CN110943465B - 一种储能系统选址定容优化方法 - Google Patents
一种储能系统选址定容优化方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种储能系统选址定容优化方法，该方法包括步骤：对于T时刻储能系统i，在不考虑实际潮流约束的前提下，计算最大供电能力；计算DESS对网络安全性的影响指标；DESS接入配电网后对网络经济性影响仅以其改善系统负荷特性，降低线损来表征，计算线损指标；DESS选址及定容归纳为一个多目标优化问题，建立多目标函数，综合考虑DESS对于网络安全性以及网络经济性的提升；设置约束条件。本发明现有网架上进行储能系统选址及定容优化，以实现储能系统对配网支撑作用的综合最优。通过量化分析储能系统对网络安全与经济性的影响，建立兼顾网络安全性与经济性的储能系统选址与定容的多目标优化模型。
Description
技术领域
本发明涉及一种储能系统选址定容优化方法，属于综合能源系统技术领域。
背景技术
储能系统接入电网后，不仅可以实现电网削峰填谷、降低线损和减少输变配设施投资，还可以有效兼容分布式电源尤其是间歇性电源对电网的冲击，提高电网的安全稳定性和需求侧用户可靠性。储能系统的选址定容问题是智能电网兼容性研究的重要前提条件，也是智能电网建设的关键问题。
与DG的接入模型相比，储能系统的系统接入模型更为复杂，运行方式的选择也更多样化，因此，储能系统的选址定容方案的制定也较为困难，目前尚处于研究和讨论阶段，缺乏原则性指导意见。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种储能系统选址定容优化方法，以解决现有技术中存在的问题。
本发明采取的技术方案为：一种储能系统选址定容优化方法，该方法包括以下步骤：
(1)对于T时刻储能系统i，在不考虑实际潮流约束的前提下，其最大供电能力Pi d max表示如下式：
其中：Eimin表示储能系统允许的最小容量，
ΔT表示需要储能系统提供最大供电能力的持续时间；
(2)考虑N-1的转供能力是评估配电网络安全性的重要指标。与传统电网相比，兼容DESS的智能配电网在发生N-1故障时，通过DESS提供短时容量支撑，其故障恢复可供转移的路径选择更加多样化，转供能力也能得到很大的提升，DESS对网络安全性的影响可表征为如下指标：
式中，
ΔPTrans是储能系统接入配网后对于馈线转供能力的提升；
(3)DESS接入配电网后依据谷时充电峰时放电的方法，获得峰谷电价差产生的收益，而且通过削峰填谷改变系统的负荷特性，从而达到降低线损的目的。但DESS接入电网也需要一定的建设成本和运行成本。在规划阶段，首先DESS的峰谷电价差产生的收益以及DESS的建设和运营成本仅与其容量有关，计算过程相对削峰填谷后的降损收益更为简单；其次DESS目前尚未大规模生产应用，其建设及运行成本难以有效测算，且国家目前尚未制定DESS的上网电价政策，因此在本文的研究领域，DESS接入配电网后对网络经济性影响仅以其改善系统负荷特性，降低线损来表征，用如下指标表示：
其中，
Inc为DESS接入配电网后对网络经济性影响；
Cvalley表示谷时电价；
Tvalley表示一天中负荷低谷时段；
同理，
Cpeak表示峰时电价；
Tpeak表示一天中负荷高峰时刻；
由公式(0-1)和(1-2)分析可知，DESS选址及定容归纳为一个多目标优化问题，其目标函数综合考虑DESS对于网络安全性以及网络经济性的提升，表示如下：
max F(x)＝[ΔPTrans(x),Inc(x)] (0-17)
由于这两个目标不是绝对一致，无法保证所有目标同时达到最优，一般只能得到一组Pareto最优解集；
关于DESS选址及定容问题的解空间通过一个n维向量x表示：
x∈Rn x＝(x1,x2,…,xn)T (0-18)
x∈Rn x＝(x1,x2,…,xn)T (0-19)
其中n表示可供DESS选址的个数，向量x的第i个元素xi表示在第i个可供DESS选址的地点所配置DESS的容量值；根据实际情况，DESS配置的容量是一个离散值，即
xi∈{0,Ebase,2×Ebase,…N×Ebase} (0-20)
式中Ebase表示DESS可配置的基准容量，当xi取值为0时表示在第i个可供选址的地点所配置DESS的容量为0，即该选址方案未选中第i个可供选址的地点，对于解空间的如此定义，不论实际选址的地点是几个，都能以一个统一长度的向量表示，有利于智能优化算法的求解。
DESS的选址定容问题还应满足如下等式约束条件和不等式约束条件：
(1)DESS的最大安装容量约束
考虑到DESS的安装成本及其运行对电网带来的波动性影响，DESS的最大安装容量需满足如下约束：
式中Eimax表示的是第i个可安装节点安装的DESS容量，EMAX表示的是允许安装的最大容量；
(2)功率平衡约束
PT是由电源点向馈线提供的功率；Pi-DESS是第i个DESS的充电或放电功率；αi表示第i个DESS的充放电状态，1表示放电状态，-1表示充电状态； PLoad表示负荷功率，PLoss是线损功率；
(3)节点电压约束
Vmin≤Vj≤Vmax (0-23)
式中Vj表示任一节点j的节点电压；Vmin表示节点电压允许的最小值； Vmax表示节点电压允许的最大值；
(4)线路容量约束
Ij≤Imax (0-24)
式中Ij表示任一支路流过的电流；Imax是允许流过线路支路的最大电流。
多目标函数采用改进非劣排序遗传算法的优化求解算法作为储能系统选址定容问题的求解，包括以下步骤：
(1)随机产生初始种群P0，然后对种群进行非劣排序，每个个体被赋予秩；再对初始种群执行二元锦标赛选择、交叉和变异，得到新的种群Q0，令 t＝0；
(2)形成新的群体Rt＝Pt∪Qt，对种群Rt进行非劣排序，得到非劣前端 F1,F2,…；
(3)对所有非劣前端按拥挤距离排序；
(4)从排序好的Rt选择排序最前的N个个体形成种群Pt+1；
(5)对Pt+1执行复制、交叉和变异，形成种群Qt+1；
(6)若终止条件成立，则结束，否则t＝t+1，转到(2)。
对解集P进行非劣排序的具体过程如下：
(1)令每个解x∈P对支配数即支配解x的个数nx＝0.，以及解x所支配个体的集合Sx为空集；
(2)遍历P中的每个解q，若x支配q，则Sx＝Sx∪{q}，若q支配x，则 nx＝nx+1。将nx＝0的解列入到前端F1中，且置其秩rank＝1；
(3)假设i＝1；
(4)令Q为空集，对于每个解x∈Fi，执行如下操作：对于每个解q∈Sx， nq＝nq-1；若nq＝0，则q的秩加1，且Q＝Q∪{q}；
(5)若Q不为空集，则i＝i+1，Fi＝Q，转到(4)；否则，停止迭代。
在初始种群生成以及变异过程中引入安装容量约束，将非合理解排除出搜索空间，其中变异因子的生成过程如下：
(1)随机选择变异点，生成变异向量，若变异点选择个体的第i和第j 个，则变异向量可表示如下：(0,…Δxi,…Δxj,…0)T；
(2)根据变异个体的值，确定变异值的取值范围，对于第i个变异元素，Δxi的取值范围为
对于第j个变异元素，Δxj的取值范围为
若有更多变异元素，其取值范围以此类推。
另外，在求解目标函数的值时，将节点电压约束及线路容量约束作为罚函数因子，用以排除那些无法满足安全运行条件的解。对于节点电压约束而言，其罚函数因子σ1可以表示如下：
其中ΔV表示节点电压最大越限值，Vn代表节点额定电压；
同理对于线路容量约束，其罚函数因子σ2可以表示如下：
其中ΔI表示支路电流最大越限值，In表示支路容量。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明现有网架上进行储能系统选址及定容优化，以实现储能系统对配网支撑作用的综合最优。通过量化分析储能系统对网络安全与经济性的影响，建立兼顾网络安全性与经济性的储能系统选址与定容的多目标优化模型，兼容DESS的智能配电网在发生N-1故障时，可以通过DESS提供短时容量支撑，其故障恢复可供转移的路径选择更加多样化，转供能力也能得到很大的提升，改进非劣排序遗传算法通过对种群P进行非劣排序和拥挤距离排序，不断进化种群，直至得到优化的满意解，改进非劣排序遗传算法得到的非劣解在目标空间分布均匀，且收敛性和鲁棒性好，算法结构简单，适于求解多目标优化问题。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对发明进行进一步介绍。
储能系统接入及其配置原则可根据总安装容量和当地电网的实际情况选择合适的接入电压等级，具体可参考相配合的DG电压等级和容量接入原则。目前，DG接入电压等级配置原则参见表1。
表1 DG接入电压等级表
与DG类似，DESS接入配网时传输距离增大，将导致线损率过大。因此，在做DG/DESS布点规划时，应该尽量满足就地平衡的原则。
对于指定的储能系统i，其T时刻的容量为：
实施例：一种储能系统选址定容优化方法，该方法包括以下步骤：
(1)对于T时刻储能系统i，在不考虑实际潮流约束的前提下，其最大供电能力Pi d max表示如下式：
其中：Eimin表示储能系统允许的最小容量，
ΔT表示需要储能系统提供最大供电能力的持续时间；
(2)考虑N-1的转供能力是评估配电网络安全性的重要指标。与传统电网相比，兼容DESS的智能配电网在发生N-1故障时，通过DESS提供短时容量支撑，其故障恢复可供转移的路径选择更加多样化，转供能力也能得到很大的提升，DESS对网络安全性的影响可表征为如下指标：
式中，
ΔPTrans是储能系统接入配网后对于馈线转供能力的提升；
(3)DESS接入配电网后依据谷时充电峰时放电的方法，获得峰谷电价差产生的收益，而且通过削峰填谷改变系统的负荷特性，从而达到降低线损的目的。但DESS接入电网也需要一定的建设成本和运行成本。在规划阶段，首先DESS的峰谷电价差产生的收益以及DESS的建设和运营成本仅与其容量有关，计算过程相对削峰填谷后的降损收益更为简单；其次DESS目前尚未大规模生产应用，其建设及运行成本难以有效测算，且国家目前尚未制定DESS的上网电价政策，因此在本文的研究领域，DESS接入配电网后对网络经济性影响仅以其改善系统负荷特性，降低线损来表征，用如下指标表示：
其中，
Inc为DESS接入配电网后对网络经济性影响；
Cvalley表示谷时电价；
Tvalley表示一天中负荷低谷时段；
同理，
Cpeak表示峰时电价；
Tpeak表示一天中负荷高峰时刻；
由公式(0-1)和(1-2)分析可知，DESS选址及定容归纳为一个多目标优化问题，其目标函数综合考虑DESS对于网络安全性以及网络经济性的提升，表示如下：
max F(x)＝[ΔPTrans(x),Inc(x)] (0-30)
由于这两个目标不是绝对一致，无法保证所有目标同时达到最优，一般只能得到一组Pareto最优解集；
关于DESS选址及定容问题的解空间通过一个n维向量x表示：
x∈Rn x＝(x1,x2,…,xn)T (0-31)
x∈Rn x＝(x1,x2,…,xn)T (0-32)
其中n表示可供DESS选址的个数，向量x的第i个元素xi表示在第i个可供DESS选址的地点所配置DESS的容量值；根据实际情况，DESS配置的容量是一个离散值，即
xi∈{0,Ebase,2×Ebase,…N×Ebase} (0-33)
式中Ebase表示DESS可配置的基准容量，当xi取值为0时表示在第i个可供选址的地点所配置DESS的容量为0，即该选址方案未选中第i个可供选址的地点，对于解空间的如此定义，不论实际选址的地点是几个，都能以一个统一长度的向量表示，有利于智能优化算法的求解。
DESS的选址定容问题还应满足如下等式约束条件和不等式约束条件：
(1)DESS的最大安装容量约束
考虑到DESS的安装成本及其运行对电网带来的波动性影响，DESS的最大安装容量需满足如下约束：
式中Eimax表示的是第i个可安装节点安装的DESS容量，EMAX表示的是允许安装的最大容量；
(2)功率平衡约束
PT是由电源点向馈线提供的功率；Pi-DESS是第i个DESS的充电或放电功率；αi表示第i个DESS的充放电状态，1表示放电状态，-1表示充电状态； PLoad表示负荷功率，PLoss是线损功率；
(3)节点电压约束
Vmin≤Vj≤Vmax (0-36)
式中Vj表示任一节点j的节点电压；Vmin表示节点电压允许的最小值； Vmax表示节点电压允许的最大值；
(4)线路容量约束
Ij≤Imax (0-37)
式中Ij表示任一支路流过的电流；Imax是允许流过线路支路的最大电流。
考虑供蓄能力的初始可行解布点原则：为了提高优化算法的效率并尽可能找到更接近实际最优解的近似解，有必要通过某些方法或手段优化初始解空间，缩小初始解的维度以及解空间的大小。一般而言，只要物理环境适宜以及空间尺寸允许，DESS允许配置在任一配电节点上，这样对于有N个配电节点的网络而言，其DESS的优化配置解空间向量会是一个N维向量，对于配电节点数目较多的配电网而言，势必引起解空间向量维数过多，不利于优化算法的寻优，算法的求解时间较长，求解效率也偏低。为了能缩减解空间向量维数，提高优化算法的求解效率，以DESS的供蓄能力指标作为依据进行初始可行解的选择是一个较好的原则，一般来说供蓄能力指标越大，在该节点配置的效果越好。对同一DESS而言，其配置在不同的网络节点，对应的供蓄能力指标有所不同，这是由该节点所受的网络拓扑约束及潮流约束所致。经过归纳总结，对于DESS初始可配置节点的选择可依据如下原则：
(1)配置在馈线的末端节点；
(2)配置在馈线的重负荷节点；
对于原则(1)，这是因为由于配网潮流一般是从电源点向负荷点单向流动，配置在馈线末端，其对前端潮流的影响最小，从而受网络拓扑约束的影响越小，相同容量配置下，其供蓄能力指标越大；对于原则(2)，这是因为节点负荷越重，在该节点配置DESS后，其等效注入网络功率越小，因而对网络支路的潮流影响也越小，相同容量配置下，其供蓄能力指标越大。
改进非劣排序遗传算法(Improved Non-dominated sorting geneticalgorithm,NSGA-II)是非劣排序遗传算法(Non-dominated sorting genetic algorithm,NSGA)的改进版本，通过对种群P进行非劣排序和拥挤距离排序，不断进化种群，直至得到优化的满意解。NSGA-II算法得到的非劣解在目标空间分布均匀，且收敛性和鲁棒性好，算法结构简单，适于求解多目标优化问题。
多目标函数采用改进非劣排序遗传算法的优化求解算法作为储能系统选址定容问题的求解，包括以下步骤：
(1)随机产生初始种群P0，然后对种群进行非劣排序，每个个体被赋予秩；再对初始种群执行二元锦标赛选择、交叉和变异，得到新的种群Q0，令 t＝0；
(2)形成新的群体Rt＝Pt∪Qt，对种群Rt进行非劣排序，得到非劣前端 F1,F2,…；
(3)对所有非劣前端按拥挤距离排序；
(4)从排序好的Rt选择排序最前的N个个体形成种群Pt+1；
(5)对Pt+1执行复制、交叉和变异，形成种群Qt+1；
(6)若终止条件成立，则结束，否则t＝t+1，转到(2)。
对解集P进行非劣排序的具体过程如下：
(1)令每个解x∈P对支配数即支配解x的个数nx＝0.，以及解x所支配个体的集合Sx为空集；
(2)遍历P中的每个解q，若x支配q，则Sx＝Sx∪{q}，若q支配x，则 nx＝nx+1。将nx＝0的解列入到前端F1中，且置其秩rank＝1；
(3)假设i＝1；
(4)令Q为空集，对于每个解x∈Fi，执行如下操作：对于每个解q∈Sx， nq＝nq-1；若nq＝0，则q的秩加1，且Q＝Q∪{q}；
(5)若Q不为空集，则i＝i+1，Fi＝Q，转到(4)；否则，停止迭代。
拥挤距离用来估计一个解周围其他解的密集程度，其定义如下：对于每个目标函数，先对非劣解集L中的解根据该目标函数值得大小进行排序，然后对每个解i计算其相邻两个解的距离，最终的平均距离就是解i的拥挤距离，若i是边界解，则认为该解的拥挤距离为无穷大。
为了收缩解的搜索空间并加快Pareto优化解集的搜索速度，在在初始种群生成以及变异过程中引入安装容量约束，将非合理解排除出搜索空间，其中变异因子的生成过程如下：
(1)随机选择变异点，生成变异向量，若变异点选择个体的第i和第j 个，则变异向量可表示如下：(0,…Δxi,…Δxj,…0)T；
(2)根据变异个体的值，确定变异值的取值范围，对于第i个变异元素，Δxi的取值范围为
对于第j个变异元素，Δxj的取值范围为
若有更多变异元素，其取值范围以此类推。
另外，在求解目标函数的值时，将节点电压约束及线路容量约束作为罚函数因子，用以排除那些无法满足安全运行条件的解。对于节点电压约束而言，其罚函数因子σ1可以表示如下：
其中ΔV表示节点电压最大越限值，Vn代表节点额定电压；
同理对于线路容量约束，其罚函数因子σ2可以表示如下：
其中ΔI表示支路电流最大越限值，In表示支路容量。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (2)
1.一种储能系统选址定容优化方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)对于T时刻储能系统i，在不考虑实际潮流约束的前提下，其最大供电能力Pi dmax表示如下式：
其中：Eimin表示储能系统允许的最小容量，
ΔT表示需要储能系统提供最大供电能力的持续时间，
Ei(T)为指定的储能系统i在T时刻的容量；
(2)兼容DESS的智能配电网在发生N-1故障时，通过DESS提供短时容量支撑，其故障恢复可供转移的路径选择更加多样化，转供能力也能得到很大的提升，DESS对网络安全性的影响可表征为如下指标：
式中，
ΔPTrans是储能系统接入配网后对于馈线转供能力的提升；
(3)DESS接入配电网后对网络经济性影响仅以其改善系统负荷特性，降低线损来表征，用如下指标表示：
其中，
Inc为DESS接入配电网后对网络经济性影响；
Cvalley表示谷时电价；
Tvalley表示一天中负荷低谷时段；
同理，
Cpeak表示峰时电价；
Tpeak表示一天中负荷高峰时刻；
由公式(0-1)和(1-2)分析可知，DESS选址及定容归纳为一个多目标优化问题，其目标函数综合考虑DESS对于网络安全性以及网络经济性的提升，表示如下：
maxF(x)＝[ΔPTrans(x),Inc(x)] (0-4)；
关于DESS选址及定容问题的解空间通过一个n维向量x表示：
x∈Rn x＝(x1,x2,…,xn)T (0-5)
x∈Rn x＝(x1,x2,…,xn)T (0-6)
其中n表示可供DESS选址的个数，向量x的第i个元素xi表示在第i个可供DESS选址的地点所配置DESS的容量值；根据实际情况，DESS配置的容量是一个离散值，即
xi∈{0,Ebase,2×Ebase,…N×Ebase} (0-7)
式中Ebase表示DESS可配置的基准容量，当xi取值为0时表示在第i个可供选址的地点所配置DESS的容量为0，即该选址方案未选中第i个可供选址的地点；
DESS的选址定容问题还应满足如下等式约束条件和不等式约束条件：
(1)DESS的最大安装容量约束
DESS的最大安装容量需满足如下约束：
式中Eimax表示的是第i个可安装节点安装的DESS容量，EMAX表示的是允许安装的最大容量；
(2)功率平衡约束
PT是由电源点向馈线提供的功率；Pi-DESS是第i个DESS的充电或放电功率；αi表示第i个DESS的充放电状态，1表示放电状态，-1表示充电状态；PLoad表示负荷功率，PLoss是线损功率；
(3)节点电压约束
Vmin≤Vj≤Vmax (0-10)
式中Vj表示任一节点j的节点电压；Vmin表示节点电压允许的最小值；Vmax表示节点电压允许的最大值；
(4)线路容量约束
Ij≤Imax (0-11)
式中Ij表示任一支路流过的电流；Imax是允许流过线路支路的最大电流；
多目标函数采用改进非劣排序遗传算法的优化求解算法作为储能系统选址定容问题的求解，包括以下步骤：
(1)随机产生初始种群P0，然后对种群进行非劣排序，每个个体被赋予秩；再对初始种群执行二元锦标赛选择、交叉和变异，得到新的种群Q0，令t＝0；
(2)形成新的群体Rt＝Pt∪Qt，对种群Rt进行非劣排序，得到非劣前端F1,F2,…；
(3)对所有非劣前端按拥挤距离排序；
(4)从排序好的Rt选择排序最前的N个个体形成种群Pt+1；
(5)对Pt+1执行复制、交叉和变异，形成种群Qt+1；
(6)若终止条件成立，则结束，否则t＝t+1，转到(2)；
在初始种群生成以及变异过程中引入安装容量约束，将非合理解排除出搜索空间，其中变异因子的生成过程如下：
(1)随机选择变异点，生成变异向量，若变异点选择个体的第i和第j个，则变异向量表示如下：(0,…Δxi,…Δxj,…0)T；
(2)根据变异个体的值，确定变异值的取值范围，对于第i个变异元素，Δxi的取值范围为
对于第j个变异元素，Δxj的取值范围为
若有更多变异元素，其取值范围以此类推；
在求解目标函数的值时，将节点电压约束及线路容量约束作为罚函数因子，对于节点电压约束而言，其罚函数因子σ1表示如下：
其中ΔV表示节点电压最大越限值，Vn代表节点额定电压；
同理对于线路容量约束，其罚函数因子σ2可以表示如下：
其中ΔI表示支路电流最大越限值，In表示支路容量。
2.根据权利要求1所述的一种储能系统选址定容优化方法，其特征在于：对解集P进行非劣排序的具体过程如下：
(1)令每个解x∈P对支配数即支配解x的个数nx＝0.，以及解x所支配个体的集合Sx为空集；
(2)遍历P中的每个解q，若x支配q，则Sx＝Sx∪{q}，若q支配x，则nx＝nx+1，将nx＝0的解列入到前端F1中，且置其秩rank＝1；
(3)假设i＝1；
(4)令Q为空集，对于每个解x∈Fi，执行如下操作：对于每个解q∈Sx，nq＝nq-1；若nq＝0，则q的秩加1，且Q＝Q∪{q}；
(5)若Q不为空集，则i＝i+1，Fi＝Q，转到(4)；否则，停止迭代。
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