中國儲能網(wǎng)訊：本期給大家?guī)淼氖请娏κ袌鱿碌奈㈦娋W(wǎng)能量管理方法。該發(fā)明的申請人是西電通用電氣自動化有限公司，發(fā)明人為丁巖、柳明、張娜、雷智榮、董潔慧。
摘要
本發(fā)明公開了一種電力市場下的微電網(wǎng)能量管理方法，該方法MEMS結(jié)合市場實時電價以及分布式供電商報價、機組容量等信息，在可再生能源出力預(yù)測和負(fù)荷預(yù)測技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化程度制定分布式供電商的生產(chǎn)計劃，同時確定負(fù)荷側(cè)的控制方案。經(jīng)過優(yōu)化的方案再通過信息傳輸給局部控制器如分布式電源控制器以及負(fù)荷控制器。分布式電源控制器控制機組出力，負(fù)荷控制器按優(yōu)化方案控制可控負(fù)荷。以最小化供電商的運行費用和負(fù)荷側(cè)的競價補貼費用為目標(biāo)，所有參與該項目的用戶都必須按決策信息約定執(zhí)行MEMS下發(fā)的控制計劃命令。上述方法通過激勵的機制刺激用戶參與，對于負(fù)荷側(cè)補貼競價的方法，用戶可以操作報價控制自己的收益。
1 .電力市場下的微電網(wǎng)能量管理方法，其特征在于：包括以下步驟：
1)能量管理系統(tǒng)收集最新的分布式供電商的能源預(yù)測數(shù)據(jù)、用戶的負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)以及電網(wǎng)供電商實時電價;同時能量管理系統(tǒng)將實時電價信息發(fā)送給各個分布式供電商以及用戶;
2)分布式供電商每隔一段時間根據(jù)開放電力市場中的實時電價決定自己的發(fā)電報價，并申報給能量管理系統(tǒng);用戶側(cè)每隔一段時間根據(jù)對可控負(fù)荷的依賴程度以及市場電價決定是否參與可控負(fù)荷補貼競價，如參與則將可控負(fù)荷補貼報價申報給能量管理系統(tǒng)，同分布式供電商、電網(wǎng)供電商一起參與市場競爭;
3)能量管理系統(tǒng)將收集到的所有預(yù)測信息，綜合最新供電商報價、可控負(fù)荷補貼報價以及分布式供電商的可控機組容量信息，通過混合整數(shù)規(guī)劃方法計算求解得到下一時間周期內(nèi)的最優(yōu)調(diào)度方案，并根據(jù)最優(yōu)調(diào)度方案將下一時段決策信息發(fā)送給各個分布式供電商及參與競價的用戶;
4)被選中的供電商按照決策信息要求執(zhí)行能量管理系統(tǒng)下達的決策，同時被選中的用戶按照要求削減可控負(fù)荷;用戶通過可控負(fù)荷補貼報價被選中將獲得可控負(fù)荷報價的補貼。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力市場下的微電網(wǎng)能量管理方法，其特征在于：所述的最優(yōu)調(diào)度方案以最小化微網(wǎng)的總運行費用為目標(biāo)，其目標(biāo)函數(shù)為：
式中：ΔT為單位時間間隔;N為分布式供應(yīng)商的數(shù)量; 為供應(yīng)商i在t時段的報價;為供應(yīng)商i在t時段的出力;C(t)為t時段市場電價;Pb(t)為t時段從電網(wǎng)的購電量;M為參與可控負(fù)荷報價的用戶數(shù); 為用戶j在t時段的可控負(fù)荷報價; 為用戶j可控負(fù)荷的量，為用戶j削減負(fù)荷的量; 和分別為供應(yīng)商i的最小和最大出力;和 分別表示供應(yīng)商i和用戶j被接受的狀態(tài)變量，其值為1時，表示被接受，為0時表示未被接受; 為公共線路所允許的最大傳輸功率;PL(t)為t時段的負(fù)荷預(yù)測值。
3 .根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力市場下的微電網(wǎng)能量管理方法，其特征在于：步驟4)具體包括：在實時電價相對較低，能量管理系統(tǒng)向電力市場購電，成本較高的分布式供電商在某些時段未被采用;在實時電價較高時，微網(wǎng)減少向電力市場購電，選擇本地供電商的機組供應(yīng);用戶參與競價后，在競價時間段之內(nèi)，市場實時電價較高，能量管理系統(tǒng)減少向電力市場購電，通過削減報價較低的用戶側(cè)可控負(fù)荷減少運行的費用。
4 .根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力市場下的微電網(wǎng)能量管理方法，其特征在于：還包括如果發(fā)電量滿足不了用戶側(cè)負(fù)荷要求時，則能量管理系統(tǒng)向電力市場購電。
5 .根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力市場下的微電網(wǎng)能量管理方法，其特征在于：所述的一段時間為30～60min。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力市場下的微電網(wǎng)能量管理方法，其特征在于：分布式供電商的能源包括光伏發(fā)電、燃料電池發(fā)電、燃?xì)廨啓C發(fā)電、內(nèi)燃機發(fā)電和天然氣發(fā)電。
7 .根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力市場下的微電網(wǎng)能量管理方法，其特征在于：用戶側(cè)可控負(fù)荷包括電鍋爐、熱水器或飲水機、制冰機、冷水機、冷庫和空調(diào)。
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種電力市場下的微電網(wǎng)能量管理方法。
背景技術(shù)
隨著我國電力市場化的改革，建立可體現(xiàn)供求關(guān)系的電力市場是未來的發(fā)展趨勢。加之近幾年霧霾肆虐帶來的空氣污染，僅靠不斷擴建發(fā)電側(cè)已經(jīng)滿足不了發(fā)展的需求，同時更需要配合以合理的能量管理優(yōu)化方法。
在開放的電力市場環(huán)境下，微網(wǎng)中獨立的分布式發(fā)電商和用戶都能參與到市場當(dāng)中，如何在滿足供需平衡的基礎(chǔ)上設(shè)計出更加節(jié)能環(huán)保，可優(yōu)化微網(wǎng)運營成本的能量管理方法，是現(xiàn)今需要解決的一個技術(shù)問題。
(1)現(xiàn)有的能量管理技術(shù)，多是通過優(yōu)化控制可控電源，儲能來進行能量管理，但分布式發(fā)電的隨機性，不穩(wěn)定性給能量管理帶來很大的局限，或需要配備更充足的儲能或大電網(wǎng)支持，僅通過控制可控電源并不是最理想的能量管理方法;
(2)現(xiàn)有能量管理技術(shù)缺少對負(fù)荷側(cè)的具體優(yōu)化策略，由于負(fù)荷側(cè)需要削減可觀的負(fù)荷才能達到控制的目地，因此目前只有一些大的工業(yè)用戶才參與到響應(yīng)中。事實上，微網(wǎng)的負(fù)荷水平在幾十kW至數(shù)十MW，包含了多種負(fù)荷類型，微網(wǎng)的用戶側(cè)具有良好的潛力參與響應(yīng)，應(yīng)重點應(yīng)用于能量管理優(yōu)化，根據(jù)電價變化具體或者其它激勵機制而改變電力消費模式的行為，但目前依然缺乏合理具體的負(fù)荷控制模型以及實施方法。
(3)目前，國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)對微網(wǎng)能量管理優(yōu)化目標(biāo)主要集中在微網(wǎng)自身的經(jīng)濟調(diào)度上，缺少微網(wǎng)在市場環(huán)境下的能量管理模型，已有模型略顯簡單也是現(xiàn)有技術(shù)的不足。
發(fā)明內(nèi)容
針對傳統(tǒng)的能量管理方法，本發(fā)明提供了電力市場環(huán)境下的微電網(wǎng)能量管理方法，對微網(wǎng)的負(fù)荷側(cè)提出了補貼競價的管理方法，本方法提出了新的電力市場環(huán)境下的微電網(wǎng)能量管理優(yōu)化模型，以最小化供電商的運行費用和負(fù)荷側(cè)的競價補貼費用為目標(biāo)。采用混合整數(shù)優(yōu)化方法求解，并通過算例仿真驗證了方法及模型的有效性。本方法對負(fù)荷側(cè)管理方法做出了新的探索，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的一些問題。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
電力市場下的微電網(wǎng)能量管理方法，包括以下步驟：
1)能量管理系統(tǒng)收集最新的分布式供電商的能源預(yù)測數(shù)據(jù)、用戶的負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)以及電網(wǎng)供電商實時電價;同時能量管理系統(tǒng)將實時電價信息發(fā)送給各個分布式供電商以及用戶;
2)分布式供電商每隔一段時間根據(jù)開放電力市場中的實時電價決定自己的發(fā)電報價，并申報給能量管理系統(tǒng);用戶側(cè)每隔一段時間根據(jù)對可控負(fù)荷的依賴程度以及市場電價決定是否參與可控負(fù)荷補貼競價，如參與則將可控負(fù)荷補貼報價申報給能量管理系統(tǒng)，同分布式供電商、電網(wǎng)供電商一起參與市場競爭;
3)能量管理系統(tǒng)將收集到的所有預(yù)測信息，綜合最新供電商報價、可控負(fù)荷補貼報價以及分布式供電商的可控機組容量信息，通過混合整數(shù)規(guī)劃方法計算求解得到下一時間周期內(nèi)的最優(yōu)調(diào)度方案，并根據(jù)最優(yōu)調(diào)度方案將下一時段決策信息發(fā)送給各個分布式供電商及參與競價的用戶;
4)被選中的供電商按照決策信息要求執(zhí)行能量管理系統(tǒng)下達的決策，同時被選中的用戶按照要求削減可控負(fù)荷;用戶通過可控負(fù)荷補貼報價被選中將獲得可控負(fù)荷報價的補貼。
所述的最優(yōu)調(diào)度方案以最小化微網(wǎng)的總運行費用為目標(biāo)，其目標(biāo)函數(shù)為：
式中：ΔT為單位時間間隔;N為分布式供應(yīng)商的數(shù)量; 為供應(yīng)商i在t時段的報價; 為供應(yīng)商i在t時段的出力;C(t)為t時段市場電價;Pb(t)為t時段從電網(wǎng)的購電量;M為參與可控負(fù)荷報價的用戶數(shù); 為用戶j在t時段的可控負(fù)荷報價; 為用戶j可控負(fù)荷的量， 為用戶j削減負(fù)荷的量; 和 分別為供應(yīng)商i的最小和最大出力; 和 分別表示供應(yīng)商i和用戶j被接受的狀態(tài)變量，其值為1時，表示被接受，為0時表示未被接受; 為公共線路所允許的最大傳輸功率;PL(t)為t時段的負(fù)荷預(yù)測值。
步驟4)具體包括：
在實時電價相對較低，能量管理系統(tǒng)向電力市場購電 ，成本較高的分布式供電商在某些時段未被采用;在實時電價較高時，微網(wǎng)減少向電力市場購電，選擇本地供電商的機組供應(yīng);
用戶參與競價后，在競價時間段之內(nèi)，市場實時電價較高，能量管理系統(tǒng)減少向電力市場購電，通過削減報價較低的用戶側(cè)可控負(fù)荷減少運行的費用。
還包括如果發(fā)電量滿足不了用戶側(cè)負(fù)荷要求時，則能量管理系統(tǒng)向電力市場購電。
所述的一段時間為30～60min。
分布式供電商的能源包括光伏發(fā)電、燃料電池發(fā)電、燃?xì)廨啓C發(fā)電、內(nèi)燃機發(fā)電和天然氣發(fā)電等。
用戶側(cè)可控負(fù)荷包括電鍋爐、熱水器或飲水機、制冰機、冷水機、冷庫和空調(diào)等。
相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：
本發(fā)明提的管理方法，提出了新的電力市場環(huán)境下的微電網(wǎng)能量管理優(yōu)化模型，對微網(wǎng)的負(fù)荷側(cè)提出了補貼競價的管理方法，MEMS結(jié)合市場實時電價以及分布式供電商報價、機組容量等信息，在可再生能源出力預(yù)測和負(fù)荷預(yù)測技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化程度制定分布式供電商的生產(chǎn)計劃，同時確定負(fù)荷側(cè)的控制方案。經(jīng)過優(yōu)化的方案再通過信息傳輸給局部控制器如分布式電源控制器以及負(fù)荷控制器。分布式電源控制器控制機組出力，負(fù)荷控制器按優(yōu)化方案控制可控負(fù)荷。以最小化供電商的運行費用和負(fù)荷側(cè)的競價補貼費用為目標(biāo)，所有參與該項目的用戶都必須按決策信息約定執(zhí)行MEMS下發(fā)的控制計劃命令。上述方法通過激勵的機制刺激用戶參與，對于負(fù)荷側(cè)補貼競價的方法，用戶可以操作報價控制自己的收益。通過算例仿真驗證了方法及模型的有效性，總運行費用得到了有效的控制，使得微網(wǎng)可以穩(wěn)定且經(jīng)濟運行。是一種可以商業(yè)化推廣的方法。隨著微網(wǎng)規(guī)模的增大，這種節(jié)能效應(yīng)也將更加顯著。
附圖說明
微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的信息交換圖
供電商報價及實時電價圖
圖1是微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的信息交換圖;
圖2是典型的負(fù)荷預(yù)測和光伏出力預(yù)測圖;
圖3是供電商報價及實時電價圖;
圖4是能量管理未優(yōu)化時的供電商出力;
圖5是采用負(fù)荷側(cè)競價方法的供電商出力;
圖6是采用負(fù)荷側(cè)競價方法的負(fù)荷削減情況。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。
微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)(Microgrid Energy Management System ,MEMS)負(fù)責(zé)微網(wǎng)的經(jīng)濟穩(wěn)定運行，在市場環(huán)境中，類似于一個的獨立調(diào)度機構(gòu)，通過收集各方面信息，經(jīng)過處理后制定相應(yīng)的生產(chǎn)計劃，再將方案通知給底層控制單元，其基本信息交換過程如圖1所示。
本發(fā)明負(fù)荷側(cè)補貼競價方法的原理為：要求用戶根據(jù)市場電價申報自已未來一時段可控負(fù)荷的補貼競價價格，MEMS再根據(jù)供應(yīng)側(cè)和負(fù)荷側(cè)的報價信息按照得出優(yōu)化結(jié)果，并通知用戶申報是否被接受，如果被接受，用戶應(yīng)該在對應(yīng)的時段削減相應(yīng)的負(fù)荷;MEMS結(jié)合市場實時電價以及分布式供電商報價、機組容量等信息，在可再生能源出力預(yù)測和負(fù)荷預(yù)測技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化程度制定分布式供電商的生產(chǎn)計劃，同時確定負(fù)荷側(cè)的控制方案。經(jīng)過優(yōu)化的方案再通過信息傳輸給局部控制器如分布式電源控制器以及負(fù)荷控制器。分布式電源控制器控制機組出力，負(fù)荷控制器按優(yōu)化方案控制可控負(fù)荷。所有參與該項目的用戶都必須按決策信息約定執(zhí)行MEMS下發(fā)的控制計劃命令。
微網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)MENS要負(fù)責(zé)微網(wǎng)穩(wěn)定，經(jīng)濟運行。需要實時收集各方面信息，經(jīng)過計算處理后制定合理的生產(chǎn)計劃和調(diào)度指令，然后將最新方案發(fā)送給底層控制單元。針對電力市場下，負(fù)荷側(cè)參與補貼競價的微網(wǎng)能量管理，具體策略及實施步驟如下：
Step1：能量管理系統(tǒng)MEMS收集最新的分布式能源預(yù)測數(shù)據(jù)，以及負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)，大電網(wǎng)實時電價，同時MEMS需將實時電價信息發(fā)送給各個分布式供電商以及用戶，以助于它們做競價決策。預(yù)測數(shù)據(jù)及各種信息用于后續(xù)MENS能量管理優(yōu)化。
Step2：以30分鐘為基礎(chǔ)時段進行優(yōu)化，分布式供電商每隔30分鐘根據(jù)開放市場中的實時電價決定自己的發(fā)電報價，并申報給MEMS;
Step3：用戶側(cè)直接參與市場，每30分鐘根據(jù)自己對可控負(fù)荷的依賴程度以及市場電價決定自已是否參與可控負(fù)荷競價，如參與則將可控負(fù)荷補貼報價申報給MENS，此時用戶的可控負(fù)荷則相當(dāng)于一個 “ 負(fù)的發(fā)電機”，同分布式供電商、電網(wǎng)供電商一起參與市場競爭。
Step4：MEMS將收集到的所有預(yù)測信息，綜合最新供電商報價，可控負(fù)荷補貼報價，以及可控機組容量等信息，通過混合整數(shù)規(guī)劃方法快速計算求解最優(yōu)解，得到符合目標(biāo)函數(shù)最低的優(yōu)化方案，并將下一時段決策信息發(fā)送給各個分布式能源及參與競價的可控負(fù)荷。
目標(biāo)函數(shù)以最小化微網(wǎng)的總運行費用為目標(biāo)
式中：ΔT為單位時間間隔;N為分布式供應(yīng)商的數(shù)量; 為供應(yīng)商i在t時段的報價; 為供應(yīng)商i在t時段的出力;C(t)為t時段市場電價;Pb(t)為t時段從電網(wǎng)的購電量;M為參與可控負(fù)荷報價的用戶數(shù); 為用戶j在t時段的可控負(fù)荷報價; 為用戶j可控負(fù)荷的量， 為用戶j削減負(fù)荷的量; 和 分別為供應(yīng)商i的最小和最大出力; 和 分別表示供應(yīng)商i和用戶j被接受的狀態(tài)變量，其值為1時，表示被接受，為0時表示未被接受; 為公共線路所允許的最大傳輸功率;PL(t)為t時段的負(fù)荷預(yù)測值。
在上述優(yōu)化模型中，式(1)為目標(biāo)函數(shù)，其值包括各分布式供電商的運行費用，從電網(wǎng)的購電費用以及補償給用戶的費用。式(2)-(5)為約束條件，式(2)表示各供電商應(yīng)滿足的出力約束限制，接受狀態(tài)變量指示了該供電商是否被接受，優(yōu)化結(jié)果為1時，表明供電商被接受并且可以有相應(yīng)的出力，優(yōu)化結(jié)果為0時，表明供電商未被接受，其出力為0。式(3)表示了用戶可控負(fù)荷的削減狀況，被接受則削減，不被接收則保持運行。式(5)表示了供需平衡約束。
Step5：被選中的供電商按照決策信息要求執(zhí)行MEMS下達的決策，同時被選中的負(fù)荷側(cè)按照要求削減這部分負(fù)荷。用戶通過適當(dāng)報價被選中，一方面可以減少用電費用，另一方面可以獲得負(fù)荷報價的補貼，這種策略很好地激勵了用戶的參與。
(一)算例仿真
為驗證模型及方法的有效性，本發(fā)明通過優(yōu)化軟件CPLEX進行仿真驗證。微網(wǎng)系統(tǒng)包含一臺光伏PV，兩臺燃料電池FC1、FC2，一臺微型燃?xì)廨啓CMT，機組出力參數(shù)如下表。仿真周期1天，分48個時段，每時段半小時。典型的負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)和光伏出力預(yù)測數(shù)據(jù)如附圖2所示。機組參數(shù)見下表1。
假設(shè)供電商報價反映其發(fā)電成本價格，各供電商各時段的報價及電力市場實時電
價如附圖3所示。
假設(shè)本方法的作用時段為10:30-13:00。參與的用戶共5戶，每戶均有2kW的空調(diào)設(shè)備參與調(diào)節(jié)。在負(fù)荷側(cè)競價方案下假設(shè)每個用戶在各時段的競價價格相等，下表2為各用戶的競價價格。
仿真結(jié)果分析：
首先，不考慮負(fù)荷側(cè)的響應(yīng)，即令式(1)-(5)中 為0，這種情況下，負(fù)荷不可控。微網(wǎng)中分布式供電商與電網(wǎng)共同給負(fù)荷側(cè)供電，MEMS最終來確定各供電商的中標(biāo)情況以及生產(chǎn)計劃。能量管理優(yōu)化結(jié)果繪制如附圖4所示，機組出力為0表示該時段其未被市場接受。
由附圖3和附圖4比較可知，負(fù)荷側(cè)每個時段的供電總是選擇發(fā)電成本較低的供應(yīng)商供電，在00:00-8:00以及16:00-24:00實時電價相對較低，微網(wǎng)盡量從電網(wǎng)購電，成本較高的分布式供電商FC2在某些時段未被采用。在8:00-16:00實時電價較高時，微網(wǎng)盡量減少從電網(wǎng)購電，選擇本地機組供應(yīng)。
應(yīng)用需求競價方法時，根據(jù)式(1)-(5)計算出來的結(jié)果如附圖5所示。
由附圖5可知，用戶參與競價后，在競價時間段10:30-11:00之內(nèi)，市場實時電價較高，MEMS盡量少從電網(wǎng)購電，通過削減報價較低的可控負(fù)荷減少運行的費用。因此對附圖5，電網(wǎng)在響應(yīng)時段幾乎沒出力。該時間段內(nèi)負(fù)荷的削減情況如附圖6所示。
不考慮負(fù)荷側(cè)響應(yīng)時微網(wǎng)在一個調(diào)度周期內(nèi)的總運行費用為242 .27$，考慮后的總運行費用為236 .48$，節(jié)省了2 .39%的費用。隨著微網(wǎng)規(guī)模的增大，這種節(jié)能效應(yīng)也將更加顯著。
上述方法通過激勵的機制刺激用戶參與，對于負(fù)荷側(cè)補貼競價的方法，用戶可以操作報價控制自己的收益。顯然對于用戶來說，補貼越多，用戶積極性越高，但從微網(wǎng)的效益來看，補貼越多，運行費用也越高，甚至?xí)霈F(xiàn)得不償失的情況。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范圍為準(zhǔn)。
