微电网日前优化调度.docx

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微电网日前优化调度

报名序号：

0705

论文题目：

微电网日前优化调度

摘要

微电网优化调度是一种非线性、多模型、多目标的复杂系统优化问题。

传统电力系统的能量供需平衡是优化调度首先要解决的问题，对微电网进行优化调度能更好的实现经济利益最大化。

LabVIEW是一种程序开发环境，是一种用图标代替文本进行创建应用程序的图形化编程语言，采用数据流方式，程序框图结构，更直观的程序结构，与传统软件相比较更精确，运算速度更快。

为了研究微网日前优化调度问题，探究在不同供电方式下所产生不同的经济效益最大化，选取出最优的供电方式，得到一个最优解，我们以LabVIEW为基础，搭建模型，对于各种优化问题，对风电，光伏，蓄电池，负荷，电网当前供电量，系统与电网的功率限制，首先考虑在不同情况下的各种可能，税后进行风电+光伏的功率与负荷进行比较等数据判断，并与电网的功率限制进行比较，或者加上考虑电池的影响下判断是否存在进行强制放电与强制充电时间段，并进行逻辑运算与判断，优先做出特殊处理，再去考虑通常状态下负荷的供电的来源，依次分类考虑，在不同情况下，风电，电网，蓄电池的不同条件限定和不同时间时大小的比较，在不同时间段的价格，再算出电网单位时间的供电量，判断并调控如何整体的运行或调整微电网和电网的交换方案和方式，再进行具体规划，在不同情况下，具体到每个值，在一定的逻辑和反复的比较下，得到一个整体时间的最优解，即为微电网日前优化调度。

关键词：

LABVIEW；最优解；微电网；逻辑算法；

一、问题重述

面对不断增长的电能需求以及化石能源的短缺，开发新型可持续发展的可再生能源成为迫切需求。

以风力发电、太阳能发电等为代表的环境友好型的电能生产技术不断成熟。

可再生能源根据其接入电力系统方式的不同，分为大规模集中接入和分布式接入，分布式接入主要应用于微电网。

根据XX百科，微电网（Micro-Grid）也译为微网，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。

如何妥善管理微电网内部分布式电源和储能的运行，实现微电网经济、技术、环境效益的最大化成为重要的研究课题。

图1示意了一个含有风机、光伏、蓄电池以及常规负荷的微电网系统。

日前经济调度问题是指在对风机出力、光伏出力、常规负荷进行日前（未来

24小时）预测基础上，考虑电网侧的分时电价，充分利用微网中的蓄电池等可调控手段，使微电网运行的经济性最优。

图1微网系统结构

微电网系统在满足各电源运行约束和负荷需求基础上，可对系统未来24小时的出力调控进行优化，以实现经济性最优。

系统的总成本包含风机与光伏的发电成本、蓄电池的成本，以及并网运行下微电网系统与外部电网之间的电能交换成本。

本题假设负荷预测、风机和光伏未来出力已完全准确，具体数据示于附表1。

对于蓄电池，为防止蓄电池过充和过放的发生，蓄电池的荷电状态（SOC,

State-of-Charge，即电池剩余电量与电池容量的比值）应满足上、下限值约束。

Smin≤St≤Smax

（1）

式中，St、Smin、Smax分别为蓄电池t时段的SOC状态及其上、下限值。

即当SOC到达电池最大值（Smax＝0.95）时，电池停止充电；当SOC到达最小值（Smin

＝0.3）时，电池停止放电。

在单位时间间隔Δt内，蓄电池的充、放电功率均恒定，SOC数值变化由下式决定：

St=S0

∑Pcha,tXt∆t-∑Pdis,tYt∆t

+t=1t=1

（2）

式中，S0为蓄电池的初始SOC状态；Pcha,t和Pdis,t分别为蓄电池在第t个时段的充电和放电功率；Xt和Yt分别为蓄电池的充电状态和放电状态，其中Xt∈{0,1}，Yt∈{0,1}；∆t为单位时间间隔，T为时段总数。

考虑到在同一时间间隔∆t内，蓄电池不能同时处于充电和放电状态，因此蓄电池的充放电状态需要满足以下约束：

Xt∙Yt=0

（3）

蓄电池在参与系统的运行优化过程中，其能量状态需满足在调度周期始末相等的约束：

（4）

同时，考虑到蓄电池充放电功率大小与电池的寿命有关，单位时间内充放电最大功率为蓄电池组额度容量的20%，即

（5）

式中，Eb为电池容量。

在一个调度周期内，蓄电池的充放电次数以及放电深度都会对电池寿命造成影响，放电深度可以由式（5）进行约束，充放电次数需满足：

式中，N1和N2分别为蓄电池充电和放电的次数限制值。

题目参数设置

1）计算要求：

计算时间为24小时，时间间隔为15min。

2）风机的装机容量250kW，发电成本0.52元/kWh。

3）光伏的装机容量150kW，发电成本0.75元/kWh。

4）假设不计蓄电池损耗，蓄电池额定容量为300kWh，电池SOC运行范围为[0.3,0.95]，初始SOC值为0.4，由充电至放电成本为0.2元/kWh，每天的充放电次数限制均为8次。

5）售电及购电电价：

售电及购电电价如表1所示。

表1售电及购电电价

时段

00~7:

00~10:

10:

00~15:

15:

00~18:

18:

00~21:

21:

00~0:

售电电价

（元/kWh）

0.22

0.42

0.65

0.42

0.65

0.42

购电电价

（元/kWh）

0.25

0.53

0.82

0.53

0.82

0.53

题目计算要求

1）经济性评估方案：

若微网中蓄电池不作用，且微网与电网交换功率无约束，在无可再生能源和

可再生能源全额利用两种情况下，分别计算各时段负荷的供电构成（kW）、全天总供电费用（元）和负荷平均购电单价（元/kWh）。

2）最优日前调度方案一：

若不计蓄电池作用，且微网与电网交换功率无约束，以平均负荷供电单价最

小为目标（允许弃风弃光），分别计算各时段负荷的供电构成（kW）、全天总供电费用（元）和平均购电单价（元/kWh），分析可再生能源的利用情况。

3）最优日前调度方案二：

若考虑蓄电池作用，且微网与电网允许交换功率不超过150kW，在可再生

能源全额利用的条件下，以负荷平均供电单价最小为目标，建立优化模型，给出最优调度方案，包括各时段负荷的供电构成（kW）、全天总供电费用（元）和平均

购电单价（元/kWh），分析蓄电池参与调节后产生的影响。

4）最优日前调度方案三：

若考虑蓄电池作用，且微网与电网允许交换功率不超过150kW，以负荷供

电成本最小为目标（允许弃风弃光），建立优化模型，给出最优调度方案，包括各时段负荷的供电构成（kW）、全天总供电费用（元）和平均购电单价（元/kWh），分析可再生能源的利用情况以及蓄电池参与调节后产生的影响。

请将上述四问的计算过程结果和最终结果分别填写于附表2和附表3中。

5）微网中涉及多个利益主体，如用户、电网、可再生能源和蓄电池，利益诉求具有一定的冲突，根据你的了解，在不使任一主体的利益严重受损前提下，试制定科学合理的策略，使得综合效益达到最优。

6）通过上述问题的求解，你对微电网日前优化调度有何认识？

阐明你的观点和依据。

二、问题分析

1）问题背景

微电网是一种新型的网络结构，是通过本地分布式微型电源或中、小型传统发电方式的优化配置，向附近负荷提供电能的特殊电网。

由一组微电源、负荷、储能系统和控制装置构成的系统单元，可实现对负荷多种能源形式的高可靠供给，充分满足用户对电能质量和供电安全要求。

微电网中的电源多为容量较小的分布式电源，即含有电力电子接口的小型机组，包括微型燃气轮机、燃料电池、光伏电池、小型风力发电机组以及超级电容、飞轮及蓄电池等储能装置，它们接在用户侧，具有成本低、电压低及污染低等特点。

开发和延伸微电网能够促进分布式电源与可再生能源的大规模接入，实现微电的并网运行或独立自治运行,微电网对外表现为一个整体单元，并且可以平滑并入主网运行,使传统电网向智能网络的过渡

2）问题分析

微电网优化调度是一种非线性、多模型、多目标的复杂系统优化问题。

传统电力系统的能量供需平衡是优化调度首先要解决的问题。

微电网作为一种新型的电力系统网络也是如此。

微电网能量平衡的基本任务是指在一定的控制策略下，使微电网中的各分布式电源及储能装置的输出功率满足微电网的负荷需求，保证微电网的安全稳定，实现微电网的经济优化运行。

题目一：

不计蓄电池作用就是忽略题目所给蓄电池的参数，可以认为在本题中切除蓄电池，然后再对有无可再生能源进行分析。

若无可再生能源，则负荷供电全部由主电网给予，则负荷全天的用电总量即主电网送电总量，所以全天的总供电费用就是购电的总费用。

若有可再生能源，且可再生能源全额利用，这是我们应该考虑微电网发的电能否满足负荷，若满足负荷，微电网就可以不用购电，并且还能把多余的电量售出去，所以全天的供电费用=微电网发电成本+购电费用-售电费用。

题目二：

不计蓄电池作用，忽略蓄电池相关条件，且不考虑电网交换功率，以供电单价最小建立目标函数，但允许弃光弃电，我们就需要考虑风电、光电成本是否大于购电单价，大于则考虑放弃风电或光电。

同时还要考虑风电或光电在工作时，能否满足负荷要求需不需要向主电网购电。

题目三：

蓄电池介入，则蓄电池相关约束条件要运用，并且微网与电网有交换功率需考虑。

可再生能源是有就要用，这时我们就要充分考虑充放电的成本，何时充电，是从微网充电还是从电网购电；何时放电，蓄电池的电是给负荷还是卖给电网。

以供电单价最小为目标。

题目四：

就是在蓄电池介入影响中，满足微网与电网交换功率下，通过发电成本价格与购电价格的比较，考虑要放弃谁，还是不放弃。

同时做好蓄电池的电量调度，以供电单价最小为目标建立模型函数。

题目五：

是对前面四种情况的综合分析，多方面考虑，得出科学合理的策略，使综合效益达到最优。

3、模型建立

1）建模软件介绍

什么是LabVIEW

LabVIEW（LaboratoryVirtualinstrumentEngineeringWorkbench）是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：

其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。

LabVIEW软件是NI设计平台的核心，也是开发测量或控制系统的理想选择。

LabVIEW开发环境集成了工程师和科学家快速构建各种应用所需的所有工具，旨在帮助工程师和科学家解决问题、提高生产力和不断创新。

LabVIEW是一种用图标代替文本进行创建应用程序的图形化编程语言。

传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而LabVIEW则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。

VI指虚拟仪器，是LabVIEW的程序模块。

LabVIEW 提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。

用户界面在LabVIEW中被称为前面板。

使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。

这就是图形化源代码，又称G代码。

LabVIEW的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图代码。

LabVIEW 是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。

LabVIEW 集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。

它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。

这是一个功能强大且灵活的软件。

利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。

图形化的程序语言，又称为“G”语言。

使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。

它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。

它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。

使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。

应用领域

测试测量：

LABVIEW最初就是为测试测量而设计的，因而测试测量也就是现在LABVIEW最广泛的应用领域。

经过多年的发展，LABVIEW在测试测量领域获得了广泛的承认。

至今，大多数主流的测试仪器、数据采集设备都拥有专门的LabVIEW驱动程序，使用LabVIEW可以非常便捷的控制这些硬件设备。

同时，用户也可以十分方便地找到各种适用于测试测量领域的LabVIEW工具包。

这些工具包几乎覆盖了用户所需的所有功能，用户在这些工具包的基础上再开发程序就容易多了。

有时甚至于只需简单地调用几个工具包中的函数，就可以组成一个完整的测试测量应用程序。

控制：

控制与测试是两个相关度非常高的领域，从测试领域起家的LabVIEW自然而然地首先拓展至控制领域。

LabVIEW拥有专门用于控制领域的模----LabVIEWDSC。

除此之外，工业控制领域常用的设备、数据线等通常也都带有相应的LabVIEW驱动程序。

使用LabVIEW可以非常方便的编制各种控制程序。

仿真：

LabVIEW包含了多种多样的数学运算函数，特别适合进行模拟、仿真、原型设计等工作。

在设计机电设备之前，可以先在计算机上用LabVIEW搭建仿真原型，验证设计的合理性，找到潜在的问题。

在高等教育领域，有时如果使用LabVIEW进行软件模拟，就可以达到同样的效果，使学生不致失去实践的机会。

儿童教育：

由于图形外观漂亮且容易吸引儿童的注意力，同时图形比文本更容易被儿童接受和理解，所以LabVIEW非常受少年儿童的欢迎。

对于没有任何计算机知识的儿童而言，可以把LabVIEW理解成是一种特殊的“积木”：

把不同的原件搭在一起，就可以实现自己所需的功能。

著名的可编程玩具“乐高积木”使用的就是LabVIEW编程语言。

儿童经过短暂的指导就可以利用乐高积木提供的积木搭建成各种车辆模型、机器人等，再使用LabVIEW编写控制其运动和行为的程序。

除了应用于玩具，LabVIEW还有专门用于中小学生教学使用的版本。

快速开发：

根据笔者参与的一些项目统计，完成一个功能类似的大型应用软件，熟练的LabVIEW程序员所需的开发时间，大概只是熟练的C程序员所需时间的1/5左右。

所以，如果项目开发时间紧张，应该优先考虑使用LabVIEW，以缩短开发时间。

跨平台：

如果同一个程序需要运行于多个硬件设备之上，也可以优先考虑使用LabVIEW。

LabVIEW具有良好的平台一致性。

LabVIEW的代码不需任何修改就可以运行在常见的三大台式机操作系统上：

Windows、MacOS及Linux。

除此之外，LabVIEW还支持各种实时操作系统和嵌入式设备，比如常见的PDA、FPGA以及运行VxWorks和PharLap系统的RT设备。

与传统建模方式相比,使用LABVIEW建模所产生的数据精度比MATLAB高，同时编程方式更加的灵活，编程开发者不必拘泥与固定的算法，处理不同的问题可以进行针对性较强的分析，而传统的建模方式不仅数据处理速度慢，而且误差会相对较高，在GUI方面LABVIEW不仅更加美观同时能够将所有数据显示在同一个界面上，对数据进行实时监控，与此同时能即时改变输入量，根据要求进行适当的调整。

它是以数据流方式来实现目的，因此它可以更快、更准确建立逻辑关系，在程序错误时可以更容易找到错误。

2）问题求解

运用LabVIEW建立数据库,数据库程序如图所示

该数据库里包含题目所给附录1表中所有内容。

该数据库是一个内部储存固定的数据，用户不能更改数据，但是可以根据需求开放数据终端，让用户自己输入数据，然后进行数据优化计算

经济性评估

蓄电池不作用，在无可再生能源的情况下，其供电全部由主电网提供

算法编程为:

用户全天的供电费用就是负荷所需电量乘以购电单间就能输出供电费用

蓄电池不作用，可再生能源全额利用的情况下，微电网发电的功率需要与负荷功率相比较，如果能满足负荷要求则不需要向主电网购电。

其发电成本算法编程如下:

该程序中加入了比较判断环节，满足条件则为真，算法运行。

当然，在微电网全额发电下，可能有发电功率超过负荷的需求时间，这段时间微电网就可以卖电了。

卖电与成本的数据计算编程如下:

如果微电网发电功率不能满足负荷要求，则需要向电网购电,这段时间就需要负荷提供成本和购电的费用，其算法编程为：

然后逻辑整合，并对数据库进行调用，运行程序即可以通过前面板显示数据

各时段的供电构成可以通过前面版的颜色指示可反映当时的供电构成。

根据界面显示可知无可再生能源时，全天向主电网购电，总供电费用为1976.41元，平均购电单价为0.597578元/kWh。

在有可再生能源的情况下，各时段的供电构成表格见附录。

程序计算结果为全天总供电费用为2275.17元，平均购电单价为0.687908元/kWh.

最优日前调度方案一

从题目所给参数可知，不考虑蓄电池作用，当风电发电成本小于购电电价，可以放弃风电，同理光电发电成本低于购电电价时，可以放弃光伏发电。

不能满足负荷需求是可以向主电网购电，微电网的发电成本小于购电单价是且能满足用户要求时，只考虑微电网发电；但不能满足负荷时还得购电。

通过以上分析可以分为五种供电构成由主电网、风机、主电网和风机、风机和光伏、主电网，风机和光伏。

然后可以根据购电单价对其进行分段，然后在各段中确定供电组成，编写计算算法程序。

分段程序如下所示

该程序通过条件结构嵌套使用，分层对当前的电价进行判断，分为0、1、2三段。

然后通过语句跳转到如下程序

此程序此状态是风机、光伏供电时费用的算法之一，先判断微电网发电功率能否满足负荷需求，再判断风机发电够不够负荷运行需求，能满足负荷的需求，就把风机多余的发电量卖给电网，以达到经济利用最大化，此运行结果与其它状态（见附录）的结果经过逻辑整合，最终前面版显示结果如图

所以全天总供电费用为1778.78元，平均购电单价为0.537823元/kWh.各时段的供电状态可以看指示灯，也可以下拉数组显示全部动态。

具体各时段的分布构成见附录。

最优日前调度方案二

蓄电池现在可能工作，且微电网与主电网之间的功率交换不得超过150kW，可再生能源全额利用，对负荷平均供电单价进行优化。

需要考虑充电成本，电池的充放电相当于在成本或购电单价上加了0.2元/kWh.

购价成本价

0.25

0.53

0.82

0.95

0.72

0.45

0.73

1.02

售价成本价

0.25

0.53

0.82

0.95

0.72

0.45

0.73

1.02

根据这两张表可以可以看出蓄电池的最优工作时间，然而微网的不可再生能源发电是全额利用，如果微网加上电网满足不了负荷要求，还差多余150kw的功率，这就要考虑蓄电池的强制放电，如果微网发电量大于给负荷和电网还多150kw的功率，其判断程序如下

然后根据程序给出的强制充放电时间段，确定次优解，在对电池隔段时间的经济损耗进行比较得出最优解。

再对目标进行逻辑编程实现目标最优求解

其运行结果为下图所示

负荷供电构成见附录表中，全天总供电费用为1779.24元，则平均供电单价为0.6392969元/kWh。

④最优日前调度方案三

蓄电池的工作状态可以根据题目三表中的数据确定蓄电池的最优运行时间，然后用题目二中方法，对价格比较来判断是否弃光或弃风。

然后再结合蓄电池的工作时间来求次优解，然后再分段对经济损耗进行比较求出最优解，其编程如下

在计算过程中也要考虑微网发电能否满足负荷需求或是否超出负荷要求，其编程判断为

在此程序中也对每个时段的总体用电成本做出来计算，然后在与前面的逻辑关联处理就可以通过程序处理得出目标所需值。

有此可读出全天总供电费用为1720.56元，平均购电单价为0.5190元/kWh。

⑤综合分析

微电网涉及到多个利益主体，通过上面几种方案的编程分析可知，但从负荷供电单价最小为目标，最优调度方案三的负荷平均购电单价最优，约为0.5190元/kWh,但是在此方案中电池的充放电过程不仅有充放电损耗，而且充放电次数与充放电的深度密切影响着电池的使用寿命，并且这一天中对风机和光伏的舍弃与接入，与电网之间的开关损耗较大，开通和关断过程中的瞬时冲击电压或电流，会对微网发电机组形成冲击，造成发电机组加速损耗。

从负荷供电单价最小的次要调度方案是调度方案一，该方案与方案三比较，少了蓄电池的作用，少了蓄电池的损耗和成本，但是由于风电与生俱来就有不确定性，间歇性，光电也受光照强度影响，所以这就造成了微网不稳定和不可靠性降低，所这需要一个中间量进行调度，以保证微电网的稳定性和可靠性。

对于调度方案二，对可再生能源全额利用了，但是中间过程中有完全没考虑发电成本，不能体现高速发展社会的经济利益最大化。

所以我个人认为选用方案三，对于中间的开关合闸采取智能化控制措施，尽量减少人为操作。

对于储能装置的，要积极研究新型材料，努力在未来的做得更好。

四、对微电网的认识

传统的电力系统日益显出很多弊端，同时，全世界目前使用的绝大部分能源取自化石燃料，即煤炭、石油和天然气等非可再生资源。

燃烧化石燃料会产生诸如硫化物、氮氧化物、二氧化碳和粉尘等空气污染物，会带来很大的环境污染问题。

其中氮氧化物发持续生光化学反应会破坏臭氧层。

而且，硫化物和氮氧化物会加剧酸雨的形成，同时，随着二氧化碳排放量的上升，，温室效应使的全球性气候变暖的趋势愈演愈烈，成为自然生态系统需要面临的重大问题，给人类社会的生存和发展造成了一定的威胁。

如果大气温度上升超过一定值，则可能导致气候突变，对自然环境和生态平衡造成不可逆转的破坏，给整个人类社会带来毁灭性的灾难。

能源危机和环境污染已成为当今世界所面对的两大主要社会问题，关系到人类社会的生存和发展。

为提高国家能源供应安全并应对气候的变化，当前世界各国都在积极寻求发展可替代能源，探索低碳化甚至是无碳化发展，以缓解能源危机，改善能源结构，进而实现资源和环境的协调发展以及社会的可持续发展。

可再生能源的大力发展已成为我国重点推动和鼓励的战略之一，可再生能源发电的利用对于环境保护，西部大开发，解决农村问题和生态建设问题等都能够起到至关重要的作用，同时也是调整全球能源结果的必要之路。

微电网在分布式发电技术的基础上，结合分布式电源、储能装置、控制装置以及热电负荷，以形成可以控制的热电联供装置，在此基础上，能够做到同时保证系统用户的用电负荷和热能需求。

微电网在电力系统中具有双角色：

首先，对于电力系统而言，微电网可以做为负荷，并且具有调度性；然而，对于用户而言，微电网作为一个可以定制的电源，可以满足多种多样的供电和供热需求。

微电网概念的提出，使得多种分布式电源能够在配电网中大规模接入，保证了分布式发电在中低压配电网络中的适用性，具有以下三个反面的优点

针对微电网和大电网的公共连接点制定了并网标准，由于并网标准与单个微电源无关，因此，微电网可以灵活的处理分布式电源的接入和退出，解决了分布式电源的大规模的接入问题。

微电网可以有效提高能源的利用效率，同时可以降低成本、缩短负荷和电源的距离，是系统的无功供应能力得到提高，

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