CN113054687B - 一种考虑电、热负荷综合需求响应的虚拟电厂风电消纳方法 - Google Patents

一种考虑电、热负荷综合需求响应的虚拟电厂风电消纳方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种考虑电、热负荷综合需求响应的虚拟电厂风电消纳方法。包括建立风机出力模型得到风电预测曲线；建立需求响应前/后的热负荷需求模型和需求响应前/后的供热设备出力模型，得到需求响应前/后每时刻的弃风量及需求响应前/后的总弃风量；根据需求响应前/后的总弃风量判断是否促进消纳；建立蓄电容量模型判断蓄电池的充放电状态以及充放电的容量。本发明能合理地引导用电和用热，提高能源利用率，降低虚拟电厂的运行代价；在理论分析方面，本发明对考虑多种负荷实施综合需求响应的虚拟电厂消纳风电有参考价值，为更有效提高能源利用率提供了科学依据；并为降低虚拟电厂等发配电系统运行代价提供了一条行之有效的途径。

Description

一种考虑电、热负荷综合需求响应的虚拟电厂风电消纳方法
技术领域
本发明属于弃风消纳领域，具体涉及了一种考虑电、热负荷综合需求响应的虚拟电厂风电消纳方法。
背景技术
清洁能源因其环保性，可再生性得到大力发展，但同时也出现了很多问题，其中风电随机性和波动性的特点，使风电并网会给电网造成冲击，且能源利用率较低，故研究风电消纳方法，从而减少弃风有重要意义。
虚拟电厂通过先进的通信技术对分散在区域中的各综合能源进行聚集控制，形成了可控性极佳的发配电系统，为风电消纳提供有效途径，由于发配电系统中以电、热负荷为代表的多类型负荷的持续增长，致使虚拟电厂的运行有待协调优化。可控负荷通过参与需求响应，不仅可以提高系统经济性，也可提高虚拟电厂能源消纳能力，缓解弃风就地消纳问题，因此有必要考虑多种负荷综合需求响应，比如考虑电、热负荷综合需求响应，以期有效促进虚拟电厂风电消纳。
发明内容
本发明的目的是针对虚拟电厂运行代价，提供一种考虑电、热负荷综合需求响应的虚拟电厂风电消纳方法。
本发明采用的技术方案包括以下步骤：
(1)建立风机出力模型，由风机出力模型得到风电预测曲线；
(2)建立需求响应前热负荷需求模型和需求响应前供热设备出力模型，根据需求响应前热负荷需求模型得到需求响应前的热负荷需求量；以虚拟电厂中需求响应前供热设备出力模型作为需求响应前电锅炉出力模型，通过需求响应前电锅炉出力模型和需求响应前的热负荷需求量，计算需求响应前供热设备所消耗的风电量；根据风电预测曲线、已知的需求响应前的电负荷需求量和需求响应前供热设备所消耗的风电量，计算需求响应前每时刻的弃风量及需求响应前的总弃风量；
(3)建立需求响应后热负荷需求模型和需求响应后供热设备出力模型，根据需求响应后热负荷需求模型得到需求响应后的热负荷需求量，以虚拟电厂中需求响应后供热设备出力模型作为需求响应后电锅炉出力模型，通过需求响应后电锅炉出力模型和需求响应后的热负荷需求量，计算需求响应后供热设备所消耗的风电量；
(4)计算需求响应后的电负荷需求量，根据风电预测曲线、需求响应后的电负荷需求量和需求响应后供热设备所消耗的风电量计算得到需求响应后每时刻的弃风量以及需求响应后的总弃风量，然后计算需求响应前的总弃风量与需求响应后的总弃风量的差值，如果差值大于零，则促进风电消纳；如果差值小于零，则没有促进风电消纳；
(5)建立蓄电容量模型，根据蓄电容量模型和需求响应后每时刻的弃风量判断蓄电池是充电状态还是放电状态以及充放电的容量，当需求响应后每时刻的弃风量大于零时，蓄电池进行蓄电，需求响应后每时刻的弃风量小于零时，蓄电池进行放电辅助风机供电。
所述步骤(1)中，风机出力模型为：
式中，g表示风机的额定功率；vin表示风机的切入风速；vR表示风机的额定风速；vout表示风机的切出风速；vt表示t时刻风机的实时风速，t表示t时刻， gWPP(t)表示t时刻风机实际出力；
风机实际出力满足以下约束条件：
式中，表示风机的功率下限，/>表示风机的功率上限。
所述步骤(2)中，需求响应前热负荷需求模型为：
式中，表示需求响应前的热负荷需求量；/>表示围护结构温差修正系数，K表示围护结构传热系数，A表示围护结构面积，Tout(t)表示t时室外温度； Cair表示空气比热容，ρair表示空气密度，N表示换气次数，S表示房屋面积，H 表示房屋室内高度；Qine表示电气设备发热量，Qinh表示人体发热量；/>表示需求响应前室内设定温度；
所述的需求响应前室内设定温度采用以下公式计算：
式中，TS表示常温状态人体皮肤温度；M表示人体能量代谢率；表示初始PMV指标；Icl表示服装热阻，计算时设定/>求得需求响应前的室内设定温度/>进而根据需求响应前热负荷需求模型求得需求响应前的热负荷需求量/>
所述的PMV指标是热感觉平均标度预测，PMV指标分为7级：λPMV为0 时为人体接受的最佳温度状态，λPMV为+1,+2,+3分别对应稍暖、暖、热；λPMV为-1,-2,-3分别对应稍凉、凉、冷。根据ISO-7730标准规定,PMV指标在-0.5～0.5 之间为人体接受范围。
需求响应前电锅炉出力模型为：
Q1 EB(t)＝g1 EB(t)·ηEB
式中，Q1 EB(t)表示需求响应前电锅炉t时刻的供热功率，g1 EB(t)表示需求响应前电锅炉t时刻工作消耗的风电量，ηEB表示电热转换效率；
需求响应前电锅炉实际出力满足以下约束条件：
式中，表示需求响应前电锅炉的功率下限，/>表示需求响应前电锅炉的功率上限，Q1 EB(t)表示需求响应前电锅炉t时刻实际出力；
所述的需求响应前供热设备只有需求响应前电锅炉，故有的数值大小等于的数值大小，即/>根据需求响应前的热负荷需求量/>得到需求响应前电锅炉t时刻的出力供热功率，进而根据需求响应前电锅炉出力模型得到需求响应前供热设备所消耗的风电量/>
所述步骤(2)中，需求响应前每时刻的弃风量及需求响应前的总弃风量分别采用以下公式获得：
式中，表示需求响应前总弃风量；/>表示需求响应前t时刻的弃风量；/>表示已知的需求响应前t时刻的电负荷需求量；/>表示供热设备初始所消耗的风电量。
所述步骤(3)中，需求响应后热负荷需求模型为：
式中，表示需求响应后的热负荷需求量；/>为需求响应后的室内设定温度；/>表示围护结构温差修正系数，K表示围护结构传热系数，A表示围护结构面积，Tout(t)表示t时室外温度；Cair表示空气比热容，ρair表示空气密度， N表示换气次数，S表示房屋面积，H表示房屋室内高度；Qine表示电气设备发热量，Qinh表示人体发热量；
所述的需求响应后室内设定温度采用以下公式计算：
式中，TS表示常温状态人体皮肤温度；M表示人体能量代谢率；表示初始PMV指标；Icl表示服装热阻，计算时设定/>求得需求响应后室内设定温度/>进而根据需求响应后热负荷需求模型求得需求响应后的热负荷需求量/>
需求响应后的电锅炉出力模型为：
Q2 EB(t)＝g2 EB(t)·ηEB
式中，Q2 EB(t)表示需求响应前电锅炉t时刻的供热功率，g2 EB(t)表示需求响应前电锅炉t时刻工作消耗的风电量，ηEB表示电热转换效率；
需求响应前电锅炉实际出力满足以下约束条件：
式中，表示需求响应前电锅炉的功率下限，/>表示需求响应前电锅炉的功率上限，Q2 EB(t)表示需求响应前电锅炉t时刻实际出力。
所述的需求响应后供热设备只有需求响应电锅炉，故有的数值大小等于的数值大小，即/>根据需求响应后的热负荷需求量/>得到需求响应后电锅炉t时刻的出力即供热功率，进而根据需求响应后电锅炉出力模型得到需求响应后供热设备所消耗的风电量g2 EB(t)。
所述步骤(4)中，需求响应后的电负荷需求量具体采用以下方式获得：
首先，采用以下公式计算需求响应后各时刻电负荷的变化量：
式中，Δgon(t)、Δgmind(t)、Δgoff(t)表示需求响应后用电高峰、平缓、低谷时段电负荷的变化量；gon(t)、gmind(t)、goff(t)表示需求响应前用电高峰、平缓、低谷时段的电负荷；Pon(t)、Pmind(t)、Poff(t)表示需求响应前用电高峰、平缓、低谷时段的能源消耗量；ΔPon(t)、ΔPmind(t)、ΔPoff(t)表示需求响应后用电高峰、平缓、低谷时段的能源消耗量改变量；eon、emind、eoff表示用电高峰、平缓、低谷时段的能源消耗弹性系数；Ton表示能源消耗量高峰时段、Tmind表示能源消耗量平缓时段、Toff表示能源消耗量低谷时段；
然后，需求响应后各时刻电负荷的变化量加上已知的需求响应前各时刻的电负荷需求量得到需求响应后各时刻的电负荷需求量/>
所述步骤(4)中，需求响应后每时刻的弃风量及需求响应后的总弃风量分别采用以下公式获得：
式中，表示需求响应后总弃风量；/>表示需求响应后t时刻的弃风量；/>表示需求响应后t时刻的电负荷需求量；/>为需求响应后t时刻电锅炉供热所消耗的电量。所述步骤(5)具体为：
蓄电池容量模型为：
Ssoc(t)＝Ssoc(t-1)+(Sch(t)-Sdis(t))
Sch(t)＝gch(t)ηch
Sdis(t)＝gdis(t)ηdis
式中，SSOC(t)表示蓄电池t时刻的电容量；Ssoc(t-1)表示蓄电池t-1时刻的电容量；Sch(t)表示蓄电池t时刻蓄电量；Sdis(t)表示蓄电池t时刻放电量；gch(t)表示蓄电池t时刻蓄电功率，ηch表示蓄电池的充电效率，gdis(t)表示蓄电池t时刻放电功率，ηdis表示蓄电池的放电效率；
蓄电池容量满足以下约束条件：
式中，表示蓄电池最小蓄电量，/>表示蓄电池最大蓄电量；
蓄电池出力约束满足以下约束条件：
式中，表示蓄电池充电的最小功率；/>表示蓄电池充电的最大功率；/>表示蓄电池放电的最小功率；/>表示蓄电池放电的最大功率；
当t时刻风机实际出力gWPP(t)的值小于需求响应后t时刻供热设备所消耗的风电量g2 EB(t)的值和需求相应后t时刻的电负荷需求量的值之和时，得到需求响应后t时刻的弃风量/>的值小于零，当t时刻风机实际出力gWPP(t)的值大于等于需求响应后t时刻供热设备所消耗的风电量g2 EB(t)的值和需求相应后t 时刻的电负荷需求量/>的值之和时，得到需求响应后t时刻的弃风量/>的值大于等于零；
当需求响应后t时刻的弃风量的值小于零时，蓄电池进行放电，辅助风机供电；需求响应后t时刻的弃风量/>的值大于等于零时，蓄电池进行蓄电，且蓄电量Sch(t)等于需求响应后t时刻的弃风量/>即/>放电量Sdis(t)等于需求响应后t时刻的弃风量/>的绝对值，即/>
蓄电池的工作原理是在风电充足产生弃风情况下，将弃风量储存起来，当风电不足以提供所需电负荷时，蓄电池进行放电，辅助供电。
本发明的虚拟电厂包括电锅炉、蓄电池和风力发电。
本发明的有益效果是：
本发明能合理地引导用电和用热，提高能源利用率，降低虚拟电厂的运行代价；本发明对考虑多种负荷实施综合需求响应的虚拟电厂消纳风电有参考价值，为更有效提高能源利用率提供了科学依据；并为降低虚拟电厂等发配电系统运行代价提供了一条行之有效的途径。
附图说明
图1是本发明虚拟电厂风电消纳原理图；
图2是本发明实施例的电、热负荷需求曲线图；
图3是本发明实施例场景1的风电消纳情况图；
图4是本发明实施例的电负荷需求响应后需求变化曲线图；
图5是本发明实施例的热负荷需求响应后需求变化曲线图；
图6是本发明实施例场景2的风电消纳情况图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明实施中，按照说明书内容和权利要求书内容中的具体步骤进行实施，具体的步骤过程在这里不再展开。
本发明的实施例如下：
本实施例以含有风机、蓄电池、和电锅炉各一个的虚拟电厂为例，风机出力情况如图2所示，蓄电池初始容量为0kWh，电、热负荷的需求曲线如图3所示，需求响应前能源消耗代价统一为每千瓦时是0.5，采取峰谷分时能源消耗后，高峰能源消耗时段为11：00—15：00、19：00—21：00，高峰能源消耗时段的代价为每千瓦时是0.8，对应的能源消耗弹性系数eon为-0.07；平缓能源消耗时段为08：00—10：00、16：00—18：00、22：00—23：00，平缓能源消耗时段的代价为每千瓦时是0.4，对应的能源消耗弹性系数emind为0.05；低谷能源消耗时段为24：00—07：00，低谷能源消耗时段的代价为每千瓦时是0.2，对应的能源消耗弹性系数eoff为0.08。本实施例考虑两种场景，第一种是不考虑储能设备且电、热负荷不实施需求响应；第二种是考虑储能设备且电、热负荷实施综合需求响应。本实施例将分别计算这两种场景下虚拟电厂的弃风量，并对其进行对比。
本实例的虚拟电厂主要是供用户用电与供电锅炉电转热来消纳风电，场景2 中根据电负荷不同时间段的弹性价格系数，得出需求响应后的电负荷需求量，从图4中可以看出通过需求响应实现了电负荷的削峰填谷，在热负荷需求高峰时段，通过降低室内设定温度TPMV实施激励型需求响应，考虑虚拟电厂需求响应补偿代价最小，本实例只在电、热负荷共同高峰时段即19时至23时进行热负荷激励型需求响应，从图5中可以看出通过需求响应，实现了热负荷的削减，同时，在弃风量较大时，蓄电池进行储能，以促进风电消纳，对比两种场景下风电消纳的情况，如表1，发现场景2弃风量减少，消纳能力较高。
表1两种场景下虚拟电厂风电消纳情况表
场景1 场景2
风力发电/kW 4886 4886
电负荷/kW 2177 2184.3
电锅炉出力/kW 2656.66 2653.89
蓄电池出力/kW 0 12.76
弃风量/kW 52.34 35.05
由此可见，本发明考虑电、热负荷综合响应有效提高了虚拟电厂风电消纳能力，为针对多种负荷实施综合需求响应的研究提供参考，并为促进虚拟电厂等发配电系统风电消纳，缓解弃风问题提供了一条行之有效的途径。
最后应当说明的是，以上示例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述示例对本发明进行了说明，所属领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或同等替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者同等替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种考虑电、热负荷综合需求响应的虚拟电厂风电消纳方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)建立风机出力模型，由风机出力模型得到风电预测曲线；
所述步骤(1)中，风机出力模型为：
式中，g表示风机的额定功率；vin表示风机的切入风速；vR表示风机的额定风速；vout表示风机的切出风速；vt表示t时刻风机的实时风速，t表示t时刻，gWPP(t)表示t时刻风机实际出力；
风机实际出力满足以下约束条件：
式中，表示风机的功率下限，/>表示风机的功率上限；
(2)建立需求响应前热负荷需求模型和需求响应前供热设备出力模型，根据需求响应前热负荷需求模型得到需求响应前的热负荷需求量；以虚拟电厂中需求响应前供热设备出力模型作为需求响应前电锅炉出力模型，通过需求响应前电锅炉出力模型和需求响应前的热负荷需求量，计算需求响应前供热设备所消耗的风电量；根据风电预测曲线、需求响应前的电负荷需求量和需求响应前供热设备所消耗的风电量，计算需求响应前每时刻的弃风量及需求响应前的总弃风量；虚拟电厂包括电锅炉、蓄电池和风力发电；
所述步骤(2)中，需求响应前热负荷需求模型为：
式中，表示需求响应前的热负荷需求量；/>表示围护结构温差修正系数，K表示围护结构传热系数，A表示围护结构面积，Tout(t)表示t时室外温度；Cair表示空气比热容，ρair表示空气密度，N表示换气次数，S表示房屋面积，H表示房屋室内高度；Qine表示电气设备发热量，Qinh表示人体发热量；/>表示需求响应前室内设定温度；
所述的需求响应前室内设定温度采用以下公式计算：
式中，TS表示常温状态人体皮肤温度；M表示人体能量代谢率；表示初始PMV指标；Icl表示服装热阻；
需求响应前电锅炉出力模型为：
式中，Q1 EB(t)表示需求响应前电锅炉t时刻的供热功率，g1 EB(t)表示需求响应前电锅炉t时刻工作消耗的风电量，ηEB表示电热转换效率；
需求响应前电锅炉实际出力满足以下约束条件：
式中，表示需求响应前电锅炉的功率下限，/>表示需求响应前电锅炉的功率上限，Q1 EB(t)表示需求响应前电锅炉t时刻实际出力；
(3)建立需求响应后热负荷需求模型和需求响应后供热设备出力模型，根据需求响应后热负荷需求模型得到需求响应后的热负荷需求量，以虚拟电厂中需求响应后供热设备出力模型作为需求响应后电锅炉出力模型，通过需求响应后电锅炉出力模型和需求响应后的热负荷需求量，计算需求响应后供热设备所消耗的风电量；
所述步骤(3)中，需求响应后热负荷需求模型为：
式中，表示需求响应后的热负荷需求量；/>为需求响应后室内设定温度；/>表示围护结构温差修正系数，K表示围护结构传热系数，A表示围护结构面积，Tout(t)表示t时室外温度；Cair表示空气比热容，ρair表示空气密度，N表示换气次数，S表示房屋面积，H表示房屋室内高度；Qine表示电气设备发热量，Qinh表示人体发热量；
所述的需求响应后室内设定温度采用以下公式计算：
式中，TS表示常温状态人体皮肤温度；M表示人体能量代谢率；表示初始PMV指标；Icl表示服装热阻；
需求响应后电锅炉出力模型为：
Q2 EB(t)＝g2 EB(t)·ηEB
式中，Q2 EB(t)表示需求响应前电锅炉t时刻的供热功率，g2 EB(t)表示需求响应前电锅炉t时刻工作消耗的风电量，ηEB表示电热转换效率；
需求响应前电锅炉实际出力满足以下约束条件：
式中，表示需求响应前电锅炉的功率下限，/>表示需求响应前电锅炉的功率上限，Q2 EB(t)表示需求响应前电锅炉t时刻实际出力；
(4)计算需求响应后的电负荷需求量，根据风电预测曲线、需求响应后的电负荷需求量和需求响应后供热设备所消耗的风电量计算得到需求响应后每时刻的弃风量以及需求响应后的总弃风量，然后计算需求响应前的总弃风量与需求响应后的总弃风量的差值，如果差值大于零，则促进风电消纳；如果差值小于零，则没有促进风电消纳；
所述步骤(4)中，需求响应后的电负荷需求量具体采用以下方式获得：
首先，采用以下公式计算需求响应后各时刻电负荷的变化量：
式中，Δgon(t)、Δgmind(t)、Δgoff(t)表示需求响应后用电高峰、平缓、低谷时段电负荷的变化量；gon(t)、gmind(t)、goff(t)表示需求响应前用电高峰、平缓、低谷时段的电负荷；Pon(t)、Pmind(t)、Poff(t)表示需求响应前用电高峰、平缓、低谷时段的能源消耗量；ΔPon(t)、ΔPmind(t)、ΔPoff(t)表示用电高峰、平缓、低谷时段的能源消耗量改变量；eon、emind、eoff表示用电高峰、平缓、低谷时段的能源消耗弹性系数；Ton表示能源消耗量高峰时段、Tmind表示能源消耗量平缓时段、Toff表示能源消耗量低谷时段；
然后，需求响应后各时刻电负荷的变化量加上需求响应前各时刻的电负荷需求量得到需求响应后各时刻的电负荷需求量/>
(5)建立蓄电容量模型，根据蓄电容量模型和需求响应后每时刻的弃风量判断蓄电池的充放电状态以及充放电的容量；
所述步骤(5)具体为：
蓄电池容量模型为：
Ssoc(t)＝Ssoc(t-1)+(Sch(t)-Sdis(t))
Sch(t)＝gch(t)ηch
Sdis(t)＝gdis(t)ηdis
式中，SSOC(t)表示蓄电池t时刻的电容量；Ssoc(t-1)表示蓄电池t-1时刻的电容量；Sch(t)表示蓄电池t时刻蓄电量；Sdis(t)表示蓄电池t时刻放电量；gch(t)表示蓄电池t时刻蓄电功率，ηch表示蓄电池的充电效率，gdis(t)表示蓄电池t时刻放电功率，ηdis表示蓄电池的放电效率；
蓄电池容量满足以下约束条件：
式中，表示蓄电池最小蓄电量，/>表示蓄电池最大蓄电量；
蓄电池出力约束满足以下约束条件：
式中，表示蓄电池充电的最小功率；/>表示蓄电池充电的最大功率；/>表示蓄电池放电的最小功率；/>表示蓄电池放电的最大功率；
当t时刻风机实际出力gWPP(t)的值小于需求响应后t时刻供热设备所消耗的风电量g2 EB(t)的值和需求相应后t时刻的电负荷需求量的值之和时，得到需求响应后t时刻的弃风量/>的值小于零，当t时刻风机实际出力gWPP(t)的值大于等于需求响应后t时刻供热设备所消耗的风电量g2 EB(t)的值和需求相应后t时刻的电负荷需求量/>的值之和时，得到需求响应后t时刻的弃风量/>的值大于等于零；
当需求响应后t时刻的弃风量的值小于零时，蓄电池进行放电，辅助风机供电；需求响应后t时刻的弃风量/>的值大于等于零时，蓄电池进行蓄电，且蓄电量Sch(t)等于需求响应后t时刻的弃风量/>放电量Sdis(t)等于需求响应后t时刻的弃风量/>的绝对值。
2.根据权利要求1所述的一种考虑电、热负荷综合需求响应的虚拟电厂风电消纳方法，其特征在于：
所述的需求响应前供热设备只有需求响应前电锅炉，故有的数值大小等于的数值大小，根据需求响应前的热负荷需求量/>得到需求响应前电锅炉t时刻的出力，进而根据需求响应前电锅炉出力模型得到需求响应前供热设备所消耗的风电量g1 EB(t)。
3.根据权利要求1所述的一种考虑电、热负荷综合需求响应的虚拟电厂风电消纳方法，其特征在于：所述步骤(2)中，需求响应前每时刻的弃风量及需求响应前的总弃风量分别采用以下公式获得：
式中，表示需求响应前总弃风量；/>表示需求响应前t时刻的弃风量；/>表示需求响应前t时刻的电负荷需求量；/>表示需求响应前供热设备所消耗的风电量。
4.根据权利要求1所述的一种考虑电、热负荷综合需求响应的虚拟电厂风电消纳方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述的需求响应后供热设备只有需求响应电锅炉，故有的数值大小等于/>的数值大小，根据需求响应后的热负荷需求量/>得到需求响应后电锅炉t时刻的出力，进而根据需求响应后电锅炉出力模型得到需求响应后供热设备所消耗的风电量g2 EB(t)。
5.根据权利要求1所述的一种考虑电、热负荷综合需求响应的虚拟电厂风电消纳方法，其特征在于：所述步骤(4)中，需求响应后每时刻的弃风量及需求响应后的总弃风量分别采用以下公式获得：
式中，表示需求响应后总弃风量；/>表示需求响应后t时刻的弃风量；/>表示需求响应后t时刻的电负荷需求量；/>为需求响应后t时刻电锅炉供热所消耗的电量。
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