CN107092975B - 一种基于储能损耗积分的交直流混合微网经济优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于储能损耗积分的交直流混合微网经济优化方法。现有的研究均未全面考虑交直流混合微网系统的运行费用。本发明包括以下步骤：步骤1)，获取交直流混合微网的拓扑结构及基本参数；步骤2)，获取储能的损耗函数；步骤3)，建立交直流混合微网的经济优化模型，模型中包括目标函数和系统、设备的运行约束条件；步骤4)，求解经济优化问题：利用YALMIP调用BNB法求解经济优化模型，获得交直流混合微网的最优经济运行方式。本发明考虑到储能损耗的非线性特性，能够实现交直流混合微网的经济调度，为制定交直流混合微网的运行方式提供指导和帮助。

Description

一种基于储能损耗积分的交直流混合微网经济优化方法
技术领域
本发明属于微网优化调度和能量管理领域，具体地说是一种基于储能损耗积分的交直流混合微网经济优化方法。
背景技术
随着化石能源的日益枯竭和生态环境污染的加剧，如何有效利用风能、太阳能等可再生能源发电成为电力系统领域关注的焦点。微网作为一种集成分布式电源和负荷的系统，被认为是提高可再生能源利用效率的有效途径。由于可再生能源具有随机性和间歇性，且负荷波动性较强，微网的经济调度是保证其经济可靠运行的基础。
现代电力电子技术的快速发展使得越来越多的如光伏、储能等直流型电源及电动汽车、家用电器等直流型负荷接入微网。在交流微网中，直流电源通常通过DC/AC变换器接入交流母线，需经AC/DC为直流负荷供电，这一传统的供电方式增加了交直流之间的转换过程。然而，交直流混合微网作为一种新型微网结构，通过双向换流器连接交流母线与直流母线，实现了交流与直流的分区供电。相较于交流微网，交直流混合微网不仅减少了设备投资成本，同时降低了功率变换过程中的功率损耗，提高了整个系统的运行效率，因此交直流混合微网成为现阶段微网的研究热点。
现有的研究均未全面考虑交直流混合微网系统的运行费用，尤其是随着储能的荷电状态值而动态变化的储能损耗费用，且交直流微网中储能与各个区域存在功率交互，储能作为微网的核心单元，其运行状态会对微网的经济运行带来巨大影响，因此需要在交直流混合微网的经济运行中计及储能的动态过程，采用较为精确且实用的储能损耗成本计算方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于储能损耗积分的交直流混合微网经济优化方法，该方法考虑到储能损耗的非线性特性，能够实现交直流混合微网的经济调度，为制定交直流混合微网的运行方式提供指导和帮助。
为此，本发明采用如下的技术方案：一种基于储能损耗积分的交直流混合微网经济优化方法，该方法包括以下步骤：
步骤1)，获取交直流混合微网的拓扑结构及基本参数；
步骤2)，获取储能的损耗函数；
步骤3)，建立交直流混合微网的经济优化模型，模型中包括目标函数和系统、设备的运行约束条件；
步骤4)，求解经济优化问题：利用YALMIP调用BNB法求解经济优化模型，获得交直流混合微网的最优经济运行方式。
作为优选，所述的步骤1)具体包括：获取交直流混合微网拓扑结构，确定交直流混合微网中包括的运行设备及各设备之间的连接关系；获取交直流混合微网基本参数。
作为优选，所述的交直流混合微网拓扑结构具体包括：交流母线接有风机及交流负荷，并通过并网联络线与大电网相连；直流母线上接入光伏、储能及直流负荷；交直流母线间通过双向换流器相连。
作为优选，所述的交直流混合微网基本参数具体包括：风机、光伏、储能、双向换流器和并网联络线的设备运行参数，交流负荷和直流负荷参数，购售电价。
作为优选，所述的步骤2)具体包括：获取储能损耗成本价格系数和储能荷电状态值参数，通过非线性拟合获取储能的损耗函数表达式，损耗函数利用指数函数表述，具体形式为：
MSB＝f(SOC)＝a·e-b·SOC+b+c
式中，MSB为储能的损耗成本价格系数；SOC为储能的荷电状态值；a、b和c分别为拟合出的函数系数。
作为优选，所述的步骤3)具体包括：
步骤31)，基于步骤1)和步骤2)，确定交直流混合微网的经济优化模型的目标函数，以日运行费用最小作为经济优化模型的目标函数，日运行费用包括设备维护成本、储能损耗成本、换流损耗成本及购售电费；具体形式为：
Figure BDA0001240840910000031
式中，f为日运行费用；Nt为一个运行周期的总时段数；Δt为每个时段的时间间隔；F1为设备维护成本；mWT、mPV和mCV分别为风机、光伏和双向换流器的维护成本系数；PWT(t)、PPV(t)和PCV(t)分别表示风机、光伏和双向换流器在t时段的运行功率，当交换功率从直流区流向交流区时PCV(t)为正，反之为负；F2为利用积分计算出的储能损耗成本，即对每个时段的MSB进行积分，累加后为储能损耗成本，SOC(t-1)和SOC(t)分别为储能在t-1和t时段的荷电状态值；F3为换流损耗成本；mCV-LOSS为折算到换流器运行功率下的换流损耗成本系数；mmCV-loss为换流器的损耗成本系数；ηCV为换流器的换流效率；F4为购售电费；Cbuy为购电费用；Csell为售电费用；mGD-buy(t)和mGD-sell(t)分别为t时段的购电电价和售电电价；PGD(t)是t时段并网联络线的运行功率，正值表示向电网购电，负值表示向电网售电；
步骤32)，基于步骤1)和步骤2)，确定交直流混合微网的经济优化模型的运行约束条件，交直流混合微网的运行中需要满足系统及各设备的运行约束，其中系统约束包括：
直流区功率平衡约束：
Figure BDA0001240840910000032
式中，ΔPDC(t)为直流区净功率；PPV(t)表示光伏在t时段的运行功率；PL-DC(t)是t时段直流负荷功率；若PCV’(t)为正，换流功率从直流区流向交流区，反之换流功率从交流区流向直流区；PSB(t)为t时段储能的充放电功率，正值表示充电，负值表示放电；ηCV为换流器的换流效率；
交流区功率平衡约束：
Figure BDA0001240840910000041
式中，ΔPAC(t)为交流区净功率；PL-AC(t)是t时段交流负荷功率；
各设备的运行约束包括风机、光伏、储能、双向换流器和并网联络线的运行约束，其中：
风机、光伏的运行约束为：
Figure BDA0001240840910000042
式中，PWTmax(t)为t时段风机最大可输出功率；PPVmax(t)为t时段光伏最大可输出功率；
储能的运行约束为：
Figure BDA0001240840910000043
式中，S(t)和S(t-1)分别为t和t-1时段储能的剩余电量；σ为自放电比例；ηC和ηD分别为储能充、放电效率；PCmax(t)和PDmax(t)分别为储能t时段最大充、放电功率允许值；Pcharge-max和Pdischarge-max分别为储能设置的最大充、放电持续功率；SOCmin和SOCmax分别为储能荷电状态值的下限和上限；EC为储能的额定容量；S(0)为储能的初始剩余电量；S(Nt)为储能在调度周期末的剩余电量；
双向换流器和并网联络线的运行约束为：
Figure BDA0001240840910000044
式中，PCVmax和PGDmax分别是双向换流器和并网联络线的的最大允许运行功率。
作为优选，所述的步骤4)具体包括：利用YALMIP生成经济优化模型的目标函数和约束条件，YALMIP调用BNB法迭代求解经济优化模型，获得交直流混合微网的最优经济运行方式。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明针对并网运行模式的交直流混合微网，以日运行费用最小为优化目标，建立了满足系统及设备运行约束的经济优化模型，更加全面考虑到交直流混合微网中分布式电源、储能、双向换流器及并网联络线等各部分产生的运行费用；在计及储能损耗成本的过程中，由于传统的储能损耗成本计算模型无法体现储能损耗与荷电状态值之间的非线性关系，本发明采用积分来计算储能损耗成本，能够精确连续地计算出从任一SOC充放电到另外一个SOC时的储能损耗成本。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明交直流混合微网的拓扑结构图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明的技术方案做进一步的说明。
如图1所示，本发明提供一种基于储能损耗积分的交直流混合微网经济优化方法，该方法包括以下步骤：
步骤1)，获取交直流混合微网的拓扑结构及基本参数；
步骤2)，获取储能的损耗函数；
步骤3)，建立交直流混合微网的经济优化模型，模型中包括目标函数和系统、设备的运行约束条件；
步骤4)，求解经济优化问题：利用YALMIP调用BNB法求解经济优化模型，获得交直流混合微网的最优经济运行方式。
作为优选方案，所述的步骤1)具体包括：获取交直流混合微网拓扑结构，确定微网中包括的运行设备及各设备之间的连接关系；获取交直流混合微网基本参数。
作为优选方案，所述的交直流混合微网拓扑结构具体包括：交流母线接有风机及交流负荷，并通过并网联络线与大电网相连；直流母线上接入光伏、储能及直流负荷；交直流母线间通过双向换流器相连；交直流混合微网的拓扑结构如图2所示。
作为优选方案，所述的交直流混合微网基本参数具体包括：风机、光伏、储能、双向换流器和并网联络线的设备运行参数；交流负荷和直流负荷参数；购售电价。
作为优选方案，所述的步骤2)具体包括：获取储能损耗成本价格系数和储能荷电状态值参数，通过非线性拟合获取储能的损耗函数表达式，损耗函数利用指数函数表述，具体形式为：
MSB＝f(SOC)＝a·e-b·SOC+b+c
式中，MSB为储能的损耗成本价格系数；SOC为储能的荷电状态值；a、b和c分别为拟合出的函数系数。
作为优选方案，所述的步骤3)具体包括：
步骤31)，基于步骤1)和步骤2)，确定交直流混合微网的经济优化模型的目标函数，以日运行费用最小作为经济优化模型的目标函数，日运行费用包括设备维护成本、储能损耗成本、换流损耗成本及购售电费；具体形式为：
Figure BDA0001240840910000061
式中，f为日运行费用；Nt为一个运行周期的总时段数；Δt为每个时段的时间间隔；F1为设备维护成本；mWT、mPV和mCV分别为风机、光伏和双向换流器的维护成本系数；PWT(t)、PPV(t)和PCV(t)分别表示风机、光伏和双向换流器在t时段的运行功率，当交换功率从直流区流向交流区时PCV(t)为正，反之为负；F2为利用积分计算出的储能损耗成本，即对每个时段的MSB进行积分，累加后为储能损耗成本，SOC(t-1)和SOC(t)分别为储能在t-1和t时段的荷电状态值；F3为换流损耗成本；mCV-LOSS为折算到换流器运行功率下的换流损耗成本系数；mmCV-loss为换流器的损耗成本系数；ηCV为换流器的换流效率；F4为购售电费；Cbuy为购电费用；Csell为售电费用；mGD-buy(t)和mGD-sell(t)分别为t时段的购电电价和售电电价；PGD(t)是t时段并网联络线的运行功率，正值表示向电网购电，负值表示向电网售电。
步骤32)，基于步骤1)和步骤2)，确定交直流混合微网的经济优化模型的运行约束条件，交直流混合微网的运行中需要满足系统及各设备的运行约束，其中系统约束包括：
直流区功率平衡约束：
Figure BDA0001240840910000071
式中，ΔPDC(t)为直流区净功率；PL-DC(t)是t时段直流负荷功率；若PCV’(t)为正，换流功率从直流区流向交流区，反之换流功率从交流区流向直流区；PSB(t)为t时段储能的充放电功率，正值表示充电，负值表示放电；
交流区功率平衡约束：
Figure BDA0001240840910000072
式中，ΔPAC(t)为交流区净功率；PL-AC(t)是t时段交流负荷功率。
各设备的运行约束包括风机、光伏、储能、双向换流器和并网联络线的运行约束，其中：
风机、光伏的运行约束为：
Figure BDA0001240840910000073
式中，PWTmax(t)为t时段风机最大可输出功率；PPVmax(t)为t时段光伏最大可输出功率。
储能的运行约束为：
Figure BDA0001240840910000074
式中，S(t)和S(t-1)分别为t和t-1时段储能的剩余电量；σ为自放电比例；ηC和ηD分别为储能充、放电效率；PCmax(t)和PDmax(t)分别为储能t时段最大充、放电功率允许值；Pcharge-max和Pdischarge-max分别为储能设置的最大充、放电持续功率；SOCmin和SOCmax分别为储能荷电状态值的下限和上限；EC为储能的额定容量；S(0)为储能的初始剩余电量；S(Nt)为储能在调度周期末的剩余电量。
双向换流器和并网联络线的运行约束为：
Figure BDA0001240840910000081
式中，PCVmax和PGDmax分别是双向换流器和并网联络线的的最大允许运行功率。
作为优选方案，所述的步骤4)具体包括：利用YALMIP生成经济优化模型的目标函数和约束条件，YALMIP调用BNB法迭代求解经济优化模型，获得交直流混合微网的最优经济运行方式。
本发明实施例的方法，以并网型交直流混合微网为研究对象，考虑到储能损耗受不同SOC的影响，SOC较低时充放单位电量比SOC较高时充放单位电量所带来的损耗成本更大，此时储能损耗成本不能再用传统的模型表示，提出一种能精确计算储能损耗成本的动态过程积分模型。基于储能损耗积分建立了交直流混合微网的经济优化模型，以日运行费用最小作为目标函数，并满足系统及设备的运行约束。最后利用YALMIP调用BNB法进行优化求解，获得交直流混合微网经济性最优的运行方式，优化结果可为交直流混合微网的经济运行提供指导。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种基于储能损耗积分的交直流混合微网经济优化方法，其包括以下步骤：
步骤1)，获取交直流混合微网的拓扑结构及基本参数；
步骤2)，获取储能的损耗函数；
步骤3)，建立交直流混合微网的经济优化模型，模型中包括目标函数和系统、设备的运行约束条件；
步骤4)，求解经济优化问题：利用YALMIP调用BNB法求解经济优化模型，获得交直流混合微网的最优经济运行方式；
所述的步骤3)具体包括：
步骤31)，基于步骤1)和步骤2)，确定交直流混合微网经济优化模型的目标函数，以日运行费用最小作为经济优化模型的目标函数，日运行费用包括设备维护成本、储能损耗成本、换流损耗成本及购售电费；
步骤32)，基于步骤1)和步骤2)，确定交直流混合微网的经济优化模型的运行约束条件，交直流混合微网在运行中需要满足系统及各设备的运行约束。
2.根据权利要求1所述的基于储能损耗积分的交直流混合微网经济优化方法，其特征在于，所述的步骤1)具体包括：获取交直流混合微网拓扑结构，确定交直流混合微网中包含的运行设备及各设备之间的连接关系；获取交直流混合微网的基本参数。
3.根据权利要求2所述的基于储能损耗积分的交直流混合微网经济优化方法，其特征在于，所述的交直流混合微网拓扑结构具体包括：交流母线接有风机及交流负荷，并通过并网联络线与大电网相连；直流母线上接入光伏、储能及直流负荷；交直流母线间通过双向换流器相连。
4.根据权利要求2所述的基于储能损耗积分的交直流混合微网经济优化方法，其特征在于，所述的交直流混合微网基本参数具体包括：风机、光伏、储能、双向换流器和并网联络线的设备运行参数，交流负荷和直流负荷参数，购售电价。
5.根据权利要求1所述的基于储能损耗积分的交直流混合微网经济优化方法，其特征在于，所述的步骤2)具体包括：获取储能损耗成本价格系数和储能荷电状态值参数，通过非线性拟合获取储能的损耗函数表达式，损耗函数利用指数函数表述，具体形式为：
MSB＝f(SOC)＝a·e-b·SOC+b+c，
式中，MSB为储能的损耗成本价格系数；SOC为储能的荷电状态值；a、b和c分别为拟合出的函数系数。
6.根据权利要求1所述的基于储能损耗积分的交直流混合微网经济优化方法，其特征在于，步骤31)中，日运行费用的具体形式为：
Figure FDA0002618826110000021
式中，f为日运行费用；Nt为一个运行周期的总时段数；Δt为每个时段的时间间隔；F1为设备维护成本；mWT、mPV和mCV分别为风机、光伏和双向换流器的维护成本系数；PWT(t)、PPV(t)和PCV(t)分别表示风机、光伏和双向换流器在t时段的运行功率，当交换功率从直流区流向交流区时PCV(t)为正，反之为负；F2为利用积分计算出的储能损耗成本，SOC(t-1)和SOC(t)分别为储能在t-1和t时段的荷电状态值；F3为换流损耗成本；mCV-LOSS为折算到换流器运行功率下的换流损耗成本系数；mmCV-loss为换流器的损耗成本系数；ηCV为换流器的换流效率；F4为购售电费；Cbuy为购电费用；Csell为售电费用；mGD-buy(t)和mGD-sell(t)分别为t时段的购电电价和售电电价；PGD(t)是t时段并网联络线的运行功率，正值表示向电网购电，负值表示向电网售电；MSB为储能的损耗成本价格系数。
7.根据权利要求6所述的基于储能损耗积分的交直流混合微网经济优化方法，其特征在于，步骤32)中，所述的系统约束包括：
直流区功率平衡约束：
Figure FDA0002618826110000031
式中，ΔPDC(t)为直流区净功率；PPV(t)表示光伏在t时段的运行功率；PL-DC(t)是t时段直流负荷功率；若PCV’(t)为正，换流功率从直流区流向交流区，反之换流功率从交流区流向直流区；PSB(t)为t时段储能的充放电功率，正值表示充电，负值表示放电；ηCV为换流器的换流效率；
交流区功率平衡约束：
Figure FDA0002618826110000032
式中，ΔPAC(t)为交流区净功率；PL-AC(t)是t时段交流负荷功率；PWT(t)表示风机在t时段的运行功率。
8.根据权利要求7所述的基于储能损耗积分的交直流混合微网经济优化方法，其特征在于，步骤32)中，各设备的运行约束包括风机、光伏、储能、双向换流器和并网联络线的运行约束，其中：
风机、光伏的运行约束为：
Figure FDA0002618826110000033
式中，PWTmax(t)为t时段风机最大可输出功率；PPVmax(t)为t时段光伏最大可输出功率；
储能的运行约束为：
Figure FDA0002618826110000034
式中，S(t)和S(t-1)分别为t和t-1时段储能的剩余电量；σ为自放电比例；ηC和ηD分别为储能充、放电效率；PCmax(t)和PDmax(t)分别为储能t时段最大充、放电功率允许值；Pcharge-max和Pdischarge-max分别为储能设置的最大充、放电持续功率；SOCmin和SOCmax分别为储能荷电状态值的下限和上限；EC为储能的额定容量；S(0)为储能的初始剩余电量；S(Nt)为储能在调度周期末的剩余电量；
双向换流器和并网联络线的运行约束为：
Figure FDA0002618826110000041
式中，PCVmax和PGDmax分别是双向换流器和并网联络线的最大允许运行功率。
9.根据权利要求1所述的基于储能损耗积分的交直流混合微网经济优化方法，其特征在于，所述的步骤4)具体包括：利用YALMIP生成经济优化模型的目标函数和约束条件，YALMIP调用BNB法迭代求解经济优化模型，获得交直流混合微网的最优经济运行方式。
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