CN112180741A - 一种负荷聚合商参与的综合需求响应方法及系统 - Google Patents

一种负荷聚合商参与的综合需求响应方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明的一种负荷聚合商参与的综合需求响应方法及系统，包括以下步骤：针对小规模居民用户进行聚合，建立用户聚合模型；对细分的各类居民用户分别进行负荷聚合商建模；进行负荷聚合商参与的聚合用户综合需求响应建模；建立聚合用户的负荷聚合商综合需求响应模型。本发明建立了用户聚合模型，通过选择响应的聚类特征量如用户需求响应能力、用户需求响应意愿、用户价格敏感系数、用户能源需求占比等得到综合需求响应情况相类似的聚合用户群，并针对具体细分的用户群建立相对应的负荷聚合商，并选择相应的能源转换设备和储能设备以满足用户多样化的能源需求，通过细分用户群的负荷聚合商，可以针对性的建立相应的需求响应策略。

Description

一种负荷聚合商参与的综合需求响应方法及系统
技术领域
本发明涉及综合能源技术领域，具体涉及一种负荷聚合商参与的综合需求响应方法及系统。
背景技术
传统的电力需求响应主要通过负荷削减或转移参与需求响应，往往会影响用户的用电体验，影响其舒适度。当用户对负荷变化比较敏感不愿参与负荷调整或者无可调负荷时，需求响应的实施就比较困难，潜力有限。综合需求响应融合了传统的电力需求响应和替代用能、多能互补新技术，可以实现电网“削峰填谷”和保障消费者用能满意度的统一。
小规模居民用户在参与综合需求响应时虽具有较大的需求响应潜力可供挖掘，但由于其需求响应意愿和需求响应能力存在较大差异，难以建立针对性的综合需求响应策略。同时，对于这些体量较小的用户，无法直接参与到市场中。而负荷聚合商聚合了一批用户，再去参与综合需求响应市场，显然比单独的个体去参与市场效率更优。现有负荷聚合商研究直接针对区域用户进行聚合，研究的整个区域用户的外特性，即整体所表现出的综合需求响应意愿和能力，实际上区域用户各有差异，具体综合需求响应策略的实施需要在用户层面实施，而由整体区域的综合需求响应策略到综合需求响应意愿和能力差异较大的用户的综合需求响应策略存在较大困难。
发明内容
本发明提出的一种负荷聚合商参与的综合需求响应方法及系统，以期能够充分挖掘小规模居民用户的综合需求响应潜力。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种负荷聚合商参与的综合需求响应方法，包括以下步骤：
S100、针对小规模居民用户进行聚合，建立精细化的用户聚合模型，包含有获取用能数据、选取特定的各类聚合用户的用能特性及需求响应特征的聚合特征量和特定的聚类方法；
S200、基于S100中聚合后得到的细分用能特性及需求响应特性的各类居民用户群，对细分的各类居民用户分别进行负荷聚合商建模，包含有对系统能流图的绘制、对负荷聚合商内部各设备的单独建模和能量平衡方程的表述；
S300、基于S100中得到的具体聚合用户的响应数据结合S200中建立的负荷聚合商模型，进行负荷聚合商参与的聚合用户综合需求响应建模，包含有对综合需求响应的三类负荷可转移、可削减、可转换负荷的综合需求响应建模，并通过模型求解得到聚合用户考虑综合需求响应后的最优用能和从负荷聚合商处购能情况；
S400、基于S200中建立的各负荷聚合商模型结合S300中得到的聚合用户参与综合需求响应后的购能数据，建立聚合用户的负荷聚合商综合需求响应模型，包含目标函数的选取，约束条件的设立以及求解得到负荷聚合商网侧最优购能和内部各能源设备的最优配置。
另一方面，本发明还公开一种负荷聚合商参与的综合需求响应系统，包括以下模块，
用户聚合模型建立模块，用于针对小规模居民用户进行聚合，建立用户聚合模型，包含有获取用能数据、选取特定的各类聚合用户的用能特性及需求响应特征的聚合特征量和特定的聚类方法；
负荷聚合商建模模块，用于基于聚合后得到的细分用能特性及需求响应特性的各类居民用户群，对细分的各类居民用户分别进行负荷聚合商建模，包含有对系统能流图的绘制、对负荷聚合商内部各设备的单独建模和能量平衡方程的表述；
聚合用户综合需求响应建模，用于基于得到的具体聚合用户的响应数据结合建立的负荷聚合商模型，进行负荷聚合商参与的聚合用户综合需求响应建模，包含有对综合需求响应的三类负荷可转移、可削减、可转换负荷的综合需求响应建模，并通过模型求解得到聚合用户考虑综合需求响应后的最优用能和从负荷聚合商处购能情况；
聚合用户的负荷聚合商综合需求响应模型建立模块，用于基于建立的各负荷聚合商模型结合得到的聚合用户参与综合需求响应后的购能数据，建立聚合用户的负荷聚合商综合需求响应模型，包含目标函数的选取，约束条件的设立以及求解得到负荷聚合商网侧最优购能和内部各能源设备的最优配置。
与现有的技术相比，本发明的改进之处体现在：
1.建立了用户聚合模型，通过选择响应的聚类特征量如用户需求响应能力、用户需求响应意愿、用户价格敏感系数、用户能源需求占比等得到综合需求响应情况相类似的聚合用户群，并针对具体细分的用户群建立相对应的负荷聚合商，并选择相应的能源转换设备和储能设备以满足用户多样化的能源需求，通过细分用户群的负荷聚合商，可以针对性的建立相应的需求响应策略。
2.认为负荷聚合商会协助各用户参与综合需求响应，并从中获利。用户需要上交部分用能设备控制权给负荷聚合商。针对用户的三种负荷即可平移负荷、可削减负荷、可转换负荷分别建立相应需求响应模型。认为用户的可平移负荷可完全参与到需求响应中；可削减负荷参与激励型需求响应，引入用户削减系数来表征不同聚合用户的需求响应特性；可转换负荷参与价格型需求响应，根据各时段能源价格调整各能源购入量和用户侧能源转换设备的输入量。
附图说明
图1为本发明流程示意图；
图2典型系统能流图；
图3为初始聚合用户的能源需求；
图4为聚合用户综合需求响应后的能源需求；
图5为部分能源转换设备运行情况；
图6为储能设备运行情况。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，本发明实施例的一种负荷聚合商参与的综合需求响应方法，考虑考虑用户聚合，包括以下步骤：
1.针对小规模居民用户进行聚合，建立精细化的用户聚合模型，包含有获取用能数据、选取能充分反映各类聚合用户的用能特性及需求响应特征的聚合特征量和选择合适的聚类方法。
2.基于1中聚合后得到的细分用能特性及需求响应特性的各类居民用户群，对细分的各类居民用户分别进行负荷聚合商建模，所述模型主要包含有对系统能流图的绘制、对负荷聚合商内部各设备的单独建模和能量平衡方程的表述。
3.基于1中得到的具体聚合用户的响应数据结合2中建立的负荷聚合商模型，进行负荷聚合商参与的聚合用户综合需求响应建模，所述模型包含有对综合需求响应的三类负荷可转移、可削减、可转换负荷的综合需求响应建模。模型求解得到聚合用户考虑综合需求响应后的最优用能和从负荷聚合商处购能情况。
4.基于2中建立的各负荷聚合商模型结合3中得到的聚合用户参与综合需求响应后的购能数据，建立聚合用户的负荷聚合商综合需求响应模型，所述模型包含目标函数的选取，约束条件的设立以及求解。模型求解得到负荷聚合商网侧最优购能和内部各能源设备的最优配置。
以下具体说明：
步骤1小规模居民用户聚合建模
步骤1.1、获取区域小规模用户的用能数据，包括用户电/气/冷/热负荷曲线、各用户需求响应能力及需求响应意愿调查结果、区域能源价格变化情况，计算用户价格敏感系数，能源需求占比等。
步骤1.2、确定聚合特征量，包括有：用户需求响应能力、用户需求响应意愿、用户价格敏感系数、用户各类负荷占比(包括基础负荷占比、可中断负荷占比、可平移负荷占比和可转移负荷占比)、用户能源需求占比(电/冷/热负荷占比)、用户能源转换设备类型和用户典型日的电/气/冷/热负荷曲线。
步骤1.3、采用间接聚类的方式，由步骤1.2中所选聚合特征量，采用典型K-means聚类对区域用户群进行聚合建模，得到聚合后的数类用户群体。
步骤2基于居民用户细分的负荷聚合商建模
步骤2.1、由各类聚合用户的能源需求情况，能源需求占比情况，需求响应潜力等选择响应的负荷聚合商内的能源转换设备及储能设备，并绘制系统内的能流图，如图2所示；描述了系统内部负荷聚合商包含的能源转换设备和储能设备连接情况和能量流向，便于步骤4聚合用户的负荷聚合商综合需求响应建模；描述系统内聚合用户包含的能源转换设备连接情况和能量流向，便于步骤3.4可转换负荷的需求响应建模。
步骤2.2、采用能量母线建模的“局部”建模思路，对各类设备单独进行建模，对其能量流进行详细的分析，列写每个元件的能量流表达式，
1)热电联产(燃气轮机)
燃气轮机消耗天然气，同时输出电能和热能；具有使用寿命较长、污染排放较小、综合运行效率高等优点。
输出电功率如下所示：
Figure BDA0002753368170000051
输出热功率如下所示：
Figure BDA0002753368170000052
并且有：
Figure BDA0002753368170000053
式中，Echp、Hchp为热电联产装置输出的电、热功率，Gchp为热电联产装置天然气输入功率，
Figure BDA0002753368170000054
ηloss依次为热电联产装置的产电效率、产热效率和热损失率。
2)燃气锅炉
燃气锅炉可以弥补燃气轮机供热不足部分，通过与燃气轮机协调工作，可以增强供热灵活性。输出的热功率如下所示：
Hgh＝ηghGgh (4)
式中，Ggh、Hgh为燃气锅炉的输入天然气功率和输出的热功率，ηgh为燃气锅炉的制热效率。
3)电热泵
电热泵通过消耗电能为用户提供所需的热能，其输出的热功率如下所示：
Hahp＝ηahpGahp (5)
式中，Gahp、Hahp为电热泵的输入天然气功率和输出的热功率，ηahp为电热泵的制热效率。
4)电制冷机
电制冷机消耗电能为用户供冷，其输出的制冷功率如下所示：
Cec＝ηecPec (6)
式中，Pec、Cec为电制冷机的输入电功率和输出的制冷功率，ηec为电制冷机的制冷效率。
5)吸收式制冷机
吸收式制冷机以热驱动制冷，其性能系数虽然不高，但可以充分利用低品位热制冷，对于实现能量梯级利用具有重要意义。
Cab＝ηabPab (7)
式中，Pab、Cab为吸收式制冷机的输入电功率和输出的制冷功率，ηab为吸收式制冷机的制冷效率。
6)蓄冷装置。
蓄冷装置能利用低电价电能将冷能存储于蓄冷介质中，并在需要时将其释放。
Figure BDA0002753368170000061
式中，Sice(t)为蓄冷装置的容量；Pice_s(t)和Qice_r为蓄冷装置的蓄冷耗电功率与融冰制冷功率；
Figure BDA0002753368170000062
为蓄冷装置的制冷能效比；ηice_r为蓄冷装置的融冰效率；σice为蓄冷装置的自损耗系数；T为单位时段长度。蓄冷与融冰作业不可同时进行。
7)电池储能系统。
Figure BDA0002753368170000063
式中，SES(t+1)为电池储能容量；PES_s和PES_r分别为电池储能的充电功率与放电功率；
Figure BDA0002753368170000064
和
Figure BDA0002753368170000065
分别为电池储能的充电效率和放电效率。
8)用户空调
用户空调是常见的电制冷、电制热设备，其制冷量、制热量与其输入电能成正比。其输出热功率如下所示：
Figure BDA0002753368170000066
其输出的制冷功率如下所示：
Figure BDA0002753368170000067
式中，
Figure BDA0002753368170000068
表示输入用户空调中用以制热和用以制冷的电功率，Hcond、Ccond表示用户空调输出的制热、制冷功率，
Figure BDA0002753368170000069
表示用户空调的制冷效率和制热效率。
9)电热水器
电热水器是用户侧常见的将电负荷转化为热负荷设备。其输出制热功率如下所示：
Hwh＝ηwhPwh (12)
式中，Pwh、Hwh表示电热水器的输入电功率和输出的热功率，ηwh表示电热水器的制热效率。
10)壁挂炉
壁挂炉通过燃烧天然气产生热水，用于家庭洗浴和供暖。可与电热水器互补利用、当电价高时可通过壁挂炉消耗天然气供热，减少电力消费，同时也满足了用户的热负荷需求，保障了用户用能的满意度。其输出热功率如下所示：
Hwf＝ηwfPwf (13)
式中，Pwf、Hwf表示壁挂炉的输入天然气功率和输出的热功率，ηwf表示壁挂炉的制热效率。
步骤2.3、由电母线、气母线、热母线和冷母线功率平衡可列写出负荷聚合商与用户侧的能量平衡方程.
1)负荷聚合商能量平衡方程
Figure BDA0002753368170000071
2)聚合用户能量平衡方程
Figure BDA0002753368170000072
并且变量间有如下关系式，
Figure BDA0002753368170000073
式中，Xc-d储能净储能负荷功率。
步骤3负荷聚合商参与的聚合用户综合需求响应建模
步骤3.1、获取终端用能负荷占比，包括电/热/冷的基础负荷占比λe b、λh b、λc b，可转移负荷占比λe t、λh t、λc t，可削减负荷占比λe r、λh r、λh r。
步骤3.2、负荷聚合商协助用户参与综合需求响应从而获利，用户将部分用能设备控制权上交负荷聚合商。负荷聚合商控制可转移负荷部分，使其完全参与到价格型需求响应之中。建立可转移负荷的需求响应模型。
步骤3.2.1、构建目标函数，即可转移负荷所花费的费用。
Figure BDA0002753368170000081
式中，Pt e,t、Pt h,t、Pt c,t依次为各时间段内可转移负荷的功率。
步骤3.2.2、构建约束条件，可转移负荷的总量维持不变。
Figure BDA0002753368170000082
依次为供电、供热、供冷可转移负荷总量约束。
步骤3.2.3、求解上述优化问题，得到各能源可转移负荷在各时间段内的分布Pt e ,t、Pt h,t、Pt c,t。
步骤3.3、可转移负荷并不会导致总的用能产生较大变化，对用户的舒适度也不会造成较大影响。虽然可转移负荷在各时间段内已经进行了优化分配，但在用能高峰时仍希望用户能够削减部分负荷。负荷聚合商额外提供激励价格IPe、IPh、IPc，鼓励用户进行负荷削减。建立可削减负荷的激励型需求响应模型。
步骤3.3.1、定义用户的削减系数μr，削减的负荷越多，用户的舒适度越低，削减的难度就越高，认为削减系数是用户削减量的幂函数，如下所示，
μr＝c(ΔPr)m (19)
式中，常数c、m表示用户响应特性，针对不同聚合用户有不同取值。
步骤3.3.2、构建目标函数，为用户响应激励价格削减负荷的收益。
Figure BDA0002753368170000083
且有，
Figure BDA0002753368170000091
式中，
Figure BDA0002753368170000092
为各能源的价格敏感系数，针对不同聚合用户有不同取值。
步骤3.3.3、构建约束条件，
负荷削减量随价格激励约束：
Figure BDA0002753368170000093
式中，conr为激励价格增加一个单位时，负荷削减量的最小允许量。
电负荷削减量约束：
Figure BDA0002753368170000094
热负荷削减量约束：
Figure BDA0002753368170000095
冷负荷削减量约束：
Figure BDA0002753368170000096
步骤3.3.4、求解上述优化，得到在给定激励价格的情况下可削减负荷的响应情况，得到各时段削减的电/热/冷负荷ILe、ILh、ILc。
步骤3.4、用户侧能源需求在计及可转移负荷响应价格型需求响应和可削减负荷响应激励型需求响应后，全部由负荷聚合商供应。但用户内部仍具有部分能源转换设备，随着区域和家庭经济情况的不同，设备有所差异。负荷聚合商协助聚合用户实现需求响应，以实现聚合用户所花费费用的最低。利用步骤2.1中所得能流图，建立可转换负荷的需求响应模型。
步骤3.4.1、由可转移负荷和可削减负荷的需求响应情况计算聚合用户能源需求：
Figure BDA0002753368170000101
步骤3.4.2、构建可转换负荷的需求响应模型的目标函数，为聚合用户购买能源的支出。
Figure BDA0002753368170000102
且有，
Figure BDA0002753368170000103
步骤3.4.3、构建约束条件，包括有能量平衡约束，设备容量约束。
能量平衡约束：
Figure BDA0002753368170000104
式中，δ取0或1，表示用户空调不能同时制冷制热。
设备容量约束：
Figure BDA0002753368170000105
式中，Px min和Px max表示各设备输出的最小最大功率。
步骤3.4.3、求解上述问题得到聚合用户在满足自身收益最大情况下的各设备输入功率和从负荷聚合商处购买的各能源功率
Figure BDA0002753368170000106
和
Figure BDA0002753368170000107
步骤4聚合用户的负荷聚合商综合需求响应建模
步骤4.1、建立负荷聚合商与网侧间的综合需求响应模型，负荷聚合商根据网侧的能源价格调整购入电/气能源量，并调整内部能源转换设备及储能设备运行情况。
步骤4.2、选取运行利润为目标函数，对负荷聚合商而言，其获益主要有两部分组成，一是通过向用户售能与从电网购能之间的差价获利；二是协助用户参与综合需求响应，在节省的费用中抽出部分付给负荷聚合商。获取系统的能源价格，包括有购电价格：pt eb、购买天气价格：pt gb，出售电价：pt es、出售气价：pt gs、出售热能价格：pt hs、出售的冷能价格：pt cs，以及。用户节省费用时负荷聚合商的获益系数λ。如下所示：
Mp＝Min-Mc+Mu (30)
式中，Min为售能收入、Mc为运行成本(包含有购电成本Mpe、购买天然气成本Mpg)、Mu为协助用户参与综合需求响应获利，如下所示，
Figure BDA0002753368170000111
Figure BDA0002753368170000112
Figure BDA0002753368170000113
式中，
Figure BDA0002753368170000114
为负荷聚合商未介入时的聚合用户需求响应用能情况。
步骤4.3、构建负荷聚合商的约束条件。
步骤4.3.1、构建能量平衡约束，即注入电/气/热/冷母线量与输出电/气/热/冷母线量相同。
Figure BDA0002753368170000115
步骤4.3.2、能源转换设备约束，能源转换设备输出能源存在上下限。
Figure BDA0002753368170000116
式中约束依次为热电联产装置的输出电功率约束、输出热功率约束、燃气锅炉输出的热功率约束、电热泵输出的热功率约束、电制冷机输出的制冷功率约束、吸收式制冷机输出的制冷功率。
步骤4.3.3、储能设备约束，储能设备单位时间的存储能源功率与释放能源功率有上下界，设备的总储能有上下限，且一天内存储能量与释放的能量应当一致。
蓄电装置约束
Figure BDA0002753368170000121
蓄气装置约束
Figure BDA0002753368170000122
蓄热装置约束
Figure BDA0002753368170000123
蓄冷装置约束
Figure BDA0002753368170000124
式中，
Figure BDA0002753368170000125
和
Figure BDA0002753368170000126
分别为储能元件x的充放能功率，
Figure BDA0002753368170000127
和
Figure BDA0002753368170000128
分别为储能元件x的最大充放能功率，
Figure BDA0002753368170000129
和
Figure BDA00027533681700001210
则为储能元件x的最小和最大储能量。
步骤4.4、求解上述问题，得到优化结果即内部能源设备的输入功率在取得最优解时，负荷聚合商获得最大收益。实现聚合用户的负荷聚合商综合需求响应建模。
以下举例说明：
本发明实例中分别进行了小规模居民用户聚合建模、聚合用户综合需求响应建模和负荷聚合商综合需求响应建模。其中聚合用户综合需求响应建模以用户购能支出最低为优化目标，而负荷聚合商综合需求响应建模则是以负荷聚合商收益最大化为优化目标，初始聚合用户的能源需求如图3所示，各时段负荷聚合商的购价格见表1，负荷聚合商出售给用户的能源价格见表2。
本发明实例中所用能源转换设备相应数据见表3，储能设备相应数据见表4；本实例中由聚合用户数据得到典型夏季日能源需求和相应聚合用户的可削减、可转移、可转换负荷数据，考虑聚合用户对综合需求响应的程度进行综合需求响应分析，得到聚合用户参与综合需求响应后的能源需求，如图4所示；考虑到聚合用户响应后能源需求，相应的负荷聚合商调整能源购入以及内部设备的运行情况，部分能源转换设备运行情况见图5，储能设备运行情况见图6。
由相关图表数据可以看出，聚合用户会根据能源价格适当进行综合需求响应，调整自身能源需求，相较于未进行综合需求响应，聚合用户节省了5495.6208元，用户的能源支出得到削减；对负荷聚合商而言，通过购售电间差价获利4155.8233元，实现盈利的目标；聚合用户和负荷聚合商都获取了利益，可以实现了双赢的目的。
表1为负荷聚合商的购能价格
Figure BDA0002753368170000131
表2为负荷聚合商的售能价格
Figure BDA0002753368170000132
表3为能源转换设备相关数据
Figure BDA0002753368170000133
Figure BDA0002753368170000141
表4为储能设备相关数据
Figure BDA0002753368170000142
另一方面，本发明实施例还公开一种负荷聚合商参与的综合需求响应系统，包括以下模块，
用户聚合模型建立模块，用于针对小规模居民用户进行聚合，建立用户聚合模型，包含有获取用能数据、选取特定的各类聚合用户的用能特性及需求响应特征的聚合特征量和特定的聚类方法；
负荷聚合商建模模块，用于基于聚合后得到的细分用能特性及需求响应特性的各类居民用户群，对细分的各类居民用户分别进行负荷聚合商建模，包含有对系统能流图的绘制、对负荷聚合商内部各设备的单独建模和能量平衡方程的表述；
聚合用户综合需求响应建模，用于基于得到的具体聚合用户的响应数据结合建立的负荷聚合商模型，进行负荷聚合商参与的聚合用户综合需求响应建模，包含有对综合需求响应的三类负荷可转移、可削减、可转换负荷的综合需求响应建模，并通过模型求解得到聚合用户考虑综合需求响应后的最优用能和从负荷聚合商处购能情况；
聚合用户的负荷聚合商综合需求响应模型建立模块，用于基于建立的各负荷聚合商模型结合得到的聚合用户参与综合需求响应后的购能数据，建立聚合用户的负荷聚合商综合需求响应模型，包含目标函数的选取，约束条件的设立以及求解得到负荷聚合商网侧最优购能和内部各能源设备的最优配置
可理解的是，本发明实施例提供的系统与本发明实施例提供的方法相对应，相关内容的解释、举例和有益效果可以参考上述方法中的相应部分。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种负荷聚合商参与的综合需求响应方法，其特征在于：
包括以下步骤：
S100、针对小规模居民用户进行聚合，建立用户聚合模型，包含有获取用能数据、选取特定的各类聚合用户的用能特性及需求响应特征的聚合特征量和特定的聚类方法；
S200、基于S100中聚合后得到的细分用能特性及需求响应特性的各类居民用户群，对细分的各类居民用户分别进行负荷聚合商建模，包含有对系统能流图的绘制、对负荷聚合商内部各设备的单独建模和能量平衡方程的表述；
S300、基于S100中得到的具体聚合用户的响应数据结合S200中建立的负荷聚合商模型，进行负荷聚合商参与的聚合用户综合需求响应建模，包含有对综合需求响应的三类负荷可转移、可削减、可转换负荷的综合需求响应建模，并通过模型求解得到聚合用户考虑综合需求响应后的最优用能和从负荷聚合商处购能情况；
S400、基于S200中建立的各负荷聚合商模型结合S300中得到的聚合用户参与综合需求响应后的购能数据，建立聚合用户的负荷聚合商综合需求响应模型，包含目标函数的选取，约束条件的设立以及求解得到负荷聚合商网侧最优购能和内部各能源设备的最优配置。
2.根据权利要求1所述的负荷聚合商参与的综合需求响应方法，其特征在于：所述S100中针对小规模居民用户进行聚合，建立精细化的用户聚合模型，包括：
步骤1.1、获取区域小规模用户的用能数据，包括用户电/气/冷/热负荷曲线、各用户需求响应能力及需求响应意愿调查结果、区域能源价格变化情况，计算用户价格敏感系数，能源需求占比；
步骤1.2、确定聚合特征量，包括有：用户需求响应能力、用户需求响应意愿、用户价格敏感系数、用户各类负荷占比、用户能源需求占比、用户能源转换设备类型和用户典型日的电/气/冷/热负荷曲线；
所述用户各类负荷占比包括基础负荷占比、可中断负荷占比、可平移负荷占比和可转移负荷占比；
所述用户能源需求占比包括电/冷/热负荷占比；
步骤1.3、采用间接聚类的方式，由步骤1.2中所选聚合特征量，采用典型K-means聚类对区域用户群进行聚合建模，得到聚合后的数类用户群体。
3.根据权利要求2所述的负荷聚合商参与的综合需求响应方法，其特征在于：所述步骤S200中对细分的各类居民用户分别进行负荷聚合商建模，包括：
步骤2.1、由各类聚合用户的能源需求情况，能源需求占比情况，需求响应潜力等选择响应的负荷聚合商内的能源转换设备及储能设备，并绘制系统内的能流图；
步骤2.2、采用能量母线建模的“局部”建模思路，对各类设备单独进行建模，对其能量流进行分析，列写每个元件的能量流表达式，如下：
1)热电联产即燃气轮机
燃气轮机消耗天然气，同时输出电能和热能；输出电功率如下所示：
Figure FDA0002753368160000021
输出热功率如下所示：
Figure FDA0002753368160000022
并且有：
Figure FDA0002753368160000023
式中，Echp、Hchp为热电联产装置输出的电、热功率，Gchp为热电联产装置天然气输入功率，
Figure FDA0002753368160000024
ηloss依次为热电联产装置的产电效率、产热效率和热损失率；
2)燃气锅炉
燃气锅炉可以弥补燃气轮机供热不足部分，通过与燃气轮机协调工作，输出的热功率如下所示：
Hgh＝ηghGgh (4)
式中，Ggh、Hgh为燃气锅炉的输入天然气功率和输出的热功率，ηgh为燃气锅炉的制热效率；
3)电热泵
电热泵通过消耗电能为用户提供所需的热能，其输出的热功率如下所示：
Hahp＝ηahpGahp (5)
式中，Gahp、Hahp为电热泵的输入天然气功率和输出的热功率，ηahp为电热泵的制热效率；
4)电制冷机
电制冷机消耗电能为用户供冷，其输出的制冷功率如下所示：
Cec＝ηecPec (6)
式中，Pec、Cec为电制冷机的输入电功率和输出的制冷功率，ηec为电制冷机的制冷效率；
5)吸收式制冷机；
吸收式制冷机以热驱动制冷，
Cab＝ηabPab (7)
式中，Pab、Cab为吸收式制冷机的输入电功率和输出的制冷功率，ηab为吸收式制冷机的制冷效率；
6)蓄冷装置。
蓄冷装置能利用低电价电能将冷能存储于蓄冷介质中，并在需要时将其释放，
Figure FDA0002753368160000031
式中，Sice(t)为蓄冷装置的容量；Pice_s(t)和Qice_r为蓄冷装置的蓄冷耗电功率与融冰制冷功率；
Figure FDA0002753368160000032
为蓄冷装置的制冷能效比；ηice_r为蓄冷装置的融冰效率；σice为蓄冷装置的自损耗系数；T为单位时段长度。蓄冷与融冰作业不可同时进行；
7)电池储能系统
Figure FDA0002753368160000033
式中，SES(t+1)为电池储能容量；PES_s和PES_r分别为电池储能的充电功率与放电功率；
Figure FDA0002753368160000038
和
Figure FDA0002753368160000039
分别为电池储能的充电效率和放电效率；
8)用户空调
用户空调是常见的电制冷、电制热设备，其制冷量、制热量与其输入电能成正比，其输出热功率如下所示：
Figure FDA0002753368160000034
其输出的制冷功率如下所示：
Figure FDA0002753368160000035
式中，
Figure FDA0002753368160000036
表示输入用户空调中用以制热和用以制冷的电功率，Hcond、Ccond表示用户空调输出的制热、制冷功率，
Figure FDA0002753368160000037
表示用户空调的制冷效率和制热效率；
9)电热水器
电热水器是用户侧常见的将电负荷转化为热负荷设备，其输出制热功率如下所示：
Hwh＝ηwhPwh (12)
式中，Pwh、Hwh表示电热水器的输入电功率和输出的热功率，ηwh表示电热水器的制热效率；
10)壁挂炉
壁挂炉通过燃烧天然气产生热水，其输出热功率如下所示：
Hwf＝ηwfPwf (13)
式中，Pwf、Hwf表示壁挂炉的输入天然气功率和输出的热功率，ηwf表示壁挂炉的制热效率；
步骤2.3、由电母线、气母线、热母线和冷母线功率平衡可列写出负荷聚合商与用户侧的能量平衡方程，如下：
1)负荷聚合商能量平衡方程
Figure FDA0002753368160000041
2)聚合用户能量平衡方程
Figure FDA0002753368160000042
并且变量间有如下关系式，
Figure FDA0002753368160000043
式中，Xc-d储能净储能负荷功率。
4.根据权利要求3所述的负荷聚合商参与的综合需求响应方法，其特征在于：所述S300中进行负荷聚合商参与的聚合用户综合需求响应建模，包括：
步骤3.1、获取终端用能负荷占比，包括电/热/冷的基础负荷占比λe b、λh b、λc b，可转移负荷占比λe t、λh t、λc t，可削减负荷占比λe r、λh r、λh r；
步骤3.2、负荷聚合商协助用户参与综合需求响应从而获利，用户将部分用能设备控制权上交负荷聚合商，负荷聚合商控制可转移负荷部分，使其完全参与到价格型需求响应之中，建立可转移负荷的需求响应模型；
步骤3.3、负荷聚合商额外提供激励价格IPe、IPh、IPc，鼓励用户进行负荷削减，建立可削减负荷的激励型需求响应模型；
步骤3.4、用户侧能源需求在计及可转移负荷响应价格型需求响应和可削减负荷响应激励型需求响应后，全部由负荷聚合商供应，但用户内部仍具有部分能源转换设备，随着区域和家庭经济情况的不同，设备有所差异，负荷聚合商协助聚合用户实现需求响应，以实现聚合用户所花费费用的最低，利用步骤2.1中所得能流图，建立可转换负荷的需求响应模型。
5.根据权利要求4所述的负荷聚合商参与的综合需求响应方法，其特征在于：所述步骤3.2中建立可转移负荷的需求响应模型，如下：
步骤3.2.1、构建目标函数，即可转移负荷所花费的费用，
Figure FDA0002753368160000051
式中，Pt e,t、Pt h,t、Pt c,t依次为各时间段内可转移负荷的功率；
步骤3.2.2、构建约束条件，可转移负荷的总量维持不变，
Figure FDA0002753368160000052
依次为供电、供热、供冷可转移负荷总量约束，
步骤3.2.3、求解上述优化问题，得到各能源可转移负荷在各时间段内的分布Pt e,t、Pt h ,t、Pt c,t。
6.根据权利要求5所述的负荷聚合商参与的综合需求响应方法，其特征在于：所述步骤3.3中建立可削减负荷的激励型需求响应模型包括：
步骤3.3.1、定义用户的削减系数μr，削减的负荷越多，用户的舒适度越低，削减的难度就越高，认为削减系数是用户削减量的幂函数，如下所示，
μr＝c(ΔPr)m (19)
式中，常数c、m表示用户响应特性，针对不同聚合用户有不同取值；
步骤3.3.2、构建目标函数，为用户响应激励价格削减负荷的收益：
Figure FDA0002753368160000053
且有，
Figure FDA0002753368160000054
式中，
Figure FDA0002753368160000055
为各能源的价格敏感系数，针对不同聚合用户有不同取值；
步骤3.3.3、构建约束条件，
负荷削减量随价格激励约束：
Figure FDA0002753368160000061
式中，conr为激励价格增加一个单位时，负荷削减量的最小允许量；
电负荷削减量约束：
Figure FDA0002753368160000062
热负荷削减量约束：
Figure FDA0002753368160000063
冷负荷削减量约束：
Figure FDA0002753368160000064
步骤3.3.4、求解上述优化，得到在给定激励价格的情况下可削减负荷的响应情况，得到各时段削减的电/热/冷负荷ILe、ILh、ILc。
7.根据权利要求6所述的负荷聚合商参与的综合需求响应方法，其特征在于：所述步骤3.4中建立可转换负荷的需求响应模型，包括：
步骤3.4.1、由可转移负荷和可削减负荷的需求响应情况计算聚合用户能源需求：
Figure FDA0002753368160000065
步骤3.4.2、构建可转换负荷的需求响应模型的目标函数，为聚合用户购买能源的支出，
Figure FDA0002753368160000066
且有，
Figure FDA0002753368160000067
步骤3.4.3、构建约束条件，包括有能量平衡约束，设备容量约束；
能量平衡约束：
Figure FDA0002753368160000068
式中，δ取0或1，表示用户空调不能同时制冷制热；
设备容量约束：
Figure FDA0002753368160000071
式中，Px min和Px max表示各设备输出的最小最大功率；
步骤3.4.3、求解上述问题得到聚合用户在满足自身收益最大情况下的各设备输入功率和从负荷聚合商处购买的各能源功率
Figure FDA0002753368160000072
和
Figure FDA0002753368160000073
8.根据权利要求7所述的负荷聚合商参与的综合需求响应方法，其特征在于：所述S400中建立聚合用户的负荷聚合商综合需求响应模型包括：
步骤4.1、建立负荷聚合商与网侧间的综合需求响应模型，负荷聚合商根据网侧的能源价格调整购入电/气能源量，并调整内部能源转换设备及储能设备运行情况；
步骤4.2、选取运行利润为目标函数，对负荷聚合商而言，其获益有两部分组成，一是通过向用户售能与从电网购能之间的差价获利；二是协助用户参与综合需求响应，在节省的费用中抽出部分付给负荷聚合商；
其中获取系统的能源价格，包括有购电价格：pt eb、购买天气价格：pt gb，出售电价：pt es、出售气价：pt gs、出售热能价格：pt hs、出售的冷能价格：pt cs，以及用户节省费用时负荷聚合商的获益系数λ，如下所示：
Mp＝Min-Mc+Mu (30)
式中，Min为售能收入、Mc为运行成本(包含有购电成本Mpe、购买天然气成本Mpg)、Mu为协助用户参与综合需求响应获利，如下所示，
Figure FDA0002753368160000074
Figure FDA0002753368160000075
Figure FDA0002753368160000076
式中，
Figure FDA0002753368160000077
为负荷聚合商未介入时的聚合用户需求响应用能情况；
步骤4.3、构建负荷聚合商的约束条件；
步骤4.4、求解上述问题，得到优化结果即内部能源设备的输入功率在取得最优解时，负荷聚合商获得最大收益，实现聚合用户的负荷聚合商综合需求响应建模。
9.根据权利要求8所述的负荷聚合商参与的综合需求响应方法，其特征在于：所述步骤4.3、构建负荷聚合商的约束条件，包括：
步骤4.3.1、构建能量平衡约束，即注入电/气/热/冷母线量与输出电/气/热/冷母线量相同；
Figure FDA0002753368160000081
步骤4.3.2、能源转换设备约束，能源转换设备输出能源存在上下限；
Figure FDA0002753368160000082
式中约束依次为热电联产装置的输出电功率约束、输出热功率约束、燃气锅炉输出的热功率约束、电热泵输出的热功率约束、电制冷机输出的制冷功率约束、吸收式制冷机输出的制冷功率；
步骤4.3.3、储能设备约束，储能设备单位时间的存储能源功率与释放能源功率有上下界，设备的总储能有上下限，且一天内存储能量与释放的能量应当一致；
蓄电装置约束
Figure FDA0002753368160000083
蓄气装置约束
Figure FDA0002753368160000084
蓄热装置约束
Figure FDA0002753368160000091
蓄冷装置约束
Figure FDA0002753368160000092
式中，
Figure FDA0002753368160000093
和
Figure FDA0002753368160000094
分别为储能元件x的充放能功率，
Figure FDA0002753368160000095
和
Figure FDA0002753368160000096
分别为储能元件x的最大充放能功率，
Figure FDA0002753368160000097
和
Figure FDA0002753368160000098
则为储能元件x的最小和最大储能量。
10.一种负荷聚合商参与的综合需求响应系统，其特征在于：包括以下模块，
用户聚合模型建立模块，用于针对小规模居民用户进行聚合，建立用户聚合模型，包含有获取用能数据、选取特定的各类聚合用户的用能特性及需求响应特征的聚合特征量和特定的聚类方法；
负荷聚合商建模模块，用于基于聚合后得到的细分用能特性及需求响应特性的各类居民用户群，对细分的各类居民用户分别进行负荷聚合商建模，包含有对系统能流图的绘制、对负荷聚合商内部各设备的单独建模和能量平衡方程的表述；
聚合用户综合需求响应建模，用于基于得到的具体聚合用户的响应数据结合建立的负荷聚合商模型，进行负荷聚合商参与的聚合用户综合需求响应建模，包含有对综合需求响应的三类负荷可转移、可削减、可转换负荷的综合需求响应建模，并通过模型求解得到聚合用户考虑综合需求响应后的最优用能和从负荷聚合商处购能情况；
聚合用户的负荷聚合商综合需求响应模型建立模块，用于基于建立的各负荷聚合商模型结合得到的聚合用户参与综合需求响应后的购能数据，建立聚合用户的负荷聚合商综合需求响应模型，包含目标函数的选取，约束条件的设立以及求解得到负荷聚合商网侧最优购能和内部各能源设备的最优配置。
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