CN109558984A - 一种主动配电网分布式储能系统双目标混合优化规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种主动配电网分布式储能系统双目标混合优化规划方法，针对分布式储能系统平抑功率波动的效果和经济效益，分别设计了直接优化目标和间接优化目标；通过无量纲化处理将上述两个最优目标整合在一起，并通过相对比较法和熵权法确定两个最优目标整合时各自的权重；通过加权求和的方式，构成分布式储能系统的双目标混合优化规划模型。本发明实现简单，易于求解，能够充分整合主动配电网中分布式储能系统接入的各方面性能，有助于分布式储能系统在主动配电网中的规划建设以及分布式储能系统的应用普及。
Description
技术领域
本发明涉及一种储能设备规划方法，具体是一种分布式储能系统在主动配电网中用于平抑有功功率波动的规划方法。
背景技术
随着新能源发电的快速发展，越来越多的基于新能源发电的分布式发电系统接入传统电网。这种趋势使得传统的配电网向主动配电网过渡。主动配电网是一种具有多种分布式发电系统和自调节能力的新型配电网。主动配电网最重要的特点是能够与上级配电网协同运行，主动调整其运行状态。为了实现这样的功能，分布式储能系统的接入被认为是一种有效的方法。分布式储能系统在抑制功率波动、平衡网络潮流、实现供需平衡等方面发挥着理想的作用，成为当前电力系统研究的热点。
主动配电网的主要问题之一是有功功率的波动。在传统的配电网中，负荷波动程度不同，需要通过负荷预测来调度注入功率。在主动配电网中，由于风力发电机、光伏发电机等可再生分布式发电系统受到环境因素的影响，具有很强的间歇性和波动性，使得网络的功率波动更加严重且难以预测。这种强烈的波动将导致配电网的供需失衡，将对配电网和上层输电网的有功功率和频率产生不利影响。分布式储能系统的快速充/放电能力，在主动配电网的有功功率波动抑制中有很好的应用。然而，分布式储能系统的规划问题本质上是一个多目标、多变量、非线性的复杂优化问题，当前相关领域的研究对复杂优化问题的求解能力考虑不足，分布式储能系统各方面性能的评价指标尚需进一步研究，多个优化目标的整合规划方法不够完善，分布式储能系统的规划问题仍有很大的研究空间。
发明内容
为了克服现有配电网分布式储能系统规划研究成果中模型复杂难以求解，指标单一考察不全面，以及多目标整合能力差等缺陷，本发明提供一种主动配电网分布式储能系统双目标混合优化规划方法，针对分布式储能系统平抑功率波动的效果和经济效益，分别设计了直接优化目标和间接优化目标。通过无量纲化处理将上述两个最优目标整合在一起，并通过相对比较法和熵权法确定两个最优目标整合时各自的权重。
本发明提供的主动配电网分布式储能系统双目标混合优化规划方法，针对分布式储能系统平抑主动配电网有功功率波动的问题，并应用于满足以下特征的主动配电网：(1)配电网中接入分布式风力发电、分布式光伏发电、微型燃气轮机等分布式发电系统；(2)配电网能够实现与上级输电网络的电能双向流动，即配电网可以接受上级输电网提供的电能，也能将配电网中由分布式发电系统产生的电能回馈给上级输电网。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：(1)根据配电网历史数据，评估分布式储能系统平抑配电网有功功率波动能力，作为分布式储能规划的直接目标；(2)分析分布式储能系统的建设成本与运行收益，评估分布式储能系统平抑配电网有功功率波动的经济效益，作为分布式储能规划的间接目标；(3)对分布式储能规划的直接目标与间接目标进行无量纲化处理，综合考察直接目标与间接目标的优化结果；(4)分别求取无量纲直接目标与间接目标的权重系数，通过加权求和得到分布式储能系统的双目标混合优化规划。
上述步骤(1)中分布式储能系统平抑配电网有功功率波动能力，是根据考察时段内配电网有功功率的方差评估的；上述直接优化目标函数表示为：
上述T为考察时间范围；Pi为时段i内全网有功功率波动：
上述N为主动配电网中节点数量；PLij为时段i内节点j的负荷功率；PDij为时段i内接入节点j的分布式发电输出功率；μj为标示节点j是否有分布式储能系统接入的二值变量；PEij为时段i内接入节点j的分布式储能系统的充/放电功率；为配电网各节点有功功率波动的平均值：
上述直接优化目标函数中，优化变量为μj与PEij；μj＝1表示节点j有分布式储能系统接入，μj＝0表示节点j没有分布式储能系统接入；PEij＞0表示时段i内接入节点j的分布式储能系统处于放电状态，PEij＜0表示时段i内接入节点j的分布式储能系统处于充电状态。
上述步骤(2)中分布式储能系统平抑配电网有功功率波动的经济效益，是根据分布式储能系统的建设成本与运行收益综合评估的；上述间接优化目标函数表示为：
上述CI与CM为分布式储能系统安装与运行维护的单位成本系数，CP为分布式储能系统平滑有功功率波动的单位利润系数；上述间接优化目标函数中，优化变量仍为μj与PEij。
上述步骤(1)与(2)中直接优化目标与间接优化目标的约束条件包括：
①有功功率平衡约束：
上述PGi为时段i内上级输电网向配电网的注入功率，Ploss,i为时段i内配电网总功率损耗；
②分布式储能系统充/放电功率约束：
PEij,min≤|PEij|≤PEij,max (6)
上述PEij,min和PEij,max为分布式储能系统充/放电功率的下限和上限；
③分布式储能系统充/放电功率变化约束：
上述ΔPE,min和ΔPE,max为分布式储能系统充/放电功率变化的下限和上限；
④分布式储能系统接入数量约束：
上述μmax为主动配电网中分布式储能系统的最大允许接入数量。
上述步骤(3)中分布式储能规划直接目标与间接目标的无量纲化处理，是通过极差转化法实现的；上述极差转化法的计算公式为：
上述fk,max和fk,min为优化目标fk的最大值和最小值；为优化目标fk的无量纲计算值。
上述步骤(4)中无量纲直接目标与间接目标的权重系数，是通过主观权重与客观权重相结合的组合加权法计算的。
上述主观权重是通过相对比较法计算得到的，对两个优化目标按三级比例标度比较评分，分值为：
上述优化目标的主观权重为：
上述客观权重是通过熵权法计算得到的，对一组优化结果进行归一化处理：
优化目标的熵值为：
定义差异系数：
gj＝1-ej (14)
上述优化目标的客观权重为：
上述直接优化目标与间接优化目标的主观权重与客观权重的组合权重可以计算为：
ωi＝αωsi+(1-α)ωoi,i＝1,2 (16)
上述α为偏好权重，反映了规划过程对主观赋权与客观赋权的偏好程度。
本发明的有益效果是，通过无量纲化处理与加权求和，将多目标问题转化为单目标问题，简化了优化模型，降低了模型求解难度；分别从分布式储能系统平抑有功功率波动的效果及经济效益两个方面设计优化目标，充分考虑了分布式储能系统接入的直接效益与间接效益，避免了分布式储能系统规划的片面分析；采用组合赋权法，在求解直接与间接目标权重时，充分考虑了主观经验与客观指标，能够同时满足性能需求与调度安排。上述主动配电网分布式储能系统双目标混合优化规划方法，实现简单，易于求解，能够充分整合主动配电网中分布式储能系统接入的各方面性能，有助于分布式储能系统在主动配电网中的规划建设以及分布式储能系统的应用普及。
附图说明
图1为根据本发明实施例的一种主动配电网分布式储能系统双目标混合优化规划方法原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本发明提供一种主动配电网分布式储能系统双目标混合优化规划方法，针对分布式储能系统平抑功率波动的效果和经济效益，分别设计了直接优化目标和间接优化目标；通过无量纲化处理将上述两个最优目标整合在一起，并通过相对比较法和熵权法确定两个最优目标整合时各自的权重。
本发明针对分布式储能系统平抑主动配电网有功功率波动的问题，并应用于满足以下特征的主动配电网：
(1)配电网中接入分布式风力发电、分布式光伏发电、微型燃气轮机等分布式发电系统；
(2)配电网能够实现与上级输电网络的电能双向流动，即配电网可以接受上级输电网提供的电能，也能将配电网中由分布式发电系统产生的电能回馈给上级输电网。
图1所示为本发明实施例的一种主动配电网分布式储能系统双目标混合优化规划方法原理图，包括：
(1)根据配电网历史数据，评估分布式储能系统平抑配电网有功功率波动能力，作为分布式储能规划的直接目标；
(2)分析分布式储能系统的建设成本与运行收益，评估分布式储能系统平抑配电网有功功率波动的经济效益，作为分布式储能规划的间接目标；
(3)对分布式储能规划的直接目标与间接目标进行无量纲化处理，综合考察直接目标与间接目标的优化结果；
(4)分别求取无量纲直接目标与间接目标的权重系数，通过加权求和得到分布式储能系统的双目标混合优化规划。
分布式储能系统的灵活充放电能力可以有效地解决主动配电网中有功功率波动的问题。主动配电网的最优规划需要考虑分布式储能系统的位置和容量。本发明构建的最优目标来自于两个方面：直接目标为有功功率波动的平抑效果，而间接目标为分布式储能系统的总成本。
分布式储能系统接入配电网后，配电网的有功功率波动水平直接反映了分布式储能系统抑制有功功率波动的能力。因此，本发明的直接优化目标可以表示为分布式储能系统接入后配电网中每个节点的有功功率波动的方差：
上述T为考察时间范围；Pi为时段i内全网有功功率波动：
上述N为主动配电网中节点数量；PLij为时段i内节点j的负荷功率；PDij为时段i内接入节点j的分布式发电输出功率；μj为标示节点j是否有分布式储能系统接入的二值变量；PEij为时段i内接入节点j的分布式储能系统的充/放电功率；为配电网各节点有功功率波动的平均值：
上述直接优化目标函数中，优化变量为μj与PEij；μj＝1表示节点j有分布式储能系统接入，μj＝0表示节点j没有分布式储能系统接入；PEij＞0表示时段i内接入节点j的分布式储能系统处于放电状态，PEij＜0表示时段i内接入节点j的分布式储能系统处于充电状态。通过上述最优充放电有功功率可以计算出分布式储能系统的最优容量。
在满足分布式储能系统的性能要求时，也应注意分布式储能系统的建设成本。除分布式储能系统的安装和运行维护费用外，平滑有功功率波动的效果也应转化为总利润进行考察。本发明为了便于两个优化目标的集成，在间接目标中同样选择μj和PEij作为优化变量。上述间接优化目标函数表示为：
上述CI与CM为分布式储能系统安装与运行维护的单位成本系数，CP为分布式储能系统平滑有功功率波动的单位利润系数。
上述直接优化目标与间接优化目标的约束条件包括：
①有功功率平衡约束：
上述PGi为时段i内上级输电网向配电网的注入功率，Ploss,i为时段i内配电网总功率损耗；
②分布式储能系统充/放电功率约束：
PEij,min≤|PEij|≤PEij,max (22)
上述PEij,min和PEij,max为分布式储能系统充/放电功率的下限和上限；
③分布式储能系统充/放电功率变化约束：
上述ΔPE,min和ΔPE,max为分布式储能系统充/放电功率变化的下限和上限；
④分布式储能系统接入数量约束：
上述μmax为主动配电网中分布式储能系统的最大允许接入数量。
同时，为了计算分布式储能系统容量，其充电状态(SOC)也应纳入考察。上述SOC是分布式储能系统的一个重要参数，反映了其当前的电量。上述电池充电状态的表达式为：
上述SOCij为时段i内接入节点j的分布式储能系统的SOC；EDESS,j为接入节点j的分布式储能系统的容量。
上述SOC应满足以下约束条件：
0＜SOCij,min≤SOCij≤SOCij,max＜1 (26)
上述SOCij,min和SOCij,max分别是出于安全考虑，SOCij的下限和上限，两者都是0到1之间的自然数。
为了均衡分布式储能系统对有功功率波动的平抑效果和成本，提出了上述分布式储能系统规划的直接目标和间接目标。本发明建立一个双目标混合优化目标，共同实现上述功能，其形式为：
minF＝min{f1,f2} (27)
显然直接与间接目标具有不同的量纲，不可能通过直接求和得到混合目标函数。因此，需要对两个优化目标进行无量纲化处理。此外，效用和成本之间的权衡往往是相互矛盾的。根据不同的需求，有必要对两个优化目标赋予不同的权重。因此，本发明提出的双目标混合优化目标应具有以下形式：
上述f1*和分别为原优化目标f1和f2对应的无量纲化目标；ω1和ω2分别为优化目标f1*和的权重。
本发明对直接目标与间接目标的无量纲化处理，是通过极差转化法实现的。极差不仅可以代表对象的取值范围，还可以测量对象值的变化。上述极差转化法的计算公式为：
上述fk,max和fk,min为优化目标fk的最大值和最小值；为优化目标fk的无量纲计算值。极差转化法使无量纲的优化目标f1*和具有0到1的取值范围，且构成逆向指标，即对象趋向最优时，无量纲目标的值趋向0。
本发明为了充分考虑实际需要及对象特性，提出了双目标混合优化的组合赋权法来确定上述两个优化目标的权重。上述组合赋权法是主观赋权法与客观赋权法的加权和。上述主观赋权法基于决策者的经验和需求，而客观赋权法基于原始数据之间的关系。
上述主观赋权通过相对比较法来实现。根据三级比例标度进行两个优化目标的比较评价，再将各优化目标的评分值求和得到评分总和，最后归一化处理得到各优化目标的主观权重。上述三级比例标度的分值为：
基于上述评分可以构造两个优化目标的评价矩阵：
上述优化目标的主观权重为：
上述客观赋权通过熵权法来实现。熵是测量一个系统不确定性的量。信息量越大，不确定性就越小，熵也越小；反之亦然。对于上述两个优化目标，计算得到一组结果数值f＝(fij)m×2。对其进行归一化处理：
优化目标的熵值为：
定义差异系数：
gj＝1-ej (35)
上述优化目标的客观权重为：
本发明通过加权求和的方法计算混合双目标优化的组合权重。上述直接优化目标与间接优化目标的主观权重与客观权重的组合权重可以计算为：
ωi＝αωsi+(1-α)ωoi,i＝1,2 (16)
上述α为偏好权重，反映了规划过程对主观赋权与客观赋权的偏好程度。
结合以上优化模型及整合算法，即可得到主动配电网中分布式储能系统的双目标混合优化规划方法。
本发明提供一种主动配电网分布式储能系统双目标混合优化规划方法，针对分布式储能系统平抑功率波动的效果和经济效益，分别设计了直接优化目标和间接优化目标；通过无量纲化处理将上述两个最优目标整合在一起，并通过相对比较法和熵权法确定两个最优目标整合时各自的权重。通过无量纲化处理与加权求和，将多目标问题转化为单目标问题，简化了优化模型，降低了模型求解难度；分别从分布式储能系统平抑有功功率波动的效果及经济效益两个方面设计优化目标，充分考虑了分布式储能系统接入的直接效益与间接效益，避免了分布式储能系统规划的片面分析；采用组合赋权法，在求解直接与间接目标权重时，充分考虑了主观经验与客观指标，能够同时满足性能需求与调度安排。上述主动配电网分布式储能系统双目标混合优化规划方法，实现简单，易于求解，能够充分整合主动配电网中分布式储能系统接入的各方面性能，有助于分布式储能系统在主动配电网中的规划建设以及分布式储能系统的应用普及。
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。
Claims (6)
1.一种主动配电网分布式储能系统双目标混合优化规划方法，其特征在于，所述方法针对分布式储能系统平抑主动配电网有功功率波动的问题，并应用于满足以下特征的主动配电网：
(1)配电网中接入分布式风力发电、分布式光伏发电、微型燃气轮机等分布式发电系统；
(2)配电网能够实现与上级输电网络的电能双向流动，即配电网可以接受上级输电网提供的电能，也能将配电网中由分布式发电系统产生的电能回馈给上级输电网；
所述方法包括以下步骤：
(1)根据配电网历史数据，评估分布式储能系统平抑配电网有功功率波动能力，作为分布式储能规划的直接目标；
(2)分析分布式储能系统的建设成本与运行收益，评估分布式储能系统平抑配电网有功功率波动的经济效益，作为分布式储能规划的间接目标；
(3)对分布式储能规划的直接目标与间接目标进行无量纲化处理，综合考察直接目标与间接目标的优化结果；
(4)分别求取无量纲直接目标与间接目标的权重系数，通过加权求和得到分布式储能系统的双目标混合优化规划。
2.根据权利要求1所述的主动配电网分布式储能系统双目标混合优化规划方法，其特征在于，所述步骤(1)中分布式储能系统平抑配电网有功功率波动能力，是根据考察时段内配电网有功功率的方差评估的；所述直接优化目标函数表示为：
所述T为考察时间范围；Pi为时段i内全网有功功率波动：
所述N为主动配电网中节点数量；PLij为时段i内节点j的负荷功率；PDij为时段i内接入节点j的分布式发电输出功率；μj为标示节点j是否有分布式储能系统接入的二值变量；PEij为时段i内接入节点j的分布式储能系统的充/放电功率；为配电网各节点有功功率波动的平均值：
所述直接优化目标函数中，优化变量为μj与PEij；μj＝1表示节点j有分布式储能系统接入，μj＝0表示节点j没有分布式储能系统接入；PEij＞0表示时段i内接入节点j的分布式储能系统处于放电状态，PEij＜0表示时段i内接入节点j的分布式储能系统处于充电状态。
3.根据权利要求1所述的主动配电网分布式储能系统双目标混合优化规划方法，其特征在于，所述步骤(2)中分布式储能系统平抑配电网有功功率波动的经济效益，是根据分布式储能系统的建设成本与运行收益综合评估的；所述间接优化目标函数表示为：
所述CI与CM为分布式储能系统安装与运行维护的单位成本系数，CP为分布式储能系统平滑有功功率波动的单位利润系数；
所述间接优化目标函数中，优化变量为μj与PEij。
4.根据权利要求1所述的主动配电网分布式储能系统双目标混合优化规划方法，其特征在于，所述步骤(1)与(2)中直接优化目标与间接优化目标的约束条件包括：
(1)有功功率平衡约束：
所述PGi为时段i内上级输电网向配电网的注入功率，Ploss,i为时段i内配电网总功率损耗；
(2)分布式储能系统充/放电功率约束：
PEij,min≤|PEij|≤PEij,max (6)
所述PEij,min和PEij,max为分布式储能系统充/放电功率的下限和上限；
(3)分布式储能系统充/放电功率变化约束：
所述ΔPE,min和ΔPE,max为分布式储能系统充/放电功率变化的下限和上限；
(4)分布式储能系统接入数量约束：
所述μmax为主动配电网中分布式储能系统的最大允许接入数量。
5.根据权利要求1所述的主动配电网分布式储能系统双目标混合优化规划方法，其特征在于，所述步骤(3)中分布式储能规划直接目标与间接目标的无量纲化处理，是通过极差转化法实现的；所述极差转化法的计算公式为：
所述fk,max和fk,min为优化目标fk的最大值和最小值；为优化目标fk的无量纲计算值。
6.根据权利要求1所述的主动配电网分布式储能系统双目标混合优化规划方法，其特征在于，所述步骤(4)中无量纲直接目标与间接目标的权重系数，是通过主观权重与客观权重相结合的组合加权法计算的；
所述主观权重是通过相对比较法计算得到的，对两个优化目标按三级比例标度比较评分，分值为：
所述优化目标的主观权重为：
所述客观权重是通过熵权法计算得到的，对一组优化结果进行归一化处理：
优化目标的熵值为：
定义差异系数：
gj＝1-ej (14)
所述优化目标的客观权重为：
所述直接优化目标与间接优化目标的主观权重与客观权重的组合权重可以计算为：
ωi＝αωsi+(1-α)ωoi,i＝1,2 (16)
所述α为偏好权重，反映了规划过程对主观赋权与客观赋权的偏好程度。
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