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測和負荷預測技術的基礎上，通過優(yōu)化程度制定分布式供電商的生產(chǎn)計劃，同時確定負荷側的控制方案。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荷控制器。分布式電源控制器控制機組出力，負荷控制器按優(yōu)化方案控制可控負荷。以最小化供電商的運行費用和負荷側的競價補貼費用為目標，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，對于負荷側補貼競價的方法，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測數(shù)據(jù)、用戶的負荷預測數(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);用戶側每隔一段時間根據(jù)對可控負荷的依賴程度以及市場電價決定是否參與可控負荷補貼競價，如參與則將可控負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)將收集到的所有預測信息，綜合最新供電商報價、可控負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荷;用戶通過可控負荷補貼報價被選中將獲得可控負荷報價的補貼。
2.根據(jù)權利要求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，其目標函數(shù)為：
式中：ΔT為單位時間間隔;N為分布式供應商的數(shù)量; 為供應商i在t時段的報價;為供應商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為參與可控負荷報價的用戶數(shù); 為用戶j在t時段的可控負荷報價; 為用戶j可控負荷的量，為用戶j削減負荷的量; 和分別為供應商i的最小和最大出力;和 分別表示供應商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時段的負荷預測值。
3 .根據(jù)權利要求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;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可控負荷減少運行的費用。
4 .根據(jù)權利要求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負荷要求時，則能量管理系統(tǒng)向電力市場購電。
5 .根據(jù)權利要求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、燃氣輪機發(fā)電、內(nèi)燃機發(fā)電和天然氣發(fā)電。
7 .根據(jù)權利要求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：用戶側可控負荷包括電鍋爐、熱水器或飲水機、制冰機、冷水機、冷庫和空調(diào)。
技術領域
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)技術領域，涉及一種電力市場下的微電網(wǎng)能量管理方法。
背景技術
隨著我國電力市場化的改革，建立可體現(xiàn)供求關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中，如何在滿足供需平衡的基礎上設計出更加節(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問題。
(1)現(xiàn)有的能量管理技術，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)有能量管理技術缺少對負荷側的具體優(yōu)化策略，由于負荷側需要削減可觀的負荷才能達到控制的目地，因此目前只有一些大的工業(yè)用戶才參與到響應中。事實上，微網(wǎng)的負荷水平在幾十kW至數(shù)十MW，包含了多種負荷類型，微網(wǎng)的用戶側具有良好的潛力參與響應，應重點應用于能量管理優(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荷控制模型以及實施方法。
(3)目前，國內(nèi)現(xiàn)有技術對微網(wǎng)能量管理優(yōu)化目標主要集中在微網(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)的負荷側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荷側的競價補貼費用為目標。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。本方法對負荷側管理方法做出了新的探索，解決了現(xiàn)有技術中存在的一些問題。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測數(shù)據(jù)、用戶的負荷預測數(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);用戶側每隔一段時間根據(jù)對可控負荷的依賴程度以及市場電價決定是否參與可控負荷補貼競價，如參與則將可控負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)將收集到的所有預測信息，綜合最新供電商報價、可控負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荷;用戶通過可控負荷補貼報價被選中將獲得可控負荷報價的補貼。
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，其目標函數(shù)為：
式中：ΔT為單位時間間隔;N為分布式供應商的數(shù)量; 為供應商i在t時段的報價; 為供應商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為參與可控負荷報價的用戶數(shù); 為用戶j在t時段的可控負荷報價; 為用戶j可控負荷的量， 為用戶j削減負荷的量; 和 分別為供應商i的最小和最大出力; 和 分別表示供應商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時段的負荷預測值。
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;
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可控負荷減少運行的費用。
還包括如果發(fā)電量滿足不了用戶側負荷要求時，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、燃氣輪機發(fā)電、內(nèi)燃機發(fā)電和天然氣發(fā)電等。
用戶側可控負荷包括電鍋爐、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，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)的負荷側提出了補貼競價的管理方法，MEMS結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測和負荷預測技術的基礎上，通過優(yōu)化程度制定分布式供電商的生產(chǎn)計劃，同時確定負荷側的控制方案。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荷控制器。分布式電源控制器控制機組出力，負荷控制器按優(yōu)化方案控制可控負荷。以最小化供電商的運行費用和負荷側的競價補貼費用為目標，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，對于負荷側補貼競價的方法，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是典型的負荷預測和光伏出力預測圖;
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是采用負荷側競價方法的供電商出力;
圖6是采用負荷側競價方法的負荷削減情況。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。
微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)(Microgrid Energy Management System ,MEMS)負責微網(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，通過收集各方面信息，經(jīng)過處理后制定相應的生產(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)明負荷側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荷的補貼競價價格，MEMS再根據(jù)供應側和負荷側的報價信息按照得出優(yōu)化結果，并通知用戶申報是否被接受，如果被接受，用戶應該在對應的時段削減相應的負荷;MEMS結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測和負荷預測技術的基礎上，通過優(yōu)化程度制定分布式供電商的生產(chǎn)計劃，同時確定負荷側的控制方案。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荷控制器。分布式電源控制器控制機組出力，負荷控制器按優(yōu)化方案控制可控負荷。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要負責微網(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，負荷側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測數(shù)據(jù)，以及負荷預測數(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：用戶側直接參與市場，每30分鐘根據(jù)自己對可控負荷的依賴程度以及市場電價決定自已是否參與可控負荷競價，如參與則將可控負荷補貼報價申報給MENS，此時用戶的可控負荷則相當于一個 “ 負的發(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將收集到的所有預測信息，綜合最新供電商報價，可控負荷補貼報價，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荷。
目標函數(shù)以最小化微網(wǎng)的總運行費用為目標
式中：ΔT為單位時間間隔;N為分布式供應商的數(shù)量; 為供應商i在t時段的報價; 為供應商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為參與可控負荷報價的用戶數(shù); 為用戶j在t時段的可控負荷報價; 為用戶j可控負荷的量， 為用戶j削減負荷的量; 和 分別為供應商i的最小和最大出力; 和 分別表示供應商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時段的負荷預測值。
在上述優(yōu)化模型中，式(1)為目標函數(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)化結果為1時，表明供電商被接受并且可以有相應的出力，優(yōu)化結果為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，同時被選中的負荷側按照要求削減這部分負荷。用戶通過適當報價被選中，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、FC2，一臺微型燃氣輪機MT，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。典型的負荷預測數(shù)據(jù)和光伏出力預測數(shù)據(jù)如附圖2所示。機組參數(shù)見下表1。
假設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)設備參與調(diào)節(jié)。在負荷側競價方案下假設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。
仿真結果分析：
首先，不考慮負荷側的響應，即令式(1)-(5)中 為0，這種情況下，負荷不可控。微網(wǎng)中分布式供電商與電網(wǎng)共同給負荷側供電，MEMS最終來確定各供電商的中標情況以及生產(chǎn)計劃。能量管理優(yōu)化結果繪制如附圖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，負荷側每個時段的供電總是選擇發(fā)電成本較低的供應商供電，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。
應用需求競價方法時，根據(jù)式(1)-(5)計算出來的結果如附圖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荷減少運行的費用。因此對附圖5，電網(wǎng)在響應時段幾乎沒出力。該時間段內(nèi)負荷的削減情況如附圖6所示。
不考慮負荷側響應時微網(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，對于負荷側補貼競價的方法，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，甚至會出現(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，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明披露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
