CN110445125A - 一种光伏、储能和输电网的协调规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于博弈论的光伏、储能和输电网协调规划方法，分析光伏、储能和电网在系统中的平衡与制约关系，分析市场环境下光伏、储能和电网三方之间的博弈关系和博弈可行性，基于非合作博弈理论，构建光储接入后的网源协调规划模型，提出以火电机组的煤耗成本和储能系统的辅助服务成本最小为目标的调度仿真策略，求解出最优的光储网配置方案。本发明能够针对当前弃光现象突出的问题，从电源结构、电网结构、电网运行方式等多角度出发，实现对光伏电站、储能装置和网架的协调规划，在满足负荷需求和可靠性的基础上有效提高光伏消纳率。

Description

一种光伏、储能和输电网的协调规划方法

技术领域

本发明涉及电力系统电源与输电网领域，特别是涉及一种光伏、储能和输电网的协调规划方法。

背景技术

在我国新能源政策的支持下，分布广泛、资源丰富的光伏发电在近年来得到了迅猛的发展，但光伏电站的无序规划建设和弃光现象也愈加突出。不同于传统的火电、水电、核电等稳定可控的发电模式，光伏发电受天气、环境等影响因素较大，其出力随机性、间歇性和波动性等特点决定其消纳受到电力系统电源结构、电网结构、负荷水平与负荷特性、电网调度计划安排等因素的制约。我国光伏发电基地多位于距离主电力系统和负荷中心较远的地方，面临着网架薄弱、系统调峰能力不足、需要跨省消纳和电力系统稳定性等一系列难题。而且，受新能源电价政策与市场环境因素影响，光伏的高速发展与地区的电力系统规划脱节，这些因素都导致了目前的光伏消纳难题。

究其原因，一是在光伏电站大量规划的同时，光伏的消纳解决方案未能同步进行，弃光问题突出，造成了大量投资浪费；二是由于大量市场资本的涌入，各方投资者为了追求自身利益的最大化，哄抢资源，博弈竞争，且各参与者之间缺乏共谋的有效性，难以达成有约束力的协议，无法形成合作联盟，导致光伏电站、储能系统、电网公司无法实现协调规划发展。

如图1所示的当前电力系统规划，电力系统规划包括负荷预测、电源规划、电网规划，其中电源规划和电网规划相辅相成、互联互动。为支持新能源发电的发展，我国在新能源政策上对新能源企业给出了很大的激励和支持，随之而来的是新能源行业的投资热潮。由于光伏电站项目前期工作流程简单，建设周期较短，我国迎来了光伏发电的高速发展，但光伏电站的无序规划建设和大量资源浪费的现象也日益突出。为解决光伏的发展和消纳问题，近年来我国的电网企业已经加大了电网建设的力度，但电网项目审核相对复杂，方案确定慢，建设周期长，导致光伏电站的建设和电网的规划建设不同步，因此光伏电站和电网的规划建设无法实现协调发展。

如何在现有的新能源政策与电力市场化改革机制下，充分考虑光伏电站集中规划、远离负荷中心、出力随机波动性较强等特点，计及电力系统规划建设的投资经济性问题和光伏的消纳解决方案，研究光伏电站、储能系统和电网的协调规划建设，对于合理规划光伏电站容量布局，提高电网与光伏电站的综合效益，促进电力系统的经济、稳定、安全运行，具有极其重要的现实意义。

发明内容

本发明的一个目的是要提供一种光伏、储能和输电网的协调规划方法，基于非合作博弈理论，实现对光伏电站、储能装置和网架的协调规划，在满足负荷需求和可靠性的基础上有效提高光伏消纳率。

特别地，本发明提供了一种光伏、储能和输电网的协调规划方法，包括以下步骤：

S1：收集光伏电站发电的原始数据和信息参数；

S2：形成光伏电站、储能系统、输电网三者的博弈参与者策略集合，所述博弈参与者策略集合包括光伏电站和储能系统的第一策略集合、电网公司的第二策略集合；

S3：按光伏决策结、电网决策结和储能决策结排序分层，形成具有博弈模型的博弈树；

S4：根据所述原始数据和所述信息参数，计算所述博弈树下每条分支线中光伏电站、储能系统、输电网三者的效益；

S5：从原博弈树终点结开始，找到所述博弈树中最小子博弈，并求解相应的纳什均衡，将所述最小子博弈的初始结作为所述原博弈树新的终点结，在新的终结点标注所述纳什均衡的策略和效益；

S6：判断是否到达所述原博弈树的初始结，如果否，则继续S5的循环；如果是，则终止S5的循环，并进行S7；

S7：判断是否找到子博弈的精炼纳什均衡，如果否，则返回S2；如果是，则进行S8；

S8：输出所述博弈模型的均衡解。

优选的，所述原始数据包括光伏处理数据、光伏设备造假数据，所述信息参数包括负荷信息、电价信息、火电机组运行参数。

优选的，所述第一策略集合为：在一定数值范围内，光伏规划容量和储能规划容量从零开始以预定步长逐步增加至上限容量；所述第二策略集合为：模拟每个光伏容量规划策略下的系统运行情况，通过遗传算法，剔除不达标的电网规划方案。

优选的，S4中，所述博弈树下每条分支线中光伏电站的效益表达式为：

光伏电站的收益F_P由其收入和各项成本费用组成，其收入包括年售电收入W_P,SEL，政府新能源补贴W_P,SUB，光伏电池报废收入W_P,SCR；其成本包括光伏电站初期建设成本C_P,INV，运行维护成本C_P,WOM和运行考核成本C_P,ASS；光伏电站的效益表达函数如下式：

式中：W_P,SCR＝P_PD_P，其中P_P为光伏电站装机容量，D_P为单位功率光伏报废收入；C_P,INV＝P_PU_P，其中U_P为单位功率光伏造价；C_P,WOM＝P_PM_P，其中M_P为单位功率光伏年维护费用；τ为银行利率，T_P为光伏电站寿命， 为设备等值年系数。

优选的，S4中，所述博弈树下每条分支线中储能系统的效益表达式为：

储能系统的收益F_B由其收入和各项成本费用组成，其收入为其所提供辅助服务的收入W_B,AUX；其成本包括从电网购电成本C_B,PUR，初期建设成本C_B,INV和运行维护成本C_B,WOM；储能系统辅助服务收入公式如下：

式中：c_PE为单位调峰收入；c_RE为单位备用收入；为t时段储能参与系统备用容量，其中为t时段储能电量，为t时段储能参与调峰电量；

储能系统收益函数如下式：

式中：购电成本其中为t时段储能从电网购买的电量，λ_B为单位电量购买价格；初期建设成本C_B,INV和运行维护成本C_B,WOM。

优选的，S4中，所述博弈树下每条分支线中输电网的效益表达式为：

电网公司的收益由其售电收入W_G,SEL，绿色证书交易收入W_G,TGC，从光伏电站年购电成本C_G,PUR，电网为接纳光伏进行的网架扩建成本C_G,TR组成；其中绿色证书交易收入计算如下，设电网公司可再生能源配额要求为N，绿色证书实际持有量为M，则电网公司通过可再生能源交易市场可获收益为：

W_G,TGC＝λ_TGC(M-N) (4)

式中：W_G,TGC为绿色证书交易收益；λ_TGC为绿色证书单位电量的交易价格；

电网公司收益函数如下式：

式中：其中N_L为备选扩增线路总条数，C_k为第k条线路的平均造价，L_k为第k条备选扩增线路长度。

优选的，S5中纳什均衡的优化目标函数如下：

式中：P_P为光伏电站制定的光伏容量规划策略，L_G为电源规划的基础上输电网进行的电网线路扩展规划策略，P_B为储能制定的储能容量规划策略；为博弈参与者的纳什均衡策略，表示在对方选择最优策略时己方的最优对策；arg max(·)表示使目标函数取值最大的变量集合。

本发明的光伏、储能和输电网的协调规划方法由于利用了非合作博弈理论，因此充分考虑了光伏电站集中规划、远离负荷中心、出力随机波动性较强等特点，计及电力系统规划建设的投资经济性问题和光伏的消纳解决方案，从而合理规划光伏电站容量布局，提高了电网与光伏电站的综合效益，促进了电力系统的经济、稳定、安全运行，具有极其重要的现实意义。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是本发明背景技术中的现有技术的电力系统规划；

图2是本发明的光储并网系统运行示意图；

图3是本发明的光储接入网源协调规划方法的流程图。

具体实施方式

如图2所示，本发明针对目前大量光伏电站无序建设，光伏消纳困难等问题，考虑电网扩展规划和储能系统并网对光伏消纳的提升作用，结合可再生能源配额制，在规划年负荷预测的基础上，提出光伏、储能和电网的协调规划研究，首先进行光储网的博弈关系分析。

光伏电站、储能系统和电网公司在整个系统的运行过程中是互联互动、收益相关的。光伏电站的策略为并网容量，其装机容量影响着电网企业的绿色证书交易收益与储能系统调峰、备用等辅助服务收益；电网公司的策略为网架的扩展规划方案，网架结构的变化关系着光伏电量的上网消纳；储能系统的策略为规划容量，其调峰和备用的容量制约着光伏电量的消纳，并影响着电网的可再生能源配额制完成情况。可见，光伏、储能和电网三者的决策变量互相影响，形成博弈关系。

如图3所示的光储接入网源协调规划方法的流程图，本发明提供了一种光伏、储能和输电网的协调规划方法，包括以下步骤。

S1：收集光伏电站发电的原始数据和信息参数。

所述原始数据包括光伏处理数据、光伏设备造假数据，所述信息参数包括负荷信息、电价信息、火电机组运行参数。这些数据和参数能够输入到本发明的博弈模型中，以便于后续的计算求解。

S2：形成光伏电站、储能系统、输电网三者的博弈参与者策略集合，所述博弈参与者策略集合包括光伏电站和储能系统的第一策略集合、电网公司的第二策略集合。

所述第一策略集合为：在一定数值范围内，光伏规划容量和储能规划容量从零开始以预定步长逐步增加至上限容量。所述第二策略集合为：模拟每个光伏容量规划策略下的系统运行情况，通过遗传算法，剔除不达标的电网规划方案。第一策略和第二策略均是为博弈参与者的博弈模型做准备。

S3：按光伏决策结、电网决策结和储能决策结排序分层，形成具有博弈模型的博弈树。

S4：根据所述原始数据和所述信息参数，计算所述博弈树下每条分支线中光伏电站、储能系统、输电网三者的效益。

S4中，所述博弈树下每条分支线中光伏电站的效益表达式为：

光伏电站的收益F_P由其收入和各项成本费用组成，其收入包括年售电收入W_P,SEL，政府新能源补贴W_P,SUB，光伏电池报废收入W_P,SCR；其成本包括光伏电站初期建设成本C_P,INV，运行维护成本C_P,WOM和运行考核成本C_P,ASS。我国对大规模光伏电站并网后的功率波动和预测有严格的考核标准，具体如下。

1)规定光伏电站月均10min和1min最大功率变化分别不超过装机容量的33％和10％，每超出1％按10分/月考核，每分对应1000元惩罚金额。

2)规定光伏电站短期和超短期功率预测月平均绝对误差分别小于15％和10％，每超出1％按装机容量×0.2分/MW考核，每分对应1000元惩罚金额。

光伏电站的效益表达函数如下式：

式中：W_P,SCR＝P_PD_P，其中P_P为光伏电站装机容量，D_P为单位功率光伏报废收入；C_P,INV＝P_PU_P，其中U_P为单位功率光伏造价；C_P,WOM＝P_PM_P，其中M_P为单位功率光伏年维护费用；τ为银行利率，T_P为光伏电站寿命， 为设备等值年系数。

S4中，所述博弈树下每条分支线中储能系统的效益表达式为：

储能系统的收益F_B由其收入和各项成本费用组成，其收入为其所提供辅助服务的收入W_B,AUX；其成本包括从电网购电成本C_B,PUR，初期建设成本C_B,INV和运行维护成本C_B,WOM；储能系统辅助服务收入公式如下：

式中：c_PE为单位调峰收入；c_RE为单位备用收入；为t时段储能参与系统备用容量，其中为t时段储能电量，为t时段储能参与调峰电量；

储能系统收益函数如下式：

式中：购电成本其中为t时段储能从电网购买的电量，λ_B为单位电量购买价格；初期建设成本C_B,INV和运行维护成本C_B,WOM的计算与光伏电站类似，只需要将相应的变量改为储能系统的变量，此处不再赘述。根据我国发布的《并网发电厂辅助服务管理实施细则》，储能系统参与辅助服务的补偿费用来源于发电厂并网运行管理考核费用和发电机组调试运行期差额资金。

S4中，所述博弈树下每条分支线中输电网的效益表达式为：

电网公司的收益由其售电收入W_G,SEL，绿色证书交易收入W_G,TGC，从光伏电站年购电成本C_G,PUR，电网为接纳光伏进行的网架扩建成本C_G,TR组成；其中绿色证书交易收入计算如下，设电网公司可再生能源配额要求为N，绿色证书实际持有量为M，则电网公司通过可再生能源交易市场可获收益为：

W_G,TGC＝λ_TGC(M-N) (4)

式中：W_G,TGC为绿色证书交易收益；λ_TGC为绿色证书单位电量的交易价格。本文以1kW·h光伏电量作为单位证书面值，以一年为期限作为绿色证书结算周期。上式中，若M<N，表示电网公司未能完成政府规定的可再生能源配额义务要求，则W_G,TGC为电网公司从其他超额完成配额义务的承担者处购买绿色证书所花费用。

电网公司收益函数如下式：

式中：其中N_L为备选扩增线路总条数，C_k为第k条线路的平均造价，L_k为第k条备选扩增线路长度。

S5：从原博弈树终点结开始，找到所述博弈树中最小子博弈，并求解相应的纳什均衡，将所述最小子博弈的初始结作为所述原博弈树新的终点结，在新的终结点标注所述纳什均衡的策略和效益。

S5中纳什均衡的优化目标函数如下：

式中：P_P为光伏电站制定的光伏容量规划策略，L_G为电源规划的基础上输电网进行的电网线路扩展规划策略，P_B为储能制定的储能容量规划策略；为博弈参与者的纳什均衡策略，表示在对方选择最优策略时己方的最优对策；arg max(·)表示使目标函数取值最大的变量集合。

步骤S5是博弈树的简化流程的循环。也就是，从原博弈树博弈终点结的直接前列结开始，找出博弈树中所有的最小子博弈并求解相应的纳什均衡，之后，将子博弈的初始结看作原博弈的终点结，并在新的终点结上标注均衡策略和收益，从而替换掉这些子博弈。在简化后的博弈树上重复上述步骤，逆向推进至原博弈树初始结。

S6：判断是否到达所述原博弈树的初始结，如果否，则继续S5的循环；如果是，则终止S5的循环，并进行S7。

S7：判断是否找到子博弈的精炼纳什均衡，如果否，则返回S2；如果是，则进行S8。

S8：输出所述博弈模型的均衡解。

基于上述S1至S8，本发明基于经济调度策略，以火电机组的煤耗成本和储能系统的辅助服务成本最小为目标对各博弈方案进行校核。经济调度目标函数如下：

式中：C_GEN和C_BESS分别为火电机组和储能系统的运行成本；N_G为火电机组台数，N_B为储能系统数量；和分别表示火电机组在i在t时段和t时段前的启停状态，表示火电机组处于停机状态，表示火电机组处于开机状态；为火电机组i在t时段的输出功率；α_i，β_i，γ_i为火电机组运行耗量特性参数；η_i为火电机组启动耗量特性参数。储能运行成本C_BESS即为储能系统收益模型中其辅助服务收入W_B,AUX，此处是从调度角度出发考虑。

其中，约束条件分为可调度光伏出力约束、火电机组技术约束、储能系统技术约束、系统约束。

(1)可调度光伏出力约束

式中：为t时段光伏出力，为t时段光伏最大出力。

(2)火电机组技术约束

①输出功率上下限约束：

式中：P_Gi,max和P_Gi,min分别为火电机组i的输出功率上、下限。

②爬坡率约束：

式中：P_Gi,up和P_Gi,dw分别为火电机组i的向上爬坡速率和向下爬坡速率。

③最小启停时间约束：

式中：和分别为火电机组i的最小连续运行时间和最小连续停机时间；为火电机组i在t时段前持续同一状态(运行或停机)的时间。

(3)储能系统技术约束

①充放电功率约束：

式中：和为储能充放电功率；和分别为储能充电功率上、下限；和分别为储能放电功率上、下限。

②存储电量约束：

式中：为储能i在t时段的存储电量；E_Bi,max和E_Bi,min分别为储能存储电量上、下限。

(4)系统约束

①功率平衡约束：

式中：为时段t的有功负荷。

②旋转备用约束：

式中：和分别为t时段系统应对光伏功率波动设置的正负旋转备用；和分别为t时段系统应对负荷波动设置的正负旋转备用。

③线路容量约束：

式中：P_line为线路实际潮流；和分别为线路最小、最大容量约束。

综上，本发明以水平年光伏电站、储能系统和电网企业规划为研究对象，考虑市场环境的影响，引入可再生能源配额与绿色证书交易机制，基于非合作博弈理论，建立光-储-网协调规划博弈模型，对当前市场环境下光伏与电网的不协调规划问题进行研究和探索，提升电网消纳光伏的积极性，避免光伏电站的无序扩张，可为目前光伏电站规划中出现的场网不协调问题提供改进方案。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (7)

1.一种光伏、储能和输电网的协调规划方法，包括以下步骤：

S1：收集光伏电站发电的原始数据和信息参数；

S2：形成光伏电站、储能系统、输电网三者的博弈参与者策略集合，所述博弈参与者策略集合包括光伏电站和储能系统的第一策略集合、电网公司的第二策略集合；

S3：按光伏决策结、电网决策结和储能决策结排序分层，形成具有博弈模型的博弈树；

S4：根据所述原始数据和所述信息参数，计算所述博弈树下每条分支线中光伏电站、储能系统、输电网三者的效益；

S5：从原博弈树终点结开始，找到所述博弈树中最小子博弈，并求解相应的纳什均衡，将所述最小子博弈的初始结作为所述原博弈树新的终点结，在新的终结点标注所述纳什均衡的策略和效益；

S6：判断是否到达所述原博弈树的初始结，如果否，则继续S5的循环；如果是，则终止S5的循环，并进行S7；

S7：判断是否找到子博弈的精炼纳什均衡，如果否，则返回S2；如果是，则进行S8；

S8：输出所述博弈模型的均衡解。

2.根据权利要求1所述的协调规划方法，其特征在于，所述原始数据包括光伏处理数据、光伏设备造假数据，所述信息参数包括负荷信息、电价信息、火电机组运行参数。

3.根据权利要求1所述的协调规划方法，其特征在于，所述第一策略集合为：在一定数值范围内，光伏规划容量和储能规划容量从零开始以预定步长逐步增加至上限容量；所述第二策略集合为：模拟每个光伏容量规划策略下的系统运行情况，通过遗传算法，剔除不达标的电网规划方案。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的协调规划方法，其特征在于，S4中，所述博弈树下每条分支线中光伏电站的效益表达式为：

光伏电站的收益F_P由其收入和各项成本费用组成，其收入包括年售电收入W_P,SEL，政府新能源补贴W_P,SUB，光伏电池报废收入W_P,SCR；其成本包括光伏电站初期建设成本C_P,INV，运行维护成本C_P,WOM和运行考核成本C_P,ASS；光伏电站的效益表达函数如下式：

式中：W_P,SCR＝P_PD_P，其中P_P为光伏电站装机容量，D_P为单位功率光伏报废收入；C_P,INV＝P_PU_P，其中U_P为单位功率光伏造价；C_P,WOM＝P_PM_P，其中M_P为单位功率光伏年维护费用；τ为银行利率，T_P为光伏电站寿命， 为设备等值年系数。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的协调规划方法，其特征在于，S4中，所述博弈树下每条分支线中储能系统的效益表达式为：

储能系统的收益F_B由其收入和各项成本费用组成，其收入为其所提供辅助服务的收入W_B,AUX；其成本包括从电网购电成本C_B,PUR，初期建设成本C_B,INV和运行维护成本C_B,WOM；储能系统辅助服务收入公式如下：

式中：c_PE为单位调峰收入；c_RE为单位备用收入；为t时段储能参与系统备用容量，其中为t时段储能电量，为t时段储能参与调峰电量；

储能系统收益函数如下式：

式中：购电成本其中为t时段储能从电网购买的电量，λ_B为单位电量购买价格；初期建设成本C_B,INV和运行维护成本C_B,WOM。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的协调规划方法，其特征在于，S4中，所述博弈树下每条分支线中输电网的效益表达式为：

电网公司的收益由其售电收入W_G,SEL，绿色证书交易收入W_G,TGC，从光伏电站年购电成本C_G,PUR，电网为接纳光伏进行的网架扩建成本C_G,TR组成；其中绿色证书交易收入计算如下，设电网公司可再生能源配额要求为N，绿色证书实际持有量为M，则电网公司通过可再生能源交易市场可获收益为：

W_G,TGC＝λ_TGC(M-N) (4)

式中：W_G,TGC为绿色证书交易收益；λ_TGC为绿色证书单位电量的交易价格；

电网公司收益函数如下式：

式中：其中N_L为备选扩增线路总条数，C_k为第k条线路的平均造价，L_k为第k条备选扩增线路长度。

7.根据权利要求1所述的协调规划方法，其特征在于，S5中纳什均衡的优化目标函数如下：

式中：P_P为光伏电站制定的光伏容量规划策略，L_G为电源规划的基础上输电网进行的电网线路扩展规划策略，P_B为储能制定的储能容量规划策略；为博弈参与者的纳什均衡策略，表示在对方选择最优策略时己方的最优对策；arg max(·)表示使目标函数取值最大的变量集合。