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具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
附图1为微电网系统能量管理方法流程图,如图1所示,包括以下步骤:
步骤1:建立包含热电联产系统、储热系统和同时具备电需求响应及热需求响应的
光伏用户的微电网结构;
步骤2:确定运营商和用户的电能交易模式;
步骤3:分别对热电联产系统、储热系统、电力负荷、供热负荷及热的不舒适度进行建模;
步骤4:确定系统目标函数、决策变量以及约束条件;
步骤5:建立微电网中由各成员构成的合作博弈及其效用函数;
步骤6:获取当前调度周期的光伏出力、电价、电力负荷及温度数据;
步骤7:对当前调度周期的优化问题进行集中求解,得到当前调度周期的各决策变量;
步骤8:更新时间到下一调度周期,返回步骤6,直到整个优化时间区间结束;
步骤9:根据Shapley值法对联盟中各成员进行收益分配。
进一步的,所述微电网的运营商管控热电联产微燃机组和储热装置,负责为微电网内的光伏用户提供热力供应,并与大电网或微电网中的光伏用户进行电能交易。每个用户具有不同的电力负荷特性,均具有一定比例的可控负荷,且均安装光伏发电装置。此外,每个用户对温度变化造成的舒适度变化敏感程度不同,均具备热的需求响应能力以及电的需求响应能力。由于该微电网结构具备高效的能量梯级利用的热电联供系统,并配置储热装置,因此热电联产系统可运行于“ 以热定电”模式或者“ 以电定热”模式。
进一步的,所述步骤2中确定运营商和用户的交易模式。运营商和光伏用户的电能交易模式分为合作模式与独立模式;所谓合作模式,即运营商和光伏用户形成联盟,通过优化调度使联盟总收益最大化。所谓独立模式,即光伏用户的电能只能与电网进行交易,热电联产系统产生的电能只能出售给电网。由于合作模式下的电力网络和供热网络相互集成和协调,可使得热电联产系统运营商和光伏用户均能受益,因此将用户和运营商的交易模式确定为合作模式。热电联产系统为光伏用户提供热力供应,剩余的热能由储热装置储存起来,在余下的调度时段内,用户的热负荷可由运营商产热或者储热装置放热来满足。
进一步的,所述步骤3中对热的不舒适度进行建模,由于用户对于室内温度的调节可等效为对热负荷的调节,因此对热的不舒适度进行建模,可等效为对不舒适成本进行建
模,即等效不舒适成本为:
式中:incn为用户n的等效不舒适度成本; 为用户n调节室内温度Tn时的等效热负荷;
为用户n调节室内温度为舒适温度Tset时的等效热负荷;αn为用户n的灵敏系数。
αn用于量化用户调整温度的意愿程度,对任意的αn(αn>0),αn值越大,表明用户对温度变化造成的不舒适更为敏感,做出调节温度的决策的意愿更小。
进一步的,所述步骤4中确定系统目标函数、决策变量以及约束条件,由于该微电网中用户的电能需求由光伏发电、热电联产系统发电来满足,不足的电能可向大电网购买,产生的多余电能可售给大电网。为降低总的运行成本,将系统目标函数定为最小化系统运行成本,该目标函数综合考虑了经济性与用户的舒适度,可通过调节温度来改变热负荷,因此将室内温度偏差造成的用户不舒适等效为不舒适成本。所述目标函数包含热电联产系统发电成本、与电网的交易成本和由室内温度偏差造成的用户不舒适度等效成本;所述决策变量包含用户的用电量、耗热量、与电网交易量、热电联产系统的产电量、产热量、与电网交易量和储热系统的充放热功率。所述约束条件包含电能平衡约束、热能平衡约束、储热装置的充放热功率限制及容量约束。在合作模式下对于包含运营商和N个用户组成的微电网,其优化问题可描述为:
其中,
式中:Ccoa为系统运行成本;Pb为大电网的购电电价;Ps为大电网的售电电价;xn为用户n的用电量;N为用户个数;PPV,n为用户n的光伏输出功率;Cchp(Pchp,Hchp)为热电联产系
统的发电成本,Pchp为热电联产系统的电输出功率;Hchp为热电联产系统的热输出功率; 为室内温度Tn的等效热负荷;
为室内舒适温度Tset的等效热负荷;
进一步的,所述步骤5中提及的微电网中的各成员构成的合作博弈及其效用函数,是基于合作博弈框架来研究联盟成员收益分配问题。合作博弈理论研究各成员达成合作时如何分配收益。将合作博弈定义为 其中,
是所有参与的用户和运营商的集合,v为效用函数。设集合
中的用户和运营商构成任意联盟 用
可表示联盟
的收益,则联盟
的效用函数v(M)可表示为:
式中,是独立模式下联盟
所有成员的总成本;
是合作模式下联盟
所有成员的总成本。
进一步的,所述步骤5中提及的合作博弈是超可加的。其证明过程如下:
成本函数可表示为:
式中,Ccoa为系统运行成本;Pb为大电网的购电电价;Ps为大电网的售电电价;xn为用户n的用电量;N为用户个数;PPV,n为用户n的光伏输出功率;Pchp为热电联产系统的电输出功率;
由于成本函数的第一项为购电成本,首先对第一项进行分析:
假设:
∑n∈Nxn-∑n∈NPPV,n-Pchp=NL (7)
式中,xn为用户n的用电量;PPV,n为用户n的光伏输出功率;Pchp为热电联产系统的电输出功率;NL为联盟中所有成员与电网的交易量;
显然,购电成本为凹函数。对联盟中任意两个集合
且
设{CHP}∈S,∑n∈Sxn-∑n∈SPPV,n-Pchp=SL,∑n∈Txn-∑n∈TPPV,n=TL(SL>TL)。
其中,xn为用户n的用电量;PPV,n为用户n的光伏输出功率;Pchp为热电联产系统的电输出功率;SL为联盟S中所有成员与电网的交易量;TL为联盟T中所有成员与电网的交易量;
1)若SL>TL>0或TL
C(SL+TL)=C(SL)+C(TL) (8)
即:C(S)+C(T)=C(S∪T) (9)
2)若SL>0>TL
由于购电成本为凹函数,因此有:
由于购电成本为分段线性函数,因此上式可等价于:
因此:
C(SL+TL)
即:
C(S∪T)
综上:
C(S)+C(T)≥C(S∪T) (14)
购电成本的第二项为线性函数,第三项为分段线性函数,同样满足超可加的条件。因此本发明提出的合作博弈是超可加的。由于该合作博弈是超可加的,因此结成大联盟有利于最小化总体成本。即在合作模型下运营商和用户的成本小于独立模式下各成员的成本。每个参与者在联盟中分摊的成本小于离开联盟单独承担的成本。因此可推出,用户更愿意参与到大联盟中。
进一步的,所述步骤5中提及的合作博弈为核非空且核中包含夏普利值的凸博弈。其证明过程如下:
对联盟中的任意两个集合 假设:∑n∈Uxn-∑n∈UPPV,n-PchpU=UL,∑n∈Vxn-∑n∈VPPV,n-PchpV=VL(UL>VL),∑n∈{U∪V}xn-∑n∈{U∪V}PPV,n-PchpW=WL,∑n∈{U∩V}xn-∑n∈{U∩V}
PPV,n-PchpZ=ZL。
其中,xn为用户n的用电量;PPV,n为用户n的光伏输出功率;PchpU为联盟U中CHP产生的电能;PchpV为联盟V中CHP产生的电能;PchpW为联盟W中CHP产生的电能,PchpZ为联盟Z中CHP
产生的电能;UL为联盟U中所有成员与电网的交易量,VL为联盟V中所有成员与电网的交易量;WL为联盟W中所有成员与电网的交易量;ZL为联盟Z中所有成员与电网的交易量;
(1)若UL>VL>0或UL
C(UL+VL-ZL)+C(ZL)=C(UL)+C(VL) (15)
C(WL)+C(ZL)=C(UL)+C(VL) (16)
即:
C(S)+C(T)=C(S∪T) (17)
(2)若UL>0>VL
由于购电成本为凹函数,因此:
由于购电成本为分段线性函数,因此可等价于:
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