一种考虑虚拟储能的可再生能源微电网优化调度方法

摘要

本发明涉及一种考虑虚拟储能的可再生能源微电网优化调度方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：获取含有虚拟储能建筑的能耗数据；S2：建立可再生能源微电网内各设备的数学模型以及优化调度的约束条件和目标函数，构建可再生能源微电网系统的优化调度模型；S3：将含有虚拟储能建筑的能耗数据输入优化调度模型进行求解，对可再生能源微电网系统进行优化调度，与现有技术相比，本发明具有有效实现虚拟储能代替蓄电池等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及微电网优化调度领域，尤其是涉及一种考虑虚拟储能的可再生能源微电网优化调度方法。

背景技术

近年来，随着能源需求的增加，化石燃料短缺和环境恶化变得越来越严重。可再生能源的出现可以有效地解决上述问题。建筑物集成光伏可再生能源是一种通过在建筑物表面上部署光伏阵列等可再生能源设备组成发电的系统，且已经得到广泛的认可。

可再生能源发电具有随机性和间歇性的特征，这会影响主电网的稳定运行和实时功率平衡。通过安装蓄电池能量存储系统可以有效地解决上述问题。蓄电池具有投资成本高和寿命短的缺点，为了解决这一问题，虚拟储能也应运而生，作为能量存储的一种通用形式，虚拟储能旨在通过适当分配一些可控负载来使可控负载显示出与传统储能系统类似的调节功能，在微电网中不断得到应用。

现有的可再生能源的多余电量要么是出售给电网，要么是存储在蓄电池中，这增加了运行成本，微电网的运行也不符合现在节能减排的理念。虚拟储能概念产生已久，但是并没有很好的被利用起来，没有给电网运行带来应有的益处。当前虚拟储能模型主要是空调和电热水器模型，但是在微电网运行过程中，虚拟储能对主电网波动等的影响，对使用者的舒适度及花费的影响等都对虚拟储能的未来发展有很大的影响，现有的技术未能更好发挥利用虚拟储能的益处。现有的系统中没有综合考虑满足用户需求的混合能源电力的供给的含有虚拟储能的微电网经济运行的模型系统，无法解决微电网的最优调度问题，无法解决虚拟储能代替蓄电池的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种考虑虚拟储能的可再生能源微电网优化调度方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种考虑虚拟储能的可再生能源微电网优化调度方法，包括以下步骤：

S1：获取含有虚拟储能建筑的能耗数据；

S2：建立可再生能源微电网内各设备的数学模型以及优化调度的约束条件和目标函数，构建可再生能源微电网系统的优化调度模型；

S3：将含有虚拟储能建筑的能耗数据输入优化调度模型进行求解，对可再生能源微电网系统进行优化调度。

进一步地，所述的可再生能源微电网内各设备包括光伏、蓄电池、空调和电热水器。

更进一步地，所述的步骤S2中，建立的数学模型具体包括：光伏发电输出功率数学模型、蓄电池充电/放电的数学模型、空调耗能模型、电热水器耗能模型、虚拟空调模型、空调虚拟储能模型、电热水器虚拟储能模型以及电热水器虚拟储能的充放电功率的数学模型。

进一步地，所述的约束条件包括系统功率平衡约束、建筑热平衡约束、室内温度限制约束、系统设备的功率上下限约束以及系统设备的容量上下限约束。

进一步地，所述的目标函数包括三项，分别为经济成本项、基于室内人员舒适度的惩罚项和基于售电输入主电网的收入项。

更进一步地，所述的系统功率平衡约束的表达式为：

P

其中，P

所述的建筑热平衡约束的表达式为：

ρ×C×V×(F

其中，ρ为空气密度，C为空气的比热容，V为室内空气体积，F

所述的室内温度限制约束的表达式为：

F

其中，F

更进一步地，所述的系统设备的功率上下限约束分别包括微电网系统与主电网之间的电力交换功率P

更进一步地，所述的目标函数的表达式为：

C

C

其中，C

更进一步地，所述的光伏发电输出功率P

其中，U

所述的蓄电池充电/放电的数学模型表达式为：

其中，E

所述的空调耗能模型的表达式为：

Q

其中，η

所述的电热水器耗能模型的表达式为：

Q

其中，Q

更进一步地，所述的虚拟空调模型的表达式为：

所述的空调虚拟储能模型的表达式为：

P

其中，P

更进一步地，所述的电热水器虚拟储能模型的表达式为：

E

其中，δ为损耗系数，其受环境温度和水箱中热水温度的影响，其值设置为2％，E

所述的电热水器虚拟储能的充放电功率P

P

其中，P

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明通过对可再生能源微电网内各设备进行精确函数建模，搭建好含有空调和电热水器虚拟储能的最佳调度目标函数，通过历史数据求解到最优的调度模型，弥补了现代科学只有智能建筑和虚拟储能而没有可以解决含有虚拟储能的最优调度函数模型，可以解决含有虚拟储能的微电网运行的经济型，也解决满足用户日常需求的舒适性和经济性，也解决了虚拟储能代替蓄电池的实现方式；

2)本发明分别建立光伏发电输出功率数学模型、蓄电池充电/放电的数学模型、空调耗能模型、电热水器耗能模型、虚拟空调模型、空调虚拟储能模型、电热水器虚拟储能模型以及电热水器虚拟储能的充放电功率的数学模型，全面准确地描述可再生能源微电网系统中各设备的工作状态及状态变化，提供了其运行中的实际操作的近似模拟，在此基础上建立优化调度模型，可靠度高；

3)本发明充分考虑可再生能源微电网系统的运行约束，包括系统功率平衡约束、建筑热平衡约束、室内温度限制约束、系统设备的功率上下限约束以及系统设备的容量上下限约束，构建的优化调度模型在以上约束条件下实现其目标优化，得到的优化结果符合实际，可靠性高。

附图说明

图1为可再生能源微电网系统的结构图；

图2为本发明流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，可再生能源微电网系统包括电网、光伏可再生能源、蓄电池、空调、电热水器和其他不可控资源，其中，空调和电热水器组成能够虚拟储能的虚拟电池，其他不可控资源包括电灯、电脑、监控等。

如图2所示，本发明提供一种考虑虚拟储能的可再生能源微电网优化调度方法，主要包括以下三部分：

I、获取含有虚拟储能建筑的能耗数据，具体为：收集含有虚拟储能的智能建筑物或者大型厂房的每个季节、每天的各个主要能耗数据信息做最优调度计算备用。能耗数据主要包括实时电价、光伏发电功率、光强度、建筑用电需求、冷/热负荷需求和热水负荷需求，这些数据经过适当处理，用于计算最优调度策略。

II、建立可再生能源微电网内各设备的数学模型以及优化调度的约束条件和目标函数，构建可再生能源微电网系统的优化调度模型。

1、可再生能源微电网内各设备的数学模型具体包括：

(1)光伏发电输出功率数学模型

光伏发电工作在最大功率点跟踪模式下，该模式与单周期控制方法结合使用，建立其输出功率数学模型为：

其中U

(2)蓄电池充电/放电的数学模型

其中，E

(3)空调耗能模型

空调用电消耗电能以满足冷热需求，其数学模型可以表示为：

Q

其中，Q

(4)电热水器耗能模型

电热水器消耗电能为系统提供热，。其数学模型描述为：

Q

其中，Q

(5)虚拟空调模型

空调将凉风或暖风送入建筑物，改变室内温度，建筑物具有一定的冷热蓄能能力，因此空调具有虚拟储能作用，根据能量守恒，以夏季降温为例，空调的热平衡方程描述：

Q

Q

Q

空调的热平衡方程的左侧表示室内热量的变化，右侧表示引起该变化的各种因素。

ρ是空气密度，C是空气的比热容，V是室内空气量，Q

空调的热平衡方程表明，可以通过调节空调的输出冷/热功率来调节室内温度。当系统未采用虚拟储能时，空调会将室内温度保持在设定点。当使用虚拟储能时，空调的工作模式发生了变化，空调可以在一定范围内调节室内温度，温度处于人体舒适的温度区域。因此，空调消耗的功率是可控制的，这使得空调能够表达蓄电池的充电/放电特性。因此，空调虚拟储能可以像蓄电池一样参与微电网的经济优化调度。

(6)空调虚拟储能模型

定义空调虚拟储能的充电/放电功率如下：

P

其中，P

(7)电热水器虚拟储能模型

电热水器是重要的需求响应资源，电热水器的储罐具有良好的隔热性。因此，当电价低或光伏发电量大时，更多的水被加热并储存在水箱中，这些水将在电价高或耗电高峰时使用。因此，电热水器的作用与蓄电池相似。当热水储存在水箱中时，有散热现象。假设在时刻t储热水箱中的热量为E

E

损耗系数为δ受环境温度和水箱中热水温度的影响，其值设置为2％。

(8)电热水器虚拟储能的充放电功率的数学模型

将电热水器建模为虚拟储能设备，定义电热水器虚拟储能的充电/放电功率如下：

P

其中，P

2、约束条件具体包括：

(1)系统功率平衡约束：

P

其中，P

(2)建筑热平衡约束

建筑物中的散热和温度变化是一个缓慢变化的过程，建筑热平衡方程可以用差分方程表示：

ρ×C×V×(F

(3)室内温度限制约束

室内温度限制为：

F

其中F

(4)系统设备的功率上下限约束

系统设备的功率上限和下限描述为：

其中，P

(5)系统设备的容量上下限约束

系统设备的容量上限和下限描述为：

E

3、构建目标函数

本发明旨在降低系统的日常运行成本，同时，还考虑了建筑物中工作人员的舒适度。因此，目标函数包含三个部分：第一个是经济成本，包括从主电网购电的成本和系统中每个设备的维护成本，第二个是工作人员舒适度下降造成的罚款，最后一个是售电输入到主电网，目标函数的表达式为：

其中，C

III、将含有虚拟储能建筑的能耗数据输入优化调度模型进行求解，对可再生能源微电网系统进行优化调度。

模型搭建好对模型进行函数的建模，然后输入收集到并处理好的数据来进行求解，本发明不仅可以用于常规智能建筑，还可适用于含有虚拟储能的其他的微电网调度。

本发明，我们首先根据其工作原理建立系统中每个单元的数学模型，并描述其工作状态。这些模型精确地描述了它们状态的变化，并提供了其运行中的实际操作的近似模拟。微电网中的每个单元都有物理操作限制，如蓄电池的最大容量。同时，系统的运行还具有各种约束，如功率平衡约束，建筑物内部和外部的传热平衡约束以及室内人员的舒适性约束。系统必须在这些约束条件下运行并实现其优化目标。本发明开发了系统的最佳调度模型，该模型包含一组约束和一个经济目标函数。应该注意的是，本发明提出的优化模型也可以通过类似的研究加以应用和修改。例如，虚拟储能模型和控制策略也可以应用于包含更多可调度负载和分布式发电机的混合微电网。此外，还可以通过适当控制交流微电网中的虚拟储能，来提供诸如快速频率响应之类的辅助服务。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改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以权利要求的保护范围为准。