本发明涉及电力储能技术领域，尤其是涉及一种主网与家庭光储系统功率交换的控制方法。
背景技术：
光伏发电进入家庭，家庭产生的多余电量输出到主网，在家庭储能不足时从主网获得功率，家庭与主电网之间就产生了功率交换。目前，对含有储能的家庭并网光伏发电系统优化控制问题，大多数研究从系统运行的经济效益出发，很少考虑将降低家庭对电网的依赖、减弱并网波动性可再生能源对电网的冲击，提高可再生能源的就地消纳作为主要研究目标。而且，用户侧大规模分布式光伏电源的接入会对电网产生冲击，增加电网调度的难度。同时，含有光伏发电的家庭用户并网运行时会对电网产生很大的依赖性，当电网发生故障停电时，家庭负荷用电的可靠性将会受到威胁。
因此，研究降低家庭对电网依赖性、增大分布式光伏就地消纳的家庭能量运行控制方法，是目前亟待解决的问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种主网与家庭光储系统功率交换的控制方法，在负荷及光伏发电功率未知时，将一个调度周期等分为m个时间间隔，计算每个时间间隔内的功率交换目标函数，并保证主网与家庭光储系统功率交换最小；在负荷及光伏发电功率已知时，采用预测方法，以一个调度周期内家庭与主网间电功率交换量最小为目标，计算主网与家庭光储系统功率交换目标函数，结合约束条件，得到最优规划方案。本申请通过控制储能系统的充放电，减小家庭对主网的依赖程度，对家庭用电起到削峰填谷的作用，同时减小主网与家庭光储系统二者之间的能量流动，降低电网的波动，保证系统的电能质量。
第一方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：
一种主网与家庭光储系统功率交换的控制方法，家庭光储系统包括家庭负荷、光伏发电、储能系统；根据家庭负荷功率、光伏发电功率，采用瞬时控制策略或预测储能控制策略，以光储系统与主网之间功率交换最小为目标，控制储能系统的充放电，建立电能交接量化模型及约束条件。
本发明进一步设置为：将一个调度周期t均分为m个时间间隔，每个时间间隔为t1，设在每个时间间隔内家庭负荷功率、光伏发电功率、储能系统功率保持稳定，计算m个时间间隔内家庭光储系统与主网之间的电功率交换量。
本发明进一步设置为：在家庭负荷功率、家庭光伏发电功率预测未知时，采用瞬时控制策略，储能系统只能由光伏发电提供充电，根据储能系统状态，以每个时间间隔t1内电功率交换量最小为目标，各时间间隔内运行策略相互独立，计算家庭光储系统与主网之间的电功率交换量。
本发明进一步设置为：在家庭负荷功率与家庭光伏发电功率相均衡时，家庭光储系统与主网之间无电功率交换；在家庭负荷功率大于家庭光伏发电功率时，以储能系统放电为主，在储能系统功率不足时由主网输入；在家庭负荷功率小于家庭光伏发电功率时，以储能系统充电为主，在充电过盈时向主网输出。
本发明进一步设置为：电能交换量化模型目标函数表达式如下：
minfi＝|pusei-pgeni-pbati|
式中，pusei表示第i个时间间隔内家庭平均用电负荷；pgeni表示第i个时间间隔内家庭平均发电功率；pbati表示第i个时间间隔内电池充放电功率；fi表示第i个时间间隔内家庭光储系统与主网之间的电功率交换量，i≤m。
本发明进一步设置为：在家庭负荷功率、家庭光伏发电功率预测已知时，采用预测储能控制策略，考虑储能系统运行限制、峰谷电价政策，以一个调度周期t内电功率交换量最小为目标，调节储能系统的充放电功率。
本发明进一步设置为：储能系统经过n次充放电后，剩余电量的计算如下：
式中，ere表示某一时刻充放电完成后蓄电池内剩余电量；t表示调度周期内的某一时刻；δt表示时间间隔；k表示蓄电池充放电转化效率；e0表示调度周期内充放电初始时刻蓄电池储电量；st表示储能系统的荷电状态；pbatj表示第j个时段内电池充放电功率。
本发明进一步设置为：电能交接量化模型目标函数表达式如下：
式中，pusek表示时段k内家庭平均用电负荷；pgenk表示时段k内家庭平均发电功率；pbatk表示时段k内电池充放电功率；f表示一个调度周期内家庭光储系统与主网之间的电功率交换量总和。
本发明进一步设置为：目标函数的约束条件包括：蓄电池约束、经济性约束；其中，蓄电池约束包括各时段内蓄电池充放电功率处于平均充放电功率的最小值与平均充放电功率的最大值之间，各时段内蓄电池的荷电状态要处于蓄电池荷电状态上限、蓄电池荷电状态下限之间；结合峰谷电价方案，经济性约束为：
式中，pl表示第l个时间间隔或时间段内峰谷电价的取值，规定家庭向电网售电电价取负，购电时电价取正。
本发明进一步设置为：基于控制方法理论模型，采用分支界定法对目标函数进行优化求解：将代表储能系统在充电与放电情况下的二进制变量q(t)在0—1区间松弛化，转换为连续型；分别讨论在充电和放电二种情况下，系统与外电网间交换功率最小的问题，选择满足条件的变量q作为分支变量：
q(t)＝min{|q(t)-0.5|}，t＝1，2，…，n
将求解得到的最小值作为下限，分别讨论分支变量q置取值不同时得到的松弛子问题，排除大于下限的情况；重复上述内容直至得到全局最优的规划方案。
与现有技术相比，本申请的有益技术效果为：
1.本申请通过根据负荷、光伏发电的不同情况，采用不同方法计算，保证主网与家庭光储系统之间的交换功率最小，降低电网的波动，保证系统的电能质量；
2.进一步地，本申请在负荷、光伏发电未知的情况下，将一个调度周期等分成多个时间间隔，采用瞬时策略，计算每个时间间隔内的能量交换，保证每个时间间隔内的能量交换最小，从而保证了总的能量交换最小，削弱家庭用户对主网的依赖，提高家庭对光伏发电的消纳能力；
3.进一步地，本申请在负荷、光伏发电已知的情况下，在一个调度周期内，采用预测策略，计算调度周期内的能量交换，保证该调度周期内的能量交换最小，减少能量流动，降低电网波动。
附图说明
图1是本申请的一个具体实施例的家庭光储系统结构示意图；
图2是本申请的一个具体实施例的瞬时控制策略控制流程示意图；
图3是本申请的一个具体实施例的预测控制策略控制流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
具体实施例一
本申请的一种主网与家庭光储系统功率交换的控制方法，如图1所示，家庭光储系统包括家庭负荷、光伏发电、蓄电池储能系统；光伏发电和蓄电池分别连接各自的直流交流变换器，各直流交流变换器与系统交流母线连接，实现系统内部发电设备、负荷、蓄电池之间的电能交换。
主网与家庭光储系统之间的电功率交换量pexj，计算公式如下：
pexj＝pusej-pgenj-pbatj(1)；
式中，pusej表示第j个时段内家庭平均用电负荷，pgenj表示第j个时段内家庭平均发电功率，pbatj表示第j个时段内蓄电池充放电功率。
蓄电池在实际运行过程中，会因为使用时间的延长蓄能能力会产生变化，因此，会存在多方面限制。
在n次充放电后，蓄电池剩余电量计算公式如下：
式中，ere表示某一时刻充放电完成后蓄电池内剩余电量；t表示调度周期内的某一时刻；δt表示时间间隔；k表示蓄电池充放电转化效率；e0表示调度周期内充放电初始时刻蓄电池储电量；st表示储能系统的荷电状态；pbatj表示第j个时段内电池充放电功率。
蓄电池的荷电状态：
式中，erated表示蓄电池额定容量。
根据负荷及光伏发电功率的不同情况，分别分析：
一、负荷及光伏发电功率预测未知
在出现极端天气或突变状况时，对负荷及光伏发电功率的预测会存在较大的误差，不应将预测数据用于调度控制方法中。此时，认为负荷及光伏发电功率预测未知，即未来每个时间段内，蓄电池对家庭用电系统没有任何先验知识。
本实施例中，设t＝24小时为一个调度周期，时间间隔t1＝5分钟，在m＝t/t1＝288个时间间隔内，对蓄电池充放电功率pbatl(l＝1，2，…288)进行控制，因所选时间间隔较短，近似认为在每个时间间隔内家庭用电负荷、光伏发电及蓄电池充放电功率保持不变。
因负荷及光伏发电功率预测未知，在各时间间隔内运行策略的决定相互独立，为最大程度地实现家庭用户对光伏发电的消纳以及减弱家庭用电对电网的依赖，最大限度减小家庭用户与电网之间的能量交换，规定蓄电池只能由光伏电源充电，在每个时间间隔内，蓄电池与主网的交换功率最小，就能够实现在一个调度周期内主网与家庭光储系统交换功率最小。
对每个时间间隔的储能控制，采用瞬时储能控制方法，在家庭负荷功率与家庭光伏发电功率相均衡时，家庭光储系统与主网之间无电功率交换；在家庭负荷功率大于家庭光伏发电功率时，以储能系统放电为主，在储能系统功率不足时由主网输入；在家庭负荷功率小于家庭光伏发电功率时，以储能系统充电为主，在充电过盈时向主网输出。
具体地，如图2所示，控制方法包括以下步骤：
s1、开始；
s2、进入第i个时间间隔控制；
s3、在第i个时间间隔内，判断家庭平均用电负荷是否等于家庭平均发电功率，若否，进入下一步，若是，蓄电池不充放电，主风不充放电，转s10；
s4、判断家庭平均用电负荷是否大于家庭平均发电功率，若是，进入下一步，若否，转s10；
s5、判断蓄电池是否可以放电，若是，进入下一步，若否，转s9；
s6、判断蓄电池放电是否能够满足功率缺额，若是，进入下一步，若否，转s8；
s7、蓄电池放电，转s15；
s8、蓄电池放电与电网输入，转s15；
s9、由电网输入，转s15；
s10、判断蓄电池是否可以充电，若是，进入下一步，若否，转s15；
s11、判断蓄电池充电是否能够消纳功率过盈，若是，进入下一步，若否，转s15；
s12、蓄电池充电，转s15；
s13、蓄电池充电与向电网输出，转s15；
s14、向电网输出；
s15、结束。
在每个时间间隔内，为实现家庭光储系统与主网的交换功率最小，电能交换量化模型目标函数表达式如下：
minfi＝|pusei-pgeni-pbati|(4)；
式中，pusei表示第i个时间间隔内家庭平均用电负荷；pgeni表示第i个时间间隔内家庭平均发电功率；pbati表示第i个时间间隔内电池充放电功率；fi表示第i个时间间隔内家庭光储系统与主网之间的电功率交换量，i≤m。
二、负荷及光伏发电功率预测已知
在光伏发电及负荷功率预测已知的前提下，统筹考虑未来功率的分布情况，以一天为调度周期，实现家庭光储系统与主网间电功率交换量最小化。此时，采用预测储能控制方法，综合考虑蓄电池运行限制及峰谷电价政策，通过调节蓄电池的充放电功率，实现家庭与电网之间电能交换量的最小化。
如图3所示，预测储能控制方法，包括以下步骤：
a1、开始；
a2、接收预测得到的，某一时段家庭平均发电功率、家庭平均用电负荷；
a3、综合考虑蓄电池运行限制与峰谷电价政策，实现交换功率最小化；
a2、结束。
在一个调度周期内，实现家庭光储系统与主网之间的电能交换量最小化，目标函数表达式如下：
式中，pusek表示时段k内家庭平均用电负荷；pgenk表示时段k内家庭平均发电功率；pbatk表示时段k内电池充放电功率；t表示调度周期时长；f表示一个调度周期内家庭光储系统与主网之间的电功率交换量总和。
结合家庭光储系统与主网的结构，对于负荷及光伏发电功率不同情况下的目标函数，需要满足一定的约束条件，包括蓄电池约束、经济性约束。
蓄电池约束：
蓄电池在实际充放电循环过程中，充放电功率需在其最大可承受范围内，即：
pbmin≤pbati≤pbmax(6)；
式中，pbmin表示蓄电池平均充放电功率的最小值，pbmax表示蓄电池平均充放电功率的最大值。
也就是说，蓄电池的实时功率在小于等于蓄电池平均充放电功率的最大值，大于等于蓄电池平均充放电功率的最小值。
对于蓄电池，为防止蓄电池过充和过放现象的发生，蓄电池的荷电状态soc应满足上限、下限约束：
smin≤st≤smax(7)；
式中，smax表示蓄电池荷电状态上限，smin表示蓄电池荷电状态下限。
即，蓄电池的实时荷电状态，要大于等于蓄电池荷电状态下限，小于等于蓄电池荷电状态上限，不能超出蓄电池荷电能力的上下限限制。
经济性约束：
结合峰谷电价方案，经济性约束为：
式中，pl表示第l个时间间隔或时间段内峰谷电价的取值，规定家庭向电网售电电价取负，购电时电价取正。
下标i、j、k、l，在具体应用时，在同一种情况，表达同一个时间段或时间间隔。
结合约束条件，负荷及光伏发电功率预测未知情况下，主网与家庭光储系统电能交换的目标函数，即公式(4)，根据不同状况下的控制要求及每个时间间隔内光伏发电功率与负荷功率的实时关系，编辑计算程序，不采用优化算法，就能实现计算。
结合约束条件，在负荷及光伏发电功率预测已知情况下，主网与家庭光储系统电能交换的目标函数，即公式(5)，为约束条件下的极值规划问题，需要采用优化算法进行求解。
基于控制方法理论模型，采用matlab软件调用yalmip工具包编写优化计算程序。
考虑到本目标函数涉及的优化问题规模较小，分量少，选用分支界定法，通过验算其中的一部分组合变量情况，就能够快速地找到最优解。
首先，将代表储能系统在充电与放电情况下的二进制变量q(t)在0—1区间松弛化，转换为连续型；
其次，分别讨论在充电和放电二种情况下，系统与外电网间交换功率最小的问题，选择满足条件的变量q作为分支变量：
q(t)＝min{|q(t)-0.5|}，t＝1，2，…，n(9)；
最后，将上一步求解得到的最小值作为下限，分别讨论分支变量q置为0和1不同值时得到的2个松弛子问题，排除大于下限的情况；重复上述步骤直至得到全局最优的规划方案。
得到计算结果后，考虑峰谷电价对控制方法经济性的影响，根据家庭与电网间电能交换功率的正负，不同时间段内购电及售电电价表达式如式(4)、式(5)所示：
当pusel-pgenl-pbatl>0时，家庭购电，电价为：
plbuy＝pbuy(10)；
当pusel-pgenl-pbatl<0时，家庭售电，电价为：
plsell＝psell(11)；
即，某一时段的购电电价等于购电电价，或某一时段的售电电价与售电电价。
具体实施例二
本申请一实施例提供的一种主网与家庭光储系统功率交换的控制终端，该实施例的终端设备包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，例如优化计算程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现实施例1中控制步骤，例如图2所示的步骤：
示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本申请。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述一种主网与家庭光储系统功率交换的控制终端设备中的执行过程。例如，所述计算机程序可以被分割成：多个模块，各模块具体功能如下：
1.目标函数设定模块；
2.优化计算模块；
所述主网与家庭光储系统功率交换的控制终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述主网与家庭光储系统功率交换的控制终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，所述上述示例仅仅是主网与家庭光储系统功率交换的控制终端设备的示例，并不构成对主网与家庭光储系统功率交换的控制终端设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或组合某些部件，或不同的部件，例如所述主网与家庭光储系统功率交换的控制终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所述处理器可以是中央处理单元(centralprocessingunit，cpu),还可以是其他通用处理器、数据信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述一种主网与家庭光储系统功率交换的控制终端设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个一种主网与家庭光储系统功率交换的控制终端设备的各个部分。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述一种主网与家庭光储系统功率交换的控制终端设备的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(smartmediacard,smc)，安全数字(securedigital,sd)卡，闪存卡(flashcard)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
具体实施例三
所述一种主网与家庭光储系统功率交换的控制终端设备集成的模块/单元，如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
1.一种主网与家庭光储系统功率交换的控制方法，其特征在于：家庭光储系统包括家庭负荷、光伏发电、储能系统；根据家庭负荷功率、光伏发电功率，采用瞬时控制策略或预测储能控制策略，以光储系统与主网之间功率交换最小为目标，控制储能系统的充放电，建立电能交接量化模型及约束条件。
2.根据权利要求1所述主网与家庭储能系统功率交换的控制方法，其特征在于：储能系统经过n次充放电后，剩余电量的计算如下：
式中，ere表示某一时刻充放电完成后蓄电池内剩余电量；t表示调度周期内的某一时刻；δt表示时间间隔；k表示蓄电池充放电转化效率；e0表示调度周期内充放电初始时刻蓄电池储电量；st表示储能系统的荷电状态；pbatj表示第j个时段内电池充放电功率。
3.根据权利要求1所述主网与家庭储能系统功率交换的控制方法，其特征在于：将一个调度周期t均分为m个时间间隔，每个时间间隔为t1，设在每个时间间隔内家庭负荷功率、光伏发电功率、储能系统功率保持稳定，计算m个时间间隔内家庭光储系统与主网之间的电功率交换量。
4.根据权利要求3所述主网与家庭储能系统功率交换的控制方法，其特征在于：在家庭负荷功率、家庭光伏发电功率预测未知时，采用瞬时控制策略，储能系统只能由光伏发电提供充电，根据储能系统状态，以每个时间间隔t1内电功率交换量最小为目标，各时间间隔内运行策略相互独立，计算家庭光储系统与主网之间的电功率交换量。
5.根据权利要求3或4所述主网与家庭储能系统功率交换的控制方法，其特征在于：在家庭负荷功率与家庭光伏发电功率相均衡时，家庭光储系统与主网之间无电功率交换；在家庭负荷功率大于家庭光伏发电功率时，以储能系统放电为主，在储能系统功率不足时由主网输入；在家庭负荷功率小于家庭光伏发电功率时，以储能系统充电为主，在充电过盈时向主网输出。
6.根据权利要求3所述主网与家庭储能系统功率交换的控制方法，其特征在于：电能交换量化模型目标函数表达式如下：
minfi＝|pusei-pgeni-pbati|
式中，pusei表示第i个时间间隔内家庭平均用电负荷；pgeni表示第i个时间间隔内家庭平均发电功率；pbati表示第i个时间间隔内电池充放电功率；fi表示第i个时间间隔内家庭光储系统与主网之间的电功率交换量，i≤m。
7.根据权利要求1所述主网与家庭储能系统功率交换的控制方法，其特征在于：在家庭负荷功率、家庭光伏发电功率预测已知时，采用预测储能控制策略，考虑储能系统运行限制、峰谷电价政策，以一个调度周期t内电功率交换量最小为目标，调节储能系统的充放电功率。
8.根据权利要求7所述主网与家庭储能系统功率交换的控制方法，其特征在于：电能交接量化模型目标函数表达式如下：
式中，pusek表示时段k内家庭平均用电负荷；pgenk表示时段k内家庭平均发电功率；pbatk表示时段k内电池充放电功率；f表示一个调度周期内家庭光储系统与主网之间的电功率交换量总和。
9.根据权利要求6或8所述主网与家庭储能系统功率交换的控制方法，其特征在于：目标函数的约束条件包括：蓄电池约束、经济性约束；其中，蓄电池约束包括各时段内蓄电池充放电功率处于平均充放电功率的最小值与平均充放电功率的最大值之间，各时段内蓄电池的荷电状态要处于蓄电池荷电状态上限、蓄电池荷电状态下限之间；结合峰谷电价方案，经济性约束为：
式中，pl表示第l个时间间隔或时间段内峰谷电价的取值，规定家庭向电网售电电价取负，购电时电价取正。
10.根据权利要求8所述主网与家庭储能系统功率交换的控制方法，其特征在于：基于控制方法理论模型，采用分支界定法对目标函数进行优化求解：将代表储能系统在充电与放电情况下的二进制变量q(t)在0—1区间松弛化，转换为连续型；分别讨论在充电和放电二种情况下，系统与外电网间交换功率最小的问题，选择满足条件的变量q作为分支变量：
q(t)＝min{|q(t)-0.5|}，t＝1，2，…，n
将求解得到的最小值作为下限，分别讨论分支变量q置取值不同时得到的松弛子问题，排除大于下限的情况；重复上述步骤直至得到全局最优的规划方案。
技术总结