CN110503333B - 一种用户需求响应方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种在市场环境下考虑电储能、热储能的用户需求响应方法，属于基于实时电价的需求响应技术。本方法考虑到用电负荷具有价格弹性，即实时电价越高，负荷越小，以用户用电成本最小化为目标，优化用户的用电模式；用户能源系统包括用电负荷、用热负荷和电储能、热储能以及能够将电能转化为热能的电锅炉，本发明考虑了它们各自的特性约束并建立目标函数。本发明是在现货市场环境下需求响应模式商业化发展的有效探索，对我国能源革命具有重要意义。

Description

一种用户需求响应方法
技术领域
本发明是一种在市场环境下考虑电储能、热储能的用户需求响应方法，属于基于实时电价的需求响应技术。
背景技术
需求响应是指在用电高峰时段或系统安全可靠性存在风险时，允许电力用户根据用电价格信号或者激励机制，自愿选择减少或者增加某时段用电负荷。实施需求响应的效益斐然，一方面可以有效降低电力系统的峰荷需求，延缓相应的发电、输电投资；另一方面则可以提高电力系统在低谷时段对于清洁能源的消纳能力，降低火电机组在低谷时段高额的调整、开停成本，同时也提高了电网运行的安全水平。
目前我国广泛采用基于峰谷电价的需求响应方法，但是基于峰谷电价的需求响应方法存在如下不足：其一，峰谷电价比和峰谷电价的执行时段的选择大多是基于经验，具有较大的主观性，选择不合理可能造成负荷的“过调整”；其二：峰谷电价是一种静态定价策略，峰谷电价的每一次调整都需要经历大量研究、评估工作，调整周期较长，大多是一年及其以上，不能及时反映市场供求关系的变化。
另外，我国多地也开展基于政策激励的需求响应试点工作，但是基于政策激励的需求响应也存在一些不足：其一，缺乏对电网企业的有效激励，掌握核心营销数据的电网企业缺乏动力主导需求响应；其二，补贴标准没有得到市场检验，如果补贴额度过低，用户缺乏参与积极性，如果补贴额度过高，会增加电网运行成本；其三，补贴额度的多少很大程度上基于基线负荷的计算，基线负荷的计算方法多采用取相似用电日期的平均值，这样一方面需要经常对基线负荷更新计算，另一方面也有可能造成用户通过刻意抬高基线负荷的投机行为获得高额补贴，反而不利于节能减排。
实时电价是一种动态电价机制，实时电价能够及时地反馈边际供电成本，可以更加有效、直接和准确地反馈给供需双方。因此，从经济学角度来说，基于实时电价地需求响应对供需双方来说是最优的。电力市场化改革为基于实时电价的需求响应实施提供了条件。随着售电侧开放，供电商越来越多样，用户可以自主选择从发电商、电网公司或售电公司购电。一方面市场参与主体的多元化使实时电价能反映真实的供需关系，另一方面供电商间的竞争促使它们根据批发市场的实时电价制定零售市场的定价策略，实现零售市场和批发市场的价格联动。
储能技术在很大程度上解决了新能源发电的随机性、波动性问题，可以实现新能源发电的平滑输出，能有效调节新能源发电引起的电网电压、频率及相位的变化，能够有效解决新能源的并网问题，比较常见的储能的形式包括电储能和热储能。但由于我国一直以来缺乏为储能付费的机制，储能产业的商业化模式尚未形成。随着我国电力体制改革的深入、储能政策的发布，储能参与电力辅助服务和用户侧储能参与电力需求响应将实现储能系统的价值叠加，为其可赢利的商业化发展奠定基础。我国储能产业正处于从示范应用向商业化发展的过渡期。
由于我国电力市场改革还处于理论探索，试点推广阶段，当前对电力市场环境下考虑电储能、热储能的用户需求响应方法研究较少。
发明内容
本发明考虑到随着电力市场改革不断深入，现货市场的发展，同时国家也出台相关政策支持需求响应和储能技术的产业化发展，提出一种在电力市场环境下考虑电储能、热储能的用户需求响应方法。
本发明提出了一种基于实时电价的需求响应方法，考虑到用电负荷具有价格弹性，即实时电价越高，负荷越小，以用户用电成本最小化为目标，优化用户的用电模式。
其技术方案如下：
一种用户需求响应方法，本方法基于用户能源系统对用户进行需求响应，以用户用电成本最小化为目标，优化用户的用电模式；
用户能源系统包括用电负荷、用热负荷和电储能、热储能以及能够将电能转化为热能的电锅炉，本方法考虑它们各自的特性约束并进行建模，过程如下：
目标函数：
Figure BDA0002174955780000021
以用户购电成本最小化为目标函数，式中NT为时段数，在现货市场环境下交易结算以小时为基本计算时段，故NT＝24；
Figure BDA0002174955780000031
为实时电价，每小时更新一次；P(t)为用户购电功率；
约束条件如下：
用电负荷：
Figure BDA0002174955780000032
l(t)为用户的用电负荷；l0(t)为用户不响应电价时的基线负荷；λ(t)为用电负荷价格弹性系数，它是时变的，因为用户在不同用电时段的响应意愿不同；
用热负荷：
h(t)
h(t)表示实时用热负荷；
电储能：
0≤Se(t)≤Se,max
上式表示电储能的能量约束，Se(t)表示电储能在t时刻的储能量，Se,max表示电储能的容量；
Figure BDA0002174955780000033
上式表示电储能的充放电功率约束，ue(t)为0或1的状态变量，ue(t)为1表示电储能处于充电状态，为0表示处于放电状态；Pe,in(t)为t时刻的充电功率，
Figure BDA0002174955780000034
为最大充电功率；Pe,out(t)为t时刻的放电功率，
Figure BDA0002174955780000035
为最大放电功率；
Figure BDA0002174955780000041
上式表示电储能前一时刻和后一时刻间的能量差等于这段时间的充电量减去放电量，再减去能量损失；ke,in为充电系数；ke,out为放电系数；Pe,loss(t)为t时刻损失电功率；
Se(NT+1)＝Se(1)
上式表示经过一个周期NT个时间段后，电储能的储能量应与初始时刻的储能量相等，即需要实现一个周期内充放电平衡；
热储能：
0≤Sh(t)≤Sh,max
上式表示热储能的能量约束，Sh(t)为热储能在t时刻的热储能量，Sh,max为热储能的最大储能量；
Figure BDA0002174955780000042
上式表示热储能的充放热功率约束，uh(t)为0或1的状态变量，uh(t)为1表示电储能处于充电状态，为0表示处于放电状态；Ph,in(t)为t时刻热储能的充热功率，Ph,out(t)为t时刻热储能的放热功率，uh(t)为充放热状态变量，
Figure BDA0002174955780000043
为最大充热功率，
Figure BDA0002174955780000044
为最大放热功率；
Figure BDA0002174955780000045
上式表示热储能前一时刻和后一时刻间的能量差等于这段时间的充热量减去放热量，再减去能量损失；kh,in为充热系数，kh,out为放热系数，Ph,loss(t)为t时刻损失热功率；
Sh(NT+1)＝Sh(1)
上式表示经过一个周期NT个时间段后，热储能的储能量应与初始时刻的储能量相等，即需要实现一个周期内充放热平衡；
电锅炉：
Figure BDA0002174955780000051
上式表示电锅炉的输入功率约束，Pb,in(t)表示电锅炉的输入功率，
Figure BDA0002174955780000052
表示电锅炉的最大输入功率；
Pb,out(t)＝kb·Pb,in(t)
上式表示电锅炉输出功率与输入功率的换算关系，其中Pb,out(t)表示电锅炉的输出功率，kb表示电锅炉功率输入系数；
耦合约束：
Pb,out(t)+Ph,out(t)-Ph,in(t)＝h(t)
上式表示用户的热耦合约束，用户的用热负荷功率等于电锅炉的输出功率加上热储能的放热功率减去热储能的充热功率；
P(t)＝l(t)+Pe,in(t)-Pe,out(t)+Pb,in(t)
上式表示用户的电耦合约束，用户的购电功率等于用户负荷加上电储能的充电功率减去电储能的放电功率加上电锅炉的输入功率。
本发明的有益效果为：
该发明方法充分考虑了用户内部各资源的物理约束，包括各种独立约束和耦合约束，在市场环境下，用户利用该发明方法，可以优化自身用电情况，从而减少自身购电成本。需求响应可以在一定程度上可以减少用户购电成本，综合考虑各种储能后使用户用电更加具有弹性，从而减少电价高峰时的用电，增加电价低谷时的用电。该发明方法充分发挥了市场的定价机制，有利于用户在充分整合各种资源基础上，优化自身用电行为，从而最小化购电成本，促进了储能和需求响应的商业化发展。
具体实施方式
实施例1：
一种用户需求响应方法，本方法基于用户能源系统对用户进行需求响应，以用户用电成本最小化为目标，优化用户的用电模式；
用户能源系统包括用电负荷、用热负荷和电储能、热储能以及能够将电能转化为热能的电锅炉，本方法考虑它们各自的特性约束并进行建模，过程如下：
目标函数：
Figure BDA0002174955780000061
以用户购电成本最小化为目标函数，式中NT为时段数，在现货市场环境下交易结算以小时为基本计算时段，故NT＝24；
Figure BDA0002174955780000062
为实时电价，每小时更新一次；P(t)为用户购电功率；
约束条件如下：
用电负荷：
Figure BDA0002174955780000063
l(t)为用户的用电负荷；l0(t)为用户不响应电价时的基线负荷；λ(t)为用电负荷价格弹性系数，它是时变的，因为用户在不同用电时段的响应意愿不同；
用热负荷：
h(t)
h(t)表示实时用热负荷；
电储能：
0≤Se(t)≤Se,max
上式表示电储能的能量约束，Se(t)表示电储能在t时刻的储能量，Se,max表示电储能的容量；
Figure BDA0002174955780000071
上式表示电储能的充放电功率约束，ue(t)为0或1的状态变量，ue(t)为1表示电储能处于充电状态，为0表示处于放电状态；Pe,in(t)为t时刻的充电功率，
Figure BDA0002174955780000072
为最大充电功率；Pe,out(t)为t时刻的放电功率，
Figure BDA0002174955780000073
为最大放电功率；
Figure BDA0002174955780000074
上式表示电储能前一时刻和后一时刻间的能量差等于这段时间的充电量减去放电量，再减去能量损失；ke,in为充电系数；ke,out为放电系数；Pe,loss(t)为t时刻损失电功率；
Se(NT+1)＝Se(1)
上式表示经过一个周期NT个时间段后，电储能的储能量应与初始时刻的储能量相等，即需要实现一个周期内充放电平衡；
热储能：
0≤Sh(t)≤Sh,max
上式表示热储能的能量约束，Sh(t)为热储能在t时刻的热储能量，Sh,max为热储能的最大储能量；
Figure BDA0002174955780000081
上式表示热储能的充放热功率约束，uh(t)为0或1的状态变量，uh(t)为1表示电储能处于充电状态，为0表示处于放电状态；Ph,in(t)为t时刻热储能的充热功率，Ph,out(t)为t时刻热储能的放热功率，uh(t)为充放热状态变量，
Figure BDA0002174955780000082
为最大充热功率，
Figure BDA0002174955780000083
为最大放热功率；
Figure BDA0002174955780000084
上式表示热储能前一时刻和后一时刻间的能量差等于这段时间的充热量减去放热量，再减去能量损失；kh,in为充热系数，kh,out为放热系数，Ph,loss(t)为t时刻损失热功率；
Sh(NT+1)＝Sh(1)
上式表示经过一个周期NT个时间段后，热储能的储能量应与初始时刻的储能量相等，即需要实现一个周期内充放热平衡；
电锅炉：
Figure BDA0002174955780000085
上式表示电锅炉的输入功率约束，Pb,in(t)表示电锅炉的输入功率，
Figure BDA0002174955780000086
表示电锅炉的最大输入功率；
Pb,out(t)＝kb·Pb,in(t)
上式表示电锅炉输出功率与输入功率的换算关系，其中Pb,out(t)表示电锅炉的输出功率，kb表示电锅炉功率输入系数；
耦合约束：
Pb,out(t)+Ph,out(t)-Ph,in(t)＝h(t)
上式表示用户的热耦合约束，用户的用热负荷功率等于电锅炉的输出功率加上热储能的放热功率减去热储能的充热功率；
P(t)＝l(t)+Pe,in(t)-Pe,out(t)+Pb,in(t)
上式表示用户的电耦合约束，用户的购电功率等于用户负荷加上电储能的充电功率减去电储能的放电功率加上电锅炉的输入功率。
该发明方法充分考虑了用户内部各资源的物理约束，包括各种独立约束和耦合约束，在市场环境下，用户利用该发明方法，可以优化自身用电情况，从而减少自身购电成本。需求响应可以在一定程度上可以减少用户购电成本，综合考虑各种储能后使用户用电更加具有弹性，从而减少电价高峰时的用电，增加电价低谷时的用电。该发明方法充分发挥了市场的定价机制，有利于用户在充分整合各种资源基础上，优化自身用电行为，从而最小化购电成本，促进了储能和需求响应的商业化发展。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用户需求响应方法，其特征在于，包括用户能源系统；
用户能源系统包括用电负荷、用热负荷和电储能、热储能以及能够将电能转化为热能的电锅炉，本方法考虑它们各自的特性约束并进行建模，过程如下：
目标函数：
Figure FDA0003373669320000011
以用户购电成本最小化为目标函数，式中NT为时段数，在现货市场环境下交易结算以小时为基本计算时段，故NT＝24；
Figure FDA0003373669320000012
为实时电价，每小时更新一次；P(t)为用户购电功率；
约束条件如下：
用电负荷：
Figure FDA0003373669320000013
l(t)为用户的用电负荷；l0(t)为用户不响应电价时的基线负荷；λ(t)为用电负荷价格弹性系数，它是时变的，因为用户在不同用电时段的响应意愿不同；
用热负荷：
h(t)
h(t)表示实时用热负荷；
电储能：
0≤Se(t)≤Se,max
上式表示电储能的能量约束，Se(t)表示电储能在t时刻的储能量，Se,max表示电储能的容量；
Figure FDA0003373669320000021
上式表示电储能的充放电功率约束，ue(t)为0或1的状态变量，ue(t)为1表示电储能处于充电状态，为0表示处于放电状态；Pe,in(t)为t时刻的充电功率，
Figure FDA0003373669320000022
为最大充电功率；Pe,out(t)为t时刻的放电功率，
Figure FDA0003373669320000023
为最大放电功率；
Figure FDA0003373669320000024
上式表示电储能前一时刻和后一时刻间的能量差等于这段时间的充电量减去放电量，再减去能量损失；ke,in为充电系数；ke,out为放电系数；Pe,loss(t)为t时刻损失电功率；
Se(NT+1)＝Se(1)
上式表示经过一个周期NT个时间段后，电储能的储能量应与初始时刻的储能量相等，即需要实现一个周期内充放电平衡；
热储能：
0≤Sh(t)≤Sh,max
上式表示热储能的能量约束，Sh(t)为热储能在t时刻的热储能量，Sh,max为热储能的最大储能量；
Figure FDA0003373669320000031
上式表示热储能的充放热功率约束，uh(t)为0或1的状态变量，uh(t)为1表示电储能处于充电状态，为0表示处于放电状态；Ph,in(t)为t时刻热储能的充热功率，Ph,out(t)为t时刻热储能的放热功率，uh(t)为充放热状态变量，
Figure FDA0003373669320000032
为最大充热功率，
Figure FDA0003373669320000033
为最大放热功率；
Figure FDA0003373669320000034
上式表示热储能前一时刻和后一时刻间的能量差等于这段时间的充热量减去放热量，再减去能量损失；kh,in为充热系数，kh,out为放热系数，Ph,loss(t)为t时刻损失热功率；
Sh(NT+1)＝Sh (1)
上式表示经过一个周期NT个时间段后，热储能的储能量应与初始时刻的储能量相等，即需要实现一个周期内充放热平衡；
电锅炉：
Figure FDA0003373669320000035
上式表示电锅炉的输入功率约束，Pb,in(t)表示电锅炉的输入功率，
Figure FDA0003373669320000036
表示电锅炉的最大输入功率；
Pb,out(t)＝kb·Pb,in(t)
上式表示电锅炉输出功率与输入功率的换算关系，其中Pb,out(t)表示电锅炉的输出功率，kb表示电锅炉功率输入系数；
耦合约束：
Pb,out(t)+Ph,out(t)-Ph,in(t)＝h(t)
上式表示用户的热耦合约束，用户的用热负荷功率等于电锅炉的输出功率加上热储能的放热功率减去热储能的充热功率；
P(t)＝l(t)+Pe,in(t)-Pe,out(t)+Pb,in(t)
上式表示用户的电耦合约束，用户的购电功率等于用户负荷加上电储能的充电功率减去电储能的放电功率加上电锅炉的输入功率。
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