CN110768306B - 一种提高保底电网中微电网应急能力的电源容量配置方法 - Google Patents

一种提高保底电网中微电网应急能力的电源容量配置方法 Download PDF

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CN110768306B CN201911051692.1A CN201911051692A CN110768306B CN 110768306 B CN110768306 B CN 110768306B CN 201911051692 A CN201911051692 A CN 201911051692A CN 110768306 B CN110768306 B CN 110768306B
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Abstract

本发明公开了一种提高保底电网中微电网应急能力的电源容量配置方法，所述方法应用于含微电网的配电***，包括建立以保底电网最大负荷缺电率指标Flps及微电网经济性指标Fc最小为目标的电源容量优化配置模型；构建电源容量优化配置模型的约束条件；获取目标配电***信息，求解目标的电源容量优化配置模型，得到电源容量配置信息；配置电源容量。在现有微电网电源容量优化配置方法的基础上，考虑了不同电源配置对保底电网的支撑能力不同，分析比对微电网的运行原理和微电网在保底电网中的运行方式，考虑了微电网应急支撑能力的影响因素，保证了保底电网中的微电网能对保底电网提供有效的应急支撑，保障了保底电网中重要负荷稳定运行。

Description

一种提高保底电网中微电网应急能力的电源容量配置方法
技术领域
本发明涉及到微电网规划领域，具体地说，涉及一种提高保底电网中微电网应急能力的电源容量配置方法。
背景技术
我国东南沿海地区受气候条件的影响，时常会出现台风、暴雨等极端天气，从而引发一系列的大规模停电事故。为了保证部分核心区域的供电可靠性，城市防风抗灾保底电网建设已经成为了一个关注热点。
保底电网是指为防范极端天气对配电网带来的不利影响，以增强城市核心区域的抗风险能力，缩短故障下关键负荷的复电时间为目标，对配电网中的重要负荷、线路、站点进行差异化建设所形成的最小规模网架。在建设保底电网的过程中，首先需要明确哪些负荷，线路和站点为重要元件，然后根据网架的电缆化率、生存性等指标对网架进行改造，形成保底电网的核心骨干网架，最后通过在网架中分配足够数量的保障电源来保证保底电网在正常运行和灾害条件下的供电可靠性。然而当前保底电网主要考虑的是网架结构的规划问题，在保障电源的选取上主要是同步发电机组，但由于其功率控制能力不灵活、响应速度慢等缺点，对重要负荷的支撑能力有限，可能无法满足沿海地区防风抗灾保底电网的要求。
微电网是一种将分布式电源、储能装置和负荷整合在一起的现代分布式电力***。目前常用的分布式电源包括燃气轮机、光伏、风电、储能。微电网中各分布式电源的出力可灵活调节、互补，在恶劣气象等紧急条件下，微电网可为配电网重要负荷提供有效的应急支撑，提高保底电网的运行效率。微电网的应急支撑能力主要决定于各电源的容量配置情况。目前常用的电源包括燃气轮机、光伏、风电、储能。其中，燃气轮机和储能具有较好的可控性能，故在恶劣气象条件下能够有效地提供应急功率支撑；风电和光伏受天气条件影响较大，但能够带来良好的经济效益和环境效益。因此，兼顾微电网运行成本和应急支撑能力，合理配置微电网中各类微电源的容量，对于保底电网的建设和运行具有重要意义。
当前很多学者对微电网电源容量优化配置的问题进行的研究主要集中在以下几个方面：①把微电网运营的经济性作为优化目标，考虑风险、排污、自身可靠性等不同优化对象和风光互补、光储协调运行等不同电源类型，对微电源的运行方式进行研究；②以能量回收成本、储能充放电周期、可再生能源消纳等不同指标为优化对象，对微电网电源进行容量优化配置的研究，但以提高微电网应急支撑能力为优化目标的研究却鲜有人涉及。
为此，着眼于微电网在保底电网中的应用，本发明提出了一种提高保底电网中微电网应急能力的电源容量配置方法，通过微电源的优化配置，最大限度地提高微电网的应急支撑能力，为保底电网的构建和运行提供支撑。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明实际需要解决的问题是：如何保证保底电网中的微电网能对保底电网提供有效的应急支撑，保障保底电网中重要负荷稳定运行。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种提高保底电网中微电网应急能力的电源容量配置方法，所述方法应用于含微电网的配电***，包括如下步骤：
S1、建立以保底电网最大负荷缺电率指标Flps及微电网经济性指标Fc最小为目标的电源容量优化配置模型；
S2、构建电源容量优化配置模型的约束条件；
S3、获取目标配电***信息，将目标配电***信息输入电源容量优化配置模型，基于电源容量优化配置模型的约束条件求解目标的电源容量优化配置模型，得到电源容量配置信息；
S4、基于所述电源容量配置信息配置电源容量。
优选地，步骤S1中：
Figure BDA0002255482270000021
式中，Pout为配电***的输出功率，Pload为配电***的总负荷，
Figure BDA0002255482270000022
为目标配电***过去一年中s季节的典型日t时刻的负荷为
Figure BDA0002255482270000023
为保底电网中过去一年内s季节的典型日t时刻的重要负荷。
优选地，步骤S1中：
Fc＝CC+COM
式中，CC为初始投资成本指标，COM为运行维护成本指标；
Figure BDA0002255482270000024
式中，
Figure BDA0002255482270000025
为光伏机组的单位投资成本，
Figure BDA0002255482270000026
为风力发电机组的单位投资成本，
Figure BDA0002255482270000027
为同步发电机组的单位投资成本，
Figure BDA0002255482270000028
为储能蓄电池的单位投资成本，
Figure BDA0002255482270000029
为光伏的装机容量，
Figure BDA00022554822700000210
为风电机组的装机容量，
Figure BDA0002255482270000031
为燃气轮机的装机容量，
Figure BDA0002255482270000032
为储能设备的装机容量；
Figure BDA0002255482270000033
式中，N为配置年限，
Figure BDA0002255482270000034
为光伏机组的单位运行维护成本，
Figure BDA0002255482270000035
为风力发电机组的单位运行维护成本，
Figure BDA0002255482270000036
为同步发电机组的单位运行维护成本，
Figure BDA0002255482270000037
为储能蓄电池在第s个典型日的日放电量，
Figure BDA0002255482270000038
为储能蓄电池在第s个典型日的单位运维成本。
优选地，步骤S2中，所述电源容量优化配置模型的约束条件包括分布式电源最大装机容量约束、分布式电源出力约束、储能充放电约束、并网节点电压约束、功率平衡约束以及微电网与保底电网功率交换约束，其中：
分布式电源最大装机容量约束包括：
Figure BDA0002255482270000039
Figure BDA00022554822700000310
Nwt和Npv取整；
式中，Nwt为目标区域内风力发电机台数，d为风力发电机的风轮直径，L为目标区域长度，W为目标区域宽度，Npv为目标区域内太阳能电池板数量，Spv和Ses分别为光伏电池和储能设备的占地面积；
分布式电源出力约束包括：
Figure BDA00022554822700000311
式中，
Figure BDA00022554822700000312
为光伏的装机容量，
Figure BDA00022554822700000313
为风电机组的装机容量，
Figure BDA00022554822700000314
为燃气轮机的装机容量，
Figure BDA00022554822700000315
为储能设备的装机容量；
功率平衡约束包括：
Figure BDA0002255482270000041
式中，
Figure BDA0002255482270000042
为t时刻微电网中负荷，Nr为新能源发电机的种类，
Figure BDA0002255482270000043
为t时刻第r种新能源发电机的功率，
Figure BDA0002255482270000044
为第s个季节典型日中t时刻保底电网中负荷，
Figure BDA0002255482270000045
为t时刻微电网向保底电网中输送的功率；
微电网与保底电网功率交换约束包括：
Figure BDA0002255482270000046
式中，
Figure BDA0002255482270000047
和
Figure BDA0002255482270000048
分别是微电网与保底电网允许交换的最大功率和最小功率；
并网节点电压约束包括：
Ui,min≤Ui≤Ui,max
式中，Ui,max和Ui,min分别是微电网并网节点i的电压幅值的上限和下限，Ui为微电网并网节点i的电压幅值；
储能充放电约束包括：
Figure BDA0002255482270000049
其中：
Figure BDA00022554822700000410
和
Figure BDA00022554822700000411
分别是储能的最大容量和最小剩余容量；
Figure BDA00022554822700000412
为t时刻储能的剩余容量；
Figure BDA00022554822700000413
和
Figure BDA00022554822700000414
为t时刻的充放电功率。
优选地，步骤S3中，
根据下式对指标进行标准化：
Figure BDA00022554822700000415
Figure BDA00022554822700000416
对评价指标成对进行比较，推出判断矩阵U＝(uji)n×n，其中uji为评价指标si和sj比较得到的数值，取值为1-9之间的奇数，分别表示为前者指标和后者指标同等重要，比较重要，很重要，非常重要，绝对重要；当取值为1-9之间的偶数时，分别表示指标两两相比重要程度在相邻的两奇数之间。
当指标si和sj进行比较时，假设si的重要程度是1，那么sj的相对重要程度就是uji。设矩阵U的第j列元素之和为∑j，则
Figure BDA0002255482270000051
即为指标sj的相对重要程度。
基于
Figure BDA0002255482270000052
计算每个评价指标对应的权重后，以两个指标与各自权重相乘之后的和最小为目标，通过遗传算法求解微电网中风电机组的装机容量
Figure BDA0002255482270000053
光伏机组的装机容量
Figure BDA0002255482270000054
同步发电机组的装机容量
Figure BDA0002255482270000055
和储能蓄电池的装机容量
Figure BDA0002255482270000056
综上所述，本发明提供一种提高保底电网中微电网应急能力的电源容量配置方法，用于解决现有保底电网网架构建中，保障电源过于单一而带来的保底电网效率不足的问题。在现有微电网电源容量优化配置方法的基础上，考虑了不同电源配置对保底电网的支撑能力不同，分析比对微电网的运行原理和微电网在保底电网中的运行方式，考虑了微电网应急支撑能力的影响因素，以最大负荷缺电率反映微电网的支撑能力，同时考虑微电网的建设和运行成本，构建了微电网电源容量优化配置的目标函数。考虑分布式电源最大装机容量约束、分布式电源出力约束、储能充放电约束、功率平衡约束、微电网与保底电网功率交换约束等约束条件，采用遗传算法得到微电网电源容量的配置方案，保证保底电网中的微电网能对保底电网提供有效的应急支撑，保障保底电网中重要负荷稳定运行。
附图说明
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明公开的一种提高保底电网中微电网应急能力的电源容量配置方法的一种具体实施方式的流程图；
图2为考虑保底运行的微电网运行方式流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1及图2所示，本发明公开了一种提高保底电网中微电网应急能力的电源容量配置方法，所述方法应用于含微电网的配电***，包括如下步骤：
S1、建立以保底电网最大负荷缺电率指标Flps及微电网经济性指标Fc最小为目标的电源容量优化配置模型；
根据保底电网和微电网中的重要负荷量以及保底电网中现有保障电源的容量，建立保底电网最大负荷缺电率指标Flps；根据储能和各分布式电源单位容量的初始投资成本和运行维护成本，建立微电网经济性指标Fc。
S2、构建电源容量优化配置模型的约束条件；
S3、获取目标配电***信息，将目标配电***信息输入电源容量优化配置模型，基于电源容量优化配置模型的约束条件求解目标的电源容量优化配置模型，得到电源容量配置信息；
目标配电***信息包括：给定面积为S、长为L、宽为W的场地，微电网中选用的风力发电机、太阳能电池、燃气轮机和储能蓄电池的额定容量。目标配电***过去一年中各季节典型日的负荷为
Figure BDA0002255482270000061
保底电网中过去一年内各季节典型日的重要负荷为
Figure BDA0002255482270000062
保底电网中保障电源的容量为
Figure BDA0002255482270000063
本发明中，从每个季节中选取一天作为典型日，然后用典型日的负荷情况来代表整个季节中每一天的负荷情况。
S4、基于所述电源容量配置信息配置电源容量。
本发明用于解决现有保底电网网架构建中，保障电源过于单一而带来的保底电网效率不足的问题。本发明在现有微电网电源容量优化配置方法的基础上，考虑了不同电源配置对保底电网的支撑能力不同，分析比对微电网的运行原理和微电网在保底电网中的运行方式，考虑了微电网应急支撑能力的影响因素，以最大负荷缺电率反映微电网的支撑能力，同时考虑微电网的建设和运行成本，构建了微电网电源容量优化配置的目标函数。考虑分布式电源最大装机容量约束、分布式电源出力约束、储能充放电约束、功率平衡约束、微电网与保底电网功率交换约束等约束条件，采用遗传算法得到微电网电源容量的配置方案，保证保底电网中的微电网能对保底电网提供有效的应急支撑，保障保底电网中重要负荷稳定运行。
具体实施时，步骤S1中：
Figure BDA0002255482270000064
式中，Pout为配电***的输出功率，Pload为配电***的总负荷，
Figure BDA0002255482270000065
为目标配电***过去一年中s季节的典型日t时刻的负荷为
Figure BDA0002255482270000066
为保底电网中过去一年内s季节的典型日t时刻的重要负荷。
在恶劣天气条件下，风电和光伏等分布式电源无法有效地发电，同步发电机和储能以最大功率放电来支撑***中负荷稳定运行，若恰好此时***中的负荷达到最大值时，***的负荷缺电率也会达到最大值，其表达式为：
Figure BDA0002255482270000071
式中，
Figure BDA0002255482270000072
为保底电网中的保障电源的最大功率，
Figure BDA0002255482270000073
为微电网中的最大负荷，
Figure BDA0002255482270000074
为保底电网中的最大负荷。
具体实施时，步骤S1中：
Fc＝CC+COM
式中，CC为初始投资成本指标，COM为运行维护成本指标；
Figure BDA0002255482270000075
式中，
Figure BDA0002255482270000076
为光伏机组的单位投资成本，
Figure BDA0002255482270000077
为风力发电机组的单位投资成本，
Figure BDA0002255482270000078
为同步发电机组的单位投资成本，
Figure BDA0002255482270000079
为储能蓄电池的单位投资成本，
Figure BDA00022554822700000710
为光伏的装机容量，
Figure BDA00022554822700000711
为风电机组的装机容量，
Figure BDA00022554822700000712
为燃气轮机的装机容量，
Figure BDA00022554822700000713
为储能设备的装机容量；
Figure BDA00022554822700000714
式中，N为配置年限，
Figure BDA00022554822700000715
为光伏机组的单位运行维护成本，
Figure BDA00022554822700000716
为风力发电机组的单位运行维护成本，
Figure BDA00022554822700000717
为同步发电机组的单位运行维护成本，
Figure BDA00022554822700000718
为储能蓄电池在第s个典型日的日放电量，
Figure BDA00022554822700000719
为储能蓄电池在第s个典型日的单位运维成本。
具体实施时，步骤S2中，所述电源容量优化配置模型的约束条件包括分布式电源最大装机容量约束、分布式电源出力约束、储能充放电约束、并网节点电压约束、功率平衡约束以及微电网与保底电网功率交换约束，其中：
分布式电源最大装机容量约束包括：
Figure BDA00022554822700000720
Figure BDA00022554822700000721
Nwt和Npv取整；
式中，Nwt为目标区域内风力发电机台数，d为风力发电机的风轮直径，L为目标区域长度，W为目标区域宽度，Npv为目标区域内太阳能电池板数量，Spv和Ses分别为光伏电池和储能设备的占地面积；
分布式电源出力约束包括：
Figure BDA0002255482270000081
式中，
Figure BDA0002255482270000082
为光伏的装机容量，
Figure BDA0002255482270000083
为风电机组的装机容量，
Figure BDA0002255482270000084
为燃气轮机的装机容量，
Figure BDA0002255482270000085
为储能设备的装机容量；
功率平衡约束包括：
Figure BDA0002255482270000086
式中，
Figure BDA0002255482270000087
为t时刻微电网中负荷，Nr为新能源发电机的种类，
Figure BDA0002255482270000088
为t时刻第r种新能源发电机的功率，
Figure BDA0002255482270000089
为第s个季节典型日中t时刻保底电网中负荷，
Figure BDA00022554822700000810
为t时刻微电网向保底电网中输送的功率；
微电网与保底电网功率交换约束包括：
Figure BDA00022554822700000811
式中，
Figure BDA00022554822700000812
和
Figure BDA00022554822700000813
分别是微电网与保底电网允许交换的最大功率和最小功率；
并网节点电压约束包括：
Ui,min≤Ui≤Ui,max
式中，Ui,max和Ui,min分别是微电网并网节点i的电压幅值的上限和下限，Ui为微电网并网节点i的电压幅值；
储能充放电约束包括：
Figure BDA0002255482270000091
其中：
Figure BDA0002255482270000092
和
Figure BDA0002255482270000093
分别是储能的最大容量和最小剩余容量；
Figure BDA0002255482270000094
为t时刻储能的剩余容量；
Figure BDA0002255482270000095
和
Figure BDA0002255482270000096
为t时刻的充放电功率。
具体实施时，步骤S3中，
根据下式对指标进行标准化：
Figure BDA0002255482270000097
Figure BDA0002255482270000098
对评价指标成对进行比较，推出判断矩阵U＝(uji)n×n，其中uji为评价指标si和sj比较得到的数值，取值为1-9之间的奇数，分别表示为前者指标和后者指标同等重要，比较重要，很重要，非常重要，绝对重要；当取值为1-9之间的偶数时，分别表示指标两两相比重要程度在相邻的两奇数之间。
当指标si和sj进行比较时，假设si的重要程度是1，那么sj的相对重要程度就是uji。设矩阵U的第j列元素之和为∑j，则
Figure BDA0002255482270000099
即为指标sj的相对重要程度。
基于
Figure BDA00022554822700000910
计算每个评价指标对应的权重后，以两个指标与各自权重相乘之后的和最小为目标，通过遗传算法求解微电网中风电机组的装机容量
Figure BDA00022554822700000911
光伏机组的装机容量
Figure BDA00022554822700000912
同步发电机组的装机容量
Figure BDA00022554822700000913
和储能蓄电池的装机容量
Figure BDA00022554822700000914
通过遗传算法求解为现有技术，在此不再赘述。
本发明考虑了微电网中的各分布式电源、储能、沿海地区的能源资源和保底电网中重要负荷的复杂匹配关系，在分析各电源功率特性的基础上，采用最大负荷缺电率指标来反映微电网对保底电网的应急支撑能力，同时考虑了微电网的建设及运营成本，通过对微电网中不同分布式电源的装机容量进行优化配置，使得微电网的应急支撑能力和建设成本达到最优。相比于传统的微电网电源优化配置方法，经优化后的微电网容量配置方案使得微电网在保证自身地区的负荷供电之后，能够有效地对保底电网中重要负荷进行有功支撑，保证了它们的供电可靠性，同时节省了经济成本。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (2)

1.一种提高保底电网中微电网应急能力的电源容量配置方法，其特征在于，所述方法应用于含微电网的配电***，包括如下步骤：
S1、建立以保底电网最大负荷缺电率指标Flps及微电网经济性指标Fc最小为目标的电源容量优化配置模型；
Fc＝CC+COM
式中，CC为初始投资成本指标，COM为运行维护成本指标；
Figure FDA0003016540840000011
式中，
Figure FDA0003016540840000012
为光伏机组的单位投资成本，
Figure FDA0003016540840000013
为风力发电机组的单位投资成本，
Figure FDA0003016540840000014
为同步发电机组的单位投资成本，
Figure FDA0003016540840000015
为储能蓄电池的单位投资成本，
Figure FDA0003016540840000016
为光伏的装机容量，
Figure FDA0003016540840000017
为风电机组的装机容量，
Figure FDA0003016540840000018
为燃气轮机的装机容量，
Figure FDA0003016540840000019
为储能设备的装机容量；
Figure FDA00030165408400000110
式中，N为配置年限，
Figure FDA00030165408400000111
为光伏机组的单位运行维护成本，
Figure FDA00030165408400000112
为风力发电机组的单位运行维护成本，
Figure FDA00030165408400000113
为同步发电机组的单位运行维护成本，
Figure FDA00030165408400000114
为储能蓄电池在第s个季节中的典型日的日放电量，
Figure FDA00030165408400000115
为储能蓄电池在第s个季节中的典型日的单位运维成本；
Figure FDA00030165408400000116
式中，Pout为配电***的输出功率，Pload为配电***的总负荷，
Figure FDA00030165408400000117
Figure FDA00030165408400000118
为目标配电***过去一年中s季节的典型日t时刻的负荷，
Figure FDA00030165408400000119
为保底电网中过去一年内s季节的典型日t时刻的重要负荷；
S2、构建电源容量优化配置模型的约束条件；
S3、获取目标配电***信息，将目标配电***信息输入电源容量优化配置模型，基于电源容量优化配置模型的约束条件求解目标的电源容量优化配置模型，得到电源容量配置信息；
S4、基于所述电源容量配置信息配置电源容量。
2.如权利要求1所述的提高保底电网中微电网应急能力的电源容量配置方法，其特征在于，步骤S3中，
根据下式对指标进行标准化：
Figure FDA0003016540840000021
Figure FDA0003016540840000022
对评价指标成对进行比较，推出判断矩阵U＝(uji)n×n，其中uji为评价指标si和sj比较得到的数值，取值为1-9之间的奇数，分别表示为前者指标和后者指标同等重要，比较重要，很重要，非常重要，绝对重要；当取值为1-9之间的偶数时，分别表示指标两两相比重要程度在相邻的两奇数之间；
当指标si和sj进行比较时，假设si的重要程度是1，那么sj的相对重要程度就是uji，设矩阵U的第j列元素之和为∑j，则
Figure FDA0003016540840000023
即为指标sj的相对重要程度；
基于
Figure FDA0003016540840000024
计算每个评价指标对应的权重后，以两个指标与各自权重相乘之后的和最小为目标，通过遗传算法求解微电网中风电机组的装机容量
Figure FDA0003016540840000025
光伏机组的装机容量
Figure FDA0003016540840000026
同步发电机组的装机容量
Figure FDA0003016540840000027
和储能蓄电池的装机容量
Figure FDA0003016540840000028
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