专利摘要
本发明公开了一种基于交直流混合配电网协调能量管控方法，在考虑多源并入的交直流混合配电网中搭建了局部和区域双层调度模型。首先，在局部调度层，考虑可再生分布式能源和储能设备进行联合出力，保证对负荷的平稳供给，将优化调度结果上传给区域调度层；然后，在区域调度层，对交流区域和直流区域各自进行独立优化，充分考虑各区域的自主运行特性，同时满足交直流混合配电网的运行约束条件，以交流区域和直流区域之间的交换功率为一致性变量，提出一种基于一致性理论的各区域自治能量协调管控方法，最终获得最优可行解。
权利要求
1.一种基于交直流混合配电网协调能量管控方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)模型构建：根据交直流混合配电网中不同区域结构构建交直流区域控制独立、策略关联的上下两层双层模型，即分为局部调度层和区域调度层；
(2)协调策略：局部调度层指在为交直流区域内部中可再生分布式能源和储能单元进行出力优化，局部调度层是面对大量的分布式电源，其自优化能力优先度要高于集中性的调度指令；在区域调度层，对交直流电网在边界传输的有功功率进行分解，对局部调度层的输入结果、区域调度层的可控分布式能源、上级电网购电和交直流互联的交换功率进行调度，各个区域之间建立通信网络，传递需要的协调信息；在各个区域进行优化时，引入一致性约束，达到交直流混合配电网最优能量管理；
所述步骤(1)的上层局部调度层，将可再生分布式能源和储能单元看成一个整体进行优化；加入ES单元进行削峰填谷，在负荷较小时ES单元进行充电，消纳系统过剩的RDG功率，在负荷较高时ES进行放电，联合RDG出力；局部调度优化的目标函数分为两部分：第一部分就是考虑RDG和ES的最大发电的收益，最大化可再生能源利用率；第二部分是减少可再生能源出力的波动，通过ES的作用减少RDG的出力波动，达到供电稳定；
所述局部调度层目标函数：
RDG出力约束：
储能单元充电功率约束：
储能单元放电约束：
同一时刻储能单元只能处于一种充、放电状态：
储能单元荷电状态守恒：
储能单元容量约束：
荷电状态允许误差约束：
式中，N
所述下层区域调度层，在局部调度优化结束后再从区域调度层层面对各个配电网进行优化调度；调度的对象：CDG发电；各配电网之间的交换功率；从上级电网购电；局部调度层得到的结果上传到区域调度层的功率；
设直流区域优化变量x，交流区域优化变量y，i表示每个交流区域，即建模选用一个直流系统连接三个交流系统，且直流区域和交流区域单独考虑；
根据KKT条件，分别建立优化函数；
所述区域调度层直流区域优化函数：
Minf(x)
s.t.g(x)≤0
h(x)＝0
所述区域调度层交流区域优化函数：
Minf(y
s.t.g(y
h(y
x、y作为优化的原始变量，原始变量在进行优化过程中一部分作为本区域优化变量，另一部分作为互联区域的优化变量；先将原始变量分为两类：局部变量和交换变量；对于这两个变量，将引起自身变化调度的变量和参与交换功率的变量分开来分析；
在将优化变量进行分解分开后，上述优化函数变为：
直流区域：
Minf(x',z
s.t.g(x',z
h(x',z
第i个交流区域：
Minf(y
s.t.g(y
h(y
式中，x′表示直流区域局部变量，y′
将交换变量进行处理，引入变量γ和θ，变量γ是从直流区域进行分析，作为直流区域的优化变量，变量θ从交流区域进行分析，作为交流区域的优化变量，使得交直流区域独立运算求解；上述两个变量在进行交流和直流区域优化时保持一致，引入变量c：c＝γ
在直流区域和交流区域引入罚函数π(x)
直流区域：
Minf(x',γ
s.t.g(x',γ
h(x',γ
第i个交流区域：
Minf(y
s.t.g(y
h(y
考虑目标优化函数和约束条件的情况下，使用增广拉格朗日罚函数通用形式如下式；
π(x)＝v
式中，π(γ,θ)＝γ-θ
将罚函数代入优化函数，建立如下的分布式调度模型：
直流区域：
s.t.g(x',γ
h(x',γ
第i个交流区域：
s.t.g(y
h(y
式中，t表示调度分为若干个时段中的每个时段，N
所述步骤(2)的协调策略，具体包括以下步骤：
对于整个交直流混合配电网在结构上采用局部调度和区域调度两层，在求解调度中，先进行局部调度层的优化求解，再进行区域调度层优化求解；
采用局部调度优化约束条件，随着负荷要求变化，可得到局部调度层的最佳出力功率P
区域调度层中，在基于一致性耦合关联的前提下，采用分布式优化调度对各直流区域、交流区域进行调度优化，双层循环迭代求解得到能量管控结果；
双层循环求解先从内层开始，在内层求解中，保持目标函数中的一致性约束罚函数权重系数不变，对于交直流混合配电网优化调度，从交流配电网区域到直流配电网区域再到交流配电网循环交替求解，达到内层循环收敛后，进行外层循环求解；在外层循环求解中，更新目标函数中一致性约束罚函数权重系数，再次循环到内层循环求解，直到外层循环收敛，结束流程，输出结果；
所述可再生分布式能源为风力发电及其储能单元；
所述双层循环迭代求解过程为：
步骤一、参数初始化；内层迭代次数K
步骤二、内层迭代；交流配电网优化，令
步骤三、内层迭代；直流配电网优化，令
步骤四、检查内层循环是否收敛；检查下式收敛判据是否满足，若收敛满足，则到步骤五，否则，令K
步骤五、检查外层是否收敛；若下式收敛条件满足，则输出结果，算法结束，否则，令K
步骤六、更新惩罚系数v，w；令K
说明书
技术领域
本发明属于交直流混合配电网能量管控技术领域，具体涉及一种基于交直流混合配电网协调能量管控方法。
背景技术
各种分布式能源的接入，使得传统配电网应对新时期下的情形面临着许多的新问题。现今主要存在的交流配电网适应于交流分布式电源接入，对于直流分布式电源和直流负荷的接入则需要加装电力电子装置进行交直流转换，既增加了成本又降低了效率。基于此，交直流混合配电网在考虑原有交流配电网的基础设施建设现状和直流配电网的发展而逐渐兴起，使得交直流负荷都更易于接入配电网。通过控制中心获取全局信息，可以采用集中式优化调度策略来实现主动配电网的最优协调，但由于实际的交直流混合配电系统中，交流网和直流网特性不同，处于不同的管辖范围，并且各个利益主体之间也很难实现全部信息准确的获取，而且交直流配电网中的数据又分布广泛，数量众多，随着网络规模增大，实现全局调度的难度大大增加，计算成本高，因此，分布式优化在能量管控方面具有更加广泛的实用性。可以利用馈线分段开关进行分区控制，利用多代理系统进行分层控制等，上述方法在配电系统中都得到了一定的应用，但是没有充分考虑交直流配电网灵活的网络拓扑结构及较高的电能质量和能源利用率等特点。也有学者使用单一的优化方法如鲁棒优化、机会约束规划、区间规划等，所述的分布式控制模式对于分布式电源的分散特性能够很好适应，但是存在的主要缺点是对于区域性的整体优化较差。
因此，现阶段需要提供一种基于交直流混合配电网协调能量管控方法。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于交直流混合配电网协调能量管控方法，用于解决现有技术中存在的技术问题，比如：利用馈线分段开关进行分区控制，利用多代理系统进行分层控制等，上述方法在配电系统中都得到了一定的应用，但是没有充分考虑交直流配电网灵活的网络拓扑结构及较高的电能质量和能源利用率等特点；也有学者使用单一的优化方法如鲁棒优化、机会约束规划、区间规划等，所述的分布式控制模式对于分布式电源的分散特性能够很好适应，但是存在的主要缺点是对于区域性的整体优化较差。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于交直流混合配电网协调能量管控方法，包括以下步骤：
(1)模型构建：根据交直流混合配电网中不同区域结构构建交直流区域控制独立、策略关联的上下两层双层模型，即分为局部调度层和区域调度层；
(2)协调策略：局部调度层指在为交直流区域内部中可再生分布式能源和储能单元进行出力优化，局部调度层是面对大量的分布式电源，其自优化能力优先度要高于集中性的调度指令；在区域调度层，对交直流电网在边界传输的有功功率进行分解，对局部调度层的输入结果、区域调度层的可控分布式能源、上级电网购电和交直流互联的交换功率进行调度，各个区域之间建立通信网络，传递需要的协调信息；在各个区域进行优化时，引入一致性约束，达到交直流混合配电网最优能量管理。
进一步的，所述步骤(1)的上层局部调度层，将可再生分布式能源和储能单元看成一个整体进行优化；加入ES单元进行削峰填谷，在负荷较小时ES单元进行充电，消纳系统过剩的RDG功率，在负荷较高时ES进行放电，联合RDG出力；局部调度优化的目标函数分为两部分：第一部分就是考虑RDG和ES的最大发电的收益，最大化可再生能源利用率；第二部分是减少可再生能源出力的波动，通过ES的作用减少RDG的出力波动，达到供电稳定；
所述局部调度层目标函数：
RDG出力约束：
储能单元充电功率约束：
储能单元放电约束：
同一时刻储能单元只能处于一种充、放电状态：
储能单元荷电状态守恒：
储能单元容量约束：
荷电状态允许误差约束：
式中，NT表示调度时段集合；t是优化时段；Δt是分段间隔，T是优化总时数；α，β表示目标函数权重系数；ρ(t)表示联合售电价格；P(t)表示联合出力； 和 分别表示第j个RDG发电功率和发电功率上限； 和 表示第j个ES单元的充电功率和最大充电功率； 和 表示第j个ES单元的放电功率和最大放电功率；ηc和ηd表示充放电效率；ε表示一个充放电周期结束，允许储能单元荷电状态变化范围。
进一步的，所述下层区域调度层，在局部调度优化结束后再从区域调度层层面对各个配电网进行优化调度；调度的对象：CDG发电；各配电网之间的交换功率；从上级电网购电；局部调度层得到的结果上传到区域调度层的功率；
设直流区域优化变量x，交流区域优化变量y，i表示每个交流区域，即建模选用一个直流系统连接三个交流系统，且直流区域和交流区域单独考虑；
根据KKT条件，分别建立优化函数；
所述区域调度层直流区域优化函数：
Minf(x)
s.t.g(x)≤0
h(x)＝0
所述区域调度层交流区域优化函数：
Minf(yi)
s.t.g(yi)≤0
h(yi)＝0
x、y作为优化的原始变量，原始变量在进行优化过程中一部分作为本区域优化变量，另一部分作为互联区域的优化变量；先将原始变量分为两类：局部变量和交换变量；对于这两个变量，将引起自身变化调度的变量和参与交换功率的变量分开来分析；
在将优化变量进行分解分开后，上述优化函数可以变为：
直流区域：
Minf(x',z1,z2,z3)
s.t.g(x',z1,z2,z3)≤0
h(x',z1,z2,z3)＝0
第i个交流区域：
Minf(yi',zi)
s.t.g(yi',zi)≤0
h(yi',zi)＝0
式中，x′表示直流区域局部变量，y′1,y′2,y′3分别表示交流区域1、2、3的局部变量，z1,z2,z3分别表示直流区域和交流区域1、2、3进行功率交互的交换变量。
进一步的，将交换变量进行处理，引入变量γ和θ，变量γ是从直流区域进行分析，作为直流区域的优化变量，变量θ从交流区域进行分析，作为交流区域的优化变量，使得交直流区域独立运算求解；上述两个变量在进行交流和直流区域优化时保持一致，引入变量c：c＝γi-θi＝0，使得γi＝θi。
在直流区域和交流区域引入罚函数π(x)
直流区域：
Minf(x',γ1,γ2,γ3)+π(x1,x2,x3)
s.t.g(x',γ1,γ2,γ3)≤0
h(x',γ1,γ2,γ3)＝0
第i个交流区域：
Minf(yi',θi)+π(xi)
s.t.g(yi',θi)≤0
h(yi',θi)＝0
考虑目标优化函数和约束条件的情况下，使用增广拉格朗日罚函数通用形式如下式；
π(x)＝vTx+w||x||2
式中，π(γ,θ)＝γ-θi＝0(i＝1，2，3)是一致性约束， 是拉格朗日乘子，w是罚参数，||·||2表示欧几里得范数；
将罚函数代入优化函数，建立如下的分布式调度模型：
直流区域：
s.t.g(x',γ1,t,γ2,t,γ3,t)≤0
h(x',γ1,t,γ2,t,γ3,t)＝0
第i个交流区域：
s.t.g(yi',θi,t)≤0
h(yi',θi,t)＝0
式中，t表示调度分为若干个时段中的每个时段，NT总的调度时长；其他参数含义与上文一致。
进一步的，所述步骤(2)的协调策略，具体包括以下步骤：
对于整个交直流混合配电网在结构上采用局部调度和区域调度两层，在求解调度中，先进行局部调度层的优化求解，再进行区域调度层优化求解；
采用局部调度优化约束条件，随着负荷要求变化，可得到局部调度层的最佳出力功率PG，将此功率传输到区域调度层进行调度，作为区域调度输入条件；
区域调度层中，在基于一致性耦合关联的前提下，采用分布式优化调度对各直流区域、交流区域进行调度优化，双层循环迭代求解得到能量管控结果；
双层循环求解先从内层开始，在内层求解中，保持目标函数中的一致性约束罚函数权重系数不变，对于交直流混合配电网优化调度，从交流配电网区域到直流配电网区域再到交流配电网循环交替求解，达到内层循环收敛后，进行外层循环求解；在外层循环求解中，更新目标函数中一致性约束罚函数权重系数，再次循环到内层循环求解，直到外层循环收敛，结束流程，输出结果。
进一步的，所述可再生分布式电源为风力发电及其储能单元。
进一步的，所述双层循环迭代求解过程为：
步骤一、参数初始化；内层迭代次数K1＝0，外层迭代次数K0＝0，设置 初值；
步骤二、内层迭代；交流配电网优化，令 对交流配电网模型进行优化求解，得到解
步骤三、内层迭代；直流配电网优化，令 对直流配电网模型进行优化求解，得到解
步骤四、检查内层循环是否收敛；检查下式收敛判据是否满足，若收敛满足，则到步骤五，否则，令K1＝K1+1，跳到步骤二；
步骤五、检查外层是否收敛；若下式收敛条件满足，则输出结果，算法结束，否则，令K0＝K0+1，跳转到步骤六；
步骤六、更新惩罚系数v，w；令K1＝0， 后跳到步骤二。
本发明的有益技术效果是：1)本发明提出交直流混合配电网的分布式调度优化策略，从而达到多种能源并入交直流配电网的能量协调管控，实现多源协同运行优化。
2)本发明方法能够最大化可再生能源利用率，同时通过储能单元的利用降低其出力波动对配电网影响。
3)基于一致性耦合思想构建交直流混合配电网能量管理体系，采用目标级联分析技术实现不同层级间交换功率求解。算法具有快速收敛特性，相比集中式，分布式优化既实现了不同调度层独立优化，又能够协调不同的发电资源，满足多类型自治主体的调度需求。
附图说明
图1为本发明一个实施例的流程图。
图2为本发明一个实施例的交直流混合配电网结构划分示意图。
图3为本发明一个实施例的交直流混合配电网分层协同优化示意图。
图4为本发明一个实施例的交直流混合配电网分解前系统示意图。
图5为本发明一个实施例的交直流混合配电网分解后系统示意图。
图6为本发明一个实施例的区域调度层分布式优化调度求解流程。
图7为本发明一个实施例的直流配电网局部调度层优化结果。
图8为本发明一个实施例的各交流配电网区域和直流配电网区域优化后交换功率示意图。
具体实施方式
下面结合本发明的附图1-8，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
参考图1，一种基于交直流混合配电网协调能量管控方法，该模型建立的双层调度模型在局部调度层对含储能系统的可再生分布式能源进行联合出力优化，在区域调度层对交直流配电网子问题构建为动态经济调度模型。
其中，如图2所示，局部调度层指在为交直流区域内部中可再生分布式能源和储能单元进行出力优化，不同于传统的分区控制，局部调度层主要是面对大量的分布式电源，其自优化能力优先度要高于集中性的调度指令。在区域调度层，对交直流电网在边界传输的有功功率进行分解，对局部调度层的输入结果、区域层的可控分布式能源、上级电网购电和交直流互联的交换功率进行调度，各个区域之间建立良好的通信网络，传递需要的协调信息。
其中，如图3所示，对于交直流配电网层面来说，局部调度层相当于一个可控单元，本文利用场景法处理风电不确定性，将交直流配电网间的互动调度构建为一个随机双层优化模型，局部调度层最大化可再生能源利用率同时平移自身的出力波动对各种发电资源进行决策。
参考图4、图5，将交直流配电网区域进行解耦。在局部调度层，主要考虑RDG的最大发电水平；在区域调度层中，主要考虑能够获得最大的经济收益。从而需要考虑的是发电成本和购电成本的控制。局部调度层中可再生分布式能源和储能单元集合看成整体联合出力，得到输出功率记为PG，PG在区域调度层调度过程中，作为输入条件，则不需要考虑在区域调度优化函数中作为变量；CDG是可控分布式能源供电；上级电网表示从上级输电网进行购电来补充配电网层面发电缺额。
对于交直流区域成本目标函数如下：
直流区域：
第i个交流区域：
式中，上标AC，DC表示是属于交流配网或直流配网参数。CDG发电成本表示为: (设有N个CDG，i表示其中第i个CDG的出力情况)；
交换功率假设从直流向交流区域为正方向，P+表示功率从直流区域流向交流区域，P-表示功率从交流区域流向直流区域(当交换功率表现是正方向时，即从直流区域到交流区域，此时直流区域看成虚拟发电厂，交流区域看成虚拟负荷)；δbuy表示买电单价，δsell表示卖电单价，δgrid表示从上级电网买电单价；x表示直流区域向与之相连的第x个交流区域买电或卖电；式中其他参数表达含义与之前一致。通过上述目标函数可以进一步确定交换变量：
在进行区域层调度时，系统在进行优化调度的同时必须满足一定的约束条件，这些约束条件包括:
互联系统中的功率平衡：
Pout＝Pin,Qout＝Qout
直流配电网功率方程：
Pi,t＝Ii,t·Ui,t
交直流电压幅值约束：
各发电单元出力约束：
PiMin≤Pi,t≤PiMax
储能单元容量约束：
CDG出力约束：
PiCDG,Min≤PiCDG≤PiCDG,Max
购电约束：
换流站VSC的容量约束:
载流量约束:
基波相电压幅值约束：
在本发明的一个实施例中，以24小时调度对本发明构建的交直流混合配电网进行算例模拟，验证所提出的分布式优化调度策略的有效性。对于局部调度层中的RDG设为风力发电机，通过对24小时的风力大小进行预测，再根据公式计算得到风机叶片转速，由风电机的发电机出力特性公式求得发电功率。对于RDG和ES联合售电价格根据夜间属于用低谷期、日间属于用电高峰期的特点制定电价如表1。
表1 RDG和ES联合出力售电电价
目标函数的权重系数指设定为α＝1，β＝0.001。
在本发明的一个实施例中，先进行局部调度层的优化调度，以直流区域内的局部调度层进行优化为例进行说明，优化调度结果如图7所示，为充分利用可再生能源发电，使得风电机组按照最大出力进行发电。充分发挥ES单元对风力发电的调节能力，使得在负荷高峰期时储能单元和风电机组同时对负荷进行供电，在负荷低谷时储能单元能够对风电机组所发电能进行存储充电。这样既满足了用户需求，也得到了最大经济效益，而且储能单元的使用也平抑了RDG出力的大幅度波动，系统整体出力表现较平滑，提高了供电稳定性。
参考图6，图6为区域调度层分布式优化调度求解流程；在进行交直流配电网之间的区域调度优化时，假设可控分布式电源是微型燃气轮机，在交流和直流区域各个CDG的发电费用如表2所示。
表2各配电网区域CDG发电费用
直流区域和交流区域之间购电和输电费用如表3所示。
表3各配电网区域购电电价
采用目标级联分析法进行迭代求解，验证求解交直流配电网双层协调模型中的适用性。在进行算法求解过程中，随着循环的进行，不断的更新权重系数和交换变量值，一致性约束渐渐显示其作用，这是由于分布式优化的逐渐收敛，使得交换变量优化结果逐渐收敛于交流区域和直流区域中的交换功率。设定共享变量初值 一致性约束罚函数系数v＝0，权重初值 其中， β为增速，本文中取2。同时，收敛判据设为ε1＝0.01,ε2＝0.1。
通过将分布式优化和集中式优化结果进行对比说明本文所提方法的有效性和正确性。在表4中，CT,CA,Cbuy,CD,Csell,Ctotal分别表示向上级电网购电成本、交流配电网发电成本、购电成本、直流配电网发电成本、售电成本、总成本。
通过对集中式和分布式优化计算结果可以看出，两种模式下总成本几乎一致，表明本文所提方法计算结果的有效性。
表4计算结果对比
在调度周期内，各个交直流区域的交换功率情况如图8所示，根据本发明定义，交换功率的方向设定为从直流区域输送至交流区域为正，交流区域输送到直流区域为负。
从图8可以看出，通过构建的交直流混合配电网，可以对交直流混合配电网区域之间不同的负荷特性进行更好的调度。对图8的结果进行分析：在负荷量较大的AC1区域，直流区域能量可以输送到该区域，补偿其能量供应；在AC2负荷量较大的时段2至时段24，传输至直流区域的能量可以传输至AC2补偿其能量供应；在AC3负荷量较小的时段，这时候本区域生产的电能可以经由直流配电网传输，给直流网负荷进行供电或继续传输至其他交流区域补偿负荷较大区域。
进行区域调度优化后，一天24小时的调度周期中，交流和直流配电网区域CDG发电的运行情况如表5至表8所示。表中“1”表示CDG在该时段处于开机运行状态，“0”表示CDG在该时段处于停机状态。从CDG的运行状态和前文图表中CDG的发电费用以及上级电网购电费用可分析得出，在一天的大部分时间里，燃气轮机发电的成本低于从上级电网购买电力的成本。因此，燃气轮机产生的电能在交直流互联系统中优先使用，电量缺额从上级电网购买。在某些时刻，当燃气轮机发电费用过高，高于从上级电网所购买的电能，则该时段的燃气轮机停止运行，此时系统中所需要的电量缺额从上级电网进行购电来达到系统的供电平衡。
表5直流配电网区域CDG运行状态
表6交流配电网区域1的CDG运行状态
表7交流配电网区域2的CDG运行状态
表8交流配电网区域3的CDG运行状态
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“逆时针”、“顺时针”“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
一种基于交直流混合配电网协调能量管控方法专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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