CN110417037B - 一种光储联合系统容量配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光储领域，尤其涉及一种光储联合系统容量配置方法，包括：(1)建立指标；以及根据所建立的指标构建光储系统容量优化配置目标函数模型F，所述模型F以全寿命周期内经济性最优为目标；(2)建立控制策略，使光储联合系统根据指定策略运行，确保能够找到光储联合系统的最优配置；(3)遵循一定约束配置光储联合系统的容量，并实施如上所述控制策略，根据目标函数F，确定当F取最小值时唯一的光储联合系统配置。本发明在保证系统全寿命周期经济性最优的同时能够保证系统稳定运行，能为光储电站的建设提供指导。

Description

一种光储联合系统容量配置方法

技术领域

本发明属于光储领域，尤其涉及一种光储联合系统容量配置方法。

背景技术

截至2018年9月底，我国全国光伏发电装机容量达到16474.3万千瓦，前三季度光伏发电量达1338.3亿千瓦时。但光伏发电的波动性和间歇性导致弃光严重，使得我国光伏弃光率达到2.9％。解决上述问题的办法主要是使用储能系统与光伏系统联合运行，目前我国大多数光伏电站均是采用这种模式。建立光储联合系统势必要研究其容量配置，以往的光储联合系统容量配置均是在保证系统稳定运行或提高光伏利用率方面进行的研究，而对于系统经济性方面鲜有研究，如何在满足需求的同时使经济效益最大化，是亟待研究的问题。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明提供一种光储联合系统容量配置方法，旨在全寿命周期经济性最优的情况下，配置光储联合系统的容量，并能保证系统稳定运行，为光储电站的配置提供指导。

技术方案：一种光储联合系统容量配置方法，包括以下步骤：

(1)建立指标；以及根据所建立的指标构建光储系统容量优化配置目标函数模型F，所述模型以全寿命周期内经济性最优为目标；

其中，所述指标包括用于表示光伏系统收益的参数I₁，用于表示光储联合系统环保效益的参数I₂，用于表示光储联合系统延缓电网扩建效益的参数I₃，用于表示减少停电损失收益的参数I₄，用以表示光储联合系统电池储能全寿命周期成本的参数O₂，用于表示从电网中的购电成本的参数O₃；

构建光储联合系统的容量优化配置目标函数模型F：

F＝min{I₁+I₂+I₃+I₄-O₂-O₃}

其中，光伏系统收益I₁通过以下公式得出：

光伏系统收益I₁＝售电收益S₁(给负荷供电)—光伏系统成本O₁

O₁＝P₀C_pv (1-2)

式中，q为光储系统的售电电价，P_l(t)为t时段的负荷需求，Δt为功率数据的采样间隔，T为测试周期，P₀为光伏装机容量，C_pv为光伏容量单价；

环保收益I₂通过以下公式得出：

式中，α为太阳能替代标准煤发电系数，即1kWh光伏发电替代标准煤的质量，E_pv为光伏在全寿命周期内的发电量，ρ_fossil为煤的单价，ρ_CO2为CO₂在电网中的交易价格，

为1MWh的电能向大气排放的CO₂的质量；

延缓配电网容量扩建效益I₃通过以下公式得出：

式中，e_up为配电网单位容量扩建费用，P_ba为储能系统充放电功率，i为折旧率，n为光储系统使用年数；

减少停电损失收益I₄通过以下公式得出：

I₄＝β·E_pv (1-5)

式中，β为减少停电损失收益系数，E_pv为光伏发电总量；

电池储能全寿命周期成本O₂通过以下公式得出：

式中，B为储能系统充放电单价，x(t),y(t)为储能在t时段的充放电状态，充电时x(t)＝1时，y(t)＝0，放电时x(t)＝0时，y(t)＝1，P_char(t)为储能充电功率，P_dischar(t)为储能放电功率；

电网购电成本O₃通过以下公式得出：

式中，P_g(t)为t时刻从电网购电的功率，s为从电网中购电的电价；

(2)建立控制策略，使光储联合系统根据指定策略运行，确保能够找到光储联合系统的最优配置；

针对不同地区日照光特性和负荷特性匹配程度，控制策略以“高储低发”为基本原则，即在光伏功率大于负荷功率时对储能系统充电，在光伏功率小于负荷功率时选择经济最优情况由储能系统放电满足负荷需求，同时根据当地地区的峰谷电电价，在最经济的情况下放电以满足负荷需求，储能充放电条件如下式所示：

上式中E_pv为光伏电池板实际功率，E_m负荷功率，

为储能系统最大功率，

为高峰时段负荷总功率；

(3)遵循一定约束配置光储联合系统的容量，并实施如上所述控制策略，根据目标函数F，确定当F取最小值时唯一的光储联合系统配置，约束包括：

(a)光储联合系统电量平衡约束，即充放电要根据光伏系统和负荷的参数进行调整，具体约束条件如下：

其中

和

分别是系统每日高峰和低谷负荷量，

和

分别是光伏电池板在负荷高峰和低谷所直接提供的发电量，

和

分别是储能电池在负荷高峰和低谷提供的放电量，η⁺和η^-分别为储能电池的充电效率和放电效率；

(b)储能系统功率约束：

0≤P_mc≤P_rated

O≤P_mf≤P_rated

其中P_mc为储能系统充电功率，P_mf为储能系统放电功率，两者均要满足储能电池额定充电功率P_rated的限制；

(c)储能系统SOC约束：

SOC_min≤SOC≤SOC_max

SOC_min为储能系统SOC下限，SOC_max为储能系统SOC上限。

有益效果：本发明针对光储联合系统的容量问题，提出了一种以全寿命周期经济性最优为目标的配置方法，该方法在保证经济性的同时，又能确保系统稳定运行。同时提供了光储联合系统的控制策略，用以保证系统存在最优解，根据实例表明，该方法切实有效，能够提高系统的经济性，能为光储电站的建设提供指导。

附图说明

图1是根据本发明的控制策略流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。应当了解，以下提供的实施例仅是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的技术构思，本发明还可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。

一种以全寿命周期经济性最优为目标的光储联合系统容量配置方法，包括选取指标，建立光储系统容量优化配置目标函数模型，和设计控制策略以保证目标函数模型有最优解，最后配置光储联合系统的容量，具体步骤包括：

步骤1：建立指标；以及根据所建立的指标构建光储系统容量优化配置目标函数模型F。

本发明考虑光储系统全寿命周期的经济性最优目标，建立包含以下指标的评估体系：用于表示光伏系统收益的参数I₁，用于表示光储联合系统环保效益的参数I₂，用于表示光储联合系统延缓电网扩建效益的参数I₃，用于表示减少停电损失收益的参数I₄，用以表示光储联合系统电池储能全寿命周期成本的参数O₂，用于表示从电网中的购电成本的参数O₃；

其中，光伏系统收益I₁通过以下公式得出：

光伏系统收益I₁＝售电收益S₁(给负荷供电)-光伏系统成本O₁

O₁＝P₀C_pv (1-2)

上式中，q为光储系统的售电电价，P_l(t)为t时段的负荷需求，Δt为功率数据的采样间隔，T为测试周期，P₀为光伏装机容量，C_pv为光伏容量单价；

环保收益I₂通过以下公式得出：

上式中，α为太阳能替代标准煤发电系数，即1kWh光伏发电替代标准煤的质量，E_pv为光伏在全寿命周期内的发电量，ρ_fossil为煤的单价，ρ_CO2为CO₂在电网中的交易价格，

为1MWh的电能向大气排放的CO₂的质量；

延缓配电网容量扩建效益I₃通过以下公式得出：

上式中，e_up为配电网单位容量扩建费用，P_ba为储能系统充放电功率，i为折旧率；

减少停电损失收益I₄通过以下公式得出：

I₄＝β·E_pv (1-5)

上式中，β为减少停电损失系数，E_pv为光伏发电总量；

电池储能全寿命周期成本O₂通过以下公式得出：

上式中，B为储能系统充放电单价，x(t),y(t)为储能在t时段的充放电状态，充电时x(t)＝1时，y(t)＝0，放电时x(t)＝0时，y(t)＝1，P_char(t)为储能充电功率，P_dischar(t)为储能放电功率；

电网购电成本O₃通过以下公式得出：

上式中，P_g(t)为t时刻从电网购电的功率，s为从电网中购电的电价。

根据参数I₁，I₂，I₃，I₄，O₂和O₃各自的计算结果可以确定所述光储系统容量优化配置目标函数模型的结果：

F＝min{I₁+I₂+I₃+I₄-O₂-O₃}

F体现了光储联合系统的经济性指标。

步骤2：为了达成步骤1所述指标的最优化，建立相应控制策略，使得根据该策略确保能够找到光储联合系统的最优配置，即确保可以得到F的最小值。

针对不同地区日照光特性和负荷特性匹配程度，控制策略以“高储低发”为基本原则。即在光伏功率大于负荷功率时对储能系统充电，在光伏功率小于负荷功率时选择经济最优情况由储能系统放电满足负荷需求，充放电过程中需要满足一定约束。同时根据当地地区的峰谷电电价，选择在最经济的情况下放电以满足负荷需求，在保证经济性的前提下最大限度确保负荷用电安全，储能充放电条件如下式所示：

上式中E_pv为光伏电池板实际功率，E_m负荷功率，

为储能系统最大功率，

为高峰时段负荷总功率。

具体控制策略流程如图1所示。当前时段处于用电低谷时段时，若光伏系统不能满足负荷需求，则剩余负荷由系统购电来满足；若光伏系统能够满足负荷需求，则多余电量由储能系统充电，如功率大于储能系统充放电功率限制则停止充电，多余部分弃光；如果储能容量已满，则停止充电，多余部分弃光。当前时段处于用电高峰时段时，若光伏系统不能满足负荷需求，则剩余负荷由储能系统放电来满足，如功率大于储能系统充放电功率限制则由系统购电满足。若光伏系统能够满足负荷需求，则多余电量由储能系统充电，如功率大于储能系统充放电功率限制则停止充电，多余部分弃光；如果储能容量已满，则停止充电，多余部分弃光。考虑到不同地区峰谷电价不同以及储能技术的不断提高，如果用电低谷电价低于储能成本，则亦可使用储能系统供给低谷负荷。

步骤3：配置光储联合系统的容量，包括光伏电池板容量配置和储能系统的容量配置两部分。配置光储联合系统必须遵循以下约束，并实施如上所述控制策略，最后根据目标函数F，即可确定当F取最小值时唯一的光储联合系统配置。

(1)光储联合系统电量平衡约束

光储联合系统首先要满足电量平衡约束，即充放电要根据光伏系统和负荷的参数进行调整，具体约束条件如下：

其中

和

分别是系统每日高峰和低谷负荷量，

和

分别是光伏电池板在负荷高峰和低谷所直接提供的发电量，

和

分别是储能电池在负荷高峰和低谷提供的放电量，η⁺和η^-分别为储能电池的充电效率和放电效率。

(2)储能系统功率约束

储能系统功率要合理限制在充放电功率内，避免损坏电池。

0≤P_mc≤P_rated

O≤P_mf≤P_rated

其中P_mc为储能系统充电功率，P_mf为储能系统放电功率，两者均要满足储能电池额定充电功率P_rated的限制。

(3)储能系统SOC约束

为了延长储能电池的寿命，储能系统SOC应满足一定要求：

SOC_min≤SOC≤SOC_max

储能系统SOC应当设定上下限值，避免过充过放损坏电池。SOC_min为储能系统SOC下限，SOC_max为储能系统SOC上限。

以下为实例分析：本实例选取浙江省某地区的负荷数据验证本发明所述方法的有效性，使用参数如表1所示。

表1实例中光储联合系统的参数列表

采取本发明所述方法后，可得光储联合系统的成本和收益以及最优配置如表2、表3所示。

表2光储联合系统的各项成本与收益

表3光储联合系统的最优配置

进一步分析各项收益和成本，根据容量优化配置情况，可以看出，系统的购电成本大幅减少，仅占总成本的1.64％，这是由于增加光伏系统所抵消的高峰购电费用和储能两部分所实现的。而根据上表中也可以看出光伏收益较其成本而言更大，可知光伏系统虽然配置价格高，但是其实际收益更大，合理增设光伏系统有利于提高系统经济性。

本发明实施例中的计算条件、图例、表等仅用于对本发明作进一步的说明，并非穷举，并不构成对步骤保护范围的限定，本领域技术人员根据本发明实施例获得的启示，不经过创造性劳动就能够想到其它实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。

Claims (1)

1.一种光储联合系统容量配置方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)建立指标；以及根据所建立的指标构建光储系统容量优化配置目标函数模型F，所述模型F以全寿命周期内经济性最优为目标；所建立的指标包括：用于表示光伏系统收益的参数I₁，用于表示光储联合系统环保效益的参数I₂，用于表示光储联合系统延缓电网扩建效益的参数I₃，用于表示减少停电损失收益的参数I₄，用以表示光储联合系统电池储能全寿命周期成本的参数O₂，用于表示从电网中的购电成本的参数O₃；

光储系统容量优化配置目标函数模型F为：

F＝min{I₁+I₂+I₃+I₄-O₂-O₃}

其中，光伏系统收益I₁通过以下公式得出：

光伏系统收益I₁＝售电收益S₁-光伏系统成本O₁

O₁＝P₀C_pv (1-2)

式中，q为光储系统的售电电价，P_l(t)为t时段的负荷需求，Δt为功率数据的采样间隔，T为测试周期，P₀为光伏装机容量，C_pv为光伏容量单价；

环保收益I₂通过以下公式得出：

式中，α为太阳能替代标准煤发电系数，即1kWh光伏发电替代标准煤的质量，E_pv为光伏在全寿命周期内的发电量，ρ_fossil为煤的单价，ρ_CO2为CO₂在电网中的交易价格，

为1MWh的电能向大气排放的CO₂的质量；

延缓配电网容量扩建效益I₃通过以下公式得出：

式中，e_up为配电网单位容量扩建费用，P_ba为储能系统充放电功率，i为折旧率，n为光储系统使用年数；

减少停电损失收益I₄通过以下公式得出：

I₄＝β·E_pv (1-5)

式中，β为减少停电损失收益系数，E_pv为光伏发电总量；

电池储能全寿命周期成本O₂通过以下公式得出：

式中，B为储能系统充放电单价，x(t),y(t)为储能在t时段的充放电状态，充电时x(t)＝1时，y(t)＝0，放电时x(t)＝0时，y(t)＝1，P_char(t)为储能充电功率，P_dischar(t)为储能放电功率；

电网购电成本O₃通过以下公式得出：

式中，P_g(t)为t时刻从电网购电的功率，s为从电网中购电的电价；

(2)建立控制策略，使光储联合系统根据指定策略运行，确保能够找到光储联合系统的最优配置，所述控制策略针对不同地区日照光特性和负荷特性匹配程度，以“高储低发”为基本原则，即在光伏功率大于负荷功率时对储能系统充电，在光伏功率小于负荷功率时选择经济最优情况由储能系统放电满足负荷需求，同时根据当地地区的峰谷电电价，在最经济的情况下放电以满足负荷需求，所述控制策略具体为：

当前时段处于用电低谷时段时，若光伏系统不能满足负荷需求，则剩余负荷由系统购电来满足；若光伏系统能够满足负荷需求，则多余电量由储能系统充电，如功率大于储能系统充放电功率限制则停止充电，多余部分弃光；如果储能容量已满，则停止充电，多余部分弃光；

当前时段处于用电高峰时段时，若光伏系统不能满足负荷需求，则剩余负荷由储能系统放电来满足，如功率大于储能系统充放电功率限制则由系统购电满足；若光伏系统能够满足负荷需求，则多余电量由储能系统充电，如功率大于储能系统充放电功率限制则停止充电，多余部分弃光；如果储能容量已满，则停止充电，多余部分弃光；

(3)遵循一定约束配置光储联合系统的容量，并实施如上所述控制策略，根据目标函数F，确定当F取最小值时唯一的光储联合系统配置，配置光储联合系统时遵循以下约束：

(a)光储联合系统电量平衡约束，即充放电要根据光伏系统和负荷的参数进行调整，具体约束条件如下：

其中

和

分别是系统每日高峰和低谷负荷量，

和

分别是光伏电池板在负荷高峰和低谷所直接提供的发电量，

和

分别是储能电池在负荷高峰和低谷提供的放电量，η⁺和η^-分别为储能电池的充电效率和放电效率；

(b)储能系统功率约束：

O≤P_mc≤P_rated

O≤P_mf≤P_rated

其中P_mc为储能系统充电功率，P_mf为储能系统放电功率，两者均要满足储能电池额定充电功率P_rated的限制；

(c)储能系统SOC约束：

SOC_min≤SOC≤SOC_max

SOC_min为储能系统SOC下限，SOC_max为储能系统SOC上限。

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