CN110046780A - 基于分时电价的孤岛微电网需求响应经济调度方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于分时电价的孤岛微电网需求响应经济调度方法，根据发电侧经济调度模型，在约束条件下推导出可控微型燃气轮机的理论最优输出公式；建立需求响应模型，构建含用电效用和用电成本的负荷侧效益目标函数，以及约束条件；根据需求响应模型，结合分时电价机制，计算出负载的最优接入量和微型燃气轮机最优输出量，调整可调负载和微型燃气轮机的输出量。系统包括有：微型燃气轮机的输出单元、需求响应模型单元和微电网的经济优化调度单元。优点是：基于分时电价优化可调负载的接入量，实现用户侧收益最大化；另外，调整微型燃气轮机的出力，使其微增率相等，实现孤岛微电网总的发电成本最小化；在优化过程中，能保证系统功率平衡。

Description

基于分时电价的孤岛微电网需求响应经济调度方法及系统

技术领域

本发明涉及微电网集中式优化技术领域，特别是基于分时电价的孤岛微电 网需求响应经济调度方法及系统。

背景技术

随着全球经济的飞速发展，电力需求也在不断提升，化石能源消耗量的飞 速增长加剧了全球能源的紧张以及环境的污染。分布式发电(Distributed Generation,DG)由于灵活、清洁等优点得到了迅速的发展，而微电网技术充分 发挥了分布式发电的优势，并且提高了可再生能源的利用率。微电网可以在并 网和孤岛运行模式之间平滑切换，而处于孤岛运行时，由于内部的不确定因素 将使得运行环境更加复杂。随着孤岛微电网控制技术的发展，学者们在关注孤 岛微电网稳定运行的同时，开始对其运行的经济效益展开研究。

在孤岛微电网运行中，峰值时段的峰值需求将给发电侧带来不小的压力， 而直接负荷切除手段忽略了用户侧的效益。需求响应作为微电网经济调度中的 一种重要资源，通过在微电网中加入可调负载，在分时电价机制下一起参与经 济调度，不仅能够移峰填谷、增加优化调度的手段，同时还能够提高用户侧的 效益。

发明内容

本发明的目的在于提供基于分时电价的孤岛微电网需求响应经济调度方法 及系统，在分时电价机制下，通过调整可调负载的接入量实现用户侧收益的最 大化；同时，调整微型燃气轮机的输出使其微增率相等，实现微电网发电总成 本最小化；并且在优化过程中，总能保证系统平衡。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：基于分时电 价的孤岛微电网需求响应经济调度方法，包括以下步骤：

S1：根据发电侧经济调度模型，在约束条件下推导出可控微型燃气轮机的 理论最优输出公式；

S2：建立需求响应模型，构建含用电效用和用电成本的负荷侧效益目标函 数，以及约束条件；

S3：根据需求响应模型，结合分时电价机制，计算出负载的最优接入量和 微型燃气轮机最优输出量，调整可调负载的接入量和微型燃气轮机的输出量， 实现孤岛微电网的经济优化调度。

优选的，所述步骤S1在约束条件下，微型燃气轮机的最优输出具体为：

S11：假设微电网中有m个微型燃气轮机，其中m为微型燃气轮机的个数， 第i个微型燃气轮机的发电成本函数为F_i,mt(p_i,mt)，则经济调度问题表示为所 有微型燃气轮机发电成本之和最小，即：

等式约束条件：

∑p_i,mt(t)+∑p_j,res(t)+p_ess(t)＝∑l_k(t)；

不等式约束条件：

其中，p_i,mt是微型燃气轮机i在t时刻的输出；p_j,res表示第j个可再生能源发 电在t时刻的输出；p_ess表示储能电源在t时刻的输出；l_k(t)为第k个负载在 t时刻的负载接入量，满足 和分别为微型燃气 轮机i的最小和最大输出；F_i,mt(p_i,mt)是微型燃气轮机i的发电成本函数；

S12：第i个微型燃气轮机的成本函数F_i,mt(p_i,mt)可以表示为其有功输出的二次 凸函数，

其中a_i,mt>0，b_i,mt>0，c_i,mt>0均为发电机i的成本参数；

S13：作如下简化处理，假设和那么，成本函数重新表示为：

S14：对第i个微型燃气轮机的成本函数F_i,mt(p_i,mt)求一次偏导数，得出其增量 成本表达式为：

S15：根据等微增率准则，当所有微型燃气轮机的增量成本相等时，此时发 电总成本达到最小，即此时微型燃气轮机的输出为其理论最优输出。

优选的，若所述步骤S1中约束条件为不包含不等式的约束条件，则有：

S16：若最优增量成本为λ^*，则微型燃气轮机的理论最优输出为：

优选的，若所述步骤S1中约束条件为包含不等式的约束条件，则有：

S17：对于不满足不等式条件的微型燃气轮机输出，将其输出值设为此微型 燃气轮机的最大输出或最小输出；对于满足不等式条件的微型燃气轮机，其 理论最优增量成本为：

其中，Ω_P为所有不满足不等式条件微型燃气轮机的集合；

因此，在包含不等式约束的约束条件下，微型燃气轮机的理论最优输出为：

优选的，所述步骤S2中需求响应模型中，用户侧负载包含可调负载和不可 调负载两类。

优选的，所述步骤S2中用户侧用电费用函数建立如下：

S21：根据分时电价机制，用户侧在t时刻的用电费用可表示如下，

其中c_f(t)表示t时刻的分时电价，表示可调负载i在t时刻的负载接入 量，c_in表示基准电价，表示不可调负载在t时刻的负载接入量，而C(t)表示 用户侧在t时刻所有负载的用电总费用。

优选的，所述步骤S2中用电效用函数建立如下：

S22：用电效用函数将每个负载的电能消耗质量描述为一个与其消耗量相关 的函数，用参数α_k>0和β_k>0来描述不同负载之间的电能消耗质量，负载k 在t时刻的用电效用可表示如下：

u_k(t)＝α_kl_k(t)-β_kl_k ²(t)；

其中α_k>0和β_k>0为区分不同负载之间电能消耗质量的参数，由负载的种 类决定，l_k(t)为负载k在t时刻的负载接入量，u_k(t)为负载k的效用函数，它随α_k线性增加，随β_k二次性递减。

优选的，所述步骤S2中用户侧效益目标函数建立如下：

S23：综合用电费用函数和用电效用函数，可以得到在t时刻，用户侧的收益 函数表示如下：

不等式约束条件：

其中和分别表示第i个可调负载接入量的最小值和最大值。

优选的，所述步骤S3中，经济优化调度过程如下：

S31：基于发电侧经济调度模型和需求响应模型，利用最优化方法求解得出 可调负载的最优接入量以及微型燃气轮机的最优输出量。

S32：在包含不等式条件下的经济调度下，当求解得出的可调负载接入设定 值大于(小于)可调负载最大(小于)接入限制时，设计越界处理规则，对 前面计算得出可调负载接入设定值做如下修改：

其中表示求解得出的可调负载最优接入量，Ω_l表示所有不满足不等式约束 的可调负载的集合

S33：在包含不等式条件下的经济调度下，当求解得出的微型燃气轮机输出 设定值大于(小于)微型燃气轮机最大(小于)输出限制时，设计越界处理 规则，对前面计算得出微型燃气轮机输出设定值做如下修改：

基于需求响应的孤岛微电网经济调度系统，所述系统包括有：

微型燃气轮机的输出单元，根据经济调度模型在约束条件下推导出微型燃 气轮机的理论最优输出公式；

需求响应模型单元，根据用户侧负载的用电费用和用电效用构建用户侧效 益目标函数，设置约束条件；

微电网的经济优化调度单元，求解经济调度模型和需求响应模型，根据计 算出的设定值调整可调负载的接入量和可控分布式发电DG输出，实现微电网 的经济优化调度。

与现有技术相比，本发明的优点是：

(1)通过实现微型燃气轮机的微增率相等，就能实现微电网总的发电成本 最小化；

(2)根据分时电价机制，调整可调负载的接入量，实现用户侧收益最大化；

(3)根据优化结果控制微型燃气轮机的输出，既能实现微型燃气轮机按设 定目标输出，并且保证在优化过程中，系统功率总是保持平衡的。

附图说明

图1为基于分时电价的孤岛微电网需求响应经济调度方法的流程示意图。

图2为基于分时电价的孤岛微电网需求响应经济调度方法中微电网拓扑结 构示意图。

图3为基于分时电价的孤岛微电网需求响应经济调度方法中经济优化调度 后的各时刻可调负载接入总量示意图。

图4为基于分时电价的孤岛微电网需求响应经济调度方法中经济优化调度 后的微电网系统频率、线电压以及储能装置输出的示意图。

图5为基于分时电价的孤岛微电网需求响应经济调度方法中含需求响应和 不含需求响应经济优化调度后用户侧收益的示意图。

图6为基于分时电价的孤岛微电网需求响应经济调度方法中经济优化调度 后的各微型燃气轮机增量成本示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通 过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对 本发明的限制。

如图1至图6所示；一种基于需求响应的微电网经济调度方法，它包 括有：

S1：根据发电侧经济调度模型，在约束条件下推导出可控微型燃气轮 机的理论最优输出公式；

S2：建立需求响应模型，构建含用电效用和用电成本的负荷侧效益目 标函数，以及约束条件；

S3：根据需求响应模型，结合分时电价机制，计算出负载的最优接入 量和微型燃气轮机最优输出量，调整可调负载的接入量和微型燃气轮机的 输出量，实现孤岛微电网的经济优化调度；

更具体地，步骤S1在微电网经济调度问题中，有：

S11：假设微电网中有m个微型燃气轮机，其中m为微型燃气轮机的 个数，第i个微型燃气轮机的发电成本函数为F_i,mt(p_i,mt)，则经济调度问题表 示为所有微型燃气轮机发电成本之和最小，即：

等式约束条件：

∑p_i,mt(t)+∑p_j,res(t)+p_ess(t)＝∑l_k(t)； (2)

不等式约束条件：

其中，p_i,mt是微型燃气轮机i在t时刻的输出；p_j,res表示第j个可再生能 源发电在t时刻的输出；p_ess表示储能电源在t时刻的输出；l_k(t)为第k个负 载在t时刻的负载接入量，满足 和分别为微型 燃气轮机i的最小和最大输出；；F_i,mt(p_i,mt)是微型燃气轮机i的发电成本函数；

S12：第i个微型燃气轮机的成本函数F_i,mt(p_i,mt)可以表示为其有功输出 的二次凸函数，

其中a_i,mt>0，b_i,mt>0，c_i,mt>0均为发电机i的成本参数；

S13：作如下简化处理，假设和那 么，成本函数重新表示为：

S14：对第i个微型燃气轮机的成本函数F_i,mt(p_i,mt)求一次偏导数，得出 其增量成本表达式为：

S15：根据等微增率准则，当所有微型燃气轮机的增量成本相等时， 此时发电总成本达到最小，即此时微型燃气轮机的输出为其理论最优输出。

S16：假定在不包含不等式约束的约束条件下，理论最优增量成本为λ^*，则 微型燃气轮机的理论最优输出为：

S17：假定在包含不等式约束的约束条件下，对于不满足不等式条件 的微型燃气轮机输出，将其输出值设为此微型燃气轮机的最大输出或最小 输出；对于满足不等式条件的微型燃气轮机，其理论最优增量成本为：

其中，Ω_P为所有不满足不等式条件微型燃气轮机的集合；

因此，在包含不等式约束的约束条件下，微型燃气轮机的理论最优输 出为：

步骤S2在需求响应模型中，用户侧负载包括可调负载和不可调负载。 根据分时电价机制构建用户侧用电费用和用电效用函数。

S21：根据分时电价机制，用户侧在t时刻的用电费用可表示如下，

其中c_f(t)表示t时刻的分时电价，表示可调负载i在t时刻的负载 接入量，c_in表示基准电价，表示不可调负载在t时刻的负载接入量， 而C(t)表示用户侧在t时刻所有负载的用电总费用。

S22：用电效用函数将每个负载的电能消耗质量描述为一个与其消耗 量相关的函数，用参数α_k>0和β_k>0来描述不同负载之间的电能消耗质量， 负载k在t时刻的用电效用可表示如下：

其中α_k>0和β_k>0为区分不同负载之间电能消耗质量的参数，由负载 的种类决定，l_k(t)为负载k在t时刻的负载接入量，u_k(t)为负载k的效用函 数，它随α_k线性增加，随β_k二次性递减。

S23：综合用电费用函数和用电效用函数，可以得到在t时刻，用户 侧的收益函数表示如下：

不等式约束条件：

其中和分别表示第i个可调负载接入量的最小值和最大 值

步骤S3在需求响应模型建立以后，根据求解发电侧经济调度模型和 需求响应模型的结果来控制微型燃气轮机的输出和可调负载的接入量，既 可以实现微型燃气轮机按设定目标输出，又可以保证在优化过程中，系统 功率保持平衡。

S31：基于发电侧经济调度模型和需求响应模型，利用最优化方法求 解得出可调负载的最优接入量以及微型燃气轮机的最优输出量。

S32：在包含不等式条件下的经济调度下，当求解得出的可调负载接 入设定值大于(小于)可调负载最大(小于)接入限制时，设计越界处理 规则，对前面计算得出可调负载接入设定值做如下修改：

其中表示求解得出的可调负载最优接入量，Ω_l表示所有不满足不等 式约束的可调负载的集合

S33：在包含不等式条件下的经济调度下，当求解得出的微型燃气轮 机输出设定值大于(小于)微型燃气轮机最大(小于)输出限制时，设计 越界处理规则，对前面计算得出微型燃气轮机输出设定值做如下修改：

在孤岛微电网中，工作与V/F控制模式下的储能电源(DG4)保证系 统电压频率稳定。V/F控制就是保证输出电压跟频率成正比的控制，能够 保持电动机的磁通一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生，多用于风机、泵 类节能型变频器用压控振荡器实现。在微电网电压频率偏离正常值时，会 立即向系统注入或吸收功率，从而保证系统功率平衡，维持系统电压频率 稳定。

然而，如果储能电源长时间输出或吸收功率，其SOC(Sate of Charge， SOC)可能过低或过高，从而影响下一次优化过程中对系统的调控。因此， 在采用V/F控制的储能电源输出的功率信息中引入参数γ＝-1，这样V/F 控制模式下储能电源的输出功率就可以当作一个负载，从而能够被微型燃 气轮机所分担，使得储能电源的输出快速恢复到零状态。

更具体地，在图2中，假设孤岛微电网中各DG的控制方式和相关参 数如表1所示，负载的相关参数设置如表2所示。就发电成本最小问题而 言，通常来说，只考虑可控DG的有功功率的发电成本，而忽略光伏、风 机以及无功功率的发电成本。

表1分布式电源(DG)相关参数

表2负载相关参数

采用最优化方法求解模型的结果来控制微型燃气轮机的有功功率输 出以及可调负载的接入量，其仿真结果如图3至图6所示。图3为用户侧 各时刻可调负载接入总量；图4由上到下分别为系统线电压、系统频率以 及储能电源的输出；图5为含需求响应和不含需求响应用户侧收益结果； 图6为各微型燃气轮机的增量成本

本发明的还提供一种基于需求响应的孤岛微电网经济调度系统，它包 括有：

微型燃气轮机的输出单元，根据经济调度模型在约束条件下推导出微 型燃气轮机的理论最优输出公式；

需求响应模型单元，根据用户侧负载的用电费用和用电效用构建用户 侧效益目标函数，设置约束条件；

微电网的经济优化调度单元，求解经济调度模型和需求响应模型，根据计 算出的设定值调整可调负载的接入量和可控分布式发电DG输出，实现微电网 的经济优化调度。

以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此， 任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明 的专利范围之中。

Claims (10)

1.基于分时电价的孤岛微电网需求响应经济调度方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：根据发电侧经济调度模型，在约束条件下推导出可控微型燃气轮机的理论最优输出公式；

S2：建立需求响应模型，构建含用电效用和用电成本的负荷侧效益目标函数，以及约束条件；

S3：根据需求响应模型，结合分时电价机制，计算出负载的最优接入量和微型燃气轮机最优输出量，调整可调负载的接入量和微型燃气轮机的输出量，实现孤岛微电网的经济优化调度。

2.如权利要求1所述的基于分时电价的孤岛微电网需求响应经济调度方法，其特征在于：所述步骤S1在约束条件下，微型燃气轮机的最优输出具体为：

S11：假设微电网中有m个微型燃气轮机，其中m为微型燃气轮机的个数，第i个微型燃气轮机的发电成本函数为F_i,mt(p_i,mt)，则经济调度问题表示为所有微型燃气轮机发电成本之和最小，即：

等式约束条件：

∑p_i,mt(t)+∑p_j,res(t)+p_ess(t)＝∑l_k(t)；

不等式约束条件：

其中，p_i,mt是微型燃气轮机i在t时刻的输出；p_j,res表示第j个可再生能源发电在t时刻的输出；p_ess表示储能电源在t时刻的输出；l_k(t)为第k个负载在t时刻的负载接入量，满足 和分别为微型燃气轮机i的最小和最大输出；F_i,mt(p_i,mt)是微型燃气轮机i的发电成本函数；

S12：第i个微型燃气轮机的成本函数F_i,mt(p_i,mt)可以表示为其有功输出的二次凸函数，

其中a_i,mt＞0，b_i,mt＞0，c_i,mt＞0均为发电机i的成本参数；

S13：作如下简化处理，假设和那么，成本函数重新表示为：

S14：对第i个微型燃气轮机的成本函数F_i,mt(p_i,mt)求一次偏导数，得出其增量成本表达式为：

S15：根据等微增率准则，当所有微型燃气轮机的增量成本相等时，此时发电总成本达到最小，即此时微型燃气轮机的输出为其理论最优输出。

3.如权利要求2所述的基于分时电价的孤岛微电网需求响应经济调度方法，其特征在于：若所述步骤S1中约束条件为不包含不等式的约束条件，则有：

S16：若最优增量成本为λ^*，则微型燃气轮机的理论最优输出为：

4.如权利要求2所述的基于分时电价的孤岛微电网需求响应经济调度方法，其特征在于：若所述步骤S1中约束条件为包含不等式的约束条件，则有：

S17：对于不满足不等式条件的微型燃气轮机输出，将其输出值设为此微型燃气轮机的最大输出或最小输出；对于满足不等式条件的微型燃气轮机，其理论最优增量成本为：

其中，Ω_P为所有不满足不等式条件微型燃气轮机的集合；

因此，在包含不等式约束的约束条件下，微型燃气轮机的理论最优输出为：

5.如权利要求1所述的基于分时电价的孤岛微电网需求响应经济调度方法，其特征在于：所述步骤S2中需求响应模型中，用户侧负载包含可调负载和不可调负载两类。

6.如权利要求1所述的基于分时电价的孤岛微电网需求响应经济调度方法，其特征在于：所述步骤S2中用户侧用电费用函数建立如下：

S21：根据分时电价机制，用户侧在t时刻的用电费用可表示如下，

其中c_f(t)表示t时刻的分时电价，l_i ^fl(t)表示可调负载i在t时刻的负载接入量，c_in表示基准电价，表示不可调负载在t时刻的负载接入量，而C(t)表示用户侧在t时刻所有负载的用电总费用。

7.如权利要求1所述的基于分时电价的孤岛微电网需求响应经济调度方法，其特征在于：所述步骤S2中用电效用函数建立如下：

S22：用电效用函数将每个负载的电能消耗质量描述为一个与其消耗量相关的函数，用参数α_k＞0和β_k＞0来描述不同负载之间的电能消耗质量，负载k在t时刻的用电效用可表示如下：

u_k(t)＝α_kl_k(t)-β_kl_k ²(t)；

其中α_k＞0和β_k＞0为区分不同负载之间电能消耗质量的参数，由负载的种类决定，l_k(t)为负载k在t时刻的负载接入量，u_k(t)为负载k的效用函数，它随α_k线性增加，随β_k二次性递减。

8.如权利要求1所述的基于分时电价的孤岛微电网需求响应经济调度方法，其特征在于：所述步骤S2中用户侧效益目标函数建立如下：

S23：综合用电费用函数和用电效用函数，可以得到在t时刻，用户侧的收益函数表示如下：

不等式约束条件：

其中和分别表示第i个可调负载接入量的最小值和最大值。

9.如权利要求2所述的基于分时电价的孤岛微电网需求响应经济调度方法，其特征在于：所述步骤S3中，经济优化调度过程如下：

S31：基于发电侧经济调度模型和需求响应模型，利用最优化方法求解得出可调负载的最优接入量以及微型燃气轮机的最优输出量。

S32：在包含不等式条件下的经济调度下，当求解得出的可调负载接入设定值大于(小于)可调负载最大(小于)接入限制时，设计越界处理规则，对前面计算得出可调负载接入设定值做如下修改：

其中l_i ^fl*表示求解得出的可调负载最优接入量，Ω_l表示所有不满足不等式约束的可调负载的集合

S33：在包含不等式条件下的经济调度下，当求解得出的微型燃气轮机输出设定值大于(小于)微型燃气轮机最大(小于)输出限制时，设计越界处理规则，对前面计算得出微型燃气轮机输出设定值做如下修改：

10.基于需求响应的孤岛微电网经济调度系统，其特征在于，所述系统包括有：微型燃气轮机的输出单元，根据经济调度模型在约束条件下推导出微型燃气轮机的理论最优输出公式；

需求响应模型单元，根据用户侧负载的用电费用和用电效用构建用户侧效益目标函数，设置约束条件；

微电网的经济优化调度单元，求解经济调度模型和需求响应模型，根据计算出的设定值调整可调负载的接入量和可控分布式发电DG输出，实现微电网的经济优化调度。