场(短期与长期)或多市场(长期合同市场、现货市场以及实时市场)上的供电方式优化、配电公司在可再生分布式发电(DG)与可中断负荷(IL)上的供电方式优化等方面。

而基于并网模式下各类供电方式的经济互补特性建立的微电网供电量的优化，目前相关研究、报道较为少见。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种并网模式下微电网微型燃气轮机供电量的优化方法，其将并网模式下微电网供电方式分为以下4类：大电网向微电网进行供电；启动风力发电、光伏发电等可再生分布式发电；投入燃料电池、微型燃气轮机等不可再生分布式发电以及可中断负荷IL。在满足微电网负荷需求的前提下，充分利用该并网模式下微电网各类供电方式的经济互补特性，提高该模式下微电网供电经济性，实现对微型燃气轮机供电量的优化。

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：

一种并网模式下微电网微型燃气轮机供电量的优化方法，包括以下步骤：(1)供电方式分类——将并网模式下的微电网供电方式分为以下4类：大电网向微电网进行供电、可再生分布式发电、不可再生分布式发电以及可中断负荷IL；(2)量化各类供电方式的供电成本；(3)基于协调优化理论提出优化微型燃气轮机供电量的数学模型，该数学模型以各类供电方式的供电成本之和最小为目标建立；从而获取微型燃气轮机供电优化量P_g，t.0。

所述步骤(1)中的可再生分布式发电包括风力发电、光伏发电；不可再生分布式发电包括采用燃料电池或者微型燃气轮机发电。

所述步骤(2)中各类供电方式供电成本的量化方程为：

$C_1=\left\{\begin{array}{cc}{p}_f{P}_t& (t\∈t_f)\\ p_p{P}_t& (t\∈t_p)\\ p_g{P}_t& (t\∈t_g)\end{array}\right.---\left(1\right)$

$C_2=a_2{P}_{r,t}^2+b_2{P}_{r,t}+c_2---\left(2\right)$

$C_3=a_3{P}_{g,t}^2+b_3{P}_{g,t}+c_3---\left(3\right)$

$C_4=a_4{P}_{i,t}^2+b_4{P}_{i,t}+c_4---\left(4\right)$

所述步骤(3)中的数学模型为：

minC(P_g，t)＝C₃(P_g，t)+C₁₂₄(P_g，t，P_t，P_r，t，P_i，t，P_L，t)    (5)

s.t.P_g，t+[P_t+(P_w，t+P_s，t+P_r，t+P_i，t)]＝P_L，t                (6)

h(P_t，P_w，t，P_s，t，P_g，t，P_r，t，P_i，t)≥0                    (7)

其中：C₁、C₂、C₃、C₄分别为大电网、燃料电池、微型燃气轮机以及中断IL的供电成本；C₁₂₄＝C₁+C₂+C₄；p_f、p_p、p_g分别为大电网供电对应于峰时段t_f、平时段t_p以及谷时段t_g的电价；中a₂、b₂、c₂为燃料电池供电成本函数的系数；a₃、b₃、c₃为微型燃气轮机供电成本函数的系数；a₄、b₄、c₄为IL中断成本函数的系数；P_t、P_r，t、P_g，t、P_i，t分别为满足微电网t时段负荷需求水平下的大电网、燃料电池、微型燃气轮机的供电量以及IL的中断量；P_w，t、P_s，t分别为t时段下风力发电、光伏发电的发电量；式(5)以各类供电方式下的供电成本之和最小为目标来满足供电经济性要求；式(6)以各类供电量之和等于负荷需求水平P_L，t来满足微电网供电可靠性要求；式(7)为各类供电方式供电量的总量不等式约束条件。

所述t时段微型燃气轮机供电优化量P_g，t.o根据以下算法进行求解：①、预设P_g，t.n的初始值及其增加的步长值ΔP_g，t，对P_g，t.n初始量赋以零值，即n＝0时，P_g，t，n＝0；②、将P_g，t.n按照步长值ΔP_g，t增加，即P_g，t，n+1＝P_g，t，n+ΔP_g，t；③、计算出P_g，t.n以及C₃(P_g，t.n)；④、判断P_o，t是否大于等于0，其中P_o，t＝P_L，t-[P_w，t+P_s，t+P_g，t]；若P_o，t大于等于0，则计算出此时的P_o，t以及C₁₂₄(P_g，t.n)；否则将P_o，t以及C₁₂₄(P_g，t.n)均设为零值；⑤、根据所计算出的P_o，t以及C₁₂₄(P_g，t.n)，计算供电成本C；⑥、判断步骤⑤所计算出的供电成本C是否为C_min，若是，则将此时所对应的P_g，t.n作为P_g，t.o输出，反之，则重新根据步骤②至⑥进行搜索；步骤⑥的判断依据根据等微增率准则建立，此时供电优化量P_g，t.o满足|θC₁₂₄/θP_g，t|＝θC₃/θP_g，t，令

通过判断是否小于1来判断步骤⑤所计算出的供电成本C是否为C_min；若

小于1，则步骤⑤所计算出的供电成本C即为C_min；反之，步骤⑤所计算出的供电成本C不是C_min；其中：C₁₂₄＝C₁+C₂+C₄；C₂₃₄＝C₂+C₃+C₄。

根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果：

本发明在满足微电网负荷需求的前提下，充分利用该并网模式下微电网各类供电方式的经济互补特性，综合考虑各种供电方式之间的经济互补关系，以提高该模式下微电网供电经济性，实现对微型燃气轮机供电量的优化。

附图说明

图1是本发明并网模式下微型燃气轮机供电量的优化示意图；

图2是本发明并网模式下微型燃气轮机供电量的流程框图

图3是并网模式下大电网向微电网进行供电的最大供电容量对t时段负荷需求微型燃气轮机最优供电量的影响曲线图；

图4是并网模式下大电网向微电网进行供电的供电价格对t时段负荷需求微型燃气轮机最优供电量的影响曲线图。

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的流程示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。

1-关于并网模式下微电网供电方式的诠释

从满足微电网负荷需求角度，并网模式下微电网供电方式可分为大电网向微电网进行供电、启动风力发电、光伏发电等可再生DG，投入燃料电池、微型燃气轮机等不可再生DG以及中断IL4类。

大电网参与微电网供电所付出的供电成本为购电成本(等于供电价格与供电量两者的乘积)，为启动风力发电、光伏发电等可再生DG所付出的供电成本仅为配置成本(包括一次性投资成本与日常维护成本)；为投入燃料电池、燃气轮机等不可再生DG所付出的供电成本除了配置成本之外，还将包括供电成本(包括燃料、环境保护等成本)；为中断IL所付出的供电成本(中断代价)为日常的电费损失(通过电价打折措施来换取可中断权)，因此上述各类供电方式的供电成本并不相同且具有较强的经济互补特性。

与电力系统稳定性预防控制与紧急控制之间的互补性相类似，上述微电网各类供电方式之间的经济互补特性给优化微型燃气轮机供电决策留下了空间。如果将单纯采用微型燃气轮机供电视为孤立防御，那么综合协调该模式下微电网各类供电方式则可视为综合防御，综合防御无论是从技术还是经济层面，都要比孤立防御具有更好的性价比。

2-并网模式下微电网各类供电成本的量化

2.1大电网向微电网进行供电的成本量化

对于大电网以峰谷分时电价向微电网进行供电方式，其t时段的供电成本可以表述为：

$C_1=\left\{\begin{array}{cc}{p}_f{P}_t& (t\∈t_f)\\ p_p{P}_t& (t\∈t_p)\\ p_g{P}_t& (t\∈t_g)\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中p_f、p_p、p_g分别对应于峰时段t_f、平时段t_p以及谷时段t_g的电价；P_t为t时段大电网向微电网进行供电的供电量。

2.2可再生DG供电成本的量化

为启动风力发电、光伏发电等可再生DG所付出的供电成本为一次性投资成本与日常运行维护成本，其单位成本相对于微电网其它各类不可再生DG单位供电成本较高且为常数。优先安排可再生DG参与微电网供电符合未来电网发展需求与国家节能环保要求，因此在优化微电网微型燃气轮机供电量的过程中，对于这部分成本可不作考虑，并不会影响到微电网微型燃气轮机供电量的优化结果。

2.3不可再生DG供电成本的量化

$C_2=a_2{P}_{r,t}^2+b_2{P}_{r,t}+c_2---\left(2\right)$

$C_3=a_3{P}_{g,t}^2+b_3{P}_{g,t}+c_3---\left(3\right)$

式(2)为燃料电池供电成本，其中a₂、b₂、c₂为其供电成本函数的系数，P_r，t为其t时段供电量；式(3)为微型燃气轮机供电成本，其中a₃、b₃、c₃为其供电成本函数的系数，P_g，t为其t时段供电量。

2.4IL中断成本的量化

$C_4=a_4{P}_{i,t}^2+b_4{P}_{i,t}+c_4---\left(4\right)$

式中a₃、b₃、c₃为IL中断成本函数的系数，P_i，t为其t时段中断量(相当于虚拟的供电量)。

3-优化模型的建立

3.1问题的描述

在满足微电网t时段负荷需求前提下，图2给出了微型燃气轮机供电量P_g，t与供电成本的关系曲线来描述优化过程，从中不难看出以下3点：

①随着P_g，t的增加，C₃随之增加，而C₁₂₄随之减少；

②当P_g，t＞P_g，t.o时，如果P_g，t过高，则C₁₂₄的减少量不足以弥补C₃的增加量，此时可适当减少P_g，t来减少C；

③当P_g，t＜P_g，t.o时，如果P_g，t过少，则C₁₂₄的增加量不足以弥补C₃的减少量，此时可适当增加P_g，t来减少C。

显然，只要P_g，t≠P_g，t.o，都将导致C增加，并网模式下微电网微型燃气轮机供电量优化问题实质就是搜索P_g，t.o的过程。

3.2问题的建模

针对微电网t时段负荷需求，在预测出该时段风力发电、光伏发电发电量的前提下，为使得在满足微电网负荷需求的前提下提高并网模式下微电网供电经济性，将以该模式下微电网各类供电方式的供电成本之和(总代价C)最小为目标来建模，其数学模型可表示为：

minC(P_g，t)＝C₃(P_g，t)+C₁₂₄(P_g，t，P_t，P_r，t，P_i，t，P_L，t)    (5)

s.t.P_g，t+[P_t+(P_w，t+P_s，t+P_r，t+P_i，t)]＝P_L，t                (6)

h(P_t，P_w，t，P_s，t，P_g，t，P_r，t，P_i，t)≥0                    (7)

式中P_t、P_r，t、P_g，t、P_i，t为满足微电网t时段负荷需求水平下大电网、燃料电池、微型燃气轮机的供电量以及IL的中断量；P_w，t、P_s，t为t时段下风力发电、光伏发电的发电量；式(5)以各类供电方式下的供电成本之和最小为目标来满足供电经济性要求；式(6)以各类供电量之和等于负荷需求水平P_L，t来满足微电网供电可靠性要求；式(7)为各类供电量的总量不等式约束条件。

3.3问题的求解

根据等微增率准则，t时段微型燃气轮机供电量的最优值P_g，t.o应满足|θC₁₂₄/θP_g，t|＝θC₃/θP_g，t。通过

可有效引导对Q_g，t.o的搜索。根据上面的搜索策略，可采用以下算法：

①对P_g，t.o初始量赋以零值(n＝0，P_g，，t，n＝0)，并设其增加的步长为ΔP_g，t；

②在每一ΔP_g，t内，计算

③判断

是否小于1，如是，则转⑤；

④令P_g，t，n+1＝P_g，t，n+ΔP_g，t，按步长增加ΔP_g，t，转②；

⑤得出P_g，t.o。

虽然该算法不能得到最优解，但能通过较少的计算量得到满意解，因而比较适合工程应用。显然，基于代价的灵敏度技术将大大加快搜索速度。图1给出了优化微型燃气轮机供电量的流程框图，图中P_o，t＝P_L，t-[P_w，t+P_s，t+P_g，t]。

4仿真分析

4.1计算条件

设某时段t为谷时段，大电网向微电网进行供电的最大供电容量、供电价格分别为200kW、0.4元/kWh，负荷需求为640.1kW，风力发电为200kW、光伏发电为67.3kW，燃料电池供电成本系数a₁＝0.004、b₁＝0、c₁＝0，最大供电量为200kW；微型燃气轮机供电成本系数a₂＝0.01、b₂＝0、c₂＝0，最大供电量为100kW；IL中断成本系数a₃＝0.008、b₃＝0、c₃＝0，最大中断量为200kW。

4.2微型燃气轮机供电量的优化

针对上述原始数据，附图2给出了该时段P_g，t的优化结果。从图中不难看出：P_g，t过大或过小都不合适，而应存在最优值P_g，t.o，此时P_g，t.o＝36.3kW、C_min＝142.3元。

4.3量化大电网向微电网进行供电的影响

附图3～4是并网模式下大电网向微电网进行供电的最大供电容量、供电价格对t时段负荷需求微型燃气轮机最优供电量的影响。从附图3～4不难看出以下两点：

(1)随着大电网向微电网进行供电的最大供电容量的增加，为满足微电网t时段负荷需求，并网模式下微型燃气轮机最优供电量先减少、后保持不变，其中当最大供电容量为200kW时，微型燃气轮机最优供电量与4.2节仿真结果保持一致，当最大供电容量大于280kW时，微型燃气轮机最优供电量保持不变；

(2)随着大电网向微电网进行供电的供电价格的增加，为满足微电网t时段负荷需求，并网模式下微型燃气轮机最优供电量先保持不变、后增加，其中当供电价格为0.4元/kWh时，微型燃气轮机最优供电量与4.2节仿真结果保持一致，当供电价格大于0.7元/kWh时，微型燃气轮机最优供电量开始增加。

Claims (4)

1.一种并网模式下微电网微型燃气轮机供电量的优化方法，其特征在于：(1)将并网模式下的微电网供电方式分为以下4类：大电网向微电网进行供电、可再生分布式发电、不可再生分布式发电以及可中断负荷IL；(2)量化各类供电方式的供电成本；(3)基于协调优化理论提出优化微型燃气轮机供电量的数学模型，并以各类供电方式的供电成本之和最小为目标建立数学模型，从而获取微型燃气轮机供电优化量P_g，t.0。

2.根据权利要求1所述并网模式下微电网微型燃气轮机供电量的优化方法，其特征在于，所述步骤(1)中的可再生分布式发电包括风力发电、光伏发电；不可再生分布式发电包括采用燃料电池或者微型燃气轮机发电。

3.根据权利要求2所述并网模式下微电网微型燃气轮机供电量的优化方法，其特征在于，所述步骤(2)中各类供电方式供电成本的量化方程为：

$C_1=\left\{\begin{array}{cc}{p}_f{P}_t& (t\∈t_f)\\ p_p{P}_t& (t\∈t_p)\\ p_g{P}_t& (t\∈t_g)\end{array}\right.---\left(1\right)$

$C_2=a_2{P}_{r,t}^2+b_2{P}_{r,t}+c_2---\left(2\right)$

$C_3=a_3{P}_{g,t}^2+b_3{P}_{g,t}+c_3---\left(3\right)$

$C_4=a_4{P}_{i,t}^2+b_4{P}_{i,t}+c_4---\left(4\right)$

所述步骤(3)中的数字模型为：

minC(P_g，t)＝C₃(P_g，t)+C₁₂₄(P_g，t，P_t，P_r，t，P_i，t，P_L，t)    (5)

s.t.P_g，t+[P_t+(P_w，t+P_s，t+P_r，t+P_i，t)]＝P_L，t                (6)

h(P_t，P_w，t，P_s，t，P_g，t，P_r，t，P_i，t)≥0                    (7)

其中：C₁、C₂、C₃、C₄分别为大电网、燃料电池、微型燃气轮机以及中断IL的供电成本；C₁₂₄＝C₁+C₂+C₄；p_f、p_p、p_g分别为大电网供电对应于峰时段t_f、平时段t_p以及谷时段t_g的电价；中a₂、b₂、c₂为燃料电池供电成本函数的系数；a₃、b₃、c₃为微型燃气轮机供电成本函数的系数；a₄、b₄、c₄为IL中断成本函数的系数；P_t、P_r，t、P_g，t、P_i，t分别为满足微电网t时段负荷需求水平下的大电网、燃料电池、微型燃气轮机的供电量以及IL的中断量；P_w，t、P_s，t分别为t时段下风力发电、光伏发电的发电量；式(5)以各类供电方式下的供电成本之和最小为目标来满足供电经济性要求；式(6)以各类供电量之和等于负荷需求水平P_L，t来满足微电网供电可靠性要求；式(7)为各类供电方式供电量的总量不等式约束条件。

4.根据权利要求3所述并网模式下微电网微型燃气轮机供电量的优化方法，其特征在于，t时段微型燃气轮机供电优化量P_g，t.o根据以下算法进行求解：①、预设P_g，t.n的初始值及其增加的步长值ΔP_g，t，对P_g，t.n初始量赋以零值，即n＝0时，P_g，t，n＝0；②、将P_g，t.n按照步长值ΔP_g，t增加，即P_g，t，n+1＝P_g，t，n+ΔP_g，t；③、计算出P_g，t.n以及C₃(P_g，t.n)；④、判断P_o，t是否大于等于0，其中P_o，t＝P_L，t-[P_w，t+P_s，t+P_g，t]；若P_o，t大于等于0，则计算出此时的P_o，t以及C₁₂₄(P_g，t.n)；否则将P_o，t以及C₁₂₄(P_g，t.n)均设为零值；⑤、根据所计算出的P_o，t以及C₁₂₄(P_g，t.n)，计算供电成本C；⑥、判断步骤⑤所计算出的供电成本C是否为C_min，若是，则将此时所对应的P_g，t.n作为P_g，t.o输出，反之，则重新根据步骤②至⑥进行搜索；步骤⑥的判断依据根据等微增率准则建立，此时供电优化量P_g，t.o满足|θC₁₂₄/θP_g，t|＝θC₃/θP_g，t，令

通过判断

是否小于1来判断步骤⑤所计算出的供电成本C是否为C_min；若

小于1，则步骤⑤所计算出的供电成本C即为C_min；反之，步骤⑤所计算出的供电成本C不是C_min；其中：C₁₂₄＝C₁+C₂+C₄；C₂₃₄＝C₂+C₃+C₄。

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