2017电工杯A题--微电网日前优化调度

第十届“中国电机工程学会杯”全国大学生电工数学建模竞赛赛题-1-第十届“中国电机工程学会杯”全国大学生电工数学建模竞赛赛题A题：微电网日前优化调度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。根据百度百科，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。主网AC/DCAC/DCAC/DC储能光伏负荷风机微网60kW/300kWh250kW150kWSn=300kWPmax图1微网系统结构第十届“中国电机工程学会杯”全国大学生电工数学建模竞赛赛题-2-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。minmaxtSSS(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：,,110TTchattdistttttbPXtPYtSSE(2)式中，S0为蓄电池的初始SOC状态；,chatP和,distP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{0,1}tX，{0,1}tY；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：0ttXY(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：0TSS(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定容量的20%，即,,00.2(5)00.2chatbtdistbtPEXPEY式中，Eb为电池容量。第十届“中国电机工程学会杯”全国大学生电工数学建模竞赛赛题-3-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：111121TtttTtttXXNYYN(6)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0:00~7:007:00~10:0010:00~15:0015:00~18:0018:00~21:0021:00~0:00售电电价(元/kWh)0.220.420.650.420.650.42购电电价(元/kWh)0.250.530.820.530.820.53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)和平均第十届“中国电机工程学会杯”全国大学生电工数学建模竞赛赛题-4-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。第十届“中国电机工程学会杯”全国大学生电工数学建模竞赛赛题-5-附表1：序号负荷(kW)风机(kW)光伏(kW)164.3163.100265.5201.470366.7154.260466.9140.290567.5200.290667.7250.000768154.260868.2125.640970.2182.8701071.9211.6701171.9214.1101271.9224.4101370.7158.2601470.7135.4501571.3163.1001672175.4901776.5219.3801877.6250.0001978.7168.0402078.8124.560.062190.6170.150.962293.8201.472.112394.7231.444.042494.8250.006.5425110.5235.019.1826113.1227.5913.4027113.9135.9016.2928114.3106.2520.1929132.2213.8128.8030145.4250.0034.7831145.2221.2531.6232145.1204.1439.6133154.1246.6246.0834157.4250.0053.6635156.5179.0236.2936155.5144.0649.6437144197.3676.9638142.2227.9166.81第十届“中国电机工程学会杯”全国大学生电工数学建模竞赛赛题-6-39142.1215.9655.5740142.1218.4488.6241125.3212.2887.0242118.9210.1554.0443116.9153.7663.4444115.9124.77101.5945115.490.46104.114611557.3590.6847124.196.2291.8548127.1114.6666.7849130.294.3977.1450131.686.9863.7651140.769.4775.4652141.855.77110.4653143.974.3670.5754145.583.41103.1555145.550.3372.7956145.637.2167.4157144.79.1028.9458144.41.3423.8959145.219.5419.7560145.333.0631.5361149.62.0240.4862150.3063.9563150.110.4759.416415016.3550.7665203.521.0741.6466207.227.1123.396720743.7524.8668206.953.4520.6069215.519.6117.4070223.99.9515.067122572.1913.5972225.5120.2822.0873233.981.9118.2074237.576.8812.1575236.662.815.3776236.156.822.0777215.434.9007821123.98079210.925.11080210.823.430第十届“中国电机工程学会杯”全国大学生电工数学建模竞赛赛题-7-附表2：序号风机（kW）光伏(kW)蓄电池(kW)12............95968119858.69082197.993.67083198.593.49084198.699.55085180.856.82086177.226.01087177.816.74088177.96.97089161.518.98090147.323.12091147.244.43092147.255.64093117.292.41094107.5109.010956273.4209658.763.800第十届“中国电机工程学会杯”全国大学生电工数学建模竞赛赛题-8-附表3：分类储能与电网的功率限制充放电次数与电网交换的最大功率（kW）风机成本（元）光伏成本（元）总成本（元）平均成本（元）无可再生能源无储能自由可再生能源全部接纳无储能自由有储能[-150kW,150kW]可再生能源选择性接纳无储能自由有储能[-150kW,150kW]