一种交直流混联微网系统设计方法与流程

本发明涉及一种微网系统的设计方法，特别涉及一种交直流混联微网系统的设计方法。

背景技术：

微型电网，简称微网，由负荷和微型电源组成。所述的微型电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必需的控制。相对于外部大电网，微网表现为单一的受控单元，微网可同时满足用户对电能质量和供电安全等的要求；微网实现了可再生能源的本地化利用，与传统供电方式相比其没有输电环节，是一种高效、环保的资源整合利用方式。随着可再生能源发电技术、电力电子技术、信息技术以及互联网技术的不断进步，微网系统由少到多，快速发展。然而，目前微网的主要研究工作集中在运行控制、能量管理以及系统集成等方面，关于微网规划设计特别是交直流混联类型的微网设计研究较少，大多凭借工程经验人工设计，规划设计结果相对粗糙，往往不够科学合理。

在微网中通常含有电动汽车、照明、通信、储能等大量直流设备，同时太阳能光伏发电等电源也是直流形式，因此采用直流供电方式可以大大减少中间变换环节，提升系统能源利用效率；同时，在直流系统中，由于不存在无功和谐波等方面的问题，很多损耗有明显下降，可以简单的获得更高的电能质量，相比交流配电的三相四线制，直流配电只需两根导线，所需的建设费用少。因此，在微网中会形成交流供电与直流供电并存的局面，交流与直流相互配合互为补充。

在交直流混联微网中，通过柔性直流装置可以实现环网供电，大大提升系统的潮流控制能力，系统分布式电源装机利用效率大为提高；同时，由于可再生能源和负荷的双重波动性导致需要通过对未来运行场景的大量模拟来分析评估电源装机情况是否合理。因此，目前现有的交流配电规划设计和经济性评估方法很难适应新的需求，对于交直流混联微网系统设计问题亟待新的解决方法。

目前，国内外对于交直流混联微网系统设计方法的研究还相对较少，技术相对空白，设计时往往没有详细考虑交直流微网连接方式、电源装机容量和系统动态运行之间的耦合关系，设计方案难以满足经济运行以及可靠性要求。

技术实现要素：

本发明目的是克服现有技术的缺点，解决现有交直流混联微网系统设计没有详细考虑交直流微网连接方式、电源装机容量和系统动态运行之间的耦合关系，导致设计结果难以适应未来运行方式的问题，提出一种交直流混联微网系统的设计方法。本发明在保证系统设计规范、设计安全可靠的前提下，优化选择交直流微网连接方式和系统电源装机容量；在建立反映系统综合投资经济性和运行经济性优化模型的基础上进行优化，避免常规设计带来的装机过大造成浪费或者装机不足影响系统可靠运行等问题，提高微网系统的规划设计水平。

本发明的主要应用对象为交直流混合微网系统，该交直流混合微网系统包含可再生能源发电装置、分布式电源、电动汽车充电站、储能装置、交直流变换器等，该交直流混联微网系统通过变压器连接到外部电网。该交直流混联微网系统中可再生能源发电与负荷具有双向波动性与随机性，运行场景复杂多样，如何处理系统连接方式、装机容量与系统运行方式的耦合关系是系统设计的关键。

本发明交直流混联微网系统的设计方法包括规划设计场景的生成、交直流混联微网系统建模、优化设计模型求解等步骤，优化求得交直流微网系统的连接方式和电源装机容量，具体如下：

所述的规划设计场景生成方法根据预测得到的系统交直流负荷大小和分布、太阳能光伏发电曲线与分布、风力发电曲线与分布、电动汽车充电站用电曲线与分布，设计交直流微网可行连接方式，得到连接方式集；同时，为了对交直流混联微网未来复杂运行场景进行评估计算，通过蒙特卡洛法随机生成不同连接方式和不同季节特性下的模拟运行数据，得到用于规划设计的场景数据。

所述的交直流混联微网系统建模需要考虑各类电源的装机成本模型和运行成本模型，并建立以年现金流量最小为目标函数的交直流混联微网系统优化设计模型，同时满足可靠性等各类约束条件。目标函数中的年现金流量包括四部分，第一部分为待选电源初始投资的年折算成本，表征投资成本对电源装机的影响；第二部分为发电机组年运行成本，表征机组运行状态对装机的影响；第三部分为交直流微网系统与外部电网电能交换成本，表征电网状态对装机的影响；第四部分为弃风弃光成本，表征可再生能源发电装机过剩时造成的浪费。为了保证系统安全、合理、可靠的运行，优化设计模型还应该满足如下约束条件：电功率平衡约束；机组运行限制，机组应该在最小负荷率与最大负荷率之间运行；节点电压边界约束；微网与外部电网功率交换约束；机组装机边界约束及整数约束。通过上述方法，最后得到交直流混联微网系统混合整数非线性优化设计方案。

所述的模型求解步骤使用数学分解方法对含整数离散变量和运行连续变量的交直流混联微网系统优化设计模型进行求解。本发明所建立的复杂混合整数非线性优化模型中含有与投资相关的整数变量和大量与运行相关的连续变量，造成模型很难用常规方法求解。本发明应用数学分解方法将复杂的混合整数非线性优化模型分解成容量配置主问题、可靠性检验子问题和模拟运行优化子问题，子问题返回给主问题可靠性割和优化运行割，并通过迭代求解。最后得到交直流混联微网系统优化设计方案。

本发明具有以下特点：

(1)本发明提出了在交直流混联微网系统设计时，考虑交直流连接方式与系统复杂运行场景，并采用蒙特卡洛法生成系统可用的规划设计场景。

(2)本发明分析了交直流混联微网系统的装机成本与运行成本关系，建立了综合评价系统优化设计的年现金流量模型。

(3)本发明使用数学分解方法，将交直流混联微网系统优化设计模型分解成为容量配置主问题、可靠性检验子问题和模拟运行优化子问题，通过迭代求解该交直流混联微网系统混合整数非线性优化设计模型，该方法具有良好的可扩展性。

附图说明

图1是交直流混联微网系统组成结构示意图；

图2是本发明的具体实施步骤流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1所示为本发明的主要应用对象交直流混联微网系统。该系统包含交流母线、直流母线、交流负荷、直流负荷、太阳能光伏发电pv、风力发电wt、分布式电源dg、电动汽车充电站ev、储能单元es、交直流变换器等。太阳能光伏发电、风力发电、电动汽车充电站、储能单元以及直流负荷与直流母线相连构成直流供电部分，分布式电源、交流负荷与交流母线相连构成交流供电部分，直流供电部分与交流供电部分通过交直流变换器相连，交直流混联微网系统与外部电网相连，可以实现并网与孤岛双模式运行。

本发明交直流混联微网系统设计方法包括规划设计场景的生成、交直流混联微网系统建模、优化设计模型求解等步骤，如图2所示：首先根据交直流混联微网系统电源、负荷情况，使用蒙特卡洛法生成规划设计场景，建立系统优化设计模型，将优化设计模型分解为容量配置主问题、可靠性子问题和模拟运行子问题进行迭代求解，最后得到交直流混联微网系统优化设计方案。具体步骤详细说明如下：

(1)首先生成交直流混联微网系统的规划设计场景；

根据预测得到的微网系统交直流负荷大小和分布、太阳能光伏发电曲线与分布、风力发电曲线与分布、电动汽车充电站用电曲线与分布，设计交直流微网可行的连接方式，得到连接方式集；同时，为了对交直流混联微网未来复杂运行场景进行评估计算，通过蒙特卡洛法随机生成不同连接方式和不同季节特性下的模拟运行数据，得到用于规划设计的场景数据。

(2)建立交直流混联微网系统模型；

1)建立各类电源的装机成本模型和运行成本模型。

太阳能光伏发电功率输出模型：

式中，ppv为太阳能光伏发电输出功率；pstc为标准测试条件下的最大测试功率；gstc为标准测试条件下的光照强度；gt为实际入射到光伏板上的光照强度；k为功率温度系数；tc为电池板工作温度；tr为参考温度，取为25℃。

风力发电功率输出模型：

式中：pwt为风力发电输出功率；vin为切入风速、vn为额定风速、vout为切出风速；pwtn为风机额定功率；awt、bwt、cwt、dwt为风速-功率曲线拟合参数。

微型燃气轮机装机运行成本模型：

f(pmt)＝αmtpmt+βmt

式中：f(pmt)为微型燃气轮机的燃料消耗量成本；pmt为微型燃气轮机输出功率；αmt、βmt为燃料消耗的拟合系数。

太阳能光伏发电、风力发电与微型燃气轮机的装机成本按照单位装机成本乘以装机容量大小计算，装机成本的等年值费用计算方法：

cacap＝ccap*crf(γ,k)-cs*sff(γ,k)

式中：cacap为设备安装成本的年等值费用；ccap为设备安装成本；cs为设备安期末残值；k为设备寿命年限；crf(i,k)为资金回收系数；sff(i,k)为偿债基金系数；i为实际利率；i′为名义利率；f为全年通胀率。

2)建立以年现金流量最小为目标函数的交直流混联微网系统优化设计模型，同时满足可靠性等各类约束条件。

目标函数：

式中，min代表最小化；cm为电源m的单位容量装机成本；pm为电源m的装机容量大小；ce(t)为t时电网分时电价；pe(t)为t时从电网输入微网的电功率；ploss(t)为t时弃风弃光功率；m为电源数量；t为全年运行小时数。目标函数中第一部分为待选电源初始投资的年折算成本，表征投资成本对电源装机的影响；第二部分为发电机组年运行维护成本，表征机组运行状态对装机的影响；第三部分为交直流微网系统与外部电网电能交换成本，表征电网状态对装机的影响；第四部分为弃风弃光成本，表征可再生能源发电装机过剩时造成的浪费。

约束条件：

分时电功率平衡约束：

pmt(t)+ppv(t)+pwt(t)+pe(t)＝pl(t)+ploss(t)

式中，pl(t)为t时负荷的电功率；ppv(t)为t时太阳能光伏发电输出功率；pwt(t)为t时风力发电输出功率。

机组运行限制约束：

pmmin≤pm(t)≤pmmax

pm(t)≤pm

式中，pm(t)为机组m在t时的功率输出；pmmax为机组m的最大电功率输出限制、pmmin为机组m的最小电功率输出限制。

节点电压边界约束：

式中，vac_i为交流节点i的电压，为交流节点i的上边界＝，为为交流节点i的下边界；vdc_i为直流节点i的电压，为直流节点i的上边界，为为直流节点i的下边界。

外部电网接口功率限制：微网只能从外部电网吸收功率，不允许倒送电能。

0≤pe(t)≤pemax

式中，pemax为最大允许从外部电网吸收的电功率。

机组装机边界及整数约束：

pm为整数；

式中，pm为装机容量，为装机容量的上边界，为为装机容量的下边界。

(3)对交直流混联微网系统优化设计模型求解；

本发明采用数学分解方法对含整数离散变量和运行连续变量的交直流混联微网系统优化设计模型进行求解，将复杂的混合整数非线性优化模型分解成容量配置主问题、可靠性检验子问题和模拟运行优化子问题，子问题返回给主问题可靠性割和优化运行割，并通过迭代求解，具体如下：

首先将步骤(2)所述的交直流混联微网系统优化设计模型整理成如下形式：

目标函数：

minf(x1,…,xn；y1,…,ym)

约束条件：

hk(x1,…,xn；y1,…,ym)＝0；k＝1,…,q

gl(x1,…,xn；y1,…,ym)≤0；l＝1,…,r

式中，f(x1,…,xn；y1,…,ym)为目标函数，代表交直流混联微网系统年现金流量；xi为装机容量整数优化变量，为装机容量整数优化变量的上边界，为为装机容量整数优化变量的下边界，n为装机容量整数优化变量的数量；yi为机组运行功率输出联系优化变量，为机组运行功率输出联系优化变量的上边界，为为机组运行功率输出联系优化变量的下边界，m为为机组运行功率输出联系优化变量的其数量；hk为等式约束，其数量为q；gl为不等式约束，其数量为r。

1)容量配置主问题表示如下：

目标函数：

minα

约束条件：

α^down≤α

式中，α为优化目标，α^down为优化目标下边界；λi为子问题求解得到的对偶变量值；k代表第k次迭代；p代表迭代次数；其中，第一个约束条件为求解模拟运行优化子问题后添加的优化运行割。

主问题的求解结果为和α^(p)，上标p代表第p次迭代，作为已知量供模拟运行子问题使用。

2)可靠性检验子问题表示如下：

检验容量配置主问题是否满足如下约束条件：

式中，χ为系统可靠性评价系数；max(pl(t))为系统最大负荷。

如果不满足可靠性检验，则将上述约束条件作为可靠性割添加到容量配置主问题重新优化计算，如果满足可靠性检验，则进行下一步计算。

3)模拟运行优化子问题表示如下：：

目标函数：

minf(x1,…,xn；y1,…,ym)

约束条件：

hk(x1,…,xn；y1,…,ym)＝0；k＝1,…,q

gl(x1,…,xn；y1,…,ym)≤0；l＝1,…,r

式中，为主问题的求解结果。

模拟运行子问题的求解结果为和作为已知量供容量配置主问题使用。

通过上述步骤(1)-步骤(3)可以得到交直流混联微网系统的优化设计方案。