CN114156920A - 一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法 - Google Patents

一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多能互补综合能源系统中电‑热储能的容量配置方法，包括：搜集多能互补综合能源系统中，风电、光伏电站各自的历史归一化出力数据，以及光热电站集热器的理论输出热量序列和负荷历史数据；获取风电场、光伏电站、光热电站各自的装机容量；确定电、热储能的单位装机容量建设成本；建立多能互补综合能源系统中电‑热储能的容量优化模型，以出力数据、热量序列、负荷历史数据和装机容量作为约束条件；根据时序生产模拟计算，得出最优的储能电池配置、电加热设备容量、储热罐需增装容量。该方法综合考虑因素较多，输出的最优储能电池配置、电加热设备容量、储热罐需增装容量，进一步可提高综合能源系统的新能源利用率。

Description

一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法
技术领域
本发明属于多能互补综合能源系统领域，特别涉及一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法。
背景技术
构建多能互补、供需协调的智慧能源系统是我国未来的能源发展方向，也是提高新能源利用率的重要途径。随着储能成本的不断降低，大规模配置储能电站来进行电力系统调峰调频逐渐应用广泛。因此构建多能互补综合能源系统，考虑电、热储能的运行特性、建设成本等因素，通过合理优化配置两种储能类型的容量，最大化发挥电、热储能的灵活调节能力以及多种能源的时空互补特性，降低系统功率的随机波动，可以在尽可能经济的基础上，提高综合能源系统的新能源利用率。
在多能互补系统容量配置方面，目前的主要是针对风光储等几种电源开展了研究工作，已有的多能互补联合发电系统储能容量优化研究主要基于风/光的典型日场景进行优化。由于典型日出力曲线难以反映新能源大量的极端出力场景，因此，优化结果的合理性难以保证，更适合采用时序生产模拟方法来进行储能容量的优化配置。从目标函数方面，包括单目标优化方法和多目标优化方法，单目标优化方法在保证系统供电安全的前提下，以经济最优为优化目标，得到最优的各类能源的容量配置。多目标优化方法中，通常还会考虑系统的低碳环保，将系统等效二氧化碳排放量最小作为优化目标之一，从而得到最优的各类能源的容量配置。
但是，目前多能互补系统考虑的因素并不全面，在多能互补系统容量配置方面还存在改进的空间。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法，可解决目前在多能互补系统容量配置方面存在效率较差的问题，可以为多能互补系统的规划提供技术参考和支持。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法，包括：
搜集步骤：搜集多能互补综合能源系统中，风电、光伏电站各自的历史归一化出力数据，以及光热电站集热器的理论输出热量序列和负荷历史数据；
获取步骤：获取多能互补综合能源系统中风电场、光伏电站、光热电站各自的装机容量；
确定步骤：确定多能互补综合能源系统中电、热储能的单位装机容量建设成本；
构建步骤：基于单位装机容量建设成本，建立多能互补综合能源系统中电-热储能的容量优化模型，以所述出力数据、热量序列、负荷历史数据和装机容量作为约束条件；
输出配置步骤：根据时序生产模拟计算，通过优化求解所述多能互补综合能源系统中电-热储能的容量优化模型，得出最优的储能电池配置、电加热设备容量、储热罐需增装容量。
进一步地，所述搜集步骤中，出力数据包括：搜集时间长度为1年，时间分辨率为15min的风电、光伏电站的历史归一化处理数据。
进一步地，所述获取步骤中，还包括：
获取系统中的光热电站，年利用小时、所配置的储热罐容量、光热电站的电热转换效率；
获取系统中的电储能装置的电池充放电效率；
获取系统中的热储能装置电热转换效率。
进一步地，所述确定步骤中，电、热储能的单位装机容量建设成本，包括：电储能装置电池的单位容量成本、电加热设备的单位容量成本以及储热罐的单位容量成本。
进一步地，所述构建步骤中，多能互补综合能源系统中电-热储能的容量优化模型为：
min(KS·NPS+KH·ΔH+KPH·MPH) (1)
式中，NPS、ΔH和MPH分别为储能电池容量、储热罐增加容量以及电加热设备的额定容量；KS为电储能装置电池的单位容量成本；KPH为电加热设备的单位容量成本；KH为储热罐的单位容量成本。
进一步地，所述构建步骤中，所述约束条件包括：
1)风电功率约束：
Figure BDA0003381743510000031
式中，
Figure BDA0003381743510000032
为风电的归一化理论功率，t为时间；NW为风电场的装机容量；PW为风电的历史归一化出力数据；
2)光伏发电功率约束：
Figure BDA0003381743510000033
式中，
Figure BDA0003381743510000034
为光伏的归一化理论功率，t为时间；NPV为光伏电站的装机容量；PPV为光伏电站的历史归一化出力数据。
进一步地，所述约束条件还包括：
3)功率平衡约束：
整个多能互补能源系统里包含风电、光伏、光热、电储能、热储能还有负荷，系统与交流电网相联，输出功率应小于外送通道容量：
PW(t)+PPV(t)+PST(t)-PPS(t)-PPH(t)-PL(t)≤L (4)
式中，PST(t)为光热电站的功率、PPS(t)为电储能的功率，正值为充电，负值为放电，PPH(t)为电加热设备的输出功率，PL(t)为负荷历史数据，L为通道容量。
进一步地，所述约束条件还包括：
4)储能SOC约束，为能量型约束：
EPS(t)＝EPS(t-1)(1-μPS)+ΔT·ηPS·PPS(t) (5)
Figure BDA0003381743510000041
Figure BDA0003381743510000042
Figure BDA0003381743510000043
式中，EPS(t)为电储能的电量，ΔT为时间长度，μPS为自放电率，ηPS为电储能的充放电效率，
Figure BDA0003381743510000044
和
Figure BDA0003381743510000045
为SOC状态变量的最小值和最大值；
5)储能电池充放电功率约束：
-MI≤PPS(t)≤MI (9)
式中，MI为电储能装置中逆变器的额定容量。
进一步地，所述约束条件还包括：
6)光热电站功率约束：
Figure BDA0003381743510000046
0≤PST(t)≤NST (11)
式中，PST(t)为光热电站的发电功率，
Figure BDA0003381743510000047
和
Figure BDA0003381743510000048
分别为光热电站的最小和最大出力；NST为热储能装置电热转换效率；XST(t)为0-1变量，表示光热电站是否处于发电状态；
7)电加热设备功率约束：
HPH(t)＝ηPH·PPH(t) (12)
0≤PPH(t)≤MPH (13)
式中，HPH(t)为电加热设备的热功率，ηPH为电加热设备的电热转换效率；
8)储热系统储热量约束：
EST(t)＝EST(t-1)+ΔT·HO(t)+ΔT·HPH(t)-ΔT·PST(t)·fST(PST(t)) (14)
Figure BDA0003381743510000051
式中，EST(t)为光热电站储热罐存储的热量，fST(PST(t))为储热罐输入的热量与光热电站输出功率间的电热转换效率，是光热电站功率的非线性函数；
Figure BDA0003381743510000052
和
Figure BDA0003381743510000053
分别为储热罐的最小和最大储热容量；HO为光热电站集热器的理论输出热量序列。
进一步地，所述约束条件还包括：
9)新能源弃电率约束：
Figure BDA0003381743510000054
式中，χ为新能源弃电率，hST为光热电站的年利用小时数。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提出了一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法，包括：搜集多能互补综合能源系统中，风电、光伏电站各自的历史归一化出力数据，以及光热电站集热器的理论输出热量序列和负荷历史数据；获取多能互补综合能源系统中风电场、光伏电站、光热电站各自的装机容量；确定多能互补综合能源系统中电、热储能的单位装机容量建设成本；基于单位装机容量建设成本，建立多能互补综合能源系统中电-热储能的容量优化模型，以所述出力数据、热量序列、负荷历史数据和装机容量作为约束条件；根据时序生产模拟计算，通过优化求解所述多能互补综合能源系统中电-热储能的容量优化模型，得出最优的储能电池配置、电加热设备容量、储热罐需增装容量；该方法综合考虑因素较多，构建以出力数据、热量序列、负荷历史数据和装机容量作为约束条件，将时序生产相关数据作为输入，优化求解模型可输出最优的储能电池配置、电加热设备容量、储热罐需增装容量；进一步可提高综合能源系统的新能源利用率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供的一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法，参照图1所示，包括：
搜集步骤：搜集多能互补综合能源系统中，风电、光伏电站各自的历史归一化出力数据，以及光热电站集热器的理论输出热量序列和负荷历史数据；
获取步骤：获取多能互补综合能源系统中风电场、光伏电站、光热电站各自的装机容量；
确定步骤：确定多能互补综合能源系统中电、热储能的单位装机容量建设成本；
构建步骤：基于单位装机容量建设成本，建立多能互补综合能源系统中电-热储能的容量优化模型，以所述出力数据、热量序列、负荷历史数据和装机容量作为约束条件；
输出配置步骤：根据时序生产模拟计算，通过优化求解所述多能互补综合能源系统中电-热储能的容量优化模型，得出最优的储能电池配置、电加热设备容量、储热罐需增装容量。
具体实施如下：
1、搜集并整理多能互补综合能源系统中，时间长度为1年，时间分辨率为15min的风电、光伏电站的历史归一化出力数据PW和PPV，光热电站集热器的理论输出热量序列HO以及负荷的历史数据。
2、输入多能互补综合能源系统中风电场、光伏电站、光热电站的装机容量Nw,Npv和NST；对于系统中的光热电站，输入年利用小时、所配置的储热罐容量、光热电站的电热转换效率；对于系统中的电储能装置，输入储能装置的电池充放电效率；对于系统中的热储能装置，输入热储能设备的电热转换效率。
3.输入多能互补综合能源系统中电、热储能的单位装机容量建设成本，包括电储能装置电池的单位容量成本KS、电加热设备的单位容量成本KPH以及储热罐的单位容量成本KH。
4.建立多能互补综合能源系统中电-热储能的容量优化模型，目标函数为经济性最优，如式(1)所示：
min(KS·NPS+KH·ΔH+KPH·MPH) (1)
式中，NPS、ΔH和MPH分别为储能电池容量、储热罐增加容量以及电加热设备的额定容量；KS为电储能装置电池的单位容量成本；KPH为电加热设备的单位容量成本；KH为储热罐的单位容量成本。
约束条件如式(2)至式(16)所示，包括以下约束，具体说明如下：
1)风电功率约束：
Figure BDA0003381743510000081
式中，
Figure BDA0003381743510000082
为风电的归一化理论功率，t为时间；NW为风电场的装机容量；PW为风电的历史归一化出力数据；
2)光伏发电功率约束：
Figure BDA0003381743510000083
式中，
Figure BDA0003381743510000091
为光伏的归一化理论功率，t为时间；NPV为光伏电站的装机容量；PPV为光伏电站的历史归一化出力数据。
3)功率平衡约束：
整个多能互补能源系统里包含风电、光伏、光热、电储能、热储能还有负荷，系统与交流电网相联，输出功率应小于外送通道容量：
PW(t)+PPV(t)+PST(t)-PPS(t)-PPH(t)-PL(t)≤L (4)
式中，PST(t)为光热电站的功率、PPS(t)为电储能的功率，正值为充电，负值为放电，PPH(t)为电加热设备的输出功率，PL(t)为负荷历史数据，L为通道容量。
4)储能SOC约束，为能量型约束：
EPS(t)＝EPS(t-1)(1-μPS)+ΔT·ηPS·PPS(t) (5)
Figure BDA0003381743510000092
Figure BDA0003381743510000093
Figure BDA0003381743510000094
式中，EPS(t)为电储能的电量，ΔT为时间长度，μPS为自放电率，ηPS为电储能的充放电效率，
Figure BDA0003381743510000095
和
Figure BDA0003381743510000096
为SOC状态变量的最小值和最大值；
5)储能电池充放电功率约束：
-MI≤PPS(t)≤MI (9)
式中，MI为电储能装置中逆变器的额定容量。
6)光热电站功率约束：
Figure BDA0003381743510000097
0≤PST(t)≤NST (11)
式中，PST(t)为光热电站的发电功率，
Figure BDA0003381743510000101
和
Figure BDA0003381743510000102
分别为光热电站的最小和最大出力；NST为热储能装置电热转换效率；XST(t)为0-1变量，表示光热电站是否处于发电状态；
7)电加热设备功率约束：
HPH(t)＝ηPH·PPH(t) (12)
0≤PPH(t)≤MPH (13)
式中，HPH(t)为电加热设备的热功率，ηPH为电加热设备的电热转换效率；
8)储热系统储热量约束：
EST(t)＝EST(t-1)+ΔT·HO(t)+ΔT·HPH(t)-ΔT·PST(t)·fST(PST(t)) (14)
Figure BDA0003381743510000103
式中，EST(t)为光热电站储热罐存储的热量，fST(PST(t))为储热罐输入的热量与光热电站输出功率间的电热转换效率，是光热电站功率的非线性函数；
Figure BDA0003381743510000104
和
Figure BDA0003381743510000105
分别为储热罐的最小和最大储热容量；HO为光热电站集热器的理论输出热量序列。
9)新能源弃电率约束：
Figure BDA0003381743510000106
式中，χ为新能源弃电率，hST为光热电站的年利用小时数。
5.基于多能互补综合能源系统电储能/热储能容量联合优化模型，开展时序生产模拟计算，通过优化求解模型，得到同时配置电储能和热储能时，储能电池容量、电加热设备额定功率和储热罐增装容量的最优值，并输出结果。
比如：选取西北某省某多能互补集成优化示范工程开展测试，其中风电400MW，光伏200MW，光热50MW，储能50MW,示范项目光热电站储热罐的储热时长设计为12小时，总储热容量1456MWht，光热电站年利用小时数为3403，其中电池容量单价为218万元/MWh，逆变器单价为85万元/MW，电加热设备单价100万元/MW，储热罐单价为14.5万元/MWht。基于电储能/热储能容量联合优化模型，研究在储能系统的总投资成本(含电储能和热储能)最低情况下，该示范工程电储能和热储能的最优配置容量：储能电池配置60MWh，电加热设备容量42.5MW，储热罐需增装容量1610MWht。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法，其特征在于，包括：
搜集步骤：搜集多能互补综合能源系统中，风电、光伏电站各自的历史归一化出力数据，以及光热电站集热器的理论输出热量序列和负荷历史数据；
获取步骤：获取多能互补综合能源系统中风电场、光伏电站、光热电站各自的装机容量；
确定步骤：确定多能互补综合能源系统中电、热储能的单位装机容量建设成本；
构建步骤：基于单位装机容量建设成本，建立多能互补综合能源系统中电-热储能的容量优化模型，以所述出力数据、热量序列、负荷历史数据和装机容量作为约束条件；
输出配置步骤：根据时序生产模拟计算，通过优化求解所述多能互补综合能源系统中电-热储能的容量优化模型，得出最优的储能电池配置、电加热设备容量、储热罐需增装容量。
2.根据权利要求1所述的一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法，其特征在于：所述搜集步骤中，出力数据包括：搜集时间长度为1年，时间分辨率为15min的风电、光伏电站的历史归一化处理数据。
3.根据权利要求2所述的一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法，其特征在于：所述获取步骤中，还包括：
获取系统中的光热电站，年利用小时、所配置的储热罐容量、光热电站的电热转换效率；
获取系统中的电储能装置的电池充放电效率；
获取系统中的热储能装置电热转换效率。
4.根据权利要求2所述的一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法，其特征在于：所述确定步骤中，电、热储能的单位装机容量建设成本，包括：电储能装置电池的单位容量成本、电加热设备的单位容量成本以及储热罐的单位容量成本。
5.根据权利要求4所述的一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法，其特征在于：所述构建步骤中，多能互补综合能源系统中电-热储能的容量优化模型为：
min(KS·NPS+KH·ΔH+KPH·MPH) (1)
式中，NPS、ΔH和MPH分别为储能电池容量、储热罐增加容量以及电加热设备的额定容量；KS为电储能装置电池的单位容量成本；KPH为电加热设备的单位容量成本；KH为储热罐的单位容量成本。
6.根据权利要求5所述的一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法，其特征在于：所述构建步骤中，所述约束条件包括：
1)风电功率约束：
Figure FDA0003381743500000021
式中，
Figure FDA0003381743500000022
为风电的归一化理论功率，t为时间；NW为风电场的装机容量；PW为风电的历史归一化出力数据；
2)光伏发电功率约束：
Figure FDA0003381743500000023
式中，
Figure FDA0003381743500000024
为光伏的归一化理论功率，t为时间；NPV为光伏电站的装机容量；PPV为光伏电站的历史归一化出力数据。
7.根据权利要求6所述的一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法，其特征在于：所述约束条件还包括：
3)功率平衡约束：
整个多能互补能源系统里包含风电、光伏、光热、电储能、热储能还有负荷，系统与交流电网相联，输出功率应小于外送通道容量：
PW(t)+PPV(t)+PST(t)-PPS(t)-PPH(t)-PL(t)≤L (4)
式中，PST(t)为光热电站的功率、PPS(t)为电储能的功率，正值为充电，负值为放电，PPH(t)为电加热设备的输出功率，PL(t)为负荷历史数据，L为通道容量。
8.根据权利要求7所述的一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法，其特征在于：所述约束条件还包括：
4)储能SOC约束，为能量型约束：
EPS(t)＝EPS(t-1)(1-μPS)+ΔT·ηPS·PPS(t) (5)
Figure FDA0003381743500000031
Figure FDA0003381743500000032
Figure FDA0003381743500000033
式中，EPS(t)为电储能的电量，ΔT为时间长度，μPS为自放电率，ηPS为电储能的充放电效率，
Figure FDA0003381743500000034
和
Figure FDA0003381743500000035
为SOC状态变量的最小值和最大值；
5)储能电池充放电功率约束：
-MI≤PPS(t)≤MI (9)
式中，MI为电储能装置中逆变器的额定容量。
9.根据权利要求8所述的一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法，其特征在于：所述约束条件还包括：
6)光热电站功率约束：
Figure FDA0003381743500000041
0≤PST(t)≤NST (11)
式中，PST(t)为光热电站的发电功率，
Figure FDA0003381743500000042
和
Figure FDA0003381743500000043
分别为光热电站的最小和最大出力；NST为热储能装置电热转换效率；XST(t)为0-1变量，表示光热电站是否处于发电状态；
7)电加热设备功率约束：
HPH(t)＝ηPH·PPH(t) (12)
0≤PPH(t)≤MPH (13)
式中，HPH(t)为电加热设备的热功率，ηPH为电加热设备的电热转换效率；
8)储热系统储热量约束：
EST(t)＝EST(t-1)+ΔT·HO(t)+ΔT·HPH(t)-ΔT·PST(t)·fST(PST(t)) (14)
Figure FDA0003381743500000044
式中，EST(t)为光热电站储热罐存储的热量，fST(PST(t))为储热罐输入的热量与光热电站输出功率间的电热转换效率，是光热电站功率的非线性函数；
Figure FDA0003381743500000045
和
Figure FDA0003381743500000046
分别为储热罐的最小和最大储热容量；HO为光热电站集热器的理论输出热量序列。
10.根据权利要求9所述的一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法，其特征在于：所述约束条件还包括：
9)新能源弃电率约束：
Figure FDA0003381743500000051
式中，χ为新能源弃电率，hST为光热电站的年利用小时数。
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