CN109802412B - 用户侧负荷聚集商储能容量的优化配置方法 - Google Patents

用户侧负荷聚集商储能容量的优化配置方法 Download PDF

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CN109802412B CN201910226741.4A CN201910226741A CN109802412B CN 109802412 B CN109802412 B CN 109802412B CN 201910226741 A CN201910226741 A CN 201910226741A CN 109802412 B CN109802412 B CN 109802412B
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Abstract

本发明涉及一种用户侧负荷聚集商储能容量的优化配置方法，获取负荷侧响应资源的需求响应率概率分布参数及需求侧响应项目合同参数；获取储能的成本参数；建立储能容量最优配置的数学模型；在建立的数学模型的约束条件和负荷聚集商的市价条件约束下，求解负荷聚集商的净收益目标函数的最大值，同时根据求解的目标函数最大值所对应的储能参数，获得负荷聚集商最优的储能配置容量。该方法深入分析负荷聚集商对负荷侧响应资源与储能的运行机制的机理，并在此基础上提供最为经济的储能容量配置方案，降低负荷聚集商对储能的需求，同时增加负荷聚集商参与需求侧响应项目时其响应量落在最优收益区间上的概率，从而显著提高负荷聚集商的经济效益。

Description

用户侧负荷聚集商储能容量的优化配置方法
技术领域
本发明涉及一种能源配置管理技术，特别涉及一种用户侧负荷聚集商储能容量的优化配置方法。
背景技术
未来电力系统中，风电、光伏等可再生能源渗透率不断提高，因其出力具有随机性、间歇性、波动性等特点，“源-荷”单向匹配的传统模式难以为继。刘文颖(刘文颖,文晶,谢昶,等.考虑风电消纳的电力系统源荷协调多目标优化方法[J].中国电机工程学报,2015,35(05):1079-1088.)等人发表文章证明负荷侧资源参与电网调节能有效降低系统运行成本，提高可再生能源消纳，缓解可再生能源并网的压力。高赐威(高赐威,李倩玉,李慧星,等.基于负荷聚合商业务的需求响应资源整合方法与运营机制[J].电力系统自动化,2013,37(17):78-86.)等人针对目前对于负荷调节能力的挖掘不够深入，主网调度负荷侧资源存在障碍的问题，提出利用负荷聚集商整合与管理负荷侧资源，以提高资源配置水平。Nguyen D T(Nguyen D T,Le L B,Member S.Risk-Constrained Profit Maximizationfor Microgrid Aggregators with Demand Response[J].IEEE Transactions on SmartGrid,2015,6(1):135-146.)等人发表文章指出负荷侧资源的不确定性，对负荷聚集商的投标决策有较大影响。
针对以上问题，天津大学学者王冉(王冉,王丹,贾宏杰,等.一种平抑微网联络线功率波动的电池及虚拟储能协调控制策略[J].中国电机工程学报,2015,35(20):5124-5134.)等人提出一种蓄电池和负荷侧电热泵负荷的协调控制策略，用于平抑微网联络线功率波动，同时保证了参与负荷需求响应用户的舒适性。该文献提拱了利用储能与负荷侧可控负荷协调控制的思路，来提高电力系统的调节能力，但忽略了可控负荷参与响应的不确定性。
在此基础上，张开宇(张开宇,宋依群,严正.考虑用户违约可能的负荷聚合商储能配置策略[J].电力系统自动化,2015,39(17):127-133.)等人考虑用户可能出现违约的情况，利用储能装置提高供能平稳性的手段，提出基于市场等级化补偿规则的储能容量优化模型。证明了该模型可以为负荷聚集商规避用户侧可能出现的违约行为提供储能优化配置策略。该文献考虑了用户侧响应的不确定性，然而依然没有分析储能对用户侧响应不确定性的影响机理，也没有提出储能容量最优配置的求解方法。
发明内容
本发明是针对负荷侧响应资源的响应不确定性带来的经济损失的问题，提出了一种用户侧负荷聚集商储能容量的优化配置方法，当负荷聚集商参与需求侧响应项目时，可以作为其充分考量储能与负荷侧不确定资源的相互影响关系的依据。解决负荷侧响应资源的响应不确定性带来的经济损失问题。
本发明的技术方案为：一种用户侧负荷聚集商储能容量的优化配置方法，具体包括如下步骤：
1)获取负荷侧响应资源的需求响应率概率分布参数及需求侧响应项目合同参数；
2)获取储能的成本参数：参数包括储能的单位容量成本me、储能的单位功率成本mp、储能容量的运行维护成本与初始容量投资成本的比值x％、储能功率的运行维护成本与初始功率投资成本的比值y％、负荷聚集商投资储能建设时的折现率r、储能的全寿命周期T；
3)建立储能容量最优配置的数学模型：
3.1)依据负荷聚集商控制策略和负荷侧需求响应资源概率参数，利用蒙特卡洛方法选取样本规模为m的负荷侧需求响应率，记为δi，i＝1,2,3,…,m；根据需求侧响应项目合同规则和实际的响应情况，将实际响应量分为四个区间计算落在不同区间上的收益：
3.1.1)若
Figure BDA0002005424370000021
则负荷聚集商的收益为：
Figure BDA0002005424370000022
其中，Δtj为第j个响应时段，j∈[1,2,3,…,n]；
Figure BDA0002005424370000031
为第j时间段内负荷聚集商考虑储能参与补充响应下的实际响应量；
Figure BDA0002005424370000032
为第j时间段内合同计划响应量；a为考虑储能参与补充响应后整体响应率低于60％的频数；
Figure BDA0002005424370000033
为第j时段内储能的充放电功率，
Figure BDA0002005424370000034
表示储能充电，
Figure BDA0002005424370000035
表示储能放电，
Figure BDA0002005424370000036
表示储能不动作，假设在时间段内储能的充放电功率不变；
Figure BDA0002005424370000037
定义如式(8)所示；
Figure BDA0002005424370000038
为第j时段内的电网电价；
Figure BDA0002005424370000039
3.1.2)若
Figure BDA00020054243700000310
则负荷聚集商的收益为：
Figure BDA00020054243700000311
其中，b为考虑储能参与补充响应后整体响应率不低于60％同时低于70％的频数；
3.1.3)若
Figure BDA00020054243700000312
则负荷聚集商的收益为：
Figure BDA00020054243700000313
其中，c为考虑储能参与补充响应后整体响应率不低于70％同时低于150％的频数；
3.1.4)若
Figure BDA00020054243700000314
则负荷聚集商的收益为：
Figure BDA00020054243700000315
其中，d为考虑储能参与补充响应后整体响应率不低于150％的频数；
3.2)最终负荷聚集商一年的期望收益为：
Figure BDA0002005424370000041
3.3)聚集商收益的数学模型的约束条件为：
负荷聚集商的信誉指数约束：
Figure BDA0002005424370000042
储能的充电功率约束：
Figure BDA0002005424370000043
储能的放电功率约束：
Figure BDA0002005424370000044
储能的充放电状态约束：
Figure BDA0002005424370000045
Figure BDA0002005424370000046
Figure BDA0002005424370000047
储能的荷电状态约束：
Figure BDA0002005424370000048
SOCmin≤SOC(t)≤SOCmax (20)
储能的初末状态约束：
Figure BDA0002005424370000049
其中：Pr()表示满足括号内条件的概率；γ为负荷聚集商的信誉指数；
Figure BDA00020054243700000410
分别为储能在j时段的充、放电功率；
Figure BDA00020054243700000411
为储能允许的最大充放电功率的绝对值；E为储能的额定容量，额定容量与储能允许最大充放电功率满足一定的比例关系，即
Figure BDA0002005424370000051
ηch、ηdch为储能的充、放电效率；
Figure BDA0002005424370000052
为储能的状态参数，若该储能单元为放电状态时，
Figure BDA0002005424370000053
否则
Figure BDA0002005424370000054
若该储能单元为充电状态时，
Figure BDA0002005424370000055
否则
Figure BDA0002005424370000056
SOC(t)为储能t时刻的荷电状态；SOCmax、SOCmin分别为储能的荷电状态允许上、下限值；
3.4)根据上述条件和负荷聚集商的盈利模式，负荷聚集商的净收益目标函数为：
Figure BDA0002005424370000057
4)在步骤3)中的约束条件和负荷聚集商的市价条件约束下，求解式(22)的最大值，负荷聚集商的净收益目标函数F最大值Fmax所对应的储能额定容量为Eb，Eb为负荷聚集商最优的储能配置容量。
所述负荷聚集商控制策略为：优先控制负荷侧响应资源响应计划需求，自身配置的储能参与补充，即当响应资源的响应量与计划响应量存在偏差时，方考虑控制储能补充响应。
本发明的有益效果在于：本发明用户侧负荷聚集商储能容量的优化配置方法，当负荷聚集商参与需求侧响应项目时，可以作为其充分考量储能与负荷侧不确定资源的相互影响关系的依据。该方法能有深入分析负荷聚集商对负荷侧响应资源与储能的运行机制的机理，并在此基础上提供最为经济的储能容量配置方案，进而降低负荷聚集商对储能的需求，同时增加负荷聚集商参与需求侧响应项目时其响应量落在最优收益区间上的概率，从而显著提高负荷聚集商的经济效益。
附图说明
图1为本发明实施例中负荷聚集商对负荷需求资源和储能的控制策略机理示意图；
图2为本发明实施例中负荷聚集商的储能容量优化配置方法计算流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种负荷聚集商储能容量的优化配置方法，该方法基于负荷聚集商对负荷侧需求响应资源和储能的控制策略，目的在于减小其对储能的需求，提高自身的经济收益。
本发明涉及的负荷聚集商控制策略为：当其参与需求侧响应项目时，优先控制负荷侧响应资源响应计划需求，自身配置的储能参与补充，即当负荷侧响应资源的响应量与计划响应量存在偏差时，方考虑控制储能补充响应，响应机理如图1所示。
图1中，横轴表示负荷侧需求响应资源的响应量，f1(QVES)为储能不参与情况下的负荷侧响应资源响应量概率密度曲线，f2(QVES)为储能参与补充响应情况下的负荷测响应资源响应量概率密度曲线，QE为某时段合同计划响应需求量，Qst为储能响应量，
Figure BDA0002005424370000061
为某时段不考虑储能参与补充响应下的负荷侧响应资源响应偏差、ΔQVES为某时段考虑储能参与补充响应下的负荷侧响应资源响应偏差，且
Figure BDA0002005424370000062
满足：
Figure BDA0002005424370000063
本发明采用置信水平进行描述，则考虑储能参与响应后，负荷侧响应资源在置信区间[QE-ΔQVES,QE+ΔQVES]内的置信水平等价于不考虑储能参与下负荷侧响应资源在区间
Figure BDA0002005424370000064
内的置信水平，即：
Figure BDA0002005424370000065
式中，F1()、F2()为储能响应前、后负荷侧响应资源的响应概率累积函数。
则根据式(2)可知，考虑储能参与响应后，保证区间[QE-ΔQVES,QE+ΔQVES]不变的情况下，负荷聚集商响应的置信水平将提高，提高量Δγ为：
Δγ＝2[F1(ΔQVES+Qst+QE)-F1(ΔQVES+QE)] (3)
为定量描述负荷聚集商调度灵活负荷的实际响应情况，定义负荷侧需求响应率为不考虑储能参与补充响应下的负荷侧响应资源实际响应量与合同计划响应需求量的比率，即：
Figure BDA0002005424370000066
本发明在上述理论基础上，提出负荷聚集商的储能优化配置方法包括以下步骤：
步骤一，获取负荷侧响应资源的需求响应率概率分布参数及需求侧响应项目合同参数：负荷侧需求响应率服从以1为均值的截断正态分布，即δ～N(1，σ2,δmin,δmax)(其中N表示正态分布，σ为正态分布标准差，δmax、δmin为负荷侧需求响应率的上、下限)；响应时段Δt1、Δt2、…、Δtn；各时段的合同计划响应需求量
Figure BDA0002005424370000071
(
Figure BDA0002005424370000072
表示第n时间段合同计划负荷增加，
Figure BDA0002005424370000073
表示第n时间段合同计划负荷削减)；各时段的小时负荷容量奖励标准
Figure BDA0002005424370000074
一年内负荷聚集商需参与需求侧响应项目的天数ρ。奖惩规则，小时负荷完成率150％以上，超出50％以上部分不再给予补偿，完成率70％(含)至150％，按小时负荷容量奖励标准给予补偿，60％(含)至70％，按50％的小时负荷容量奖励费用给予补偿，60％以下，判定为响应失败，予以一定的惩罚，单位惩罚价格为πpun。特别的，若负荷增加响应量超过计划响应量，超出部分正常收取电费。
步骤二，获取储能的成本参数：储能的成本包括储能的能量成本CE和储能的功率成本CP，成本通常由初始投资成本及运行维护成本组成。储能容量和功率的大小直接决定着初始投资成本，运行维护成本则可以用初始投资的百分比估算：
Figure BDA0002005424370000075
Figure BDA0002005424370000076
式中，x％为储能容量的运行维护成本与初始容量投资成本间的比值；y％为储能功率的运行维护成本与初始容量投资成本间的比值；me、mp分别为储能的单位容量与单位功率成本；E、
Figure BDA0002005424370000077
分别为该储能的额定容量与最大充放电功率的绝对值；r为负荷聚集商投资储能建设时的折现率；T为该储能的全寿命周期。
步骤三，建立储能容量最优配置的数学模型：
负荷聚集商调度负荷侧需求响应资源和储能参与需求侧响应项目时，收益分为两部分，响应合同的净收益(即包括惩罚成本)和储能向电网释放电能时的正常补偿收益。依据上述分析的理论和负荷侧需求响应资源概率参数，利用蒙特卡洛方法选取样本规模为m的负荷侧需求响应率，记为δi(i＝1,2,3,…,m)。因此，根据需求侧响应项目合同规则，可根据实际的响应情况，将实际响应量分为四个区间计算落在不同区间上的收益。
1)若
Figure BDA0002005424370000081
则负荷聚集商的收益为：
Figure BDA0002005424370000082
其中，Δtj为第j个响应时段，j∈[1,2,3,…,n]；
Figure BDA0002005424370000083
为第j时间段内负荷聚集商考虑储能参与补充响应下的实际响应量；
Figure BDA0002005424370000084
为第j时间段内合同计划响应量；a为考虑储能参与补充响应后整体响应率低于60％的频数；
Figure BDA0002005424370000085
为第j时段内储能的充放电功率(
Figure BDA0002005424370000086
表示储能充电，
Figure BDA0002005424370000087
表示储能放电，
Figure BDA0002005424370000088
表示储能不动作，本专利中假设在时间段内储能的充放电功率不变)；
Figure BDA0002005424370000089
定义如式(8)所示；
Figure BDA00020054243700000810
为第j时段内的电网电价。
Figure BDA00020054243700000811
2)若
Figure BDA00020054243700000812
则负荷聚集商的收益为：
Figure BDA00020054243700000813
其中，b为考虑储能参与补充响应后整体响应率不低于60％同时低于70％的频数。
3)若
Figure BDA00020054243700000814
则负荷聚集商的收益为：
Figure BDA0002005424370000091
其中，c为考虑储能参与补充响应后整体响应率不低于70％同时低于150％的频数。
4)若
Figure BDA0002005424370000092
则负荷聚集商的收益为：
Figure BDA0002005424370000093
其中，d为考虑储能参与补充响应后整体响应率不低于150％的频数。
最终负荷聚集商一年的期望收益为：
Figure BDA0002005424370000094
聚集商收益的数学模型的约束条件为：
Figure BDA0002005424370000095
Figure BDA0002005424370000096
Figure BDA0002005424370000097
Figure BDA0002005424370000098
Figure BDA0002005424370000099
Figure BDA00020054243700000910
Figure BDA00020054243700000911
SOCmin≤SOC(t)≤SOCmax (20)
Figure BDA00020054243700000912
其中：Pr()表示满足括号内条件的概率；γ为负荷聚集商的信誉指数；
Figure BDA0002005424370000101
分别为储能在j时段的充、放电功率；
Figure BDA0002005424370000102
为储能允许的最大充放电功率的绝对值；E为储能额定容量(额定容量与储能允许最大充放电功率满足一定的比例关系，即
Figure BDA0002005424370000103
)；ηch、ηdch为储能的充、放电效率；
Figure BDA0002005424370000104
为储能的状态参数，(若该储能单元为放电状态时，
Figure BDA0002005424370000105
否则
Figure BDA0002005424370000106
若该储能单元为充电状态时，
Figure BDA0002005424370000107
否则
Figure BDA0002005424370000108
)；SOC(t)为储能t时刻的荷电状态；SOCmax、SOCmin分别为储能的荷电状态允许上、下限值。
式(13)为负荷聚集商的信誉指数约束；式(14)、(15)为储能的充放电功率约束；式(16)、(17)、(18)为储能的充放电状态约束，即在某一时刻储能只能为充电、放电或不动作三者中的一种状态；式(19)、(20)为储能的荷电状态约束；式(21)为储能的初末状态约束，即确保了一个周期内储能最终状态与原始状态相同。
根据上述条件和负荷聚集商的盈利模式，负荷聚集商的净收益目标函数为：
Figure BDA0002005424370000109
步骤四，在步骤三中的约束条件和负荷聚集商的市价条件约束下，求解式(22)的最大值，负荷聚集商的净收益目标函数F最大值Fmax所对应的储能额定容量为Eb，Eb为负荷聚集商最优的储能配置容量。
本发明提供的负荷聚集商储能优化配置的求解方法中负荷侧需求响应资源的响应概率服从截断正态分布，且m＝10000；
本发明提供的负荷聚集商储能优化配置的求解方法中，管理时间的长度为一天24个小时，响应时段的个数和长度由需求侧响应项目合同决定。

Claims (2)

1.一种用户侧负荷聚集商储能容量的优化配置方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1)获取负荷侧响应资源的需求响应率概率分布参数及需求侧响应项目合同参数；
2)获取储能的成本参数：参数包括储能的单位容量成本me、储能的单位功率成本mp、储能容量的运行维护成本与初始容量投资成本的比值x％、储能功率的运行维护成本与初始功率投资成本的比值y％、负荷聚集商投资储能建设时的折现率r、储能的全寿命周期T；
3)建立储能容量最优配置的数学模型：
3.1)依据负荷聚集商控制策略和负荷侧响应资源的需求响应率概率分布参数，利用蒙特卡洛方法选取样本规模为m的负荷侧需求响应率，记为δi，i＝1,2,3,…,m；根据需求侧响应项目合同参数和实际的响应情况，将实际响应量分为四个区间计算落在不同区间上的收益：
3.1.1)若
Figure FDA0003479277670000011
则负荷聚集商的收益为：
Figure FDA0003479277670000012
其中，Δtj为第j个响应时段，j∈[1,2,3,…,n]；
Figure FDA0003479277670000013
为第j时间段内负荷聚集商考虑储能参与补充响应下的实际响应量；
Figure FDA0003479277670000014
为第j时间段内合同计划响应量；a为考虑储能参与补充响应后整体响应率低于60％的频数；n为时间段个数；
Figure FDA0003479277670000015
为第j时段内储能的充放电功率，
Figure FDA0003479277670000016
表示储能充电，
Figure FDA0003479277670000017
表示储能放电，
Figure FDA0003479277670000018
表示储能不动作，在同一时间段内储能的充放电功率不变；
Figure FDA0003479277670000019
定义如式(8)所示；
Figure FDA00034792776700000110
为第j时段内的电网电价；πpun为单位惩罚价格；
Figure FDA00034792776700000111
3.1.2)若
Figure FDA0003479277670000021
则负荷聚集商的收益为：
Figure FDA0003479277670000022
其中，b为考虑储能参与补充响应后整体响应率不低于60％同时低于70％的频数；
Figure FDA0003479277670000023
为第j时段的小时负荷容量奖励标准；
3.1.3)若
Figure FDA0003479277670000024
则负荷聚集商的收益为：
Figure FDA0003479277670000025
其中，c为考虑储能参与补充响应后整体响应率不低于70％同时低于150％的频数；
3.1.4)若
Figure FDA0003479277670000026
则负荷聚集商的收益为：
Figure FDA0003479277670000027
其中，d为考虑储能参与补充响应后整体响应率不低于150％的频数；
3.2)最终负荷聚集商一年的期望收益为：
Figure FDA0003479277670000028
其中，ρ为需求侧响应项目的天数；
3.3)聚集商收益的数学模型的约束条件为：
负荷聚集商的信誉指数约束：
Figure FDA0003479277670000029
储能的充电功率约束：
Figure FDA0003479277670000031
储能的放电功率约束：
Figure FDA0003479277670000032
储能的充放电状态约束：
Figure FDA0003479277670000033
Figure FDA0003479277670000034
Figure FDA0003479277670000035
储能的荷电状态约束：
Figure FDA0003479277670000036
SOCmin≤SOC(t)≤SOCmax (20)
储能的初末状态约束：
Figure FDA0003479277670000037
其中：Pr()表示满足括号内条件的概率；γ为负荷聚集商的信誉指数；
Figure FDA0003479277670000038
分别为储能在j时段的充、放电功率；
Figure FDA0003479277670000039
为储能允许的最大充放电功率的绝对值；E为储能额定容量，储能额定容量与储能允许的最大充放电功率的绝对值满足比例α关系，即
Figure FDA00034792776700000310
ηch、ηdch为储能的充、放电效率；
Figure FDA00034792776700000311
为储能的状态参数，若该储能单元为放电状态时，
Figure FDA00034792776700000312
否则
Figure FDA00034792776700000313
若该储能单元为充电状态时，
Figure FDA00034792776700000314
否则
Figure FDA00034792776700000315
SOC(t)为储能t时刻的荷电状态；SOCmax、SOCmin分别为储能的荷电状态允许上、下限值；
3.4)根据上述条件和负荷聚集商的盈利模式，负荷聚集商的净收益目标函数为：
Figure FDA00034792776700000316
4)在步骤3)中的约束条件和负荷聚集商的市价条件约束下，求解式(22)的最大值，负荷聚集商的净收益目标函数F最大值Fmax所对应的储能额定容量为Eb，Eb为负荷聚集商最优的储能配置容量。
2.根据权利要求1所述用户侧负荷聚集商储能容量的优化配置方法，其特征在于，所述负荷聚集商控制策略为：优先控制负荷侧响应资源响应计划需求，自身配置的储能参与补充，即当响应资源的响应量与计划响应量存在偏差时，方考虑控制储能补充响应。
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