CN110912166A - 一种多用户共享储能模式的储能容量配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用户共享储能模式的储能容量配置方法，根据储能系统成本模型构建多用户单储能模型，并以多用户单储能模型最小化为目标函数；构建多用户单储能模型的约束条件；求解目标函数，获得共享储能配置容量C′、共享储能装置在各时刻的充电功率P_c(t)、共享储能装置在各时刻的放电功率P_d(t)；根据共享储能实际容量与配置容量C′的差值，共享储能向电网进行充放电。本发明提供的一种多用户共享储能模式的储能容量配置方法，实现对电网峰谷调节和电价套利的功能。

Description

一种多用户共享储能模式的储能容量配置方法

技术领域

本发明涉及一种多用户共享储能模式的储能容量配置方法，属于电力系统需 求响应技术领域。

背景技术

电池能量存储可以为电网提供峰值功率，减少系统峰谷值差异，转换系统的 低值，并将过多的剩余功率转换为所需的峰值功率。蓄电池储能启停迅速，具有 调峰填谷、调频以及快速跟踪、备用、无功调节、黑启动等辅助服务功能，其运 行灵活、可靠，在保证电网安全、稳定运行中发挥着重要作用，是城市电网重要 的保安电源，同时具备节能与环保等显著的社会经济效益。

目前，在中国大部分地区315kVA容量以上的大工商业用户都按两部制电价 计费。315kVA容量以下的一般工商业和其他用户则执行电价水平较高的单一制 电价。两部分的电价分为两部分：一部分是电力的基本价格，它代表电力公司的 固定成本，即电力成本，容量，无论使用何种电压水平，客户的电气设备(kVA) 或电力负荷的最大需求(kW)的值都用于计算基本电价，与实际电力消耗无关， 所以，无论客户的每月消费量如何，它是根据上面的kVA(kW)数计算的。另 一部分是电度电价，这是电力公司发电的成本，为了计算电费，客户实际使用的 电量将是主要影响因素。根据分时电价数据，全国用电大省份峰谷电价为0.4至 0.8元/千瓦时，上海和江苏两个用电大省电价差异较大，在江苏，电价差异甚至 高达0.7人民币/千瓦时。因此，为使用储能套利提供相当大的空间，但如何在满 足储能系统成本与安全容量的前提下，更好的达到储能通过合理配置进行套利的 目的，是现有技术领域技术人员急需要解决的技术问题。

发明内容

目的：为了解决储能系统进行合理配置的问题，本发明提供一种多用户共享 储能模式的储能容量配置方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种多用户共享储能模式的储能容量配置方法，包括如下步骤：

根据储能系统成本模型构建多用户单储能模型，并以多用户单储能模型最小 化为目标函数；

构建多用户单储能模型的约束条件；

求解目标函数，获得共享储能配置容量C′、共享储能装置在各时刻的充电 功率P_c(t)、共享储能装置在各时刻的放电功率P_d(t)；根据共享储能实际容量与配 置容量C′的差值，在电网峰值时，按照放电功率P_d(t)从共享储能向电网进行放 电，在电网谷值时，按照充电功率P_c(t)从电网向共享储能进行充电，最后根据储 能装置放电、充电的电价差进行套利。

作为优选方案，所述储能系统成本模型如下：

T_day＝a×C+b

其中，c_in为每增加一单位容量锂电池需要的安装成本，c_fi为每增加一单位的 锂电池需要的年均维护成本，pay1为在安装过程中和储能容量不相关的花费， pay2是在储能系统维护过程中和储能容量不相关的年花费，储能系统寿命l，资 金年利率i，C为储能系统锂电池安装容量。

作为优选方案，对储能系统成本模型进行条件设定，得到多用户单储能模型 f；

所述条件设定如下：

1)N个用户不使用储能装置的两部制电费和为cost_i,实际负荷最大功率值为Peak_i,其中，i对应着编号为1、2、……、N的用电用户；

2)N个用户经由共享储能模式能够满足所有用户的需求，改善每一位用户 的削峰效果，降低每一位用户缴纳的电费；

f＝a×C′+b

其中,C′为多用户安装的共享储能容量。

作为优选方案，所述约束条件包括：

储充电时储能系统的充电功率P_c(t)为正，放电功率P_d(t)为负，约束如下所示：

其中，

代表最大充电功率，

代表最大放电功率；

引入0-1整数变量U(t)保证储能系统的正常运行；当U(t)＝1时，储能系统进 行充电操作或保持不变，当U(t)＝0时，储能系统进行放电操作或保持不变；约 束如下所示：

U(t)×(1-U(t)＝0

E(1)为一天最初时刻1的剩余能量，E(N)为一天结束时刻N的剩余能量；为 了储能系统处于一种热备用的状态，E(t)为一天时刻t的剩余能量，处于一定范 围内，约束如下所示：

0≤ε_low×C′≤E(t)

E(t)≤ε_high×C′≤C′

其中，ε_low和ε_high分别是剩余能量的最低和最高百分比；

一天结束时的剩余能量应与一天开始时的剩余能量相同，约束如下所示：

E(N)＝E(1)＝ε_csh×C′

式中，ε_csh为每一日储能系统优化前的初始能量容量百分比；

定义储能系统充电效率、放电效率分别为η_c和η_d，则储能系统的输出功率和 能量之间满足如下约束：

P_L(t)为未加储能装置的的用户负荷值，设P_load(t)为用户侧加装储能装置实际 负荷值，则P_load(t)和P_L(t)满足如下以下约束：

P_load(t)＝P_L(t)+P_c(t)+P_d(t)

显然，

P_max＝max{P_load(t)}

其中，P_max代表用户侧加装储能装置实际负荷最大值。

作为优选方案，所述约束条件还包括：

定义P_ci(t)是用户i通过电网向共享储能装置的充电功率，P_di(t)是储能装置 通过电网向用户i的放电功率；U_gs(t)为用户j对储能系统进行充电功率，M代 表配变台区的用户数量；约束如下所示：

保证每一用户的负荷平衡和削峰效果，以及缴纳电费不高于单储能单用户缴 纳的电费，约束如下所示：

P_{max_i}≤Peak_i

cost_i≤cost_i

其中，

为用户i加装储能装置实际负荷值，

为用户i加入共享 储能后负荷的最大功率值，cost_i为加入共享储能后用户i的优化时间内所缴纳 的电费，cost_i为用户i单独配置储能的成本。

作为优选方案，求解目标函数采用求解器CPLEX12.4与调用MATLAB优化包 YALMIP共同求解。

有益效果：本发明提供的一种多用户共享储能模式的储能容量配置方法，通 过建立了考虑储能成本、系统能量约束、功率约束、负荷平衡约束的多用户单储 能模型，以多用户单储能模型最小化为目标函数，求解后得到共享储能的容量和 充放电功率，从而实现对电网峰谷调节和电价套利的功能。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为本方法实施例仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种多用户共享储能模式的储能容量配置方法，包括如下步骤：

步骤S1，分析储能系统成本的组成部分，根据储能系统寿命l，资金年利率i等 构建储能系统成本模型；

步骤S2，考虑多用户单储能模型的准确性，提出几点假设，最小化用户的 投资成本，确定多用户单储能模型的目标函数；

步骤S3，根据储能系统的功率，能量特性和负荷平衡的要求，确定多用户 单储能模型的约束条件；

步骤S4，为了保证多用户共享储能的削峰效果，缴纳电费优于不安装储能 装置，确定多用户单储能模型的约束条件；

步骤S5，明确多用户单储能模型的类型，提出多用户单储能模型的一般性 描述，确定多用户单储能模型的求解方法。

进一步地，所述步骤S1中具体为：

储能系统成本模型由电池安装成本和电池每年维护成本两部分组成。储能系 统成本是和储能容量成线性关系的量。相应等式关系如式(1)-(2)所示：

cost1＝c_in×C+pay1 (1)

cost2＝c_fi×C+pay2 (2)

其中，cost1为电池安装成本，cost2是电池每年的维护成本，c_in为每增加一单 位容量锂电池需要的安装成本，C为储能系统锂电池安装容量，pay1为在安装过 程中和储能容量不相关的花费，如电池搬运费，人工费等；c_fi为每增加一单位的 锂电池需要的年均维护成本，pay2是在储能系统维护过程中和储能容量不相关的 年花费，如人工费用等。

定义生命周期成本TS为储能系统从安装到使用到l年后全部相关费用，在锂 电池初次安装就全部付清，表达式为：

TS＝c_in×C+pay1+l×(c_fi×C+pay2) (3)

与此同时，投入的资金必须考虑其时间价值，本发明引入等年值的概念，定 义iⁱ为资金年利率，则储能系统投资成本等年值满足：

其中，T_day为最终计算得到的储能系统日均成本，显然其表达式和储能系统 安装容量C是线性关系，因此，化简得到T_day储能系统成本模型为：

T_day＝a×C+b (6)

根据a和b的表达式可知，a和b是和储能系统安装容量无关的常数，因此， 可以认为储能系统日均安装成本T_day和储能系统安装容量C是线性关系。

所述步骤S2中具体为：为了优化模型更加准确，本发明做出如下几点假设：

1)N个用户不使用储能装置的两部制电费和为cost_i,实际负荷最大功率值为Peak_i,其中，i对应着编号为1、2、……、N的用电用户；

2)N个用户经由共享储能模式不仅能够满足所有用户的需求，还能做到改 善每一位用户的削峰效果，降低每一位用户缴纳的电费；

储能系统的日均安装成本作为多用户单储能模型的目标函数是合适的：

minf＝T_day＝a×C′+b (9)

式中，a,b含义如前文所述，C′为多用户安装的共享储能容量。

进一步地，所述步骤S3中具体为：

储充电时储能系统的充电功率P_c(t)为正，放电功率P_d(t)为负，充放电功率收 到双向逆变器的功率和锂电池本身的功率限制，一般储能系统的最大功率是已知 的，满足的约束如下所示：

其中，

代表最大充电功率，

代表最大放电功率。

本发明引入0-1整数变量U(t)保证储能系统的正常运行。当U(t)＝1时，储能 系统进行充电操作或保持不变，当U(t)＝0时，储能系统进行放电操作或保持不 变。这一约束的表达式如式(12)-(14)所示：

U(t)×(1-U(t))＝0 (14)

E(1)为一天最初时刻1的剩余能量，E(N)为一天结束时刻N的剩余能量。为 了储能系统处于一种热备用的状态，E(t)为一天时刻t的剩余能量，应该处于一 定范围内，如式(15)-(16)所示。此外，ε_low和ε_high分别是剩余能量的最低和最高 百分比。ε_low和ε_high的范围是0％-100％，且ε_low≤ε_high。

0≤ε_low×C′≤E(t) (15)

E(t)≤ε_high×C′≤C′ (16)

为了实现连续调峰，一天结束时的剩余能量应与一天开始时的剩余能量相同， 其表示为：

E(N)＝E(1)＝ε_csh×C′ (17)

式中，ε_csh为每一日储能系统优化前的初始能量容量百分比。此外，定义储 能系统充电效率、放电效率分别为η_c和η_d，以发明采用的磷酸锂铁电池为例，η_c和 η_d的值均为90％左右。则储能系统的输出功率和能量之间应当满足以下等式关系：

在实际的储能配置优化过程中，P_L(t)为预测的用户负荷值，本文忽略预测值 和实际值的误差，默认P_L(t)为未加储能装置的的用户负荷值。设P_load(t)为用户侧 加装储能装置实际负荷值。则P_load(t)和P_L(t)应当满足以下关系：

P_load(t)＝P_L(t)+P_c(t)+P_d(t) (19)

显然，

P_max＝max{P_load(t)} (20)

其中，P_max代表用户侧加装储能装置实际负荷最大值。

进一步地，所述步骤S4具体为：

在共享储能的优化调度过程中，给不同用户分配不同的充放电功率。定义 P_ci(t)是用户i通过电网向共享储能装置的充电功率，P_di(t)是储能装置通过电网 向用户i的放电功率。考虑到共享储能模式下相关规则的约束，增加的约束变量U_gs(t)代表用户j对储能系统进行充电功率，保证用户j在对储能系统进行充电操 作时，储能系统不会对其他参与共享储能的用户进行放电操作。相关约束条件如 式(21)-(24)所示：

此外，共享储能模式下需保证每一用户的负荷平衡和削峰效果良好，以及缴 纳电费不高于单储能单用户缴纳的电费。

P_{max_i}≤Peak_i (26)

cost_i≤cost_i (27)

在实际的共享储能配置优化过程中。设

为用户i加装储能装置实际 负荷值。

为用户i加入共享储能后负荷的最大功率值，cost_i为加入共享储 能后用户i的优化时间内所缴纳的电费，cost_i为用户i单独配置储能的成本。

进一步地，所述步骤S5中具体为：明确多用户单储能模型的类型，定模型 的求解方法。

本发明是MILP混合整数线性规划模型是本发明的模型类型。随着科学技术 的发展，使用商用求解器求解MILP逐渐成为主流，求解速度比比上世纪某的求 解速度快了近1亿倍。本发明MILP模型调用主流商业求解器CPLEX12.4进行求 解，同时调用MATLAB优化包YALMIP共同求解。

本发明实例仿真均采用浙江省杭州市某工业园区内某正常办公的楼宇典型 日电力负荷数据为优化对象，该数据是由项目组中的同学处理后得到的。采用两 家大工商业用户共用一套储能系统，分别是用户A和用户B，进行多用户共享储 能实例仿真。

表1用户AB共享储能模式效果表

由表1可知，用户A、B在加入共享储能模式之后，各指标都有了改善。储 能系统利用率由加入共享储能前的不足20％变为32.3％,极大的提高了储能系统 的利用率，且此利用率不算高，对储能系统的使用寿命影响不大，属于正常健康 的利用率。共享储能的最佳配置容量为55.85kW·h，两用户单独装储能系统的容 量和为56.53kW·h，在储能优化效果不弱于单用户单储能模式的前提下，储能容 量减少了0.68kW·h。此外用户A加入共享储能后，负荷最大值减小为106kW，较 单用户单储能模式减少了4kW·h。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些 改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种多用户共享储能模式的储能容量配置方法，其特征在于：包括如下步骤：

根据储能系统成本模型构建多用户单储能模型，并以多用户单储能模型最小化为目标函数；

构建多用户单储能模型的约束条件；

求解目标函数，获得共享储能配置容量C′、共享储能装置在各时刻的充电功率P_c(t)、共享储能装置在各时刻的放电功率P_d(t)；根据共享储能实际容量与配置容量C′的差值，在电网峰值时，按照放电功率P_d(t)从共享储能向电网进行放电，在电网谷值时，按照充电功率P_c(t)从电网向共享储能进行充电。

2.根据权利要求1所述的一种多用户共享储能模式的储能容量配置方法，其特征在于：所述储能系统成本模型如下：

T_day＝a×C+b

其中，c_in为每增加一单位容量锂电池需要的安装成本，c_fi为每增加一单位的锂电池需要的年均维护成本，pay1为在安装过程中和储能容量不相关的花费，pay2是在储能系统维护过程中和储能容量不相关的年花费，储能系统寿命l，资金年利率i，C为储能系统锂电池安装容量。

3.根据权利要求2所述的一种多用户共享储能模式的储能容量配置方法，其特征在于：对储能系统成本模型进行条件设定，得到多用户单储能模型f；

所述条件设定如下：

1)N个用户不使用储能装置的两部制电费和为cost_i,实际负荷最大功率值为Peak_i,其中，i对应着编号为1、2、……、N的用电用户；

2)N个用户经由共享储能模式能够满足所有用户的需求，改善每一位用户的削峰效果，降低每一位用户缴纳的电费；

f＝a×C′+b

其中，C′为多用户安装的共享储能容量。

4.根据权利要求1所述的一种多用户共享储能模式的储能容量配置方法，其特征在于：所述约束条件包括：

储充电时储能系统的充电功率P_c(t)为正，放电功率P_d(t)为负，约束如下所示：

其中，

代表最大充电功率，

代表最大放电功率；

引入0-1整数变量U(t)保证储能系统的正常运行；当U(t)＝1时，储能系统进行充电操作或保持不变，当U(t)＝0时，储能系统进行放电操作或保持不变；约束如下所示：

U(t)×(1-U(t))＝0

E(1)为一天最初时刻1的剩余能量，E(N)为一天结束时刻N的剩余能量；为了储能系统处于一种热备用的状态，E(t)为一天时刻t的剩余能量，处于一定范围内，约束如下所示：

0≤ε_low×C′≤E(t)

E(t)≤ε_high×C′≤C′

其中，ε_low和ε_high分别是剩余能量的最低和最高百分比；

一天结束时的剩余能量应与一天开始时的剩余能量相同，约束如下所示：

E(N)＝E(1)＝ε_csh×C′

式中，ε_csh为每一日储能系统优化前的初始能量容量百分比；

定义储能系统充电效率、放电效率分别为η_c和η_d，则储能系统的输出功率和能量之间满足如下约束：

P_L(t)为未加储能装置的的用户负荷值，设P_load(t)为用户侧加装储能装置实际负荷值，则P_load(t)和P_L(t)满足如下以下约束：

P_load(t)＝P_L(t)+P_c(t)+P_d(t)

显然，

P_max＝max{P_load(t)}

其中，P_max代表用户侧加装储能装置实际负荷最大值。

5.根据权利要求1所述的一种多用户共享储能模式的储能容量配置方法，其特征在于：所述约束条件还包括：

定义

是用户i通过电网向共享储能装置的充电功率，

是储能装置通过电网向用户i的放电功率；U_gs(t)为用户j对储能系统进行充电功率，M代表配变台区的用户数量；约束如下所示：

保证每一用户的负荷平衡和削峰效果，以及缴纳电费不高于单储能单用户缴纳的电费，约束如下所示：

cost_i≤cost_i

其中，

为用户i加装储能装置实际负荷值，

为用户i加入共享储能后负荷的最大功率值，cost_i为加入共享储能后用户i的优化时间内所缴纳的电费，cost_i为用户i单独配置储能的成本。

6.根据权利要求1所述的一种多用户共享储能模式的储能容量配置方法，其特征在于：求解目标函数采用求解器CPLEX12.4与调用MATLAB优化包YALMIP共同求解。

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