CN115688448A - 一种考虑共享储能的多区域综合能源系统优化调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电力系统优化调度领域,具体涉及一种考虑共享储能的多区域综合能源系统优化调度模型。解决了现有技术中存在的系统运行成本高和系统污染物排放量大的问题。本发明通过对考虑共享储能的多区域综合能源系统进行分析,建立系统的共享储能模型,各个综合能源系统的需求响应模型以及系统间能量转化关系,据此建立以最小化运行成本和污染物排放量为目标的考虑共享储能的多区域综合能源系统优化调度方法。本发明在满足多区域综合能源系统安全运行的前提下,提升多区域综合能源系统的电负荷需求侧响应能力与需求侧响应水平,提高系统对能源的利用率与系统经济性,减少污染物的排放。
Description
技术领域
本发明属于电力系统优化调度领域,具体涉及一种考虑共享储能的多区域综合能源系统优化调度方法。
背景技术
随着世界各国对环境污染以及能源危机的持续关注,传统火力发电由于其发电效率低、碳排放量高、污染严重等原因,正面临着严峻的挑战。能源始终在人类社会发展的进程中担任不可缺少的角色,如何减少能源资源的浪费,以达到社会的可持续发展成为人类面临的首要问题。
为了解决当下存在的问题,近年来,为了进一步提高能源效率,微网正逐步发展成为以综合能源系统为核心的能源互联网。能源互联网现已成为全球能源发展的最新方向,也是中国未来能源发展的战略重点。
发明内容
本发明提供了一种考虑共享储能的多区域综合能源系统优化调度方法,解决了现有技术中存在的系统运行成本高和系统污染物排放量大的问题。本发明对系统能源转换设备以及共享储能系统进行优化调度,在满足多区域综合能源系统安全运行的前提下,提升多区域综合能源系统的电负荷需求侧响应能力与需求侧响应水平,提高系统对能源的利用率与系统经济性,减少污染物的排放。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一种考虑共享储能的多区域综合能源系统优化调度方法,包括:对综合能源系统内部各个能量转换装置之间的耦合关系建模,并建立共享储能系统数学模型;将共享储能系统数学模型与多个区域性综合能源互联系统相连,建立考虑共享储能的多区域综合能源系统模型;
根据需求侧响应用户的补偿成本,建立各区域内部需求侧响应模型;
根据需求侧响应模型和考虑共享储能的多区域综合能源系统模型,建立考虑共享储能的多区域综合能源系统优化调度模型和优化调度策略,并进行多目标协同优化;通过对考虑共享储能的多区域综合能源系统优化调度模型采用多目标灰狼算法求解,得到考虑共享储能的多区域综合能源系统的优化调度结果。
所述对综合能源系统内部各个能量转换装置之间的耦合关系建模,包括:
采用电池储的储电能能量、充放电功率约束对电池储装置建立数学模型:
Ece(t)为集中储能系统t时刻的储电量,分别为第i个区域与集中储能系统的电能获取,供给Ηc、ηd分别为集中储能系统的充放电效率。CSES为共享储能成本,ηSES,t储能租赁价格,为t时段区域综合能源系统n与共享储能系统交互电能。
所述需求侧响应采用削减负荷、转移负荷和替代负荷三种方式,三种方式下允许的电力负荷调整量约束分别为:
式中,CDR为对参与DSM用户的补偿成本;α,β和γ分别为削减负荷,转移负荷和替代负荷的单位容量补偿系数;PL(t)为未实施需求响应之前区域i在时段t的负荷;δC,δM和δT分别为需求侧可削减,可转移和可替代负荷的比例系数。
所述考虑共享储能的多区域综合能源系统模型为:
式中,和为t时刻输入综合能源系统i的电能,气能和热能;和为t时刻第i个区域性综合能源系统的电负荷,气负荷和热负荷;E为集中储能系统矩阵,为t时刻集中储能系统从第i个区域性综合能源系统获取或供给的电能;和分别为t时刻第i个区域性综合能源系统需求响应;和为t时刻第i个区域性综合能源系统电削减、电转移、电替代负荷量;为t时刻第i个区域性综合能源系统气替代负荷量。
所述考虑共享储能的多区域综合能源系统优化调度模型包括两组目标函数,分别为:
最小化多区域综合能源系统运行成本的目标函数;
最小化多区域综合能源系统污染物排放量的目标函数。
所述考虑共享储能的多区域综合能源系统优化调度模型还包括下述约束条件:电平衡约束、热平衡约束、气平衡约束、发电出力上下限约束和集中储能系统约束。
所述考虑共享储能的多区域综合能源系统优化调度模型标准形式为:
公式中:minfi(x)为目标函数;gj(x)和hk(x)分别为等式约束和不等式约束条件。
所述考虑共享储能的多区域综合能源系统优化调度策略流程包括:
S1、输入各区域输入的风光出力、热源出力以及各区域的电、热、气负荷数据;
S2、以负荷数据为基础,以总成本最小和污染物排放量最小为目标,进行综合能源系统与共享储能系统间的协同调节;
S3、根据协同调节结果判断各区域的能源需求和能源输入关系;
S4、通过能源需求和能源输入关系,获得综合能源系统内部的能量最优转化、共享储能系统的最优充放电策略以及综合能源系统与共享储能的协调控制方式;
S5、依据S4最终获得考虑共享储能的多区域综合能源系统优化调度策略。
本发明的有益效果为:通过对考虑共享储能的多区域综合能源系统进行分析,建立系统的共享储能模型,各个综合能源系统的需求响应模型以及系统间能量转化关系,据此建立以最小化运行成本和污染物排放量为目标的考虑共享储能的多区域综合能源系统优化调度方法。所建立的方法有效的减少了系统对环境的污染,提高了多个综合能源系统与共享储能系统间的能量协调能力以及系统整体与外部的需求响应效果。对电网建设面临的资源紧缺以及环境污染的问题下提供相关参考。
附图说明
图1是本发明考虑共享储能的多区域综合能源系统图;
图2是本发明考虑共享储能的多区域综合能源系统优化调度策略图;
图3是本发明考虑共享储能的多区域综合能源系统优化调度模型求解流程图;
具体实施方式
下面结合附图并通过具体的实施例进一步的说明本发明的技术方案:
实施例1
1、含共享储能的多区域综合能源系统
本发明建立数学模型的物理对象是一个通过电联络线将共享储能与多个区域性综合能源互联系统相连,其示意图如图1所示。其主要的电能、天然气、热能由区域外网联接不同能源进行供给,并将多个综合能源系统与共享储能系统通过电器互连线互联,形成的大规模复杂综合能源系统集群定义为多区域综合能源互联系统。
(1)共享储能系统
图1中的共享储能电站运营商利用资金优势在用户群间建立大型共享储能电站,对储能电站进行统一运营管理,为多个综合能源系统提供共享储能服务。共享储能服务即用户使用共享储能电站的储能装置满足用户内部充电和放电的需求,不受时间和容量的限制。用户通过向储能电站运营商缴纳服务费用换取共享储能服务。储能服务费用是用户使用共享储能电站充电和放电,需向共享储能电站缴纳的费用。
集中储能设备装置通过利用蓄电池进行电的充电与放电,因此选用电池储的储电能能量、充放电功率等约束对电池储装置建立数学模型:
Ece(t)为集中储能系统t时刻的储电量,分别为第i个区域与集中储能系统的电能获取,供给。Ηc、ηd分别为集中储能系统的充放电效率。CSES为共享储能成本,ηSES,t储能租赁价格,为t时段区域综合能源系统n与共享储能系统交互电能。
(2)需求侧响应模型
在区域性综合能源系统中,需求侧响应的作用主要体现在三个方面:①挖掘和利用弹性负荷、增强负荷的可控性;②改善负荷曲线轮廓、平抑负荷波动、改善系统的安全性与经济性;③延缓高峰负荷增长压力、延缓发输电容量的投资需求。
需求侧响应的实施可以采用削减负荷、转移负荷和替代负荷三种方式。在各个综合能源系统中,用户可以采取削减负荷、转移负荷和替代负荷。下面给出这三种需求侧响应的数学描述。根据三种需求侧响应方式下的电力负荷调整量,确定对参与需求侧响应的用户的补偿成本,根据系统的实际需要,对三种DSM方式下允许的电力负荷调整量进行约束:
式中,CDR为对参与DSM用户的补偿成本;α,β和γ分别为削减负荷,转移负荷和替代负荷的单位容量补偿系数。式中:PL(t)为未实施需求响应之前区域i在时段t的负荷,δC,δM和δT分别为需求侧可削减,可转移和可替代负荷的比例系数,由具体负荷的结构和特性决定。
(3)考虑共享储能的多区域综合能源系统模型
MRIEIS中各个区域性综合能源系统结构如图3所示,由变电站、燃气轮机、燃气锅炉、P2G、电制冷器、吸热制冷器及空调组成。该综合能源系统对输入的电能、天然气能及热能进行、分配之后通过能量管理器进行汇集后,向用户提供电、气、热、冷能。针对多区域能源互联系统中不同能源形式间能量转换以及耦合关系问题,本发明引入6个随时间变化的调度因子以提高多区域能源互联系统需求侧响应能力:空调制冷制热量调度因子α,电制冷器制冷量占比因子ε、燃气轮机产电量占比系数β、燃气锅炉产热量占比系数P2G设备产气量占比因子λ、吸热制冷器吸热制冷量占比因子γ。由上述分析可得本发明所研究的综合能源系统能量耦合矩阵C如下:
在上述模型的基础上,建立考虑共享储能系统以及综合能源系统MRIEIS能量转换模型。
式中,和为t时刻输入综合能源系统i的电能,气能和热能。和为t时刻第i个区域性综合能源系统的电负荷,气负荷和热负荷。E为集中储能系统矩阵,为t时刻集中储能系统从第i个区域性综合能源系统获取或供给的电能。和分别为t时刻第i个区域性综合能源系统需求响应。和为t时刻第i个区域性综合能源系统电削减、电转移、电替代负荷量。为t时刻第i个区域性综合能源系统气替代负荷量。
2、考虑共享储能的多区域综合能源系统优化调度模型
在MRIEIS中考虑集中储能系统与需求响应进行多目标协同优化,将一天的研究周期划分为24个时段,考虑系统总运行成本和能源转换过程中污染物排放两个优化目标。同时,考虑电、气、热平衡约束及其他约束条件,建立多MRIEIS多目标优化模型。
(1)目标函数
1)目标函数1:最小化多区域综合能源系统运行成本
第一个目标函数的目的是最小化MRIEIS运行成本,包括三部分各个区域性综合能源系统,集中储能系统运行成本和需求响应成本。
公式中,CCOST为MRIEIS系统总运行成本,i为区域性综合能源系统数量,为t时刻燃气轮机i的发电成本,为t时刻燃气锅炉i的产热成本,和分别为t时刻综合能源系统i购电,购气和购热成本,为t时刻空调i的产热成本,为t时刻P2G设备i的产气成本,CE为集中储能系统运行成本。为t时刻燃气轮机i产电量,分别为t时刻燃气锅炉和空调i的产热功率,为t时刻P2G设备i的耗电量,分别为t时刻综合能源系统i购电,购气和购热功率。
2)目标函数2:最小化多区域综合能源系统污染物排放量
(2)约束条件
1)电平衡约束
2)热平衡约束
3)气平衡约束
4)发电出力上下限约束
5)集中储能系统约束
由于集中储能系统的技术原因,其约束条件如下:
公式中,为集中储能系统从第i个区域综合能源系统获取电能的上限;为集中储能系统向第i个区域综合能源系统供给电能的上限;ue为集中储能向外供给获取电能变量,当ue=1时,集中储能系统向外部获取电能;当ue=0时,集中储能系统向外部供给电能。为集中储能系统储存容量的上下限。
3、考虑共享储能的多区域综合能源系统优化调度策略
本发明对多区域综合能源系统的优化调度策略流程如图2所示。
(1)、获取互联系统总的热源、气源出力预测以及风光出力、各个区域当前用能需求。以MRIEIS系统总运行成本最优和能源转换过程中污染物排放最优为目标,对MRIEIS系统进行能源优化调度。
(2)、在t时刻某区域综合能源系统电、气、热负荷的给定需求下,当本区域综合源系统自身总的供能能力比其负荷需求大时,则认为该区域可以对其他区域综合能源系统和共享储能系统提供一定电能,可根据其他综合能源系统的能源调节需求,进行各个区域间的能源协同调度。
(3)、在t时刻某区域电、气、热负荷的给定需求下,当本区域综合源系统自身总的供能能力与总的负荷需有差额时,差额部分的能源供需则可向其他综合能源系统或者共享储能系统发出能源调节请求,进行区域间的能源协同调度。
(4)、从多区域能源互联系统自身进行考虑,在保证自身负荷需求的前提下,当大电网用电达到峰值时,多区域综合能源互联系统减少从大电网获取的电能,并且通过共享储能和转换气能进行电能缺额补充及因电能减少带来的热能缺额补充。以起到削峰的作用。
(5)、从多区域能源互联系统自身经济性进行考虑,在保证自身负荷需求的前提下,当t时刻电网电价处于谷时时,系统增加对电能的使用:共享储能系统进行电能存储以供给系统在其他电价峰端时段的用电需求,各个综合能源系统中,增加电能的需求,以减少气能和热能需求。多区域综合能源系统总体上对外呈现集群需求侧响应特性。
4、考虑共享储能的多区域综合能源优化调度模型求解。
本发明所建立的MRIEIS系统优化调度模型为多目标非线性规划问题,其标准形式为:
本发明通过多目标灰狼算法对上述多目标非线性规划问题进行求解,具体求解流程见图3。
实施例2
本实施例提供一种电子设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明实施例1提供的考虑共享储能的多区域综合能源系统优化调度模型。
实施例3
本实施例提供一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,该程序被处理器执行时实现本发明实施例1提供的考虑共享储能的多区域综合能源系统优化调度模型。
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。
本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现,例如,面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
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。
尽管已描述了本申请的优选实施例,但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念,则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以,所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然,本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样,倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内,则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种考虑共享储能的多区域综合能源系统优化调度方法,其特征在于,包括:
对综合能源系统内部各个能量转换装置之间的耦合关系建模,并建立共享储能系统数学模型;将共享储能系统数学模型与多个区域性综合能源互联系统相连,建立考虑共享储能的多区域综合能源系统模型;
根据需求侧响应用户的补偿成本,建立各区域内部需求侧响应模型;
根据需求侧响应模型和考虑共享储能的多区域综合能源系统模型,建立考虑共享储能的多区域综合能源系统优化调度模型和优化调度策略,并进行多目标协同优化;通过对考虑共享储能的多区域综合能源系统优化调度模型采用多目标灰狼算法求解,得到考虑共享储能的多区域综合能源系统的优化调度结果。
5.根据权利要求1所述的一种考虑共享储能的多区域综合能源系统优化调度方法,其特征在于:所述考虑共享储能的多区域综合能源系统优化调度模型包括两组目标函数,分别为:
最小化多区域综合能源系统运行成本的目标函数;
最小化多区域综合能源系统污染物排放量的目标函数。
6.根据权利要求5所述的一种考虑共享储能的多区域综合能源系统优化调度方法,其特征在于:所述考虑共享储能的多区域综合能源系统优化调度模型还包括下述约束条件:电平衡约束、热平衡约束、气平衡约束、发电出力上下限约束和集中储能系统约束。
8.根据权利要求1所述的一种考虑共享储能的多区域综合能源系统优化调度方法,其特征在于:所述考虑共享储能的多区域综合能源系统优化调度策略流程包括:
S1、输入各区域输入的风光出力、热源出力以及各区域的电、热、气负荷数据;
S2、以负荷数据为基础,以总成本最小和污染物排放量最小为目标,进行综合能源系统与共享储能系统间的协同调节;
S3、根据协同调节结果判断各区域的能源需求和能源输入关系;
S4、通过能源需求和能源输入关系,获得综合能源系统内部的能量最优转化、共享储能系统的最优充放电策略以及综合能源系统与共享储能的协调控制方式;
S5、依据S4结果最终获得考虑共享储能的多区域综合能源系统优化调度策略。
9.一种电子设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至8任一项所述的考虑共享储能的多区域综合能源系统优化调度模型。
10.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,该程序被处理器执行时实现如权利要求1至8任一项所述的考虑共享储能的多区域综合能源系统优化调度模型。
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