獨立微網系統的優化方法
2023-05-30 03:26:56
專利名稱：獨立微網系統的優化方法
技術領域：
本申請涉及獨立微網系統技術領域，特別是涉及獨立微網系統的優化方法。
背景技術：
獨立微網系統是指與大電網隔離、獨立運行的小型電力系統，以偏遠地區或者海島為主要供電對象，並充分利用可再生能源發電，如光伏陣列和風力發電等多種類型的分布式發電單元組合在一起構成，可以有效發揮單一能源系統的優點，實現多種能源互補，提高整個獨立微網系統的效率和能源利用率，相比單一的光儲系統或者風儲系統具有更低的成本和更高的供電可靠性。開展獨立微網系統的優化規劃設計，需要充分考慮獨立微網系統內分布式發電單元的組合方案和運行控制策略。國內外的研究多採用基於氣象數據和負荷數據的準穩態逐時仿真優化設計方法，根據已獲得系統全壽命周期內的風速、光照強度、溫度和負荷的原始數據，利用準穩態仿真程序，計算不同類型可再生能源組合方案下系統的各項指標。該方法在優化規劃中可以詳細模擬全壽命周期內可再生能源資源、負荷變化情況，以及獨立微網系統的運行控制策略，但需要佔用大量的仿真計算時間；在優化算法上，由於優化問題是一個包含離散變量和連續變量的混合優化規劃問題，一般採用人工智慧算法對該類問題進行求解，在進行優化規劃時，通常希望能夠同時滿足多個指標約束條件，但實際上在多目標優化問題的求解中，不同目標之間往往是相互衝突的，在優化規劃設計上，所配置柴油發電機單機容量的大小、多機設備的組合開機方式等都直接影響整個系統的技術經濟指標，現有的獨立微網優化設計方法中針對這一問題均對其簡化處理，通常只能對柴油發電機組的總功率進行優化設計，未考慮柴油發電機的類型和多機組合方案，在優化變量中，未同時考慮設備類型和設備容量的組合優化。
發明內容
為解決上述技術問題，本申請實施例提供一種獨立微網系統優化設計方法，以實現獨立微網系統的多目標優化設計運行更經濟，可靠性更高，可再生能源利用率更高，技術方案如下:本申請提供一種獨立微網系統優化方法，所述獨立微網系統至少包括柴油發電機、風力發電機、光伏陣列和儲能電池，包括:獲取所述柴油發電機、所述風力發電機、所述光伏陣列和所述儲能電池的設備參數；依據所述柴油發電機、所述風力發電機、所述光伏陣列及所述儲能電池的設備參數，利用多目標遺傳算法進行遺傳算法求解優化，在求解的過程中採用準穩態仿真策略，並為所述獨立微網系統預留預設的備用容量，獲得所述獨立微網系統的優化指標，最終通過所述多目標遺傳算法獲得優化結果；其中，所述獨立微網系統的優化指標為全壽命周期內的總成本現值、負荷容量缺失率和汙染水平，所述全壽命周期內的總成本現值為所述獨立微網系統中的所有設備的在整個工程壽命內的成本現值和殘值現值；所述負荷容量缺失率為未滿足需求的負荷容量與整個負荷需求容量的比值；所述汙染物排放為各種汙染物每年的排放總量；所述準穩態仿真策略包括硬充電策略和平滑功率策略，其中，在所述硬充電策略下，柴油發電機與儲能電池輪流作為主電源滿足淨負荷需求，允許所述柴油發電機為所述儲能電池充電；在所述平滑功率策略下，儲能電池僅作為所述柴油發電機的補充電源，當所述柴油發電機無法單獨滿足負荷的情況下放電。優選的，所述為所述獨立微網系統預留預設的備用容量具體為，在所述獨立微網系統的優化規劃設計模型中，將維持電壓頻率穩定的柴油發電機和儲能電池作為主電源，在每一個運行時刻，根據所述風力發電機、所述光伏陣列、以及負荷的實際功率，預留預設的備用容量。優選的，所述利用NSGA-1I多目標遺傳算法進行遺傳算法求解的過程中，選取所述獨立微網系統中的所述風力發電機的類型、所述風力發電機的臺數、所述柴油發電機的類型、所述柴油發電機的臺數、所述光伏陣列的容量、所述儲能電池的類型、並聯支路數，以及所述儲能電池用的雙向變流器的容量為優化變量。優選的，所述獲得所述獨立微網系統的全壽命周期內的總成本現值、汙染水平和負荷容量缺失率，具體為:以小時為仿真步長，依據所述獨立微網系統所在區域內的風力資源、光照資源和負荷需求情況，對所述獨立微網系統內的每個設備進行全壽命周期內的準穩態仿真，根據預設的控制策略，確定每個時間步長內，所述柴油發電機的投入臺數和耗油量、所述儲能電池的充放電功率和剩餘容量，以及所述時間步長內的未滿足的負荷量和浪費功率指標，計算得到全壽命周期內的總成本現值、汙染水平和負荷缺失率。優選的，所述硬充電策略為:計算所述獨立微網系統的淨負荷及考慮備用容量的淨負荷，所述淨負荷為負荷功率減去風力發電機和光伏陣列的發電功率；依據考慮備用容量的淨負荷的大小、上一時間步長內所述柴油發電機的開機情況、儲能電池的最大充放電功率，確定當前時間步長內的所述柴油發電機的投入臺數，並計算當前負荷下的容量短缺；確定出當前時間步長內需投入的所述柴油發電機的臺數後，依據淨負荷需求，計算出當前時間步長內實際的所述柴油發電機的耗油量、所述儲能電池的充放電量、未滿足的負荷量和浪費能量指標；優選的，所述確定當前時間步長內的所述柴油發電機組的投入臺數，並計算當前負荷下的容量短缺具體包括:若未滿足最小運行小時數的所述柴油發電機的總功率，能夠滿足所述考慮備用容量的淨負荷及所述儲能電池的充電需求，則允許所有達到最小運行時間要求的柴油發電機退出運行；否則，逐臺退出達到最小運行時間要求的柴油發電機，直到未退出的柴油發電機能滿足所述考慮備用容量的淨負荷和所述儲能電池的充電需求；若未滿足最小運行小時數的所述柴油發電機的總功率，不能滿足所述考慮備用容量的淨負荷及所述儲能電池的充電需求，且已投入運行的所述柴油發電機的總功率未能滿足所述考慮備用容量的淨負荷及所述儲能電池的充電需求，則逐臺投入新的柴油發電機，其中，所述投入的新的柴油發電機不為所述儲能電池充電；若逐臺投入的新的柴油發電機之後，所有運行的所述柴油發電機仍不能滿足所述考慮備用容量的淨負荷的需求，則計算由於所述柴油發電機的能量不足導致的容量缺額；由所述儲能電池放電補充所述容量缺額；若所述儲能電池的放電功率和所有的所述柴油發電機的總功率之和，仍不能滿足所述考慮備用容量的淨負荷，則計算當前負荷下的容量短缺，進而計算得到負荷容量缺失率。優選的，在確定出當前時間步長內所需投入的柴油機臺數後，計算出當前時間步長內所述柴油發電機的實際耗油量、所述儲能電池的充放電量、未滿足的負荷量和浪費能量指標時，還包括:判斷所有運行的柴油發電機運行在最小出力水平是否滿足所述淨負荷及所述儲能電池的充電需求，若是，則使所有運行的柴油發電機運行在最小出力水平，並計算由於最小出力水平限制而產生的過剩電能；否則，所述柴油發電機的總出力水平由所述淨負荷及所述儲能電池的充電需求來確定；若所有運行的柴油發電機處於額定運行狀態仍不能滿足所述淨負荷的需求，則使所述儲能電池放電和所述柴油發電機共同為所述負荷供電；若在所述儲能電池放電後，所述儲能電池的放電功率和所述柴油發電機的總功率仍不能滿足所述淨負荷，則計算得到當前負荷的實際容量缺額。優選的，所述平滑功率策略具體為:計算當前時間步長內的淨負荷，所述淨負荷為負荷功率減去風力發電機和光伏陣列的發電功率；當所述淨負荷大於零時，且所述柴油發電機超出正常運行區間的上限時，優先使用所述儲能電池補充由於所述柴油發電機的容量不足導致的容量缺額；若所述儲能電池無法滿足所述容量缺額，或所述儲能電池的容量低於所述儲能電池的最小下限時，則逐臺投入新的所述柴油發電機；若在逐臺投入新的所述柴油發電機後，仍無法滿足所述淨負荷，則計算出的未滿足的負荷功率為負荷缺失功率；若所述淨負荷大於零，但單臺所述柴油發電機的出力小於最小出力水平，則減少所述柴油發電機的投入臺數，直至所有的所述柴油發電機的處理恢復至正常工作區間，若減小至僅剩一臺所述柴油發電機，且所述柴油發電機的出力仍小於所述最小出力水平，則放棄部分發電出力，並將放棄的發電出力作為剩餘功率，且所述柴油發電機不給所述電池充電；當所述淨負荷小於零時，關閉所述柴油發電機，利用所述風力發電機和/或所述光伏陣列為所述儲能電池充電，若為所述儲能電池的充電功率超過所述儲能電池的最大充電功率，或所述儲能電池的容量達到最大容量時，放棄部分所述風力發電機和/或所述光伏陣列的輸出功率，並計算剩餘功率。由以上本申請實施例提供的技術方案可見，所述獨立微網系統優化設計方法，所述獨立微網系統包括柴油發電機、發力發電機、光伏陣列和儲能電池，具體的優化方法是指基於獨立微網系統的多目標優化設計模型，在優化規劃設計模型上，考慮了多臺柴油發電機的組合開機方式、儲能電池與柴油發電機之間的協調控制策略，使得獨立微網系統中的可再生能源利用率更高，運行更經濟，更環保；針對系統優化規劃設計模型的穩定性，考慮了獨立微網穩定性需求的備用容量；在優化規劃設計模型的求解算法上，採用基於NSGA-1I的多目標遺傳算法進行多目標問題求解，從而實現對獨立微網系統的經濟性、可靠性和環保性三大目標的多目標優化。
為了更清楚地說明本申請實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請中記載的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本申請實施例獨立微網系統的結構示意圖；圖2為本申請實施例提供的獨立微網優化方法流程示意圖；圖3為本申請實施例提供的硬充電策略的控制流程示意圖；圖4為本申請實施例提供的平滑功率策略的控制流程示意圖。
具體實施例方式本申請實施例提供一種獨立微網系統的優化方法，其具體內容為基於獨立微網系統的多目標優化設計模型，在優化規劃設計模型上，考慮了多臺柴油發電機的組合開機方式、儲能電池與柴油發電機之間的協調控制策略；在優化模型的穩定性上，考慮了針對系統穩定性需求的備用容量；在優化變量選取上，針對獨立微網系統內的設備類型和裝機容量同時進行優化設計；在優化模型的求解算法上，採用基於NSGA-1I的多目標遺傳算法進行多目標問題求解，最終實現對獨立微網系統的經濟性、可靠性和環保性三大目標的多目標優化。為了使本技術領域的人員更好地理解本申請中的技術方案，下面將結合本申請實施例中的附圖，對本申請實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本申請中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬於本申請保護的範圍。請參見圖1，示出了獨立微網系統的結構示意圖，所述獨立微網系統包括風力發電機101、光伏陣列102、儲能電池103、柴油發電機104，其中，風力發電機101、光伏陣列102、儲能電池103通過各自的變流器接入交流電網系統，柴油發電機採用同步發電機，直接併入交流電網。同時，交流電網連接負荷，並為負荷供電。請參見圖2示出了本申請實施例提供的獨立微網系統的優化方法流程示意圖，包括以下步驟:110，獲取所述柴油發電機、所述風力發電機、所述光伏陣列和所述儲能電池的設
備參數。120，利用多目標遺傳算法進行遺傳算法求解優化，在求解的過程中採用準穩態仿真策略，並為獨立微網系統預留預設的備用容量，獲得獨立微網系統的優化指標，通過所述多目標遺傳算法獲得優化結果。其中，所述優化指標為獨立微網系統的全壽命周期內的總成本現值、負荷容量缺失率和汙染水平。所述全壽命周期內的總成本現值為所述獨立微網系統中的所有設備的在整個工程壽命內的成本現值和殘值現值；所述負荷容量缺失率為未滿足需求的負荷容量與整個負荷需求容量的比值；所述汙染物排放為各種汙染物每年的排放總量；所述準穩態仿真策略包括硬充電策略和平滑功率策略，其中，在所述硬充電策略下，柴油發電機與儲能電池輪流作為主電源滿足淨負荷需求，允許所述柴油發電機為所述儲能電池充電；在所述平滑功率策略下，儲能電池僅作為所述柴油發電機的補充電源，當所述柴油發電機無法單獨滿足負荷的情況下放電。本申請實施例提供的獨立微網系統優化設計方法，應用於包括柴油發電機、發力發電機、光伏陣列和儲能電池的獨立微網系統，具體的優化方法是指基於獨立微網系統的多目標優化設計模型，在優化規劃設計模型上，考慮了多臺柴油發電機的組合開機方式、儲能電池與柴油發電機之間的協調控制策略，使得獨立微網系統中的可再生能源利用率更高，運行更經濟，更環保；針對系統優化規劃設計模型的穩定性，考慮了獨立微網穩定性需求的備用容量；在優化規劃設計模型的求解算法上，採用多目標遺傳算法進行多目標問題求解，從而實現對獨立微網系統的經濟性、可靠性和環保性三大目標的多目標優化。所述獨立微網系統的優化設計主要圍繞三個指標分別是:全壽命周期內的總成本現值、負荷容量缺失率和汙染物排放水平。目標函數表示為:Min(A) i=l, 2, 3(I)全壽命周期內的總成本現值包括成本限值和殘值現值兩個部分，其數學表達式為:
權利要求
1.一種獨立微網系統優化方法,所述獨立微網系統至少包括柴油發電機、風力發電機、光伏陣列和儲能電池，其特徵在於，包括: 獲取所述柴油發電機、所述風力發電機、所述光伏陣列和所述儲能電池的設備參數； 依據所述柴油發電機、所述風力發電機、所述光伏陣列及所述儲能電池的設備參數，利用多目標遺傳算法進行遺傳算法求解優化，在求解的過程中採用準穩態仿真策略，並為所述獨立微網系統預留預設的備用容量，獲得所述獨立微網系統的優化指標，最終通過所述多目標遺傳算法獲得優化結果； 其中，所述獨立微網系統的優化指標為全壽命周期內的總成本現值、負荷容量缺失率和汙染水平，所述全壽命周期內的總成本現值為所述獨立微網系統中的所有設備的在整個工程壽命內的成本現值和殘值現值；所述負荷容量缺失率為未滿足需求的負荷容量與整個負荷需求容量的比值；所述汙染物排放為各種汙染物每年的排放總量； 所述準穩態仿真策略包括硬充電策略和平滑功率策略，其中，在所述硬充電策略下，柴油發電機與儲能電池輪流作為主電源滿足淨負荷需求，允許所述柴油發電機為所述儲能電池充電；在所述平滑功率策略下，儲能電池僅作為所述柴油發電機的補充電源，當所述柴油發電機無法單獨滿足負荷的情況下放電。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述為所述獨立微網系統預留預設的備用容量具體為，在所述獨立微網系統的優化規劃設計模型中，將維持電壓頻率穩定的柴油發電機和儲能電池作為主電源，在每一個運行時刻，根據所述風力發電機、所述光伏陣列、以及負荷的實際功率，預留預設的備用容量。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述利用NSGA-1I多目標遺傳算法進行遺傳算法求解的過程中，選取所述獨立微網系統中的所述風力發電機的類型、所述風力發電機的臺數、所述柴油發電機的類型、所述柴油發電機的臺數、所述光伏陣列的容量、所述儲能電池的類型、並聯支路數，以及所述儲能電池用的雙向變流器的容量為優化變量。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述獲得所述獨立微網系統的全壽命周期內的總成本現值、汙染水平和負荷容量缺失率，具體為: 以小時為仿真步長，依據所述獨立微網系統所在區域內的風力資源、光照資源和負荷需求情況，對所述獨立微網系統內的每個設備進行全壽命周期內的準穩態仿真，根據預設的控制策略，確定每個時間步長內，所述柴油發電機的投入臺數和耗油量、所述儲能電池的充放電功率和剩餘容量，以及所述時間步長內的未滿足的負荷量和浪費功率指標，計算得到全壽命周期內的總成本現值、汙染水平和負荷缺失率。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述硬充電策略為: 計算所述獨立微網系統的淨負荷及考慮備用容量的淨負荷，所述淨負荷為負荷功率減去風力發電機和光伏陣列的發電功率； 依據考慮備用容量的淨負荷的大小、上一時間步長內所述柴油發電機的開機情況、儲能電池的最大充放電功率，確定當前時間步長內的所述柴油發電機的投入臺數，並計算當前負荷下的容量短缺； 確定出當前時間步長內需投入的所述柴油發電機的臺數後，依據淨負荷需求，計算出當前時間步長內實際的所述柴油發電機的耗油量、所述儲能電池的充放電量、未滿足的負荷量和浪費能量指標。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述確定當前時間步長內的所述柴油發電機組的投入臺數，並計算當前負荷下的容量短缺具體包括: 若未滿足最小運行小時數的所述柴油發電機的總功率，能夠滿足所述考慮備用容量的淨負荷及所述儲能電池的充電需求，則允許所有達到最小運行時間要求的柴油發電機退出運行；否則，逐臺退出達到最小運行時間要求的柴油發電機，直到未退出的柴油發電機能滿足所述考慮備用容量的淨負荷和所述儲能電池的充電需求； 若未滿足最小運行小時數的所述柴油發電機的總功率，不能滿足所述考慮備用容量的淨負荷及所述儲能電池的充電需求，且已投入運行的所述柴油發電機的總功率未能滿足所述考慮備用容量的淨負荷及所述儲能電池的充電需求，則逐臺投入新的柴油發電機，其中，所述投入的新的柴油發電機不為所述儲能電池充電； 若逐臺投入的新的柴油發電機之後，所有運行的所述柴油發電機仍不能滿足所述考慮備用容量的淨負荷的需求，則計算由於所述柴油發電機的能量不足導致的容量缺額； 由所述儲能電池放電補充所述容量缺額； 若所述儲能電池的放電功率和所有的所述柴油發電機的總功率之和，仍不能滿足所述考慮備用容量的淨負荷，則計算當前負荷下的容量短缺，進而計算得到負荷容量缺失率。
7.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，在確定出當前時間步長內所需投入的柴油機臺數後，計算出當前時間步長內所述柴油發電機的實際耗油量、所述儲能電池的充放電量、未滿足的負荷量和浪費能量指標時，還包括: 判斷所有運行的柴油發電機運行在最小出力水平是否滿足所述淨負荷及所述儲能電池的充電需求，若是，則使所有運行的柴油發電機運行在最小出力水平，並計算由於最小出力水平限制而產生的過剩電能；否則，所述柴油發電機的總出力水平由所述淨負荷及所述儲能電池的充電需求來確定； 若所有運行的柴油發電機處於額定運行狀態仍不能滿足所述淨負荷的需求，則使所述儲能電池放電和所述柴油發電機共同為所述負荷供電； 若在所述儲能電池放電後，所述儲能電池的放電功率和所述柴油發電機的總功率仍不能滿足所述淨負荷，則計算得到當前負荷的實際容量缺額。
8.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述平滑功率策略具體為: 計算當前時間步長內的淨負荷，所述淨負荷為負荷功率減去風力發電機和光伏陣列的發電功率； 當所述淨負荷大於零時，且所述柴油發電機超出正常運行區間的上限時，優先使用所述儲能電池補充由於所述柴油發電機的容量不足導致的容量缺額； 若所述儲能電池無法滿足所述容量缺額，或所述儲能電池的容量低於所述儲能電池的最小下限時，則逐臺投入新的所述柴油發電機； 若在逐臺投入新的所述柴油發電機後，仍無法滿足所述淨負荷，則計算出的未滿足的負荷功率為負荷缺失功率； 若所述淨負荷大於零，但單臺所述柴油發電機的出力小於最小出力水平，則減少所述柴油發電機的投入臺數，直至所有的所述柴油發電機的處理恢復至正常工作區間，若減小至僅剩一臺所述柴油發電機，且所述柴油發電機的出力仍小於所述最小出力水平，則放棄部分發電出力，並將放棄的發電出力作為剩餘功率，且所述柴油發電機不給所述電池充電； 當所述淨負荷小於零時，關閉所述柴油發電機，利用所述風力發電機和/或所述光伏陣列為所述儲能電池充電，若為所述儲能電池的充電功率超過所述儲能電池的最大充電功率，或所述儲能電池的容量達到最大容量時，放棄部分所述風力發電機和/或所述光伏陣列的輸出功率，並計算剩餘功率。`
全文摘要
本申請公開了一種獨立微網系統優化設計方法，所述獨立微網系統包括柴油發電機、風力發電機、光伏陣列和儲能電池，具體的優化方法是指基於獨立微網系統的多目標優化設計模型，在優化規劃設計模型上，考慮了多臺柴油發電機的組合開機方式、儲能電池與柴油發電機之間的協調控制策略，使得獨立微網系統中的可再生能源利用率更高，運行更經濟，更環保；針對系統優化規劃設計模型的穩定性，考慮了獨立微網穩定性需求的備用容量；在優化規劃設計模型的求解算法上，採用基於NSGA-II的多目標遺傳算法進行多目標問題求解，從而實現對獨立微網系統的經濟性、可靠性和環保性三大目標的多目標優化。
文檔編號H02J3/32GK103151798SQ20131010355
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月27日 優先權日2013年3月27日
發明者趙波, 李鵬, 周金輝, 郭力, 張雪松, 葛曉慧 申請人:浙江省電力公司電力科學研究院, 國家電網公司