CN108258710A - 一种计及电池容量衰减的电池储能系统优化配置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种计及电池容量衰减的电池储能系统优化配置方法，通过建立用户侧电力系统潮流模型和最优化配置模型，来进行电池储能系统的额定容量及额定功率的最优化配置，用户侧电力系统潮流模型包括离散时间模型、电池储能系统模型、并网点功率模型、电池储能系统容量衰减模型；最优化配置模型的优化目标为最大化电池储能系统的经济效益；本发明通过将电池储能系统的容量衰减成本考虑在内，以提高对优化配置方案的经济效益评估的准确性，从而得出更为合理的配置方案。

Description

一种计及电池容量衰减的电池储能系统优化配置方法
技术领域
本发明涉及用户侧分布式储能应用技术领域，尤其涉及一种计及电池容量衰减的电池储能系统优化配置方法。
背景技术
能源危机和环境问题制约着我国经济社会的可持续发展，而能源结构调整是解决此问题的长期路径。储能技术由于可改变电能属性，解决可再生能源的不确定性，被认为是能源互联网和智能电网的重要组成部分。用户侧电池储能系统是安装于配网侧或终端电力用户的分布式储能装置，可提供削峰填谷、可再生能源配比、后配电源等功能，提高供电质量及可靠性，同时带来经济效益。
对电池储能系统的额定容量和额定功率的配置进行优化非常重要，优化配置是为了保证电池储能系统与用户的用电规模相匹配，使电池储能系统在投入运行后，实现更佳的经济效益，不易出现容量、功率的缺配、超配情况。
在现有的电池储能系统优化配置方法中，虽然大部分考虑了电池储能系统带来的收益和电池储能系统的投资及运维成本，但是却很少有考虑电池储能系统在运行期间的容量衰减所造成的收益损失，导致对电池储能系统的经济效益评估的准确性不高，难以进一步提高配置方案的合理性。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种计及电池容量衰减的电池储能系统优化配置方法，用于在规划阶段中，对用户侧电池储能系统进行额定容量及额定功率的优化配置，该方法将电池储能系统的容量衰减成本考虑在内，以提高对电池储能系统的经济效益评估的准确性，从而得到更加合理的配置方案。
本发明的目的采用如下技术方案实现：
一种计及电池容量衰减的电池储能系统优化配置方法，包括以下步骤：
建立用户侧电力系统潮流模型，所述用户侧电力系统潮流模型包括电池储能系统模型、并网点功率模型以及电池储能系统容量衰减模型；所述电池储能系统模型用于模拟电池储能系统的运行状态；所述并网点功率模型用于计算用户侧电力系统的并网点功率；所述电池储能系统容量衰减模型，用于计算电池储能系统的容量衰减量；
建立最优化配置模型，所述最优化配置模型用于对电池储能系统进行额定容量及额定功率的最优化配置；所述最优化配置模型包括目标函数和约束条件，所述目标函数的函数值为电池储能系统的经济效益，优化目标为最大化电池储能系统的经济效益，所述函数值的计算涉及电池储能系统的容量衰减成本、电池储能系统的投资及运维成本、以及电池储能系统的收益；所述约束条件包括对电池储能系统的运行状态的约束、以及对用户侧电力系统的并网点功率的约束；
求解所述最优化配置模型。
进一步地，所述用户侧电力系统潮流模型还包括离散时间模型；
所述离散时间模型包括：将预设的目标时间段划分为Ns个等长的时隙，以构成用于表示所述目标时间段的时隙集合Ty＝{1,2,…,Ns}；
所述电池储能系统模型包括：假设经过时隙t时，电池储能系统的荷电状态为EB(t)，对电网的注入功率为PB(t)，那么
其中t,v∈Ty，表示电池储能系统的初始荷电状态，τ表示每一时隙的时间长度，表示电池储能系统的额定容量，ρB(x)用于计算电池储能系统在对电网的注入功率为x时的充放电效率，并且
其中，表示电池储能系统的充电效率，表示电池储能系统的放电效率；
所述并网点功率模型包括：假设经过时隙t时，用户侧电力系统的并网点功率为PC(t)，那么PC(t)＝PL(t)-PB(t)，其中PL(t)表示用户侧电力系统的负荷。
进一步地，所述电池储能系统容量衰减模型包括：假设电池储能系统在时隙集合Ty内的容量衰减量为充放电循环周期数为ncy，并且假设电池储能系统以最大放电深度DB运行时，每个充放电循环造成的电池储能系统的容量衰减比例为βcy，那么
进一步地，所述经济效益为电池储能系统在时隙集合Ty内的利润FP，那么
FP＝max{fe-gD-gI}
其中fe表示电池储能系统在时隙集合Ty内的收益，gD表示电池储能系统在时隙集合Ty内的容量衰减成本，gI表示电池储能系统在时隙集合Ty内的投资及运维成本；对于电池储能系统在时隙集合Ty内的收益fe，假设在时隙t内的用电价格为Se(t)，那么
对于电池储能系统的容量衰减成本gD，假设电池储能系统的单位容量补足成本为Sr，那么
对于电池储能系统的投资及运维成本gI，假设电池储能系统的单位容量初始投资成本为Sc，单位功率初始投资成本为Sp，电池储能系统的额定功率为电池储能系统在时隙集合Ty内的投资成本相对初始投资成本的系数为k，电池储能系统在时隙集合Ty内的运维成本相对初始投资成本的系数为λ，那么
进一步地，所述对电力储能系统的运行状态的约束，它包括对电池储能系统的荷电状态的约束、以及对电池储能系统的注入功率的约束；所述约束条件还包括对电池储能系统的充放电循环周期数的约束；
所述对电池储能系统的荷电状态的约束为：假设为电池储能系统的荷电状态的上限，那么
所述对电池储能系统的注入功率的约束为：
所述对电池储能系统的充放电循环周期数的约束为：假设当以最大放电深度运行时，电池储能系统在时隙集合Ty内可用的充放电循环周期总数为那么
所述对用户侧电力系统并网点功率的约束为：假设并网点的变压器容量限制为那么
进一步地，所述目标时间段的时间长度为一年。
进一步地，假设电池储能系统计划运行ms年，那么假设当以最大放电深度运行时，电池储能系统在全寿命内可用的充放电循环周期总数为那么
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明所提供的计及电池容量衰减的电池储能系统优化配置方法，其用户侧电力系统潮流模型用于为最优化配置模型的目标函数和约束条件的表达式提供依据；
本发明所提供的计及电池容量衰减的电池储能系统优化配置方法，用于对额定容量和额定功率进行最优化配置，该方法包括建立用户侧电力系统潮流模型，其包括电池储能系统模型、并网点功率模型以及电池储能系统容量衰减模型，该电池储能系统模型用于模拟电池储能系统在该目标时间段内的运行状态，该并网点功率模型用于计算用户侧电力系统的并网点功率，该电池储能系统容量衰减模型用于计算电池储能系统在该目标时间段内的容量衰减量；
建立最优化配置模型时，该最优化配置模型用于对电池储能系统进行额定容量及额定功率的最优化配置；该最优化配置模型包括目标函数和约束条件，目标函数的函数值为电池储能系统的经济效益，优化目标为最大化电池储能系统的经济效益，其中函数值的计算涉及电池储能系统在目标时间段内的容量衰减成本、电池储能系统的投资及运维成本、以及电池储能系统的收益；
为了方便描述本发明的原理，将该容量衰减成本记为gD、该投资及运维成本记为gI、该电池储能系统的收益记为fe、该目标函数值记为FP、该额定容量记为该额定功率记为那么根据本发明的方法，建立有函数关系为FP：＝max(fe,gD,gI)；
那么为了求解出最优的额定容量和额定功率，需要该目标函数的设计变量包括有额定容量和额定功率；那么只需在计算fe、gD、或gI时，将其与额定容量和/或额定功率相关联即可；例如计算投资及运维成本gD时，将gD与额定容量和额定功率相关联，即那么
在该最优化配置模型中，其约束条件包括对电池储能系统的运行状态的约束、以及对用户侧电力系统的并网点功率的约束，其中电池储能系统模型、并网点功率模型为该约束条件提供相关的参数；
最后，求解最优化配置模型时，可通过选取合适的优化求解器对最优化配置模型进行程序代码实现及求解，根据求解结果选取电池储能系统的额定容量及额定功率的最优化配置方案，也就是说通过求解该最优化配置模型，以得到取得最大化经济效益时的额定容量和额定功率的配置值；本发明的方法通过将电池储能系统的容量衰减成本考虑在内，以提高对电池储能系统的经济效益评估的准确性，从而得到更为合理的配置方案。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的计及电池容量衰减的电池储能系统优化配置方法的流程图；
图2为本实施例中应用图1所示方法的用户侧电力系统的结构示意图；
图3示出了本实施例中所采用的其中一天的电价曲线、这一天的符合曲线、以及最优化配置模型求解结果对应这一天的并网点功率曲线。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
图1所示，为本发明较佳实施例的计及电池容量衰减的电池储能系统优化配置方法的流程图；图2所示，本实施例中应用该方法的用户侧电力系统的结构示意图。本实施例的计及电池容量衰减的电池储能系统优化配置方法，其用于对电池储能系统进行额定容量及额定功率的最优化配置，该方法包括以下步骤：
S1、建立离散时间模型，具体可通过计算机程序来实现该离散事件模型，该离散时间模型包括：将预先设定的目标时间段划分为Ns个等长时隙，每一时隙的时间长度为τ，以构成用于表示预设的目标时间段的时隙集合Ty＝{1,2,…,Ns}；其中该目标时间段的时间长度为Ns与τ的乘积；而且在本实施例中，该目标时间段的时间长度为一年，该电池储能系统的计划运行年份数量为ms；
S2、建立电池储能系统模型，用于模拟电池储能系统的运行状态，可通过计算机程序来实现该电池储能系统模型，该电池储能模型包括：假设经过时隙t时，电池储能系统的荷电状态为EB(t)，对电网的注入功率为PB(t)，那么
其中t,v∈Ty，表示电池储能系统的初始荷电状态，τ表示每一时隙的时间长度，表示电池储能系统的额定容量，ρB(x)用于计算电池储能系统在对电网的注入功率为x时的充放电效率，并且
其中，表示电池储能系统的充电效率，表示电池储能系统的放电效率；
S3、建立并网点功率模型，用于计算用户侧电力系统的并网点功率，具体可通过计算机程序来实现该并网点功率模型，该并网点功率模型包括：假设经过时隙t时，用户侧电力系统的并网点功率为PC(t)，那么PC(t)＝PL(t)-PB(t)，其中PL(t)表示用户侧电力系统的负荷；
S4、建立电池储能系统容量衰减模型，用于计算电池储能系统的容量衰减量，具体可通过计算机程序来实现该电池储能系统容量衰减模型，该电池储能系统容量衰减模型包括：假设电池储能系统在时隙集合Ty内的容量衰减量为充放电循环周期数为ncy，并且假设电池储能系统以最大放电深度DB运行时，每个充放电循环造成的电池储能系统的容量衰减比例为βcy，那么
S5、建立最优化配置模型，该最优化配置模型用于对电池储能系统进行额定容量及额定功率的最优化配置，具体可以通过计算机程序来实现该最优化配置模型，该最优化配置模型包括：目标函数和约束条件，目标函数的函数值为电池储能系统在时隙集合Ty内的利润FP，那么
FP＝max{fe-gD-gI}
其中fe表示电池储能系统在时隙集合Ty内的收益，gD表示电池储能系统在时隙集合Ty内的容量衰减成本，gI表示电池储能系统在时隙集合Ty内的投资及运维成本；对于电池储能系统在时隙集合Ty内的收益fe，假设在时隙t内的用电价格为Se(t)，那么
对于电池储能系统的容量衰减成本gD，假设电池储能系统的单位容量补足成本为Sr，那么
对于电池储能系统的投资及运维成本gI，假设电池储能系统的单位容量初始投资成本为Sc，单位功率初始投资成本为Sp，电池储能系统的额定功率为电池储能系统在时隙集合Ty内的投资成本相对初始投资成本的系数为k，电池储能系统在时隙集合Ty内的运维成本相对初始投资成本的系数为λ，那么实际上，在本实施例中由于时隙集合Ty表示了一年的时间，所以这里的利润FP指的是电池储能系统的年利润；并且也就是将初始投资成本分摊到这ms年中的每一年；
在本实施例中，该优化配置模型的约束条件包括对电力储能系统的运行状态的约束，该对电力储能系统的运行状态的约束，它包括对电池储能系统的荷电状态的约束、以及对电池储能系统的注入功率的约束；该优化配置模型的约束条件还包括对电池储能系统的充放电循环周期数的约束、以及对用户侧电力系统的并网点功率的约束；
对电池储能系统的荷电状态的约束为：假设为电池储能系统的荷电状态的上限，那么
对电池储能系统的注入功率的约束为：
对电池储能系统的充放电循环周期数的约束为：假设当以最大放电深度运行时，电池储能系统在时隙集合Ty内可用的充放电循环周期总数为那么在这里假设当以最大放电深度运行时，电池储能系统在全寿命内可用的充放电循环周期总数为那么
对用户侧电力系统并网点功率的约束为：假设并网点的变压器容量限制为那么
S6、模型参数设置：需要设置数值的模型参数如表1所示：
表1.需要设置数值的模型参数
S7、用电价格及负荷数据输入：输入用电价格数据{Se(t)|t∈Ty}，以及负荷数据{PL(t)|t∈Ty}；
S8、求解该最优化配置模型：应用合适的线性规划求解器对最优化配置模型进行求解，求得电池储能系统的额定容量的最优解额定功率的最优解对电网注入功率{PB(t)|t∈Ty}的最优解以及对应的电池储能系统的年利润最大值
S9、电池储能系统优化配置方案输出：输出经济性最优化配置方案，包括电池储能系统的额定容量的配置值额定功率的配置值以及电池储能系统的年利润参考值
在本实施例中，离散时间模型、电池储能系统模型、并网点功率模型以及电池储能系统容量衰减模型组合起来可构成用于模拟用户侧电力系统的运行状态的用户侧电力系统潮流模型，例如当电池储能系统的初始配置、负荷数据等条件已经被设定的情况下，可以通过该用户侧电力系统潮流模型计算用户侧电力系统在运行期间的运行状态。
在本实施例的步骤S2中，注入功率PB(t)，当PB(t)>0时，表示电池储能系统放电；当PB(t)<0时，表示电池储能系统放电。
在本实施例的步骤S3中，PC(t)>PL(t)时，表示电池储能系统充电；PC(t)<PL(t)时，表示电池储能系统放电。
在本实施例的步骤S5中，关于最优化配置模型的约束条件：
约束是为了防止电池储能系统过度放电或过度充电，所以需要对电池储能系统的荷电状态设定上限和下限。
约束表明电池储能系统对电网的注入功率不超过电池储能系统的额定功率。
约束因为电池储能系统的容量衰减到一定程度，电池储能系统将不能继续使用，所以添加了该约束。
下面结合一组算例来描述本实施例，表1的部分模型参数设置如表2所示。
表2.模型参数设置
在本算例中，电池储能系统的计划运行年份数ms设置三种情形，分别设置ms为6年、8年、11年；
用电价格采用广东省珠海市现行的1-10千伏大工业峰谷平电度电价收费标准，如表3所示；
表3.用电价格
本算例的负荷数据取自广东省珠海市某工业企业2016年的用电负荷数据，由于数据量很多，不方便展示，而且也不会影响对本算例的理解，所以在这里没有具体展示出来。
求解最优化配置模型之后，得到电池储能系统的优化配置方案，如表4所示；
表4.电池储能系统的优化配置方案
图3所示，展示了目标时间段其中一天的电价曲线、该天的负荷曲线、求解结果对应该天的并网点功率曲线；在低谷电价时段，并网点功率高于负荷，表明电池储能系统在此时段充电；在高峰电价时段，并网点功率低于负荷，表明电池储能系统在此时段放电。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种计及电池容量衰减的电池储能系统优化配置方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立用户侧电力系统潮流模型，所述用户侧电力系统潮流模型包括电池储能系统模型、并网点功率模型以及电池储能系统容量衰减模型；所述电池储能系统模型用于模拟电池储能系统的运行状态；所述并网点功率模型用于计算用户侧电力系统的并网点功率；所述电池储能系统容量衰减模型，用于计算电池储能系统的容量衰减量；
建立最优化配置模型，所述最优化配置模型用于对电池储能系统进行额定容量及额定功率的最优化配置；所述最优化配置模型包括目标函数和约束条件，所述目标函数的函数值为电池储能系统的经济效益，优化目标为最大化电池储能系统的经济效益，所述函数值的计算涉及电池储能系统的容量衰减成本、电池储能系统的投资及运维成本、以及电池储能系统的收益；所述约束条件包括对电池储能系统的运行状态的约束、以及对用户侧电力系统的并网点功率的约束；
求解所述最优化配置模型。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述用户侧电力系统潮流模型还包括离散时间模型；
所述离散时间模型包括：将预设的目标时间段划分为Ns个等长的时隙，以构成用于表示所述目标时间段的时隙集合Ty＝{1,2,…,Ns}；
所述电池储能系统模型包括：假设经过时隙t时，电池储能系统的荷电状态为EB(t)，对电网的注入功率为PB(t)，那么
其中t,v∈Ty，表示电池储能系统的初始荷电状态，τ表示每一时隙的时间长度，表示电池储能系统的额定容量，ρB(x)用于计算电池储能系统在对电网的注入功率为x时的充放电效率，并且
其中，表示电池储能系统的充电效率，表示电池储能系统的放电效率；
所述并网点功率模型包括：假设经过时隙t时，用户侧电力系统的并网点功率为PC(t)，那么PC(t)＝PL(t)-PB(t)，其中PL(t)表示用户侧电力系统的负荷。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电池储能系统容量衰减模型包括：假设电池储能系统在时隙集合Ty内的容量衰减量为充放电循环周期数为ncy，并且假设电池储能系统以最大放电深度DB运行时，每个充放电循环造成的电池储能系统的容量衰减比例为βcy，那么
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述经济效益为电池储能系统在时隙集合Ty内的利润FP，那么
FP＝max{fe-gD-gI}
其中fe表示电池储能系统在时隙集合Ty内的收益，gD表示电池储能系统在时隙集合Ty内的容量衰减成本，gI表示电池储能系统在时隙集合Ty内的投资及运维成本；对于电池储能系统在时隙集合Ty内的收益fe，假设在时隙t内的用电价格为Se(t)，那么
对于电池储能系统的容量衰减成本gD，假设电池储能系统的单位容量补足成本为Sr，那么
对于电池储能系统的投资及运维成本gI，假设电池储能系统的单位容量初始投资成本为Sc，单位功率初始投资成本为Sp，电池储能系统的额定功率为电池储能系统在时隙集合Ty内的投资成本相对初始投资成本的系数为k，电池储能系统在时隙集合Ty内的运维成本相对初始投资成本的系数为λ，那么
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对电力储能系统的运行状态的约束，它包括对电池储能系统的荷电状态的约束、以及对电池储能系统的注入功率的约束；所述约束条件还包括对电池储能系统的充放电循环周期数的约束；
所述对电池储能系统的荷电状态的约束为：假设为电池储能系统的荷电状态的上限，那么
所述对电池储能系统的注入功率的约束为：
所述对电池储能系统的充放电循环周期数的约束为：假设当以最大放电深度运行时，电池储能系统在时隙集合Ty内可用的充放电循环周期总数为那么
所述对用户侧电力系统并网点功率的约束为：假设并网点的变压器容量限制为那么
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述目标时间段的时间长度为一年。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，假设电池储能系统计划运行ms年，那么假设当以最大放电深度运行时，电池储能系统在全寿命内可用的充放电循环周期总数为那么
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