CN105932665A - 电能调控方法及调控系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电能调控方法及调控系统，以微网为研究单位，通过中央控制器根据每个用户的用电量需求和发电装置的发电量实时决定每个用户的存储装置存储或释放的电量、需要从外网购买的电量以及用户间电能的流动量进行电能的调控，最小化微网对外网的总支出，从而在满足用户用电需求的提高了可再生能源的利用率。

Description

电能调控方法及调控系统

技术领域

本发明涉及可再生能源技术领域，特别涉及一种电能调控方法及调控系统。

背景技术

近几年，智能电网的出现为电能的产生、传输和使用提供了一个新的网络化的前景。相比于传统电网，智能电网有两个显著的优势。首先，由于分布式发电装置(如太阳能板)的出现，家家户户都可以成为一个小型的发电厂，将可再生能源(如太阳能、风能)转化成电能，因而反向传输(由用户到电网)的需求急剧增加。不同于传统电网只能单向传输电能，智能电网可以做到电能和用户信息的双向传输，使对电能的产生和传输进行智能控制成为现实。其次，由于可充电存储装置(如锂存储装置)的兴起，越来越多的用户可以通过配备存储装置来存储电能，从而降低对电网的依赖。微网作为智能电网的一个重要组成部分，得到了许多工业界和研究界的关注。一个典型的微网是由一个中心控制器和一群本地用户组成的，用户还可能配备了自己的发电装置和存储装置，如附图1所示。这些用户的用电或发电信息可以通过有线或无线网络自动地传输到中心控制器。每个微网独立地接入智能电网(也可称为外网)，接入点的连接与断开受控于中心控制器。当接入点连接时，微网接入外网，电能可以在外网和微网的用户之间流动；反之，当接入点断开时，微网进入“孤岛”模式，电能只能在微网的用户之间流动。

分布式的发电装置将可再生能源成电能，相比于传统的发电方式(如火力发电)，不但降低了成本，而且保护了环境。因此，在微网中最大化的利用可再生能源，即尽可能的减少使用传统发电方式产生的电能，是非常重要的。然而，如果微网中的用户之间不能交换电能，那么微网中由可再生能源转化而来的电能将可能得不到最大化的利用。比如，当一个用户产生的电能多余其需要时，多余的电能不能传输给其他用户，除去存储在存储装置中的部分，其余的则被浪费了。因此，为了提高微网中可再生能源的使用率，用户之间需要进行电能传输。不幸地是，协调微网用户之间的电能传输是困难的。首先，用户是理性的，他们不会主动将自己多余的电能传送给其他贫电的用户，因而中央控制器需要设计一种激励机制，促使用户之间进行交易。其次，由于可再生能源的不确定性，每个用户能产生多少电量是随机且不可预测的。第三，用户的用电需求也是实时变化的。

考虑到用户购买外网的电能需要一定的支出且用户之间交换可再生能源转化的电能也需租用电网，本发明从最小化微网总支出的角度考虑如何控制电能的流动，以达到最大化利用可再生能源。为了促进用户之间的电能交换，本发明还设计了一个微网内电价的定价策略，在这个定价下，富电用户会选择将多余的电能出售给贫电用户，而贫电用户也会优先从富电用户处(而非外网)购买电能以满足自己的用电需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电能调控方法及调控系统，以解决微网中可再生能源的使用率不高的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种电能调控方法，包括：

构建微网，每个微网中包括N个用户，每个用户配置有发电装置和存储装置，N为正整数；

中央控制器根据每个用户的用电量需求和发电装置的发电量实时决定每个用户的存储装置存储或释放的电量、需要从外网购买的电量以及用户间电能的流动量；

每个用户根据所述中央控制器实时决定的结果进行电能的调控。

可选的，在所述的电能调控方法中，将时间分成时槽在t时槽内，G_i(t)为i用户的发电装置在t时槽内将可再生能源转换成的电能，D_i(t)为t时槽内i用户的用电量需求，

当G_i(t)≥D_i(t)时，产生的电能满足用电需求，剩余的电量为对于剩余电量的处理方式包括两种：

第一种，存储在i用户的存储装置中；

第二种，传送给微网中其他用户；

当G_i(t)＜D_i(t)时，产生的电能不满足用电需求，缺少的电量为对于缺少的电量的处理方式包括三种：

第一种，释放i用户的存储装置中存储的电量；

第二种，从微网中其他用户充获得缺少的电量；

第三种，从外网购买缺少的电量。

可选的，在所述的电能调控方法中，所述中央控制器实时决定的结果根据求解以下公式获得：

${\mathrm{min\Σ}}_{i=1}^N{\mathrm{\Θ}}_i\left(t\right)S_i\left(t\right)-{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N\[{\mathrm{\Θ}}_i\left(t\right)+{\mathrm{Vp}}_i\left(t\right)\]R_i\left(t\right)+{\mathrm{V\Σ}}_{i=1}^N{\mathrm{\Σ}}_{j\≠i}\[q_i\left(t\right)-p_i\left(t\right)\]B_{j,i}\left(t\right);$

其中，B_i，j(t)表示i用户传送给j用户的电量，S_i(t)表示i用户的存储装置存储的电量，表示t时槽内i用户剩余的电量，p_i(t)表示t时槽内i用户从外网购买电能的单位电价，V表示系统参数，q_i(t)表示t时槽内i用户租用电网传输电能给其他用户的单价，Θ_i(t)表示t时槽内i用户的存储装置引入的虚拟队列，R_i(t)表示t时槽内i用户的存储装置释放的电量，表示i用户的存储装置单次可释放电能的最大值。

可选的，在所述的电能调控方法中，还包括根据预定的激励机制进行拍卖确定用户之间电能的交易价格。

可选的，在所述的电能调控方法中，所述激励机制为：

将所有的买家根据竞标价格按照降序排序，将所有卖家根据竞标价格按照升序排序，即

根据如下两个式子分别找到两个买家和两个卖家的组合<k₁，k₂>和<k′₁，k′₂>，其中，表示卖家可出售的电量，表示买家可购买的电量；

比较和如果更大，则交易价格定为否则，交易价格定为

本发明还提供一种电能调控系统，所述电能调控系统包括：

微网，每个微网包括N个用户，每个用户配置有发电装置和存储装置，N为正整数；

中央控制器，用于根据每个用户的用电量需求和发电装置的发电量实时决定每个用户的存储装置存储或释放的电量、需要从外网购买的电量以及用户间电能的流动量；

调控器，用于根据所述中央控制器实时决定的结果进行电能的调控。

可选的，在所述的电能调控系统中，所述发电装置为分布式发电装置，所述充电装置为可充电的电池。

可选的，在所述的电能调控系统中，交易价格确定器，与所述中央控制器连接，用于根据预定的激励机制进行拍卖确定用户之间电能的交易价格。

可选的，在所述的电能调控系统中，所述激励机制为：

将所有的买家根据竞标价格按照降序排序，将所有卖家根据竞标价格按照升序排序，即

根据如下两个式子分别找到两个买家和两个卖家的组合<k₁，k₂>和<k′₁，k′₂>，其中，表示卖家可出售的电量，表示买家可购买的电量；

比较和如果更大，则交易价格定为否则，交易价格定为

在本发明所提供的电能调控方法及调控系统中，以微网为研究单位，通过中央控制器根据每个用户的用电量需求和发电装置的发电量实时决定每个用户的存储装置存储或释放的电量、需要从外网购买的电量以及用户间电能的流动量进行电能的调控，最小化微网对外网的总支出，从而在满足用户用电需求的提高了可再生能源的利用率。

附图说明

图1是本发明实施例一中电能调控方法的流程图；

图2是本发明实施例二中电能调控系统的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的电能调控方法及调控系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

请参考图1，其为本发明的电能调控方法的流程图，所述电能调控方法包括：

首先，执行步骤S1，构建微网，每个微网中包括N个用户，每个用户配置有发电装置和存储装置，N为正整数；

接着，执行步骤S2，中央控制器根据每个用户的用电量需求和发电装置的发电量实时决定每个用户的存储装置存储或释放的电量、需要从外网购买的电量以及用户间电能的流动量；

接着，执行步骤S3，每个用户根据所述中央控制器实时决定的结果进行电能的调控。

具体的，首先，为微网中电能的产生、消耗和存储进行建模。电能的产生和消耗是实时的、动态的，不失一般性，将时间划分成时槽在时槽t内，假设为t时槽内i用户的用电量需求是D_i(t)，i用户的发电装置在t时槽内将可再生能源转换成的电能是G_i(t)。根据D_i(t)和G_i(t)的大小关系，用电需求的满足方式可分为两种：

当G_i(t)≥D_i(t)时，产生的电能满足用电需求，剩余的电量为对于剩余电量的处理方式包括两种：

1a)，存储在i用户的存储装置中；存储的电量用S_i(t)表示，其中，表示存储装置单次可冲电的最大值，表示存储装置的最大容量，B_i(t)表示当前存储装置中剩余的电量。

2a)，传送给微网中其他用户；用户i传送给用户j的电量表示为B_i，j(t)。

相应地，

当G_i(t)＜D_i(t)时，产生的电能不满足用电需求，缺少的电量为对于缺少的电量的处理方式包括三种：

1b)释放i用户的存储装置中存储的电量；释放的电量用R_i(t)表示， 表示存储装置单次可释放电能的最大值。

2b)从微网中其他用户充获得缺少的电量；用户i从用户j处获得的电量表示为B_j，i(t)。

3b)从外网购买缺少的电量。如果1b)和2b)均不能满足用户的用电需求，那么用户必须从外网购买不足的电量，表示为E_i(t)。

相应地，

结合以上两种情况，存储装置中的电量可以按照如下公式更新:

B_i+1(t)＝B_i(t)+S_i(t)-R_i(t) (3)

若用户i从外网购买电能的单位电价是p_i(t)，租用电网传输电能给其他用户的单价是q_i(t)，那么微网系统在时槽t的总支出为最小化时间平均上的总支出的问题可表示为

$min\underset{T\&RightArrow;\mathrm{\&infin;}}{\lim }\frac{1}{T}{\mathrm{\&Sigma;}}_{t=0}^{T-1}{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^N\left(p_i\right(t\left)E_i\right(t)+{\mathrm{\&Sigma;}}_{j\&NotEqual;i}{q}_i(t\left)B_{i,j}\right(t\left)\right)---\left(4\right)$

s.t.(1)，(2)且

然后，借助Lyapunov优化技术，将原时间平均上的优化问题(4)转化为每个时槽内的带约束条件的线性规划问题。为了使用Lyapunov优化技术，通过每个用户的存储装置引入一个虚拟队列Θ_i实现，其值定义为

${\mathrm{\&Theta;}}_i\left(t\right)=B_i\left(t\right)-R_i^{\max }-{\mathrm{Vp}}_i^{\max },\&ForAll;i,\&ForAll;t---\left(5\right)$

其中，V是系统参数，且需满足根据公式(3)和(5)，虚拟队列的长度可以按照如下公式更新

${\mathrm{\&Theta;}}_i(t+1)={\mathrm{\&Theta;}}_i\left(t\right)+S_i\left(t\right)-R_i\left(t\right),\&ForAll;i,\&ForAll;t---\left(6\right)$

基于虚拟队列Θ(t)，Lyapunov函数和Lyapunov位移可以分别定义为

$L\left(\mathrm{\&Theta;}\right(t\left)\right)=\frac{1}{2}{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^N{\left({\mathrm{\&Theta;}}_i\right(t\left)\right)}^2,$

Δ(Θ(t))越小，表示系统越稳定。经过推导，可以得到Δ(Θ(t))的上界

其中是常数。为了同时保持系统稳定并最小化微网总支出，定义了新的优化目标

参数V用来权衡系统稳定性和优化性能，V越大表示优化性能相比于系统稳定性越重要。由公式(7)和(8)，可以推导出Δ_V(Θ(t))|的上界

因此，在每个时槽内给定和Θ_i(t)，中央控制器只需通过解决如下的线性规划问题就能决策电能如何流动：

${\mathrm{min\&Sigma;}}_{i=1}^N{\mathrm{\&Theta;}}_i\left(t\right)S_i\left(t\right)-{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^N\&lsqb;{\mathrm{\&Theta;}}_i\left(t\right)+{\mathrm{Vp}}_i\left(t\right)\&rsqb;R_i\left(t\right)+{\mathrm{V\&Sigma;}}_{i=1}^N{\mathrm{\&Sigma;}}_{j\&NotEqual;i}\&lsqb;q_i\left(t\right)-p_i\left(t\right)\&rsqb;B_{j,i}\left(t\right)---\left(10\right)$

s.t.(1)，(2).

通过解决上述线性规划问题，为微网设计了一个在线算法，帮助中央控制器在每个时槽内决策电能在外网和微网之间、微网用户之间以及每个用户内部如何流动。即在步骤S2中，在任意一个t时槽内，中央控制器需执行以下三个步骤：

(1)从每个用户处收集信息，以用户i为例，包括存储装置的剩余电量B_i(t)，可再生能源转化而来的电能G_i(t)，用电需求D_i(t)，价格p_i(t)和q_i(t)。

(2)求解公式(10)，即获得所述中央控制器实时决定的结果：存储到存储装置中的电量S_i(t)、存储装置释放的电量R_i(t)、从外网购买的电量E_i(t)、和用户j之间交换的电量B_i，j(t)，特别的，

(3)根据上一步的优化结果，按照公式(6)更新虚拟队列的长度。

最后，基于双向拍卖理论，根据用户之间电能的交换制定的激励机制。假设在任意一个时槽t内，有m个卖家(满足)和n个买家(满足)。在双向拍卖中，买家和卖家同时递交竞标价格和交易电量：对于卖家i，竞标价格为可出售的电量为对于买家j，竞标价格为需要购买的电量为

中央控制器可按照如下步骤进行拍卖并确定用户之间电能的交易价格(即激励机制)：

1)将所有的买家根据竞标价格按照降序排序，将所有卖家根据竞标价格按照升序排序，即

2)根据如下两个式子分别找到两个买家和两个卖家的组合<k₁，k₂>和<k′₁，k′₂>，其中，表示卖家可出售的电量，表示买家可购买的电量；

3)比较和如果更大，则交易价格定为否则，交易价格定为

本发明的优点在于：

1)本发明所述的控制电能流动的方法，可以适应微网中用户的用电需求和产生的电量实时变化，不可预估的情况，是一种自适应的在线控制方法。

2)经推导证明，本在线控制方法可以保证用户存储在存储装置中的电量不会超过其最大容量。同时，当微网系统运行的时间足够长时，微网用户用于从外网购买电能的总支出在时间平均上可以无限地接近最优值。

3)经理论证明，本发明所述的激励机制满足个体理性和收支平衡两个性质。在双边拍卖中，个体理性是指所有胜出的卖家都满足交易价格大于等于其竞标价格以及所有胜出的买家都满足交易价格小于等于其竞标价格。收支平衡是指胜出的买家的总支出等于胜出的卖家的总收益。

实施例二

本实施例提供了一种电能调控系统。下面参考图1及图2详细说明本实施例所述电能调控系统包括：微网、中央控制器以及调控器，微网每个微网包括N个用户，每个用户配置有发电装置和存储装置，N为正整数；中央控制器用于根据每个用户的用电量需求和发电装置的发电量实时决定每个用户的存储装置存储或释放的电量、需要从外网购买的电量以及用户间电能的流动量；调控器用于根据所述中央控制器实时决定的结果进行电能的调控。

优选的，所述发电装置为分布式发电装置，所述充电装置为可充电的电池。

进一步地，所述电能调控系统还包括交易价格确定器，与所述中央控制器连接，用于根据预定的激励机制进行拍卖确定用户之间电能的交易价格。

综上，在本发明所提供的电能调控方法及调控系统中，以微网为研究单位，通过中央控制器根据每个用户的用电量需求和发电装置的发电量实时决定每个用户的存储装置存储或释放的电量、需要从外网购买的电量以及用户间电能的流动量进行电能的调控，最小化微网对外网的总支出，从而在满足用户用电需求的提高了可再生能源的利用率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (9)

1.一种电能调控方法，其特征在于，包括：

构建微网，每个微网中包括N个用户，每个用户配置有发电装置和存储装置，N为正整数；

中央控制器根据每个用户的用电量需求和发电装置的发电量实时决定每个用户的存储装置存储或释放的电量、需要从外网购买的电量以及用户间电能的流动量；

每个用户根据所述中央控制器实时决定的结果进行电能的调控。

2.如权利要求1所述的电能调控方法，其特征在于，将时间分成时槽在t时槽内，G_i(t)为i用户的发电装置在t时槽内将可再生能源转换成的电能，D_i(t)为t时槽内i用户的用电量需求，

当G_i(t)≥D_i(t)时，产生的电能满足用电需求，剩余的电量为W_i ⁺(t)＝G_i(t)-D_i(t)，对于剩余电量的处理方式包括两种：

第一种，存储在i用户的存储装置中；

第二种，传送给微网中其他用户；

当G_i(t)＜D_i(t)时，产生的电能不满足用电需求，缺少的电量为W_i ^-(t)＝D_i(t)-G_i(t)，对于缺少的电量的处理方式包括三种：

第一种，释放i用户的存储装置中存储的电量；

第二种，从微网中其他用户充获得缺少的电量；

第三种，从外网购买缺少的电量。

3.如权利要求2所述的电能调控方法，其特征在于，所述中央控制器实时决定的结果根据求解以下公式获得：

${\mathrm{min\&Sigma;}}_{i=1}^N{\mathrm{\&Theta;}}_i\left(t\right)S_i\left(t\right)-{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^N\&lsqb;{\mathrm{\&Theta;}}_i\left(t\right)+{\mathrm{Vp}}_i\left(t\right)\&rsqb;R_i\left(t\right)+{\mathrm{V\&Sigma;}}_{i=1}^N{\mathrm{\&Sigma;}}_{j\&NotEqual;i}\&lsqb;q_i\left(t\right)-p_i\left(t\right)\&rsqb;B_{j,i}\left(t\right);$

其中，B_i，j(t)表示i用户传送给j用户的电量，S_i(t)表示i用户的存储装置存储的电量，W_i ⁺(t)表示t时槽内i用户剩余的电量，p_i(t)表示t时槽内i用户从外网购买电能的单位电价，V表示系统参数，q_i(t)表示t时槽内i用户租用电网传输电能给其他用户的单价，Θ_i(t)表示t时槽内i用户的存储装置引入的虚拟队列，R_i(t)表示t时槽内i用户的存储装置释放的电量，表示i用户的存储装置单次可释放电能的最大值。

4.如权利要求1所述的电能调控方法，其特征在于，还包括根据预定的激励机制进行拍卖确定用户之间电能的交易价格。

5.如权利要求4所述的电能调控方法，其特征在于，所述激励机制为：

将所有的买家根据竞标价格按照降序排序，将所有卖家根据竞标价格按照升序排序，即

根据如下两个式子分别找到两个买家和两个卖家的组合<k₁，k₂>和<k′₁，k′₂>其中，表示卖家可出售的电量，表示买家可购买的电量；

比较和如果更大，则交易价格定为否则，交易价格定为

6.一种电能调控系统，其特征在于，包括：

微网，每个微网包括N个用户，每个用户配置有发电装置和存储装置，N为正整数；

中央控制器，用于根据每个用户的用电量需求和发电装置的发电量实时决定每个用户的存储装置存储或释放的电量、需要从外网购买的电量以及用户间电能的流动量；

调控器，用于根据所述中央控制器实时决定的结果进行电能的调控。

7.如权利要求6所述的电能调控系统，其特征在于，所述发电装置为分布式发电装置，所述充电装置为可充电的电池。

8.如权利要求6所述的电能调控系统，其特征在于，交易价格确定器，与所述中央控制器连接，用于根据预定的激励机制进行拍卖确定用户之间电能的交易价格。

9.如权利要求8所述的电能调控系统，其特征在于，所述激励机制为：

将所有的买家根据竞标价格按照降序排序，将所有卖家根据竞标价格按照升序排序，即

根据如下两个式子分别找到两个买家和两个卖家的组合<k₁，k₂>和<k′₁，k′₂>其中，表示卖家可出售的电量，表示买家可购买的电量；

比较和如果更大，则交易价格定为否则，交易价格定为