一種含有壓縮空氣儲能的獨立微網容量優(yōu)化配置方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種含有壓縮空氣儲能的獨立微網容量優(yōu)化配置方法。
【背景技術】
[0002] 微網能夠有效地將分布式電源、負荷和儲能系統(tǒng)融合成一體，是智能電網的重要 組成部分。獨立型微網脫離大電網，利用自身的分布式電源滿足負荷需求。當微網內存在 可再生能源時，通常需要配置儲能系統(tǒng)以解耦波動的能量供給和剛性的能量需求，提高系 統(tǒng)的靈活性，保證系統(tǒng)可靠運行。壓縮空氣儲能（compressedairenergystorage,CAES) 通過將空氣壓縮進入儲氣空間存儲多余的電能，在需要時，將高壓空氣釋放通過膨脹機做 功發(fā)電。由于具有較長的壽命周期、快速的爬坡速度和較短的啟動時間，可以實現(xiàn)大容量和 長時間的電能存儲，壓縮空氣儲能成為微網儲能系統(tǒng)中一種新的選擇。
[0003]目前，關于壓縮空氣儲能系統(tǒng)的研究包括：基于能量和功率等物理量建立壓縮空 氣儲能簡化模型，研究壓縮空氣儲能與可再生能源耦合系統(tǒng)的規(guī)劃與運行問題；基于壓縮 空氣儲能工作的熱力學過程建立詳細的熱力學模型以對單元級的儲能系統(tǒng)進行優(yōu)化。對于 系統(tǒng)層級的微網規(guī)劃，如何建立兼顧壓縮空氣儲能熱力學特性與微網運行分析適用性的壓 縮空氣儲能模型是一個值得研究的問題。
[0004] 微網容量規(guī)劃設計階段，需要考慮建成以后的運行問題。目前的研究多基于一種 或幾種既定的控制策略決定獨立微網的運行方式。此類控制策略人為指定了一系列運行準 貝1J，未考慮調度的前瞻性，即未考慮以后時刻的調度對當前調度的影響，由此確定的運行方 式會陷入次優(yōu)，因而容量配置結果具有一定局限性。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種含有壓縮空氣儲能的獨立微網容量優(yōu)化配 置方法，本方法基于雙層決策理論，將微網規(guī)劃與運行兩個不同時間尺度的問題分層求解， 充分計及了微網運行對規(guī)劃的影響。與基于既定控制策略的容量計算方法相比，本發(fā)明能 夠得到更為經濟環(huán)保的微網容量配置方案。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：
[0007] -種含有壓縮空氣儲能的獨立微網容量優(yōu)化配置方法，包括以下步驟：
[0008] (1)基于壓縮機、膨脹機功率表征其儲能、釋能功率和儲氣空間內儲存氣體質量表 征能量大小，建立壓縮空氣儲能模型，得到儲能功率和能量兩個層面的數學關系；
[0009] (2)根據壓縮空氣儲能模型及其他分布式電源的數學模型，建立微網容量優(yōu)化上 層模型，求解微網最優(yōu)容量配置問題；
[0010]⑶建立微網運行優(yōu)化下層模型，以功率平衡、分布式電源出力、柴油機啟動標志、 柴油機爬坡速率、微網旋轉備用和壓縮空氣儲能系統(tǒng)為約束條件，求解確定容量下微網最 優(yōu)運行方式；
[0011] (4)利用遺傳算法求解上層整數規(guī)劃問題，利用混合整數線性規(guī)劃求解器求解下 層混合整數線性規(guī)劃問題，將上下層模型進行迭代計算，得到滿足收斂條件的微網最優(yōu)容 量配置結果。
[0012] 所述步驟（1)中，具體方法包括：
[0013] (1-1)壓縮空氣儲能系統(tǒng)儲能過程中，表達壓縮氣體流量與消耗的電功率的關 系；
[0014] (1-2)表達壓縮空氣儲能系統(tǒng)釋能過程中膨脹機的進氣流量與發(fā)電功率的關系；
[0015] (1-3)將氣體流入和流出儲氣空間的過程視為等溫過程，忽略儲氣空間與環(huán)境的 熱交換，得到儲氣空間中剩余氣體的質量比例的取值范圍。
[0016] 所述步驟（2)中，容量優(yōu)化上層模型的目標函數為日均設備投資成本與微網在典 型日的可變成本的平均值之和。
[0017] 所述步驟⑵中，具有約束條件，具體為光伏、風機、柴油機和儲氣罐數量均大于 等于〇,小于等于對應的最大值。
[0018] 所述步驟（3)中，優(yōu)化上層模型具體為典型日微網運行成本和環(huán)境治理成本之 和。
[0019] 所述步驟（3)中，功率平衡約束條件為：對于任意時刻，負荷的大小均等于柴油 機、風電機組、光伏組件和膨脹機功率之和再減去壓縮機功率得到的差值。
[0020] 所述步驟⑶中，分布式電源出力約束條件為：對于任意時刻，風電機組的實際輸 出功率均大于等于〇,小于等于風電機組的預測出力與對應電源啟停狀態(tài)的乘積，同時，光 伏組件的實際輸出均大于等于〇,小于等于，小于等于功率光伏組件預測出力與對應電源啟 停狀態(tài)的乘積。
[0021] 所述步驟（3)中，柴油機啟動標志的約束條件為，當柴油機初始條件小于0,初始 時刻，柴油機啟動標志為柴油機電源啟停狀態(tài)，之后，柴油機啟動標志大于等于當時柴油機 電源啟停狀態(tài)與前一時刻柴油機電源啟停狀態(tài)的差值；
[0022] 柴油機爬坡速率約束條件為：對于任意時刻，某時刻的柴油機爬坡速率與前一時 刻的柴油機爬坡速率之差小于等于柴油機上升速率與時間差的乘積，同時，大于等于柴油 機的出力下降與時間差的乘積；
[0023] 柴油機旋轉備用大小約束條件為：對于任意時刻，柴油機旋轉備用小于等于柴油 機電源啟停狀態(tài)、通過增加發(fā)電單元出力提供旋轉備用的允許時間和柴油機上升速率的乘 積。
[0024] 所述步驟（3)中，微網旋轉備用約束：所有柴油機旋轉備用容量與壓縮空氣儲能 提供的旋轉備用之和大于等于負荷大小與負荷不確定性的乘積、平均絕對百分誤差與風機 預測出力的乘積、均方根誤差與光伏組件預測出力的乘積和最大機組容量之和。
[0025] 所述步驟（3)中，壓縮空氣儲能系統(tǒng)約束包括壓縮空氣儲能出力上下限約束、壓 縮空氣儲能旋轉備用量約束和壓縮空氣儲能連續(xù)運行約束。
[0026] 所述步驟⑷中，具體包括：
[0027] (4-1)算法初始化，輸入典型日負荷及氣象數據；
[0028] (4-2)對上層優(yōu)化的決策變量進行編碼，隨機生成N個初始個體，每個個體代表一 種微網容量配置；
[0029] (4-3)對種群內的個體進行下層優(yōu)化：每個典型日分為24個時段，對Ndf典型日 分別尋優(yōu)，若下層優(yōu)化無可行解，則剔除該個體，并重新產生個體作為補充，直到新個體存 在可行解為止；
[0030] (4-4)返回上層算法，利用下層優(yōu)化結果計算適應度函數值；
[0031] (4-5)判斷是否滿足終止條件，若是，則輸出計算結果；反之，進行步驟（4-6);
[0032] (4-6)對種群進行選擇、交叉、變異運算形成下一代種群，進行交叉和變異運算產 生新個體時，返回步驟（4-3)進行下層尋優(yōu)。
[0033] 本發(fā)明的有益效果為：
[0034] (1)本發(fā)明基于壓縮空氣儲能的工作過程，從功率和能量兩個角度出發(fā)，建立了適 用于微網規(guī)劃的壓縮空氣儲能模型，為壓縮空氣儲能接入微網的規(guī)劃與運行分析提供了一 種參考；
[0035] (2)本發(fā)明基于雙層決策理論，將微網規(guī)劃與運行兩個不同時間尺度的問題分層 求解，充分計及了微網運行對規(guī)劃的影響。與基于既定控制策略的容量計算方法相比，本發(fā) 明能夠得到更為經濟環(huán)保的微網容量配置方案；
[0036] (3)本發(fā)明考慮壓縮空氣儲能較快的響應速度，將其儲存的能量視為備用容量，減 少柴油機長時間運行于低載狀態(tài)的情況，大幅降低微網運行成本。
【附圖說明】
[0037] 圖1為本發(fā)明容量配置計算流程圖；
[0038] 圖2(a)為微網典型日每小時負荷曲線；
[0039] 圖2 (b)為微網典型日每小時風速數據；
[0040] 圖2 (c)微網典型日每小時光照數據；
[0041] 圖3為基于負荷跟蹤策略的傳統(tǒng)優(yōu)化方法下微網冬季工作日運行情況；
[0042] 圖4為基于硬充電策略的傳統(tǒng)優(yōu)化下微網冬季工作日運行情況；
[0043] 圖5為本發(fā)明雙層優(yōu)化下微網冬季工作日運行情況。
【具體實施方式】：
[0044] 下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0045] 如圖1所示，一種含有壓縮空氣儲能的獨立微網容量優(yōu)化配置方法，包括：
[0046] 步驟（1):基于壓縮空氣儲能工作過程，建立壓縮空氣儲能模型，得到儲能功率和 能量兩個層面的數學描述。
[0047] 步驟（2):基于壓縮空氣儲能模型及其他分布式電源的數學模型，建立微網容量 優(yōu)化上層模型，求解微網最優(yōu)容量配置問題；
[0048] 步驟（3):建立微網運行優(yōu)化下層模型，并結合上層優(yōu)化配置求解確定容量下微 網最優(yōu)運行方式；
[0049] 步驟（4):采用離散變量處理能力強、全局尋優(yōu)能力好的遺傳算法求解上層整數 規(guī)劃問題。采用混合整數線性規(guī)劃求解器Cplex求解