CN110112786B - 一种含电热负荷的微网系统能量管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含电热负荷的微网系统能量管理方法，包括以下步骤：S1：建立含可控热负荷的微网系统综合模型，并提出代价函数F(k+1)，用于衡量每个控制周期的运行成本，其中包括微网的电费、并网功率、室内温度、电储能系统荷电状态等，代价函数值越小表示微网运行效果越优；S2：将微网能量管理指令分为负荷控制类和储能控制类两种。本发明建立了微网中各单元的功率和经济模型，提出微网运行代价函数，通过分类管理避免热电耦合，解决储能和热负荷之间的功率分配问题，简化了控制过程，便于微网能量管理系统实现管理功能。

Description

一种含电热负荷的微网系统能量管理方法

技术领域

本发明涉及能量管理技术领域，尤其涉及一种含电热负荷的微网系统能量管理方法。

背景技术

近年来，采用分布式发电技术和储能系统的微电网已成为解决农村地区供热供电问题最有希望的解决方案之一。在某些微网系统中，所产生的电力不仅能满足电力需求，还能满足供热需求，除可再生能源发电系统外，此类微网还包含了可控制的热负荷，典型的含热负荷的光伏微网系统结构如图2所示。此类微网系统中储能和热负荷均可由能源管理系统(EMS)进行功率和能量的控制。相关的研究和应用证明，对发电、储电及用电进行综合管理有助于提高可再生能源的渗透性，改善系统整体经济性，降低运行成本，因此，此类微网系统受到越来越多的关注。

能量管理系统中的管理策略对微网的运行至关重要，但在一些传统的能量管理方法中，仅考虑了对可再生能源发电及储能系统进行运行控制及管理，以满足供电需求，此类能量管理方法无法适用于含可控热负荷的微网系统。即便是考虑了热管理的微网相关研究中，包括天然气、沼气和燃料能源等负荷的能量管理都有较为丰富的研究成果，但常见的电热负荷与可再生能源、电储能相结合的微网系统，相关研究却鲜有讨论。

目前典型的电热负荷类型包括碳纤维加热器、热泵和电热水器等，其运行过程中存在电、热耦合，同时，这类电负荷在运行过程中具有储存能量的能力，因此它们也与电储能装置具有一定程度的相似性，如何在储能和热负荷之间分配功率指令是此类能量管理策略研究中的一个关键问题。

基于上述背景，提出一种含电热负荷的微网系统能量管理方法。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出一种适用于含光伏发电、电储能以及可控电热负荷的能量管理策略，以提高其经济性、舒适性和可再生能源的渗透性。针对可控热负荷导致的自由度和控制复杂性的增加问题，提出一种分类管理的能量管理方法。

本发明提出的一种含电热负荷的微网系统能量管理方法，包括以下步骤：

提出一种基于分类管理的微网能量管理方法，简化能量管理过程，保证能量管理系统能够实现对复杂微网系统的智能化管理。提出如下能量管理的代价函数：

F(k+1)＝P_g(k+1)·c_g+|T(k+1)-T_h|·c_T+|SOC(k+1)-SOC_h|·c_SOC+|P_g(k+1)|·c_v

其中，F(k+1)为每个控制周期的运行成本，Pg(k+1)、T(k+1)、SOC(k+1)分别为微网的并网功率、室内温度、电储能系统荷电状态，c_g、c_T、c_SOC、c_v分别为电价、并网功率、荷电状态以及并网功率的单位代价，因此，P_g(k+1)*c_g为微网电费成本，|T(k+1)-T_h|*c_T为温度误差成本，该成本越小，室内温度舒适度越高，|SOC(k+1)-SOC_h|*c_SOC为荷电状态偏差成本，该成本越小，电池运行健康状态越优，|P_g(k+1)|*c_v为并网功率成本，该成本越小，微网可再生能源发电本地消纳率越高，当F(k+1)最小时，微网系统的能量管理效果最优。

考虑到电热负荷表现出一定的与电储能相似的特性，即具有能量存储能力，为了简化能量管理过程，在此将能量管理控制指令分为以下两类：

1)热负荷控制指令：仅控制微网热负荷功率，不改变储能功率，此时功率表达式如下：

2)电储能控制指令：仅控制微网电储能功率，不改变热负荷功率，此时功率表达式如下：

在每个控制周期，分别计算两种控制指令的功率值，以及采用该指令情况下的运行代价F(k+1)。

当采用类型1)功率指令时，下一周期的温度、荷电状态、以及并网功率的表达式如下所示：

T(k+1)＝T(k)+e₀·t·n(k+1)-(T(k)-T_out(k))·v_T·t

P_g(k+1)＝P_load(k+1)-P_PV(k+1)-P_ESS(k+1)

≈P_load(k)+n(k+1)·P₀-P_PV(k)-P_ESS(k)

＝P_g(k)+n(k+1)·P₀

其中，e₀为单台电热装置开启时的温升速度，n为开启的电热装置数量(n＝[0,1….N])，v_T为室内外温差造成的降温速度，t为控制周期，C_ESS为电储能容量，P₀为单台电热装置的功率。由于电热装置数量N为有限值，可以使用逐一比较的穷举方法实现最优控制指令的求解，将所有可选的n的值逐一带人如下代价函数，比较得到最优的控制功率及代价值：

当采用类型2)功率指令时，下一周期的温度、荷电状态、以及并网功率的表达式如下所示：

T(k+1)＝T(k)+e₀·t·n(k)-(T(k)-T_out(k))·v_T·t

P_g(k+1)＝P_load(k+1)-P_PV(k+1)-P_ESS(k+1)

≈P_load(k)-P_PV(k)-(P_ESS(k)+P_ESS(k+1))

＝P_g(k)-P_ESS(k+1)

其中ΔP_ESS(k+1)为储能功率变化值。由于储能功率为连续量，具有无穷种可能的解，因此使用函数微分的方法求取最优功率值，代价函数F(k+1)对功率的变化值ΔP_ESS(k+1)求解，可得所有可能的最优解表达式如下：

将三种可能的解分别代入代价函数F(k+1)并逐一比较，求得采用类型2)功率指令时的最优功率值以及相应的代价函数值。

最后再与之前求得的类型1)功率指令的最小代价函数比较，如果类型1)的代价函数较小，采用热负荷功率控制，如果类型2)的代价函数较小，采用电储能功率控制。

本发明的有益效果：本发明建立了微网中各单元的功率和经济模型，提出微网运行代价函数，通过分类管理避免热电耦合，解决储能和热负荷之间的功率分配问题，简化了控制过程，便于微网能量管理系统实现管理功能。

附图说明

图1为本发明提出的一种含电热负荷的微网系统能量管理方法流程图；

图2为现有技术中含热负荷的微网系统结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。

实施例

本发明提出一种基于分类管理的含可控热负荷微网系统能量管理方法，提出微网运行代价函数如下所示：

F(k+1)＝P_g(k+1)·c_g+|T(k+1)-T_h|·c_T+|SOC(k+1)-SOC_h|·c_SOC+|P_g(k+1)|·c_v

为了简化能量管理过程，在此将能量管理控制指令分为以下两类：

1)热负荷控制指令：仅控制微网热负荷功率，不改变储能功率，此时功率表达式如下：

2)电储能控制指令：仅控制微网电储能功率，不改变热负荷功率，此时功率表达式如下：

在每个控制周期，分别计算两种控制指令的功率值，以及采用该指令情况下的运行代价F(k+1)。

当采用类型1)功率指令时，下一周期的温度、荷电状态、以及并网功率的表达式如下所示：

T(k+1)＝T(k)+e₀·t·n(k+1)-(T(k)-T_out(k))·v_T·t

P_g(k+1)＝P_load(k+1)-P_PV(k+1)-P_ESS(k+1)

≈P_load(k)+n(k+1)·P₀-P_PV(k)-P_ESS(k)

＝P_g(k)+n(k+1)·P₀

其中，e₀为单台电热装置开启时的温升速度，n为开启的电热装置数量(n＝[0,1….N])，v_T为室内外温差造成的降温速度，t为控制周期，C_ESS为电储能容量，P₀为单台电热装置的功率。由于电热装置数量N为有限值，可以使用逐一比较的穷举方法实现最优控制指令的求解，将所有可选的n的值逐一带人如下代价函数，比较得到最优的控制功率及代价函数值：

当采用类型2)功率指令时，下一周期的温度、荷电状态、以及并网功率的表达式如下所示：

T(k+1)＝T(k)+e₀·t·n(k)-(T(k)-T_out(k))·v_T·t

P_g(k+1)＝P_load(k+1)-P_PV(k+1)-P_ESS(k+1)

≈P_load(k)-P_PV(k)-(P_ESS(k)+P_ESS(k+1))

＝P_g(k)-P_ESS(k+1)

其中ΔP_ESS(k+1)为储能功率变化值。由于储能功率为连续量，具有无穷种可能的解，因此使用函数微分的方法求取最优功率值，代价函数F(k+1)对功率变化值ΔP_ESS(k+1)求微分，结果与能量管理方法中的参数取值相关，其微分结果如下所示：

对微分结果进行化简，可以求得各种参数取值情况下的解，该代价函数所有潜在最优解如下式所示：

可得所有可能的最优解表达式如下：

将三种可能的解分别代入代价函数F(k+1)并逐一比较，求得采用类型2)功率指令时的最优功率值以及相应的代价函数值。

最后再与之前求得的类型1)功率指令的最小代价函数比较，如果类型1)的代价函数较小，采用热负荷功率控制，如果类型2)的代价函数较小，采用电储能功率控制。

以上所述，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种含电热负荷的微网系统能量管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立含可控热负荷的微网系统综合模型，综合考虑光储与加热负荷微网系统的经济性与舒适性，提出代价函数F(k+1)，用于衡量每个控制周期的运行成本，其中包括微网的电费、并网功率、室内温度、电储能系统荷电状态等，代价函数值越小表示微网运行效果越优；

S2：将微网能量管理指令分为负荷控制类和储能控制类两种，采用针对目标函数的代数公式求解思路，推导出综合目标函数最优解的固定代数表达式，推导过程详见实施方案；

S3：当采用负荷控制类功率指令时，得出下一周期的温度、荷电状态、以及并网功率的表达式，并采用穷举法得出最优的控制功率及采用该指令情况下的微网运行代价函数值；

热负荷控制指令：仅控制微网热负荷功率，不改变储能功率，此时功率表达式如下：

下一周期的温度、荷电状态、以及并网功率的表达式如下所示：

T(k+1)＝T(k)+e₀·t·n(k+1)-(T(k)-T_out(k))·v_T·t

P_g(k+1)＝P_load(k+1)-P_PV(k+1)-P_ESS(k+1)

≈P_load(k)+n(k+1)·P₀-P_PV(k)-P_ESS(k)

＝P_g(k)+n(k+1)·P₀

最优的控制功率及代价函数值：

S4：当采用储能控制类功率指令时，得出下一周期的温度、荷电状态、以及并网功率的表达式，采用微分法得出最优控制功率值及采用该指令情况下的微网运行代价函数值；

电储能控制指令：仅控制微网电储能功率，不改变热负荷功率，此时功率表达式如下：

下一周期的温度、荷电状态、以及并网功率的表达式如下所示：

T(k+1)＝T(k)+e₀·t·n(k)-(T(k)-T_out(k))·v_T·t

P_g(k+1)＝P_load(k+1)-P_PV(k+1)-P_ESS(k+1)

≈P_load(k)-P_PV(k)-(P_ESS(k)+ΔP_ESS(k+1))

＝P_g(k)-ΔP_ESS(k+1)

其微分结果如下所示：

对微分结果进行化简，可以求得各种参数取值情况下的解，该代价函数所有潜在最优解如下式所示：

可得所有可能的最优解表达式如下：

S5：在计算得到两类管理模式下的最优功率指令后，比较两类的代价函数，选择其中较小的一类作为综合最优管理指令。

2.根据权利要求1所述的一种含电热负荷的微网系统能量管理方法，其特征在于，所述S1中，代价函数表达式为：

F(k+1)＝P_g(k+1)·c_g+|T(k+1)-T_h|·c_T+|SOC(k+1)-SOC_h|·c_SOC+|P_g(k+1)|·c_v

其中，F(k+1)为每个控制周期的运行成本，Pg(k+1)、T(k+1)、SOC(k+1)分别为微网的并网功率、室内温度、电储能系统荷电状态，c_g、c_T、c_SOC、c_v分别为电价、并网功率、荷电状态以及并网功率的单位代价。

Images