CN111860965A - 考虑储能多类型服务的用户综合能源系统优化调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了考虑储能多类型服务的用户综合能源系统优化调度方法,属于电力系统调度的技术领域,具体包括:提出需量管理的概念与长时间尺度中储能多种服务的逻辑行为框架;建立综合能源系统经济调度模型;建立约束条件,使综合能源系统满足功率平衡约束、电网交换功率、可削减负荷约束和设备运行约束;建立以总运行成本最小为目标的日内调度模型;建立日内约束条件。得到最优的月前‑日内协调调度结果。本发明解决了储能电站如何通过需量管理、能量套利、参与需求响应和提供备用功率的组合以实现最高的经济效益的问题,充分挖掘了不同时间尺度储能在系统中的服务功能,提高了综合能源系统运行的可调度性与经济性。
Description
技术领域
本发明属于电力系统调度的技术领域,尤其涉及一种考虑储能多类型服务的用户综合能源系统优化调度方法。
背景技术
在能源和环境的双重压力下,欧洲、美国和中国分别设定了到2050年可再生能源发电占比100%、80%和60%的目标。电能、热能和天然气等多种能源耦合的综合能源系统因其较高的能源效率已成为国内外研究的热点。用户侧综合能源系统在用户侧建设和运行,为用户提供电、热、冷多种形式能源,如常见的工业园区综合能源系统。储能作为一种能量转移设备,能够实现CCHP的热电解耦,进一步提高系统的运行效率。由于储能的高昂成本,如何充分挖掘储能在系统中的经济效益一直是实现储能应用的关键。然而,如何优化系统内设备出力策略以充分利用储能多种服务的问题尚未有可借鉴的体系化研究。
本发明。
发明内容
本发明提出了一种考虑储能多类型服务的用户综合能源系统优化调度方法,在考虑储能电站在需求管理、需求侧响应、能量套利和提供备用的基础上,提出了长时间尺度中储能多种服务逻辑行为框架,建立了用户侧综合能源系统月前-日内调度模型,实现系统的经济运行。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
考虑储能多类型服务的用户综合能源系统优化调度方法,具体包含如下步骤:
步骤S1,提出需量管理的概念与长时间尺度中储能多种服务的逻辑行为框架;
步骤S2,根据储能参与需量管理、需求响应及能量套利,建立以长时间总运行成本最小为目标的月前用户侧综合能源系统经济调度模型;
步骤S3,建立约束条件,使综合能源系统满足功率平衡约束、电网交换功率约束、可削减负荷约束和设备运行约束;
步骤S4,对日内风电和负荷不确定性进行区间表示并考虑储能作为旋转备用资源,建立以总运行成本最小为目标的日内调度模型;
步骤S5,建立日内约束条件;
步骤S6,使用计算软件求解日内调度模型得到最优的月前-日内协调调度结果。
作为本发明考虑储能多类型服务的用户综合能源系统优化调度方法的进一步优选方案,在步骤S1中,需量管理概念具体如下,定义需量系数δ为优化调度前后最高负荷下降的比例,即:
式中,P’md和Pmd为需量管理前后月度最大净负荷值。
作为本发明考虑储能多类型服务的用户综合能源系统优化调度方法的进一步优选方案,在步骤S1中,长时间尺度中储能多种服务的逻辑行为框架具体如下:其中,储能共有四种服务模式:1)参与需量管理;2)需求响应;3)利用分时电价进行价格套利;4)提供旋转备用。
作为本发明考虑储能多类型服务的用户综合能源系统优化调度方法的进一步优选方案,在步骤S2中,考虑储能参与需量管理、需求响应及能量套利,建立以长时间总运行成本最小为目标的月前用户侧综合能源系统经济调度模型;
以长时间运行成本最低为目标的月前经济调度模型的目标函数为:
式中,Nt为时间间隔数;CCHP/GT/WH/HX/AC/GB/EC/WT/ES分别表示冷热电联产设备、燃气轮机、余热锅炉、换热装置、吸收式制冷机、燃气轮机、电制冷机、风机和储能;Ffuel、FG和FDR分别为燃料成本、从配电网购电成本和参与需求响应收益;表示运维成本;cgas为天然气价格,取2.2元/m3;LNG为燃气热值,取9.7kWh/m3;Δt为时间间隔;P(·),t为t时刻的电功率;Q(·),t为t时刻的冷热功率;η(·)为效率;λ(t)为分时电价;Pbuy,t和Psel,t分别为t时刻从电网购买或卖出的电能功率;τ为容量电价,元/kW;为单位运维成本;和分别为储能t时刻的充电和放电功率;cDR为参与需求响应的补偿电价,元/kWh;PDR为参与需求响应的功率,其取值方法由各地区制定的需求响应补偿政策决定;clos为单位削减负荷损失成本,ΔPEle,t为负荷削减量。
作为本发明考虑储能多类型服务的用户综合能源系统优化调度方法的进一步优选方案,在步骤S3中,建立约束条件,使综合能源系统满足功率平衡约束、电网交换功率、可削减负荷约束和设备运行约束:
1)功率平衡约束:
QGB,t+QHX,t=QHeat,t
QAC,t+QEC,t=QCool,t
式中,QHeat,t和QCool,t分别为t时刻热负荷和冷负荷;
2)电网交换功率约束:
式中,Ubuy,t和Usel,t为0-1变量,当用户侧系统向电网买电时,Ubuy,t=1,反之Ubuy,t=0,Usel,t同理;Plim为联络线功率约束;
3)可削减负荷约束:
4)设备运行约束:
QHX,t=PGT,tγGTηWHηh,tηHX
QAC,t=PGT,tγGTηWHηc,tCOPAC
ηh,t+ηc,t=1 ηh,t≥0 ηc,t≥0
SOCmin≤SOCt≤SOCmin
式中,ηh,t和ηc,t分别为t时刻余热用于加热和冷却的比例;(·)min和(·)max分别表示最小值和最大值;和分别为表示储能充放电状态的0-1变量,SOC为储能荷电状态,Erated为储能额定容量。
作为本发明考虑储能多类型服务的用户综合能源系统优化调度方法的进一步优选方案,在步骤S4中,对日内风电和负荷不确定性进行区间表示并考虑储能作为旋转备用资源,建立以总运行成本最小为目标的日内调度模型。其中日内风电和负荷不确定性区间表示为:
式中,为t时刻风电可能出力值;为t时刻风电预测区间中点;zWT,t为表示风机预测误差随机变量,取[-0,1,0.1];为t时刻的负荷可能值;为t时刻负荷预测中点;zEle,t为表示负荷误差的随机变量,取[-0.05,0.05];
目标函数中不考虑容量电价,即τ=0。由于辅助市场的标准化和成熟,在日内调度中增加旋转备用成本;
目标函数为:
式中,Fspn为备用容量成本,αGT和βGT为燃气轮机的单位正/负旋转备用报价;αEES和βEES为储能电站正负旋转备用报价;和分别表示燃气轮机在t时刻承担的正/负旋转备用容量;和分别为储能电站在t时刻承担的正/负旋转备用容量。
作为本发明考虑储能多类型服务的用户综合能源系统优化调度方法的进一步优选方案,在步骤S5中,日内约束条件分为三个部分:一是月前调度中满足的净负荷最大需量和每日储能初始SOC,二是步骤S3中所提到的约束条件,三是备用约束如下:
本发明与现有技术相比,本发明的优异效果是:
1)本发明提出了需量管理的概念。所提出的多时间尺度储能电站多服务逻辑行为框架,首次同时考虑了需量管理、参与需求响应、价格套利和提供备用容量四种不同类型服务。相较于常用的将每日储能初始SOC设为中间值0.5或者控制在0.4~0.6的常用方法,本发明解决了如何设置每日储能荷电状态初始值的问题。
2)本发明所建立的月前-日内协调调度模型,通过两阶段变量的传递,解决如何利用储能多类型服务获得最大经济效益的问题,实现系统的经济高效运行。其优化调度效果对于电网来说,改善负荷曲线,对于用户侧系统来说,降低了长时间运行成本,提高了经济效益。
附图说明
图1为本发明提供的一种考虑储能电站多类型服务的用户侧综合能源系统月前-日内协调调度方法流程图;
图2为考虑储能电站服务的系统调度计划框架图;
图3为月前调度结果图;
图4为月前最大负荷日调度结果图;
图5为月前需求响应及其基线负荷计算日调度结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施案例对本发明进行深入地详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施案例仅仅用以解释本发明,并不用于限定发明。
本发明所述的一种考虑储能电站多类型服务的用户侧综合能源系统月前-日内协调调度方法,流程图如图1所示,具体包括以下步骤:
步骤S1,提出需量管理的概念与长时间尺度中储能多种服务的逻辑行为框架;
步骤S2,考虑储能参与需量管理、需求响应及能量套利,建立以长时间总运行成本最小为目标的月前用户侧综合能源系统经济调度模型;
步骤S3,建立约束条件,使综合能源系统满足功率平衡约束、电网交换功率、可削减负荷约束和设备运行约束;
步骤S4,对日内风电和负荷不确定性进行区间表示并考虑储能作为旋转备用资源,建立以总运行成本最小为目标的日内调度模型;
步骤S5,建立日内约束条件;
步骤S6,使用计算软件求解得到最优的月前-日内协调调度结果。
本发明所述步骤S1中,需量管理概念如下,由于在两部制电价背景下,月最高负荷的供电成本会以容量电价的形式传递给用户,用户侧通过优化调度的方式降低最高负荷的行为,称为需量管理。为了直观地表示需量管理的效果,定义“需量系数”δ为优化调度前后最高负荷下降的比例,即:
式中,P’md和Pmd为需量管理前后月度最大净负荷值。
长时间尺度中储能多种服务的逻辑行为框架如下。对于用户侧综合能源系统,从经济角度出发,储能共有四种服务模式。1)参与需量管理;2)需求响应;3)利用分时电价进行价格套利;4)提供旋转备用。在月前调度阶段,根据风电出力和负荷的预测值,制定一个月内各时段设备出力、电网购售电和储能充放电策略。其中月最高净负荷和每日储能初始SOC在月前调度中一旦确定,则在日内调度中不可修改。日内调度根据日内更新的风电出力和系统负荷预测值,调整剩余时段设备出力、电网购售电和储能充放电,并制定系统旋转容量承担方案。储能电站直接针对系统净负荷进行调节,参与系统集中调度。在月前调度中,主要考虑储能参与需量管理、需求响应和价格套利,在日内调度中,储能电站还具有提供系统旋转备用容量的功能。
本发明所述步骤S2中,考虑储能参与需量管理、需求响应及能量套利,建立以长时间总运行成本最小为目标的月前用户侧综合能源系统经济调度模型。
以长时间运行成本最低为目标的月前经济调度模型的目标函数为:
式中,Nt为时间间隔数;CCHP/GT/WH/HX/AC/GB/EC/WT/ES分别表示冷热电联产设备、燃气轮机、余热锅炉、换热装置、吸收式制冷机、燃气轮机、电制冷机、风机和储能;Ffuel、FG和FDR分别为燃料成本、从配电网购电成本和参与需求响应收益;表示运维成本;cgas为天然气价格,取2.2元/m3;LNG为燃气热值,取9.7kWh/m3;Δt为时间间隔;P(·),t为t时刻的电功率;Q(·),t为t时刻的冷热功率;η(·)为效率;λ(t)为分时电价;Pbuy,t和Psel,t分别为t时刻从电网购买或卖出的电能功率;τ为容量电价,元/kW;为单位运维成本;和分别为储能t时刻的充电和放电功率;cDR为参与需求响应的补偿电价,元/kWh;PDR为参与需求响应的功率,其取值方法由各地区制定的需求响应补偿政策决定;clos为单位削减负荷损失成本,ΔPEle,t为负荷削减量。
本发明所述步骤S3中,建立约束条件,使综合能源系统满足功率平衡约束、电网交换功率、可削减负荷约束和设备运行约束:
1)功率平衡约束
QGB,t+QHX,t=QHeat,t
QAC,t+QEC,t=QCool,t
式中,QHeat,t和QCool,t分别为t时刻热负荷和冷负荷。
2)电网交换功率约束
式中,Ubuy,t和Usel,t为0-1变量,当用户侧系统向电网买电时,Ubuy,t=1,反之Ubuy,t=0,Usel,t同理;Plim为联络线功率约束。
3)可削减负荷约束
4)设备运行约束
QHX,t=PGT,tγGTηWHηh,tηHX
QAC,t=PGT,tγGTηWHηc,tCOPAC
ηh,t+ηc,t=1 ηh,t≥0 ηc,t≥0
SOCmin≤SOCt≤SOCmin
式中,ηh,t和ηc,t分别为t时刻余热用于加热和冷却的比例;(·)min和(·)max分别表示最小值和最大值;和分别为表示储能充放电状态的0-1变量,SOC为储能荷电状态,Erated为储能额定容量。
本发明所述步骤S4中,对日内风电和负荷不确定性进行区间表示并考虑储能作为旋转备用资源,建立以总运行成本最小为目标的日内调度模型。其中日内风电和负荷不确定性区间表示为:
式中,为t时刻风电可能出力值;为t时刻风电预测区间中点;zWT,t为表示风机预测误差随机变量,取[-0,1,0.1];为t时刻的负荷可能值;为t时刻负荷预测中点;zEle,t为表示负荷误差的随机变量,取[-0.05,0.05]。
目标函数中不考虑容量电价,即τ=0。由于辅助市场的标准化和成熟,在日内调度中增加旋转备用成本。
目标函数为:
式中,Fspn为备用容量成本。αGT和βGT为燃气轮机的单位正/负旋转备用报价;αEES和βEES为储能电站正负旋转备用报价;和分别表示燃气轮机在t时刻承担的正/负旋转备用容量;和分别为储能电站在t时刻承担的正/负旋转备用容量。
本发明所述步骤S5中,日内约束条件分为三个部分。一是月前调度中满足的净负荷最大需量和每日储能初始SOC,二是步骤S3中所提到的约束条件,三是备用约束如下:
本发明所述步骤S6中,本发明提出的模型可其转化为一个单目标混合整数线性规划问题(mixed-integer linear programming,MILP),利用现有的商业软件能对其进行快速有效地求解,可通过YALMIP调用求解器Cplex在Matlab中编程对所建立的月前-日内调度模型进行求解。
以某一工业园区综合能源系统为例,对上述模型进行分析。容量电价40元/kW,需求响应补偿价格30元/kW,分时电价取自江苏省大工业峰电价。园区内包括冷热电联产设备(燃气轮机1500kW、余热锅炉4000kW、换热装置4000kW、吸收式制冷机4000kW),燃气锅炉4000kW,电制冷机4000kW,储能1000kW/4000kWh。
表1
图3是系统月前调度结果,经过需量管理后的系统最大需量为1293.6kW,而配置储能前系统最大需量2055.8kW,需量系数δ=1-1293.6/2055.8=37.1%。第一个虚线框内为当月最大负荷发生日,第二个虚线框为当月需求响应发生日,两者调度结果放大图见图4和图5。需求响应量计算方法为,将需求响应日前一天的负荷作为基线负荷。从图4可以看出,储能在负荷高峰提供电力支持,且在低电价时充电高电价放电实现价格套利。图5显示了基线负荷确定日和需求响应日的调度策略,通过协调调度,最大化了需求响应功率和收益。可以看出,通过合理优化储能多种服务功能,可以有效降低用户侧综合能源系统的长期运行成本。
为了验证月前-日内调度的有效性,在基于上述月前调度结果的基础上随机选择一天进行日内调度分析。设置四种运行模式:模式1仅采用月前调度模型对各类资源进行配置,将旋转备用约束和旋转备用成本计入月前调度模型中;模式2在模式1的基础上考虑了电储能作为旋转备用资源;模式3不考虑储能参与旋转备用采用本文提出月前-日内协调调度模型,模式4采用本文提出的含电储能的综合能源系统月前-日内协调调度策略。四种运行模式下的一日系统成本如表2所示。由表2可见,相较于模式1和模式2,模式3和模式4中的系统旋转备用成本均明显降低。这主要是由于系统预测精度在日内时间尺度有了较大程度的提升,因而系统只需要较少的旋转备用容量。
表2
Claims (7)
1.考虑储能多类型服务的用户综合能源系统优化调度方法,其特征在于,具体包含如下步骤:
步骤S1,提出需量管理的概念与长时间尺度中储能多种服务的逻辑行为框架;
步骤S2,根据储能参与需量管理、需求响应及能量套利,建立以长时间总运行成本最小为目标的月前用户侧综合能源系统经济调度模型;
步骤S3,建立约束条件,使综合能源系统满足功率平衡约束、电网交换功率约束、可削减负荷约束和设备运行约束;
步骤S4,对日内风电和负荷不确定性进行区间表示并考虑储能作为旋转备用资源,建立以总运行成本最小为目标的日内调度模型;
步骤S5,建立日内约束条件;
步骤S6,使用计算软件求解日内调度模型得到最优的月前-日内协调调度结果。
3.根据权利要求1所述的考虑储能多类型服务的用户综合能源系统优化调度方法,其特征在于:在步骤S1中,长时间尺度中储能多种服务的逻辑行为框架具体如下:其中,储能共有四种服务模式:1)参与需量管理;2)需求响应;3)利用分时电价进行价格套利;4)提供旋转备用。
4.根据权利要求1所述的考虑储能多类型服务的用户综合能源系统优化调度方法,其特征在于:在步骤S2中,考虑储能参与需量管理、需求响应及能量套利,建立以长时间总运行成本最小为目标的月前用户侧综合能源系统经济调度模型;
以长时间运行成本最低为目标的月前经济调度模型的目标函数为:
式中,Nt为时间间隔数;CCHP/GT/WH/HX/AC/GB/EC/WT/ES分别表示冷热电联产设备、燃气轮机、余热锅炉、换热装置、吸收式制冷机、燃气轮机、电制冷机、风机和储能;Ffuel、FG和FDR分别为燃料成本、从配电网购电成本和参与需求响应收益;表示运维成本;cgas为天然气价格,取2.2元/m3;LNG为燃气热值,取9.7kWh/m3;Δt为时间间隔;P(·),t为t时刻的电功率;Q(·),t为t时刻的冷热功率;η(·)为效率;λ(t)为分时电价;Pbuy,t和Psel,t分别为t时刻从电网购买或卖出的电能功率;τ为容量电价,元/kW;为单位运维成本;和分别为储能t时刻的充电和放电功率;cDR为参与需求响应的补偿电价,元/kWh;PDR为参与需求响应的功率,其取值方法由各地区制定的需求响应补偿政策决定;clos为单位削减负荷损失成本,ΔPEle,t为负荷削减量。
5.根据权利要求1所述的考虑储能多类型服务的用户综合能源系统优化调度方法,其特征在于:在步骤S3中,建立约束条件,使综合能源系统满足功率平衡约束、电网交换功率、可削减负荷约束和设备运行约束:
1)功率平衡约束:
QGB,t+QHX,t=QHeat,t
QAC,t+QEC,t=QCool,t
式中,QHeat,t和QCool,t分别为t时刻热负荷和冷负荷;
2)电网交换功率约束:
式中,Ubuy,t和Usel,t为0-1变量,当用户侧系统向电网买电时,Ubuy,t=1,反之Ubuy,t=0,Usel,t同理;Plim为联络线功率约束;
3)可削减负荷约束:
4)设备运行约束:
QHX,t=PGT,tγGTηWHηh,tηHX
QAC,t=PGT,tγGTηWHηc,tCOPAC
ηh,t+ηc,t=1ηh,t≥0ηc,t≥0
SOCmin≤SOCt≤SOCmin
6.根据权利要求1所述的考虑储能多类型服务的用户综合能源系统优化调度方法,其特征在于:在步骤S4中,对日内风电和负荷不确定性进行区间表示并考虑储能作为旋转备用资源,建立以总运行成本最小为目标的日内调度模型。其中日内风电和负荷不确定性区间表示为:
式中,为t时刻风电可能出力值;为t时刻风电预测区间中点;zWT,t为表示风机预测误差随机变量,取[-0,1,0.1];为t时刻的负荷可能值;为t时刻负荷预测中点;zEle,t为表示负荷误差的随机变量,取[-0.05,0.05];
目标函数中不考虑容量电价,即τ=0。由于辅助市场的标准化和成熟,在日内调度中增加旋转备用成本;
目标函数为:
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