CN107706933A - 基于储能分时状态决策的主动配电网三层优化调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力系统的优化调度技术领域，特别是涉及一种基于储能分时状态决策的主动配电网三层优化调度方法，所述方法包括：综合考虑负荷与可再生能源发电曲线波动情况，求出储能充放电状态划分的参考功率值，进而给出各区域储能装置的充放电时段划分；以网损最小为目标，考虑可再生能源、网络安全、区域联络线功率的约束，结合储能充放电时段，计算主干网调度计划以及各区域联络线功率；以发电费用最小为目标，结合储能充放电时段、区域联络线功率，考虑分布式电源、网络安全约束，对区域内的资源进行优化调度。本发明能延长电池使用寿命，使策略计算简单，实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统的优化调度技术领域，特别是涉及一种基于储能分时状态决策的主动配电网三层优化调度方法。
背景技术
随着环境问题的不断恶化，大量的以光伏、风电为主的可再生能源(RenewableEnergy RE)接入配电网，形成主动配电网(Active Distribution Network ADN)。可再生能源的出力受气候时间的影响不断变化，并与负荷高峰不相匹配，并且随着用户对电力需求不断增加，电网的电力峰谷差不断加大，运行中必须采取必要的调峰措施。
储能系统(Energy Storage System，ESS)具有储能密度大，安装灵活等优点，可以利用自身的充放电特点降低峰谷差，有效平抑负荷波动，是解决电网峰谷差的有效途径，同时，储能装置可以和可再生能源相配合，充分利用其资源，因此，大量的储能系统在电力系统中得到了广泛应用。
目前，储能系统的优化运行，主要存在以下几种方式：以削峰填谷为目标，对储能的充放电行为进行优化；考虑电价安排储能的优化运行，以减少用户费用支出；利用储能电池和可再生能源相配合，可再生资源发电量有剩余时充电，负荷高峰放电，解决可再生能源与负荷高峰不匹配的问题。这些方法大多直接把储能电池充放电状态作为开关函数，放入优化模型中进行求解，导致模型求解复杂，且有可能导致频繁的充放电行为，对储能电池的寿命造成威胁。所以，在调度优化之前，对储能的充放电时段进行划分，对储能的状态进行决策是十分必要的。
由于分布式电源的大量接入，目前主动配电网多采用全局优化+区域自治的双层优化调度方法，已有方法也是将储能的开关函数直接带到优化模型中，并没有对储能的充放电时段进行划分。
综上所述，对于主动配电网的优化调度，目前缺少一种基于储能分时状态决策的主动配电网三层优化调度方法的建模及求解方法。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种基于储能分时状态决策的主动配电网三层优化调度方法。
所述方法包括3个步骤：
步骤1：结合主动配电网的可再生能源、负荷历史曲线，求出负荷减去可再生能源发电功率的折合曲线，根据储能充电值大于放电值求出状态划分的参考功率值，折合功率大于等于参考功率值时放电，折合功率小于参考功率值时充电，从而给出各区域储能装置的充放电时段划分；
步骤2：以网损最小为目标，结合可再生能源、网络安全、区域联络线功率的约束，结合步骤1给出的储能充放电时段，计算主干网调度计划以及各区域联络线功率；
步骤3：以发电费用最小为目标，结合储能充放电时段、区域联络线功率，考虑分布式电源、网络安全约束，对区域内的资源进行优化调度。
所述步骤1中，参考功率值的求解方法如下：
∑∫PHdt为全天放电电量，
∑∫PLdt为全天充电电量，
式中,Pload为负荷有功功率,PRE为可再生能源发电功率,PH为储能放电功率,PL为储能充电功率,
结合主动配电网的再生能源、负荷历史曲线，得到日负荷曲线的预测值和可再生能源发电功率预测值，当时，使储能系统运行在充电状态，消除波谷，储存可再生资源；当时，使储能系统运行在充电状态，消除波峰，
由于储能电池自身损耗问题，要保证充电量大于放电量，
K＞1，t为时段，T为总的时段数，
令采用迭代法求解并取负荷减去可再生能源出力得到的折合功率曲线的平均值作为初值进行迭代，
其中，m为迭代公式,ε为要求的精确度，
①若|m|＜ε，则迭代完成，求得参考值
②若|m|＞ε，需要进行修正，当m＞0时，降低当m＜0时，增加
得到之后，就可以得到各时段区域l的充放电状态，即充电开关函数和放电开关函数
所述步骤2包括：
①目标函数：
其中，Iij,t为节点i到节点j的电流值；rij为线路的电阻值；T为总的时段数；J为主干网节点集合,
②约束条件：
a)线路有功平衡约束：
其中，Pij,t、Iij,t、rij分别为t时刻节点i到节点j的线路有功功率、电流、电阻；Pjk,t为t时刻节点j连接的其他线路的有功功率；Pj,m,t为t时刻节点j处可再生能源入网功率；为节点j处在t时刻的有功负荷；未定义；Pl为向区域l输出的功率；节点k为与节点j相连线路的末端节点，δ(j)为与节点j相连线路的末端节点集合；节点i为与节点j相连线路的首端节点；π(j)为与节点j相连线路的首端节点集合，
b)线路无功平衡约束：
其中，Qij,t、Iij,t、xij分别为t时刻，节点i到节点j的线路无功功率、电流、线路电抗；bj为节点j处的电纳；Qjk,t为节点j在t时刻连接的其他线路的无功功率；Vj,t为t时刻节点j的电压幅值；为t时刻节点j处上级电网注入无功功率；为节点j处在t时刻的无功负荷，
c)电压约束：
其中，Vi,t、Vj,t为t时刻节点i、j的电压幅值；Qij,t、Iij,t、xij分别为t时刻，节点i到节点j的线路无功功率、电流、线路电抗；Pij,t、Iij,t、rij分别为t时刻节点i到节点j的线路有功功率、电流、电阻,
d)线路潮流：
其中,Qij,t、Iij,t分别为t时刻，节点i到节点j的线路无功功率、电流；Pij,t为t时刻节点i到节点j的线路有功功率,
e)上级电网注入功率约束
其中，分别为注入有功功率的最小值、有功功率的最大值、无功功率的最小值、无功功率的最大值，Vi.t为t时刻节点i的电压值；
f)微型燃气轮机约束
式中：为微型燃气轮机功率输出最大值，分别为爬坡约束的最小值、爬坡约束的最大值；
g)储能约束
其中，分别为储能的开关变量；为储能在t时刻的容量；和C0分别为储能容量的最大值、最小值以及初始值；ηj为充电效率；为储能放电功率的最大值；为充电功率的最大值，
h)光伏、风电功率约束
其中，为t时刻可再生能源发电功率预测值；Pj,m,t为t时刻节点j处可再生能源入网功率，
i)网络安全约束
其中，Vj,max和Vj,min分别为电压的最大值与电压的最小值；Iij,max为电流的最大值，
j)区域联络线功率约束
其中，Pl为向区域l输出的功率；Vl为区域l连结点的电压值；Pl,min和Pl,max分别为区域l连结点功率的最小值与最大值；Vl,min和Vl,max分别为区域l连结点电压的最小值与最大值，
将潮线路潮流方程(5)作凸化松弛处理，将模型非线性问题转化为一个可被有效求解的混合整数二阶锥优化问题，
对模型非线性进行处理：
引入变量和消除原来的平方项，则式(2)等效如下：
式(3)等效如下：
式(4)等效如下：
将式(5)化为标准二阶锥形式：
安全约束式(10)等效如下：
所述步骤3包括：
①目标函数：
区域目标为总费用最小，包括储能费用，微型燃气轮机费用。
其中，分别为微型燃气轮机单位功率电价、储能单位功率电价； 分别为t时刻节点j处微型燃气轮机功率、储能放电功率、储能充电功率；T代表时间段，NMT代表微型燃气轮机个数，NBS代表储能电池组数，
②约束条件：
a)线路有功平衡约束：
其中，为步骤2下发的联络线有功功率计划值，
b)线路无功平衡约束：
其中，为步骤2下发的联络线无功功率计划值，
其他约束同公式(7)-(9)，(16)-(18)。
有益效果
(1)提出了各区域储能装置的充放电时段划分方法。以负荷与可再生能源发电曲线为基础，给出时段划分的参考值，给出各区域储能在各时段的充放电状态，并应用到全局和区域优化模型中；
(2)生成了基于储能分时状态决策的主动配电网三层优化调度模型。相较于传统优化方法，本发明将主动配电网的优化过程分为三个层次，结合负荷与可再生能源发电情况，给出各区域储能装置的充放电时段划分，既能起到削峰填谷的作用，又能延长电池使用寿命，使策略计算简单，实用性很强。
附图说明
图1为基于储能分时状态决策的主动配电网三层优化调度方法流程示意图；
图2为网络结构示意图；
图3为图2网络下区域1总负荷曲线；
图4为图2网络下区域1可再生能源发电功率曲线；
图5为最终的状态划分参考曲线；
图6为传统方法下的储能的充放电效果图；
图7为本发明方法下的储能的充放电效果图。
具体实施方式
如图1所示，基于储能分时状态决策的主动配电网三层优化调度方法包括3个步骤：
步骤1：结合主动配电网的可再生能源、负荷历史曲线，求出负荷减去可再生能源发电功率的折合曲线，根据储能充电值大于放电值求出状态划分的参考功率值，折合功率大于等于参考功率值时放电，折合功率小于参考功率值时充电，从而给出各区域储能装置的充放电时段划分；
步骤2：以网损最小为目标，结合可再生能源、网络安全、区域联络线功率的约束，结合步骤1给出的储能充放电时段，计算主干网调度计划以及各区域联络线功率；
步骤3：以发电费用最小为目标，结合储能充放电时段、区域联络线功率，考虑分布式电源、网络安全约束，对区域内的资源进行优化调度。
实施例1
针对某一配电网，结合其可再生能源、负荷历史曲线，得到日负荷曲线的预测值和可再生能源发电功率预测值，图2为主动配电网分区示意图，图3为区域1的总负荷曲线，图4为可再生能源发电功率曲线，将负荷曲线和可再生能源曲线相叠加，得到总的波动曲线，图5为最终的状态划分参考曲线。
结合主动配电网的再生能源、负荷历史曲线，得到日负荷曲线的预测值和可再生能源发电功率预测值，当时，使储能系统运行在充电状态，消除波谷，储存可再生资源；当时，使储能系统运行在充电状态，消除波峰，
由于储能电池自身损耗问题，要保证充电量大于放电量，则K＞1，t为时段，T为总的时段数，
令采用迭代法求解并取负荷减去可再生能源出力得到的折合功率曲线的平均值作为初值进行迭代，
其中，m为迭代公式,ε为要求的精确度,ε取值为0.01，
①若|m|＜ε，则迭代完成，求得参考值
②若|m|＞ε，需要进行修正，当m＞0时，降低当m＜0时，增加
得到之后，就可以得到各时段区域l的充放电状态，即充电开关函数和放电开关函数
所述步骤2包括：
①目标函数：
其中，Iij,t为节点i到节点j的电流值；rij为线路的电阻值；T为总的时段数；J为主干网节点集合,
②约束条件：
a)线路有功平衡约束：
其中，Pij,t、Iij,t、rij分别为t时刻节点i到节点j的线路有功功率、电流、电阻；Pjk,t为t时刻节点j连接的其他线路的有功功率；Pj,m,t为t时刻节点j处可再生能源入网功率；为节点j处在t时刻的有功负荷；未定义；Pl为向区域l输出的功率；节点k为与节点j相连线路的末端节点，δ(j)为与节点j相连线路的末端节点集合；节点i为与节点j相连线路的首端节点；π(j)为与节点j相连线路的首端节点集合，
b)线路无功平衡约束：
其中，Qij,t、Iij,t、xij分别为t时刻，节点i到节点j的线路无功功率、电流、线路电抗；bj为节点j处的电纳；Qjk,t为节点j在t时刻连接的其他线路的无功功率；Vj,t为t时刻节点j的电压幅值；为t时刻节点j处上级电网注入无功功率；为节点j处在t时刻的无功负荷，
c)电压约束：
其中，Vi,t、Vj,t为t时刻节点i、j的电压幅值；Qij,t、Iij,t、xij分别为t时刻，节点i到节点j的线路无功功率、电流、线路电抗；Pij,t、Iij,t、rij分别为t时刻节点i到节点j的线路有功功率、电流、电阻,
d)线路潮流：
其中,Qij,t、Iij,t分别为t时刻，节点i到节点j的线路无功功率、电流；Pij,t为t时刻节点i到节点j的线路有功功率,
e)上级电网注入功率约束
其中，分别为注入有功功率的最小值、有功功率的最大值、无功功率的最小值、无功功率的最大值，Vi.t为t时刻节点i的电压值；
f)微型燃气轮机约束
式中：为微型燃气轮机功率输出最大值，分别为爬坡约束的最小值、爬坡约束的最大值；
g)储能约束
其中，分别为储能的开关变量；为储能在t时刻的容量；和C0分别为储能容量的最大值、最小值以及初始值；ηj为充电效率；为储能放电功率的最大值；为充电功率的最大值，
h)光伏、风电功率约束
其中，为t时刻可再生能源发电功率预测值，Pj,m,t为t时刻节点j处可再生能源入网功率，
i)网络安全约束
其中，Vj,max和Vj,min分别为电压的最大值与电压的最小值；Iij,max为电流的最大值，
j)区域联络线功率约束
其中，Pl为向区域l输出的功率；Vl为区域l连结点的电压值；Pl,min和Pl,max分别为区域l连结点功率的最小值与最大值；Vl,min和Vl,max分别为区域l连结点电压的最小值与最大值，
将潮线路潮流方程(5)作凸化松弛处理，将模型非线性问题转化为一个可被有效求解的混合整数二阶锥优化问题，对模型非线性进行处理：
引入变量和消除原来的平方项，则式(2)等效如下：
式(3)等效如下：
式(4)等效如下：
将式(5)化为标准二阶锥形式：
安全约束式(10)等效如下：
所述步骤3包括：
①目标函数：
区域目标为总费用最小，包括储能费用，微型燃气轮机费用。
其中，分别为微型燃气轮机单位功率电价、储能单位功率电价； 分别为t时刻节点j处微型燃气轮机功率、储能放电功率、储能充电功率；T代表时间段，NMT代表微型燃气轮机个数，NBS代表储能电池组数，
②约束条件：
a)线路有功平衡约束：
其中，为步骤2下发的联络线有功功率计划值，
b)线路无功平衡约束：
其中，为步骤2下发的联络线无功功率计划值，
其他约束同公式(7)-(9)，(16)-(18)。
如图6与图7所示，本发明提出的基于储能分时状态决策的主动配电网三层优化调度方法的储能的充放电效果远远好于传统方法调度优化后，储能的充放电效果。
本发明提出的基于储能分时状态决策的主动配电网三层优化调度方法，综合考虑负荷与可再生能源发电情况，给出各区域储能装置的充放电时段；以网损最小为目标，结合储能状态层给出的储能充放电时段，给出调度计划以及各区域联络线功率；以发电费用最小为目标，结合储能充放电时段、区域联络线功率，对区域内的资源进行优化调度。所提出的主动配电网三层优化调度方法能够综合考虑负荷以及可再生能源出力的影响，起到削峰填谷的作用，并能延长电池使用寿命，且策略计算简单，实用性很强。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.基于储能分时状态决策的主动配电网三层优化调度方法，其特征在于，所述方法包括3个步骤，
步骤1：结合主动配电网的可再生能源、负荷历史曲线，求出负荷减去可再生能源发电功率的折合曲线，根据储能充电值大于放电值，求出状态划分的参考功率值，折合功率大于等于参考功率值时放电，折合功率小于参考功率值时充电，从而给出各区域储能装置的充放电时段；
步骤2：以网损最小为目标，结合可再生能源、网络安全、区域联络线功率的约束，结合步骤1给出的储能充放电时段，计算主干网调度计划以及各区域联络线功率；
步骤3：以发电费用最小为目标，结合储能充放电时段、区域联络线功率，考虑分布式电源、网络安全约束，对区域内的资源进行优化调度。
2.根据权利要求1所述的基于储能分时状态决策的主动配电网三层优化调度方法，其特征在于，所述步骤1中，参考功率值的求解方法如下：
∑∫PHdt为全天放电电量，
∑∫PLdt为全天充电电量，
其中,Pload为负荷有功功率,PRE为可再生能源发电功率,PH为储能放电功率,PL为储能充电功率,
结合主动配电网的再生能源、负荷历史曲线，得到日负荷曲线的预测值和可再生能源发电功率预测值，当区域负荷-可再生能源出力时，使储能系统运行在充电状态，消除波谷，储存可再生资源；当区域负荷-可再生能源出力时，使储能系统运行在充电状态，消除波峰，
由于储能电池自身损耗问题，要保证充电量大于放电量，则K＞1，t为时段，T为总的时段数，
令采用迭代法求解并取负荷减去可再生能源出力得到的折合功率曲线的平均值作为初值进行迭代，
其中，m为迭代公式,ε为要求的精确度，
①若|m|＜ε，则迭代完成，求得参考值
②若|m|＞ε，需要进行修正，当m＞0时，降低当m＜0时，增加
得到之后，就可以得到各时段区域l的充放电状态，即充电开关函数和放电开关函数
3.根据权利要求1所述的基于储能分时状态决策的主动配电网三层优化调度方法，其特征在于，所述步骤2包括：
①目标函数：
其中，Iij,t为节点i到节点j的电流值；rij为线路的电阻值；T为总的时段数；J为主干网节点集合，
②约束条件：
a)线路有功平衡约束：
其中，Pij,t、Iij,t、rij分别为t时刻节点i到节点j的线路有功功率、电流、电阻；Pjk,t为t时刻节点j连接的其他线路的有功功率；Pj,m,t为t时刻节点j处可再生能源入网功率；为节点j处在t时刻的有功负荷；未定义；Pl为向区域l输出的功率；节点k为与节点j相连线路的末端节点，δ(j)为与节点j相连线路的末端节点集合；节点i为与节点j相连线路的首端节点；π(j)为与节点j相连线路的首端节点集合，
b)线路无功平衡约束：
其中，Qij,t、Iij,t、xij分别为t时刻，节点i到节点j的线路无功功率、电流、线路电抗；bj为节点j处的电纳；Qjk,t为节点j在t时刻连接的其他线路的无功功率；Vj,t为t时刻节点j的电压幅值；为t时刻节点j处上级电网注入无功功率；为节点j处在t时刻的无功负荷，
c)电压约束：
其中，Vi,t、Vj,t为t时刻节点i、j的电压幅值；Qij,t、Iij,t、xij分别为t时刻，节点i到节点j的线路无功功率、电流、线路电抗；Pij,t、Iij,t、rij分别为t时刻节点i到节点j的线路有功功率、电流、电阻,
d)线路潮流：
其中,Qij,t、Iij,t分别为t时刻、节点i到节点j的线路无功功率、电流；Pij,t为t时刻节点i到节点j的线路有功功率,
e)上级电网注入功率约束
其中，分别为注入有功功率的最小值、有功功率的最大值、无功功率的最小值、无功功率的最大值；Vi.t为t时刻节点i的电压值；
f)微型燃气轮机约束
式中：为微型燃气轮机功率输出最大值；分别为爬坡约束的最小值、爬坡约束的最大值，
g)储能约束
其中，分别为储能的开关变量；为储能在t时刻的容量；和C0分别为储能容量的最大值、最小值以及初始值；ηj为充电效率；为储能放电功率的最大值；为充电功率的最大值，
h)光伏、风电功率约束
其中，为t时刻可再生能源发电功率预测值，Pj,m,t为t时刻节点j处可再生能源入网功率，
i)网络安全约束
其中，Vj,max和Vj,min分别为电压的最大值与电压的最小值；Iij,max为电流的最大值，
j)区域联络线功率约束
其中，Pl为向区域l输出的功率；Vl为区域l连结点的电压值；Pl,min和Pl,max分别为区域l连结点功率的最小值与最大值；Vl,min和Vl,max分别为区域l连结点电压的最小值与最大值。
4.根据权利要求3所述的基于储能分时状态决策的主动配电网三层优化调度方法，其特征在于，将潮线路潮流方程(5)作凸化松弛处理，将模型非线性问题转化为一个可被有效求解的混合整数二阶锥优化问题，对模型非线性进行处理：
引入变量和消除原来的平方项，则式(2)等效如下：
式(3)等效如下：
式(4)等效如下：
将式(5)化为标准二阶锥形式：
安全约束式(10)等效如下：
5.根据权利要求1所述的基于储能分时状态决策的主动配电网三层优化调度方法，其特征在于，所述步骤3包括：
①目标函数：
区域目标为总费用最小，包括储能费用，微型燃气轮机费用，
其中，分别为微型燃气轮机单位功率电价、储能单位功率电价； 分别为t时刻节点j处微型燃气轮机功率、储能放电功率、储能充电功率；T代表时间段，NMT代表微型燃气轮机个数，NBS代表储能电池组数，
②约束条件：
a)线路有功平衡约束：
其中，为步骤2下发的联络线有功功率计划值，
b)线路无功平衡约束：
其中，为步骤2下发的联络线无功功率计划值，
其他约束同公式(7)-(9)，(16)-(18)。
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