本发明涉及一种储能混合微电网混合线性经济性规划方法，具体涉及一种采用混合整数线性规划(milp)的方法对储能混合微电网经济模型进行优化的方法。
背景技术：
风能和太阳能被认为是重要的可再生资源。这些资源产生的能量随时间而变化，通常不满足需求侧使用。这种不匹配的现象增加了离网系统的储能容量。另外，如果光伏(pv)系统或风电机组(wt)分别独立使用，系统规模和投资成本将增加。混合使用这些能源可以提高系统的可靠性，并可以减少投资成本和微电网储能系统容量。
在储能混合微电网优化过程中建立的负荷模型通常忽略了需求侧响应的重要作用，这就从本质上忽略了源-网-负荷-储能可能存在的交互影响，可能导致无法得到最优的规划方案。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种储能混合微电网混合线性经济性规划方法，通过milp框架对储能混合微电网组件进行建模，得出各组件的数学模型。建立储能混合微电网系统模型，根据建立的模型提出储能混合微电网优化目标，通过转移负荷时域和对负荷进行调度规划，减少或消除发电侧与耗电侧的不平衡从而实现成本消减，提高储能混合微电网经济性。
本发明采取如下技术方案来实现的：
一种储能混合微电网混合线性经济性规划方法，包括以下步骤：
1)通过混合线性经济性规划框架建立太阳能电池板输出功率分解式，风电机组的输出功率分解式，储能系统充放电功率表达式；
2)为了防止每个电池使用寿命的减少，定义步骤1)储能系统充放电功率表达式中电池组充放电限制，每个电池的最大容量和最小容量及电池充放电功率限度；
3)根据步骤1)太阳能电池板输出功率分解式，风电机组的输出功率分解式，储能系统充放电功率表达式和步骤2)电池组充放电限制，每个电池的最大容量和最小容量及电池充放电功率限度，建立含有耗电变量的储能混合微网功率配置方程；
4)建立混合储能微电网第k个组件的总成本方程；
5)为了将步骤4)混合储能微电网第k个组件的总成本方程中的初始成本转换为年度成本，定义资本回收系数；
6)根据步骤5)得到的资本回收系数，得到第k个组件的年初始成本、第k个组件的年重置成本及第k个组件的剩余价值；
7)根据步骤6)第k个组件的年初始成本、第k个组件的年重置成本及第k个组件的剩余价值得到混合系统组件的年单位成本，进一步得到第k个组件的净现成本；
8)根据优化问题目标函数，在步骤7)得到第k个组件的净现成本，全寿命周期内最小化微网的总净现成本基础上，得到储能混合微电网的总净现成本；
9)分析步骤8)储能混合微电网的总净现成本，应用混合线性经济性规划方法提高储能混合微电网经济性。
本发明进一步的改进在于，步骤1)的具体实现方法为：通过混合线性经济性规划框架建立太阳能电池板输出功率分解式：
其中：gt(t)(w/m2)是垂直于阵列表面的辐射入射功率；ppv-rated是面板在标准测试stc条件下的额定功率；ηpv是太阳能电池板功率折减系数，tc,stc是电池在stc下的温度，βt是光伏温度系数，tc是运行时的电池温度，表示为：
本发明进一步的改进在于，步骤2)的具体实现方法为：为了防止每个电池使用寿命的减少，定义步骤1)储能系统充放电功率表达式中电池组充放电限制：
本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法为：根据步骤1)太阳能电池板输出功率分解式，风电机组的输出功率分解式，储能系统充放电功率表达式和步骤2)电池组充放电限制，每个电池的最大容量和最小容量及电池充放电功率限度，建立含有耗电变量的储能混合微网功率配置方程：
本发明进一步的改进在于，步骤4)的具体实现方法为：建立混合储能微电网第k个组件的总成本方程：tuck＝ick repk mk-rvk；其中：ick为采购和安装的初始成本、repk为重置成本、mk为运行维护成本，rvk为剩余价值。
本发明进一步的改进在于，步骤5)的具体实现方法为：为了将步骤4)混合储能微电网第k个组件的总成本方程中的初始成本转换为年度成本，定义资本回收系数：
本发明进一步的改进在于，步骤6)的具体实现方法为：根据步骤5)得到的资本回收系数，得到第k个组件的年初始成本：aick＝ick×crf(i,n)、第k个组件的年重置成本：
本发明进一步的改进在于，步骤7)的具体实现方法为：根据步骤6)第k个组件的年初始成本、第k个组件的年重置成本及第k个组件的剩余价值得到混合系统组件的年单位成本：atuck＝aick apepk mk-arvk，进一步得到第k个组件的净现成本：npcuk＝atuck/crf(i,n)。
本发明进一步的改进在于，步骤8)的具体实现方法为：根据优化问题目标函数：储能混合微电网的全寿命周期内最小化微网的总净现成本，在步骤7)得到第k个组件的净现成本，全寿命周期内最小化微网的总净现成本基础上，得到储能混合微电网的总净现成本：
本发明进一步的改进在于，步骤9)的具体实现方法为：分析步骤8)储能混合微电网的总净现成本，应用混合线性经济性规划方法提高储能混合微电网经济性。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：
1.本发明提出一种储能混合微电网混合线性经济性规划方法，通过milp框架对储能混合微电网组件进行建模，得出各组件的数学模型
2.本发明建立储能混合微电网系统模型，根据建立的模型提出储能混合微电网优化目标，通过转移负荷时域和对负荷进行调度规划，减少或消除发电侧与耗电侧的不平衡从而实现成本消减，提高储能混合微电网经济性。
附图说明
图1为储能混合微电网系统示意图；
图2为储能微电网经济优化过程示意图；
图3为各个季节平均每小时太阳光辐射和一年中各月不同风速下的频率分布数据图；图3(a)为各个季节平均每小时太阳光辐，图3(b)为一年中各月不同风速下的频率分布；
图4为一年中每日负荷变化样本数据图。
具体实施方式
下面通过附图，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1所示，储能混合微电网是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成的小型发配电系统。光伏阵列将太阳光发出的能量转化为电能传输给微电网系统，风力机将风能转化为电能传输给微电网系统，二者作为微电网的混合能源为微电网提供电能。由于混合能源的不确定性，需要电池组对多余的能量进行存储，当能量不足时提供电能，充放电调节器起到对电池组进行充放电调节的作用，其中备用负载也可以起到消耗多余电能的作用。
如图2所示，通过milp框架对储能混合微电网组件进行建模得出各组件的数学模型。
总目标是最小化储能混合微电网的全寿命周期费用。在这个优化上，特别关注了可调度组件的运行方式。决策变量是太阳能和风能的容量以及电池的容量和电池充放电规则，另外还有指定的时间段内可调度负荷的运行次数，未分配和不足能源的数量。约束条件包括组件的运行和物理限制，能量平衡，产能限制，设备能力和电池约束。优化过程包括输入数据(如气象、负荷、规范和组件的经济参数)，并且被看作是由能量管理系统(ems)进行联合调度的milp模型。目标是在储能混合微电网总寿命周期内最小化微电网的总净现成本。
通过采集的气象数据、负载要求、组件经济和规格参数计算微电网系统的成本，利用需求侧响应过程和本发明建立的储能混合微电网混合整数线性规划模型对微电网经济性进行优化。用电电器分为两类：一为可移动设备(包括水电泵，干衣机，洗衣机和洗碗机)，它们可以在一天的灵活时间范围内运行(通过ems进行控制)，二为不可移动设备，它们不可控制，不能规划。
太阳能电池板直接把太阳光转换成电能。太阳能电池板(ppv)的输出直流功率取决于太阳光辐射强度、吸收容量、面板面积和电池温度，光伏输出功率公式：
式(1)中：gt(t)(w/m2)是垂直于阵列表面的辐射入射功率；ppv-rated是面板在标准测试(stc)条件下的额定功率；ηpv是太阳能电池板功率折减系数(％)，tc,stc是电池在stc下的温度，βt是光伏温度系数，tc是运行时的电池温度，可表示为：
式(2)中：noct是正常运行电池温度，tamb是环境温度。
风电机组的输出功率是在风机轮毂高度下风速的函数，可表示为：
式(3)中：v(m/s)，vr，vcut-in，和vcut-out分别是风机轮毂高度、额定转速、切入速度和截止转速。pr代表额定转速下的输出功率。
储能系统用于使供需达到平衡，在微电网中电池可以作为储能系统。根据发电和耗电电量来决定是否充电或放电，电池的输入功率可以是正的或负的，这取决于电池组的充放电状态，储能电池的输出功率为：
pb(t)＝pwt(t) ppv(t)-pl(t)/ηinv(4)
式(4)中：pl是t时刻总用电负荷，ηinv是逆变器效率。
如果pb＝0那么电池组既不充电也不放电，如果pb＞0或pb＜0，那么电池组会由于储能混合微电网产生过剩电量而进行充电或放电。在电池组充电或放电过程中新荷电状态为：
socb(t)＝socb(t-1)×(1-σ)±pb×ηb(5)
式(5)中：socb(t)和socb(t-1)是电池组t时刻和t-1时刻荷电状态，σ是电池组的自放电系数，ηb是电池组的效率。
为了防止电池组中的能量积聚，每个规划周期开始和结束时的初始状态应该相等：
soc(t＝0)＝soc(t＝t)(6)
为了防止每个电池使用寿命的减少，定义电池组充放电限制为：
式(7)中：ebat(t)代表每个电池的储能能量，ebatmax，ebatmin，socmax和socmin分别是每个电池储存的最大和最小能量以及储能系统荷电数量的最大和最小值，nbat是指电池的数量。每个电池的最大容量和最小容量关系为：
ebatmin＝(1-dod)×ebatmax(8)
式(8)中：dod是每个电池的允许放电深度。为防止电池损坏，每个电池的充放电功率不得超过规定的限度：
式(9)中：pessch(t)和pessdis(t)分别是电池组在t时刻充放电功率限制。ebat(t)和ebat(t-1)分别是蓄电池在t时刻和t-1时刻的能量。充电和放电的电量必须满足上述的公式，如果一个电池在t时间段内放电，那么它需要在这一段时间段内有充足的荷电量。
为了使电力系统稳定，总消耗功率约等于总发电功率，在每一个时间段内可调度负荷和不可调度负荷消耗的电能加上储能系统充电的电能应该等于光伏和风能提供的电能加上储能系统的放电电能。在每个时间段内完美平衡是不可能的，这是由于对储能系统充放电速率的限制和对可调度负荷能力的限制以及可再生能源发电量的不可控性。为了克服上述问题，本发明建立含有耗电变量的储能混合微网功率配置方程：
式(10)中：ploadncl(t)，ploadcl(t)，peesch(t)，ploaddump(t)和peesdis(t)分别是不可调度负荷功率，可调度负荷功率，电池充电电能，多余负荷功率和电池放电电能。
在混合储能微电网中，第k个组件的总成本包括以下内容：采购和安装的初始成本ick、重置成本repk，运行维护成本mk，和剩余价值rvk。第k个组件的总成本tuck为：
tuck＝ick repk mk-rvk(11)
为了将初始成本转换为年度成本，定义资本回收系数为：
式(12)中：i是利率，n是系统生命周期，nk是第k个组件的生命周期。第k个组件的年初始成本为：
aick＝ick×crf(i,n)(13)
第k个组件的年重置成本为：
第k个组件的剩余价值(残值)为：
混合系统组件的年单位成本为：
atuck＝aick apepk mk-arvk(16)
因此，第k个组件的净现成本为：
npcuk＝atuck/crf(i,n)(17)
优化问题的目标函数是在储能混合微电网的全寿命周期内最小化微网的总净现成本。储能混合微电网的总净现成本为：
式(18)中：npcuk是第k个组件的净现成本，nk是第k个组件的数量/容量，nwt和nbatt是整数决策变量，npv和ninver是连续决策变量。
如图3所示，各个季节平均每小时太阳光辐射和一年中各月不同风速下的频率分布数据这反映了储能混合微电网系统的光能、风能在一定周期内的分布状态。
如图4所示，控制负荷规划的时间段为15分钟，一天有96个时间段。储能混合微电网的负荷消耗包含四个可调度设备，总消耗量为3.95kwh/天(约占总负荷消耗的7.5％)。还有一些不可调度的设备，消耗量为47.89kwh/天。每个可调度设备一天的输入信息列于表1，其中时间单位为本发明规定的时间段单位。
表1可调度设备的参考规范
通过本发明建立的数学模型对微电网组件的年单位成本和净现成本费用进行了计算。结果如表2所示。
表2微电网组件的年单位成本和净现成本费用
微电网规模优化已经分两种情况完成：优化之前的情况和优化之后的情况，优化之前和优化之后对比如表3。
表3微电网组件规模优化结果
两种情况下的消耗的功率相等，在充放电过程中会产生部分的能量浪费。这种光伏电池功率略有不同的原因就是这种浪费。但如该表所示，milp的应用使得电池容量和逆变器功率大幅减少，减少了电池和逆变器的使用数量，使得微电网的总成本大幅降低，从而提高了微电网系统的经济性。造成这个成本减少有两个原因：首先，由于耗电侧和发电侧电能的接近；其次由于负荷峰值的减少。
此外，还获得了各组件应用milp和没有应用milp的净现成本和微电网的总净现成本，如表4所示.
表4两种情况组件的净现成本比较
根据表4可知：milp的实施导致了组件容量数量和能源供应成本的显著减少。从表5可以看出milp的应用还减少了储能系统的功率、逆变器功率、光伏电池容量和总成本分别为35％，35.6％，1.8％和17.2％，从而提高了微电网经济优化水平。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
1.一种储能混合微电网混合线性经济性规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)通过混合线性经济性规划框架建立太阳能电池板输出功率分解式，风电机组的输出功率分解式，储能系统充放电功率表达式；
2)为了防止每个电池使用寿命的减少，定义步骤1)储能系统充放电功率表达式中电池组充放电限制，每个电池的最大容量和最小容量及电池充放电功率限度；
3)根据步骤1)太阳能电池板输出功率分解式，风电机组的输出功率分解式，储能系统充放电功率表达式和步骤2)电池组充放电限制，每个电池的最大容量和最小容量及电池充放电功率限度，建立含有耗电变量的储能混合微网功率配置方程；
4)建立混合储能微电网第k个组件的总成本方程；
5)为了将步骤4)混合储能微电网第k个组件的总成本方程中的初始成本转换为年度成本，定义资本回收系数；
6)根据步骤5)得到的资本回收系数，得到第k个组件的年初始成本、第k个组件的年重置成本及第k个组件的剩余价值；
7)根据步骤6)第k个组件的年初始成本、第k个组件的年重置成本及第k个组件的剩余价值得到混合系统组件的年单位成本，进一步得到第k个组件的净现成本；
8)根据优化问题目标函数，在步骤7)得到第k个组件的净现成本，全寿命周期内最小化微网的总净现成本基础上，得到储能混合微电网的总净现成本；
9)分析步骤8)储能混合微电网的总净现成本，应用混合线性经济性规划方法提高储能混合微电网经济性。
2.根据权利要求1所述的一种储能混合微电网混合线性经济性规划方法，其特征在于，步骤1)的具体实现方法为：通过混合线性经济性规划框架建立太阳能电池板输出功率分解式：
其中：gt(t)(w/m2)是垂直于阵列表面的辐射入射功率；ppv-rated是面板在标准测试stc条件下的额定功率；ηpv是太阳能电池板功率折减系数，tc,stc是电池在stc下的温度，βt是光伏温度系数，tc是运行时的电池温度，表示为：
3.根据权利要求2所述的一种储能混合微电网混合线性经济性规划方法，其特征在于，步骤2)的具体实现方法为：为了防止每个电池使用寿命的减少，定义步骤1)储能系统充放电功率表达式中电池组充放电限制：
4.根据权利要求3所述的一种储能混合微电网混合线性经济性规划方法，其特征在于，步骤3)的具体实现方法为：根据步骤1)太阳能电池板输出功率分解式，风电机组的输出功率分解式，储能系统充放电功率表达式和步骤2)电池组充放电限制，每个电池的最大容量和最小容量及电池充放电功率限度，建立含有耗电变量的储能混合微网功率配置方程：
5.根据权利要求4所述的一种储能混合微电网混合线性经济性规划方法，其特征在于，步骤4)的具体实现方法为：建立混合储能微电网第k个组件的总成本方程：tuck＝ick repk mk-rvk；其中：ick为采购和安装的初始成本、repk为重置成本、mk为运行维护成本，rvk为剩余价值。
6.根据权利要求5所述的一种储能混合微电网混合线性经济性规划方法，其特征在于，步骤5)的具体实现方法为：为了将步骤4)混合储能微电网第k个组件的总成本方程中的初始成本转换为年度成本，定义资本回收系数：
7.根据权利要求6所述的一种储能混合微电网混合线性经济性规划方法，其特征在于，步骤6)的具体实现方法为：根据步骤5)得到的资本回收系数，得到第k个组件的年初始成本：aick＝ick×crf(i,n)、第k个组件的年重置成本：
8.根据权利要求7所述的一种储能混合微电网混合线性经济性规划方法，其特征在于，步骤7)的具体实现方法为：根据步骤6)第k个组件的年初始成本、第k个组件的年重置成本及第k个组件的剩余价值得到混合系统组件的年单位成本：atuck＝aick apepk mk-arvk，进一步得到第k个组件的净现成本：npcuk＝atuck/crf(i,n)。
9.根据权利要求8所述的一种储能混合微电网混合线性经济性规划方法，其特征在于，步骤8)的具体实现方法为：根据优化问题目标函数：储能混合微电网的全寿命周期内最小化微网的总净现成本，在步骤7)得到第k个组件的净现成本，全寿命周期内最小化微网的总净现成本基础上，得到储能混合微电网的总净现成本：
10.根据权利要求9所述的一种储能混合微电网混合线性经济性规划方法，其特征在于，步骤9)的具体实现方法为：分析步骤8)储能混合微电网的总净现成本，应用混合线性经济性规划方法提高储能混合微电网经济性。
技术总结