CN109754112A - 一种考虑配电网削峰填谷的光储充电塔随机优化调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种考虑配电网削峰填谷的光储充电塔随机优化调度方法,步骤:1以该塔日运行成本最小和配电网削峰填谷为目标,建立该塔日前多目标优化调度模型;2采用该塔各时段购电量曲线方差最小来评估削峰填谷影响,通过经济折算系数,将多目标优化转化为单目标优化问题;3考虑该塔中光伏机组出力不确定性对日前调度影响,采用代表性场景描述,以该塔日前优化调度和代表性场景调整分别为第一、二阶段决策,日前调度成本与实时调整期望运行成本之和为目标,构建随机优化调度模型;4对实际光储充电塔测试,并对模型求解。本发明能有效获取光储充电塔参与配电网削峰填谷场景下概率最优调度策略,保证该塔经济高效可靠运行,实现区域配电网削峰填谷。
Description
技术领域
本发明属于电力系统优化调度技术领域,涉及一种考虑配电网削峰填谷的光储充电 塔随机优化调度方法。
背景技术
可再生能源和电动汽车因节能减排的优势受到各国关注与高度重视,将成为应对能 源短缺与环境污染问题的有效途径。随着电动汽车规模的不断增长,大力建设公共充电设施成为重中之重。将电动汽车充电设施、光伏系统、储能系统(energy storage system,ESS) 等融合形成的光储充电塔,为提高能源利用效率、提升系统灵活性以及降低运行成本提 供了巨大潜力。
光储充电塔作为未来公共充电站的重点发展方向,通过光伏系统、储能系统(ESS)、 电动汽车充电系统、供电系统等各个子系统间协调配合,能够实现更高的经济目标与效 率。同时,ESS、电动汽车V2G等技术可以在负荷低谷时段充电,高峰时段放电,以达 到“削峰填谷”、合理分配电能的效果,因此,制定合理的充电塔能量优化调度策略,有 利于充分发挥充电塔的经济性以及参与电网削峰填谷的能力,具有重要的现实意义。与 此同时,充电塔中光伏机组出力和塔用电负荷预测误差具有一定的不确定性,将对系统 能量调度产生影响。因此,如何在充电塔系统调度过程中有效处理系统中不确定性,从 而获取光储充电塔系统调度最优决策,并使得充电塔经济高效运行,这一问题值得深入 探究。
发明内容
本发明的目的在于,针对现有技术的不足,提出了一种考虑配电网削峰填谷的光储 充电塔随机优化调度方法,解决光储充电塔参与电网削峰填谷场景下随机优化调度问题, 能够保证充电塔经济高效与可靠运行,同时实现区域配电网的削峰填谷。
为实现上述发明目的,本发明提供了一种考虑配电网削峰填谷的光储充电塔随机优 化调度方法,包括以下步骤:
步骤1:以光储充电塔日运行成本最小和电网削峰填谷为目标,建立光储充电塔日前 多目标优化调度模型;
步骤2:在步骤1的基础上采用充电塔各时段购电量曲线方差最小来评估削峰填谷影 响,通过经济折算系数,将多目标优化转化为单目标优化问题;
步骤3:考虑充电塔光伏机组出力不确定性对日前调度影响,采用代表性场景描述不 确定性集合,以充电塔日前优化调度和实时场景调整分别为第一、二阶段决策,日前调度成本与实时调整期望运行成本之和为目标,构建两阶段随机优化调度模型;
步骤4:在步骤3的基础上,在实际光储充电塔系统中测试,并对模型进行求解;
进一步,所述步骤1包括以下步骤:
步骤101:考虑由充电设施、光伏发电系统、储能系统(energy storage system,ESS) 等融合形成的光储充电塔,出力取期望值时作为系统基准场景,所述光储充电塔日前多 目标优化调度模型中目标包括光储充电塔日运行成本最小和电网削峰填谷两部分。其中, 充电塔日运行成本F1包含系统购电成本、ESS放电成本、电动汽车放电损耗成本以及备用容量成本,可表示如下:
式中,T为充电塔日前调度周期;为t时刻充电塔系统购电功率;λt p为t时刻充电塔系统购电电价;ces为ESS放电成本系数;为t时刻ESS放电功率;cv2g为电动 汽车放电损耗成本系数;为t时刻第v辆电动汽车放电功率为电动汽车放电 效率;ev为第v辆电动汽车单位行驶距离消耗的功率;为t时刻第v辆电动汽车的行 驶距离;nv2g为参与电动汽车入网(vehicle to grid,V2G)方式的电动汽车数量;Cgr、CV2G、 CESS分别为系统购电量、电动汽车、ESS的备用成本系数;分别为t时刻系统 购电量、ESS提供的备用容量;为t时刻第v辆电动汽车V2G提供的备用容量;上 标U、D分别表示对应上、下备用;下标0表示基准场景;
步骤102:所述光储充电塔日前多目标优化调度模型中包括充电塔向配电网购电约 束、ESS约束、电动汽车约束和充电塔系统功率平衡约束;
(1)充电塔向配电网购电约束:
式中,为充电塔最大购电功率;布尔变量表示t时刻是否处于购电状态,是则为1,否则为0;
(2)ESS约束:
式中,为t时刻ESS充电功率;分别为ESS最大充、放电功率; 布尔变量分别表示t时刻ESS是否处于充、放电状态,是则为1,否则为0; 为t时刻ESS的荷电状态值;分别为ESS容量及荷电状态值上、 下限;D、分别为ESS最大放电深度及始、末荷电状态值;δESS、分别为ESS自损耗率及充、放电效率;Δt为系统调度时间段持续时间;
(3)电动汽车约束:
式中,分别为t时刻第v辆电动汽车充、放电功率;分别为t时刻第v辆电动汽车最大充、放电功率;布尔变量分别为t时刻第v 辆电动汽车是否处于充、放电状态,是则为1,否则为0;布尔变量表示t时刻第v 辆电动汽车是否处于并网状态,是则为1,否则为0;为t时刻第v辆电动汽车的荷 电状态值;分别为第v辆电动汽车容量及荷电状态值上、下限; 分别为t时刻第v辆电动汽车最大放电深度及始、末荷电状态值;分别 为第v辆电动汽车充、放电效率;
(4)光伏出力约束:
式中,为t时刻光伏出力实际值;为t时刻光伏出力最大值;
(5)充电塔系统功率平衡约束:
式中,为t时刻电动汽车净充电功率;Pt EV,f为t时刻电动汽车固定充电功率;Pt load为t时刻塔用电负荷;
(5)系统备用容量约束:
式中,分别为t时刻光储充系统需提供的上、下备用总容量最小值。
进一步,所述步骤2包括以下步骤:
步骤201:采用充电塔各时段购电量曲线方差F2最小来评估削峰填谷影响,可表示如下:
式中,为充电塔各时段购电功率平均值;
步骤202:所述光储充电塔日前多目标优化调度模型中存在多个目标函数,且目标量 纲不同,引入经济折算系数,将削峰填谷目标投影到经济性维度,从而将多目标优化转化为单目标优化问题,目标函数如下:
min.F=F1+λF2 (25)
式中,λ为削峰填谷目标的经济折算系数。
进一步,所述步骤3包括以下步骤:
步骤301:考虑充电塔光伏机组出力不确定性对日前调度影响,采用代表性场景描述 不确定性集合,以充电塔日前优化调度和实时场景调整分别为第一、二阶段决策,日前调度成本与实时调整期望运行成本之和为目标,建立两阶段随机优化调度模型,所述模 型的目标函数可表示如下:
式中,I、II分别为充电塔日前调度成本、实时调整成本;Ns表示所有可能发生的场景数量;ρs为场景s的概率;分别为t时刻场景s下购电、ESS实时调整功 率,上标U、D表示上调整及下调整;分别为t时刻场景s下第v辆电动 汽车实时调整功率;
步骤302:所述两阶段随机优化调度模型中第一阶段日前优化调度约束条件与步骤 102相同;
步骤303:所述两阶段随机优化调度模型中第二阶段实时调整约束条件包括各子系统 实时调整约束以及日前与实时阶段耦合约束:
式中,分别为t时刻场景s下购电、ESS充电、ESS放电功率; 分别为t时刻场景s下第v辆电动汽车的充、放电功率;为t时刻场景s下ESS 荷电状态;为t时刻场景s下第v辆电动汽车荷电状态;分别为t时刻场 景s下光伏出力预测值和实际出力值;为t时刻场景s下EV净充电功率;
步骤304:在步骤303的基础上,调用GAMS软件中的CPLEX求解器对光储充电 塔两阶段随机优化调度模型进行求解;
进一步,所述步骤4为在步骤3的基础上,在实际光储充电塔系统中进行测试,获取光储充电塔参与电网削峰填谷场景下的概率最优调度策略。
本发明以光储充电塔日运行成本最小和配电网削峰填谷为目标,建立光储充电塔日 前多目标优化调度模型;然后,采用光储充电塔各时段购电量曲线方差最小来评估削峰填谷影响,通过经济折算系数,将多目标优化转化为单目标优化问题;接着,考虑光储 充电塔光伏机组出力不确定性对日前调度影响,采用代表性场景描述不确定性集合,以 充电塔日前优化调度和实时场景调整分别为第一、二阶段决策,日前调度成本与实时调 整期望运行成本之和为目标,构建两阶段随机优化调度模型;最后,在实际光储充电塔 系统中测试,并对模型进行求解。
本发明可以有效获取光储充电塔参与配电网削峰填谷场景下概率最优调度策略,保 证光储充电塔经济高效与可靠运行,同时实现区域配电网的削峰填谷。
本发明的有益效果:与现有电动汽车充电站优化调度方法相比,本发明具有如下优 点和技术效果:
(1)采用光储充电塔各时段购电量曲线方差最小来评估电网削峰填谷影响,并通过 经济折算系数,将多目标转化为单目标优化,从而实现区域配电网的削峰填谷。
(2)能够有效计及光伏机组出力不确定性对光储充电塔调度决策的影响。
(3)通过光储充电塔各个子系统间能量协调调度,能够获取概率最优调度策略,实现能量在各个子系统之间的合理分配,保证光储充电塔经济高效可靠运行。
附图说明
图1为本发明考虑配电网削峰填谷的光储充电塔两阶段随机优化调度求解流程图。
图2为本发明实施例经随机模拟生成的光储充电塔各时段负荷预测值。
图3为本发明实施例经随机模拟生成的光储充电塔各时段光伏出力预测值。
图4为本发明实施例的光储充电塔概率最优调度结果图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的实施作进一步说明。
本实施例所构建光储充电塔系统的子系统包括有,光伏发电系统、电池储能系统、电动汽车交流充电桩和直流充电机。配电网将电能提供给光储充电塔,配电网与光储充 电塔之间还进行能量交互。本实施例光储充电塔系统各部分参数如下,在光储充电塔的 塔顶安装了峰值总功率为200kWp的光伏发电系统,塔内配置电池总容量为3000kWh的 储能系统,同时配有7kW交流充电桩150个,40kW直流充电机160个,能够满足电动 汽车充电需求。
本实施例光储充电塔系统主要设备参数如表1所示。充电塔购电电价采用江苏省工 业用户峰谷分时电价,峰时段8:00-12:00,17:00-21:00为1.2678元/kWh,平时段 12:00-17:00,21:00-24:00为0.7606元/kWh,谷时段0:00-8:00为0.3536元/kWh。
表1系统主要设备参数
选取纯电动汽车为对象,每辆电动汽车电池型号相同,单位行驶距离消耗的功率为 0.25kWh/km,电动汽车离网、并网时刻以及行驶距离数据直接由蒙特卡罗模拟随机生成。 电动汽车固定充电功率如表2所示:
表2光储充电塔电动汽车固定充电功率数据
为获取本实施例光储充电塔的概率优化调度策略,按照附图1所示光储充电塔两阶 段随机优化调度求解流程图的步骤方法,逐步计算求解。
通过随机模拟生成本实施例光储充电塔的用电负荷曲线图(如图2所示)和光伏出力预测曲线图(如图3所示),同时考虑光伏出力预测服从以预测值为期望,20%预测值 为其标准差的正态分布,采用蒙特卡罗模拟法生成20组光伏出力代表性场景。系统调度 总时段T为24,每1h为时间步长,所得光储充电塔概率最优调度策略如图4所示。
由图4可知,考虑光储充电塔参与削峰填谷场景的两阶段随机优化调度能够改善光 储充电塔系统从配电网所购电量的波动程度。其中,经济折算系数λ的引入实质上是对配电网调峰进行权重处理,当取值为0时,表明光储充电塔仅考虑日运行经济成本进行 调度。
此外,可以得知,通过求解光储充电塔两阶段随机优化调度模型,能够有效获取光储充电塔的概率最优调度策略,协调各个子系统,并且能够合理分配电能,即使光储充 电塔内部系统与配电网进行能量交互,储能系统能够低电价充电,高电价时段放电,并 通过光伏机组、储能系统、电动汽车、配电网之间的优化调度,能够使配电网提供的电 能比较平稳,而不至于在不同时段间相差较大,达到了配电网削峰填谷的技术效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,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,均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (5)
1.一种考虑配电网削峰填谷的光储充电塔随机优化调度方法,其特征在于:包括以下步骤,
步骤1、以光储充电塔日运行成本最小和配电网削峰填谷为目标,建立光储充电塔日前多目标优化调度模型;
步骤2、在步骤1的基础上采用光储充电塔各时段购电量曲线方差最小来评估削峰填谷影响,通过经济折算系数,将多目标优化转化为单目标优化问题;
步骤3、考虑光储充电塔光伏机组出力不确定性对日前调度影响,采用代表性场景描述不确定性集合,以充电塔日前优化调度和代表性场景调整分别为第一、二阶段决策,日前调度成本与实时调整期望运行成本之和为目标,构建两阶段随机优化调度模型;
步骤4、在步骤3的基础上,在实际光储充电塔系统中测试,并对模型进行求解。
2.根据权利要求1所述的一种考虑配电网削峰填谷的光储充电塔随机优化调度方法,其特征在于:所述步骤1包括以下步骤:
步骤101、考虑由电动汽车充电桩、光伏发电系统、储能系统(energy storage system,ESS)等融合形成的光储充电塔系统,出力取期望值时作为该系统基准场景,所述光储充电塔系统日前多目标优化调度模型中目标包括光储充电塔日运行成本最小和配电网削峰填谷两部分,其中,光储充电塔日运行成本F1包含光储充电塔系统购电成本、ESS放电成本、电动汽车放电损耗成本以及备用容量成本,可表示如下:
式中,T为充电塔日前调度周期;为t时刻充电塔系统购电功率;为t时刻充电塔系统购电电价;ces为ESS放电成本系数;为t时刻ESS放电功率;cv2g为电动汽车放电损耗成本系数;为t时刻第v辆电动汽车放电功率;为电动汽车放电效率;ev为第v辆电动汽车单位行驶距离消耗的功率;为t时刻第v辆电动汽车的行驶距离;nv2g为参与电动汽车入网(vehicle to grid,V2G)方式的电动汽车数量;Cgr、CV2G、CESS分别为系统购电量、电动汽车、ESS的备用成本系数;分别为t时刻系统购电量、ESS提供的备用容量;为t时刻第v辆电动汽车V2G提供的备用容量;上标U、D分别表示对应上、下备用;下标0表示基准场景;
步骤102、所述光储充电塔日前多目标优化调度模型中包括光储充电塔向配电网购电约束、ESS约束、电动汽车约束、光伏出力约束、光储充电塔系统功率平衡约束、光储充电塔系统备用容量约束,
(1)光储充电塔向配电网购电约束:
式中,为充电塔最大购电功率;布尔变量表示t时刻是否处于购电状态,是则为1,否则为0;
(2)ESS约束:
式中,为t时刻ESS充电功率;分别为ESS最大充、放电功率;布尔变量分别表示t时刻ESS是否处于充、放电状态,是则为1,否则为0;为t时刻ESS的荷电状态值;分别为ESS容量及荷电状态值上、下限;D、分别为ESS最大放电深度及始、末荷电状态值;δESS、分别为ESS自损耗率及充、放电效率;Δt为系统调度时间段持续时间;
(3)电动汽车约束:
式中,分别为t时刻第v辆电动汽车充、放电功率;分别为t时刻第v辆电动汽车最大充、放电功率;布尔变量分别为t时刻第v辆电动汽车是否处于充、放电状态,是则为1,否则为0;布尔变量表示t时刻第v辆电动汽车是否处于并网状态,是则为1,否则为0;为t时刻第v辆电动汽车的荷电状态值;分别为第v辆电动汽车容量及荷电状态值上、下限; 分别为t时刻第v辆电动汽车最大放电深度及始、末荷电状态值;分别为第v辆电动汽车充、放电效率;
(4)光伏出力约束:
式中,为t时刻光伏出力实际值;为t时刻光伏出力最大值;
(5)充电塔系统功率平衡约束:
式中,为t时刻电动汽车净充电功率;Pt EV,f为t时刻电动汽车固定充电功率;Pt load为t时刻塔用电负荷;
(6)系统备用容量约束:
式中,分别为t时刻光储充电塔系统需提供的上、下备用总容量最小值。
3.根据权利要求1所述的一种考虑配电网削峰填谷的光储充电塔随机优化调度方法,其特征在于:所述步骤2包括以下步骤,
步骤201、采用光储充电塔各时段购电量曲线方差F2最小来评估削峰填谷影响,可表示如下:
式中,为光储充电塔各时段购电功率平均值;
步骤202、所述光储充电塔日前多目标优化调度模型中存在多个目标函数,且目标量纲不同,引入经济折算系数,将削峰填谷目标投影到经济性维度,从而将多目标优化转化为单目标优化问题,目标函数如下:
min. F=F1+λF2 (25)
式中,λ为削峰填谷目标的经济折算系数。
4.根据权利要求1所述的一种考虑配电网削峰填谷的光储充电塔随机优化调度方法,其特征在于:所述步骤3包括以下步骤,
步骤301、考虑光储充电塔光伏机组出力不确定性对日前调度影响,采用代表性场景描述不确定性集合,以光储充电塔日前优化调度和代表性场景调整分别为第一、二阶段决策,日前调度成本与实时调整期望运行成本之和为目标,建立对应于第一、第二阶段决策的两阶段随机优化调度模型,所述模型的目标函数可表示如下:
式中,I、II分别为充电塔日前调度成本、实时调整成本;Ns表示所有可能发生的场景数量;ρs为场景s的概率;分别为t时刻场景s下购电、ESS实时调整功率,上标U、D表示上调整及下调整;分别为t时刻场景s下第v辆电动汽车实时调整功率;
步骤302、所述两阶段随机优化调度模型中第一阶段日前优化调度约束条件与步骤102相同;
步骤303、所述两阶段随机优化调度模型中第二阶段实时调整约束条件包括实时调整约束以及日前与实时阶段耦合约束:
式中,分别为t时刻场景s下购电、ESS充电、ESS放电功率; 分别为t时刻场景s下第v辆电动汽车的充、放电功率;为t时刻场景s下ESS荷电状态;为t时刻场景s下第v辆电动汽车荷电状态;分别为t时刻场景s下光伏出力预测值和实际出力值;为t时刻场景s下EV净充电功率;
步骤304、在步骤303的基础上,调用代数建模系统(GAMS)软件中的CPLEX求解器对光储充电塔两阶段随机优化调度模型进行求解。
5.根据权利要求1所述的一种考虑配电网削峰填谷的光储充电塔随机优化调度方法,其特征在于:所述步骤4在实际光储充电塔系统中进行测试是指构建某一光储充电塔系统,采用步骤3的模型和方法进行求解,获取光储充电塔参与配电网削峰填谷场景下的概率最优调度策略。
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