CN110350518A - 一种用于调峰的电网储能容量需求评估方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于调峰的电网储能容量需求评估方法及系统，属于电力系统运行分析与储能规划技术领域。该方法包括：预先设定若干个包含不同储能功率容量的规划方案；利用电力系统运行模拟技术对各个规划方案进行全年365天的日运行模拟，得到每个规划方案下储能全年调峰时段充放电调度情况；根据每个规划方案全年储能出力运行数据进行统计学分析建模，得到储能设备存储能量的累计概率分布函数，设定储能设备满足全网调峰需求的期望概率，计算对应的储能能量容量需求；最后计算全系统综合运行成本得到的最小值对应的规划方案即为最优规划方案。本发明简单易行操作性强，具有普适性与实用性，适用于各种规模的电力系统储能需求规划。

Description

一种用于调峰的电网储能容量需求评估方法及系统

技术领域

本发明涉及一种用于调峰的电网储能容量需求评估方法及系统，属于电力系统运行分析与储能规划技术领域。

背景技术

随着风力与光伏等新型可再生能源在电力系统中的渗透率不断提高以及电力系统市场化改革的不断深化，电力系统中存在的不确定性正不断加强。此外可再生能源发电固有的强波动性使得电力系统的净负荷峰谷差大大增加。发电不确定性与净负荷波动性的加大为电力系统正常调峰带来了巨大挑战，要求系统配置更多的灵活性资源以保证电力系统的正常运行。储能设备作为一种新型的灵活性资源，有着调节灵活、响应迅速、安装建设对地理环境要求较低等特点，能够在系统调峰中起到重要作用。近年来各类新型储能技术不断成熟，储能电站投资成本不断降低，为储能技术在电网的推广普及创造了条件。

储能设备的不断增加将深刻影响电力系统的运行方式，评估现阶段电力系统中储能装机需求的大小将是储能规划建设的重要前提。目前已有一些电力系统储能需求的评估方法。樊海锋,俞智鹏,刘文龙等人提出了一种储能参与电力系统快速调频的需求评估方法。该方法就用于紧急故障时调频响应的储能设备需求进行了探索，结合粒子群算法与动态频域仿真分析计算储能调频的容量需求。李建林,郭斌琪,牛萌等人提出了一种针对可再生能源消纳的储能容量优化方法。但这些现有方法通常仅适用其对应的具体应用场景。与其他应用场景不同，调峰在系统运行中不存在显示的需求数据，储能参与调峰的价值需要在系统优化运行调度中体现。现有方法并不适用与储能参与调峰的需求评估。

综上所述，在进行电力系统储能设备规划过程中，需要一种评估总体调峰储能需求的方法，给出电力系统所需储能容量大小的合适边界，并同时给出储能功率需求与能量需求的配比，为后续储能设备选址定容并进行更加精细的规划打下基础。

与本发明相关的已有技术包括：

1)电力系统运行模拟技术：该技术能够在计算机中对电力系统进行建模，将电力系统运行构建为一个大型的数学优化问题，通过商业求解器进行求解，模拟得到电力系统中各种元件的运行状态。“电力规划决策支持系统”(Grid optimal planning tool,GOPT)电力系统运行规划软件平台是一种典型的电力系统运行模拟工具，包含发电机组检修优化安排、大规模可再生能源运行模拟多日运行协调、日运行优化模拟、可靠性计算、结果统计分析等模块；

2)随机变量非参数估计技术：该技术能够利用已有数据样本对随机变量的概率分布进行拟合。常用的分解技术包括直方图密度估计法，核密度函数拟合法等，本发明中采用直方图密度估计法进行对随机变量的概率分布进行拟合。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种用于调峰的电网储能容量需求评估方法及系统。本发明利用电力系统运行模拟技术与数学概率统计方法，评估电力系统进行调峰辅助服务的储能设备需求容量。本发明简单易行操作性强，具有普适性与实用性，适用于各种规模的电力系统储能需求规划。

本发明提出一种用于调峰的电网储能容量需求评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)预先设定N个包含不同储能设备功率容量的规划方案，所述N个规划方案的功率容量设置为从最小储能功率容量需求到最大储能功率容量需求的等差数列，则第i个规划方案功率容量表示为：

(2)利用电力规划决策支持系统GOPT对每个储能规划方案进行全年365天的日运行模拟，得到每个规划方案下对应的储能全年调峰时段充放电调度情况；具体步骤如下：

(2-1)对每个规划方案建立对应的储能运行模型，该模型约束条件包括：

电力系统储能设备充电功率约束：

电力系统储能设备放电功率约束：

电力系统储能设备充放电互斥约束：

电力系统储能设备最大存储能量约束

电力系统储能设备存储能量与充放电功率时序关联约束

其中，i表示电力系统中储能设备的编号，t表示储能设备运行的时间段编号；表示电力系统储能设备i在t时段的充电功率，表示电力系统储能设备i在t时段的放电功率，S_i,t表示电力系统储能设备i在t时段存储的能量大小，与分别表示电力系统储能设备i在t时段充电指示变量与放电指示变量，表示该储能设备正在充电，表示该储能设备正在放电；P_i ^Cmax与P_i ^Dmax分别为电力系统储能设备i在t时段充电最大功率与放电的最大功率，表示储能设备i的最大功率，η表示储能设备的充电效率，a表示储能设备的自放电损失效率；

(2-2)利用步骤(2-1)的结果，将储能设备作为一类特殊机组在GOPT中进行建模，使得全电力系统中的输入功率与输出功率相等，即：

式中，g表示电力系统中发电机组的编号，Ω_G表示电力系统发电机组集合，Ω_i表示电力系统储能设备集合，P_g,t表示发电机组g在t时段的输出功率，L_t表示电力系统在t时段的负荷功率，D_t表示电力系统在t时段的且负荷量；

(2-3)将步骤(1)中设定的每个规划方案以及电力系统的其他设备信息，按照GOPT标准输入文件的形式输入GOPT；

(2-4)利用GOPT进行逐日的机组组合运行模拟，得到每个规划方案下的系统全年的运行总成本C^op以及全系统储能设备小时级的总存储能量变化情况S_t,t＝1,2,3,...8760；

(3)对步骤(2-4)得到的全系统储能设备小时级的总存储能量变化情况进行统计学分析，得到每个规划方案下的系统储能总存储能量的累计概率分布函数，设定储能设备满足全网调频需求的期望概率，计算每个规划方案下的储能功率容量需求，；具体步骤如下：

(3-1)将每个规划方案对应的全系统储能设备小时级的总存储能量变化情况S_t作为数据样本，找到最大值max(S_t)，得到对应的分布区间：[0,max(S_t)]；将该分布区间均分为M个区间，则每个区间的长度为L＝max(S_t)/M；统计样本S_t落在各个区间内的数量，记落在第m个小区间内的数据样本数量为k_m，则系统储能设备总存储能量的概率密度分布表示为以下形式：

(3-2)对系统储能设备总存储能量的概率密度分布的表达式进行积分运算，得到储能设备总存储能量的累计概率分布函数，表达式如下：

S_t∈((m-1)L,mL]

(3-3)设定储能设备满足全系统调峰需求的期望概率α，利用储能设备总存储能量的累计概率分布函数的反函数，得到每个规划方案对应的储能调峰能量容量需求：

Q_ess＝CDF^-1(α)

(4)计算每个规划方案下的全系统综合运行成本C^total，，C^total最小值对应的规划方案即为最优规划方案，最优规划方案中储能设备功率容量需求与能量容量需求即为全系统调峰储能装机容量需求；

C^total表达式如下：

C^total＝C^op+C^inv-C^ben

式中C^inv为储能投资成本，C^ben为火电调峰机组的建设成本，P_ess为每个规划方案对应的储能功率容量；

储能投资成本C^inv计算表达式如下：

C^inv＝C^PP_ess+C^QQ_ess

式中，C^P与C^Q分别为储能设备的单位功率的年化投资成本与单位能量的年化投资成本，火电调峰机组的建设成本C^ben计算表达式如下：

C^ben＝C^ben_unitP_ess

式中，C^ben_unit为单位功率的火电调峰机组年化投资成本。

本发明的特点及有益效果在于：

本发明解决了电网侧储能规划中调峰储能需求难以确定，储能设备功率容量与能量容量配比确定缺乏依据的问题。本发明应用GOPT电力系统运行模拟技术平台对储能在逐日调度中的出力情况进行模拟，利用数学统计分析方法计算最优的规划方案，确定电力系统调峰储能的需求。与现有的储能需求规划方法相比，本发明能够考虑储能运行出力数据的概率分布情况，消除极端场景的影响，避免储能的过度投资。本发明简单易行、普适性强。应用本发明能够有效解决用于调峰的电网侧储能需求大小难以确定的问题，为电网侧储能进行后续选址定容的工作打下基础。

附图说明

图1为本发明方法的整体流程图。

具体实施方式

本发明提出一种用于调峰的电网储能容量需求评估方法及系统，下面结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明如下。

本发明提出一种用于调峰的电网储能容量需求评估方法，利用电力系统运行模拟技术与数学概率统计方法，计算电力系统进行调峰的储能设备需求容量。该方法整体流程如图1所示，包括以下步骤：

(1)预先设定N个包含不同储能设备功率容量的规划方案，每个规划方案不对储能设备的总体能量容量进行限制。此处能量容量指储能设备所能存储的最大能量值，功率容量指储能设备单位时间内的最大充放电功率数值。所述N个规划方案的功率容量设置为从最小储能功率容量需求到最大储能功率容量需求的等差数列，则第i个规划方案功率容量表示为：

以及N的数值按照储能规划实际情况确定，可以设置为0，可以设置为系统负荷峰值的30％。N的数量越大计算时间越长但结果精度更高，可以按照精度需求设定，本实施例设置为10。

(2)利用电力系统的运行模拟软件“电力规划决策支持系统”(Grid optimalplanning tool,GOPT)对每个储能规划方案进行全年365天的日运行模拟，得到每个规划方案对应的储能全年调峰时段充放电调度情况；具体包括以下步骤：

(2-1)对每个规划方案建立对应的储能运行模型，该模型运行的基本约束包括：

a、电力系统储能设备充电功率约束：

b、电力系统储能设备放电功率约束：

c、电力系统储能设备充放电互斥约束：

d、电力系统储能设备最大存储能量约束

e、电力系统储能设备存储能量与充放电功率时序关联约束

其中，i表示电力系统中储能设备的编号，t表示储能设备运行的时间段编号，此处的时段为小时级。表示电力系统储能设备i在t时段的充电功率，表示电力系统储能设备i在t时段的放电功率，S_it表示电力系统储能设备i在t时段存储的能量大小，与分别表示电力系统储能设备i在t时段充电与放电的指示变量，表示该储能设备正在充电，表示该储能设备正在放电。P_i ^Cmax与P_i ^Dmax分别为电力系统储能设备i在t时段充电最大功率与放电的最大功率，表示储能设备i的最大功率，η表示储能设备的充电效率，a表示储能设备的自放电损失效率。

(2-2)利用步骤(2-1)的结果，将储能设备作为一类特殊机组在“电力规划决策支持系统”GOPT电力系统运行模拟仿真模块中进行建模。储能设备的充放电功率参与到全系统的电力电量平衡约束中，要求全电力系统中的输入功率与输出功率相等，即：

上式中g表示电力系统中发电机组的编号，Ω_G表示电力系统发电机组集合，Ω_i表示电力系统储能设备集合，P_g,t表示发电机组g在t时段的输出功率，L_t表示电力系统在t时段的负荷功率，D_t表示电力系统在t时段的且负荷量。

(2-3)将步骤(1)中包含不同储能设备功率容量的规划方案以及所评估电力系统的其他设备信息，按照GOPT标准输入文件的形式输入计算GOPT平台。各个规划方案中的储能设备充放电功率的总和按照步骤(1)的功率容量进行设置，不对储能设备最大可存储能量进行约束。

(2-4)利用GOPT软件中的电力系统运行仿真模块进行逐日的机组组合运行模拟，得到不同储能设备功率容量的规划方案下的系统全年的运行总成本C^op以及全系统储能设备小时级的总存储能量变化情况S_t,t＝1,2,3,...8760。

(3)对步骤(2-4)得到的全系统储能设备小时级的总存储能量变化情况进行统计学分析建模，得到不同储能设备功率容量的规划方案下的系统储能总存储能量的累计概率分布函数，设定储能设备满足全网调频需求的期望概率，计算不同储能设备功率容量的规划方案下的储能功率容量需求大小，具体包括以下步骤：

(3-1)将每个规划方案对应的全系统储能设备小时级的总存储能量变化情况S_t作为数据样本，找到其中的最大值max(S_t)，得到对应的分布区间：[0,max(S_t)]。将该分布区间均分为M个区间，则每个区间的长度为L＝max(S_t)/M。M可取为样本数量8760平方根的四舍五入近似值，即94。统计样本S_t落在各个区间内的数量，记落在第m个小区间内的数据样本数量为k_m，则系统储能设备总存储能量的概率密度分布可以表示为以下形式：

(3-2)对系统储能设备总存储能量的概率密度分布的表达式进行积分运算，即可得到储能设备总存储能量的累计概率分布函数，表达式如下：

S_t∈((m-1)L,mL]

(3-3)设定储能设备满足全系统调峰需求的期望概率α，例如α取0.98。利用储能设备总存储能量的累计概率分布函数的反函数，即可得到此时的储能调峰能量容量需求：

Q_ess＝CDF^-1(α)

对不同的储能设备功率容量的规划方案都需要进行同样的计算，获得每个规划方案下储能调峰的能量容量需求。

(4)利用步骤(2-4)中得到的系统全年运行成本C^op，计算每个储能规划方案下的全系统综合运行成本C^total，C^total最小值对应的规划方案即为最优规划方案。最优规划方案中储能设备功率容量需求与能量容量需求即为全系统调峰储能装机容量需求。

C^total计算表达式如下：

C^total＝C^op+C^inv-C^ben

式中C^inv为储能投资成本，C^ben为火电调峰机组建设成本。

储能投资成本C^inv可以利用不同规划方案下的储能设备功率需求与能量需求计算，其表达式如下：

C^inv＝C^PP_ess+C^QQ_ess

上式中C^P与C^Q分别为储能设备的单位功率的年化投资成本与单位能量的年化投资成本，例如可取C^P为105元/kW/年，取C^P为315元/kWh/年。P_ess为每个规划方案中的储能功率容量，在步骤(1)中已经确定。

储能设备建设完成后能够替代一部分火电调峰机组，被替代的火电调峰机组的建设成本C^ben计算表达式如下：

C^ben＝C^ben_unitP_ess

式中，C^ben_unit为单位功率的火电调峰机组年化投资成本，可取400元/kW/年。

本发明提出一种基于上述方法的用于调峰的电网储能容量需求评估系统，包括：信息输入采集模块，电力系统运行模拟与计算模块和结果输出模块。所述信息输入采集模块的输出端连接电力系统运行模拟与计算模块输入端，电力系统运行模拟与计算模块的输出端连接结果输出模块的输入端。

所述信息输入采集模块，用于获取所评估电力系统的规划年全网负荷电量数据，发电机组装机容量大小，发电机组固定成本、可变成本、启停成本、储能设备投资成本以及预先设定的每个包含不同储能设备功率容量的规划方案，并将获取的所有数据发送给电力系统运行模拟与计算模块；

所述电力系统运行模拟与计算模块，用于根据从信息输入采集模块接收到的数据对每个规划方案进行电力系统全年逐日的调峰运行模拟，获得储能设备全年存储的能量变化数据。计算储能设备储存能量大小的累计概率密度分布函数，计算得到不同储能规划方案下的全系统综合运行成本，选取综合运行成本最小的方案为全系统储能调峰的最优方案，然后将最优方案发送至结果输出模块。

所述结果输出模块输出最优方案对应的储能设备全年存储的能量变化数据，全系统综合运行成本与全系统储能调峰的装机容量需求。

Claims (2)

1.一种用于调峰的电网储能容量需求评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)预先设定N个包含不同储能设备功率容量的规划方案，所述N个规划方案的功率容量设置为从最小储能功率容量需求到最大储能功率容量需求的等差数列，则第i个规划方案功率容量表示为：

(2)利用电力规划决策支持系统GOPT对每个储能规划方案进行全年365天的日运行模拟，得到每个规划方案下对应的储能全年调峰时段充放电调度情况；具体步骤如下：

(2-1)对每个规划方案建立对应的储能运行模型，该模型约束条件包括：

电力系统储能设备充电功率约束：

电力系统储能设备放电功率约束：

电力系统储能设备充放电互斥约束：

电力系统储能设备最大存储能量约束

电力系统储能设备存储能量与充放电功率时序关联约束

其中，i表示电力系统中储能设备的编号，t表示储能设备运行的时间段编号；表示电力系统储能设备i在t时段的充电功率，表示电力系统储能设备i在t时段的放电功率，S_i,t表示电力系统储能设备i在t时段存储的能量大小，与分别表示电力系统储能设备i在t时段充电指示变量与放电指示变量，表示该储能设备正在充电，表示该储能设备正在放电；P_i ^Cmax与P_i ^Dmax分别为电力系统储能设备i在t时段充电最大功率与放电的最大功率，表示储能设备i的最大功率，η表示储能设备的充电效率，a表示储能设备的自放电损失效率；

(2-2)利用步骤(2-1)的结果，将储能设备作为一类特殊机组在GOPT中进行建模，使得全电力系统中的输入功率与输出功率相等，即：

式中，g表示电力系统中发电机组的编号，Ω_G表示电力系统发电机组集合，Ω_i表示电力系统储能设备集合，P_g,t表示发电机组g在t时段的输出功率，L_t表示电力系统在t时段的负荷功率，D_t表示电力系统在t时段的且负荷量；

(2-3)将步骤(1)中设定的每个规划方案以及电力系统的其他设备信息，按照GOPT标准输入文件的形式输入GOPT；

(2-4)利用GOPT进行逐日的机组组合运行模拟，得到每个规划方案下的系统全年的运行总成本C^op以及全系统储能设备小时级的总存储能量变化情况S_t,t＝1,2,3,...8760；

(3)对步骤(2-4)得到的全系统储能设备小时级的总存储能量变化情况进行统计学分析，得到每个规划方案下的系统储能总存储能量的累计概率分布函数，设定储能设备满足全网调频需求的期望概率，计算每个规划方案下的储能功率容量需求，；具体步骤如下：

(3-1)将每个规划方案对应的全系统储能设备小时级的总存储能量变化情况S_t作为数据样本，找到最大值max(S_t)，得到对应的分布区间：[0,max(S_t)]；将该分布区间均分为M个区间，则每个区间的长度为L＝max(S_t)/M；统计样本S_t落在各个区间内的数量，记落在第m个小区间内的数据样本数量为k_m，则系统储能设备总存储能量的概率密度分布表示为以下形式：

(3-2)对系统储能设备总存储能量的概率密度分布的表达式进行积分运算，得到储能设备总存储能量的累计概率分布函数，表达式如下：

(3-3)设定储能设备满足全系统调峰需求的期望概率α，利用储能设备总存储能量的累计概率分布函数的反函数，得到每个规划方案对应的储能调峰能量容量需求：

Q_ess＝CDF^-1(α)

(4)计算每个规划方案下的全系统综合运行成本C^total，，C^total最小值对应的规划方案即为最优规划方案，最优规划方案中储能设备功率容量需求与能量容量需求即为全系统调峰储能装机容量需求；

C^total表达式如下：

C^total＝C^op+C^inv-C^ben

式中C^inv为储能投资成本，C^ben为火电调峰机组的建设成本，P_ess为每个规划方案对应的储能功率容量；

储能投资成本C^inv计算表达式如下：

C^inv＝C^PP_ess+C^QQ_ess

式中，C^P与C^Q分别为储能设备的单位功率的年化投资成本与单位能量的年化投资成本，火电调峰机组的建设成本C^ben计算表达式如下：

C^ben＝C^ben_unitP_ess

式中，C^ben_unit为单位功率的火电调峰机组年化投资成本。

2.一种基于如权利要求1所述方法的用于调峰的电网储能容量需求评估系统，其特征在于，该系统包括：信息输入采集模块，电力系统运行模拟与计算模块和结果输出模块；所述信息输入采集模块的输出端连接电力系统运行模拟与计算模块输入端，电力系统运行模拟与计算模块的输出端连接结果输出模块的输入端；

所述信息输入采集模块，用于获取所评估电力系统的规划年全网负荷电量数据、发电机组装机容量大小、发电机组固定成本、可变成本、启停成本、储能设备投资成本以及预先设定的每个包含不同储能设备功率容量的规划方案，并将获取的所有数据发送给电力系统运行模拟与计算模块；

所述电力系统运行模拟与计算模块，用于根据从信息输入采集模块接收到的数据对每个规划方案进行电力系统全年逐日的调峰运行模拟，获得储能设备全年存储的能量变化数据，计算储能设备储存能量大小的累计概率密度分布函数，计算得到不同规划方案下的全系统综合运行成本，选取综合运行成本最小的方案为全系统储能调峰的最优方案，然后将最优方案发送至结果输出模块；

所述结果输出模块输出最优方案对应的储能设备全年存储的能量变化数据，全系统综合运行成本与全系统储能调峰的装机容量需求。