一種基于儲(chǔ)能和虛擬儲(chǔ)能最優(yōu)控制的功率波動(dòng)平抑方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及智能電網(wǎng)、用戶側(cè)需求響應(yīng)和混合儲(chǔ)能領(lǐng)域，尤其涉及一種基于儲(chǔ)能 和虛擬儲(chǔ)能最優(yōu)控制的功率波動(dòng)平抑方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著能源和環(huán)境問題日漸突出，新能源的使用受到人們的廣泛重視，風(fēng)電等新能 源發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量在不斷增加，其在電網(wǎng)所占的比例也在不斷增加。但是由于新能源發(fā) 電具有高度隨機(jī)性和波動(dòng)性，使得新能源接入電網(wǎng)會(huì)對(duì)電力供需平衡、電力系統(tǒng)的安全帶 來挑戰(zhàn)。使用儲(chǔ)能設(shè)備是目前解決上述問題的一個(gè)有效的辦法，目前的儲(chǔ)能技術(shù)主要分為 物理儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能和相變儲(chǔ)能等四種。但是由于儲(chǔ)能設(shè)備的容量小和成本高 等問題，制約了其大規(guī)模的應(yīng)用。
[0003] 需求響應(yīng)（DemandResponse，DR)技術(shù)的發(fā)展提供了一種解決上述問題的新思路。 需求響應(yīng)是對(duì)用戶用電模式進(jìn)行調(diào)整，或是對(duì)用戶用電負(fù)荷進(jìn)行管理的一種智能用電調(diào)控 技術(shù)。通過一定價(jià)格信號(hào)或激勵(lì)信息，引導(dǎo)用戶主動(dòng)改變自身消費(fèi)行為，優(yōu)化用電方式，減 少或者推移某時(shí)段的用電負(fù)荷，能夠促進(jìn)供需兩側(cè)優(yōu)化平衡。美國(guó)、歐洲、日本等國(guó)家都已 經(jīng)開展了微電網(wǎng)中負(fù)荷控制技術(shù)的研究，例如：英國(guó)UMIST實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)CERTS微網(wǎng)示范平 臺(tái)和日本Architect微網(wǎng)等，將負(fù)荷控制技術(shù)視為一種重要控制手段和資源形式，期望將 居民用電設(shè)備作為一種良好的能源資源融入到微電網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行中。負(fù)荷需求響應(yīng)可以 視為一種虛擬儲(chǔ)能，協(xié)調(diào)優(yōu)化控制負(fù)荷需求響應(yīng)和傳統(tǒng)儲(chǔ)能設(shè)備降低微網(wǎng)中儲(chǔ)能電池的使 用數(shù)量，提高微網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。
[0004] 需求響應(yīng)技術(shù)一般用于居民或小型的工商業(yè)用戶負(fù)荷，比較典型的為具有熱能存 儲(chǔ)能力的溫控設(shè)備，例如：電熱栗、電熱水器等。近年來需求響應(yīng)算法得到了很好地發(fā)展，已 經(jīng)提出了狀態(tài)隊(duì)列（statequeueing，SQ)控制算法、基于Fokker-Planck方程的辨識(shí)控制 算法、考慮用戶舒適度約束的控制算法等。在平抑可再生能源發(fā)電方面，已經(jīng)提出了在風(fēng)場(chǎng) 中利用儲(chǔ)能電池來平抑風(fēng)力發(fā)電的最優(yōu)控制的方法、采用居民溫控負(fù)荷控制的微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線 功率波動(dòng)平滑方法等。
[0005]發(fā)明人在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在以下缺點(diǎn)和不足：
[0006] 現(xiàn)有的平率微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)的算法以濾波算法為主，通過濾波器將聯(lián)絡(luò)線波 動(dòng)信號(hào)分解為高頻信號(hào)和低頻信號(hào)，高頻信號(hào)由溫控負(fù)荷平抑，低頻信號(hào)由儲(chǔ)能電池平抑。 濾波算法的結(jié)果受濾波器時(shí)間常數(shù)的影響，而濾波時(shí)間常數(shù)是人為設(shè)定，受經(jīng)驗(yàn)值影響；濾 波算法主要用來平抑聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)，使其平滑化，而不能在一定范圍內(nèi)使聯(lián)絡(luò)線功率達(dá) 到期望調(diào)度值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供了 一種基于儲(chǔ)能和虛擬儲(chǔ)能最優(yōu)控制的功率波動(dòng)平抑方法，本方法不 僅提高了電能質(zhì)量，降低了電網(wǎng)控制成本，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的維護(hù)也起到了很大的作用，詳見下 文描述：
[0008] -種基于儲(chǔ)能和虛擬儲(chǔ)能最優(yōu)控制的功率波動(dòng)平抑方法，所述方法包括以下步 驟：
[0009] 通過新能源發(fā)電、不可控負(fù)荷和可控設(shè)備在不控情況下消耗的功率預(yù)測(cè)值，獲取 當(dāng)日聯(lián)絡(luò)線功率的調(diào)度參考值；
[0010] 獲得當(dāng)日t時(shí)刻新能源發(fā)電的功率，來計(jì)算該時(shí)刻儲(chǔ)能電池和電熱栗需要平抑的 總功率；
[0011] 根據(jù)最優(yōu)控制模型中的狀態(tài)方程，在儲(chǔ)能電池、電熱栗的約束條件以及目標(biāo)函數(shù) 下對(duì)總功率進(jìn)行優(yōu)化分配，得到電熱栗群和儲(chǔ)能電池的目標(biāo)功率和；
[0012] 計(jì)算電熱栗和儲(chǔ)能電池的實(shí)際響應(yīng)功率。
[0013] 所述最優(yōu)控制模型中的儲(chǔ)能電池的約束條件為：
[0014] S0Cnin^S0CS0Cnax, -Ic,nax^Iβτ^ΞId,nax
[0015] 其中，S0C_為最小荷電狀態(tài)；S0C_為最大荷電狀態(tài)；Idi_為儲(chǔ)能電池最大的放 電電流；為最大的充電電流。
[0016] 所述最優(yōu)控制模型中的電熱栗的約束條件為：
[0018] 其中，VS0C_為最小荷電狀態(tài)；VS0C_為最大荷電狀態(tài)，為電熱栗消耗功率的 變化率；Pup、Pd_分別為電熱栗群消耗功率變化率的上下約束。
[0019] 所述最優(yōu)控制模型中的目標(biāo)函數(shù)為：
[0020] J=min/ (yref-y)2dt
[0021] 式中f+4-yraf為儲(chǔ)能電池和電熱栗總功率的參考值；疼?為當(dāng) 日聯(lián)絡(luò)線功率的調(diào)度參考值；PRE為可再生能源實(shí)際的功率；Pi為不可控電熱栗消耗的實(shí)際 功率；y為輸出變量。
[0022] 所述最優(yōu)控制模型中的狀態(tài)方程為：
[0025] 其中，^為狀態(tài)變量的變化率，龍為狀態(tài)變量的變化率的矩陣；X為狀態(tài)變量，X為 狀態(tài)變量的矩陣；u為控制變量，u為控制變量的矩陣；y為輸出變量，y為輸出變量的矩陣； Vrated為儲(chǔ)能電池的額定電壓；i為儲(chǔ)能電池荷電量的變化率；i2為電熱栗群消耗功率的變 化率；f為儲(chǔ)能電池荷電的變化率；為電熱栗群消耗功率的變化率；Xl、x2為狀態(tài)變量， 分別表示為儲(chǔ)能電池荷電量q和電熱栗群消耗的功率PHP;ui、u2為控制變量，分別表示儲(chǔ)能 電池電流IBT和電熱栗群消耗功率變化率。
[0026] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是：本發(fā)明在以往研究的基礎(chǔ)上，將負(fù)荷需求 響應(yīng)視為一種虛擬儲(chǔ)能，通過建立儲(chǔ)能電池和該虛擬儲(chǔ)能的最優(yōu)控制模型，本發(fā)明對(duì)城市 園區(qū)微網(wǎng)中存在的大量電熱栗設(shè)備進(jìn)行集群需求響應(yīng)控制，調(diào)節(jié)負(fù)荷曲線形成"虛擬儲(chǔ)能" 效應(yīng)，與儲(chǔ)能電池協(xié)調(diào)控制，來平抑微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)。電熱栗"虛擬儲(chǔ)能"和儲(chǔ)能電池 的協(xié)調(diào)配合控制采用最優(yōu)控制（OptimalControl)模型加以實(shí)現(xiàn)，考慮"虛擬儲(chǔ)能"和儲(chǔ)能 電池的相關(guān)操作約束，使控制后微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率接近于設(shè)定的目標(biāo)參考值。"虛擬儲(chǔ)能"的 使用，有效減少了儲(chǔ)能電池的數(shù)量和使用成本，提高微網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。
【附圖說明】
[0027] 圖1為本發(fā)明提供的單個(gè)電熱栗熱力學(xué)動(dòng)態(tài)過程的示意圖；
[0028] 圖2為溫度優(yōu)先隊(duì)列模型的示意圖；
[0029] 圖3為最優(yōu)控制算法的流程圖；
[0030] 圖4為聯(lián)絡(luò)線功率目標(biāo)值和實(shí)際值的不意圖；
[0031] 圖5為電熱栗功率目標(biāo)值和實(shí)際值的示意圖；
[0032] 圖6為儲(chǔ)能電池功率的目標(biāo)值和實(shí)際值的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步 地詳細(xì)描述。
[0034] 實(shí)施例1
[0035] 一種基于虛擬儲(chǔ)能最優(yōu)控制微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)平抑方法，參見圖1、圖2和圖4， 該方法包括以下步驟：
[0036] 101:通過新能源發(fā)電、不可控負(fù)荷和可控設(shè)備在不控情況下消耗的功率預(yù)測(cè)值， 獲取當(dāng)日聯(lián)絡(luò)線功率的調(diào)度參考值;
[0037] 首先在日前得到新能源發(fā)電、不可控負(fù)荷和可控設(shè)備在不控情況下消耗的功率預(yù) 測(cè)值，由此得到當(dāng)日聯(lián)絡(luò)線功率的調(diào)度參考值
[0038] 102:獲得當(dāng)日t時(shí)刻（由t= 1時(shí)刻開始）新能源發(fā)電的功率，來計(jì)算該時(shí)刻儲(chǔ) 能電池和電熱栗需要平抑的總功率
[0039] 103:根據(jù)最優(yōu)控制模型中的狀態(tài)方程，在儲(chǔ)能電池、電熱栗的約束條件以及目標(biāo) 函數(shù)下對(duì)總功率yraf進(jìn)行優(yōu)化分配，得到電熱栗群和儲(chǔ)能電池的目標(biāo)功率和;
[0040] 104:計(jì)算電熱栗和儲(chǔ)能電池的實(shí)際響應(yīng)功率；
[0041] 105:返回步驟102,對(duì)t+Ι時(shí)刻進(jìn)行最優(yōu)控制，直至當(dāng)日結(jié)束。
[0042] 綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例通過上述步驟101-步驟105實(shí)現(xiàn)了對(duì)儲(chǔ)能電池和負(fù)荷需 求響應(yīng)的最優(yōu)控制，降低了電網(wǎng)控制成本，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的維護(hù)也起到了很大的作用。
[0043] 實(shí)施例2
[0044] 下面結(jié)合具體的計(jì)算公式、例子對(duì)實(shí)施例1中的步驟103中的方案進(jìn)行性詳細(xì)的 描述，詳見下文：
[0045] 201:采用KiBaM(KineticBatteryModel)儲(chǔ)能電池模型描述儲(chǔ)能電池運(yùn)行情 況；
[0046] 其中，用卷表示儲(chǔ)能電池的目標(biāo)功率，則該時(shí)刻所需放電電流1,為： 4 =瑤/ (匕山表示儲(chǔ)能電池的額定電壓，Ns表示串聯(lián)的儲(chǔ)能電池個(gè)數(shù)。
[0047] 假設(shè)在每次步末qi= 0,儲(chǔ)能電池最大的放電電流I|_為：
[0049] 其中，qi為自由負(fù)荷；k為常數(shù)比值；qu為儲(chǔ)能電池在初始時(shí)刻的自由電荷；c為 自由負(fù)荷與總負(fù)荷的比值；％為儲(chǔ)能電池在初始時(shí)刻的總電量；At為仿真步長(zhǎng)。
[0050] 則儲(chǔ)能電池放電電流為：
[0051] 充電時(shí)類似，需要的充電電流為：/, &VS)。
[0052] 假設(shè)qi=cq_，則最大的充電電流為：
[0053] 其中，q_為儲(chǔ)能電池的最大總負(fù)荷。
[0054] 從而儲(chǔ)能電池充電電流為
[0055] 儲(chǔ)能電池所能提供功率為：PBT=(q" t〇
[0056] 其中，t為時(shí)間代表仿真時(shí)刻；q為儲(chǔ)能電池荷電量。
[0057] 202:采用一階簡(jiǎn)化響應(yīng)模型描述單個(gè)電熱栗的熱力學(xué)動(dòng)態(tài)行為，對(duì)電熱栗施加溫 度優(yōu)先隊(duì)列（TPL)的控制算法，通過溫度的變化間接實(shí)現(xiàn)對(duì)電負(fù)荷的調(diào)節(jié)，同時(shí)兼顧用戶 對(duì)舒適度的要求，并以溫度為基礎(chǔ)提出基于熱栗群的虛擬電池荷電狀態(tài)（VirtualState ofCharge,VSOC)；
[0058] 參見圖1，橫坐標(biāo)代表時(shí)間，縱坐標(biāo)代表室內(nèi)溫度。當(dāng)電熱栗工作時(shí)n= 1，當(dāng)電熱 栗關(guān)閉η= 0。工作原理為：
[0059]其中：Tmin=Tset_δ，Tmax=Tset+δ。式中，nk表示k時(shí)刻電熱栗的狀態(tài)；nk+1表示k+1時(shí)刻電熱栗的狀態(tài)；表示電熱栗所處室內(nèi)溫度；Tset表示電熱栗的溫度設(shè)定值；δ 表示電熱栗的溫度死區(qū)；Τ_，Τ_分別表示溫度的上下邊界。
[0060] 電熱栗處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)：
電熱栗處于開啟狀態(tài)
[0061] 其中，代表室外溫度（°C) ;C、R、Q分別代表電熱栗的等值熱電容（J/°C)、等值 熱電阻（R/°C)和等值熱比率（W)C為t+Δt時(shí)刻熱栗所處的室內(nèi)溫度；7=Λ?為t+Δt 時(shí)刻的室外溫度；巧_為t時(shí)刻熱栗所處的室內(nèi)溫度?！鱰代表仿真步長(zhǎng)，本發(fā)明實(shí)施例中 取Δt=lmin〇
[0062] 首先根據(jù)電熱栗的狀態(tài)進(jìn)行分群，假設(shè)某一社區(qū)有m個(gè)參與需求響應(yīng)的電熱栗， 在某一時(shí)刻將電熱栗分為開啟群A(包含a個(gè)設(shè)備）和關(guān)閉群B(包含b個(gè)設(shè)備），其中a+b =m。開啟群η= 1，關(guān)閉群η=0。A=[A^A2,…，AJ，B=IX，B2,…，Bb]。
[0063] 根據(jù)當(dāng)前每個(gè)電熱栗所處室內(nèi)溫度值，對(duì)A群的設(shè)備根據(jù)室內(nèi)溫度從低到高排 序，對(duì)B群的設(shè)備根據(jù)室內(nèi)溫度從高到低排序。參見圖2可知A群設(shè)備的室內(nèi)溫度的關(guān)系 T, <7\<~<7\，則當(dāng)需要關(guān)閉設(shè)備時(shí)，設(shè)備操作的優(yōu)先級(jí)為4<"<..· <Aa。關(guān)閉 群設(shè)備對(duì)應(yīng)的溫度關(guān)系為仏 < 乙 < …< %，則當(dāng)需要開啟設(shè)備時(shí)，設(shè)備操作的優(yōu)先級(jí)為Bb <Bb !< . . . <B1〇