基于cplex的微電網(wǎng)獨立運行功率平衡優(yōu)化模型

基于cplex的微電網(wǎng)獨立運行功率平衡優(yōu)化模型

0基于bss的獨立運行系統(tǒng)仿真電動汽車ev（elasticgens）和可支配能源可以緩解當(dāng)前能源需求和環(huán)境保護的壓力。電動汽車能源的基礎(chǔ)設(shè)施和分布電源連接是其推廣應(yīng)用的重要因素。微電網(wǎng)是將可再生能源、微型燃?xì)廨啓C、燃料電池等分布式電源發(fā)電裝置,負(fù)荷以及儲能裝置等有機結(jié)合而成的小型發(fā)配電系統(tǒng),既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運行,也可以在外部電網(wǎng)故障或需要時孤島運行,是解決分布式電源并網(wǎng)問題的重要途徑。在孤島運行時,儲能裝置可以補充短時功率缺額,也可以作為主控制單元為其他分布式電源提供電壓、頻率的參考。但是由于受容量的限制,孤島運行時間一般不會太長。動力電池?fù)Q電站BSS(BatterySwapStation)具有快捷、經(jīng)濟、方便等特點,并且充放電過程可實現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度,可以將能量儲存于動力電池組中用于EV交換并使用,通過交換既增加了EV的行駛里程,又使換電站儲存更多的能量。儲存于電池的能量在需要時還可以由充放電裝置再返送回電網(wǎng),即BSS具備大規(guī)模儲能的潛力。將BSS接入微電網(wǎng),將會充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢。由于可再生能源、負(fù)荷功率預(yù)測與實際存在偏差,并計及可再生能源的波動性等因素,為緩解功率平衡、備用等運行條件可能出現(xiàn)功率缺額的情況,孤島運行的微電網(wǎng)系統(tǒng)可以與用戶簽訂可中斷負(fù)荷IL(InterruptibleLoad)合同。文獻針對含可再生能源的獨立運行系統(tǒng),分析了BSS作為儲能裝置在經(jīng)濟上和環(huán)境上的效益,并給出BSS容量優(yōu)化配置的方案,但只給出了換電站的整體簡單模型,未考慮內(nèi)部充換電裝置及電池組的實際約束。文獻考慮可中斷負(fù)荷,對獨立運行微電網(wǎng)系統(tǒng)中風(fēng)機、光伏電站、電池儲能電站及燃料電池等元件的容量優(yōu)化配置方法進行了研究。從仿真結(jié)果可以看出,當(dāng)儲能電站荷電狀態(tài)SOC(StateOfCharge)接近最大放電深度時,不再發(fā)出功率,系統(tǒng)功率出現(xiàn)缺額,IL甚至不可中斷負(fù)荷都相繼被中斷,使可靠性降低。本文建立了一種微電網(wǎng)獨立運行優(yōu)化調(diào)度模型,模型考慮到微電網(wǎng)及各內(nèi)部元件需滿足的各種運行約束,以總運行成本最小為目標(biāo),實現(xiàn)風(fēng)電、光伏電站與微電網(wǎng)各可控元件之間的協(xié)調(diào),并最終給出IL的最優(yōu)購買方案及相應(yīng)的調(diào)度策略。最后對BSS作為儲能單元接入微電網(wǎng)模式與儲能電站ESS(EnergyStorageStation)接入模式在可再生能源接納能力、供電可靠性及經(jīng)濟性等方面進行了比較。1分布式發(fā)電單元模型文中的微電網(wǎng)包括風(fēng)力發(fā)電機WT(WindTurbine)、光伏電站PV(PhotoVoltaic)、微型燃?xì)廨啓CMT(MicroTurbine)、柴油發(fā)電機DE(DieselEngine)、燃料電池FC(FuelCell)等分布式發(fā)電單元,ESS或BSS作為儲能單元,以及14個IL用戶。微電網(wǎng)接線圖如圖1所示。當(dāng)微電網(wǎng)處于孤島運行方式時,考慮到功率不平衡與頻率偏移等情況,儲能單元可與可控微電源協(xié)調(diào)配合,提供電壓、頻率參考以及功率支撐。1.1大規(guī)模存儲的運行控制隨著電池技術(shù)的革新,電池效率、能量密度、功率和壽命顯著提高,電池成本也隨之降低。電池單體通過串并聯(lián)方式可組成ESS,實現(xiàn)能量的大規(guī)模存儲,發(fā)揮移峰填谷、提高供電可靠性、提高電能質(zhì)量等作用。其運行控制還需考慮一系列復(fù)雜的約束:ESS中電池單體的SOC應(yīng)限制在某一區(qū)間范圍,過充或過放都會對電池壽命產(chǎn)生嚴(yán)重危害;充、放電功率受SOC限制,SOC過低影響放電功率,過高影響充電功率,為使ESS具有較強的充放電能力,電池單體的SOC趨于一致;電池壽命受充放電循環(huán)次數(shù)的影響等。1.2電池不穩(wěn)定放散量c電動汽車換電站即標(biāo)準(zhǔn)動力電池集中充電站,包含充放電機網(wǎng)絡(luò)和電池組。電池組在充放電機網(wǎng)絡(luò)與EV間流轉(zhuǎn):EV電池組電量低時,卸下空電量電池組,換上滿電量電池組;充放電機充滿(放盡)電池組后,換上新的空電量(滿電量)電池組。假設(shè):a.電池的維護、流轉(zhuǎn)、交換都由專門的物流系統(tǒng)完成;b.充放電機的充放電狀態(tài)及功率由微電網(wǎng)調(diào)度中心控制;c.當(dāng)電池組充滿電量或放盡電量時,可以無縫地切換到備用電池組;d.標(biāo)準(zhǔn)動力電池有效充放電區(qū)間為[30%SOC,90%SOC],標(biāo)幺化為。與ESS不同,換電站內(nèi)各充放電機彼此獨立,各自的充放電狀態(tài)和與其連接的電池組有關(guān):充電時在充滿前避免放電,放電時在放盡前避免充電,以延長電池組壽命。電池充滿(或放盡)后可通過交換繼續(xù)充電(或放電),相當(dāng)于增加了儲能容量。1.3l電力系統(tǒng)的應(yīng)用用戶根據(jù)停電可能造成的損失與電力公司簽訂相應(yīng)合同,就停電及相應(yīng)的經(jīng)濟補償達成一致。IL有助于提高電力系統(tǒng)的可靠性,并已得到廣泛應(yīng)用。為使損失最小,電力公司與不同IL用戶簽訂最優(yōu)購買合同,并對IL進行優(yōu)化調(diào)度,這就需要基于整個研究時段,綜合考慮多種因素:系統(tǒng)的運行方式,負(fù)荷、備用水平,以及不同IL用戶對中斷時間、中斷頻率、競標(biāo)價格的約定等。2獨立運營和微電網(wǎng)優(yōu)化模型微電網(wǎng)應(yīng)在滿足各種運行約束的前提下,使運行成本最低,并最大限度利用可再生能源。對各元件及微電網(wǎng)分析如下。2.1狀態(tài)轉(zhuǎn)換約束uti+#充放電機除滿足功率上下限、變化率等約束外,還應(yīng)滿足充放電狀態(tài)約束。定義0-1變量Uti+、Uti-分別為第i臺充放電機在t時刻的充、放電狀態(tài)變量,應(yīng)滿足:令0-1變量Uti+*、Uti-*分別為充、放電開始標(biāo)記位,其形式為:令Uit+#、Uit-#分別為充、放電完畢標(biāo)記位,當(dāng)充、放電狀態(tài)轉(zhuǎn)換時,如果由充電轉(zhuǎn)換為放電,則Uti-*=1,由第1.2節(jié)分析知,此時必須充電完畢,即Uti+#=1必須滿足;同理,由放電轉(zhuǎn)換為充電時,即Uti+*=1,此時必須滿足Uti-#=1。相應(yīng)約束可表述為:Uti+#、Uti-#的定義如下:其中,Eton,i為正在進行充、放電操作的電池組的荷電量,可用充放電裝置累積儲存的電量及充滿電池組的數(shù)量的線性組合表示。BSS的運行成本:其中,Pti+、Pti-為第i臺充放電機的充、放電功率;cc+、cc-為相應(yīng)的運行成本系數(shù);cb0為單組電池放電所需支付的折舊成本系數(shù);cti+*、cti-*為狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的損耗成本系數(shù);Sc為BSS內(nèi)充放電機集合;ST為所有時段集合。充滿一定數(shù)量的電池組后,通過同EV用戶交換,可以取得收益:其中,cs0為通過電池交換取得的單位收益;EiT為最終時刻儲存于電池組中的能量。2.2ess運行成本ESS的充、放電功率除需滿足上下限、變化率約束外,主要受儲能容量限制:其中,Et為ESS在t時刻的荷電狀態(tài),定義如下:ESS的運行成本:其中,P+t、P-t為充、放電功率;c+、c-為相應(yīng)的成本系數(shù);cδ為循環(huán)成本系數(shù)。2.3中斷、恢復(fù)供電時間從用戶i處購買IL容量為SIL,i,t時刻IL開關(guān)的狀態(tài)設(shè)為UtIL,i,值為1則表示中斷負(fù)荷。相應(yīng)的中斷功率PtIL,i為:IL中斷、恢復(fù)供電開始標(biāo)記位UtIL,i+*、UtIL,i-*定義:單次中斷最長持續(xù)時間約束:2次中斷最短間隔時間約束:其中,T1IL,i為第i個IL提出的單次停電最長時間,T0IL,i為最小停電間隔時間。最大中斷次數(shù)NILma,ix滿足約束:中斷總持續(xù)時間TILma,ix滿足約束:設(shè)βi為對用戶i的費用補償系數(shù),相應(yīng)的損失(包括補償費用和電費損失)為:2.4含bss的微電網(wǎng)獨立運行優(yōu)化模型ls獨立運行模式下的微電網(wǎng),系統(tǒng)功率可能不足或過剩,特別是網(wǎng)內(nèi)含有較多風(fēng)電時,其波動性將加劇這一情況。當(dāng)功率過剩時,需要棄掉過剩的風(fēng)電功率,造成了資源浪費,相應(yīng)的機會成本為fr,W-:其中,c0為參考電價,PtW-為棄風(fēng)功率。當(dāng)功率不足時,則需要中斷IL。含BSS的微電網(wǎng)功率平衡約束為:將式(14)中充放電機的功率替換為ESS功率,就構(gòu)成了ESS模式下的功率平衡約束。系統(tǒng)運行應(yīng)保留總負(fù)荷R%備用,在ESS模式孤網(wǎng)中,由于ESS功率受容量限制,難以滿足備用需求,故系統(tǒng)備用可表示為:在BSS模式中,可以控制充放電機的充放電狀態(tài)和功率,得到附加備用以應(yīng)對緊急情況:微型發(fā)電機的運行成本曲線可以用分段線性化近似,并用發(fā)電機變量的線性組合表示其運行成本及滿足的出力、爬坡率、最小開停機時間等一系列約束。綜上所述,含BSS的微電網(wǎng)獨立運行優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)為式(17)所示的微電網(wǎng)運行成本最小,約束條件由式(1)—(16)構(gòu)成。其中,fr,μG為微電源運行成本。以ESS為儲能元件的微電網(wǎng)模型具有類似的形式,只是把上述模型中BSS有關(guān)的變量、參數(shù)替換為ESS相關(guān)的變量和參數(shù)。3計算與分析3.1電池租賃運營模型微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,分段線性化后,3種微型電源的功率-成本關(guān)系曲線,以及負(fù)荷、光伏電源和風(fēng)電的典型功率曲線如圖2所示。為具可比性,本文采用電池租賃的方式分別運營BSS和ESS作為微電網(wǎng)的儲能裝置,且電池組型號相同,電池組有效荷電量為30kW·h,循環(huán)成本為10元/次。ESS由8組電池組構(gòu)成;BSS由5組充放電機組成。每臺充放電機每進行一次放電操作,BSS都要付給電池所有者10元租金;ESS放電一次則需付80元租金,其他參數(shù)見表1。IL用戶根據(jù)自身情況對IL合同相關(guān)內(nèi)容的規(guī)定見表2。3.2bss模式主要減少棄風(fēng)和中斷方式采用IBM公司的優(yōu)化軟件CPLEX求解上述混合整數(shù)規(guī)劃問題。參考電價c0=1.2元/(kW·h),換電池價格cs0=1.2元/(kW·h),ESS模式微電網(wǎng)運行成本為3709.5元,BSS模式為2897.6元,節(jié)省21.9%。微電網(wǎng)內(nèi)各可控元件的功率如圖3—6所示。ESS與BSS儲存能量的過程如圖7所示。從圖2(b)中可以看出,5:00之前風(fēng)電功率大于負(fù)荷,此時DE處于開機狀態(tài)以提供備用,系統(tǒng)功率過剩,最理想是將這部分能量儲存起來,在功率不足時為負(fù)荷供電。儲能元件吸收功率,減少過剩功率。如圖6中3:00時,儲能元件的功率已達到上限,超出接納能力的剩余風(fēng)電會被舍棄。ESS由于受容量的限制,4:00左右容量達到上限,無法繼續(xù)吸收功率,使風(fēng)電接納能力下降,而此時風(fēng)電功率過剩嚴(yán)重,造成大量的棄風(fēng)。BSS中的電池充滿后,通過交換可以繼續(xù)吸收功率,即不受容量的限制,極大地提高了風(fēng)電接納能力,減少棄風(fēng),如圖5所示。棄風(fēng)能量為22.4kW·h,而在ESS模式中為126.8kW·h。5:00~10:00時間段,隨著風(fēng)電功率下降,負(fù)荷增加,系統(tǒng)功率缺額較快增加。儲能裝置將先前儲存的能量施放出來,發(fā)出功率。當(dāng)功率達到上限后,如果微型電源也無法提供更多的功率,需要中斷部分IL,保證對不可中斷負(fù)荷的可靠供電。IL的調(diào)度應(yīng)在保證系統(tǒng)運行約束的前提下,盡量減少對用戶的補償和電費損失。最大中斷負(fù)荷量出現(xiàn)在8:00左右。此時ESS與BSS輸出功率均已接近上限。由于BSS不受容量限制,可以長時間保持較大功率放電,從而減少IL的中斷,如圖5所示。BSS模式中IL累計中斷121.2kW·h,而在ESS模式中為253.5kW·h,如表3所示。BSS內(nèi)某臺充放電機的充放電功率與等效荷電量如圖8所示。某2臺充放電機的在線荷電量如圖9所示。第2臺充放電機相連的電池組初始荷電量6kW·h,充滿后充放電機瞬間切換到另一空電量電池組繼續(xù)充電,在線電池組荷電量瞬間變?yōu)?后增加,充放電機等效荷電量繼續(xù)增加。接近5:00時,充放電機累計充滿3塊電池組,等效荷電量90kW·h,而后再發(fā)出功率,在線電池組荷電量減少,放盡后瞬間切換到另一電量滿電池組繼續(xù)放電,在線荷電量瞬間變?yōu)?0kW·h,充放電機等效荷電量持續(xù)減少。備用曲線如圖10所示。系統(tǒng)備用需求為總負(fù)荷的10%,式(15)所示BSS模式的備用與ESS模式中的提供備用均能滿足備用需求。但在緊急情況時,如在15:00DE故障退出運行,系統(tǒng)功率缺額突然增加60kW,BSS模式通過控制充放電機的狀態(tài)、功率,可以提供足夠大的備用容量,保障用戶供電。而ESS模式中,如無其他后備電源,只能通過中斷IL來應(yīng)對。通過增