CN111786419A - 一种区域电网能源配置系统 - Google Patents

Abstract

一种区域电网能源配置系统，包括区域电网负荷采集端口，分布式电源接口，储能电站，和用于协同控制上述的控制单元。本发明的控制单元中设计有目标函数计算模块，其内存储有该区域电网内各类型分布式电源的数据，能够根据该数据计算目标函数以及相应的约束条件控制所述储能电站所输出的电能，在系统所连接的多种分布式电源之间实现互补供电。本发明能够很好的利用各区域内多种不同的小型化电源，使多能互补小型分布式电源成为可靠的、具有竞争力的清洁电源。同时可以降低系统的容量配置，提高区域电网的运行效益。

Description

一种区域电网能源配置系统

技术领域

本发明涉及区域电网系统，具体而言涉及一种区域电网能源配置系统。

背景技术

随着智能电网的建设，分布式电源越来越受到青睐。多种分布式电源之间互补运行是促进可再生能源发展消纳的重要途径。如何能够充分利用这些再生能源，在保障供电可靠性和经济性的前提下满足用户需求，这在电力系统研究领域中形成了一个新的研究方向——多能互补小型分布式电源应用研究。

由于风电、光电等间歇性新能源的接入增加了电能供给的不确定性，因此，多种分布式电源之间互补运行需要克服大规模直流输电集中送出和馈入所造成的功率扰动。而与此同时，用户对供电可靠性的需求却在愈加提高。

目前，对于利用不同种类的新能源发电出力的互补性来降低其出力波动性的研究主要集中在单个的电站层面，例如，风光互补型电站以及风光储发电系统等。而对于一个包含多类型电站的区域电网，如何利用不同电力设施将不同电能来源配置为在时间和空间上互补，并以此优化电网容量配置、降低电网波动，目前尚缺少相关的研究。而这对促进区域电网对于新能源的有效利用有着重要的意义。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种区域电网能源配置系统，本发明通过将多种具有互补性的小型分布式电源集中于同一网络中，能够提高整个系统的能源利用率、经济性与稳定性。不同分布式电源穿插供电取长补短，因而本发明能够更好地满足电力负荷需求，保障电网安全稳定运行。本发明将能源的生产和消费结合在一起，直接向用户供能，剩余电能通过分布式可再生能源系统便于实现冷、热等用户的多种能源需求，能够进一步提高能源综合利用效率。本发明具体采用如下技术方案。

首先，为实现上述目的，提出一种区域电网能源配置系统，其包括：区域电网负荷采集端口，用于对所述区域电网的电力供应地区的负荷情况进行精确的采集。分布式电源接口，用于接收各类型分布式电源所输出的电能，以及所述各类型分布式电源的运行条件数据。储能电站，用于根据该区域电网内用户的用能需求以及区域电网的电力供应状况存储由所述分布式电源接口所接收的电能，或释放所述储能电站内存储的电能提供给该区域电网内用户使用。控制单元，其连接所述区域电网负荷采集端口、分布式电源接口以及储能电站；所述控制单元用于在所述分布式电源所输出的总输出功率达到最大值后仍然不能满足该区域电网内用户的用能需求时，控制所述储能电站输出电能以填补负荷需求的缺额；或者所述控制单元还用于在所述各类型分布式电源的运行条件欠佳的情况下，并在保证所述储能电站留有设定的余量的前提下，控制所述储能电站输出电能以填补负荷需求的缺额。

可选的，上述的区域电网能源配置系统中，所述分布式电源包括风力发电机、光伏阵列、水电、生物质发电装置、潮汐发电装置、冷热电三联中的任意一种或组合。所述分布式电源接口的数量至少达到所述分布式电源的种类数目，上述每一种分布式电源均分别与至少一个分布式电源接口连接。

可选的，上述的区域电网能源配置系统中，所述控制单元内还包括有目标函数计算模块，其内存储有该区域电网内各类型分布式电源的数据，用于根据该数据计算目标函数以根据该目标函数控制所述储能电站所输出的电能；其中，所述的数据包括：风力发电机的安装总数n₁，光伏阵列的安装总数n₂、小水电安装总数n₃、生物质发电装置是否安装n₄的标记、潮汐发电是否安装n₅的标记、冷热电三联供是否安装n₆的标记，还包括每台风力发电机的综合成本C_WT、每组光伏阵列的综合成本C_PV、光伏电池单位容量的总成本c_pv、每组光伏阵列的总容量p_pv、每台小水电的综合成本C_SH、生物质发电的综合成本C_BP、潮汐发电的综合成本C_TE、冷热电三联供的综合成本C_CCHP、储能装置的额定总容量P_B、储能装置单位容量的综合成本C_B以及所述区域电网内其他分布式电源综合成本C_n。所述目标函数由上述各类型分布式电源的数据的加权累加而获得。

可选的，上述的区域电网能源配置系统中，所述目标函数计算模块内存储的所述每组光伏阵列的综合成本C_PV＝p_pvc_pv。所述目标函数计算模块内的目标函数minf＝n₁C_WT+n₂C_PV+n₃C_SH+n₄C_BP+n₅C_TE+n₆C_CCHP+P_BC_B+C_n。

可选的，上述的区域电网能源配置系统中，所述目标函数计算模块内所存储的区域电网内其他分布式电源综合成本C_n＝C_fn+C_rn+C_OMn，其中，C_fn表示区域电网内其他分布式电源的初始投资成本，C_rn表示区域电网内其他分布式电源的置换成本，C_OMn表示区域电网内其他分布式电源的运行维护成本。

可选的，上述的区域电网能源配置系统中，所述控制单元内还包括有约束条件计算模块，用于计算对应所述目标函数minf的约束条件，并按照所述约束条件控制所述储能电站所输出的电能。

可选的，上述的区域电网能源配置系统中，所述约束条件计算模块内所计算的约束条件包括：失负荷率在2％以内；每个分布式电源的输出功率均在其最大输出功率范围内；所述储能电站在存储由所述分布式电源接口所接收的电能的过程中未达到最大充电状态，所述储能电站在释放其内存储的电能的过程中未达到最大放电状态；所述系统每小时内各分布电源的输出功率之和不小于对应该时刻的总负荷需求并满足其自身的发电功率要求。

可选的，上述的区域电网能源配置系统中，所述储能电站包括有多组铅酸蓄电池，所述各组铅酸蓄电池之间串联或并联排布，以达到最大为14.2040kW的容量。

有益效果

本发明所提供的系统中，在其控制单元内设计有目标函数计算模块。所述的目标函数计算模块内部存储有该区域电网内各类型分布式电源的数据，能够根据该数据计算目标函数以及相应的约束条件控制所述储能电站所输出的电能，在系统所连接的多种分布式电源之间实现互补供电。本发明能够很好的利用各区域内多种不同的小型化电源，使多能互补小型分布式电源成为可靠的、具有竞争力的清洁电源。同时可以降低系统的容量配置，提高区域电网的运行效益。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明实施例中区域电网内的分布式电源的构成模式示意图；

图2是本发明实施例中的用户用电负荷曲线示意图；

图3是本发明实施例中的风速全年分布图；

图4是本发明实施例中的光照强度全年分布图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

图1为本发明所应用的一种区域电网，其包括有风力发电机、光伏阵列、水电、生物质发电装置、潮汐发电装置、冷热电三联中的任意一种或组合作为其分布式电源。

该分布式电源所构成的系统通过区域电网负荷采集端口实现对所述区域电网的电力供应地区的负荷情况进行精确的采集；通过分布式电源接口，实现接收各类型分布式电源所输出的电能，以及所述各类型分布式电源的运行条件数据。

上述系统中还包括有储能电站，用于根据该区域电网内用户的用能需求以及区域电网的电力供应状况存储由所述分布式电源接口所接收的电能，或释放所述储能电站内存储的电能提供给该区域电网内用户使用。

该储能电站通过控制单元进行控制。控制单元连接所述区域电网负荷采集端口、分布式电源接口以及储能电站；所述控制单元用于在所述分布式电源所输出的总输出功率达到最大值后仍然不能满足该区域电网内用户的用能需求时，控制所述储能电站输出电能以填补负荷需求的缺额；或者所述控制单元还用于在所述各类型分布式电源的运行条件欠佳的情况下，并在保证所述储能电站留有设定的余量的前提下，控制所述储能电站输出电能以填补负荷需求的缺额。

上述控制单元具体按照下面的方式实现对储能电站的控制。

步骤10)对电力供应地区的负荷情况进行精确的收集，做好负荷预测工作；

步骤20)掌握用户的用能需求，根据不同的用能需求得到不同的能源匹配关系；

步骤30)进一步研究多能互补发电系统的体系结构，合理配置不同分布式电源，降低其建设费用；

步骤40)研究互补发电系统的能量管理，实现互补分布式电源设备的动态优化组合，降低系统运行成本，提高电场运行质量。

为了最大化地利用可再生能源，需要再步骤30)中引入储能装置作为功率调节的辅助手段，继而求某时段自然资源条件下各台发电机组的有功功率出力的组合，实现多能互补。储能配置的步骤具体包括：步骤301)根据用户用电负荷的大小，确定区域电网中的储能电站类型以及容量，并以蓄电池为例考虑系统最优配置；步骤302)考虑在系统总输出功率达到最大值后，仍然不能满足负荷所需时，负荷需求的缺额部分由蓄电池来提供。步骤303)考虑在自然资源条件欠佳的情况下，负荷需求会得不到满足，系统将不能实现稳定运行。此时就需要保证蓄电池具备一定的裕量以便利于蓄电池放电为负荷供电。

在步骤40)中多能互补系统的动态优化过程具体可包括：步骤401)建立目标函数：其优化设计应在满足系统各项性能指标的前提下，综合考虑系统投资、置换、运行维护成本以及环境治理所需费用等，以综合成本最小为目标函数，该目标函数可以表示如下：

minf＝n₁C_WT+n₂C_PV+n₃C_SH+n₄C_BP+n₅C_TE+n₆C_CCHP+P_BC_B+C_n 式(1)

式中，n₁为风力发电机的安装总数、n₂为光伏阵列的安装总数、n₃为小水电安装总数、n₄表示生物质发电装置是否安装，安装为1未安装为0、n₅表示潮汐发电是否安装，安装为1未安装为0、n₆表示冷热电三联供是否安装，安装为1未安装为0；C_WT为每台风力发电机的综合成本，C_PV为每组光伏阵列的综合成本，若c_pv为光伏电池单位容量的总成本，p_pv为每组光伏阵列的总容量，则C_PV＝p_pvc_pv，C_SH为每台小水电的综合成本，C_BP为生物质发电的综合成本，C_TE为潮汐发电的综合成本，C_CCHP为冷热电三联供的综合成本；P_B为储能装置的额定总容量，C_B为储能装置单位容量的综合成本，C_n表示系统中其他分布式电源综合成本。其中,综合成本为装机成本、置换成本与运行维护成本之和,即：

C_n＝C_fn+C_rn+C_OMn 式(2)

式中，Cfn、Crn、COMn分别为各类不同的分布式小型电源建设的初始投资成本、置换成本、运行维护成本。

步骤402)建立约束条件：为保证多能互补系统优化配置的稳定可靠运行，满足用户对供电的需求，实现目标函数，在运行时还需满足以下约束条件：

步骤4021)供电可靠性约束：通过失负荷率考虑到分布式电源停运概率，失负荷率是指当系统供电不足时所有失负荷的电量与全部负荷需求电量之比。将失负荷率控制在2％以内，即：

LOLP≤2％ 式(3)

步骤4022)分布式电源运行约束：每个分布式电源输出功率须在最大输出功率须在最大输出功率范围内，即：

P_DG≤P_DGmax 式(4)

步骤4023)蓄电池充放电约束：考虑到蓄电池的使用寿命，对系统运行过程中蓄电池的充放电做了严格限制，当蓄电池达到其最大充电状态时停止充电，当蓄电池达到其最大放电状态时停止放电，不允许过充或过放，即：

S_SOCmin≤S_SOC≤S_SOCmax 式(5)

步骤4024)功率供需平衡约束：每小时分布式发电元件输出功率之和应不小于对应小时的总负荷需求，即：

P_DG,t≥P_L,t 式(6)

计算供需用电时步长为1小时，故一年为8760小时。t时刻系统总输出的功率之和减去t时刻负荷所需功率得到t时刻系统的剩余电量，它与t-1时刻蓄电池的剩余电量之和为t时刻蓄电池的电量，即：

P_DG,t-P_L,t+P_B,t-1＝P_B,T 式(7)

式中，P_DG,t系统第t小时的总发电量，P_L,t,为第t小时的负荷需求，P_B,t-1、P_B,t分别为蓄电池第t、t-1小时的荷电容量，当P_DG,t-P_L,t>0时代表蓄电池充电，当P_DG,t-P_L,t<0时代表蓄电池放电。经0-t时刻依次迭代可得:

式中，t＝1、2…8760，P_B,0为0时刻蓄电池荷电容量，即为蓄电池的最大容量；

为0-t时刻负荷所需功率之和；

为0-t时刻系统发出的功率之和。

步骤4025)风机功率约束：风机发电机的功率P_WT应满足自身的发电功率约束。

0≤P_WT≤P_r 式(9)

风机的发电功率与风速有关，v_ct为切入风速，v_co为切出风速，v_r为额定风速，P_r为额定功率。当风速介于v_ct和v_co之间时，风力发电机输出功率可以表示为风速的函数η(v)。

步骤4026)光伏列阵发电功率约束：光伏发电应满足其功率约束。

0≤P_PV≤P_m 式(11)

式中，P_PV为光伏发电功率，与光照强度和环境温度有关、P_m为光伏列阵的峰值功率。

步骤403)优化分析方法：以各分布式电源的发电数据作为输出变量，式(1)为优化目标函数，式(3)-式(11)为约束条件，其中式(3)-式(11)的约束条件为关于各类型分布式电源所输出的电能、各类型分布式电源的运行条件数据、以及储能店长工作状态的函数。根据约束条件计算即可得到多能互补的最优容量配置方案。例如，若该系统中只有风力发电和光伏发电，则蓄电池的容量为负荷需求减去风机和光伏发出的电量后仍需要的电量缺额。在式(7)中,当t＝1时,可以得到0-1时刻需求的蓄电池最大容量；当t＝2时，将前两个时刻的负荷需求、风机输出功率、光伏输出功率分别进行叠加,并按照式(8)将这3个叠加值进行相应运算，可以得到0-2时刻需求的蓄电池最大容量；以此类推，可以得到0-3、0-4...0-8760所有时刻需求的蓄电池最大容量，其中的最大值就是蓄电池应配置的最大容量。当风机数量为1，光伏阵列数量为1时，对应一个蓄电池的最大容量；当风机数量为1，光伏阵列数量为2时，对应一个蓄电池的最大容量；同理，不同的风机、光伏数量对应不同的蓄电池最大容量，设置风机、光伏配置数量的取值范围为0-50，则会有2500组不同的蓄电池最大容量，对这2500组风光蓄容量配置组合分别求其综合成本，其中的最小值即为目标函数值。其他分布式电源同样参照此优化方法，对应分布式电源容量为最优的组合配置容量。其中，通常根据负荷需求与实际情况估计分布式电源类型与数量范围。

以图2至图4所示的电网运行状况为例。

该城市小区一年内不同时段的负荷需求及可再生能源资源情况能够通过本发明所述的方法进行优化分析以维持区域电网的稳定运行。该小区的全年负荷情况如图2所示，风速和光照情况如图3图4所示。各分布式电源相关成本参数如下表1所示：

表1各分布式电源相关成本参数统计表

类型	30kw风机	太阳能电池	蓄电池
				设备成本(元)	15万/台	0.8万/kW	800/kW
置换成本(元)	12万/台	0.6万/kW	500/kW
				维护成本(元)	400/年	200/年	200/年

根据该小区实际情况选取30kW风力发电机，切入风速为3m/s，单位光伏阵列容量为7.5kW，电池组选取铅酸蓄电池。风力发电机的使用寿命通常为20年，光伏电池板的使用寿命通常为25年，蓄电池的使用寿命与其充放电深度、循环使用次数和使用环境温度有由密切关系，假设蓄电池的使用寿命为10年。以系统运营30年为例，对系统各项成本进行估算，风力发电机和光伏电池板需要置换一次，蓄电池需要置换两次。则：

风力发电机综合成本：C_WT＝15000+12000+400*30＝282000

光伏电池板综合成本：C_PV＝8000+6000+200*30＝20000

蓄电池综合成本：C_B＝(800+500)*2+200*30＝8600

假设光伏电池工作点温度不变,与标准参考条件下的电池温度相等。V、G、L矩阵分别代表一年中的风速、光照强度、负荷变化；M、N分别代表风机和光伏的安装数量,二者均为50x50的矩阵,z代表每种风光蓄组合下的系统成本,Z代表这些组合对应的成本中的最小值,即最小成本(目标函数)；x、y代表最小成本时对应的风机和光伏数量；P_max(x,y)代表最小成本时对应的蓄电池的最大容量。

结果如表2所示

表2优化结果统计表

类型	风机台数	光伏阵列数	蓄电池容量(kW)	投资成本(万)
					优化结果	8	2	14.204	268

运行该优化算法输出结果为：x＝8，y＝2，z＝2678200，Pmax＝14.2040，即最优配置为8台30kW的风力发电机，7.5kW的光伏阵列2组，一台最大容量为14.2040kW的铅酸蓄电池组，配置的最低成本约为268万元。可以看出，该优化算法对解决小型分布式电源的容量优化配置问题具有可行性。

综上，本发明能够：

1)提高能量供应的安全性与可靠性。现在国内的供电系统都是以大机组、高电压、远距离为主的集中供电方式。如果电网中一旦出现故障，将影响整个供电系统的稳定，严重的话可能导致整个电网瘫痪，导致大面积停电。而分布式能源与用户侧的距离近，不确定性因素少，稳定性高。分布式能源还能在大电网出现故障的时候，给附近的用户提供电力供应，这在一定程度上提高了电网的安全性。

2)提高能源利用效率。就拿燃气蒸汽联合循环系统天然气联合循环来说，它通过燃烧天然气把一部分热能转化为机械能再传递给汽轮机，另一部分热能用来加热水，使水变成蒸汽来推动汽轮机的运转，做完工的蒸汽从汽轮机出来乏汽进入制冷机进行制冷。燃气蒸汽循环系统实现了能源梯级利用，余热回收。目前，传统火力发电中发电效率最高的超超临界机组发电效率也只能达到50％，如果采用热电联产，能源利用效率可以达到80％以上。

3)优化调整能源结构。目前，在我国发电装机容量中，以煤为燃料的火力发电所占的比例达到了70％。分布式能源系统燃料特点是以气体燃料为主，可再生能源为辅，充分利用各种资源，包括天然气、沼气、生物质、太阳能等等。

4)平衡城市能源负荷峰谷差。因为规模小，相比大型的传统火电厂，分布式能源系统启停更加灵活。另外，在冬季，它通过给用户供暖减轻使用电取暖带来的电力负荷。在夏季，它也可以给用户供冷减轻使用空调制冷带来的电力负荷。

5)减少环境污染。分布式能源的和固体废物排放儿乎为零。应用分布式电源二氧化碳排放量减少70％以上，NOx排放量减少80％，占地面积与耗水量均减少60％以上。

以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种区域电网能源配置系统，其特征在于，包括：

区域电网负荷采集端口，用于对所述区域电网的电力供应地区的负荷情况进行精确的采集；

分布式电源接口，用于接收各类型分布式电源所输出的电能，以及所述各类型分布式电源的运行条件数据；

储能电站，用于根据该区域电网内用户的用能需求以及区域电网的电力供应状况存储由所述分布式电源接口所接收的电能，或释放所述储能电站内存储的电能提供给该区域电网内用户使用；

控制单元，其连接所述区域电网负荷采集端口、分布式电源接口以及储能电站；所述控制单元用于在所述分布式电源所输出的总输出功率达到最大值后仍然不能满足该区域电网内用户的用能需求时，控制所述储能电站输出电能以填补负荷需求的缺额；或者所述控制单元还用于在所述各类型分布式电源的运行条件欠佳的情况下，并在保证所述储能电站留有设定的余量的前提下，控制所述储能电站输出电能以填补负荷需求的缺额。

2.如权利要求1所述的区域电网能源配置系统，其特征在于，所述分布式电源包括风力发电机、光伏阵列、水电、生物质发电装置、潮汐发电装置、冷热电三联中的任意一种或组合；

所述分布式电源接口的数量至少达到所述分布式电源的种类数目，

上述每一种分布式电源均分别与至少一个分布式电源接口连接。

3.如权利要求2所述的区域电网能源配置系统，其特征在于，所述控制单元内还包括有目标函数计算模块，其内存储有该区域电网内各类型分布式电源的数据，用于根据该数据计算目标函数以根据该目标函数控制所述储能电站所输出的电能；其中，所述的数据包括：风力发电机的安装总数n₁，光伏阵列的安装总数n₂、小水电安装总数n₃、生物质发电装置是否安装n₄的标记、潮汐发电是否安装n₅的标记、冷热电三联供是否安装n₆的标记，还包括每台风力发电机的综合成本C_WT、每组光伏阵列的综合成本C_PV、光伏电池单位容量的总成本c_pv、每组光伏阵列的总容量p_pv、每台小水电的综合成本C_SH、生物质发电的综合成本C_BP、潮汐发电的综合成本C_TE、冷热电三联供的综合成本C_CCHP、储能装置的额定总容量P_B、储能装置单位容量的综合成本C_B以及所述区域电网内其他分布式电源综合成本C_n；

所述目标函数由上述各类型分布式电源的数据的加权累加而获得。

4.如权利要求3所述的区域电网能源配置系统，其特征在于，目标函数计算模块内存储的所述每组光伏阵列的综合成本C_PV＝p_pvc_pv；

所述目标函数计算模块内的目标函数minf＝n₁C_WT+n₂C_PV+n₃C_SH+n₄C_BP+n₅C_TE+n₆C_CCHP+P_BC_B+C_n。

5.如权利要求4所述的区域电网能源配置系统，其特征在于，所述目标函数计算模块内所存储的区域电网内其他分布式电源综合成本C_n＝C_fn+C_rn+C_OMn，其中，C_fn表示区域电网内其他分布式电源的初始投资成本，C_rn表示区域电网内其他分布式电源的置换成本，C_OMn表示区域电网内其他分布式电源的运行维护成本。

6.如权利要求5所述的区域电网能源配置系统，其特征在于，所述控制单元内还包括有约束条件计算模块，用于计算对应所述目标函数minf的约束条件，并按照所述约束条件控制所述储能电站所输出的电能。

7.如权利要求6所述的区域电网能源配置系统，其特征在于，所述约束条件计算模块内所计算的约束条件包括：

失负荷率在2％以内；每个分布式电源的输出功率均在其最大输出功率范围内；所述储能电站在存储由所述分布式电源接口所接收的电能的过程中未达到最大充电状态，所述储能电站在释放其内存储的电能的过程中未达到最大放电状态；所述系统每小时内各分布电源的输出功率之和不小于对应该时刻的总负荷需求并满足其自身的发电功率要求。

8.如权利要求1-7任一项所述的区域电网能源配置系统，其特征在于，所述储能电站包括有多组铅酸蓄电池，所述各组铅酸蓄电池之间串联或并联排布，以达到最大为14.2040kW的容量。

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