CN105375501A - 多时间尺度微电网分层稳定控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多时间尺度微电网分层稳定控制方法，构建了分钟级、秒级和毫秒级的三个时间尺度层级的联合控制，在分钟级调度的基础上进行秒级调度和毫秒级调度，分钟级调度以微电网运行成本最低为目标，秒级调度以微电网稳定运行为目标，毫秒级调度以微电网孤网状态下瞬时功率平衡为目标。本发明实现了对微电网系统内的分布式电源、储能装置、公共电网交换功率和负荷投切的综合调节以及对分布式电源、储能装置和公共电网交换功率的合理分配控制，既提高了功率平衡的实时性，显著提高了微电网稳定控制的精度，又实现了微电网系统的低成本运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种微电网系统稳定控制方法，属于微电网稳定控制技术领域。
背景技术
微电网是能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与大电网并网运行，也可以孤立运行。微电网能够稳定运行是微电网安全、可靠运行并发挥效益的前提。微电网要做到并网并得上，孤网稳得住，隔离足够快，无缝切换，真正实现微电网的即插即用，才能充分发挥其效益。
然而，由于微电网系统惯性小，分布式电源和负荷波动大，以及分布式发电电源还具有间歇性和可控性差的特点，并且存在网络结构灵活多变、用户负荷变化大等问题，因此，确保微电网安全、稳定、经济运行是推广应用微电网的关键和难点。现有的微电网稳定控制方法通常只单纯地关注微电网系统的运行平稳或经济，而在如何综合实现微电网系统既平稳又经济运行方面仍然有所欠缺。
发明内容
为了克服现有技术下的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种多时间尺度微电网分层稳定控制方法，该方法针对处于不同状态的微电网系统采用不同时间尺度级别的稳定控制，保持功率的实时平衡，维持系统的电压、频率稳定。
本发明的技术方案是：
一种多时间尺度微电网分层稳定控制方法，按分钟级、秒级和微秒级对微电网进行多时间尺度的分层调度，
所述分钟级调度方式为在并网或孤网运行状态下，求解下列目标函数的成本最小值，获得调度参数：
并网运行时的控制目标函数为：
；
孤网运行时的控制目标函数为：
其中，C为微电网系统的运行成本，为可控机组i的输出功率，为可控机组i的燃料成本，所述可控机组包括微型燃气轮机机组、柴油机机组和燃料电池机组；为可控机组i的运行状态，0表示停运，1表示运行，为可控机组i的启停成本；为可控机组i的0、1开机决策变量，0表示非启动，1表示启动，为可控机组i的维护成本，为可控机组i的折旧成本，为可控机组i的环境成本，为储能装置k的t时刻的输出功率，为储能装置j的维护成本，为储能装置j的折旧成本，、分别为微电网从外部购电和向外部售电的电价，、分别为微电网t时刻从外部购电和向外部售电的功率，为负荷节点l的负荷，为负荷节点l的切负荷赔偿费用，为负荷节点l的切负荷0、1决策变量，0表示不切负荷，1表示切负荷；
为可控机组的数量；为储能装置的数量；为一个调度周期内的优化时段数，为可中断负荷的负荷节点个数；
在分钟级调度的基础上，进行秒级调度和毫秒级调度，
所述秒级调度方式为：微电网并网运行时，通过控制各分布式电源的工作点、储能装置的充、放电状态和PCC点交换功率，保持微电网系统的功率平衡；微电网孤网运行时，通过控制各分布式电源的工作点和负荷的投切，确保储能装置的稳定备用容量；
所述毫秒级调度用于微电网孤网运行状态，调度方式为：当新能源机组出力和负荷需求功率相等时，负荷功率完全由新能源机组供给，稳定控制器输出功率近似为零；当新能源机组出力大于负荷需求功率时，新能源机组出力在满足负荷需求之后，将多余功率提供给稳定控制器，此时稳定控制器工作在充电状态；当新能源机组出力小于负荷需求功率时，此时稳定控制器工作在放电状态，以补充新能源机组输出功率的不足部分。
本发明的有益效果为：
本发明构建多时间尺度微电网分层控制体系，实现了毫秒级、秒级、分钟级的分层次控制，且在微电网系统处于不同状态时，采用以某个时间尺度的调度为主、以其他时间尺度的调度为参考的控制策略，实现了对微电网系统内的分布式电源、储能装置、公共电网交换功率和负荷投切的综合调节以及对分布式电源、储能装置和公共电网交换功率的合理分配控制，从而既提高了功率平衡的实时性，显著提高了微电网稳定控制的精度，又实现了微电网系统的低成本运行。
具体实施方式
本发明公开了一种多时间尺度微电网分层稳定控制方法，构建了分钟级、秒级和毫秒级的三个时间尺度层级的联合控制，具体是在分钟级调度的基础上，进行秒级调度和毫秒级调度，并因此实现了对微电网系统长期稳定运行和瞬时稳定运行、微电网运行的稳定性与经济性的兼顾。
1、分钟级调度
所述分钟级调度是基于能量管理的经济调度，控制目标是实现微电网系统并网、孤网时通过给定分布式电源、储能、负荷的运行状态以及PCC点（即微电网和大电网的耦合节点）交换功率，实现微电网经济可靠运行。
微电网并网运行时，通过控制各分布式电源的工作点、储能装置的充、放电状态和PCC点交换功率，使微电网系统运行成本最低；微电网孤网运行时，通过控制各分布式电源的工作点、储能装置的充、放电状态和负荷的投切，使微电网系统运行成本最低。
所述分钟级调度方式为在并网或孤网运行状态下，求解下列目标函数的成本最小值，获得调度参数：
并网运行时的控制目标函数为：
；
孤网运行时的控制目标函数为：
。
其中，C为微电网系统的运行成本，为可控机组i的输出功率，为可控机组i的燃料成本，所述可控机组包括微型燃气轮机机组、柴油机机组和燃料电池机组；为可控机组i的运行状态，0表示停运，1表示运行，为可控机组i的启停成本；为可控机组i的0、1开机决策变量，0表示非启动，1表示启动，为可控机组i的维护成本，为可控机组i的折旧成本，为可控机组i的环境成本，为储能装置k的t时刻的输出功率，为储能装置j的维护成本，为储能装置j的折旧成本，、分别为微电网从外部购电和向外部售电的电价，、分别为微电网t时刻从外部购电和向外部售电的功率，为负荷节点l的负荷，为负荷节点l的切负荷赔偿费用，为负荷节点l的切负荷0、1决策变量，0表示不切负荷，1表示切负荷；
为可控机组的数量；为储能装置的数量；为一个调度周期内的优化时段数，为可中断负荷的负荷节点个数。
不同的所述可控机组对应不同的成本函数，所述微型燃气轮机的燃料成本函数为：
；
其中，是天然气价格；为天然气的热值；是微型燃气轮机t时刻的输出功率；是微型燃气轮机t时刻的发电效率。
所述柴油机的燃料成本函数为：
；
其中，a、b、c分别为成本函数的系数，由厂家提供或者拟合得到；是柴油机t时刻的输出功率。
所述燃料电池的燃料成本函数为：
；
其中，是燃料电池t时刻的输出功率；是燃料电池t时刻的发电效率。
所述可控机组i的维护成本，
其中，为可控机组i的单位电量运行维护成本系数，为一个时段的时长。
所述可控机组i的折旧成本，
其中，为可控机组i的单位容量安装成本的现值；为可控机组i的容量因数；为可控机组i的使用年限。
所述可控机组i的环境成本，
其中，为第k项污染物的单位排放费用；为可控机组i的单位电量的第k项污染物排放量；m为污染物的种类数。
所述储能装置j的维护成本，
其中，为储能装置j的单位电量运行维护成本系数。
所述储能装置j的折旧成本，
其中，、分别为储能装置j的额定容量和额定功率，、分别为储能装置j的单位容量安装成本的现值和单位功率安装成本的现值；为储能装置j的寿命损耗系数，其值为储能装置一个周期累积的能量吞吐量与储能装置寿命内总能量吞吐量之比。
所述储能装置周期不平衡罚函数：
；
式中，为罚函数的系数；、分别表示储能装置k的初始值和一个调度周期后的值，为程序设置的一个调度周期后的增加量，如果储能装置状态良好，可以将设为0。
所述负荷节点l的切负荷赔偿费用函数，
其中，为切负荷节点l时单位电能的经济损失惩罚系数。
储能装置一个周期累积的能量吞吐量，
其中，是储能装置的充电或放电功率。
储能装置寿命内总能量吞吐量，
其中，为储能装置的额定容量；n为对储能装置的不同放电深度测试的个数，为储能装置i的放电深度；N为储能装置总的循环次数，
，其中，DOD是储能装置的放电深度；a1-a5是由储能装置生产厂家提供的已知参数。
微电网能量管理系统通过对微电网分布式电源、储能、可控机组及负荷进行综合调度，在微电网安全域内实现实现运行成本最低。
2、秒级调度
秒级实时调度是基于快速采集的中央控制，控制目标是实现微电网系统并网、孤网运行方式下分布式发电、储能和负荷的动态综合功率平衡，保障微电网稳定运行。
为微电网配置专用的快速采集系统，实现对微电网分布式电源（包括太阳能、天然气、生物质能、风能、地热能、海洋能、资源综合利用发电等类型的电源，与大电网相比，通常位于用户附近，所发电能就地利用）、储能、负荷等回路的全电量快速采集。
微电网并网运行时，实时调度通过设定各分布式电源的工作点、储能的的充、放电状态和PCC点交换功率，保持微电网系统的功率平衡，实现系统的稳定运行。
微电网孤网运行时，实时调度通过设定各分布式电源的工作点、调节负荷，确保储能的稳定备用容量，实现微电网的稳定运行。
3、毫秒级调度
所述毫秒级调度是基于储能系统的暂态稳定控制。控制目标是应对微电网系统孤网运行过程中出现的短时冲击，实现系统瞬时功率平衡。
微电网孤网运行时，基于储能系统的稳定控制器（稳定控制器就是为微电网设计的，能够实现能量补峰功能和储能装置充电功能，与大电网互为支撑，吸收或释放有功、无功功率,达到功率平衡，调节稳定控制器是充分发挥分布式发电系统效能的最有效方式。）采用V/F控制，维持微电网母线电压的稳定。对于微电网系统由于分布式机组以及负荷短时的波动及冲击造成的瞬时功率不平衡，由稳定控制器通过快速跟踪算法，通过储能系统的快速充放电，平抑系统的不平衡功率，保持微电网系统的暂态稳定控制。
调度策略为：1）当新能源机组（新能源，指可再生能源，如风力、太阳能、潮汐、生物质、小水电等，微电网中的新能源机组通常包括光伏发电机组和风力发电机组）出力和负荷需求功率相等时，负荷功率完全由新能源机组供给，稳定控制器输出功率近似为零；2）当新能源机组出力大于负荷需求功率时，新能源机组出力在满足负荷需求之后，将多余功率提供给稳定控制器，此时稳定控制器工作在充电状态；3）当新能源机组出力小于负荷需求功率时，此时稳定控制器工作在放电状态，以补充新能源机组输出功率的不足部分。
毫秒级调度的计算时间周期明显小于秒级调度的计算时间周期。
本发明所述的方法得以实施，是以下列主要技术为基础和前提：（1）采用了快速采集技术为微电网构建独立快速测控网络，保障控制系统的可靠性；（2）采用了基于储能双向变流器的稳定控制技术，确保微电网暂态稳定；（3）采用了基于全网快速采集的中央控制技术，确保微电网全网稳定运行；（4）采用了先进的经济优化算法，实现了微电网的经济运行。
本发明构建起了微电网的稳定控制体系，实现微电网稳定、可靠、安全、经济运行。
Claims (10)
1.一种多时间尺度微电网分层稳定控制方法，其特征在于按分钟级、秒级和微秒级对微电网进行多时间尺度的分层调度，所述分钟级调度方式为在并网或孤网运行状态下，求解下列目标函数的成本最小值，获得调度参数：
并网运行时的控制目标函数为：
；
孤网运行时的控制目标函数为：
其中，C为微电网系统的运行成本，为可控机组i的输出功率，为可控机组i的燃料成本，所述可控机组包括微型燃气轮机机组、柴油机机组和燃料电池机组；为可控机组i的运行状态，0表示停运，1表示运行，为可控机组i的启停成本；为可控机组i的0、1开机决策变量，0表示非启动，1表示启动，为可控机组i的维护成本，为可控机组i的折旧成本，为可控机组i的环境成本，为储能装置k的t时刻的输出功率，为储能装置j的维护成本，为储能装置j的折旧成本，、分别为微电网从外部购电和向外部售电的电价，、分别为微电网t时刻从外部购电和向外部售电的功率，为负荷节点l的负荷，为负荷节点l的切负荷赔偿费用，为负荷节点l的切负荷0、1决策变量，0表示不切负荷，1表示切负荷；
为可控机组的数量；为储能装置的数量；为一个调度周期内的优化时段数，为可中断负荷的负荷节点个数；
在分钟级调度的基础上，进行秒级调度和毫秒级调度，所述秒级调度方式为：微电网并网运行时，通过控制各分布式电源的工作点、储能装置的充、放电状态和PCC点交换功率，保持微电网系统的功率平衡；微电网孤网运行时，通过控制各分布式电源的工作点和负荷的投切，确保储能装置的稳定备用容量；所述毫秒级调度用于微电网孤网运行状态，调度方式为：当新能源机组出力和负荷需求功率相等时，负荷功率完全由新能源机组供给，稳定控制器输出功率近似为零；当新能源机组出力大于负荷需求功率时，新能源机组出力在满足负荷需求之后，将多余功率提供给稳定控制器，此时稳定控制器工作在充电状态；当新能源机组出力小于负荷需求功率时，此时稳定控制器工作在放电状态，以补充新能源机组输出功率的不足部分。
2.如权利要求1所述的多时间尺度微电网分层稳定控制方法，其特征在于不同的所述可控机组对应不同的成本函数，所述微型燃气轮机的燃料成本函数为：
；
其中，是天然气价格；为天然气的热值；是微型燃气轮机t时刻的输出功率；是微型燃气轮机t时刻的发电效率；
所述柴油机的燃料成本函数为：
；
其中，a、b、c分别为成本函数的系数，由厂家提供或者拟合得到；是柴油机t时刻的输出功率；
所述燃料电池的燃料成本函数为：
；
其中，是燃料电池t时刻的输出功率；是燃料电池t时刻的发电效率。
3.如权利要求2所述的多时间尺度微电网分层稳定控制方法，其特征在于所述可控机组i的维护成本，其中，为可控机组i的单位电量运行维护成本系数，为一个时间计算周期的时长；
所述可控机组i的折旧成本，
其中，为可控机组i的单位容量安装成本的现值；为可控机组i的容量因数；为可控机组i的使用年限；
所述可控机组i的环境成本，
其中，为第k项污染物的单位排放费用；为可控机组i的单位电量的第k项污染物排放量；m为污染物的种类数。
4.如权利要求3所述的多时间尺度微电网分层稳定控制方法，其特征在于所述储能装置j的维护成本，其中，为储能装置j的单位电量运行维护成本系数；所述储能装置j的折旧成本，
其中，、分别为储能装置j的额定容量和额定功率，、分别为储能装置j的单位容量安装成本的现值和单位功率安装成本的现值；为储能装置j的寿命损耗系数，其值为储能装置一个周期累积的能量吞吐量与储能装置寿命内总能量吞吐量之比；所述储能装置周期不平衡罚函数
；
式中，为罚函数的系数；、分别表示储能装置k的初始值和一个调度周期后的值，为程序设置的一个调度周期后的增加量，如果储能装置状态良好，可以将设为0；所述负荷节点l的切负荷赔偿费用函数，其中，为切负荷节点l时单位电能的经济损失惩罚系数。
5.如权利要求4所述的多时间尺度微电网分层稳定控制方法，其特征在于储能装置一个周期累积的能量吞吐量，其中，是储能装置的充电或放电功率，储能装置寿命内总能量吞吐量，其中，为储能装置的额定容量；n为对储能装置的不同放电深度测试的个数，为储能装置i的放电深度；N为储能装置总的循环次数，，其中，DOD是储能装置的放电深度；a1-a5是由储能装置生产厂家提供的已知参数。
6.如权利要求1、2、3、4或5所述的多时间尺度微电网分层稳定控制方法，其特征在于针对所述秒级调度，所述微电网系统配置有快速采集系统，用于对微电网系统的分布式电源、储能装置、负荷所在回路进行全电量快速采集。
7.如权利要求1、2、3、4或5所述的多时间尺度微电网分层稳定控制方法，其特征在于所述新能源机组包括光伏发电机组和风力发电机组。
8.如权利要求1、2、3、4或5所述的多时间尺度微电网分层稳定控制方法，其特征在于所述毫秒级调度通过调整储能装置的快速充、放电来平抑微电网系统的不平衡功率，所述稳定控制器以储能装置为控制对象。
9.如权利要求1、2、3、4或5所述的多时间尺度微电网分层稳定控制方法，其特征在于所述储能装置包括蓄电池和锂电池。
10.如权利要求1、2、3、4或5所述的多时间尺度微电网分层稳定控制方法，其特征在于所述分钟级调度、秒级调度和微秒级调度的计算时间周期分别不超过1小时、1分钟和1秒。
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