CN111541244B - 考虑储能装置度电成本的电网侧储能装置容量计算方法 - Google Patents

考虑储能装置度电成本的电网侧储能装置容量计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种考虑储能装置度电成本的电网侧储能装置容量计算方法，属于电力系统优化规划及储能领域。首先建立多类型电化学储能装置的充放电寿命模型，并将储能装置的充放电寿命转化为储能装置的充放电度电成本；综合考虑电网的优化规划目标函数、电网中元件的约束条件与电网的投资运行成本，建立考虑储能装置度电成本的电网侧储能装置的容量规划模型；最后通过对该模型进行优化求解得到运行成本最低的电网侧规模化储能装置容量的优化规划方案。本发明考虑了储能装置的度电成本，提出了适用于电网侧规模化储能装置的容量计算方法，接入电网侧储能装置后，在提高电网调峰调频能力与可再生能源消纳能力的同时，降低了电网的投资与运行成本。

Description

考虑储能装置度电成本的电网侧储能装置容量计算方法
技术领域
本发明涉及一种考虑储能装置度电成本的电网侧储能装置容量计算方法，属于电力系统规划及储能技术领域。
背景技术
能源清洁低碳转型是全球能源发展的必然趋势，储能是智能电网、可再生能源高占比能源系统的关键支撑技术，能够显著提高电网对风、光等可再生能源的消纳水平，储能技术对于促进我国主体能源由化石能源向可再生能源更替具有重要意义。储能可为电网运行提供调峰、调频、备用、应急事故响应支撑、消纳可再生能源等多种服务，是提升传统电力系统灵活性、经济性和安全性的重要手段，能够显著提高电网应对能源转型所带来变化和挑战的适应性。
电网侧储能可在不同时间尺度发挥多重作用，规划方法涉及与电源、电网协调，运行效果评价等多重因素。因此，电网侧储能规划相较传统电源、电网规划更加复杂，目前尚缺少完备的理论方法体系。近年来，随着储能技术的发展，可以应用的储能类型越来越多，从能量的存储介质来看可以分为电化学储能和物理储能。典型使用场景包括电网削峰填谷及离网储能所需的容量型储能；提供调峰调频和紧急备用的能量型储能；平抑新能源出力波动的功率型储能；以及紧急情况下短时间为电网设备提供支持的备用型储能。不同应用场景对储能技术的性能要求有所不同，而储能成本则是决定储能技术应用和产业发展规模最重要的参数。基于储能全生命周期建模的储能平准化(度电)成本是目前国际上通用的储能成本评价指标，度电成本的评价适合容量型储能场景(如削峰填谷)，因为可以将其直接与峰谷电价差进行比较，在电网侧集中式储能电站与输电网协同优化规划中考虑储能装置的度电成本可以判断储能投资是否具有经济效益。
电网侧储能通常规模较大，对于各级调度机构可控可观，能够在电力系统运行中的削峰填谷、缓解阻塞、平抑新能源波动等多种应用场景下发挥积极作用，保障电网的安全经济运行。然而，现有研究方法大多将电网中的储能容量规划建模为若干待选方案下的数学优化问题。这些待选方案大多人为进行设定，缺少确定储能总体需求边界的方法。此外，现有研究通常仅面向某单一应用场景，难以量化评估储能在系统削峰填谷以及平抑新能源波动等多重应用场景下系统运行总体储能需求。针对这些问题，本发明提出多重化应用场景下计及储能度电成本的电网侧储能容量规划方法。
与发明相关的背景技术为混合整数线性规划问题计算机求解技术：该技术能够利用计算机高效求解混合整数线性规划问题，并给出规划问题的最优解，本发明中采用IBM公司的产品CPLEX线性规划方法包求解本发明中的混合整数线性规划问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种考虑储能装置度电成本的电网侧储能装置容量计算方法，在电网规划中计及储能装置的度电成本，以适用于电网侧集中式储能电站与输电网协同优化规划，使电网的投资与运行成本最小化，促进储能技术在电力系统调峰调频及消纳可再生能源方面的应用。
本发明提出的考虑储能装置度电成本的电网侧储能装置容量计算方法，包括以下步骤：
(1)计算多类型电网侧储能装置的度电成本，具体步骤如下，
(1-1)建立储能装置中电化学储能装置的充放电寿命模型：利用下式计算得到放电深度为d时电化学储能装置的最大放电次数
Figure BDA0002476232250000021
Figure BDA0002476232250000022
其中，d为电化学储能装置的放电深度，即电化学储能装置放出的能量与总容量的比值，d的取值范围为0-1，上角标Max代表最大值，N0代表电化学储能装置满充满放时的充放电次数，上角标k为电化学储能装置的特性参数，N0、k从电化学储能装置的出厂铭牌获取；
根据上述参数，得到储能装置中电化学储能装置的充放电寿命模型：
Figure BDA0002476232250000023
式中，g(nd，d)为电化学储能装置在第nd次放电深度为d时的电化学储能装置寿命损耗率，当电化学储能装置寿命损耗率g(nd，d)之和为1时，电化学储能装置失效；
(1-2)定义储能装置中物理储能装置的充放电寿命为建设时的设计使用年限；
(1-3)通过下式，计算得到储能装置的度电成本c：
Figure BDA0002476232250000024
式中，c为储能装置的度电成本，Csum为储能装置全生命周期总投资成本，由储能装置的建设、运行与回收成本组成，Esum为储能装置全生命周期总处理电量，由储能装置设计寿命与装机容量决定，Csys-e为储能装置的能量成本，Cpcs-e为储能装置的功率转换成本，Cbop-e为储能装置的土建成本，Com-e为储能装置的运维成本，Cbth-e为储能装置的其他成本，其他成本包括储能装置在建设、使用过程中产生的上述4种成本以外的所有成本，Crec-e为储能装置的回收残值，以上成本由装备商与施工单位核算决定；DOD为储能装置的放电深度，DOD的取值范围为0％～100％，Bcyc为储能装置在设计放电深度下的充放电循环寿命，η为储能装置能量效率，η的取值范围为50％～95％，ε为电化学储能装置寿命终止时的容量保持率，ζ为储能装置每次循环的等效容量保持率；
当储能装置为物理储能装置时，物理储能装置每次循环的等效容量保持率ζ为1，利用下式，计算物理储能装置在设计放电深度下的充放电循环寿命Bcyc：
Bcyc＝设计使用寿命*365*每天运行次数*年运行比例；
当储能装置为电化学储能装置时，电化学储能装置每次循环的等效容量保持率ζ为：
Figure BDA0002476232250000031
上式中，ε为电化学储能装置失效时的容量保持率，Bcyc为步骤(1-1)中所定义的电化学储能装置容量损耗率之和为1时的电化学储能装置充放电次数，
Figure BDA0002476232250000032
为电化学储能装置第
Figure BDA0002476232250000033
次充放电循环，
Figure BDA0002476232250000034
的取值介于0与Bcyc之间；
(2)建立考虑储能装置度电成本的电网侧储能装置容量计算模型，具体步骤如下：
(2-1)确定储能装置容量计算模型的目标函数，电网侧储能装置容量计算模型的目标函数为电网总投资与运行成本最低，具体如下：
Figure BDA0002476232250000035
式中，下标y表示电网运行的第y年，NY为电网侧储能装置容量计算模型中考虑的总的计算年数，Ctotal为电网年化总成本，
Figure BDA0002476232250000036
为第y年电网年化总投资成本，
Figure BDA0002476232250000037
为第y年电网年化运行成本，
Figure BDA0002476232250000038
分别为第y年电网的年化机组与线路投资成本；
(2-2)确定电网侧储能装置容量规划的约束条件，包括：
(2-2-1)电网侧电化学储能装置的约束条件如下：
a、电化学储能装置充放电约束：
Figure BDA0002476232250000041
式中，下标t表示第t个时刻，
Figure BDA0002476232250000042
表示t时刻电化学储能装置充电功率，
Figure BDA0002476232250000043
表示t时刻电化学储能装置放电功率，PCmax和pDmax分别表示电化学储能装置最大充电功率和电化学储能装置最大放电功率，
Figure BDA0002476232250000044
为t时刻电化学储能装置充电状态，
Figure BDA0002476232250000045
表示正在充电，
Figure BDA0002476232250000046
表示未充电，
Figure BDA0002476232250000047
为t时刻电化学储能装置放电状态，
Figure BDA0002476232250000048
表示正在放电，
Figure BDA0002476232250000049
表示未放电；
b、电化学储能装置充放电状态互斥约束：
Figure BDA00024762322500000410
c、电化学储能装置SOC容量St约束：
0≤St≤Smax
式中，Smax表示电化学储能装置最大充电容量；
d、电化学储能装置SOC与电化学储能装置出力关联约束：
Figure BDA00024762322500000411
式中，a为电化学储能装置的自放电率，η为电化学储能装置的能量效率，η取值范围为50％～95％；
(2-2-2)电网侧物理储能装置的约束条件如下：
Figure BDA00024762322500000412
式中，Pp，physical与Pp，gen为由一个或多个物理储能装置组成的物理储能机组计算时段的最大蓄能量与发电量，
Figure BDA00024762322500000413
与
Figure BDA00024762322500000414
为物理储能机组在t时刻的蓄能或发电的状态变量，ηp为物理储能机组的能量效率，ηp的取值范围为70％～90％；
(2-2-3)电网投资预算约束，具体如下：
Figure BDA00024762322500000415
式中，第一、第二行分别约束电网中所有机组和电网中所有线路建设投资不得超过电网中所有机组和线路的投资预算，其中
Figure BDA00024762322500000416
分别为第y年的电网中所有机组投资预算与电网中所有线路投资预算；
(2-2-4)电网最大装机容量约束，包括电网火电机组装机容量约束、电网风电机组装机容量约束、电网光伏机组装机容量约束以及电网储能机组装机容量约束，具体如下式：
Figure BDA0002476232250000051
式中，上标Lim代表上限Limit的缩写，G代表电网中的火电机组，W代表电网中的风电机组，PV代表电网中的光伏机组，B代表电网中的储能机组，下标g代表第g号火电机组，w代表第w号风电机组，pv代表第pv号光伏机组，b代表第b号储能机组；式中第一行为电网中火电机组装机容量约束，其中
Figure BDA0002476232250000052
为第y年电网中火电机g的装机容量，
Figure BDA0002476232250000053
为电网中火电机组g的装机容量上限，第二行为电网中风电机组的装机容量约束，其中
Figure BDA0002476232250000054
为第y年电网中风电机组w装机容量，
Figure BDA0002476232250000055
为电网中风电机组w的装机容量上限，第三行为电网中光伏机组装机容量约束，其中
Figure BDA0002476232250000056
为第y年电网中光伏机组pv装机容量，
Figure BDA0002476232250000057
为电网中光伏机组pv的装机容量上限，第四行为电网中储能装置装机容量限制，其中
Figure BDA0002476232250000058
为第y年电网中储能装置b装机容量，
Figure BDA0002476232250000059
为电网中储能装置b的装机容量上限；
(2-2-5)电网可再生能源出力渗透率约束，具体如下：
Figure BDA00024762322500000510
式中，上标Cur为curtail(切除)的缩写，下标n为电网第n号节点，总节点数为NN，ρs为第S个设定运行参数的电网典型场景的出现概率，βRES，y为设定的第y年电网可再生能源发电渗透率，Dy，n，t，s为第y年、n号节点、t时刻、s运行场景下的电网负荷预测需求，
Figure BDA00024762322500000511
为第y年、n号节点、t时刻、s运行场景下的电网切负荷需求；
(2-2-6)电网节点功率平衡约束，电网在各年各典型运行场景下各时刻各节点需要保持有功功率平衡，且切负荷功率不应大于该节点的负荷需求，具体如下：
Figure BDA00024762322500000512
式中，上标Sys为System的缩写，代表电网，Line代表线路；第一行表示电网各节点的有功功率平衡约束，其中
Figure BDA0002476232250000061
为电网中所有机组在第y年、n号节点、t时刻、s运行场景下的出力，
Figure BDA0002476232250000062
为电网中线路在第y年、n号节点、t时刻、s运行场景下的传输功率，
Figure BDA0002476232250000063
为电网在第y年、n号节点、t时刻、s运行场景下的负荷；第二行表示电网负荷求解方程；第三行表明电网切负荷功率不应该大于该节点的负荷需求；
电网所有机组出力与线路传输功率
Figure BDA0002476232250000064
详细展开为：
Figure BDA0002476232250000065
式中，上标L代表电网中的线路，dis代表放电状态，cha代表充电/蓄能状态，下标l代表第l号线路，其中
Figure BDA0002476232250000066
表示位于第n号节点的电网火电机组组合，
Figure BDA0002476232250000067
为位于第n号节点的电网风电机组组合，
Figure BDA0002476232250000068
为位于第n号节点的电网光伏机组组合，
Figure BDA0002476232250000069
为位于第n号节点的电网储能装置组合，
Figure BDA00024762322500000610
分别表示始于与终于第n号节点的输电线路集合；
Figure BDA00024762322500000611
表示第y年、n号节点、t时刻、s运行场景下的线路传输功率，
Figure BDA00024762322500000612
为始于第n号节点的所有输电线路在第y年、t时刻、s运行场景下所输出的功率之和，
Figure BDA00024762322500000613
为终于第n号节点的所有输电线路在第y年、t时刻、s运行场景下所接收的功率之和；
(2-2-7)电网输电线容量约束，具体如下：
Figure BDA00024762322500000614
式中，
Figure BDA00024762322500000615
为电网中第l号输电线路的最大传输功率，
Figure BDA00024762322500000616
为第l号输电线路在第y年、t时刻、s运行场景下的传输功率，输电网络的约束为线路上潮流不得超过线路的输送功率；
(2-2-8)电网火电机组运行约束，具体如下：
Figure BDA00024762322500000617
上式对电网中单个火电机组的出力进行了约束，其中，
Figure BDA00024762322500000618
为第y年电网中第g号火电机组装机容量，
Figure BDA00024762322500000619
为电网中第g号机组在第y年、t时刻、s运行场景下的输送功率，单个火电机组的出力不得超过其装机容量；
Figure BDA00024762322500000620
上式对电网中火电机组的开机容量进行了约束，式中，下标i表示第i类的电网火电机组，
Figure BDA0002476232250000071
为属于第i类的火电机组集合，
Figure BDA0002476232250000072
表示第i类火电机组在第y年、t时刻、s运行场景下的在线容量，电网中火电机组的开机容量应该不大于该火电机组的装机容量，且不小于该火电机组该时刻的发电出力；
Figure BDA0002476232250000073
上式对第i类的电网火电机组表示的聚类机组的最小出力进行约束，其中，
Figure BDA0002476232250000074
为第i类电网火电机组的最小出力率，
Figure BDA0002476232250000075
的取值范围为0～1；
Figure BDA0002476232250000076
上式对电网中火电机组的上爬坡能力和下爬坡能力进行了约束，上标DN代表下爬坡，UP代表上爬坡，其中
Figure BDA0002476232250000077
分别代表电网中火电机组的下调爬坡能力和上调爬坡能力；
Figure BDA0002476232250000078
上式给出了第i类聚类机组在线容量、开机容量和关机容量之间的关系，式中，
Figure BDA0002476232250000079
表示第i类火电机组在第y年、t-1时刻、s运行场景下的在线容量，
Figure BDA00024762322500000710
Figure BDA00024762322500000711
分别为电网中第i类火电机组在第y年、t时刻、s运行场景下的开机容量与关机容量，
Figure BDA00024762322500000712
上式第一行对第i类聚类机组的最小开机时间进行了约束，第二行对第i类聚类机组最小关机时间进行了约束，式中，
Figure BDA00024762322500000713
分别为第i类火电机组最小开机时间和停机时间；
(2-2-9)电网风电机组运行约束，具体如下：
Figure BDA00024762322500000714
上式约束了电网中任何一个风电场出力不得超过该场景该时刻的预测风电出力值，式中，
Figure BDA00024762322500000715
为第w号风电机组在第y年、t时刻、s运行场景下的风电场归一化预测功率值，预测风电出力值和风电场归一化预测功率值分别从电网调度的历史数据中获取；
(2-2-10)电网光伏机组运行约束，具体如下：
Figure BDA00024762322500000716
式中，
Figure BDA0002476232250000081
为pv号光伏机组在第y年、t时刻、s运行场景下的光伏电站归一化预测功率值，此式约束了电网中任和一个光伏电站出力不得超过该场景该时刻的预测光伏出力值；
(2-2-11)电网备用约束，具体如下：
Figure BDA0002476232250000082
式中，
Figure BDA0002476232250000083
为电网第n号节点在t时刻、s运行场景下的切负荷功率，rLoad、rRES分别表示电网负荷预测误差与风电光伏机组出力预测误差，上式保证在最不利的预测误差下电网的发电能力仍足以满足电网最大负荷需求；
(2-3)根据步骤(2-1)和步骤(2-2)中的优化规划目标函数、电网运行约束以及投资运行成本，得到以电网投资运行成本最低为目标的考虑储能装置度电成本的电网侧储能装置容量计算模型；
(3)从电化学储能装置的出厂铭牌获取电化学储能装置与物理储能装置的参数，使用CPLEX混合整数线性规划方法，求解步骤(2)的电网侧储能装置容量计算模型，得到电网侧储能装置容量，实现考虑储能装置度电成本的电网侧储能装置容量的计算。
本发明提出的考虑储能装置度电成本的电网侧储能装置容量计算方法，其优点是：
本发明的考虑储能度电成本的电网侧储能容量规划方法，克服了现有电网储能规划方法仅面向单一应用场景，无法应对多应用场景的不足，使得多重应用场景下的系统运行总体储能需求的评估成为可能，并且可以对储能的总体需求边界进行测定，实现可再生能源与储能联合规划促进可再生能源消纳。
本发明方法中涉及的考虑度电成本的电网侧储能规划方法及运算模型，具有一定的通用性，能够嵌入高比例可再生能源电力系统的优化规划模型实现快速求解，通过引入度电成本，可以实现包含储能的电力系统的投资运行成本估算，应用于经济调度和源网储优化规划等方面研究，通过合理的储能容量规划，以系统总投资与运行成本最低为目标，可以实现储能技术在电力系统中的高效利用，促进可再生能源消纳，优化电力系统的调峰调频能力，精准引导电力系统的投资，实现对已有资源的充分利用。
具体实施方式
本发明提出的考虑储能装置度电成本的电网侧储能装置容量计算方法，包括以下步骤：
(1)计算多类型电网侧储能装置的度电成本，具体步骤如下，
(1-1)建立储能装置中电化学储能装置的充放电寿命模型：考虑由电池的放电深度(DOD，depth of discharge，放电深度)决定的储能装置循环寿命，利用下式计算得到放电深度为d时电化学储能装置的最大放电次数
Figure BDA0002476232250000091
Figure BDA0002476232250000092
其中，d为电化学储能装置的放电深度，即电化学储能装置放出的能量与总容量的比值，d的取值范围为0-1，上角标Max代表最大值，N0代表电化学储能装置满充满放时的充放电次数，上角标k为电化学储能装置的特性参数，N0、k从电化学储能装置的出厂铭牌获取；
根据上述参数，得到储能装置中电化学储能装置的充放电寿命模型：
Figure BDA0002476232250000093
式中，g(nd，d)为电化学储能装置在第nd次放电深度为d时的电化学储能装置寿命损耗率，当电化学储能装置寿命损耗率g(nd，d)之和为1时，电化学储能装置失效；
(1-2)定义储能装置中的物理储能装置随使用过程而导致的容量损耗非常小，可忽略不计，物理储能装置的充放电寿命为建设时的设计使用年限；
(1-3)通过下式，计算得到储能装置的度电成本c：
Figure BDA0002476232250000094
式中，c为储能装置的度电成本，Csum为储能装置全生命周期总投资成本，由储能装置的建设、运行与回收成本组成，Esum为储能装置全生命周期总处理电量，由储能装置设计寿命与装机容量决定，Csys-e为储能装置的能量成本，Cpcs-e为储能装置的功率转换成本，Cbop-e为储能装置的土建成本，Com-e为储能装置的运维成本，Coth-e为储能装置的其他成本，其他成本包括储能装置在建设、使用过程中产生的上述4种成本以外的所有成本，如人员开支等，Crec-e为储能装置的回收残值，以上成本由装备商与施工单位核算决定；DOD(放电深度)为储能装置的放电深度，DOD的取值范围为0％～100％，根据储能装置的使用场景规划决定，Bcyc为储能装置在设计放电深度下的充放电循环寿命(次)，η为储能装置能量效率(％)，由储能装置的介质的物理特性决定，η的取值范围为50％～95％，ε为电化学储能装置寿命终止时的容量保持率，ζ为储能装置每次循环的等效容量保持率(％)；
当储能装置为物理储能装置时，由于物理储能装置随使用过程而导致的容量损耗非常小，因此设置物理储能装置每次循环的等效容量保持率ζ为1，利用下式，计算物理储能装置在设计放电深度下的充放电循环寿命Bcyc：
Bcyc＝设计使用寿命(年)*365*每天运行次数(次)*年运行比例(％)；
当储能装置为电化学储能装置时，电化学储能装置每次循环的等效容量保持率ζ为：
Figure BDA0002476232250000101
上式中，ε为电化学储能装置失效时的容量保持率，单位为(％)，Bcyc为步骤(1-1)中所定义的电化学储能装置容量损耗率之和为1时的电化学储能装置充放电次数
Figure BDA0002476232250000102
为电化学储能装置第
Figure BDA0002476232250000103
次充放电循环，
Figure BDA0002476232250000104
的取值介于0与Bcyc之间；
(2)综合考虑优化规划目标函数、约束条件与运行成本，建立考虑储能装置度电成本的电网侧储能装置容量计算模型，具体步骤如下：
(2-1)确定储能装置容量计算模型的目标函数，电网侧储能装置容量计算模型的目标函数为电网总投资与运行成本最低，具体如下：
Figure BDA0002476232250000105
式中，下标y表示电网运行的第y年，NY为电网侧储能装置容量计算模型中考虑的总的计算年数，Ctotal为电网年化总成本(万元/年)，
Figure BDA0002476232250000106
为第y年电网年化总投资成本(万元/年)，
Figure BDA0002476232250000107
为第y年电网年化运行成本(万元/年)；
Figure BDA0002476232250000108
分别为第y年电网的年化机组与线路投资成本(万元/年)；
(2-2)确定电网侧储能装置容量规划的约束条件，包括：
(2-2-1)电网侧电化学储能装置的约束条件如下：建模需要满足储能装置充放电功率约束、储能装置充放电状态约束、储能装置SOC(充电容量)约束、以及储能装置SOC(充电状态)与储能装置出力关联约束。
a、电化学储能装置充放电约束：
Figure BDA0002476232250000111
式中，下标t表示第t个时刻，
Figure BDA0002476232250000112
表示t时刻电化学储能装置充电功率，
Figure BDA0002476232250000113
表示t时刻电化学储能装置放电功率，PCmax和pDmax分别表示电化学储能装置最大充电功率和电化学储能装置最大放电功率，
Figure BDA0002476232250000114
为t时刻电化学储能装置充电状态，
Figure BDA0002476232250000115
表示正在充电，
Figure BDA0002476232250000116
表示未充电，
Figure BDA0002476232250000117
为t时刻电化学储能装置放电状态，
Figure BDA0002476232250000118
表示正在放电，
Figure BDA0002476232250000119
表示未放电；
b、电化学储能装置充放电状态互斥约束：
Figure BDA00024762322500001110
c、电化学储能装置SOC(充电容量，Stateof Charge，)容量St约束：
0≤St≤Smax
式中，Smax表示电化学储能装置最大充电容量；
d、电化学储能装置SOC与电化学储能装置出力关联约束：
Figure BDA00024762322500001111
式中，a为电化学储能装置的自放电率(由储能材料决定，单位为％，)η为电化学储能装置的能量效率，η取值范围为50％～95％；
(2-2-2)电网侧物理储能装置的约束条件如下：建模需要满足物理储能装置出力上下限约束、蓄能与发电状态互斥约束以及每日蓄能量与发电量平衡约束；
Figure BDA00024762322500001112
式中，Pp，physical与Pp，gen为由一个或多个物理储能装置组成的物理储能机组计算时段的最大蓄能量与发电量，
Figure BDA00024762322500001117
与
Figure BDA00024762322500001114
为物理储能机组在t时刻的蓄能或发电的状态变量，ηp为物理储能机组的能量效率，ηp的取值范围为70％～90％；
(2-2-3)电网投资预算约束，具体如下：
Figure BDA00024762322500001115
式中，第一、第二行分别约束电网中所有机组和电网中所有线路建设投资不得超过电网中所有机组和线路的投资预算，其中
Figure BDA00024762322500001116
分别为第y年的电网中所有机组投资预算与电网中所有线路投资预算；
(2-2-4)电网最大装机容量约束，包括电网火电机组装机容量约束、电网风电机组装机容量约束、电网光伏机组装机容量约束以及电网储能机组装机容量约束，具体如下式：
Figure BDA0002476232250000121
式中，上标Lim代表上限Limit的缩写，G代表电网中的火电机组，W代表电网中的风电机组，PV代表电网中的光伏机组，B代表电网中的储能机组，下标g代表第g号火电机组，w代表第w号风电机组，pv代表第pv号光伏机组，b代表第b号储能机组；式中第一行为电网中火电机组装机容量约束，其中
Figure BDA0002476232250000122
为第y年电网中火电机g的装机容量(MW)，
Figure BDA0002476232250000123
为电网中火电机组g的装机容量上限(MW)，第二行为电网中风电机组的装机容量约束，其中
Figure BDA0002476232250000124
为第y年电网中风电机组w装机容量(MW)，
Figure BDA0002476232250000125
为电网中风电机组w的装机容量上限(MW)，第三行为电网中光伏机组装机容量约束，其中
Figure BDA0002476232250000126
为第y年电网中光伏机组pv装机容量(MW)，
Figure BDA0002476232250000127
为电网中光伏机组pv的装机容量上限(MW)，第四行为电网中储能装置装机容量限制，其中
Figure BDA0002476232250000128
为第y年电网中储能装置b装机容量(MW)，
Figure BDA0002476232250000129
为电网中储能装置b的装机容量上限(MW)；
(2-2-5)电网可再生能源出力渗透率约束，具体如下：
Figure BDA00024762322500001210
式中，上标Cur为curtail(切除)的缩写，下标n为电网第n号节点，总节点数为NN，ρs为第S个设定运行参数的电网典型场景的出现概率，βRES，y为设定的第y年电网可再生能源发电渗透率，Dy，n，t，s为第y年、n号节点、t时刻、s运行场景下的电网负荷预测需求，
Figure BDA00024762322500001211
为第y年、n号节点、t时刻、s运行场景下的电网切负荷需求；
(2-2-6)电网节点功率平衡约束，电网在各年各典型运行场景下各时刻各节点需要保持有功功率平衡，且切负荷功率不应大于该节点的负荷需求，具体如下：
Figure BDA00024762322500001212
式中，上标Sys为System(电网)的缩写，Line代表线路；第一行表示电网各节点的有功功率平衡约束，其中
Figure BDA0002476232250000131
为电网中所有机组在第y年、n号节点、t时刻、s运行场景下的出力(MW)，
Figure BDA0002476232250000132
为电网中线路在第y年、n号节点、t时刻、s运行场景下的传输功率(MW)，
Figure BDA0002476232250000133
为电网在第y年、n号节点、t时刻、s运行场景下的负荷(MW)；第二行表示电网负荷求解方程；第三行表明电网切负荷功率不应该大于该节点的负荷需求；
电网所有机组出力与线路传输功率
Figure BDA0002476232250000134
详细展开为：
Figure BDA0002476232250000135
式中，上标L代表电网中的线路，dis代表放电状态，cha代表充电/蓄能状态，下标l代表第l号线路，其中
Figure BDA0002476232250000136
表示位于第n号节点的电网火电机组组合，
Figure BDA0002476232250000137
为位于第n号节点的电网风电机组组合，
Figure BDA0002476232250000138
为位于第n号节点的电网光伏机组组合，
Figure BDA0002476232250000139
为位于第n号节点的电网储能装置组合，
Figure BDA00024762322500001310
分别表示始于与终于第n号节点的输电线路集合；
Figure BDA00024762322500001311
表示第y年、n号节点、t时刻、s运行场景下的线路传输功率，
Figure BDA00024762322500001312
为始于第n号节点的所有输电线路在第y年、t时刻、s运行场景下所输出的功率之和，
Figure BDA00024762322500001313
为终于第n号节点的所有输电线路在第y年、t时刻、s运行场景下所接收的功率之和；
(2-2-7)电网输电线容量约束，具体如下：
Figure BDA00024762322500001314
式中，
Figure BDA00024762322500001315
为电网中第l号输电线路的最大传输功率(MW)，
Figure BDA00024762322500001316
为第l号输电线路在第y年、t时刻、s运行场景下的传输功率(MW)，输电网络的约束为线路上潮流不得超过线路的输送功率；
(2-2-8)电网火电机组运行约束，具体如下：
Figure BDA00024762322500001317
上式对电网中单个火电机组的出力进行了约束，其中，
Figure BDA00024762322500001318
为第y年电网中第g号火电机组装机容量(MW)，
Figure BDA00024762322500001319
为电网中第g号机组在第y年、t时刻、s运行场景下的输送功率(MW)，单个火电机组的出力不得超过其装机容量；
Figure BDA00024762322500001320
上式对电网中火电机组的开机容量进行了约束，式中，下标i表示第i类的电网火电机组，
Figure BDA0002476232250000141
为属于第i类的火电机组集合，
Figure BDA0002476232250000142
表示第i类火电机组在第y年、t时刻、s运行场景下的在线容量(MW)，电网中火电机组的开机容量应该不大于该火电机组的装机容量，且不小于该火电机组该时刻的发电出力；
Figure BDA0002476232250000143
上式对第i类的电网火电机组表示的聚类机组的最小出力进行约束，其中，
Figure BDA0002476232250000144
为第i类电网火电机组的最小出力率，
Figure BDA0002476232250000145
的取值范围为0～1；
Figure BDA0002476232250000146
上式对电网中火电机组的上爬坡能力和下爬坡能力进行了约束，上标DN代表Down(下爬坡)，UP代表Up(上爬坡)，其中
Figure BDA0002476232250000147
分别代表电网中火电机组的下调爬坡能力和上调爬坡能力；
Figure BDA0002476232250000148
上式给出了第i类聚类机组在线容量、开机容量和关机容量之间的关系，式中，
Figure BDA0002476232250000149
表示第i类火电机组在第y年、t-1时刻、s运行场景下的在线容量(MW)，
Figure BDA00024762322500001410
Figure BDA00024762322500001411
分别为电网中第i类火电机组在第y年、t时刻、s运行场景下的开机容量与关机容量(MW)，
Figure BDA00024762322500001412
上式第一行对第i类聚类机组的最小开机时间进行了约束，第二行对第i类聚类机组最小关机时间进行了约束，式中，
Figure BDA00024762322500001413
分别为第i类火电机组最小开机时间和停机时间(小时)；
(2-2-9)电网风电机组运行约束，具体如下：
Figure BDA00024762322500001414
上式约束了电网中任何一个风电场出力不得超过该场景该时刻的预测风电出力值，式中，
Figure BDA00024762322500001415
为第w号风电机组在第y年、t时刻、s运行场景下的风电场归一化预测功率值，预测风电出力值和风电场归一化预测功率值分别从电网调度的历史数据中获取；
(2-2-10)电网光伏机组运行约束，具体如下：
Figure BDA0002476232250000151
式中，
Figure BDA0002476232250000152
为pv号光伏机组在第y年、t时刻、s运行场景下的光伏电站归一化预测功率值，此式约束了电网中任和一个光伏电站出力不得超过该场景该时刻的预测光伏出力值；
(2-2-11)电网备用约束，具体如下：
Figure BDA0002476232250000153
式中，
Figure BDA0002476232250000154
为电网第n号节点在t时刻、s运行场景下的切负荷功率(MW)，rLoad、rRES分别表示电网负荷预测误差与风电光伏机组出力预测误差，上式保证在最不利的预测误差下电网的发电能力仍足以满足电网最大负荷需求；
(2-3)根据步骤(2-1)和步骤(2-2)中的优化规划目标函数、电网运行约束以及投资运行成本，得到以电网投资运行成本最低为目标的考虑储能装置度电成本的电网侧储能装置容量计算模型；
(3)从电化学储能装置的出厂铭牌获取电化学储能装置与物理储能装置的参数，使用CPLEX混合整数线性规划方法，求解步骤(2)的电网侧储能装置容量计算模型，得到电网侧储能装置容量，实现考虑储能装置度电成本的电网侧储能装置容量的计算。

Claims (1)

1.一种考虑储能装置度电成本的电网侧储能装置容量计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)计算多类型电网侧储能装置的度电成本，具体步骤如下，
(1-1)建立储能装置中电化学储能装置的充放电寿命模型：利用下式计算得到放电深度为d时电化学储能装置的最大放电次数
Figure FDA0003685929940000011
Figure FDA0003685929940000012
其中，d为电化学储能装置的放电深度，即电化学储能装置放出的能量与总容量的比值，d的取值范围为0-1，上角标Max代表最大值，N0代表电化学储能装置满充满放时的充放电次数，上角标k为电化学储能装置的特性参数，N0、k从电化学储能装置的出厂铭牌获取；
根据上述参数，得到储能装置中电化学储能装置的充放电寿命模型：
Figure FDA0003685929940000013
式中，g(nd，d)为电化学储能装置在第nd次放电深度为d时的电化学储能装置寿命损耗率，当电化学储能装置寿命损耗率g(nd，d)之和为1时，电化学储能装置失效；
(1-2)定义储能装置中物理储能装置的充放电寿命为建设时的设计使用年限；
(1-3)通过下式，计算得到储能装置的度电成本c：
Figure FDA0003685929940000014
式中，c为储能装置的度电成本，Csum为储能装置全生命周期总投资成本，由储能装置的建设、运行与回收成本组成，Esum为储能装置全生命周期总处理电量，由储能装置设计寿命与装机容量决定，Csys-e为储能装置的能量成本，Cpcs-e为储能装置的功率转换成本，Cbop-e为储能装置的土建成本，Com-e为储能装置的运维成本，Coth-e为储能装置的其他成本，其他成本包括储能装置在建设、使用过程中产生的上述4种成本以外的所有成本，Crec-e为储能装置的回收残值，以上成本由装备商与施工单位核算决定；DOD为储能装置的放电深度，DOD的取值范围为0％～100％，Bcyc为储能装置在设计放电深度下的充放电循环寿命，η为储能装置能量效率，η的取值范围为50％～95％，ε为电化学储能装置寿命终止时的容量保持率，ζ为储能装置每次循环的等效容量保持率；
当储能装置为物理储能装置时，物理储能装置每次循环的等效容量保持率ζ为1，利用下式，计算物理储能装置在设计放电深度下的充放电循环寿命Bcyc：
Bcyc＝设计使用寿命*365*每天运行次数*年运行比例；
当储能装置为电化学储能装置时，电化学储能装置每次循环的等效容量保持率ζ为：
Figure FDA0003685929940000021
上式中，ε为电化学储能装置失效时的容量保持率，Bcyc为步骤(1-1)中所定义的电化学储能装置容量损耗率之和为1时的电化学储能装置充放电次数，
Figure FDA0003685929940000022
为电化学储能装置第
Figure FDA0003685929940000023
次充放电循环，
Figure FDA0003685929940000024
的取值介于0与Bcyc之间；
(2)建立考虑储能装置度电成本的电网侧储能装置容量计算模型，具体步骤如下：
(2-1)确定储能装置容量计算模型的目标函数，电网侧储能装置容量计算模型的目标函数为电网总投资与运行成本最低，具体如下：
Figure FDA0003685929940000025
式中，下标y表示电网运行的第y年，NY为电网侧储能装置容量计算模型中考虑的总的计算年数，Ctotal为电网年化总成本，
Figure FDA0003685929940000026
为第y年电网年化总投资成本，
Figure FDA0003685929940000027
为第y年电网年化运行成本，
Figure FDA0003685929940000028
分别为第y年电网的年化机组与线路投资成本；
(2-2)确定电网侧储能装置容量规划的约束条件，包括：
(2-2-1)电网侧电化学储能装置的约束条件如下：
a、电化学储能装置充放电约束：
Figure FDA0003685929940000029
式中，下标t表示第t个时刻，
Figure FDA00036859299400000210
表示t时刻电化学储能装置充电功率，
Figure FDA00036859299400000211
表示t时刻电化学储能装置放电功率，PCmax和PDmax分别表示电化学储能装置最大充电功率和电化学储能装置最大放电功率，
Figure FDA00036859299400000212
为t时刻电化学储能装置充电状态，
Figure FDA00036859299400000213
表示正在充电，
Figure FDA00036859299400000214
表示未充电，
Figure FDA00036859299400000215
为t时刻电化学储能装置放电状态，
Figure FDA00036859299400000216
表示正在放电，
Figure FDA00036859299400000217
表示未放电；
b、电化学储能装置充放电状态互斥约束：
Figure FDA00036859299400000218
c、电化学储能装置SOC容量St约束：
0≤St≤Smax
式中，Smax表示电化学储能装置最大充电容量；
d、电化学储能装置SOC与电化学储能装置出力关联约束：
Figure FDA0003685929940000031
式中，a为电化学储能装置的自放电率，η为电化学储能装置的能量效率，η取值范围为50％～95％；
(2-2-2)电网侧物理储能装置的约束条件如下：
Figure FDA0003685929940000032
式中，Pp，physical与Pp，gen为由一个或多个物理储能装置组成的物理储能机组计算时段的最大蓄能量与发电量，
Figure FDA0003685929940000033
与
Figure FDA0003685929940000034
为物理储能机组在t时刻的蓄能或发电的状态变量，ηp为物理储能机组的能量效率，ηp的取值范围为70％～90％；
(2-2-3)电网投资预算约束，具体如下：
Figure FDA0003685929940000035
式中，第一、第二行分别约束电网中所有机组和电网中所有线路建设投资不得超过电网中所有机组和线路的投资预算，其中
Figure FDA0003685929940000036
分别为第y年的电网中所有机组投资预算与电网中所有线路投资预算；
(2-2-4)电网最大装机容量约束，包括电网火电机组装机容量约束、电网风电机组装机容量约束、电网光伏机组装机容量约束以及电网储能机组装机容量约束，具体如下式：
Figure FDA0003685929940000037
式中，上标Lim代表上限Limit的缩写，G代表电网中的火电机组，W代表电网中的风电机组，PV代表电网中的光伏机组，B代表电网中的储能机组，下标g代表第g号火电机组，w代表第w号风电机组，pv代表第pv号光伏机组，b代表第b号储能机组；式中第一行为电网中火电机组装机容量约束，其中
Figure FDA0003685929940000038
为第y年电网中火电机g的装机容量，
Figure FDA0003685929940000041
为电网中火电机组g的装机容量上限，第二行为电网中风电机组的装机容量约束，其中
Figure FDA0003685929940000042
为第y年电网中风电机组w装机容量，
Figure FDA0003685929940000043
为电网中风电机组w的装机容量上限，第三行为电网中光伏机组装机容量约束，其中
Figure FDA0003685929940000044
为第y年电网中光伏机组pv装机容量，
Figure FDA0003685929940000045
为电网中光伏机组pv的装机容量上限，第四行为电网中储能装置装机容量限制，其中
Figure FDA0003685929940000046
为第y年电网中储能装置b装机容量，
Figure FDA0003685929940000047
为电网中储能装置b的装机容量上限；
(2-2-5)电网可再生能源出力渗透率约束，具体如下：
Figure FDA0003685929940000048
式中，上标Cur为curtail切除的缩写，下标n为电网第n号节点，总节点数为NN，ρs为第S个设定运行参数的电网典型场景的出现概率，βRES，y为设定的第y年电网可再生能源发电渗透率，Dy，n，t，s为第y年、n号节点、t时刻、s运行场景下的电网负荷预测需求，
Figure FDA0003685929940000049
为第y年、n号节点、t时刻、s运行场景下的电网切负荷需求；
(2-2-6)电网节点功率平衡约束，电网在各年各典型运行场景下各时刻各节点需要保持有功功率平衡，且切负荷功率不应大于该节点的负荷需求，具体如下：
Figure FDA00036859299400000410
式中，上标Sys为System的缩写，代表电网，Line代表线路；第一行表示电网各节点的有功功率平衡约束，其中
Figure FDA00036859299400000411
为电网中所有机组在第y年、n号节点、t时刻、s运行场景下的出力，
Figure FDA00036859299400000412
为电网中线路在第y年、n号节点、t时刻、s运行场景下的传输功率，
Figure FDA00036859299400000413
为电网在第y年、n号节点、t时刻、s运行场景下的负荷；第二行表示电网负荷求解方程；第三行表明电网切负荷功率不应该大于该节点的负荷需求；
电网所有机组出力与线路传输功率
Figure FDA00036859299400000414
详细展开为：
Figure FDA00036859299400000415
式中，上标L代表电网中的线路，dis代表放电状态，cha代表充电/蓄能状态，下标l代表第l号线路，其中
Figure FDA0003685929940000051
表示位于第n号节点的电网火电机组组合，
Figure FDA0003685929940000052
为位于第n号节点的电网风电机组组合，
Figure FDA0003685929940000053
为位于第n号节点的电网光伏机组组合，
Figure FDA0003685929940000054
为位于第n号节点的电网储能装置组合，
Figure FDA0003685929940000055
分别表示始于与终于第n号节点的输电线路集合；
Figure FDA0003685929940000056
表示第y年、n号节点、t时刻、s运行场景下的线路传输功率，
Figure FDA0003685929940000057
为始于第n号节点的所有输电线路在第y年、t时刻、s运行场景下所输出的功率之和，
Figure FDA0003685929940000058
为终于第n号节点的所有输电线路在第y年、t时刻、s运行场景下所接收的功率之和；
(2-2-7)电网输电线容量约束，具体如下：
Figure FDA0003685929940000059
式中，
Figure FDA00036859299400000510
为电网中第l号输电线路的最大传输功率，
Figure FDA00036859299400000511
为第l号输电线路在第y年、t时刻、s运行场景下的传输功率，输电网络的约束为线路上潮流不得超过线路的输送功率；
(2-2-8)电网火电机组运行约束，具体如下：
Figure FDA00036859299400000512
上式对电网中单个火电机组的出力进行了约束，其中，
Figure FDA00036859299400000513
为第y年电网中第g号火电机组装机容量，
Figure FDA00036859299400000514
为电网中第g号机组在第y年、t时刻、s运行场景下的输送功率，单个火电机组的出力不得超过其装机容量；
Figure FDA00036859299400000515
上式对电网中火电机组的开机容量进行了约束，式中，下标i表示第i类的电网火电机组，
Figure FDA00036859299400000516
为属于第i类的火电机组集合，
Figure FDA00036859299400000517
表示第i类火电机组在第y年、t时刻、s运行场景下的在线容量，电网中火电机组的开机容量应该不大于该火电机组的装机容量，且不小于该火电机组该时刻的发电出力；
Figure FDA00036859299400000518
上式对第i类的电网火电机组表示的聚类机组的最小出力进行约束，其中，
Figure FDA00036859299400000519
为第i类电网火电机组的最小出力率，
Figure FDA00036859299400000520
的取值范围为0～1；
Figure FDA00036859299400000521
上式对电网中火电机组的上爬坡能力和下爬坡能力进行了约束，上标DN代表下爬坡，UP代表上爬坡，其中
Figure FDA00036859299400000522
分别代表电网中火电机组的下调爬坡能力和上调爬坡能力；
Figure FDA0003685929940000061
上式给出了第i类聚类机组在线容量、开机容量和关机容量之间的关系，式中，
Figure FDA0003685929940000062
表示第i类火电机组在第y年、t-1时刻、s运行场景下的在线容量，
Figure FDA0003685929940000063
Figure FDA0003685929940000064
分别为电网中第i类火电机组在第y年、t时刻、s运行场景下的开机容量与关机容量，
Figure FDA0003685929940000065
上式第一行对第i类聚类机组的最小开机时间进行了约束，第二行对第i类聚类机组最小关机时间进行了约束，式中，Ti G，On、Ti G，Off分别为第i类火电机组最小开机时间和停机时间；
(2-2-9)电网风电机组运行约束，具体如下：
Figure FDA0003685929940000066
上式约束了电网中任何一个风电场出力不得超过该场景该时刻的预测风电出力值，式中，
Figure FDA0003685929940000067
为第w号风电机组在第y年、t时刻、s运行场景下的风电场归一化预测功率值，预测风电出力值和风电场归一化预测功率值分别从电网调度的历史数据中获取；
(2-2-10)电网光伏机组运行约束，具体如下：
Figure FDA0003685929940000068
式中，
Figure FDA0003685929940000069
为pv号光伏机组在第y年、t时刻、s运行场景下的光伏电站归一化预测功率值，此式约束了电网中任和一个光伏电站出力不得超过该场景该时刻的预测光伏出力值；
(2-2-11)电网备用约束，具体如下：
Figure FDA00036859299400000610
式中，
Figure FDA0003685929940000071
为电网第n号节点在t时刻、s运行场景下的切负荷功率，rLoad、rRES分别表示电网负荷预测误差与风电光伏机组出力预测误差，上式保证在最不利的预测误差下电网的发电能力仍足以满足电网最大负荷需求；
(2-3)根据步骤(2-1)和步骤(2-2)中的优化规划目标函数、电网运行约束以及投资运行成本，得到以电网投资运行成本最低为目标的考虑储能装置度电成本的电网侧储能装置容量计算模型；
(3)从电化学储能装置的出厂铭牌获取电化学储能装置与物理储能装置的参数，使用CPLEX混合整数线性规划方法，求解步骤(2)的电网侧储能装置容量计算模型，得到电网侧储能装置容量，实现考虑储能装置度电成本的电网侧储能装置容量的计算。
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