一種串聯(lián)結(jié)構(gòu)光儲(chǔ)型多微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微電網(wǎng)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種串聯(lián)結(jié)構(gòu)光儲(chǔ)型多微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行系統(tǒng)及方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 能源是人類賴W生存的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要推動(dòng)劑，然而，隨 著工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)和世界人口的快速增加，常規(guī)能源短缺和環(huán)境污染問題日益顯現(xiàn)，已 經(jīng)無(wú)法滿足人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和提高生活質(zhì)量的需求，為此，從人類發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)來 看，開發(fā)綠色可再生能源已經(jīng)是必然趨勢(shì)。
[0003] 基于微電網(wǎng)形式的電網(wǎng)方便大規(guī)模分布式能源接入中低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)，不僅可W 充分發(fā)揮微電源的優(yōu)勢(shì)，而且能減少對(duì)大電網(wǎng)的沖擊，加上其靈活、可控的運(yùn)行方式，使其 成為能有效補(bǔ)充大電網(wǎng)的友好單元。因此，"微電網(wǎng)"運(yùn)一概念逐漸被國(guó)內(nèi)外的學(xué)者和專家 所認(rèn)可，成為分布式發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向。分布式發(fā)電具有能源使用率高、安裝位置靈活、 節(jié)省資源費(fèi)用、減少線路損耗等優(yōu)點(diǎn)，因此，分布式發(fā)電成為大電網(wǎng)的重要補(bǔ)充，它可W減 少大電網(wǎng)總裝機(jī)容量，平衡大電網(wǎng)電量的高峰低谷，提高供電可靠性。但隨著對(duì)分布式發(fā)電 研究的逐步深入，其本身存在的問題也慢慢突顯出來，一方面，分布式電源接入大電網(wǎng)后， 由于其不可控性會(huì)對(duì)電網(wǎng)帶來沖擊；另一方面，分布式發(fā)電容易受到環(huán)境影響而不能輸電 穩(wěn)定的電能，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性；同時(shí)，分布式電源接入成本高，經(jīng)濟(jì)性較差，W上運(yùn)些弊端極 大的限制了分布式發(fā)電的有效應(yīng)用。
[0004] 隨著微網(wǎng)工程的大規(guī)模建成，一定區(qū)域內(nèi)多個(gè)鄰近微網(wǎng)因互聯(lián)互供所需將形成多 微網(wǎng)系統(tǒng)。目前我國(guó)在光儲(chǔ)多微網(wǎng)系統(tǒng)方面的研究和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)較少，隨著光儲(chǔ)微電網(wǎng) 進(jìn)入快速發(fā)展階段，有必要發(fā)展一種含串聯(lián)的光儲(chǔ)型多微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行系統(tǒng)與方法，W開展 光儲(chǔ)多微網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)研究。 陽(yáng)0化]經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮椋?01220002686. 4,名稱為：一 種實(shí)驗(yàn)室用的微電網(wǎng)系統(tǒng)，該申請(qǐng)內(nèi)的微電網(wǎng)系統(tǒng)只包括一次系統(tǒng)，未設(shè)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 及經(jīng)濟(jì)優(yōu)化方法，且該申請(qǐng)內(nèi)的微電網(wǎng)系統(tǒng)為單微網(wǎng)，不適用多微網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足之處，提供一種含串聯(lián)結(jié)構(gòu)光儲(chǔ)型多 微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行系統(tǒng)及方法，對(duì)開展光儲(chǔ)型多微網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、模式切換和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行研 究具有重要意義。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用W下技術(shù)方案。
[0008] 一種含串聯(lián)結(jié)構(gòu)光儲(chǔ)型多微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行系統(tǒng)及方法，包括一次系統(tǒng)與控制系統(tǒng)； 考慮峰谷電價(jià)的分布式模型預(yù)測(cè)控制算法。
[0009] 所述的一次系統(tǒng)由兩個(gè)子微網(wǎng)（上層子微網(wǎng)和下層子微網(wǎng)）通過并離網(wǎng)開關(guān)Kl 串聯(lián)構(gòu)成。其中上層子微網(wǎng)包括30kW光伏發(fā)電陣列、66. 7k怖蓄電池和本地負(fù)荷，下層子微 網(wǎng)包括30kW光伏發(fā)電陣列、30kWh蓄電池和本地負(fù)荷。通過控制PCC(公共連接點(diǎn)）及Kl開斷能夠切換兩個(gè)子微網(wǎng)的并離網(wǎng)狀態(tài)：上層子微網(wǎng)通過公共連接點(diǎn)PCC與配電網(wǎng)相連， 通過控制公共連接點(diǎn)PCC開斷能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)多微網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)和孤島兩種運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換， 下層子微網(wǎng)通過Kl接入上層子微網(wǎng)，通過控制Kl能夠?qū)崿F(xiàn)下層子微網(wǎng)并網(wǎng)和孤島兩種運(yùn) 行模式的轉(zhuǎn)換。
[0010] 所述的控制系統(tǒng)由子微網(wǎng)控制器（上層子微網(wǎng)控制器和下層子微網(wǎng)控制器）、光 伏控制器、儲(chǔ)能控制器、負(fù)荷控制器及通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。其中，公共連接點(diǎn)PCC與并離網(wǎng)開關(guān) Kl通過通信總線直接與上層子微網(wǎng)控制器相連并由其直接控制；光伏控制器、儲(chǔ)能控制器 和負(fù)荷控制器分別由該子微網(wǎng)內(nèi)控制器控制，子微網(wǎng)控制器通過通信總線相聯(lián)，可實(shí)時(shí)傳 輸該子微網(wǎng)電氣信息至其他子微網(wǎng)；各微源控制器與逆變器相連，子微網(wǎng)控制器通過向各 控制器下達(dá)指令，可控制各微源出力情況。
[0011] 本發(fā)明的串聯(lián)結(jié)構(gòu)光儲(chǔ)型多微網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化方法：采用考慮峰谷電價(jià)的分布式模型 預(yù)測(cè)控制算法，基于源荷預(yù)測(cè)建立各層子微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的目標(biāo)函數(shù)，通過各子微網(wǎng)控制 器聯(lián)合進(jìn)行分布式預(yù)測(cè)控制，從而實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)優(yōu)化求解。
[0012] 所述的考慮峰谷電價(jià)的分布式模型預(yù)測(cè)控制算法將峰谷電價(jià)與分布式模型預(yù)測(cè) 控制算法結(jié)合，分布式模型預(yù)測(cè)控制算法屬于模型控制預(yù)測(cè)算法的一種，分布式模型預(yù)測(cè) 控制可實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)分別對(duì)自身的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化控制的同時(shí)又兼顧其他子系統(tǒng)。
[0013] 峰谷分時(shí)電價(jià)是指根據(jù)用戶用電需求，將每天的時(shí)間劃分為高峰、平段、低谷=個(gè) 時(shí)段或高峰、低谷兩個(gè)時(shí)段，對(duì)各時(shí)段分別制定不同的電價(jià)水平，W刺激和鼓勵(lì)用戶主動(dòng)改 變消費(fèi)行為和用電方式達(dá)到削峰填谷的目的；根據(jù)一天的峰谷電價(jià)實(shí)現(xiàn)不同電價(jià)段的能量 優(yōu)化管理，結(jié)合預(yù)測(cè)控制的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)每一電價(jià)段內(nèi)每一時(shí)刻的聯(lián)絡(luò)線功率最小，購(gòu)電成 本取決于聯(lián)絡(luò)線功率，聯(lián)絡(luò)線功率最小即購(gòu)電成本最小。
[0014] 分布式模型預(yù)測(cè)控制可將整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化問題分散到各個(gè)子系統(tǒng)中解決，大大減 輕計(jì)算復(fù)雜度?；谠春深A(yù)測(cè)建立各層子微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的目標(biāo)函數(shù)，通過各子微網(wǎng)中央 控制器聯(lián)合進(jìn)行分布式預(yù)測(cè)控制，從而實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)優(yōu)化求解。由于預(yù)測(cè)控制只實(shí)現(xiàn)下一時(shí)刻 的購(gòu)電成本最小，而實(shí)際購(gòu)電成本與峰谷電價(jià)關(guān)系密切，只使用預(yù)測(cè)控制對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行能 量管理，無(wú)法根據(jù)當(dāng)前所處的電價(jià)時(shí)段和下一電價(jià)時(shí)段進(jìn)行能量?jī)?yōu)化管理。峰谷分時(shí)電價(jià) 是指根據(jù)用戶用電需求，將每天的時(shí)間劃分為高峰、平段、低谷=個(gè)時(shí)段或高峰、低谷兩個(gè) 時(shí)段，對(duì)各時(shí)段分別制定不同的電價(jià)水平，W刺激和鼓勵(lì)用戶主動(dòng)改變消費(fèi)行為和用電方 式達(dá)到削峰填谷的目的。
[0015] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果：
[0016] 本發(fā)明建立的串聯(lián)結(jié)構(gòu)光儲(chǔ)型多微網(wǎng)系統(tǒng)及方法，對(duì)開展光儲(chǔ)型多微網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃 設(shè)計(jì)、模式切換和優(yōu)化運(yùn)行的研究具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。分布式模型預(yù)測(cè)控制可將整 個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化問題分散到各個(gè)子系統(tǒng)中解決，大大減輕計(jì)算復(fù)雜度。根據(jù)一天的峰谷電價(jià) 實(shí)現(xiàn)不同電價(jià)段的能量?jī)?yōu)化管理，結(jié)合預(yù)測(cè)控制的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)每一電價(jià)段內(nèi)每一時(shí)刻的 購(gòu)電成本最小，從而達(dá)到一天多微網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行。
【附圖說明】
[0017] 圖1是一種串聯(lián)結(jié)構(gòu)光儲(chǔ)型多微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行系統(tǒng)及方法的系統(tǒng)電氣拓?fù)鋱D。
[0018] 圖2是串聯(lián)結(jié)構(gòu)光儲(chǔ)型多微網(wǎng)中考慮峰谷電價(jià)的分布式模型預(yù)測(cè)控制算法總流 程圖。
[0019] 圖3a是串聯(lián)結(jié)構(gòu)光儲(chǔ)型多微網(wǎng)中分布式預(yù)測(cè)控制流程圖。
[0020] 圖3b是采用基于串聯(lián)結(jié)構(gòu)的分布式模型預(yù)測(cè)控制對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)控制示意圖。
[0021] 圖4是簡(jiǎn)單并網(wǎng)優(yōu)化算法仿真波形；
[0022] 圖5是考慮峰谷電價(jià)的分布式預(yù)測(cè)控制算法波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] W下將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案，W便更清楚直觀地理 解本發(fā)明實(shí)質(zhì)，W下若有未特別詳細(xì)說明之處，均是本領(lǐng)域技術(shù)人員可參照現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn) 的。
[0024] 圖1是一種串聯(lián)結(jié)構(gòu)光儲(chǔ)型多微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行系統(tǒng)及方法的系統(tǒng)電氣拓?fù)鋱D。
[00巧]一種串聯(lián)結(jié)構(gòu)光儲(chǔ)型多微網(wǎng)系統(tǒng)，其包括一次系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。
[00%] 所述的一次系統(tǒng)由兩個(gè)子微網(wǎng)（上層子微網(wǎng)和下層子微網(wǎng)）通過并離網(wǎng)開關(guān)Kl串聯(lián)構(gòu)成。其中上層子微網(wǎng)包括30kW光伏發(fā)電陣列、66. 7k怖蓄電池和本地負(fù)荷，下層子微 網(wǎng)包括30kW光伏發(fā)電陣列、30kWh蓄電池和本地負(fù)荷。通過控制PCC(公共連接點(diǎn)）及Kl 開斷能夠切換兩個(gè)子微網(wǎng)的并離網(wǎng)狀態(tài)：上層子微網(wǎng)通過公共連接點(diǎn)PCC與配電網(wǎng)相連， 通過控制公共連接點(diǎn)PCC開斷能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)多微網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)和孤島兩種運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換， 下層子微網(wǎng)通過Kl接入上層子微網(wǎng)，通過控制Kl能夠?qū)崿F(xiàn)下層子微網(wǎng)并網(wǎng)和孤島兩種運(yùn) 行模式的轉(zhuǎn)換。
[0027] 所述的控制系統(tǒng)由子微網(wǎng)控制器（上層子微網(wǎng)控制器和下層子微網(wǎng)控制器）、光 伏控制器、儲(chǔ)能控制器、負(fù)荷控制器及通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。其中，公共連接點(diǎn)PCC與并離網(wǎng)開關(guān) Kl通過通信總線直接與上層子微網(wǎng)控制器相連并由其直接控制；光伏控制器、儲(chǔ)能控制器 和負(fù)荷控制器分別由該子微網(wǎng)內(nèi)控制器控制，子微網(wǎng)控制器通過通信總線相聯(lián)，可實(shí)時(shí)傳 輸該子微網(wǎng)電氣信息至其他子微網(wǎng)；各微源控制器與逆變器相連，子微網(wǎng)控制器通過向各 控制器下達(dá)指令，可控制各微源出力情況。
[0028] 圖2是串聯(lián)結(jié)構(gòu)光儲(chǔ)型多微網(wǎng)中考慮峰谷電價(jià)的分布式模型預(yù)測(cè)控制算法總流 程圖。圖中，SOCi*(t)表示上層微電網(wǎng)儲(chǔ)能在t時(shí)刻的預(yù)測(cè)值，SOC/(t)表示下層微電網(wǎng)儲(chǔ) 能在t時(shí)刻的預(yù)測(cè)值。通過對(duì)當(dāng)前時(shí)段和下一時(shí)段的電價(jià)判斷，并由儲(chǔ)能元件t時(shí)刻容量 進(jìn)行約束，滿足條件后進(jìn)入圖3所示的預(yù)測(cè)控制環(huán)節(jié)。
[0029] 在預(yù)測(cè)控制理論中，預(yù)測(cè)模型是一個(gè)描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的基礎(chǔ)模型，具有預(yù)測(cè)的 功能即能夠根據(jù)系統(tǒng)的歷時(shí)數(shù)據(jù)和未來的輸入，預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來輸出值?；趧?dòng)態(tài)矩陣控制 算法的預(yù)測(cè)控制模型如式（1)所示。
[0030]
[00川記Y*= [y*(t+l)，y*(t+2)，...，y*(t+n)r; 陽(yáng)0；32]AU= [AU(t),AU(t+1),…，AU(t+n-1) ]T; 陽(yáng)03；3] Y。=[y0(t+l),y0(t巧），…，y0(t+n)]T
[0034] 式中，/(t+n)表示未來第n個(gè)時(shí)刻的系統(tǒng)預(yù)測(cè)輸出值；a。表示未來第n個(gè)時(shí)刻作 用于系統(tǒng)控制量的程度；Au(t+n-l)表示未來第n個(gè)時(shí)刻作用于系統(tǒng)的控制量；yu(t+l)表 示未來第n個(gè)時(shí)刻無(wú)AU作用時(shí)的系統(tǒng)預(yù)測(cè)輸出值；
[0035] 上式可簡(jiǎn)化為式似：
[0036] Y*=AAU巧。 似
[0037] 式中，￥"^表示有作用時(shí)的未來n個(gè)時(shí)刻的系統(tǒng)預(yù)測(cè)輸出值；A表示未來n個(gè)時(shí)刻作 用于系統(tǒng)控制量的程度；AU表示未來n個(gè)時(shí)刻作用于系統(tǒng)的控制量；Y。表示無(wú)AU作用時(shí) 的未來n個(gè)時(shí)刻的系統(tǒng)預(yù)測(cè)輸出值。
[0038] 針對(duì)串聯(lián)結(jié)構(gòu)光儲(chǔ)型多微網(wǎng)，需要對(duì)系統(tǒng)模型和目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行分解。采用基于串 聯(lián)結(jié)構(gòu)的分布式模型預(yù)測(cè)控制對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)控制，如下圖3b所示。其中U為下層子微 網(wǎng)向上層傳輸?shù)男畔⒘?；y為微電網(wǎng)系統(tǒng)輸出量，為微電網(wǎng)和配電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線功率預(yù)測(cè)值 Pg"/(t+l) ;Ui為子微網(wǎng)控制i的單獨(dú)輸入量，為相應(yīng)子微網(wǎng)的儲(chǔ)能、負(fù)荷和光伏的狀態(tài)參 數(shù)巧1為子微網(wǎng)控制器1輸出量，為相應(yīng)子微網(wǎng)的儲(chǔ)能輸出功率預(yù)測(cè)值？851"^(*+1)，即下一時(shí) 刻的儲(chǔ)能輸出功率參考。
[0039] 目標(biāo)函數(shù)如式做所示：
[OOW 式中：n為最大預(yù)測(cè)長(zhǎng)度；/(t+u為第i時(shí)刻系統(tǒng)預(yù)測(cè)輸出值；yw(t+U無(wú)AU作 用時(shí)的未來第i時(shí)刻的系統(tǒng)預(yù)測(cè)輸出值；A(j)為j時(shí)刻大于0的控制系數(shù)；AU(t+j-1)第j-1時(shí)刻作用與系統(tǒng)的控制量。
[00創(chuàng)微電網(wǎng)和配電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線功率Pgtid河W為負(fù)數(shù)，簡(jiǎn)單起見，本實(shí)例簡(jiǎn)化目標(biāo)函數(shù) 的計(jì)算量。上層子微網(wǎng)目標(biāo)函數(shù)如式（4)所示。 陽(yáng)043]Gi(i) =Pgndii* (t+1) (4)
[0044] 其中i= 1, 2,…，n。
[0045] 將下一時(shí)刻儲(chǔ)能SOC的所有可能值SOCi/^(t+1)均作用于預(yù)測(cè)模型，計(jì)算相應(yīng)的聯(lián) 絡(luò)線功率預(yù)測(cè)值PgfidiAi為對(duì)應(yīng)編號(hào)。查找聯(lián)絡(luò)線功率的最小預(yù)測(cè)值并輸出對(duì)應(yīng)的編號(hào) i%由式（5)所示。
[0046] [i*] =Hiin(Gi) (5)
[0047] 通過心+ 1娘算出儲(chǔ)能