微网系统经济调度模型与优化设计

SHANDONG 毕业设计说明书 微网系统经济调度模型与优化设计 学 院： 电气与电子工程学院 专 业： 自动化 学生姓名： 刘元发 学 号： 0812106011 指导教师： 刘述怀 2012 年 6 月 中 文 摘 要 -I- 摘 要 能源是人类社会发展的基础，但如今世界范围内面临着能源枯竭的危险。 最近几年，节能减排、开发利用新能源、走可持续发展的道路成为世界各国的 共识。随着我国经济的发展，我国的电力工业了也有了长足的进步，为了满足 用户对电网高效、安全、清洁的需求和对电能质量的高标准要求，应加快传统 电网向智能电网转型的步伐。而微网在智能电网未来的发展中会起到至关重要 的作用。 微网是新型的能源网络化供应方式与管理技术的结合，能够使可再生能源 系统的接入变得更加便利，而且能实现需求侧的管理，使现有的能源被最大化 的利用。微网系统的经济运行，不仅要求系统综合经济效益最大化，还要提升 能源利用效率和环境效益，提高供电可靠性和电能质量。本文针对由光伏电池 (PV)、风力发电机组(WT)、微型燃气轮机机组(MT)等分布式电源组成的且与外 电网并联运行的微网系统，建立了一种通过控制不同分布式电源开、关机来满 足实时负荷需求的微网最优经济调度模型。 本文根据一个实际的微网系统数据，使用 lingo11.0 软件对该系统中各分布 式电源的投、切状况进行了优化求解。通过对算例结果的分析，验证了所建立 的微网最优经济调度模型的合理性。 关键词：分布式电源，微网，经济调度，优化，lingo11.0 Abstract -II- Abstract Energy is the basis for the development of human society, but now facing the risk of energy depletion worldwide. In recent years, energy conservation, development and utilization of new energy, take the road of sustainable development has become the consensus of the countries in the world. With Chinas economic development, Chinas power industry has also been considerable progress, in order to meet the grid efficient, safe, clean needs and high standards of power quality, should speed up the pace of transformation of the traditional power grid to smart grid. Micro-grid will play a crucial role in the future development of smart grid. Micro-grid is a combination of new modes of supply of energy networks and management technologies that enable access to renewable energy systems become more convenient, but also to achieve a demand-side management, to maximize the use of existing energy. Economic operation of the micro-grid system, not only require the system to maximize economic benefits, but also to improve energy efficiency and environmental benefits, improve power supply reliability and power quality. In this paper, the micro-network system composed of photovoltaic cells (PV), wind turbine (WT), micro-turbine unit (MT) and other distributed power and run parallel with the outside grid. Establish an optimal economic dispatch model of the micro-grid through the control of different distributed power open, shut down to meet the real-time load requirements. In this paper, based on an actual micro-grid system data, use the software lingo11.0 to the state of vote and cut of the distributed power in the system to get the optimization solution. Through the analysis of the numerical results to verify the rationality of the micro-grid optimal economic dispatch model. Key words: distributed power, micro-grid, economic dispatch, optimization, lingo11.0 目 录 -III- 目 录 摘 要.I ABSTRACT. 目 录 第一章 绪论.1 1.1 研究背景及意义1 1.2 国内外研究状况3 1.2.1 欧洲微网研究状况.3 1.2.2 美国微网研究状况.3 1.2.3 日本微网研究状况.4 1.2.4 国内微网研究状况.4 1.3 研究目标5 第二章 微网系统经济调度理论基础.6 2.1 智能电网简介6 2.2 分布式电源模型及其特性7 2.2.1 风力发电机组.7 2.2.2 光伏电池机组.8 2.2.3 微型燃气轮机发电机组.9 2.3 微网的概念10 2.4 经济调度简述10 2.4.1 经济调度定义及必要性.10 2.4.2 经济调度的要求.11 2.5 本章小结11 第三章 微网系统优化理论及优化软件.12 3.1 优化模型的基本概念12 3.2 MATLAB 优化软件简介13 3.3 LINGO 优化软件简介13 3.4 MATLAB 与 LINGO 的比较.14 目 录 -IV- 3.5 本章小结14 第四章 微网系统经济调度模型.15 4.1 建立经济调度模型的原则和方法15 4.2 经济调度模型的建立15 4.2.1 符号说明.16 4.2.2 模型的建立.18 4.3 本章小结20 第五章 算例分析.21 结 论.26 参考文献.27 致 谢.28 附 录 微网经济调度模型程序.29 第一章 绪 论 - 1 - 第一章 绪论 1.1 研究背景及意义 能源是人类社会赖以生存和发展的基础，但是目前其需求在不断的增加， 而化石能源的储量在日益减少，核能的利用也存在着潜在的威胁。传统的电力 系统的结构正在变得老化,而且对资源的利用率也非常低,进而涉及到环保问题, 尤其重要的是用户对电能的质量要求也在不断地增加,因此各个国家都开始逐 渐重视开发利用可再生能源，走可持续发展的道路。 用于发电的化石能源不仅在日趋枯竭，而且它们燃烧后所排放的各种有害 气体，如二氧化碳和含硫氧化物会导致温室效应及酸雨，对环境的负面影响可 想而知。当下电力系统的电能生产、传输和配送的运作模式仍然是集中式发电， 远距离传输，电网联网的供电方式。虽然大电网集中供电，高效、便捷，但也 有一些缺点：首先，如果当地的电网发生事故会非常容易扩散到其他电网，同 样在电网中的任何点出现故障时将会有可能影响到整个电网的运作，甚至会造 成该地区的停电，使得该电网崩溃；其次，大电网跟踪负荷的变化时不灵活， 所以随着高峰负荷差增加，电网负荷率将会跟随其呈现出下降的趋势；然后， 传输及配送电的成本过高，输变电设施的利用率逐渐下降，因为它离电力系统 的距离太远或因为过于苛刻的自然条件，特别是在一些偏远山区，使其无法实 施。输电和配电建设投资过大，造成供电不是很理想。为了充分利用能源，减 少浪费，中国政府一直奉行可持续发展战略，其目的是为了提高能源利用效率， 主要措施是优化能源结构，开发和利用可再生能源，改善化石能源燃烧净化技 术等。 由于上述原因，应用可再生能源发电的分布式发电技术，越来越受到电力 行业的关注，如今已经成为一个热门的研究课题1。为了能够提高能源利用率， 分布式电源往往建在离用电负荷较近的地方，并且采用热电联产的方式；由于 用电负荷距离供能点较近，使得分布式发电技术在节省能源，提高能源利用率， 保护环境方面有着独特的优势。人们认为，分布式发电技术在未来将会对大规 模的电网发展起到支持作用，因此具有巨大的发展潜力。 第一章 绪 论 - 2 - 分布式发电技术有其自身独特的优势，但它也有缺点2：分布式电源是不 可控制发电装置，该系统将始终采取隔离、切机的途径来控制分布式发电系统 减轻或消除它对大电网频率和电压的影响。为了发挥分布式发电技术的优势， 协调分布式电源与外电网的矛盾，最大限度地减少分布式发电对电网的影响， 人们提出了微电网的概念3。 微型网络是一个能源网络的供应和管理技术相结合的新模式，为可再生能 源系统需求侧管理提供更方便的接入途径，以便最大限度地利用现有的能源。 因此，微型网络的概念被提出后，引起了诸多电力行业专家和学者的关注，许 多国家都增大了对微网研究的投入程度4。 微网具有很大的发展优势5： (1) 微网系统可以提高电力系统的可靠性和安全性，加强电力系统抗灾能 力。在 2008 年中国南方雪灾和地震灾害中，电力设备和设施的大面积遭受严重 破坏，给企业的发展和人民生活造成了极大的不便。然而微网接近负荷中心， 为用户提供更高质量的电能，从受影响的区域内部的给予电力供应，从而适当 地降低了功率损失，而且在特定情况下还协助了大电网的运行。 (2) 微网系统的应用可以提高电能质量， 而且还有助于电力公司增强的服 务水准。 微网中负载的电力能源供应的差异最终建立在用户需求的基础上，可 以分为金字塔形式的负载结构，如对供电质量和可靠性不高的负载，通常位于 金字塔结构的底部。但对供电质量和可靠性要求较高的负荷通常位于金字塔结 构的顶端。负载所需的电能分类的思想，体现了微网独特的供应特点，也可以 帮助电力公司给不同的负载提供不同的电源质量，提高供电可靠性。 (3) 微网可以减少电能在电网上的损失，降低电网的投资，也有利于保护 自然资源。 微网中的能量往往与电力用户建立了密切关系，实现了当地的电力 供应。它可以高效的降低电能在生产、传输过程中的损耗。微网的发展在促进 科技进步的同时，能够促进智能电网的发展。 1.2 国内外研究状况 1.2.1 欧洲微网研究状况 第一章 绪 论 - 3 - 欧洲国家现在对微网的研究主要倾向于加强微网内电能质量的提高，以便 可以满足各地用户的用电需求，同时使欧洲地区微网系统处于稳定的状态。欧 洲为了更好的开发利用可再生的能源，提高能源的利用率，加强环境保护，自 2001 年以来，欧盟开始推广“在欧洲电网的可再生能源和分布式发电一体化” 项目的计划。欧盟在 2005 年公布了“智能电网”的目标，并于 2006 年推出该 计划的实施办法，这项计划指出，未来欧洲电网的发展方向要求经济可靠，灵 活且可接入6。为了更好的利用这些特点，欧盟的建议要充分利用智能技术， 分布式发电技术，先进的电力电子技术，实现集中和分布式发电的相互融合和 协调，并鼓励运营商和发电企业参与电力市场的交易，希望这样可以共同加快 微电网的发展7。 为了通过发展微网而提高分布式电源与大电网的渗透率,欧盟提出了“Micro grid和“More Microgrids这样两个关于微网的项目。微电网运行控制、保护、 安全和通信理论已经初步形成，且已在西班牙，希腊，德国和其他国家构建了 不同大小的微电网实验平台8。欧盟在微网方面在未来的研究计划将重点是提 高微电源控制和规划，以及多微网标准的制定，微网模型测试平台的开发和商 品化的管理工具的操作等方面， 这些研究将会为分布式电源和可再生能源系统， 大规模进入供电网络提供必要条件，以及会为传统的电网向智能电网过渡做好 铺垫9。 1.2.2 美国微网研究状况 微网的概念最早是由美国学者首先提出的。微网是由小型的微电源、负载 能量转换装置和储能装置以及控制机构组成的，在运用电力电子技术的控制方 法的同时，也形成了“即插即用”和“对等”的理念10。满足了用户对电能质 量的要求，同时也提高了供电可靠性，减少了投入成本，微网将向着协助电网 智能化的方向发展。 微网研究最具有权威性的机构莫过于美国的 CERTS，它不仅给出了微网的 定义，同时也为热电联产式微电网的发展做出了重要贡献。CERTS 不仅创建了 相当规模的实验测试系统，而且也与其他电力公司共同创建微网平台。美国一 也很重视微网的开发利用，先后已经组织了 40 多家研究所、高校等机构对分布 第一章 绪 论 - 4 - 式发电技术和微网进行了研究和应用。 美国在微网研究方面尤其注重国家安全， 尤其考虑到 8.14 大停电，从中吸取了特别悲惨的教训，如今能源部考虑微网未 来的发展，制定出了著名的“Grid2030“计划确定“主干网+区域电网+微型电 网“，它将会作为美国在未来发展电网的基础框架11。 1.2.3 日本微网研究状况 日本国内能源短缺，但负载的需求却在不断增加，形势不容乐观，因此日 本国内非常重视新能源的开发和利用，为此成立了新能源产业技术综合开发机 构（NEDO） ，该机构主要的作用是协调国内企业、大学或实验室共同开发研究 微网，使其研究成果更符合现代化微网的要求。目前，日本已经在国内成立了 许多的微网项目，例如京都县、青森县和其他地区已完成了微网示范工程。例 如青森县的微网示范项目是利用太阳能、风能等可再生能源创建的微网系统。 2005 年， 兴建投产了京都经济能源项目。 其中这个微网系统的分布式电源包括： 50 千瓦的风力发电机组、50 千瓦的光伏发电机，400 千瓦的生物质发电单位， 一个 250 千瓦的燃料电池和一个 100 千瓦的电池组12。日本建立的 Kyoto 微电 网项目中不仅有可再生能源发电的分布式电源，也有燃料电池，燃气轮机等微 电源，利用通信技术实现分布式能源的管理。日本政府对微网的开发利用的重 视程度，使其微网技术已经走在了世界前列。 1.2.4 国内微网研究状况 我国对于利用可再生能源发电的分布式电源的研究已经有了长足的进步， 例如太阳能发电和风力发电已经在国民生产中起到了重要作用。然而我国对于 微电网的研究利用还处于起步阶段，这需要政府的支持和诸多科研机构的共同 努力。在国家科技部“863 计划先进能源技术领域 2007 年度专题课题”的报告 中已经涉及到了微电网技术。目前国内许多机构例如清华大学、中国科学院等 单位都相继开展了对微电网的研究，但与日本和欧美国家的微网研究发展水平 相比，我国的微网水平还远远落后。尽管我们已经在分布式发电设备的开发、 制造及设备控制方面有了相对成熟的技术，但在与大电网运行，并网后优化问 题，系统控制方面都处于起步阶段13。 中国的微网发展过程中是重点是得到了政府的大力支持，因此有了发展可 第一章 绪 论 - 5 - 再生能源的良好局面。据估计，到 2020 年，中国的可再生能源消费量将达到能 源消费总量的 15，其中 20的电力能源来自可再生能源。然而，目前中国的 配电网络结构是不能够在大量容纳的分布式电源的。问题仍然有待解决。 微网的发展动力也来自于电力系统的发展需求。微网系统作为电网的辅助 单元有效地满足不同用户的需求，应用各种电源达到了高标准的要求，是一种 有益补充形式。此外，随着经济的发展和人民生活水平的不断改善，夏季空调 用电量在不断增加，在短时间内出现了许多功率峰值。如果用增加发电设备和 输出功率的方式来满足峰值的负荷，会消耗更多的能源和资金投入，可以利用 微网灵活的解决此问题。因此微网的发展在中国将会表现出更大的潜力。 1.3 研究目标 本文在介绍了微网的概念、国内外发展状况以及其背景的前提下，针对光 伏发电、风力发电、微型蒸汽轮机等分布式电源的且与外电网并联运行的微网 系统建立经济调度模型并对其进行优化求解。微网系统的经济调度需要考虑分 布式电源的类型、容量、位置等，其中光伏电池要考虑当地各时段的光照、温 度；风力机组要考虑当天的风速。本文是以夏季某天晴天的气候条件为背景的， 还要考虑不同时间段内的负荷，综合考虑微网的初始成本、设备维护费用、从 大电网中购电售电的费用、环境问题费用等，寻求最为经济合理的方案。微电 网中的各个发电单元的特性不同，若要使它们在微网中发挥作用，需要有新的 满足要求的运行优化模型。在建立微网的最优经济调度模型的时候要考虑诸多 因素，例如各微型电源的运行特性，发电的基本成本，设备的维护费用，环境 污染治理的费用等等，需要分析所建模型中的变量、参数、约束条件，使用 LINGO 优化软件对实际的案例进行优化求解。最后根据算例结果分析、讨论， 验证该模型的合理性和优化策略的合理性。经济运行是微网系统兴建、运行所 追求的一个重要目标，不仅要求综合效益最大化，提高能源利用效率、减少投 入成本还要求增加环境效益、社会效益，同时提高供电可靠性和电能质量。 第二章 微网系统经济调度理论基础 - 6 - 第二章 微网系统经济调度理论基础 2.1 智能电网简介 智能电网（smart grid）就是把最新的信息化、通讯、计算机控制技术和原 有的输、 配电基础设施高度结合， 形成一个新型电网， 实现电力系统的智能化 14。 智能电网特点 1. 自愈 智能电网的自愈性可以在电网发生故障时，能够快速做出应对的反应，使 得故障能尽快解决，降低了经济损失也节省了时间。 2. 互动 此特性增强了与群众的互动性，不同类型的电能消耗者可以根据条件和实 际需求选择合适的电价。 3. 安全 智能电网将会在现代化的电网在建设中充分的考虑电网的安全性。 4. 有极高的电能质量 在未来会对电能质量有高标准要求，智能电网会充分考虑供电过程中各种 扰动或者中断，适用于高水准的需求。 5. 能够适应不同种类的电源和储存方式 智能电网要求能够即插即用各种不同的电源和蓄电装置。 6. 可市场化交易 智能电网要求在全国范围内都可以进行交易，并且还允许地区进行局部革 新和发展。 7. 提高运营收入 智能电网将会减少电力设备的兴建，降低资本，增加收入。 第二章 微网系统经济调度理论基础 - 7 - 2.2 分布式电源模型及其特性 2.2.1 风力发电机组 风力发电就是利用风力机组将风能转换为电能。风能是清洁的可再生能源， 不会像化石能源那样污染环境，而且世界上风能的蕴藏量十分巨大，地球上可 以被利用的风能约为 2 10 7 MW， 比地球上可被开发利用的水能资源总量还要大 10 倍之多。风力发电机（WT）是将风能转化为电能的机组，风电机组的叶片将 获取的部分风能转化为叶片旋转的动能，然后通过机械驱动系统将机械能传送 给发电机，将机械能转化为磁场的磁能量，最终再转化为电能。由于风力发电 成本低、环保经济且投建的规模较显著等特点，已经收到了世界上许多国家和 地区的重视，已成为发展最快的新型能源之一15。 风力发电机功率输出模型一般表示如下16： corr rci coci WT vvvP vvvcbvav vvvv P 2 0 (2-1) 式中: WT P为风力发电机的输出功率； ci v为切入风速； co v为切出风速； r v为额定 风速； r P为额定功率；v为实际风速。 此次设计当中我们采用 WC Excel（10KW）风力发电机系统，该发电系统 额定输出功率为 10KW， 启动风速为 3.4m/s， 切入风速 3.1m/s,额定风速为 13m/s。 它的风速-功率输出曲线如图 2.1 所示。 0 2 4 6 8 10 12 123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 风速（m/s） 输出功率（kw） 系列1 图 2-1 WC Excel(10KW) 风速-功率输出曲线 第二章 微网系统经济调度理论基础 - 8 - 2.2.2 光伏发电机组 太阳能电池是通过光化学效应或者光电效应直接把光能转化为电能的装 置。光伏发电是根据光生伏特效应原理，依靠太阳能电池，将蕴藏丰富的光能 直接转化为可供人们生产生活的电能。光伏发电系统是由太阳能电池板、控制 器和逆变器三部分组成的。光伏电池即可单独运行也可以并网运行，鉴于它清 洁无污染因此运用广泛，且它的构造没有机械部件，所以它的构造即简单又精 炼，而且运行稳定，方便维修，寿命也长17。 PV的输出功率可以根据以下公式计算： RC STC AC STCPV TTk G G PP1 (2-2) 其中， STC P为 STC(标准测试条件：太阳光入射强度 1000 W/，环境温度 25) 下的最大测试功率； AC G为光照的强度； STC G为 STC 下光照强度，取 1000 W/ ；k为功率系数， 取-0.0047/； C T为电池板工作温度； R T为参考温度， 取 25。 夏季某天的光照情况如图 2-2 所示 0 200 400 600 800 1000 1200 1357911131517192123 时间（h） 光照强度（W/） 系列2 图 2-2 夏季某天光照强度曲线 夏季某天的温度情况如图 2-3 所示 第二章 微网系统经济调度理论基础 - 9 - 0 5 10 15 20 25 30 35 40 12 3 45 67 89 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 时间（h） 温度（） 系列2 图 2-3 夏季某天温度变化曲线 光伏电池夏季某天功率输出曲线如图 2-4 所示 0 1 2 3 4 5 6 7 1234 5678 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 时间（h） 输出功率(kw) 系列2 图 2-4 光伏电池夏季某天功率输出曲线 2.2.3 微型燃气轮机发电机组 伴随着全球能源短缺和对动力的需求，产生了一种新型的热机即微型燃气 轮机，尤其现在人们特别注重电力系统的控制，且要加强对能源的利用和对环 境保护，使得微型燃气轮机近几年越来越受到人们的关注，从而也有了快速的 发展。鉴于微型燃气轮机组是可靠、清洁、高质量和多用途等优点，已经成为 了微网供电和热电联产运作的主要组成部分。 微型燃气轮机的输出功率一般只在几百千瓦以内，主要是由燃气轮机、燃 烧室、回热器、压气机、发电机及电子控制装置组成。它的燃料主要是天然气、 汽油、甲烷、柴油等。 第二章 微网系统经济调度理论基础 - 10 - 微型燃汽轮机 PMSM DC/AC 滤波器 AC/DC 电网 负荷 图 2-5 微型燃气轮机结构图 与常规的发机组相比，微型燃气轮机运行灵活、节能环保、结构简单，便 于运输，无论是在大城市还是在偏远的农村都可以适用18。 2.3 微网的概念 美国电气可靠性技术解决方案联合会( CERTS-Consortium for Electric Reliability Technology Solutions)给出的定义为：微电网是一种由分布式电源和负 荷共同组成的系统，既能提供电能也能提供热量；电力电子器件是微网内部各 电源的能量转换装置，需要实时控制；微电网相对于外部大电网表现为单一的 受控单元，并可同时满足用户对电能质量和供电安全等的要求18。 微网不仅继承了所有单独分布式电源所具有的优点而且还可以作为一个独 立的整体模块进行工作, 不会对大电网运行产生不利影响,反而会对大电网的运 行起到协助作用19。 2.4 经济调度简述 2.4.1 经济调度定义及必要性 所谓经济调度就是在保证电力生产安全、优质和满足客户用电需求的条件 下，采用各种技术措施和管理措施，使电力生产设备处于最佳工作状态，达到 电力系统电能成本最低。 提高电力系统经济运行水平，是电力企业经营项目的重要内容之一，也是 调度管理的基本要求之一，调度的主要职责是要保证电力系统安全经济的运行， 并向用户提供高质量，高稳定性的电能。近些年来，伴随着电网的不断发展改 进，其容量越来越大，备用容量也在变得越来越大，在满足电网安全运行的前 第二章 微网系统经济调度理论基础 - 11 - 提下，尽可能的经济运行是必需的。 2.4.2 经济调度的要求 我国的新颁布的规定要求，要注意节能减排的发电调度，颁布了节能发电 调度的办法。节能电源发电调度的原则是要以可靠的电力供应安全的基础，按 照能源节约，经济，优先利用清洁可再生的能源，同时要发展可再生能源发电 资源调度，根据与本地区的能源消耗和污染物排放水平的要求按照规定由低到 高的顺序来调度这些能源，以便能减少浪费能源和资源消耗20。各种能源的发 电应用的顺序应该是21： 无调节能力的太阳能，风能，水能等可再生能源发电机组；调节能力的生 物，水能和地热等可再生能源发电机组，以及满足需求的废物发电机组；核能 发电机组；燃煤热电联产机组，残余气体，压力，余热，洗煤，煤矸石，煤层 气资源综合利用机组；煤气，天然气发电机组；燃煤发电机单位，包括非热电 联产机组的热负荷；燃油发电机组。类似的发电单位要按照能耗水平从低到高 的规则，且要考虑节能的要求，依次排序调度利用；如果能量消耗水平相同， 那么按照污染物排放水平由低到高的规则排序。 2.5 本章小结 本章主要介绍了光伏电池、风力发电机组、微型燃气轮机组的运行特性， 且简要介绍了智能电网、微网的特点和经济调度的概念。为最优经济调度模型 的建立做好了铺垫。 第三章 微网系统优化理论及优化软件 - 12 - 第三章 微网系统优化理论及优化软件 3.1 优化模型的基本概念 在经济管理、工程技术、科学研究等很多领域，人们会经常会遇到一系列 的决策问题，如下：在一些客观或主观限制条件下，寻求使所关注的某个或多 个指标达到最大或最小的决策。比如满足材料尺寸，使总重量最轻；满足运输 量和路径一定时，是运输费用最少等等情况。此类决策问题都被统称为最优化 问题。 通常人们解决这些优化问题的手段大致可以分为以下几种情况22： (1) 依据过去的经验来判断当下面临的问题，这种方法看似切实可行，好 像并没有太大的风险，但是其处理过程会融入过多的决策者的主观因素，常常 使人很难客观地描述，从而无法最终确定结果的最优性。 (2) 连续做大量的是试验反复比较验证。这种方法固然看似比较真实可靠， 但是这需要大量的资金、时间和人力投入，而且最终得到的最优结果往往基本 跑不出最初设计的试验范围。 (3) 用构建数学模型的方法来求解最优决策，这种方法被称为优化建模。 虽然因为建模的时候要做一些适当的简化，可能会使结果不一定完全可行或是 达到实际上期望的最优，但是它是根据客观规律得到的数据，且不需要很大的 费用和精力，因此具备前两者无法比拟的优点。如果在此基础上加上适当的经 验和试验，就可以得到一个比较圆满的最优解。优化建模是解决优化问题的最 有效且最常用的方法之一。在决策更加定量化、科学化的今天，用数学建模的 方法来求解最优化问题，更会适应现代发展的需要。 优化模型是一种特殊的数学模型，优化建模方法是一种特殊的数学建模方 法。优化模型一般有以下的三种要素23： (1) 决策变量，它通常是指该问题要求解的那些未知变量，不妨用 n 维向 量 T X n xxxx., 321 表示，当对x赋值后，它通常称为该问题的一个解或一 个点。 第三章 微网系统优化理论及优化软件 - 13 - (2) 目标函数，通常是该问题要优化（最小或最大）的那个目标的数学表 达式，它是决策变量X的函数，可以抽象地记作)(Xf。 (3) 约束条件，由该问题对决策变量的限制条件给出，即x允许取值的范围 为X，称为可行域，通常一组关于X的等式0)(X i h ).2 , 1( e mi，或 不等式0)(X j g ).21(mmmmj eee ，来界定，分别称为等式约束条 件和不等式约束。 优化模型从数学上可以表述成如下一般形式： opt )(Xfz ； . .ts 0)(X i h ).21( e mi， 0)(X j g ).21(mmmmj eee ，。 这里 opt 是指最优化，可以是 min 或 max 两者之一；s.t.指“受约束于”的意思。 3.2 MATLAB 优化软件简介 最优化问题是世界上应用最广泛的学科之一，它主要是讨论决策问题的最 佳选择情况，求解最经济最好的结果。Matlab 是 Mathworks 公司研发的一款功 能十分强大的用于工程结算和数值分析的软件，是世界上目前应用最为广泛的 软件之一。例如，利用 Matlab 的优化工具箱，可以求解线性规划、非线性规划 和多目标规划等问题。具体而言，包括线性、非线性最小化，二次规划，半无 最大最小化，线性、非线性方程（组）的求解，线性、非线性的最小二乘问题。 Matlab 优化工具箱可已解决相当多的优化求解问题， 而且 Matlab 用起来比一些 辅助的优化工具软件更能高效的完成工作，为实际工程问题提供了更多的优化 途径，也是一种优化捷径。但是对于比较庞大数据，运用 Matlab 优化工具箱便 有了很大的弊端，它设定的参数并不是很多，运行起来便显得缓慢24。 3.3 LINGO 优化软件简介 LINGO 是 Linear Interactive and General Optimizer 的缩写，即“交互 式的线性和通用优化求解器”，由美国 LINDO 系统公司开发，不仅可以用 于求解非线性规划问题，还可求解一系列线性和非线性方程组，功能非常 第三章 微网系统优化理论及优化软件 - 14 - 的强大，被认为是求解优化模型的最佳选择工具22。它的主要特点是可以 提供内部十几个函数，在内部制定了建模语言，可以进行整数规划（包括 0-1 整数规划） 。Lingo 软件运用起来不但方便灵活，而且它的执行速度也 非常的快。 Lingo 的主要用途是建立和求解线性、 非线性和整数最优化的模型， 而且可以说是应用起来最简单，最快捷，最有效率的优化工具。Lingo 运用强 大的语言模块和快速的求解引擎来阐述和求解最优化的模型22。Lingo 可以将 线性、非线性和整数问题迅速用公式表示出来，而且很容易阅读、修改。Lingo 所建立的模型可以从数据库中或工作表中直接地获取资料。 3.4 MATLAB 与 LINGO 的比较 Lingo 主要关注于解决优化问题，专注于优化领域。在优化方面应该有其 独特的算法，而且熟悉 Lingo 在建模的时候也有很大帮助，大多数优化问题都 可以用 Lingo 编程求解，而且求解速度很快。Matlab 虽然也有优化工具箱，但 对于优化问题并不精通，Matlab 往往进行局部最优的求解，单纯使用 Matlab 很 难得到全局最优解。 虽然也能够求解大多数的优化模型， 但Lingo解决非线性规 划的能力要比 Matlab 强，找到的局部最优解相对较好，线性规划求解的速度也 要比 Matlab 快， 。一般情况下，对于建模来讲，两者应用起来差别不大，但在 语法的应用上有些差别。LINGO 软件非常专业，而且功能十分强大，计算出的 效果一额很好，比那些非专业的优化软件表现出强盛的优势，可以说它在优化 领域是最著名的专业优化软件。优化软件的市场上占有最大的份额。此外，当 变量比较多的时候，使用 Lingo 要更方便些。鉴于 Lingo 软件的诸多优点，于 是决定运用 Lingo 软件进行模型优化。 3.5 本章小结 本章主要介绍了优化理论，MATLAB 和 LINGO 优化软件各自的特点，并 对两者做了对比。明确了 LINGO 软件在优化方面的优势，且学习了优化软件， 为优化工作做好铺垫。 第四章 微网系统经济调度模型 - 15 - 第四章 微网系统经济调度模型 4.1 建立经济调度模型的原则与方法 该微网经济调度模型的建立是以经济环保为原则的， 寻求最大的经济效益、 社会效益和环境效益，同时也降低了能源的消耗，提升了供电的可靠性。我们 建立并网形式下的运行机制，在用电高峰期微网系统内电量不足的情况下，可 以由大电网购电；在用电的低峰期，微网内多余的电量可以向大电网出售。微 网系统内的发电单元主要是以太阳能、风能等清洁可再生能源为主，也在满足 经济运行的前提下优先运行，可满足环保的要求。用户负荷应与微电网系统的 供电量时刻处于平衡状态，要提高供电的安全性。 光伏电池光伏电池1 1 光伏电池光伏电池2 2 光伏电池光伏电池3 3 风力机组风力机组1 1 风力机组风力机组2 2 风力机组风力机组3 3 燃汽轮机组燃汽轮机组1 1 燃汽轮机组燃汽轮机组2 2 燃汽轮机组燃汽轮机组3 3 母线母线 负荷负荷 电网电网 图 4-1 微网系统结构图 该微网系统内的分布式电源有光伏电池、 风力发电机组和微型燃气轮机组， 而每种分布式电源有若干台，经济调度就是在满足经济原则的基础上在某时间 段该运行哪种电源的哪一台，让其输出多少功率，能够满足目标函数及约束条 件的要求。 4.2 经济调度模型的建立 第四章 微网系统经济调度模型 - 16 - 4.2.1 符号说明 1. t1,2.,TIME：电源一天 24 小时运行时间段； .,2 , 1kPV ：光伏电池编号； .,2 , 1mWT ：风力发电机组编号； .,2 , 1nMT ：燃气轮机发电机组编号； 2. 决策变量 t PB：每个时间段从电网购电量； t PS：每个时间段向电网售电量； t PL：每个时间段的负荷量； kt P , 1：每台光伏电池机组在任一时间段的输出电量； mt P , 2：每台风力发电机组在任一时间段的输出电量； nt P , 3：每台微型燃气轮机机组在任一时间段的输出电量； kt Y , 1：若 kt Y , 1=0，某台光伏电池机组在某时间段不工作； 若 kt Y , 1=1，某台光伏电池机组在某时间段工作； mt Y , 2：若 mt Y , 2=0，某台风力发电机组在某时间段不工作； 若 mt Y , 2=1，某台风力发电机组在某时间段工作； nt Y , 3：若 nt Y , 3=0，某台微型燃气轮机组在某时间段不工作； 若 nt Y , 3=1，某台微型燃气轮机组在某时间段工作； 3.参数 , t k PPMAX：每个时间点每台光伏电池的功率上限(kw)； , t k PPMIN：每个时间点每台光伏电池的功率下限(kw)； PMMIN ：微型燃气轮机功率下限(kw)； PMMAX：微型燃气轮机功率上限(kw)； 第四章 微网系统经济调度模型 - 17 - , t m PWMIN：每个时间点每台风力机组的功率下限(kw)； , t m PWMAX ：每个时间点每台风力机组的功率上限(kw)； 1line P：微网与电网的供需下限(kw/h)； 2line P：微网与电网的供需上限(kw/h)； A：天然气的价格( 3 /m元） ； fu K：燃料的耗量系数(/kwhm3)； t CB：每个时间段从电网购电的单价（/kwh元） ； t CS：每个时间段向电网售电的单价（/kwh元） ； mt C：每台微型燃气轮机组的初始成本(元)； wt C：每台风力发电机组的初始成本(元)； pv C：每台光伏电池机组的初始成本(元)； L：回收利率； 1S：微型燃气轮机的寿命(天)； 2S：风力机组的寿命(天)； 3S：光伏电池的寿命(天)； mt D：微型燃气轮机的运行管理系数(/kwh元)； wt D：风力机组的运行管理系数(/kwh元)； pv D：光伏电池的运行管理系数(/kwh元)； m t c K：微型燃气轮机的 CO2 的排放系数(kg/kwh)； m t s K：微型燃气轮机的 SO2 的排放系数(kg/kwh)； m t n K：微型燃气轮机的 NOx 的排放系数(kg/kwh)； B：CO2 的惩罚单价(/kg元)； C：SO2 的惩罚单价(/kg元)； 第四章 微网系统经济调度模型 - 18 - D：NOx 的惩罚单价(/kg元)； tc M：一天内微型燃气轮机的 CO2 排放量(kg)； ts M：一天内微型燃气轮机的 SO2 的排放量(kg)； tn M：一天内微型燃气轮机的 NOx 的排放量(kg)； 4.2.2 模型的建立 1.目标函数 )( 11) 1)1()1 ( 22) 1)1()1 ( )(1333 ) 1)1()1 (33min 1 , 11 ,33 , 11 ,22 mts, 11 , 11 , 11, 11 , t tttt pvkt tk ktpv wtmt tm mtwt mtnmtcnt tn ntmtnt tn nt mtfunt tn nt PSCSPBCB DYPkCSLSLL DYPmCSLSLL DKCKBKYPDYP nCSLSLLKAYP (4-1) 2.约束条件 )(332211 , 1 , 1 , 1 ,ttnt n ntmt m mtkt k ktt PSPBYPYPYPPL (4-2) , 3t nPMMINPPMMAX (4-3) , 2 tmtmtm P W M I NPP W M A X (4-4) , 1 t kt kt k PPMINPPPMAX (4-5) tcnt n ntmtc MYPK , 1 , 33 (4-6) 第四章 微网系统经济调度模型 - 19 - tsnt n ntmts MYPK , 1 , 33 (4-7) tnnt n ntmtn MYPK , 1 , 33 (4-8) 21l i n etl i n e PPBP (4-9) 21l i n etl i n e PPSP (4-10) 1 , 03,2,1 , ntmtkt YYY (4-11) 0)11 (1 , ktkt YP (4-12) 0)21 (2 , mtmt YP (4-13) 0)31 (3 , ntnt YP (4-14) 若01 , kt P，则01 , kt Y，否则11 , kt Y (4-16) 若02 , mt P，则02 , mt Y，否则12 , mt Y (4-17) 若03 , nt P， 则03 , nt Y， 否则13 , nt Y (4-18) 目标函数（4-1）表示微网系统调度的成本最小化，它包括以下几项：(1) 微型燃气轮机组的燃料费用；微型燃气轮机组的折旧资本；微型燃气轮机组的 运行管理费用；微型燃气轮机组产生有害气体的惩罚费用；(2)风力发电机组的 折旧资本；风力发电机组的运行管理费用；(3)光伏电池的折旧资本；光伏电池 的运行管理费用；(4)微网与外电网的交互成本。 约束条件(4-2)保证负荷与微网产电量时刻功率平衡；约束条件(4-3)为微型 燃气轮机组的输出功率限值；约束条件(4-4)为风力发电机组的输出功率限值； 约束条件(4-5)为光伏电池的输出功率限值；约束条件(4-6)为微型燃气轮机组的 第四章 微网系统经济调度模型 - 20 - CO2 限排量；约束条件(4-7)为微型燃气轮机组的 SO2 限排量；约束条件(4-8) 为微型燃气轮机组的 NOx 限排量；约束条件(4-9)为微网从外电网购电的限值； 约束条件(4-10)为微网向外电网售点是限值；约束条件(4-11)为 0-1 变量，当取 值为 1 时表示运行，取值为 0 时表示停运；约束条件(4-12)(4-18)保证当分布式 电源运行时，0-1 函数取值为 1；停运时，0-1 函数取值为 0。 4.3 本章小结 本章主要介绍了建立经济调度模型的原则和方法，对模型中符号参数进行 说明，根据要求建立最优经济调度模型，并对约束条件加以说明，最后对目标 函数和约束条件进行了描述。该章是本文的核心，对经济调度的优化模型了有 了更深的理解。 第五章 算例分析 - 21 - 第五章 算例分析 本文以某一小型的微网系统向某地区供电为例，采用光伏电池、风力发电 机组和微型燃气轮机组等发电单元，并且此微网与大电网并联。本文是以该地 区夏季某天 24 小时供电为背景，每个时段为 1 小时，忽略分布式电源的启动成 本。通过多种途径给出当天各时段的负荷需求，当地电价及当天光照、风速等 数据。天然气的价格为 3.13 3 /m元，燃料的耗量系数 fu K=0.409/kwhm3，回收 利率为 0.05，微网与外电网的交换限值为 50kwh。 由图 2-1 可知当天风力发电机组在各时间段不同风速下的功率输出上限， 具体值如表 5-1 所示，时间的单位为 h，风速的单位为 m/s，功率的单位为 kw。 表 5-1 当天风力发电机组在各时间段的功率输出上限 时间 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 风速 10 10 11 11 11 10 10 9 9 9 8 8 功率 6 6 7.5 7.5 7.5 6 6 4 4 4 2.5 2.5 时间 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 风速 5 5 6 6 8