CN106505558B - 一种直流配电网的能量输送控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流配电网的能量输送控制方法及装置，该方法首先将一个调度周期划分为N个调度时段；然后采集一个调度周期内的负荷预测数据、可再生能源的出力预测数据、交流电网的分时电价和可控发电机的发电成本；再以经济成本为控制目标，以配电网内功率平衡约束、换流器和可控发电机的功率约束、储能系统的电能约束作为约束条件，建立目标函数，对目标函数进行优化计算，得到一个调度周期内的可控发电机和储能系统在每个调度时段的调度指令；最后按照调度指令对可控发电机和储能系统进行控制。通过优化直流配电网内可控单元的运行状态与控制指令，使得系统在满足安全可靠运行的条件下，实现了有限资源的高效利用。

Description

一种直流配电网的能量输送控制方法及装置

技术领域

本发明属于电力系统直流配电领域，特别涉及一种直流配电网的能量输送控制方法及装置。

背景技术

随着用户对电能质量需求的提高，分布式新能源和储能系统接入配电网的需求日益强烈，而且随着电力电子设备的广泛应用，传统交流配电网已经越来越不能满足现代社会对电力的需求。直流配电网以其独特的优势，如可靠性高、经济性好、有利于分布式能源接入和较高的电能质量等一系列优点，近些年来引起了越来越广泛的关注和研究。

如图1所示，一个典型的中压环形直流配电网络，其中A端与B端是DC/AC换流器，与外部交流电网相连，用于与交流网络进行能量交互并稳定直流电压；C端与G端分别是交/直流负荷和用户侧低压直流配电网等用电负荷；H端为可控发电机组，D端、E端是风电、光伏等可再生分布式能源，F端是储能系统等，在各接入端均配备直流断路器。中压直流配电网可充分融合可再生分布式能源、储能系统，并借助智能电网等新技术，充分发挥直流系统高电能质量水平供电的优势，从而适应不同技术条件下的负荷用电需求，因此，直流配电网未来将作为补充系统嵌入到现有交流配电网中，为负荷密度大、敏感或重要负荷提供电能。

目前对于直流配电网网架结构、规划、控制等方面的研究较多，对直流配电系统的能量优化管理技术的研究较少。如何通过合理的系统能量管理策略及调度算法，考虑系统内不同负荷需求、电价、燃料费用以及外界影响因素，优化各个接入单元的运行状态与控制指令，使得系统在满足安全可靠运行的条件下，实现有限资源的高效、可靠利用，是直流配电网能量优化管理研究有待解决的核心技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直流配电网的能量输送控制方法，用于解决分布式能源接入配电网时，在能量输送控制方法上造成经济不合理的问题；本发明还提供了一种直流配电网的能量输送控制装置，用于实现能量输送的控制方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种直流配电网的能量输送控制方法，包括五个方法方案：

方法方案一，包括以下步骤：

1)将一个调度周期划分为N个调度时段；

2)采集一个调度周期内的负荷预测数据L_i、可再生能源的出力预测数据Q_pvi、交流电网的分时电价a_i和可控发电机的发电成本b_i，其中i＝(1，2，…，N)，N为调度时段的个数，负荷预测数据与可再生能源的出力预测数据采用上一个周期的数据；

3)以经济成本为控制目标，以配电网内功率平衡约束、换流器和可控发电机的功率约束、储能系统的电能约束作为约束条件，其中，配电网内功率平衡约束指每个调度时段负荷消耗电能、交流电网购入/卖出电能、可控发电机发出电能、储能系统吸收/释放电能、新能源发出电能应处于平衡；换流器和可控发电机的功率约束是指换流器和可控发电机的瞬时功率不能超出其额定功率或最大允许功率；储能系统的电能约束，既包含储能系统的瞬时功率不能超出其额定功率或最大允许功率，也包含储能系统中存储的电能也不能超出其存储范围，建立目标函数：

其中，x_i为购入交流电网的电能、y_i为可控发电机出力、z_i为储能系统释放的电能；

4)考虑上述约束条件，对上述目标函数进行成本优化计算，得到一个调度周期内的可控发电机和储能系统在每个调度时段的调度指令；

5)按照调度指令对可控发电机和储能系统进行控制。

方法方案二，在方法方案一的基础上，所述一个调度周期设置为1天。

方法方案三，在方法方案一的基础上，配电网内功率平衡约束由负荷L_i、新能源出力预测Q_pvi、购入交流电网的电能x_i、可控发电机出力y_i和储能系统释放的电能z_i来决定，约束关系为：

x_i+y_i+z_i+Q_pvi＝L_i,i＝(1,2,…,N)

方法方案四，在方法方案一的基础上，换流器和可控发电机瞬时功率换算为调度时段对应的能量后，分别记为Q_vscmax、Q_DGmax，约束表达式如下：

方法方案五，在方法方案一的基础上，所述储能系统额定功率换算为调度时段对应的能量后为Q_serated，储能系统中电能的有效范围为[Q_semin，Q_semax]，调度周期开始时储能系统中的初始电能是Q_seinit，一个调度周期完成后储能系统中的电能回到其初始状态，储能系统能量约束关系式如下：

本发明还提供了一种直流配电网的能量输送控制装置，包括五个装置方案，装置方案一，包括以下模块：

周期分时模块：用于将一个调度周期划分为N个调度时段；

数据采集模块：用于采集一个调度周期内的负荷预测数据L_i、可再生能源的出力预测数据Q_pvi、交流电网的分时电价a_i和可控发电机的发电成本b_i，其中i＝(1，2，…，N)，N为调度时段的个数，负荷预测数据与可再生能源的出力预测数据采用上一个周期的数据；

目标函数建立模块：用于以经济成本为控制目标，以配电网内功率平衡约束、换流器和可控发电机的功率约束、储能系统的电能约束作为约束条件，其中，配电网内功率平衡约束指每个调度时段负荷消耗电能、交流电网购入/卖出电能、可控发电机发出电能、储能系统吸收/释放电能、新能源发出电能应处于平衡；换流器和可控发电机的功率约束是指换流器和可控发电机的瞬时功率不能超出其额定功率或最大允许功率；储能系统的电能约束，既包含储能系统的瞬时功率不能超出其额定功率或最大允许功率，也包含储能系统中存储的电能也不能超出其存储范围，建立目标函数：

其中，x_i为购入交流电网的电能、y_i为可控发电机出力、z_i为储能系统释放的电能；

指令生成模块：用于对上述目标函数进行成本优化计算，得到一个调度周期内的可控发电机和储能系统在每个调度时段的调度指令；

控制模块：用于按照调度指令对可控发电机和储能系统进行控制。

装置方案二，在装置方案一的基础上，所述一个调度周期设置为1天。

装置方案三，在装置方案一的基础上，配电网内功率平衡约束由负荷L_i、新能源出力预测Q_pvi、购入交流电网的电能x_i、可控发电机出力y_i和储能系统释放电能z_i来决定，约束关系为：

x_i+y_i+z_i+Q_pvi＝L_i,i＝(1,2,…,N)

装置方案四，在装置方案一的基础上，换流器和可控发电机瞬时功率换算为调度时段对应的能量后，分别记为Q_vscmax、Q_DGmax，约束表达式如下：

装置方案五，在装置方案一的基础上，所述储能系统额定功率换算为调度时段对应的能量后为Q_serated，储能系统中电能的有效范围为[Q_semin，Q_semax]，调度周期开始时储能系统中的初始电能是Q_seinit，一个调度周期完成后储能系统中的电能回到其初始状态，储能系统能量约束关系式如下：

本发明的有益效果是：

本发明的直流配电网的能量输送控制方法，综合考虑了系统内负荷需求、电价、燃料发电费用、可再生能源出力的影响因素，根据经济成本最优建立了能量控制数学模型，通过合理的系统能量管理策略，优化了直流配电网内可控单元的运行状态与控制指令，使得系统在满足安全可靠运行的条件下，实现有限资源的高效利用。

本发明的直流配电网的能量输送控制装置，实现了直流配电网的能量输送控制方法。

附图说明

图1为直流配电网络结构图；

图2为直流配电网能量输送控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步详细的说明：

本发明的一种直流配电网的能量输送控制方法的实施例：

本发明的一种直流配电网的能量输送控制方法，具体的如图2所示，包括以下步骤：

1)将一个调度周期分为N个调度时段，一个调度周期通常是一天。

2)采集一个调度周期内的负荷预测数据L_i、可再生能源的出力预测数据Q_pvi、交流电网的分时电价a_i和可控发电机的发电成本b_i，其中i＝(1，2，…，N)，N为调度周期的个数，负荷预测数据与可再生能源的出力预测数据采用上一个周期的数据。

3)建立直流配电网能量管理的目标函数，其中直流配电网电网络结构图，如图1所示，以直流配电网内的可控单元、可控发电机和储能系统在每个调度时段的电能作为控制对象，其中，可控发电机在每个调度时段发出的电能指令记为y_i，储能系统在每个调度时段释放的电能记为z_i，并将每个调度时段购入的交流电网的电能记为x_i；以经济成本最优为控制目标建立目标函数；以配电网内功率平衡约束、换流器和可控发电机的功率约束、储能系统的电能约束作为约束条件，在这里可控单元包括可控发电机和储能系统，而可再生能源出力通常工作在最大功率追踪控制，不作为优化的控制对象。储能系统在每个调度时刻释放的电能为正代表储能系统向配电网释放电能，负代表储能系统从配电网吸收电能；从交流电网购入的电能为正代表配电网从交流电网购入电能，为负代表配电网向交流电网卖出电能。

目标函数如下，其中[x,y,z]为决策变量：

其中，配电网内功率平衡约束指每个调度时段负荷消耗电能、交流电网购入/卖出电能、可控发电机发出电能、储能系统吸收/释放电能、新能源发出电能应处于平衡，由负荷L_i、新能源出力预测Q_pvi、购入交流电网的电能x_i、可控发电机出力y_i、储能系统释放电能z_i来决定，且负荷预测数据与可再生能源的出力预测通常采用上一个周期的数据。在每个调度时段内，上述电能应保持在平衡状态。在统一的能量单位下，约束关系式如下：

x_i+y_i+z_i+Q_pvi＝L_i,i＝(1,2,…,N)

换流器和可控发电机的功率约束指换流器和可控发电机瞬时功率不能超出其额定功率(或最大允许功率)，换算为调度时段对应的能量后，分别记为Q_vscmax、Q_DGmax，约束表达式如下：

储能系统的电能约束既包括储能系统实时功率不能超过其额定功率(或最大允许功率)，也包括储能系统中存储的电能不能超出其有效范围。记储能系统额定功率换算为调度时段对应能量后为Q_serated，储能系统中电能的有效范围为[Q_semin,Q_semax]，调度周期开始时储能系统中的初始电能是Q_seinit，一个调度周期完成后储能系统中的电能能够回到其初始状态，储能系统能量约束关系式如下：

4)采用一些成熟的数学优化算法或智能优化算法对上述目标函数进行成本优化计算，得到一个调度周期内的可控发电机和储能系统在每个调度时段的调度指令。

5)得到调度指令后将在一个调度周期内对受控资源按照优化后的调度指令对可控发电机和储能系统进行控制，而预测数据与实际数据的误差将通过直流配电网内负责稳定直流电压的换流器平衡。

上述实施例中，采用环形直流配电网的网架架构来完成能量的输送及控制，作为其他实施方式，还可以采用放射性直流配电网、手拉手型直流配电网、多层直流配电网等各种直流配电网网架结构。

本发明还提供了一种直流配电网的能量输送控制装置，该装置包括周期分时模块、数据采集模块、目标函数建立模块、指令生成模块、控制模块，其中周期分时模块用于将一个调度周期划分为N个调度时段；数据采集模块用于采集一个调度周期内的负荷预测数据、可再生能源的出力预测数据、交流电网的分时电价和可控发电机的发电成本，其中负荷预测数据与可再生能源的出力预测数据通常采用上一个调度周期的数据；目标函数建立模块用于以经济成本为控制目标，以配电网内功率平衡约束、换流器和可控发电机的功率约束、储能系统的电能约束作为约束条件，建立目标函数；指令生成模块用于对上述目标函数进行优化计算，得到一个调度周期内的可控发电机和储能系统在每个调度时段的调度指令；控制模块用于按照调度指令对可控发电机和储能系统进行控制。

上述控制装置，实际上是一种软件构架，其中的各模块是与上述控制方法的步骤1)-5)相对应的进程或程序。因此，不再对该控制装置进行详细说明。

上述控制装置作为一种程序，在直流配电网中运行，能够综合考虑系统内负荷需求、电价、燃料发电费用、可再生能源出力等影响因素，根据经济成本最优建立了能量控制数学模型，通过合理的系统能量管理策略，优化了直流配电网内可控单元的运行状态与控制指令，使得系统在满足安全可靠运行的条件下，实现有限资源的高效利用。

Claims (10)

1.一种直流配电网的能量输送控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将一个调度周期划分为N个调度时段；

2)采集一个调度周期内的负荷预测数据L_i、可再生能源的出力预测数据Q_pvi、交流电网的分时电价a_i和可控发电机的发电成本b_i，其中i＝(1，2，…，N)，N为调度时段的个数，负荷预测数据与可再生能源的出力预测数据采用上一个调度周期的数据；

3)以经济成本为控制目标，以配电网内功率平衡约束、换流器和可控发电机的功率约束、储能系统的电能约束作为约束条件，其中，配电网内功率平衡约束指每个调度时段负荷消耗电能、交流电网购入/卖出电能、可控发电机发出电能、储能系统吸收/释放电能、新能源发出电能应处于平衡；换流器和可控发电机的功率约束是指换流器和可控发电机的瞬时功率不能超出其额定功率或最大允许功率；储能系统的电能约束，既包含储能系统的瞬时功率不能超出其额定功率或最大允许功率，也包含储能系统中存储的电能也不能超出其存储范围，建立目标函数：

其中，x_i为购入交流电网的电能、y_i为可控发电机出力、z_i为储能系统释放的电能；

4)对上述目标函数进行成本优化计算，得到一个调度周期内的可控发电机和储能系统在每个调度时段的调度指令；

5)按照调度指令对可控发电机和储能系统进行控制。

2.根据权利要求1所述的直流配电网的能量输送控制方法，其特征在于，所述一个调度周期设置为1天。

3.根据权利要求1所述的直流配电网的能量输送控制方法，其特征在于，配电网内功率平衡约束由负荷L_i、新能源出力预测Q_pvi、购入交流电网的电能x_i、可控发电机出力y_i和储能系统释放的电能z_i来决定，约束关系为：

x_i+y_i+z_i+Q_pvi＝L_i,i＝(1,2,…,N)。

4.根据权利要求1所述的直流配电网的能量输送控制方法，其特征在于，换流器和可控发电机瞬时功率换算为调度时段对应的能量后，分别记为Q_vscmax、Q_DGmax，约束表达式如下：

5.根据权利要求1所述的直流配电网的能量输送控制方法，其特征在于，所述储能系统额定功率换算为调度时段对应的能量后为Q_serated，储能系统中电能的有效范围为[Q_semin，Q_semax]，调度周期开始时储能系统中的初始电能是Q_seinit，一个调度周期完成后储能系统中的电能回到其初始状态，储能系统能量约束关系式如下：

6.一种直流配电网的能量输送控制装置，其特征在于，该装置包括：

周期分时模块：用于将一个调度周期划分为N个调度时段；

数据采集模块：用于采集一个调度周期内的负荷预测数据L_i、可再生能源的出力预测数据Q_pvi、交流电网的分时电价a_i和可控发电机的发电成本b_i，其中i＝(1，2，…，N)，N为调度时段的个数，负荷预测数据与可再生能源的出力预测数据采用上一个调度周期的数据；

目标函数建立模块：用于以经济成本为控制目标，以配电网内功率平衡约束、换流器和可控发电机的功率约束、储能系统的电能约束作为约束条件，其中，配电网内功率平衡约束指每个调度时段负荷消耗电能、交流电网购入/卖出电能、可控发电机发出电能、储能系统吸收/释放电能、新能源发出电能应处于平衡；换流器和可控发电机的功率约束是指换流器和可控发电机的瞬时功率不能超出其额定功率或最大允许功率；储能系统的电能约束，既包含储能系统的瞬时功率不能超出其额定功率或最大允许功率，也包含储能系统中存储的电能也不能超出其存储范围，建立目标函数：

其中，x_i为购入交流电网的电能、y_i为可控发电机出力、z_i为储能系统释放的电能；

指令生成模块：用于对上述目标函数进行成本优化计算，得到一个调度周期内的可控发电机和储能系统在每个调度时段的调度指令；

控制模块：用于按照调度指令对可控发电机和储能系统进行控制。

7.根据权利要求6所述的直流配电网的能量输送控制装置，其特征在于，所述一个调度周期设置为1天。

8.根据权利要求6所述的直流配电网的能量输送控制装置，其特征在于，配电网内功率平衡约束由负荷L_i、新能源出力预测Q_pvi、购入交流电网的电能x_i、可控发电机出力y_i和储能系统释放的电能z_i来决定，约束关系为：

x_i+y_i+z_i+Q_pvi＝L_i,i＝(1,2,…,N)。

9.根据权利要求6所述的直流配电网的能量输送控制装置，其特征在于，换流器和可控发电机瞬时功率换算为调度时段对应的能量后，分别记为Q_vscmax、Q_DGmax，约束表达式如下：

10.根据权利要求6所述的直流配电网的能量输送控制装置，其特征在于，所述储能系统额定功率换算为调度时段对应的能量后为Q_serated，储能系统中电能的有效范围为[Q_semin，Q_semax]，调度周期开始时储能系统中的初始电能是Q_seinit，一个调度周期完成后储能系统中的电能回到其初始状态，储能系统能量约束关系式如下：