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独立运行的微电网有功功率优化控制 .pdf

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.21M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 独立运行的微电网有功功率优化控制 王西芝，陈星莺，刘皓明 河海大学能源与电气学院，南京（210098） E-mail：wxz860323@163.com 摘 要：微电网独立运行时，风力发电、光伏电池等分布式电源出力不稳定。以收益最大为 优化目标，1）仅计及可中断负荷的作用，2）同时计及可中断负荷和后备电源的作用，建立 了有功优化控制的数学模型。通过算例仿真，验证了所提 2 种模型在微电网独立运行下有功 优化控制的有效性。 关键词：微电网；独立运行；可中断负荷 后备电源 中图分类号：TM73 1 引言 近年，随着环境的日益恶化和不可再生能源的稀缺，节能减排、新能源、可持续发展逐 渐成为各国关注的重点。鉴于此，有学者提出了一种特殊的电网形式——微电网[1]-[5]。微电 网中的电源多为微电源，包括光伏电池、风力发电机、燃料电池、微型燃气轮机等，还包括 蓄电池、超级电容器等储能装置。它们接在用户侧，具有低污染、低成本、低电压的特点[6]。 微电网既可以与大电网联网运行，也可以在大电网故障时独立运行。 作为微电网主要清洁发电设备的光伏电池、风力发电机等对气候与环境的变化比较敏 感，一旦天气发生剧变，它们的出力随之出现大的改变。联网运行时，由于有大电网的支撑， 并不会产生很大影响。在独立运行模式下，电源出力的较大波动可能会引起微电网有功不平 衡和频率大幅偏移，超出安全运行范围。因此，在独立运行模式下，有效的微电网有功功率 优化控制策略非常重要。针对于此，国内外学者做了一些初步研究，给出了抑制微电网功率 波动和阻止微电网频率大幅偏移的一些方法，主要包括协调控制微电源[8][9]和设计微电源控 制器[10]-[13]。一些研究针对微电网出现严重有功缺额的现象，提出了中断负荷的想法[11][14][15]， 或者给出了智能负荷控制的概念[7] [14][15]。 本文引入了电力市场中需求侧响应的概念，提出了以微电网经济收益最优为目标，计及 可中断负荷的有功功率优化控制模型和计及可中断负荷与备用的联合优化控制模型，即在满 足系统约束条件下如何投切可中断负荷或投切后备，使微电网的收益最大，论文最后通过算 例仿真，验证了所提两组模型的有效性和经济性。 2 可中断负荷 需求侧响应是指电力用户针对市场价格信号或激励机制做出响应并改变正常电力消费 模式的市场参与行为[16][17]。根据美国能源部的研究报告，按照用户不同的响应方式将电力 市场下的需求侧响应划分为 2 种类型：基于价格的需求侧响应和基于激励的需求侧响应[18]。 可中断负荷是基于激励的需求侧响应的一种，指那些以合约等方式允许有条件停电的负 荷[19]。市场引导可中断负荷的方式有折扣电价的补偿[20]和实际停电后的高赔偿[21]2 种。低 电价可中断负荷（ILL—interruptible load with low price）是在事故前通过电价打折来换取负 荷的可中断权，高赔偿可中断负荷（ILH—interruptible load with high compensation）则是在 事故发生且中断措施实施后才进行赔偿[22]。 部分用户根据自己的实际负荷状况与微电网签订了可中断运行合同，对可靠性要求不高 的可中断负荷，签订折扣式 ILL 合同，而对供电可靠性要求相对高一些的可中断负荷，签订 -1-
    中国科技论文在线 ILH 高赔偿式合同。 3 优化模型 http://www.paper.edu.cn 根据微电网运行的特点，在本文建立的模型中做如下假设： （1）售电电价制度定为季节电价制，即根据季节的变化修改微电网的售电电价； （2）微电网独立运行时，电能供小于求，发多少有功就用多少； （3）根据各个微电源当前出力和微电网购电单价计算得到微电网的购电总成本； （4）通过折扣（赔偿）系数来体现各个负荷被中断意愿的强弱； （5）每个可中断负荷大小均为定值，无法进行调节。 3.1 计及可中断负荷的优化模型 优化目标为微电网收益最大，优化结果为所有可中断负荷的开关状态 ix 。数学模型为： ( p i − c 0 ) s x i − i s ) b x P i i ) x P s i i s 1 − x i s x i − x i s 1 − + Δ ≤ P γ （1） max s t . . I ∑ i 1 = I ∑ i 1 = I ∑ i 1 = ( ( ( s 1 − x i ⊕ s x i ) ≤ E i I i I 0 1 1 = = b i 荷， p 0, p 0, β= i α= i 1,2,..., 1,2,..., c iβ = ，没有补偿费用； 0c 是微电网平均购电成本（￥/MW）， 0 其中， ip 是第i 个可中断负荷与微电网签订的合同电价（￥/MW）， p ， i iα是可中断负荷 i 的电价系数，对于折扣式可中断负荷， iα ≤ ，对于高赔偿可中断负荷， iα = ； 0p 是售电电价（季节电价制）（￥/MW）； ib 是可中断负荷被微电网中断后的单位 ， iβ是中断赔偿系数，对于折扣式可中断负 赔偿费用（￥/MW）， ∑ ； gc 是微电网向第 g 个微电源购电的购电单价（￥/MW）； gP 是第 g 个微电源卖给微电网的 有功（MW）；G 表示的是所有微电源的个数； iP 是第i 个可中断负荷的大小（MW）； ix 是 第i 个可中断负荷的开断状态，1—未断开，0—断开， ix 表示取反；s 是可中断负荷的状态 变化次数标识（只要可中断负荷的状态发生变化， s 就将更新一次）； I 表示的是所有可中 断负荷的个数； PΔ 是微电网的有功偏移量（MW），取微电网有功不足时为负，有功过剩 ， P 是微电网的 时为正；γ是微电网优化不匹配量限值（MW）， 有功发电容量（MW）， a 为限值的初始因数，t 为调节档数， m 为调节幅度大小； E 是开 关动作次数的限值；⊕ 是“异或”运算符。 = ∑ a mt P )* + ( f P c P g g γ= P g g 1 = g 1 = = ( G G ) 某一时刻微电网可提供有功量是确定的，各可中断负荷的大小也是确定不可调节的，那 么在优化过程中，将无法做到优化量与微电网出现的有功不平衡量完全匹配，因此构建功率 不等式约束，要求在进行优化计算时，优化结果的不匹配量控制在限值γ内。但若t 已经调 到最高档（即微电网所能承受的最大有功不平衡），仍然无法有可行解的输出，说明此时通 过可中断负荷的作用已经无法消除出现的不平衡量，将采取如下的策略： -2-
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn min ⎛ ⎜ ⎝ I ∑ i 1 = ( s 1 − x i s x i − x i s 1 − ) x P s i i P + Δ ⎞ ⎟ ⎠ （2） 即不再考虑收益，而是以最小化有功不平衡量为优化目标。根据（2）式求出开关状态组合， 并根据此状态组合计算微电网的收益，注明当前状况。 开关的动作会产生开关损耗，而且大量开关的同时中断亦会对电网的稳定产生不利的影 响，因此在进行优化计算时，为了减少开关损耗和对电网的不利影响，将对负荷开关的中断 总次数作出限制，不能超过限值 E 。 3.2 同时计及可中断负荷和备用的优化模型 计及可中断负荷的数学模型仅仅是通过采取中断负荷的措施来恢复微电网的有功不平 衡，而实际上微电网为了提供具有更好供电质量和更高可靠性的电能，会在网络中增加后备 电源的接入。同时计及可中断负荷和备用的优化模型即是通过可中断负荷和后备的联合作用 实现微电网有功平衡。 优化模型的优化目标为微电网收益最大，优化结果为所有可中断负荷的开关状态 ix ， 后备的投入状态 jy ，后备投入量 jP 。数学模型为： − 0 s 1 − s 1 − − ( J j − ( J j 1 = s 1 − ) I 1 = ) j s 1 − x i s + x i − x i ≤ E ( ( s y j ⊕ s y j p i c 0 ) P j s x i s x i i 1 = I s x i s P j ⎞ ⎟ ⎠ r 1 − s t . . i ⎛ ⎜ ⎝ I ∑ i s − ) b x P i i ) x P s i i + ∑ ∑ max c P j j + Δ = P （3） ∑ ( ( ∑ i 1 = P min j 含义同（1）式； jc 是第 j 个后备的单位发电成本（元/MW）； 其中， 0, , jP 是第 j 个后备发出的有功功率大小（MW），为连续变量； jr 是第 j 个后备投入运行产生 的固定成本（￥）； jy 是第 j 个后备的投入状态，1—投入，0—未投入； J 是所有后备的个 jP 是第 j 个后备电源的最大出力限 数； min jP 是第 j 个后备电源的最小出力限制（MW）； max p c b x P s I P EΔ i P max j , ≤ , ≤ , P j , i i , i ) , 制（MW）。 若在优化之前微电网的后备已处于投入运行的状态，即 1 1 s jy − = ，则优化时不再计及后 jy − = ， 0 备投入运行产生的固定成本 jr ，若在进行优化之前微电网的后备未投入运行，即 1 s 则需要计及 jr 。 在等式约束中，第一项是可中断负荷优化量，第二项是后备电源优化量，二者之和为有 功优化总量。后备输出可以连续调节，因此联合优化模型可以做到完全消除不平衡量，功率 约束是等式约束。 4 算例分析 以文献[23]-[25]中的测试系统为基础构造了论文所需的微电网仿真系统，如图 1 所示。 -3-
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 1 微电网仿真系统 Fig1 Micro-grid simulation system 此微电网仿真系统工作在独立运行模式下，总发电容量 10 P = MW。MT2 为微电网投 MW，单位发电成本 ￥ jr = ￥。有 10 个可中断负荷，1、2、5、6、8、10、11 为折扣式 MW， max P = P = jc = 0.85 300 0.1 60 入的后备电源，其出力限值为 min /MWh，固定运行成本 可中断负荷，3、7、12 为高赔偿可中断负荷，其相关数据如表 1 所示。 表 1 可中断负荷数据 Tab.1 The data of interruptible load 参数 1 iP （MW） 0.13 0.9 2 5 0.48 0.19 0.73 0.92 iα iβ 0 0 0 开关号 8 10 0.3 0.85 0 0.28 0.76 0 6 0.25 0.78 0 11 0.15 0.71 3 7 12 0.18 0.23 0.14 1 1 1 0 0.7 0.68 0.73 售电电价取为夏季的， 0 ￥/MWh。不平衡量 7E = 。 限值γ的初始因数 0.3% 模型一和模型二的优化结果分别如表 2 和表 3 所示，根据微电网出现的不同大小的有功不平 衡量，给出相对应的开关组合状态。 ￥/MWh，平均购电成本 0 P = ，档数 0,1,2 700 t = c = 0.35% 。开关损耗限值 ，调节幅度 m = 300 a = 表 2 计及可中断负荷优化结果 Tab.2 The optimization results of considering interruptible load △P （MW） 1 1 -2.2 -1.7 1 2 0 0 5 0 0 6 0 0 开关状态 8 0 0 10 0 0 11 1 1 -4- 3 0 0 7 0 1 12 1 1 不匹配量 （MW） -0.29 0.02 收 益 （￥） -69.23 132.25
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn -1.0 1.0 1.7 2.2 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0.01 0.02 0.01 0.29 446.31 357.81 514.18 474.06 表 3 同时计及可中断负荷和备用优化结果 Tab.3 The optimization results of taking into account interruptible load and standby generator △P 5 1 1 1 1 0 0 2 0 0 0 0 1 1 （MW） 1 1 1 1 1 0 0 -2.2 -1.7 -1.0 1.0 1.7 2.2 由表 1－3 可知以下结论： 6 0 0 0 0 1 1 开关状态 8 0 0 1 0 1 1 10 0 0 1 0 1 1 后备状态 11 0 0 0 0 0 0 3 1 1 1 1 1 1 7 1 1 1 1 1 1 12 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 后备出力 （MW） 0.74 0.24 0.12 0.17 0.16 0 收 益 （￥） 46.26 196.260 385.72 305.76 428.24 474.06 <1>有功不足时，优先中断 ILL，当 ILL 全部中断仍然不能满足要求时，中断 ILH 或投备用， 而在有功过剩时则优先投 ILH，当 ILH 全部重新投上后再投 ILL。这是因为 ILL 的可中断权 是通过折扣方式给付的，ILH 的可中断权是通过高价赔偿给付的。 <2>对于仅计及可中断负荷的优化模型，当γ调到最高档仍然没有可行解输出时，放弃收益 最优的目标，以最小化微电网有功不平衡量为目标进行优化，优化结果不再遵循先切（后投） ILL，再切（先投）ILH 的规律。 <3>当微电网有功过剩时，仅计及可中断负荷的优化模型要比有后备的优化模型收益更大， 这主要是因为微电网通过增加后备的投入（即增加投资成本，减少收益）换取了微电网的零 有功不平衡，使得微电网具有更优质的电能。 <4>两组模型对于微电网出现的有功不平衡量均具有较好的平衡作用。仅计及可中断负荷优 化模型虽无法做到完全消除，但是能保持不匹配量在微电网可承受的限值范围之内，加入后 备的联合优化模型能够完全消除有功不平衡量，但是由于投入后备增加了微电网本身的投 资，因此只有当微电网经常出现较大有功缺额时，适宜选用有后备的优化模型。 5 结论 作为微电网主要清洁发电设备的光伏、风电对于天气的变化非常敏感，一旦它们出现 较大波动，微电网将出现较大有功不平衡量，从而可能引起微电网频率大幅偏移。论文在计 及可中断负荷作用的前提下，以微电网收益最大为最优为目标，给出了两种优化模型，分别 为：“计及可中断负荷优化模型”和“同时计及可中断负荷和备用的优化模型”。通过算例仿真 计算，表明此两组模型均能有效消除微电网出现的有功不平衡量，保证微电网运行在安全范 围内。 参考文献 two DAVID ． CERTS [1] ENGLE /OL]．http://www.distributedenergy.com/march-april-2005/certs-proves-grids.aspx, Mar.2005． [2] MARNAY C, RUBIO F J, SIDDIQUI A S．Shape of the microgrid[J]．IEEE, 01:150-153, Jan.2001． [3] LASSETER B. Microgrids[J]．IEEE, 01:146-149, Jan.2001． [4] LASSETER R H. Microgrids[J]．IEEE, 02:305-308, Feb.2002． proves better grids are than one [EB -5-
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn O of the microgrids and the future C,BAILEY C ． The [5] MARNAY microgrids[EB/OL]．http://eetd.lbl.gov/ea/EMS/EMS_pubs.html, Aug.2004． [6] 鲁宗相，王彩霞，阂勇，等．微电网研究综述［J］．电力系统自动化，31（19）：100-106． [7] Qin Lei , Fang Z Peng, Irvin J．Balaguer. Islanding Control of DG in Microgrids[J]．IEEE, 09:450-455, 2009． [8] Paolo Piagi．Autonomous Control of Microgrids[J]． IEEE, Jun.2006． [9] 章健，艾芊，王新刚．多代理系统在微电网中的应用［J］．电力系统自动化，2008，32（24）：80-87． [10] F.Katiraei, M. R. Iravani．Power Management Strategies for a Microgrid With Multiple Distributed Generation Units[J]．IEEE TRANSACTIONS ON POWER SYSTEMS, 21: 1821-1831,Nov. 2006． [11] J.A. PecasLopes, C.L.Moreira, A.G.Madureira ． Defining Control Strategies for MicroGrids Islanded Operation[J]. IEEE TRANSACTIONS ON POWER SYSTEMS, 21:916-924,May .2006． [12] J. A. Pecas Lopes, C. L. Moreira, A. G. Madureira．Defining Control Strategies for Analysing MicroGrids Islanded Operation[J]．IEEE,1-7,2002． [13] J.A. Peças Lopes, C.L. Moreira, A.G. Madureira,et al．Control Strategies for MicroGrids Emergency Operation[J]. IEEE,1-4,2002． [14] S. J. Chatzivasiliadis, N. D. Hatziargyriou, A. L. Dimeas．Development of an Agent Based Intelligent Control System for Microgrids[J]．IEEE, :1-6,2008． [15] K. De Brabandere, K. Vanthournout, J. DSRiesen, et al．Control of Microgrids[J]．IEEE, 1-6,2007． [16] 张钦，王锡凡，付敏，王建学．需求响应视角下的智能电网［J］．电力系统自动化，2009，33（17）： 49-55． [17] 张钦，王锡凡，王建学．电力市场下需求响应研究综述［J］．电力系统自动化，2008，32（3）：97-106． [18] US Department of Energy． Benefits of demand response in electricity markets and recommendations for achieving them：a report to the United State Congress pursuant to section 1252 of the Energy Policy Act of 2005 [EB /OL]．http://www.oe.energy.gov/Documents and Media/congress_1252d.pdf, Feb.2006． [19] 薛禹胜，罗运虎，李碧君，等．关于可中断负荷参与系统备用的评述［J］，2007，31（10）：1-6． [20] CHEN C S, LUE J T． Interruptible load control for Taiwan Power Company. IEEE Trans on Power Systems, 5(2):460-465,May,1990． [21] WANG Jianxue, WANG Xifan, DING Xiaoying．The forward contract model of interruptible load in power market[J]．IEEE,1-5,2005． [22] 罗运虎，薛禹胜， Gerard LEDWICH，等． 低电价与高赔偿 2 种可中断负荷的协调［J］，2007，31 （11）：17-21． [23] Gray Davis．Integration of Distributed Energy Resources[R]．150-99-003,CALIFORNIA: CERTS Program Office Lawrence Berkeley National Laboratory, 2003． [24] G. N. Kariniotakis, N. L. Soultanis, A. I. Tsouchnikas． Dynamic Modeling of MicroGrids． IEEE, 1-7,2002． [25] F.Katiraei, M.R.Iravani,P.W.Lehn．Micro-Grid Autonomous Operation During and Subsequent to Islanding Process[J]．IEEE TRANSACTIONS ON POWE RDELIVERY, 248-257,2005． The Optimal Control of Active Power in the standalone Microgrid Wang Xizhi, Chen Xingying, Liu Haoming College of Energy and Electric Engineering, Hohai University, Nanjing, PRC, (210098) Abstract When the microgrid operates independently, the active power outputs of some distributed generators, such as wind turbines and photovoltaic cells, are not stable.. Two models are built in this paper with the same objective as getting maximum profit, they are, 1) only the interruptible load is considered, 2) both the interruptible load and stand-by generators are taken into account. The simulation results show that the two proposed models are both effective for the active optimal control in the independent operating microgrid. Keywords: Microgrid; Standalone Operation; Interruptible Load; Standby Generator -6-
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