CN109615193A - 一种考虑光伏与混合储能的综合能源系统规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑光伏与混合储能的综合能源系统规划方法，本发明采用了一种光伏和混合储能配合的能量单元结构，并在此基础上对一个IES进行规划研究，提高了光伏的利用率；本发明采用了超级电容器，在一个调度周期内，它可以对光伏电池理论功率的波动“削峰填谷”，从而提升光伏实际可用出力值，以消除光伏电池出力的不确定性导致对其接入IES的不利影响。

Description

一种考虑光伏与混合储能的综合能源系统规划方法

技术领域

本发明涉及电气信息技术领域，具体涉及一种考虑光伏与混合储能的综合能源系统规划方法。

背景技术

近年来，随着经济社会的发展和进步，人们对于能源的需求日益增长，同时对于能源造成的环境问题也愈加关注。为了提升能源利用效率，各种能源体系之间的边界逐步被打破，综合能源系统(integrated energy system，IES)也受到各国的重视和关注。IES所指的是一种通过对能源的产生、传输与分配、转换、存储、消费等环节进行有机协调与优化后所形成的能源产供销一体化系统，它将电力(包括各类分布式能源)、天然气、冷、热等各类能源供给与需求进行协同规划与调度，一方面，原本难以大量储存的电能可以通过其他能量形式储存，提升了能量利用的灵活性，可以起到削峰填谷的作用；另一方面，利用不同种类能源的互补性，进行协同优化，可以获得更大的经济效益。

对于最常见、最基本的综合能源系统——冷热电联供(combined cooling,heating and power，CCHP)系统，有技术方案提出一种母线式结构，并以此建立了CCHP系统的通用模型，也有技术方案在传统CCHP结构的基础上，考虑了引入风光气储后的优化协调模型，对不同季节提出了的不同约束条件。

具体针对可再生能源接入IES的情况，由于可再生能源的不确定性会对系统的规划和运行产生负面影响，许多技术人员尝试提出解决方案。有技术方案采用机会约束的方法，根据可再生能源(尤其是风能)的出力特性，灵活考虑线路容量，提升了经济性。有技术方案建立了概率能量流模型，提升了系统对可再生能源的消纳能力。

以上的现有技术在一定程度上为可再生能源接入IES消除了一些障碍，但没有从接入端上直接解决风、光等可再生能源的不确定性特征。这样一来，系统实际运行时会出现一些问题。其一，可再生能源出力出现高频波动时，系统的电能质量指标会受到影响；其二，现有的可再生能源大幅波动往往由蓄电池补偿，但在蓄电池的频繁充放电不符合其本身技术要求，会使寿命受损；其三，要使得光伏出力相对稳定，需要选择较低的功率值出力，造成能量不充分利用。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种考虑光伏与混合储能的综合能源系统规划方法，包括以下步骤：

步骤一，建立光伏与混合储能配合的能量单元结构；

步骤二，基于上述能量单元结构，建设电-气耦合的综合能源系统并进行规划。

进一步，所述能量单元结构包括：单元间联络线路能量注入及设备，内部电源，混合储能装置，内部能量转换装置以及单元内负荷。

进一步，所述单元间联络线路能量注入及设备包括：电网注入及变压器、气网注入；所述内部电源包括光伏电池及其斩波器、逆变器；所述混合储能装置包括蓄电池及其逆变器、超级电容器及其斩波器；所述内部能量转换装置包括电转气装置、热电联供机组及燃气轮机；所述单元内负荷包括电负荷和热负荷。

进一步，所述单元间联络线路能量注入及设备包括：电网注入及变压器、气网注入；所述内部电源包括光伏电池及其斩波器、逆变器；所述混合储能装置包括蓄电池及其斩波器和逆变器、超级电容器及其斩波器；所述内部能量转换装置包括电转气装置、热电联供机组及燃气轮机；所述单元内负荷包括电负荷和热负荷。

进一步，以综合能源系统规划总成本最小为目标函数：

min C＝C_inv+k_pvfC_ope，

其中，C为规划总成本，C_inv为综合能源系统建设的投资成本，C_ope为每年的运行费用，k_pvf为现值系数；

且上述综合能源系统规划结果受到各能量单元间联络线的传输容量及特性、和能量单元内各设备的容量及特性的约束。

进一步，所述综合能源系统建设的投资成本C_inv为：

其中，C_inv,i为第i个能量单元内所有新建设备的购置成本，Γ_hub为所有能量单元的集合；

所示年运行费用C_ope为：

其中，Γ_ope为每天所有调度时段的集合；为第d天第t个调度时段的运行费用。

进一步，所述约束包括电力联络线路约束：

对于与配电网不直接相联的能量单元，根据有功、无功的潮流方程得到其等式约束：

其中，Γ_hub，i为包括能量单元i自身且与能量单元i通过联络线直接联结的其它能量单元的集合，V和θ分别为节点电压的幅值和相角，矩阵G和B分别为电力联络线路所决定的节点导纳矩阵的实部和虚部；

对于与配电网直接相联的能量单元，则需要增加表示从外电网注入功率的项，从而约束变为：

由于每条电力线路存在着传输功率上限，因此得到线路潮流约束：

其中，为能量单元i、j间电力联络线路可传输的功率上限；

每个能量单元的节点电压幅值V也存在上下限的约束：

进一步，所述约束包括天然气联络管道约束：：

对于每一个天然气管道节点，输入输出应当相等，则：

其中，Γ′_hub，i是与能量单元i通过联络线直接联结的其它能量单元的集合；

每条管道中流过的功率由管道两端气压p决定，且受到管道容量约束：

其中，为能量单元i、j间天然气联络管道可传输的功率上限，k_g为由管道自身特性和环境因素决定的常数，sgn为符号函数；

每个能量单元的节点气压p也存在上下限的约束：

进一步，所述约束包括能量转换装置约束：对于能量单元i内的P2G装置，容量约束为：对于能量单元i内的CHP机组，容量约束为：对于能量单元i内的GF机组，容量约束为：

进一步，所述约束包括蓄电池约束：

将蓄电池的充放电情况分开考虑，分别记作和则存在如下关系

蓄电池在每个调度周期内的储能变化量为：

其中，η_bat为蓄电池充放电的效率，T为每个调度时段的时长；

将每天初始的蓄电池储能量设为E_bat0，则任意调度时段t内的储能量都要满足蓄电池容量约束：

一天内蓄电池的总能量变化要达到平衡，为：

其中，为一天内的调度周期总数。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明采用了一种光伏和混合储能(超级电容器与蓄电池)配合的能量单元结构，并在此基础上对一个IES进行规划研究，提高了光伏的利用率，实现了减少弃光要求的同时引入了超级电容器对光伏出力有明显的提升作用；

2、本发明采用了超级电容器，在一个调度周期内，它可以对光伏电池理论功率的波动“削峰填谷”，从而提升光伏实际可用出力值；其通过短期的功率补偿抬高了理论功率的下界，当超级电容器足够大时，可以平抑所有不确定性引起的波动，使实际出力值达到理论值，以消除光伏电池出力的不确定性导致对其接入IES的不利影响。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明单个能量单元的结构原理图。

图2为本发明光伏电池与超级电容器配合工作的原理图。

图3为本发明光伏电池与超级电容器配合工作的实际效果图。

图4为本发明综合能源系统系统能量来源图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

本实施例提出的一种考虑光伏与混合储能的综合能源系统规划方法，包括以下步骤：

步骤1：

为了消除光伏电池出力的不确定性对其接入IES的不利影响，采用如图1所示的能量单元内部结构。该能量单元包含了以下类别的设备或输入输出线路：

1)单元间联络线能量注入：电网注入及变压器、气网注入

2)内部电源：光伏电池(photovoltaic cell，PV)P_pv0及其斩波器、逆变器；

3)储能装置：蓄电池(battery，Bat)P_bat(放电为正，充电为负)及其逆变器(若蓄电池端电压较低则还需斩波器)、超级电容器(super capacitor，SC)P_sc及其斩波器；

4)内部能量转换装置：电转气装置(power to gas，P2G)P_p2g、热电联供机组(combined heating and power，CHP)P_chp、燃气轮机(gas furnace，GF)；

5)单元内负荷：电负荷热负荷

本实施例中，以一个考虑了光伏不确定性的调度周期为例以说明光伏电池与超级电容器配合工作的原理，如图2所示。图中，表示一个调度周期内的光伏电池理论最大功率的平均值(可认为等于典型出力曲线中此时段的典型值或预测值)。由于环境因素的扰动，光伏电池的理论最大功率P_pv，th存在具有不确定性的波动，因此在没有引入SC时，为保证其在调度周期内出力恒定，需要选择一个较低的值作为运行中的实际可用出力值，即：

其中，k_pv为考虑不确定性的光伏实际可用出力折算系数。

从长期来看，SC并不能提供额外的能量，但在一个调度周期内，它可以对光伏电池理论功率的波动“削峰填谷”，从而提升光伏实际可用出力值。从图2中的阴影部分可以看出，SC能提升光伏可用出力的原因在于其通过短期的功率补偿抬高了理论功率的下界。当SC足够大时，可以平抑所有不确定性引起的波动，使实际出力值达到理论值否则，只能在一定程度上起到出力提升作用。将每个调度周期后超级电容需要回归的储能值设为其容量的一半，且考虑光伏波动的最坏情况，可以得到实际可用出力值为：

其中，S_pv，i表示第i个能量单元内光伏电池的额定功率，E_bat，i表示第i个能量单元内蓄电池可存储的最大能量，I为由各个调度时段内平均辐照度决定的光伏理论最大出力比例系数，T为每个调度时段的时长。

因此，PV和SC整体可为能量单元提供的功率为：

SC对光伏电池出力的抬高作用却依然可以在图3中明显看出。从图3中可以得到两条信息：一是光伏的利用率很高，部分时段的实际出力P_pv已经达到或接近理论最大出力二是大部分调度时间内PV的实际出力P_pv都超过了不加SC时的实际允许最大出力后者相比于前者的增量即为超级电容器对光伏实际出力的抬升值。根据计算，引入超级电容后光伏的实际出力相比于未引入时的实际允许最大出力提升了4.24％。

步骤2：

对一个已有分立运行的配电、配气网架的园区而言，建设电-气耦合的IES主要需要在已有线路约束的基础上，对新增设备的类型和容量进行规划，使其在建设和运行期间获得经济和可再生能源充分利用等方面的效益。

园区规划的目标要考虑两部分，一是一次性投资建设的成本C_inv，二是每年的运行费用C_ope。系统建设的投资成本包括了各个能量单元内所有新建设备的购置成本，年运行费用则为各天运行费用之和，包括了购电、购气费用和弃光补偿费用(对未上网光能的补偿费用)。

以综合能源系统规划总成本最小为目标函数：

minC＝C_inv+k_pvfC_ope

其中，k_pvf为现值系数，在年利率为r、使用寿命为y年时，

(1)投资建设成本：

系统建设的投资成本包括了各个能量单元内所有新建设备的购置成本，即

其中，Γ_hub为所有能量单元的集合。

第i个能量单元的建设成本

C_inv，i＝Ω_p2gS_p2g，i+Ω_chpS_chp，i+Ω_gfS_gf，i

+Ω_pvS_pv，i+Ω_batE_bat，i+Ω_scE_sc，i

其中，Ω为不同设备单位容量的购置价格，S表示设备的额定功率，E表示设备可存储的最大能量。

(2)年运行费用

年运行费用则为各天运行费用之和，包括了购电、购气费用和弃光补偿费用(对未上网光能的补偿费用)，则年运行费用为：

其中，Γ_ope为每天所有调度时段的集合。

第d天第t个调度时段的运行费用为：

其中，T为每个调度时段的时长，ω为从系统购买单位能源所需的费用，ω′为弃光补偿单价，P_es为外部电网提供的功率，P_gs为外部气网提供的功率。

因弃光而产生的功率损失为：

其中，I为由各个调度时段内平均辐照度决定的光伏理论最大出力比例系数。

园区IES的规划结果主要受到各能量单元间联络线的传输容量及特性和能量单元内各设备的容量及特性的约束，因此需要分别研究它们的约束形式。其中，能量单元输入输出之间的约束已经通过能量集线器的转换矩阵确定。包括的约束条件有：电力联络线路约束、天然气联络管道约束、能量转换装置约束、蓄电池约束。

方便起见，除特殊说明外，以下均略去表示日期和调度时段的上标，表示在规划年内每一天的每一个调度时段均需要满足列写出的约束条件。

(1)电力联络线路约束：

对于与园区外配电网不直接相联的能量单元，根据有功、无功的潮流方程可写出其等式约束：

其中，为电力联络线注入能量单元i的有功功率，为电力联络线注入能量单元i的无功功率，Γ_hub，i为与能量单元i通过联络线直接联结的能量单元的集合(包括i自身)，V和θ分别为节点电压的幅值和相角，矩阵G和B分别为电力联络线路所决定的节点导纳矩阵的实部和虚部。

对于与园区外配电网直接相联的能量单元，则需要增加表示从外电网注入功率的项，从而约束变为：

其中，P_es，i为外部电网在节点i处提供的有功功率，Q_es，i为外部电网在节点i处提供的无功功率。

由于每条电力线路存在着传输功率上限，因此列写出线路潮流约束：

其中，为能量单元i、j间电力联络线路可传输的功率上限。

此外，每个能量单元的节点电压幅值V也存在上下限的约束，即

(2)天然气联络管道约束：

天然气在管道中的传输特性一般用流量表示，但为了体现能量传输与转换的一致性，在考虑约束时，将流量乘以流体热值GHV，统一换算为功率表示。

对于每一个天然气管道节点(即能量单元入口)，输入输出应当相等，因此有：

其中，为联络线注入能量单元i的气功率，为从i流向j的气功率，Γ′_hub，i是Γ_hub，i去除i自身后的集合。

每条管道中流过的功率由管道两端气压p决定，且受到管道容量限制，即：

其中，为能量单元i、j间天然气联络管道可传输的功率上限，k_g为由管道自身特性和环境因素决定的常数，sgn为符号函数。

此外，每个能量单元的节点气压p也存在上下限的约束，即：

(3)能量转换装置约束：

能量单元内各个能量转换装置能承受的功率值都由选择的设备容量所限制。

对于能量单元i内的P2G装置，容量限制为：

对于能量单元i内的CHP机组，容量限制为

对于能量单元i内的GF机组，容量限制为：

其中，S表示各类设备的额定功率，υ₁、υ₂是分流系数，分别对应联络线、光伏、储能供应的总电能分流至P2G装置的比例和联络线、P2G装置供应的天然气总能量分流至CHP机组的比例；η表示设备的能量转换效率，特别地，表示CHP机组输出热能和电能的效率。

(4)蓄电池约束：

将蓄电池的充放电情况分开考虑，分别记作和(前者表示蓄电池充电功率，后者表示蓄电池的放电功率)，则存在如下关系

考虑到蓄电池充放电的效率η_bat，蓄电池在每个调度周期内的储能变化量

将每天初始的蓄电池储能量设为E_bat0，则任意调度时段t内的储能量都要满足蓄电池容量限制，即

其中，E_bat前的系数表示蓄电池的充放电要在一定限度内，不允许满充满放。同时，一天内蓄电池的总能量变化要达到平衡，即

其中，为一天内的调度周期总数。

蓄电池的充放电速率也存在限制，其中放电速率的限制较为宽松，故不特别考虑，充电速率上限一般设为0.1C，即

特别地，从工程实际出发，蓄电池最好工作在恒流(恒功率)出力模式，且状态切换不宜过于频繁，因此，以4小时为蓄电池的一个恒功率出力区间，且一天中的调度时段数可取蓄电池调度时段数的整数倍，即

k_batT＝4，k_bat∈N⁺

此时，只有在第{k_bat，2k_bat，...，6k_bat}个调度点，蓄电池的出力P_bat才会调整，其余时刻保持不变。

从上述规划的综合能源系统整体的角度来看，能量来源只有光伏发电E_pv、配网购电E_es和配网购气E_hs三种。统计其能量供给占总供能的比例，如图4所示。购气能量占总输入能量的一半以上，主要是由于CHP机组效率相对P2G设备较高，故后者尚不足以大规模应用。PV提供了26％的能量，超过了购电量，可见在此规划方案中光伏实现了一定程度的渗透，提高了光伏的利用率。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种考虑光伏与混合储能的综合能源系统规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，建立光伏与混合储能配合的能量单元结构；

步骤二，基于上述能量单元结构，建设电-气耦合的综合能源系统并进行规划。

2.根据权利要求1所述的一种考虑光伏与混合储能的综合能源系统规划方法，其特征在于，所述能量单元结构包括：单元间联络线路能量注入及设备，内部电源，混合储能装置，内部能量转换装置以及单元内负荷。

3.根据权利要求2所述的一种考虑光伏与混合储能的综合能源系统规划方法，其特征在于，所述单元间联络线路能量注入及设备包括：电网注入及变压器、气网注入；所述内部电源包括光伏电池及其斩波器、逆变器；所述混合储能装置包括蓄电池及其逆变器、超级电容器及其斩波器；所述内部能量转换装置包括电转气装置、热电联供机组及燃气轮机；所述单元内负荷包括电负荷和热负荷。

4.根据权利要求2所述的一种考虑光伏与混合储能的综合能源系统规划方法，其特征在于，所述单元间联络线路能量注入及设备包括：电网注入及变压器、气网注入；所述内部电源包括光伏电池及其斩波器、逆变器；所述混合储能装置包括蓄电池及其斩波器和逆变器、超级电容器及其斩波器；所述内部能量转换装置包括电转气装置、热电联供机组及燃气轮机；所述单元内负荷包括电负荷和热负荷。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种考虑光伏与混合储能的综合能源系统规划方法，其特征在于，以综合能源系统规划总成本最小为目标函数：

min C＝C_inv+k_pvfC_ope，

其中，C为规划总成本，C_inv为综合能源系统建设的投资成本，C_ope为每年的运行费用，k_pvf为现值系数；

且上述综合能源系统规划结果受到各能量单元间联络线的传输容量及特性、和能量单元内各设备的容量及特性的约束。

6.根据权利要求5所述的一种考虑光伏与混合储能的综合能源系统规划方法，其特征在于，所述综合能源系统建设的投资成本C_inv为：

其中，C_inv,i为第i个能量单元内所有新建设备的购置成本，Γ_hub为所有能量单元的集合；

所示年运行费用C_ope为：

其中，Γ_ope为每天所有调度时段的集合；为第d天第t个调度时段的运行费用。

7.根据权利要求5任一项所述的一种考虑光伏与混合储能的综合能源系统规划方法，其特征在于，所述约束包括电路联络线路约束：

对于与配电网不直接相联的能量单元，根据有功、无功的潮流方程得到其等式约束：

其中，Γ_hub，i为包括能量单元i自身且与能量单元i通过联络线直接联结的其它能量单元的集合，V和θ分别为节点电压的幅值和相角，矩阵G和B分别为电力联络线路所决定的节点导纳矩阵的实部和虚部；

对于与配电网直接相联的能量单元，则需要增加表示从外电网注入功率的项，从而约束变为：

由于每条电力线路存在着传输功率上限，因此得到线路潮流约束：

其中，为能量单元i、j间电力联络线路可传输的功率上限；

每个能量单元的节点电压幅值V也存在上下限的约束：

8.根据权利要求5所述的一种考虑光伏与混合储能的综合能源系统规划方法，其特征在于，所述约束包括天然气联络管道约束：

对于每一个天然气管道节点，输入输出应当相等，则：

其中，Γ′_hub，i是与能量单元i通过联络线直接联结的其它能量单元的集合；

每条管道中流过的功率由管道两端气压p决定，且受到管道容量约束：

其中，为能量单元i、j间天然气联络管道可传输的功率上限，k_g为由管道自身特性和环境因素决定的常数，sgn为符号函数；

每个能量单元的节点气压p也存在上下限的约束：

9.根据权利要求5所述的一种考虑光伏与混合储能的综合能源系统规划方法，其特征在于，所述约束包括能量转换装置约束：

对于能量单元i内的P2G装置，容量约束为：

对于能量单元i内的CHP机组，容量约束为：

对于能量单元i内的GF机组，容量约束为：

10.根据权利要求5所述的一种考虑光伏与混合储能的综合能源系统规划方法，其特征在于，所述约束包括蓄电池约束：

将蓄电池的充放电情况分开考虑，分别记作和则存在如下关系

蓄电池在每个调度周期内的储能变化量为：

其中，η_bat为蓄电池充放电的效率，T为每个调度时段的时长；

将每天初始的蓄电池储能量设为E_bat0，则任意调度时段t内的储能量都要满足蓄电池容量约束：

一天内蓄电池的总能量变化要达到平衡，为：

其中，为一天内的调度周期总数。