考慮冷熱電聯供和儲能運行策略的微電網運行優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種考慮冷熱電聯供和儲能運行策略的微電網運行優(yōu)化方法，包括：建立CCHP型微電網優(yōu)化模型；構建以微電網并網運行狀態(tài)下發(fā)電成本最低為目標的目標優(yōu)化函數；根據建立的目標優(yōu)化函數，綜合考慮前后時段的負荷水平以及各微電源的出力趨勢，確定儲能單元以及燃料電池的運行原則，進而確定調度周期內整個CCHP系統(tǒng)的最佳運行方式。本發(fā)明有益效果：對儲能優(yōu)化能夠有效地增加微電網售電收益，對降低微電網的運行成本具有明顯優(yōu)勢；相對于傳統(tǒng)的火電廠、熱電廠能夠提高系統(tǒng)能源利用率并實現能源梯級利用，為電力系統(tǒng)節(jié)能提供參考；能夠節(jié)能減排，極大的減少空氣污染物的排放，對于提高環(huán)境效益具有重大意義。
【專利說明】考慮冷熱電聯供和儲能運行策略的微電網運行優(yōu)化方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及微電網運行優(yōu)化領域，具體涉及一種考慮冷熱電聯供和儲能運行策略 的微電網運行優(yōu)化方法。

【背景技術】
[0002]冷熱電聯供（combined cooling heating and power, CCHP)系統(tǒng)將制冷、制熱 和供電三者相結合，能夠實現能量梯級利用并減少污染物排放，是一種節(jié)能、環(huán)保的供能方 式，具有良好的社會和經濟效益。而微電網則解決了分布式電源大規(guī)模接入電網的問題，能 夠有效、靈活、智能地利用各種分布式能源，在緩解能源短缺現狀、保護環(huán)境和提高電能質 量方面具有巨大潛力。在發(fā)展低碳綠色經濟的背景下，兩者結合的CCHP型微電網的發(fā)展受 到了極大地重視，但目前技術還不成熟，應用尚處于起步階段。
[0003] CCHP型微電網存在冷、熱、電三種能量之間的平衡關系，而微電網具有并網和孤島 運行兩種方式?；谀茉蠢寐屎铜h(huán)保效益的考慮，在滿足系統(tǒng)冷熱負荷的前提下，如何根 據各微電源特性制定最佳的運行策略以提高微電網的經濟效益這一問題受到越來越多的 關注。
[0004]目前，關于CCHP型微電網的研究多以優(yōu)化電源配置和儲能容量、最佳備用儲能等 為目標，主要包括以下方法 ：
[0005] 1.建立熱電聯產型微電網，在模糊優(yōu)化理論的基礎上，運用改進遺傳算法優(yōu)化并 網運行方式下各微源的有功、無功出力和多目標優(yōu)化的滿意度。
[0006] 2.應用機會約束規(guī)劃理論建立了經濟運行優(yōu)化模型，并采用基于隨機模擬技術的 粒子群優(yōu)化算法求解模型，根據不同的微源配置，對系統(tǒng)的運行方案進行了優(yōu)化。
[0007] 3.采用外推近似法對冷電聯供系統(tǒng)進行優(yōu)化求解，以日綜合運行經濟效益最高為 目標，在滿足給定冷負荷的基礎上，確定優(yōu)化的運行模式，并對蓄冷器的使用進行了研究。
[0008] 以上研究對微電網的經濟運行和儲能容量的優(yōu)化配置等方面做了大量的工作，但 在提高微電網能源利用率以及優(yōu)化儲能策略的方面上仍需要進一步研究。


【發(fā)明內容】

[0009] 本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題，提出了 一種考慮冷熱電聯供和儲能 運行策略的微電網運行優(yōu)化方法，該方法以能源梯級利用為基礎，以一個包含光伏 (photovoltaic, PV)、風機（wind turbine, WT)、微型燃氣輪機（micro turbine, MT)、空調 機（air conditioner, AC)、燃料電池（fuel cell, FC)、儲能單元（energy storage, ES)的 CCHP型微電網為研究對象，在滿足電能供需平衡、儲能容量限制等約束下，確定最佳的儲能 運行策略并采用基于模擬退火的粒子群（SimuAPSO)動態(tài)規(guī)劃法求得調度周期內各微電源 的最佳運行方式，并通過能源利用率、污染物減排量及減排費用和運行成本對比等過程評 價指標對結果進行量化分析。
[0010] 為了實現上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：
[0011] 一種考慮冷熱電聯供和儲能運行策略的微電網運行優(yōu)化方法，包括以下步驟：
[0012] (1)假設在調度周期單位時間間隔At內各微電源的出力恒定并滿足冷、熱、電負 荷的平衡關系，微電網與主網之間功率交互功率恒定，交互電價跟隨實時電價并在At內 保持不變的情況下，建立CCHP型微電網優(yōu)化模型；
[0013] (2)根據功率平衡約束條件、分布式電源有功出力約束條件、空調機出力約束條件 以及儲能單元運行約束條件，構建以微電網并網運行狀態(tài)下發(fā)電成本最低為目標的目標優(yōu) 化函數；
[0014] (3)根據建立的目標優(yōu)化函數，利用基于模擬退火粒子群的動態(tài)規(guī)劃法求解輸出 儲能單元、交互功率和燃料電池的最佳出力；綜合考慮前后時段的負荷水平以及各微電源 的出力趨勢，確定儲能單元以及燃料電池的運行原則，進而確定調度周期內整個CCHP系統(tǒng) 的最佳運行方式。
[0015] 所述步驟⑴中建立的CCHP型微電網優(yōu)化模型包括：微型燃氣輪機模型、空調機 模型、燃料電池模型、風力發(fā)電模型、光伏發(fā)電模型和儲能單元模型；
[0016] 假設微型燃氣輪機排煙溫度與溴冷機的進煙溫度保持不變，并忽略外界環(huán)境的變 化對微型燃氣輪機供電、燃料燃燒效率的影響，所述微型燃氣輪機模型的數學模型為：

【權利要求】
1. 一種考慮冷熱電聯供和儲能運行策略的微電網運行優(yōu)化方法，其特征是，包括以下 步驟： (1) 假設在調度周期單位時間間隔At內各微電源的出力恒定并滿足冷、熱、電負荷的 平衡關系，微電網與主網之間功率交互功率恒定，交互電價跟隨實時電價并在At內保持 不變的情況下，建立CCHP型微電網優(yōu)化模型； (2) 根據功率平衡約束條件、分布式電源有功出力約束條件、空調機出力約束條件以及 儲能單元運行約束條件，構建以微電網并網運行狀態(tài)下發(fā)電成本最低為目標的目標優(yōu)化函 數； (3) 根據建立的目標優(yōu)化函數，利用基于模擬退火粒子群的動態(tài)規(guī)劃法求解輸出儲能 單元、交互功率和燃料電池的最佳出力；綜合考慮前后時段的負荷水平以及各微電源的出 力趨勢，確定儲能單元以及燃料電池的運行原則，進而確定調度周期內整個CCHP系統(tǒng)的最 佳運行方式。
2. 如權利要求1所述的一種考慮冷熱電聯供和儲能運行策略的微電網運行優(yōu)化方法， 其特征是，所述步驟（1)中建立的CCHP型微電網優(yōu)化模型包括：微型燃氣輪機模型、空調機 模型、燃料電池模型、風力發(fā)電模型、光伏發(fā)電模型和儲能單元模型； 假設微型燃氣輪機排煙溫度與溴冷機的進煙溫度保持不變，并忽略外界環(huán)境的變化對 微型燃氣輪機供電、燃料燃燒效率的影響，所述微型燃氣輪機模型的數學模型為：
微型燃氣輪機的燃料成本為：
式中，令t = tfr Λ Ltci為調度初始時刻，r為非負整數，調度周期T = Nt At，Nt為正 整數；Qmt⑴為燃氣輪機排氣余熱量；Pmt⑴為t時刻燃氣輪機輸出的電功率；ηMT為燃氣 輪機發(fā)電效率；1為散熱損失系數；Q mmi(t)為溴冷機t時刻提供的制熱量和制冷 量；nh、η。和COPh、COP。分別為溴冷機的制熱和制冷時的煙氣回收率及制熱和制冷系數；； 微型燃氣輪機不同功率下的發(fā)電效率由生產商提供的相關參數擬合得到；C mt為微型燃氣 輪機的燃料成本；Cf為單位燃料的價格；LHVNe為天然氣低熱熱值； 所述空調機模型的數學函數為： Qair-h ⑴-Pajr (t) (l_rlLh) rIahCOPair-I1 (5) Qair-C(t) = Pair(t) (I-nLc) nacc〇pair_c (6) 式中，Qairt⑴、QaiM(t)分別為t時刻空調機制熱、制冷功率；Pai,(t)為空調機用電功 率；JUh、IU。分別為空調機制熱、制冷時損失系數，nah、na。分別為空調機的制熱、制冷效 率；c〇p airt、c〇p&_。分別為空調制熱和制冷時的能效比；空調機所耗電能作為系統(tǒng)用電負 荷統(tǒng)一調度。
3. 如權利要求2所述的一種考慮冷熱電聯供和儲能運行策略的微電網運行優(yōu)化方法， 其特征是，所述燃料電池模型的數學函數為： 不考慮燃料電池的熱能利用，燃料電池的燃料消耗-功率輸出特性為：
式中，Cfc為燃料電池的燃料成本；Pfc(t)為t時刻燃料電池發(fā)電功率；ηFC為燃料電池 發(fā)電效率；LHVic為天然氣低熱熱值，Cf為單位燃料價格、r為調度時間段、Nt為總的調度時 間段數目，；燃料電池不同功率下的發(fā)電效率由生產商提供的相關參數擬合得到； 所述儲能單元模型的狀態(tài)有充電、放電、浮充三種狀態(tài)，儲能在t時刻的剩余電量與 t-i時刻的剩余電量、t-Ι到t時刻的充放電量以及自放電量有關；儲能的輸入、輸出功率及 充放電狀態(tài)滿足下列關系：
式中，C_(t)為t時刻儲能剩余電量；τ為儲能自放電率；Pes為儲能t時刻的充放電 功率；ηeh、Hdis分別為儲能充電和放電效率；Ufl⑴、u Jthudis(t) e ( 〇，1 }，為儲能單 元的狀態(tài)標識，分別代表浮充，充電，放電三種狀態(tài)，對應Pes(t)取值分別等于、小于、大于 零，At為單位調度時間間隔。
4. 如權利要求1所述的一種考慮冷熱電聯供和儲能運行策略的微電網運行優(yōu)化方法， 其特征是，所述步驟（2)中構建以微電網并網運行狀態(tài)下發(fā)電成本最低為目標的目標優(yōu)化 函數具體為： minF = F1-F2 (9) 式中，F為微電網的調度周期內總發(fā)電成本P1為微電源運行成本函數；F2為微電網經 濟收益函數； 微電源運行成本函數為： F1 = Ct+Cfu+Cm (1〇)
式中，CtXfuXni分別代表微電網折舊成本、燃料成本和維護成本；N為微電源總數；(；為 第i臺微電源的初始成本；1為利息率屯為第i臺微電源的壽命周期；Cbat為儲能初始成 本；V為儲能壽命周期，微電源與儲能折舊的平攤成本為期初成本；C mi為第i臺微電源的單 位出力維護成本；Pi (t)為第i臺微電源單位時間內有功出力；Cnres為儲能的單位出力維護 成本，Cmt為微型燃氣輪機的燃料成本、C f。為燃料電池的成本、Nt為調度周期間隔數、Pes⑴ 為儲能t時刻的充放電功率。
5. 如權利要求4所述的一種考慮冷熱電聯供和儲能運行策略的微電網運行優(yōu)化方法， 其特征是，所述微電網經濟收益函數為：
式中，Prs (t)、Prb (t)分別為t時亥Ij的售電和購電電價；PS (t)、Pb (t)分別為t時亥Ij的售 電和購電功率；Ch。為制熱（冷）收益；Che、C。。分別為單位制熱和制冷量的售價；a = 1表示 冬季制熱，a = O表示夏季制冷；QMT_h(t)為微型燃氣輪機的產熱量、為微型燃氣輪 機的制冷量。
6. 如權利要求1所述的一種考慮冷熱電聯供和儲能運行策略的微電網運行優(yōu)化方法， 其特征是，所述步驟（2)中的功率平衡約束條件具體為：
式中，？1_(〇、01^(〇、0。。(〇分別為七時刻網內普通電負荷和熱、冷負荷屮1_(〇為七 時刻微電網功率損耗，Qmhi(t)為微型燃氣輪機的產熱量、QMTi(t)為微型燃氣輪機的制冷 量，P MT(t)為微型燃氣輪機的發(fā)電功率，PaiJt)為空調機用電功率；Pb(t)、P s(t)分別為微 電網從大電網的購電功率和售電功率。，Qairt(t)、Q&_。(t)分別為t時刻空調機制熱、制冷 功率。PJt)為第i個微電源的出力功率。
7. 如權利要求1所述的一種考慮冷熱電聯供和儲能運行策略的微電網運行優(yōu)化方法， 其特征是，所述步驟（2)中的分布式電源有功出力約束條件具體為 ： Pifflin ^Pifflax (17) 式中，Pi _，Pi min分別為第i臺微電源有功出力的上下限； 所述空調機出力約束條件具體為： Pair min < Pair ⑴ < Pair max (18) 式中，Pair min、Pair _為空調機出力上下限。
8. 如權利要求1所述的一種考慮冷熱電聯供和儲能運行策略的微電網運行優(yōu)化方法， 其特征是，所述步驟（2)中的儲能單元運行約束條件具體為 ： ① 儲能單元的出力功率約束條件： Pes min 彡 Pes ⑴彡 Pes max (19) 式中：Pes _，Pes min分別為儲能出力上下限； ② 儲能單元的能量約束條件： Csoc min Csoc (t) € Csoc max (20) 式中：cs(x;max，CS(X;min分別為儲能容量的最大、最小值；其中，SOC表示儲能的核電狀態(tài)， 表征其能量范圍； ③單位調度周期始末狀態(tài)儲能能量約束條件： Csoc (t〇) = Csoc (t〇+Nr Δ t) (21) 考慮儲能單元對微電網的周期性優(yōu)化，其能量狀態(tài)滿足在調度周期始末相等；C_(t) 為t時刻儲能剩余電量；△ t為單位調度時間間隔，Nt為總的調度時間段數目； 單位調度周期儲能的充放電狀態(tài)和次數約束：
式中λ 2分別表示儲能的充放電次數，具體的數值由系統(tǒng)負荷、儲能壽命和優(yōu)化 策略來確定；u Jthudis (t)、ufl(t)分別為代表t時刻儲能的充電、放電、浮充三種狀態(tài)，At 為單位調度時間間隔。
9. 如權利要求1所述的一種考慮冷熱電聯供和儲能運行策略的微電網運行優(yōu)化方法， 其特征是，所述步驟（3)中，調度周期內整個CCHP系統(tǒng)的最佳運行方式的確定原則為 ： 空調機與微型燃氣輪機單獨使用； 定義PJt)為t時刻儲能和燃料電池均不啟動時微電網廣義負荷功率，正值表示微電 網輸出電能，負值表示微電網缺電并假設大電網能完全消納與彌補微電網功率差額； 依據PJt)與分時電價制定的儲能單元交換功率和燃料電池的運行原則為： 1) 若微電網售電價格較低，儲能單元優(yōu)先充電：若微電網電量剩余，則向大電網售出 電能，燃料電池不工作；若微電網電量不足，比較購電與燃料電池發(fā)電成本，選擇成本較低 者； 2) 若微電網售電價格較高，儲能單元優(yōu)先放電：若微電網電量剩余，則向大電網售出 電能，燃料電池不工作；若微電網電量不足，比較購電與燃料電池發(fā)電成本，選擇價格較低 者； 3) 若購電成本低于燃料電池發(fā)電成本，交互功率為儲能單元充放電后微電網功率缺 額； 4) 若燃料電池發(fā)電成本低于購電成本，其發(fā)電功率為儲能充電之前或放電之后系統(tǒng)功 率缺額。
10. 如權利要求9所述的一種考慮冷熱電聯供和儲能運行策略的微電網運行優(yōu)化方 法，其特征是，定義僅考慮儲能單元交換功率和燃料電池運行的期望成本函數如下 ：
式中，1^_?(〇、匕1^2(〇分別表示燃料電池不啟動下售電與購電的成本函數屮^￡(〇 = Pe (t)+Pes(t)，表示在燃料電池不啟動時系統(tǒng)廣義交互功率，正值表示微電網售電功率，負 值表示從大電網購電功率；Pe(t)、為t時刻為t時刻儲能和燃料電池均不啟動時微電網廣 義負荷功率，PRS(t)為儲能的充放電功率；
式中，L _為調度周期內最高售電電價；Fa(t)、匕⑴、Fe(t)為各情況下非峰時放電期 望損失；^(〇、匕(〇、&(〇分別為各情況下非峰時充電期望收益；?^(〇表示在燃料電池 不啟動時系統(tǒng)廣義交互功率、P"(t)、P A(t)分別為t時刻的售電和購電電價、At為單位調 度時間間隔、Crc(t)為燃料電池的發(fā)電成泵、Jl ch和Ildis分別為儲能的充、放電功率； 燃料電池的出力為
其中：當 PFC(t) = -pe(t)時，Pes(t) = O ; 微電網與f電網的奪百功鑾為
由式（26)、（27)所示，在計算電能交互收益時，在廣義負荷功率為正或負的情況下，對 儲能單元充放電過程分別考慮了充電的期望收益與放電過程中期望損失，即若非峰時電價 放電時，售電收益減去的非峰時放電期望損失，若非峰時充電時，售電收益減去非峰時充電 期望收益； 其中，Fa(t)、Fb (t)、Ff⑴表示系統(tǒng)功率過剩時，儲能系統(tǒng)充放電與替代供電方式之間 的期望損失或收益，而式F。(t)、Fd (t)、Fe (t)表示系統(tǒng)功率不足時，儲能系統(tǒng)充放電與替代 供電方式之間的期望損失或收益； 因此，儲能單元在動態(tài)尋優(yōu)的任一時刻，將盡量避開非峰時放電與非谷時充電狀態(tài)，并 依據微電網前后時刻廣義負荷功率Mt)、儲能單元的剩余電量、實時電價和燃料電池發(fā)電 成本決策最佳充放電出力，以保證系統(tǒng)期望收益函數取最大，滿足運行原則1)和2); 由（29)、（30)表示，當系統(tǒng)廣義交互功率Ptex(t)為負時，比較從大電網購電與燃料電 池成本，從而確定是否啟動燃料電池及其出力大小，同時由式（29)可知，燃料電池僅滿足 系統(tǒng)的功率缺額，不向儲能單元充電及大電網售電，滿足運行原則3)和4); 儲能單元以及燃料電池的運行原則確定后，調度周期內整個CCHP型微電網的最佳運 行方式隨之確定。
【文檔編號】G06Q50/06GK104392286SQ201410724835
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年12月2日 優(yōu)先權日:2014年12月2日
【發(fā)明者】梁軍, 李正茂, 張峰 申請人:山東大學