一种基于温度约束的微电网虚拟储能协同调度方法

本发明涉及微电网能量管理，尤其是涉及一种基于温度约束的微电网虚拟储能协同调度方法。

背景技术：

1、微电网（micro-grid）是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。随着传统能源供应短缺和环境污染的加剧，以及用电可靠性的逐步提高，高效、清洁的分布式电源在电力系统中得到了广泛的应用，微电网作为解决分布式发电与电网互联问题的一种有效途径，已成为近年来研究的热点。

2、微电网的核心优势在于能够有效地整合和协调各类分布式电源，实现能源的高效利用和供电的稳定性。然而，微电网在实际运行中也面临着诸多挑战。由于微电网包含了光伏发电等多种不同类型的分布式电源，而光伏发电受光照强度、环境温度等影响很大，具有明显的随机性、间歇性和波动性，其输出特性有时会出现突变的情形。若将其不经处理直接接入电网，将会对电能质量产生不良影响，给微电网的电力供需平衡、电压稳定以及频率维持带来严峻挑战。

3、为应对上述问题，通常的做法是在微电网系统中接入储能装置（如蓄电池组和超级电容器）。储能装置能够有效平抑分布式电源的功率波动，提升微电网的电能质量和运行稳定性。但是，配置专门的储能装置需要较高的初始投资和运行维护成本，且储能装置的充放电效率、循环寿命等因素也制约着微电网的整体经济性。如何在不过度依赖传统储能装置的情况下，提升微电网对分布式电源波动的调节能力、降低运行成本，是微电网能量管理领域亟待解决的技术问题。

4、近年来，有研究提出利用建筑物自身的蓄热特性，将空调负荷等效为虚拟储能装置参与微电网的能量管理。空调工作时可为建筑室内提供舒适的温度，同时建筑物室内具有一定的保温能力，这种对温度保持的能力使得空调负荷具有虚拟储能的效应。通过调整空调设定温度，可以在满足人体热舒适性要求的前提下，实现对空调负荷的灵活调控，从而达到削峰填谷、降低微电网运行成本的目的。然而，现有研究大多将虚拟储能作为独立环节处理，未能将虚拟储能的动态特性（如建筑等效热容、热阻、室外温度变化对虚拟储能容量的影响）与微电网的多时间尺度优化调度进行深度融合，也缺乏一种系统性的、以温度约束为核心将虚拟储能与微电网协同调度的完整技术方案。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于温度约束的微电网虚拟储能协同调度方法，旨在解决现有微电网中分布式电源波动性强、储能配置成本高的技术问题。通过将空调-建筑系统等效为虚拟储能，在满足用户热舒适性约束的前提下，构建以运行成本和热舒适性为目标的协同调度模型，实现微电网经济性与舒适性的协调优化。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于温度约束的微电网虚拟储能协同调度方法，包括以下步骤：

3、s1、获取微电网运行参数，包括光照强度、室外温度、室内温度、空调额定功率、空调能效比、储能装置容量、储能装置功率限值、分时电价和负荷功率；

4、s2、根据光照强度和室外温度，建立光伏发电功率模型，计算光伏发电功率；

5、s3、建立储能装置模型，根据蓄电池和超级电容器的充放电特性，计算储能装置充放电功率和储能装置荷电状态；

6、s4、建立空调虚拟储能模型，根据房间温度热力学方程、空调电功率模型、空调能效比和舒适温度区间，计算空调虚拟储能容量和空调虚拟储能荷电状态，并根据室外温度修正空调虚拟储能容量；

7、s5、以微电网运行成本最低和人体热舒适性最优为目标，建立微电网能量管理目标函数，微电网能量管理目标函数包括经济性目标函数和热舒适性目标函数；

8、s6、设置约束条件，约束条件包括电功率平衡约束、设备功率上下限约束、状态互斥约束、储能装置容量约束和室内温度约束，将空调设定温度限制在舒适温度区间内；以微电网能量管理目标函数和约束条件构成协同调度模型；

9、s7、求解协同调度模型，输出各时段购售电功率、储能装置充放电功率和空调设定温度，完成微电网虚拟储能协同调度。

10、优选的，s2中，光伏发电功率模型包括光照强度概率模型、光伏电池表面温度模型和光伏输出功率模型；

11、光照强度概率模型为：

12、；

13、光伏电池表面温度模型为：

14、；

15、光伏输出功率模型为：

16、；

17、式中，为光照强度，为最大光照强度，、为beta分布形状参数，为伽马函数，为光伏电池表面温度，为环境温度，为环境风速，为光伏发电功率，为光伏功率因数，为光伏额定功率，为标准测试光照强度，为功率温度系数，为标准测试温度。

18、优选的，s3中，储能装置模型包括蓄电池模型和超级电容器模型；

19、蓄电池模型的空载电压和端电压为：

20、；

21、蓄电池的电量为：

22、；

23、蓄电池的荷电状态为：

24、；

25、超级电容器模型的端电压为：

26、；

27、超级电容器的储能量为：

28、；

29、超级电容器的有效容量为：

30、；

31、超级电容器的荷电状态为：

32、；

33、式中，为空载电压，为内电势，为蓄电池总电量，为已流过电量，为极化电压系数，为指数区压降系数，为蓄电池内阻，为蓄电池端电压，为蓄电池电量，为蓄电池充放电电流，为蓄电池荷电状态，为蓄电池剩余容量，为蓄电池额定容量，为超级电容器端电压，为超级电容器理想电压，为超级电容器电流，为超级电容器等效串联内阻，为超级电容器储能量，为超级电容器电容值，为超级电容器有效容量，为超级电容器初始容量，为超级电容器最大工作电压，为超级电容器最小工作电压。

34、优选的，s4中，房间温度热力学方程为：

35、；

36、式中，为室内温度，为室外温度，为空调制冷量，为建筑等效热容，为建筑等效热阻。

37、优选的，s4中，空调电功率模型包括空调电功率与制冷量的关系、稳态空调电功率计算和空调启停控制规则；

38、空调电功率与制冷量的关系为：

39、；

40、当室内温度保持不变时，空调电功率根据室外温度与室内温度之差计算：

41、；

42、空调启停控制规则为：

43、当时，；

44、当时，；

45、式中，为空调电功率，为空调制冷量，为空调能效比，为空调额定功率，为空调设定温度，为室内温度，为室外温度，为建筑等效热阻。

46、优选的，s4中，计算空调虚拟储能容量和空调虚拟储能荷电状态包括：

47、根据房间温度变化量计算热量变化：

48、；

49、时刻空调虚拟储电量为：

50、；

51、空调虚拟储能的额定储电量为：

52、；

53、空调虚拟储能的荷电状态为：

54、；

55、根据室外温度修正空调虚拟储能容量：

56、；

57、式中，为热量变化，为变化后房间温度，为初始房间温度，为时刻空调虚拟储电量，为舒适温度区间上限，为舒适温度区间下限，为空调虚拟储能额定储电量，为空调虚拟储能荷电状态，为修正后空调虚拟储能容量，为室外温度，为建筑等效热容，为空调能效比。

58、优选的，s5中，经济性目标函数为：

59、；

60、其中，为购售电成本：

61、；

62、为储能装置充放电成本：

63、；

64、为运行维护成本：

65、；

66、式中，为购电电价，为售电电价，为购电标志，为售电标志，为购电功率，为售电功率，为充电成本系数，为放电成本系数，为充电标志，为放电标志，为充电功率，为放电功率，为光伏维护成本系数，为空调维护成本系数，为光伏发电功率，为空调电功率，为空调启停标志，为调度时段长度，

t为调度时段索引，为调度周期内所有时段的集合。

67、优选的，s5中，热舒适性目标函数通过人体热感觉预测指标表征，人体热感觉预测指标为：

68、；

69、式中，为时刻人体热感觉预测指标，为空调设定温度，为室内温度，为人体能量代谢率，为服装热阻；

70、热舒适性目标函数为：

71、；

72、式中，为热舒适性目标函数，为罚因子，为调度周期内所有时段的集合；

73、微电网能量管理目标函数为：

74、；

75、式中，为总目标函数值，为经济性目标函数。

76、优选的，s6中，电功率平衡约束为：

77、；

78、设备功率上下限约束包括：

79、光伏发电功率约束：

80、；

81、购电功率约束：

82、；

83、售电功率约束：

84、；

85、储能装置充电功率约束：

86、；

87、储能装置放电功率约束：

88、；

89、空调功率约束：

90、；

91、式中，为光伏发电功率，为储能装置充电功率，为储能装置放电功率，为充电标志，为放电标志，为购电功率，为售电功率，为购电标志，为售电标志，为空调电功率，为空调启停标志，为负荷功率，表示对应功率下限，表示对应功率上限。

92、优选的，s6中，所述状态互斥约束为：

93、；

94、；

95、储能装置容量约束为：

96、；

97、室内温度约束为：

98、；

99、式中，、分别为充电标志和放电标志，、分别为购电标志和售电标志，为储能装置荷电状态，为荷电状态下限，为荷电状态上限，为容量调节参数，为空调设定温度，为舒适温度区间下限，为舒适温度区间上限。

100、因此，本发明采用上述一种基于温度约束的微电网虚拟储能协同调度方法，达到了以下技术效果：

101、（1）将空调-建筑系统等效为虚拟储能参与微电网优化调度，利用建筑蓄热特性进行“充放电”管理，削峰填谷，显著降低微电网从大电网购电成本和整体运行费用。

102、（2）虚拟储能释放的等效电量可有效满足部分需求侧负荷，平抑功率波动，使微电网与大电网之间的供需匹配更加稳定，提升微电网运行的可靠性。

103、（3）将空调设定温度严格限制在人体舒适温度区间内，在保证用户热舒适性的前提下实现节能降耗，避免了单纯追求经济性而牺牲用户体验的弊端。

104、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。