CN115689166A - 一种区域分布式能源资源聚合利用方法及系统 - Google Patents

一种区域分布式能源资源聚合利用方法及系统 Download PDF

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CN115689166A CN202211235466.0A CN202211235466A CN115689166A CN 115689166 A CN115689166 A CN 115689166A CN 202211235466 A CN202211235466 A CN 202211235466A CN 115689166 A CN115689166 A CN 115689166A
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王苗苗
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李颖源
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Abstract

本发明涉及能源工程技术，特别是一种区域分布式能源资源聚合利用方法及系统。本发明以用户聚合群经济效益最优为目标建立了用户聚合群协调运行模型，在此基础上提出了分布式能源设备协调调度策略和购售能量策略，并建立了区域分布式能源资源聚合增值效益模型、效益分配模型以及费用结算模型，创新性地从信息流、能量流、资金流明晰了区域分布式能源资源在聚合时参与主体间的价值交互渠道，为资源聚合商和分布式能源设备用户提供了明确的效益感知途径，有效提升了区域分布式能源设备整体利用率，降低了分布式能源设备用户的净用能成本。

Description

一种区域分布式能源资源聚合利用方法及系统
技术领域
本发明涉及能源工程技术，特别是一种区域分布式能源资源聚合利用方法及系统。
背景技术
分布式能源(Distributed Energy Sources，简称DER)是一种建在终端用户侧附近直接面向用户多元用能需求的能源供应方式，既可以独立运行也可以并网运行。能源规划重点提出我国能源发展路径要转向户用分布式发展，形成大规模集中利用与分布式生产、就地消纳有机结合的格局；同时还提出要深化以市场化为导向的能源体制机制改革，优化能源供应布局，充分发挥市场配置资源的关键性作用。分布式能源具有建设周期短、供能可靠性高、环境效益优等特点，从目前我国分布式能源产业的发展趋势来看，分布式能源设备在终端用户侧的安装率正不断提高，用户自发自用的供用能方式也愈发普及，分布式能源市场从增量时代进入存量时代未来可期。
随着分布式能源在用户侧的广泛应用，一些问题也逐渐暴露出来。对于一定区域的分布式能源资源，由于这些资源地理位置分布发散、设备容量大小不均、用户自我消纳和调控能力高低不一、市场主体间互通渠道尚未完善，从而导致了大量的余剩资源未得到充分利用，分布式能源设备整体上还存在着较大的效率优化空间，用户侧也存在一定的用能经济效益提升潜力。此外，现阶段分布式能源领域相关物理技术虽然已经渐趋成熟，但对一定区域内的分布式能源利用方式却显得相对保守，总体上还处于先投资扩容建设再效益回收的模式，存在初始投资成本较高、投资风险较大、供用能经济效益不明晰等问题。
因此，需要规避重量化投资建设模式，依托现有分布式能源存量资源，从方式可行性和推广有效性的角度出发提出一种区域分布式能源资源聚合利用方法，来解决现有分布式能源设备整体利用率不高、市场主体间缺乏价值交互渠道、分布式能源设备用户净用能成本相对较高等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种区域分布式能源资源聚合利用方法及系统。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种区域分布式能源资源聚合利用方法，包括以下步骤：
S1：确立资源聚合主体，并对所述资源聚合主体进行职责分类；所述资源聚合主体包括分布式能源设备用户以及资源聚合商；所述分布式能源设备用户拥有不同种类、不同容量的分布式能源设备资源，且具备择时购买或出售能源的需求；所述资源聚合商拥有聚合平台，能够整合负责区域内的所述分布式能源设备用户参与分布式能源资源聚合；
S2：每个所述资源聚合商根据对应其负责区域内所述分布式能源设备用户的能源生产情况，制定分布式能源资源聚合利用条款，并向其负责区域内所述分布式能源设备用户传达条款内容；所述条款包括实施所述区域分布式能源资源聚合利用架构以及流程、所述资源聚合商与所述分布式能源设备用户双方的权利与义务信息；
S3：各个所述分布式能源设备用户向对应的所述资源聚合商填写分布式能源资源聚合申报表；所述申报表包括分布式能源设备类型、设备容量、设备功率及参与聚合时限；
S4：所述资源聚合商对所述分布式能源资源聚合申报表进行审核，并与通过审核的所述分布式能源设备用户签订分布式能源资源聚合利用合同；
S5：建立用户聚合群协调运行模型，资源聚合商根据通过审核的所述分布式能源资源聚合申报表求解所述协调运行模型，并制定出分布式能源设备协调调度策略和购售能量策略；所述用户聚合群为同一资源聚合商的负责区域内参与分布式能源资源聚合的所述分布式能源设备用户；
S6：进入协调运行后，所述分布式能源设备用户根据所述分布式能源设备协调调度策略实时控制自身的设备运行，同时所述资源聚合商根据所述购售能量策略在实际运行日中对应时段实施购售能行为；
S7：建立分布式能源资源聚合增值效益模型和效益分配模型，所述资源聚合商在进入协调运行后根据所述聚合增值效益模型对实际产生的聚合增值效益进行核算，并根据所述效益分配模型计算自身与分布式能源设备用户的效益分配。本发明从方法便于有效实施和利于推广应用的角度，同时结合市场实际情况对区域分布式能源资源在聚合利用时涉及的参与主体和实施进程进行了分析，从而提供了以上区域分布式能源资源聚合利用方法。本发明以用户聚合群经济效益最优为目标建立了用户聚合群协调运行模型，在此基础上提出了分布式能源设备协调调度策略和购售能量策略，并建立了区域分布式能源资源聚合增值效益模型、效益分配模型以及费用结算模型，创新性地从信息流、能量流、资金流明晰了区域分布式能源资源在聚合时参与主体间的价值交互渠道，为资源聚合商和分布式能源设备用户提供了明确的效益感知途径，有效提升了区域分布式能源设备整体利用率，降低了分布式能源设备用户的净用能成本。
作为本发明的优选方案，当所述资源聚合商负责区域内能源产能大于需求时，所述资源聚合商通过电网公司和/或燃气公司进行能源售卖；
当所述资源聚合商负责区域内能源产能小于需求时，所述资源聚合商通过电网公司和/或燃气公司进行能源购买。
作为本发明的优选方案，所述用户聚合群协调运行模型包括目标函数、能量平衡约束条件、分布式能源设备模型与对应的约束条件；
所述分布式能源设备协调调度策略和所述购售能量策略通过求解所述用户聚合群协调运行模型获得。
作为本发明的优选方案，所述目标函数为所述资源聚合商以所述用户聚合群净用能成本最小为目标进行策略制定，其表达式如下所示；
Figure BDA0003883422800000041
Figure BDA0003883422800000042
Figure BDA0003883422800000043
Figure BDA0003883422800000044
其中：
Figure BDA0003883422800000045
为用户聚合群的最小净用能成本；M＝{1、2、3、…、m}为用户聚合群组成的集合，m表示用户聚合群中分布式能源设备用户的数量，i∈M；Δt为单位时段的长度，T为一个运行日所包含的时段总数；
Figure BDA0003883422800000046
为t时段用户i的 CHP(combined heat andpower,热电联产)机组使用成本；
Figure BDA0003883422800000047
为t时段用户 i的购电成本；
Figure BDA0003883422800000048
为t时段用户i的售电收入；
Figure BDA0003883422800000049
为设备用户i的CHP机组在时刻t对应单位时段所消耗的天然气量值，
Figure BDA0003883422800000051
和
Figure BDA0003883422800000052
分别为设备用户i在时刻t的购电功率和售电功率；pgas为天然气单位价格，
Figure BDA0003883422800000053
为设备用户i在时刻t向电网公司的购电电价，psell为其向电网的售电电价。
作为本发明的优选方案，用户聚合群在任何时刻应保持功率输入和输出相等的能量平衡约束条件，所述能量平衡约束条件包括电平衡约束、热平衡约束和冷平衡约束，分别如下所示：
电平衡约束：
Figure BDA0003883422800000054
热平衡约束：
Figure BDA0003883422800000055
冷平衡约束：
Figure BDA0003883422800000056
式中：
Figure BDA0003883422800000057
和
Figure BDA0003883422800000058
分别为用户聚合群中设备用户i的PV(photovoltaic，光伏) 机组和WPG(wind power generator，风机)机组在时刻t的输出电功率；
Figure BDA0003883422800000059
和
Figure BDA00038834228000000510
分别为设备用户i的ESD(energy storage device，储能设备)在时刻t的放电功率和充电功率；
Figure BDA00038834228000000511
为设备用户i的CHP(combined heat andpower,热电联产) 机组在时刻t的输出电功率；
Figure BDA00038834228000000512
为设备用户i在时刻t的电负荷，
Figure BDA00038834228000000513
和
Figure BDA00038834228000000514
分别为设备用户i的ER(electricrefrigerator，电制冷机)和EB(electric boiler，电锅炉)在时刻t的输入电功率；
Figure BDA00038834228000000515
和
Figure BDA00038834228000000516
分别为设备用户i的EB和CHP机组在时刻t的输出热功率，
Figure BDA00038834228000000517
为其在时刻t的热负荷；
Figure BDA00038834228000000518
为设备用户i的ER在时刻t的输出冷功率，
Figure BDA00038834228000000519
为其在时刻t的冷负荷。
作为本发明的优选方案，所述分布式能源设备包括分布式PV机组和/或分布式WPG机组和/或分布式CHP机组和/或分布式ESD和/或分布式EB和/或分布式ER；各模型与其对应的约束条件如下所示：
分布式PV机组模型及出力上下限约束条件分别如下所示：
Figure BDA0003883422800000061
Figure BDA0003883422800000062
式中：
Figure BDA0003883422800000063
为设备用户i的PV机组在时刻t的最大输出功率，
Figure BDA0003883422800000064
为其PV 机组的装机容量，
Figure BDA0003883422800000065
为其PV机组在时刻t的功率比，根据光照辐射强度、光照入射角度、太阳能板的效率预设置；
分布式WPG机组，其出力模型及约束约束条件如下：
Figure BDA0003883422800000066
Figure BDA0003883422800000067
式中：
Figure BDA0003883422800000068
为设备用户i的WPG机组在时刻t的最大输出功率，
Figure BDA0003883422800000069
为其 WPG机组的装机容量，
Figure BDA00038834228000000610
为其WPG机组在时刻t的功率比，根据空气密度、风轮扫掠面积、风速、风机发电效率因素预设置；
分布式CHP机组的出力模型及约束条件如下：
Figure BDA00038834228000000611
Figure BDA00038834228000000612
Figure BDA00038834228000000613
式中：ηCHP为CHP机组的发电效率，q为天然气热值，kCHP为CHP机组的热电比，
Figure BDA0003883422800000071
为CHP机组的装机容量；
分布式ESD的约束条件包括分布式ESD充放电约束、日净充电量约束以及过充放电约束；
ESD充放电约束条件如下：
Figure BDA0003883422800000072
式中：
Figure BDA0003883422800000073
为设备用户i的ESD功率容量；
Figure BDA0003883422800000074
表示充放电状态，为0-1 状态变量，为1时表示ESD充电，为0时表示ESD放电；
日净充电量约束条件如下：
Figure BDA0003883422800000075
式中：ηCH为ESD的充电效率系数，ηDCH为ESD的放电效率系数；
ESD正常工作时满足下式：
SOCmin≤SOC(t)≤SOCmax；
式中：SOCmin为ESD的最小允许荷电状态，SOCmax为ESD的最大允许荷电状态；
每个运行日中ESD的过充放电约束条件如下：
Figure BDA0003883422800000076
式中：
Figure BDA0003883422800000077
为设备用户i的ESD存储容量；此外，式中左项的
Figure BDA0003883422800000078
表示ESD的最小允许存储电量，而中间项的
Figure BDA0003883422800000079
则表示ESD在每个运行日开始时的初始存储电量；
分布式EB和ER可分别将电能转化为热能和冷能，其出力模型及约束条件如下：
Figure BDA0003883422800000081
Figure BDA0003883422800000082
Figure BDA0003883422800000083
Figure BDA0003883422800000084
式中：ηEB为EB的电热转化效率系数，ηER为ER的电冷转化效率系数；
Figure BDA0003883422800000085
和
Figure BDA0003883422800000086
分别为设备用户i的EB和ER装机容量。
作为本发明的优选方案，所述分布式能源设备协调调度策略和所述购售能量策略的运算式如下所示：
所述分布式能源设备协调调度策略基于如下所示用户聚合群协调运行模型进行策略制定：
Figure BDA0003883422800000087
式中：Strategydisp表示资源聚合商制定的协调调度策略；
当用户聚合群出现能源缺额或冗余时，由资源聚合商进行统一的能源购买或售卖；资源聚合商购售能量策略的可表示如下：
Figure BDA0003883422800000088
Figure BDA0003883422800000089
Figure BDA00038834228000000810
Figure BDA0003883422800000091
式中：StrategyS&B表示资源聚合商的购售能策略；其中，
Figure BDA0003883422800000092
分别表示资源聚合商为用户聚合群M在时刻t的代购天然气量、代购电功率和代售电功率。
作为本发明的优选方案，所述分布式能源资源聚合增值效益模型用于表示每个用户聚合群中所有分布式能源设备用户在一个运行日产生的总节能效益；所述效益分配模型包括资源聚合商效益分配模型和分布式能源设备用户效益分配模型。
作为本发明的优选方案，所述分布式能源资源聚合增值效益模型的表达式为：
Figure BDA0003883422800000093
式中：Brelative(M)为用户聚合群体通过本方案获取的相对增值效益；
Figure BDA0003883422800000094
表示设备用户i在没有参与聚合行为时的独立运行日最小净用能成本；
明确资源聚合产生的增值效益后，将首先按照一定的比例分成给资源聚合商，并将剩余增值效益采用Shapley值法分配至各参与主体；
所述效益分配模型的表达式如下，具体的，聚合商收益如下所示：
ESPincome＝γBrelative(M)
式中：ESPincome为资源聚合商通过分成所获取的收入，γ表示资源聚合商制定的分成比例系数；
聚合商分成后的剩余增值效益如下所示，此部分收益将在参与聚合的用户群体中分成：
Brest(M)＝Brelative(M)-ESPincome
各位用户将基于Shapley值理论，在剩余聚合增值效益中分配自身应得的收益；具体表达式如下所示：
Figure BDA0003883422800000101
式中：Incomei为用户聚合群M中设备用户i获得的聚合增值效益分配值；χ为 M的非空子集，表示由M中的不同设备用户组成的用户聚合群；Brest(χ)为有用户 i参与聚合时产生的剩余聚合增值效益，Brest(χ\i)没有用户i参与聚合时，用户群所产生的剩余聚合增值效益；|χ|表示用户聚合群S包含的用户数，|M|表示用户聚合群M包含的用户数；
所述资源聚合商根据以上模型制定出分布式能源设备协调调度策略和购售能量策略，以及根据所述效益分配模型计算自身与分布式能源设备用户的效益分配。
一种区域分布式能源资源聚合利用系统，所述系统能够实施以上任一所述的一种区域分布式能源资源聚合利用方法，包括平台层、通讯层、用户层和设备层；
所述平台层为所述资源聚合商，用于根据所述分布式能源设备协调调度策略和所述购售能量策略向所述用户层发送控制指令；
所述通讯层为智能通讯网，用于满足所述平台层与所述用户层之间的通讯；
所述用户层为分布式能源设备用户，用于接收所述平台层的控制指令，并根据所述控制指令对所述设备层进行控制；
所述设备层为分布式能源生产设备，用于根据所述用户层的控制进行能源的生产；
所述系统包括以下运行流程：
所述平台层的资源聚合商根据用户聚合群内所有分布式能源设备用户在运行日前上报的分布式能源资源聚合申报表，生成运行日中各时刻分布式能源设备的协调调度策略及平台购售能量策略，并将对应设备调度策略提前通过所述通讯层的通讯网络传递给所述用户层的对应设备用户；所述分布式能源设备用户接收来自所述通讯层的指令信息，并在运行日通过本地控制器实时控制所述设备层中所属设备进行能源生产。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明从方法便于有效实施和利于推广应用的角度，同时结合市场实际情况对区域分布式能源资源在聚合利用时涉及的参与主体和实施进程进行了分析，从而提供了以上区域分布式能源资源聚合利用方法。本发明以用户聚合群经济效益最优为目标建立了用户聚合群协调运行模型，在此基础上提出了分布式能源设备协调调度策略和购售能量策略，并建立了区域分布式能源资源聚合增值效益模型、效益分配模型以及费用结算模型，创新性地从信息流、能量流、资金流明晰了区域分布式能源资源在聚合时参与主体间的价值交互渠道，为资源聚合商和分布式能源设备用户提供了明确的效益感知途径，有效提升了区域分布式能源设备整体利用率，降低了分布式能源设备用户的净用能成本。
附图说明
图1为本发明实施例1所述的一种区域分布式能源资源聚合利用方法的流程示意图。
图2为本发明实施例2所述的一种区域分布式能源资源聚合利用方法中区域分布式能源资源聚合参与主体示意图。
图3为本发明实施例4所述的一种区域分布式能源资源聚合利用方法中分布式能源设备用户B1的电-热-冷负荷示意图。
图4为本发明实施例4所述的一种区域分布式能源资源聚合利用方法中分布式能源设备用户B2的电-热-冷负荷示意图。
图5为本发明实施例4所述的一种区域分布式能源资源聚合利用方法中分布式能源设备用户B3的电-热-冷负荷示意图。
图6为本发明实施例4所述的一种区域分布式能源资源聚合利用方法中分布式能源设备用户B4的电-热-冷负荷示意图。
图7为本发明实施例4所述的一种区域分布式能源资源聚合利用方法中分布式能源设备用户B5的电-热-冷负荷示意图。
图8为本发明实施例4所述的一种区域分布式能源资源聚合利用方法中冬季典型日光伏功率比曲线示意图。
图9为本发明实施例4所述的一种区域分布式能源资源聚合利用方法中冬季典型日风机功率比曲线示意图。
图10为本发明实施例4所述的一种区域分布式能源资源聚合利用方法中用户B1～B5参与聚合前后CHP机组和ESD的电能总输出情况对比示意图。
图11为本发明实施例4所述的一种区域分布式能源资源聚合利用方法中用户B1～B5参与聚合前后净用能成本对比示意图。
图12为本发明实施例5所述的一种区域分布式能源资源聚合利用系统的架构示意图。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
如图1所示，一种区域分布式能源资源聚合利用方法，包括以下步骤：
S1：确立资源聚合主体，并对所述资源聚合主体进行职责分类；所述资源聚合主体包括分布式能源设备用户以及资源聚合商。
其中，所述分布式能源设备用户拥有不同种类、不同容量的分布式能源设备资源，且具备择时购买或出售能源的需求；其对应的职责为：用户应在每轮时段截止日期前如实上报分布式能源资源聚合申报表，并在对应时段严格依照资源聚合商所求解的协调运行结果开展能源生产。
所述资源聚合商拥有聚合平台，能够整合负责区域内的所述分布式能源设备用户参与分布式能源资源聚合；其对应的职责为：资源聚合商收集用户上报的资源聚合申报表，并在对应时段以聚合群体最小用能成本为目标，求解所述协调运行模型，并制定出分布式能源设备协调调度策略和购售能量策略，组织聚合群体开展能源生产。
S2：每个所述资源聚合商根据对应其负责区域内所述分布式能源设备用户的能源生产情况，制定分布式能源资源聚合利用条款，并向其负责区域内所述分布式能源设备用户传达条款内容；所述条款包括实施所述区域分布式能源资源聚合利用架构以及流程、所述资源聚合商与所述分布式能源设备用户双方的权利与义务信息；
S3：各个所述分布式能源设备用户向对应的所述资源聚合商填写分布式能源资源聚合申报表；所述申报表包括分布式能源设备类型、设备容量、设备功率及参与聚合时限。
S4：所述资源聚合商对所述分布式能源资源聚合申报表进行审核，并与通过审核的所述分布式能源设备用户签订分布式能源资源聚合利用合同。其中，所述审核为审核所述分布式能源资源聚合申报表中填写的数据(包括分布式能源设备类型、设备容量、设备功率、参与聚合时限)是否有误，若无虚报，则通过审核。
S5：建立用户聚合群协调运行模型，资源聚合商根据通过审核的所述分布式能源资源聚合申报表求解所述协调运行模型，并制定出分布式能源设备协调调度策略和购售能量策略；所述用户聚合群为同一资源聚合商的负责区域内参与分布式能源资源聚合的所述分布式能源设备用户。
S6：进入协调运行后，所述分布式能源设备用户根据所述分布式能源设备协调调度策略实时控制自身的设备运行，同时所述资源聚合商根据所述购售能量策略在实际运行日中对应时段实施购售能行为。
S7：建立分布式能源资源聚合增值效益模型和效益分配模型，所述资源聚合商在进入协调运行后根据所述聚合增值效益模型对实际产生的聚合增值效益进行核算，并根据所述效益分配模型计算自身与分布式能源设备用户的效益分配。
其中，所述分布式能源资源聚合增值效益模型用于表示每个用户聚合群中所有分布式能源设备用户在一个运行日产生的总节能效益；所述效益分配模型包括资源聚合商效益分配模型和分布式能源设备用户效益分配模型。
实施例2
如图2所示，本实施例与所述例1的区别在于，所述资源聚合主体还包括电网公司和/或燃气公司。
当所述资源聚合商负责区域内能源产能大于需求时，所述资源聚合商通过电网公司和/或燃气公司进行能源售卖；或对应分布式能源设备用户处直接通过配电网和/或配气网将能源直接售卖到所述电网公司和/或所述燃气公司。
当所述资源聚合商负责区域内能源产能小于需求时，所述资源聚合商通过电网公司和/或燃气公司进行能源购买；或所述电网公司和/或所述燃气公司直接通过配电网和/或配气网将能源直接售卖到对应分布式能源设备用户处。
实施例3
本实施例为实施例1所述S5和S7中相关模型的具体建立说明，鉴于实际情况下区域内的分布式能源设备种类繁杂、用户用能需求各异，本实施例从普适性的角度仅考虑区域内存在光伏(photovoltaic，PV)、风机(wind power generator，WPG)，热电联产(combined heat and power,CHP)机组、储能设备 (energy storage device，ESD)及相关能源转化设备，分布式能源设备用户拥有电、热、冷负荷需求，并在此基础上针进行模型及策略的构建。
所述S5中所述用户聚合群协调运行模型由目标函数、能量平衡约束条件、分布式能源设备模型与对应的约束条件组成，通过求解用户聚合群协调运行模型进而获得分布式能源设备协调调度策略和购售能量策略。
资源聚合商将以用户聚合群净用能成本最小为目标进行策略制定，建立如下用户聚合群净用能成本目标函数：
Figure BDA0003883422800000161
Figure BDA0003883422800000162
Figure BDA0003883422800000163
Figure BDA0003883422800000164
式中：
Figure BDA0003883422800000165
为用户聚合群的最小净用能成本；M为用户聚合群组成的集合，数学描述为M＝{1、2、3、…、m}，其中，m数值意义表示用户聚合群中分布式能源设备用户的数量；Δt为单位时段的长度，T为一个运行日所包含的时段总数(若Δt取1h，T即为24)；i为集合M中的元素，可描述为i∈M；
Figure BDA0003883422800000166
为t时段用户i的CHP机组使用成本；
Figure BDA0003883422800000167
为t时段用户i的购电成本；
Figure BDA0003883422800000168
为t时段用户i的售电收入；
Figure BDA0003883422800000169
为设备用户i的CHP机组在时刻t对应单位时段所消耗的天然气量值，
Figure BDA00038834228000001610
和
Figure BDA00038834228000001611
分别为设备用户i在时刻t的购电功率和售电功率；pgas为天然气单位价格，
Figure BDA00038834228000001612
为设备用户i在时刻t向电网公司的购电电价，psell为其向电网的售电电价(即上网电价)，本文结合国内市场环境和政策趋向，取psell为燃煤机组标杆上网电价。
用户聚合群在任何时刻应保持功率输入和输出相等的能量平衡约束条件，包括电平衡约束、热平衡约束和冷平衡约束，分别如下所示：
Figure BDA0003883422800000171
Figure BDA0003883422800000172
Figure BDA0003883422800000173
式中：
Figure BDA0003883422800000174
和
Figure BDA0003883422800000175
分别为用户聚合群中设备用户i的PV和WPG在时刻t的输出电功率；
Figure BDA0003883422800000176
和
Figure BDA0003883422800000177
分别为设备用户i的ESD在时刻t的放电功率和充电功率；
Figure BDA0003883422800000178
为设备用户i的CHP机组在时刻t的输出电功率；
Figure BDA0003883422800000179
为设备用户 i在时刻t的电负荷(不含能源转化设备所耗电功率)，
Figure BDA00038834228000001710
和
Figure BDA00038834228000001711
分别为设备用户i的电制冷机(electric refrigerator，ER)和电锅炉(electric boiler，EB)在时刻t的输入电功率；
Figure BDA00038834228000001712
和
Figure BDA00038834228000001713
分别为设备用户i的EB和CHP机组在时刻t 的输出热功率，
Figure BDA00038834228000001714
为其在时刻t的热负荷；
Figure BDA00038834228000001715
为设备用户i的ER在时刻t的输出冷功率，
Figure BDA00038834228000001716
为其在时刻t的冷负荷。
分布式风光机组模型及出力上下限约束条件分别如下所示：
Figure BDA00038834228000001717
Figure BDA00038834228000001718
式中：
Figure BDA00038834228000001719
为设备用户i的PV机组在时刻t的最大输出功率，
Figure BDA00038834228000001720
为其PV 机组的装机容量，
Figure BDA00038834228000001721
为其PV机组在时刻t的功率比，与光照辐射强度、光照入射角度、太阳能板的效率等因素有关。
类似的，对分布式小型WPG机组，其出力模型及约束约束条件如下：
Figure BDA00038834228000001722
Figure BDA00038834228000001723
式中：
Figure BDA0003883422800000181
为设备用户i的WPG机组在时刻t的最大输出功率，
Figure BDA0003883422800000182
为其WPG机组的装机容量，
Figure BDA0003883422800000183
为其WPG机组在时刻t的功率比，与空气密度、风轮扫掠面积、风速、风机发电效率等因素有关。
分布式CHP机组可以将天然气中的化学能转化为电能和热能，其出力模型及约束可描述为：
Figure BDA0003883422800000184
Figure BDA0003883422800000185
Figure BDA0003883422800000186
式中：ηCHP为CHP机组的发电效率，q为天然气热值，kCHP为CHP机组的热电比，
Figure BDA0003883422800000187
为CHP机组的装机容量。
分布式ESD约束条件主要包括分布式ESD充放电约束、日净充电量约束以及过充放电约束。ESD充放电约束条件如下：
Figure BDA0003883422800000188
式中：
Figure BDA0003883422800000189
为设备用户i的ESD功率容量；
Figure BDA00038834228000001810
表示充放电状态，为0-1 状态变量，为1时表示ESD充电，为0时表示ESD放电。
为保证ESD在后续运行日能连续循环运行，应使每个运行日ESD的净充电量为零。其日净充电量约束条件如下：
Figure BDA00038834228000001811
式中：ηCH为ESD的充电效率系数，ηDCH为ESD的放电效率系数。
通常情况下，为提高ESD的正常使用寿命，在任何时刻都要保持其荷电状态处于正常工作区，如下式所示：
SOCmin≤SOC(t)≤SOCmax
式中：SOCmin为ESD的最小允许荷电状态，SOCmax为ESD的最大允许荷电状态。为使ESD在运行日中任意时刻t的储存电量均在正常工作区内，结合上式和日净充电量约束，将每个运行日中ESD的过充放电约束条件如下：
Figure BDA0003883422800000191
式中：
Figure BDA0003883422800000192
为设备用户i的ESD存储容量。此外，式中左项的
Figure BDA0003883422800000193
表示ESD的最小允许存储电量(对应最小荷电状态)，而中间项的
Figure BDA0003883422800000194
则表示ESD在每个运行日开始时的初始存储电量，两者等值是由于受到ESD 的日净充电量约束。
分布式EB和ER可分别将电能转化为热能和冷能，其出力模型及约束条件如下：
Figure BDA0003883422800000195
Figure BDA0003883422800000196
Figure BDA0003883422800000197
Figure BDA0003883422800000198
式中：ηEB为EB的电热转化效率系数，ηER为ER的电冷转化效率系数；
Figure BDA0003883422800000199
和
Figure BDA00038834228000001910
分别为设备用户i的EB和ER装机容量。
以上为所述用户聚合群协调运行模型的具体内容，通过求解用户聚合群协调运行模型，可以进一步获得分布式能源设备协调调度策略，如下所示：
用户聚合群协调运行模型如下所示：
Figure BDA0003883422800000201
式中：Strategydisp表示资源聚合商制定的协调调度策略，其涵盖了运行日内各设备的计划出力信息，可作为资源聚合商指导设备用户协调控制分布式能源设备运行的直接依据。
当用户聚合群出现能源缺额或冗余时，由资源聚合商进行统一的能源购买或售卖。资源聚合商购售能量策略的可表示如下：
Figure BDA0003883422800000202
Figure BDA0003883422800000203
Figure BDA0003883422800000204
Figure BDA0003883422800000205
式中：StrategyS&B表示资源聚合商的购售能策略；其中，
Figure BDA0003883422800000206
分别表示资源聚合商为用户聚合群M在时刻t的代购天然气量、代购电功率和代售电功率。
所述S7中，所述分布式能源资源聚合增值效益模型的物理意义表示用户聚合群中所有分布式能源设备用户在一个运行日产生的总节能效益，效益分配模型包括资源聚合商效益分配模型和分布式能源设备用户效益分配模型。
用户聚合群通过设备的协调运行和能量的融通聚合，能够实现比设备用户参与聚合前独立运行时更好的经济效益。为量化参与聚合所产生的增值效益，建立如下聚合增值效益模型：
Figure BDA0003883422800000211
式中：Brelative(M)为用户聚合群体通过本方案获取的相对增值效益；
Figure BDA0003883422800000212
表示设备用户i在没有参与聚合行为时的独立运行日最小净用能成本。
聚合商收益如下所示：
ESPincome＝γBrelative(M)
式中：ESPincome为资源聚合商通过分成所获取的收入，γ表示资源聚合商制定的分成比例系数。
聚合商分成后的剩余增值效益如下所示，此部分收益将在参与聚合的用户群体中分成：
Brest(M)＝Brelative(M)-ESPincome
各位用户将基于Shapley值理论，在剩余聚合增值效益中分配自身应得的收益。Shapley值法是一种从数学角度解决多方合作联盟收益分摊问题的方法，该方法可使成员分配的收益等于自身对联盟收益的边际贡献，从而使收益分配更为合理。具体表达式如下所示：
Figure BDA0003883422800000213
式中：Incomei为用户聚合群M中设备用户i获得的聚合增值效益分配值；χ为 M的非空子集，表示由M中的不同设备用户组成的用户聚合群；Brest(χ)为有用户 i参与聚合时产生的剩余聚合增值效益，Brest(χ\i)没有用户i参与聚合时，用户群所产生的剩余聚合增值效益；|χ|表示用户聚合群S包含的用户数，|M|表示用户聚合群M包含的用户数。
所述资源聚合商能够根据以上模型制定出分布式能源设备协调调度策略和购售能量策略，以及根据所述效益分配模型计算自身与分布式能源设备用户的效益分配。为资源聚合商和分布式能源设备用户提供了明确的效益感知途径，有效提升了区域分布式能源设备整体利用率，降低了分布式能源设备用户的净用能成本。
实施例4
本实施例为实施例1所述方法的具体应用例：
本发明选取某区域5家企业作为分布式能源设备用户(B1～B5)为例进行分析，以冬季某典型日为运行日(Δt取1h)，论证所提方法的可行性、有效性。用户B1～B5在用能模式和用能习惯上存在差异，图3-8给出了其在该典型日内各时刻的电、热、冷负荷需求情况。用户B1～B5的分布式能源设备容量设置如表1所示，各设备物理参数取值参见表2。
表1用户B1～B5分布式能源设备装机容量
Figure BDA0003883422800000221
表2分布式能源设备物理参数取值表
Figure BDA0003883422800000231
结合该典型日光照、风速等历史数据，给出风光机组的功率比曲线如图8、图9所示。取天然气价格为2.2116元/m，燃煤机组标杆上网电价为0.4012元/kW·h。用户B1～B5用电价格采用一般工商业用户分时电价：在1-6和23-24时段为0.4263 元/kW·h，在7-10和19-22时段为1.2567元/kW·h，在11-18时段为0.8406元/ kW·h。设资源聚合商的聚合增值效益分成比例系数k为0.2。
基于一个运行日，可通过对比用户聚合群中所有设备用户参与聚合前后某类型设备的总输入或总输出情况来判定该类设备总体利用率的变化。以CHP机组和ESD为例，如图10所示。由图10可见，用户B1～B5在参与聚合后，CHP 机组一个运行日的电能总输出比参与聚合前增加了4893.82kW·h，CHP机组的整体利用率较之前提升了11.8％；另外，对于ESD，其电能总输出(即放电量) 比聚合前增加了1363.54kW·h，ESD整体利用率较之前提升了32.5％。因此可以看出，采用本发明所提方法，可以有效提升CHP机组和储能资源的整体利用率。此外，不难分析，CHP机组和EB在供热方面互为替代品，其中一方利用率的增加势必会导致另一方利用率的减少；而由于CHP机组相比EB具有更高的供热效率和供热经济性，因此，用户会优先采用CHP机组供热，在其供热能力不足时再使用EB来满足热需求。
聚合增值效益分配最终分配结果如表3所示：
表3聚合增值效益分配结果
Figure BDA0003883422800000241
图11给出了用户B1～B5参与聚合前后净用能成本对比情况，由图可见，用户B1～B5在参与聚合后净用能成本均有不同程度的降低，相较参与前下降幅度分别为：25.8％、10.7％、8.1％、7.7％和81.7％。参与主体费用结算结果如表4所示：
表4各参与主体费用结算结果
Figure BDA0003883422800000242
由上表可见，对用户B1～B5而言，最终只需与资源聚合商进行费用结算即可，而用户在参与聚合前需要分别与电网公司和燃气公司进行费用结算，可见本发明能够简化用户费用结算流程，提升用户用能体验，进一步验证了所提方法的优越性。
实施例5
如图12所示，一种区域分布式能源资源聚合利用系统，所述系统能够实施以上任一所述的一种区域分布式能源资源聚合利用方法，包括平台层、通讯层、用户层和设备层；
所述平台层为所述资源聚合商，用于根据所述分布式能源设备协调调度策略和所述购售能量策略向所述用户层发送控制指令；
所述通讯层为智能通讯网，用于满足所述平台层与所述用户层之间的通讯；
所述用户层为分布式能源设备用户，用于接收所述平台层的控制指令，并根据所述控制指令对所述设备层进行控制；
所述设备层为分布式能源生产设备，用于根据所述用户层的控制进行能源的生产；
所述系统包括以下运行流程：
所述平台层的资源聚合商根据用户聚合群内所有分布式能源设备用户在运行日前上报的分布式能源资源聚合申报表，生成运行日中各时刻分布式能源设备的协调调度策略及平台购售能量策略，并将对应设备调度策略提前通过所述通讯层的通讯网络传递给所述用户层的对应设备用户；所述分布式能源设备用户接收来自所述通讯层的指令信息，并在运行日通过本地控制器实时控制所述设备层中所属设备进行能源生产。
当本发明上述集成的单元以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等) 执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、ROM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种区域分布式能源资源聚合利用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：确立资源聚合主体，并对所述资源聚合主体进行职责分类；所述资源聚合主体包括分布式能源设备用户以及资源聚合商；所述分布式能源设备用户拥有不同种类、不同容量的分布式能源设备资源，且具备择时购买或出售能源的需求；所述资源聚合商拥有聚合平台，能够整合负责区域内的所述分布式能源设备用户参与分布式能源资源聚合；
S2：每个所述资源聚合商根据对应其负责区域内所述分布式能源设备用户的能源生产情况，制定分布式能源资源聚合利用条款，并向其负责区域内所述分布式能源设备用户传达条款内容；所述条款包括实施所述区域分布式能源资源聚合利用架构以及流程、所述资源聚合商与所述分布式能源设备用户双方的权利与义务信息；
S3：各个所述分布式能源设备用户向对应的所述资源聚合商填写分布式能源资源聚合申报表；所述申报表包括分布式能源设备类型、设备容量、设备功率及参与聚合时限；
S4：所述资源聚合商对所述分布式能源资源聚合申报表进行审核，并与通过审核的所述分布式能源设备用户签订分布式能源资源聚合利用合同；
S5：建立用户聚合群协调运行模型，资源聚合商根据通过审核的所述分布式能源资源聚合申报表求解所述协调运行模型，并制定出分布式能源设备协调调度策略和购售能量策略；所述用户聚合群为同一资源聚合商的负责区域内参与分布式能源资源聚合的所述分布式能源设备用户；
S6：进入协调运行后，所述分布式能源设备用户根据所述分布式能源设备协调调度策略实时控制自身的设备运行，同时所述资源聚合商根据所述购售能量策略在实际运行日中对应时段实施购售能行为；
S7：建立分布式能源资源聚合增值效益模型和效益分配模型，所述资源聚合商在进入协调运行后根据所述聚合增值效益模型对实际产生的聚合增值效益进行核算，并根据所述效益分配模型计算自身与分布式能源设备用户的效益分配。
2.根据权利要求1所述的一种区域分布式能源资源聚合利用方法，其特征在于，当所述资源聚合商负责区域内能源产能大于需求时，所述资源聚合商通过电网公司和/或燃气公司进行能源售卖；
当所述资源聚合商负责区域内能源产能小于需求时，所述资源聚合商通过电网公司和/或燃气公司进行能源购买。
3.根据权利要求1所述的一种区域分布式能源资源聚合利用方法，其特征在于，所述用户聚合群协调运行模型包括目标函数、能量平衡约束条件、分布式能源设备模型与对应的约束条件；
所述分布式能源设备协调调度策略和所述购售能量策略通过求解所述用户聚合群协调运行模型获得。
4.根据权利要求3所述的一种区域分布式能源资源聚合利用方法，其特征在于，所述目标函数为所述资源聚合商以所述用户聚合群净用能成本最小为目标进行策略制定，其表达式如下所示；
Figure FDA0003883422790000021
Figure FDA0003883422790000022
Figure FDA0003883422790000023
Figure FDA0003883422790000024
其中：
Figure FDA0003883422790000025
为用户聚合群的最小净用能成本；M＝{1、2、3、…、m}为用户聚合群组成的集合，m表示用户聚合群中分布式能源设备用户的数量，i∈M；Δt为单位时段的长度，T为一个运行日所包含的时段总数；
Figure FDA0003883422790000031
为t时段用户i的CHP机组使用成本；
Figure FDA0003883422790000032
为t时段用户i的购电成本；
Figure FDA0003883422790000033
为t时段用户i的售电收入；
Figure FDA0003883422790000034
为设备用户i的CHP机组在时刻t对应单位时段所消耗的天然气量值，
Figure FDA0003883422790000035
和
Figure FDA0003883422790000036
分别为设备用户i在时刻t的购电功率和售电功率；pgas为天然气单位价格，
Figure FDA0003883422790000037
为设备用户i在时刻t向电网公司的购电电价，psell为其向电网的售电电价。
5.根据权利要求4所述的一种区域分布式能源资源聚合利用方法，其特征在于，用户聚合群在任何时刻应保持功率输入和输出相等的能量平衡约束条件，所述能量平衡约束条件包括电平衡约束、热平衡约束和冷平衡约束，分别如下所示：
电平衡约束：
Figure FDA0003883422790000038
热平衡约束：
Figure FDA0003883422790000039
冷平衡约束：
Figure FDA00038834227900000310
式中：
Figure FDA00038834227900000311
和
Figure FDA00038834227900000312
分别为用户聚合群中设备用户i的PV机组和WPG机组在时刻t的输出电功率；
Figure FDA00038834227900000313
和
Figure FDA00038834227900000314
分别为设备用户i的ESD在时刻t的放电功率和充电功率；
Figure FDA00038834227900000315
为设备用户i的CHP机组在时刻t的输出电功率；
Figure FDA00038834227900000316
为设备用户i在时刻t的电负荷，
Figure FDA00038834227900000317
和
Figure FDA00038834227900000318
分别为设备用户i的ER和EB在时刻t的输入电功率；
Figure FDA00038834227900000319
和
Figure FDA00038834227900000320
分别为设备用户i的EB和CHP机组在时刻t的输出热功率，
Figure FDA0003883422790000041
为其在时刻t的热负荷；
Figure FDA0003883422790000042
为设备用户i的ER在时刻t的输出冷功率，
Figure FDA0003883422790000043
为其在时刻t的冷负荷。
6.根据权利要求5所述的一种区域分布式能源资源聚合利用方法，其特征在于，所述分布式能源设备包括分布式PV机组和/或分布式WPG机组和/或分布式CHP机组和/或分布式ESD和/或分布式EB和/或分布式ER；各模型与其对应的约束条件如下所示：
分布式PV机组模型及出力上下限约束条件分别如下所示：
Figure FDA0003883422790000044
Figure FDA0003883422790000045
式中：
Figure FDA0003883422790000046
为设备用户i的PV机组在时刻t的最大输出功率，
Figure FDA0003883422790000047
为其PV机组的装机容量，
Figure FDA0003883422790000048
为其PV机组在时刻t的功率比，根据光照辐射强度、光照入射角度、太阳能板的效率预设置；
分布式WPG机组，其出力模型及约束约束条件如下：
Figure FDA0003883422790000049
Figure FDA00038834227900000410
式中：
Figure FDA00038834227900000411
为设备用户i的WPG机组在时刻t的最大输出功率，
Figure FDA00038834227900000412
为其WPG机组的装机容量，
Figure FDA00038834227900000413
为其WPG机组在时刻t的功率比，根据空气密度、风轮扫掠面积、风速、风机发电效率因素预设置；
分布式CHP机组的出力模型及约束条件如下：
Figure FDA00038834227900000414
Figure FDA0003883422790000051
Figure FDA0003883422790000052
式中：ηCHP为CHP机组的发电效率，q为天然气热值，kCHP为CHP机组的热电比，
Figure FDA0003883422790000053
为CHP机组的装机容量；
分布式ESD的约束条件包括分布式ESD充放电约束、日净充电量约束以及过充放电约束；
ESD充放电约束条件如下：
Figure FDA0003883422790000054
式中：
Figure FDA0003883422790000055
为设备用户i的ESD功率容量；
Figure FDA0003883422790000056
表示充放电状态，为0-1状态变量，为1时表示ESD充电，为0时表示ESD放电；
日净充电量约束条件如下：
Figure FDA0003883422790000057
式中：ηCH为ESD的充电效率系数，ηDCH为ESD的放电效率系数；
ESD正常工作时满足下式：
SOCmin≤SOC(t)≤SOCmax；
式中：SOCmin为ESD的最小允许荷电状态，SOCmax为ESD的最大允许荷电状态；
每个运行日中ESD的过充放电约束条件如下：
Figure FDA0003883422790000061
式中：
Figure FDA0003883422790000062
为设备用户i的ESD存储容量；此外，式中左项的
Figure FDA0003883422790000063
表示ESD的最小允许存储电量，而中间项的
Figure FDA0003883422790000064
则表示ESD在每个运行日开始时的初始存储电量；
分布式EB和ER可分别将电能转化为热能和冷能，其出力模型及约束条件如下：
Figure FDA0003883422790000065
Figure FDA0003883422790000066
Figure FDA0003883422790000067
Figure FDA0003883422790000068
式中：ηEB为EB的电热转化效率系数，ηER为ER的电冷转化效率系数；
Figure FDA0003883422790000069
和
Figure FDA00038834227900000610
分别为设备用户i的EB和ER装机容量。
7.根据权利要求6所述的一种区域分布式能源资源聚合利用方法，其特征在于，所述分布式能源设备协调调度策略和所述购售能量策略的运算式如下所示：
所述分布式能源设备协调调度策略基于如下所示用户聚合群协调运行模型进行策略制定：
Figure FDA00038834227900000611
式中：Strategydisp表示资源聚合商制定的协调调度策略；
当用户聚合群出现能源缺额或冗余时，由资源聚合商进行统一的能源购买或售卖；资源聚合商购售能量策略的可表示如下：
Figure FDA0003883422790000071
Figure FDA0003883422790000072
Figure FDA0003883422790000073
Figure FDA0003883422790000074
式中：StrategyS&B表示资源聚合商的购售能策略；其中，
Figure FDA0003883422790000075
分别表示资源聚合商为用户聚合群M在时刻t的代购天然气量、代购电功率和代售电功率。
8.根据权利要求1所述的一种区域分布式能源资源聚合利用方法，其特征在于，所述分布式能源资源聚合增值效益模型用于表示每个用户聚合群中所有分布式能源设备用户在一个运行日产生的总节能效益；所述效益分配模型包括资源聚合商效益分配模型和分布式能源设备用户效益分配模型。
9.根据权利要求8所述的一种区域分布式能源资源聚合利用方法，其特征在于，所述分布式能源资源聚合增值效益模型的表达式为：
Figure FDA0003883422790000076
式中：Brelative(M)为用户聚合群体通过本方案获取的相对增值效益；
Figure FDA0003883422790000077
表示设备用户i在没有参与聚合行为时的独立运行日最小净用能成本；
明确资源聚合产生的增值效益后，将首先按照一定的比例分成给资源聚合商，并将剩余增值效益采用Shapley值法分配至各参与主体；
所述效益分配模型的表达式如下，具体的，聚合商收益如下所示：
ESPincome＝γBrelative(M)
式中：ESPincome为资源聚合商通过分成所获取的收入，γ表示资源聚合商制定的分成比例系数；
聚合商分成后的剩余增值效益如下所示，此部分收益将在参与聚合的用户群体中分成：
Brest(M)＝Brelative(M)-ESPincome
各位用户将基于Shapley值理论，在剩余聚合增值效益中分配自身应得的收益；具体表达式如下所示：
Figure FDA0003883422790000081
式中：Incomei为用户聚合群M中设备用户i获得的聚合增值效益分配值；χ为M的非空子集，表示由M中的不同设备用户组成的用户聚合群；Brest(χ)为有用户i参与聚合时产生的剩余聚合增值效益，Brest(χ\i)没有用户i参与聚合时，用户群所产生的剩余聚合增值效益；|χ|表示用户聚合群S包含的用户数，|M|表示用户聚合群M包含的用户数；
所述资源聚合商根据以上模型制定出分布式能源设备协调调度策略和购售能量策略，以及根据所述效益分配模型计算自身与分布式能源设备用户的效益分配。
10.一种区域分布式能源资源聚合利用系统，其特征在于，所述系统能够实施权利要求1-9任一所述的一种区域分布式能源资源聚合利用方法，包括平台层、通讯层、用户层和设备层；
所述平台层为所述资源聚合商，用于根据所述分布式能源设备协调调度策略和所述购售能量策略向所述用户层发送控制指令；
所述通讯层为智能通讯网，用于满足所述平台层与所述用户层之间的通讯；
所述用户层为分布式能源设备用户，用于接收所述平台层的控制指令，并根据所述控制指令对所述设备层进行控制；
所述设备层为分布式能源生产设备，用于根据所述用户层的控制进行能源的生产；
所述系统包括以下运行流程：
所述平台层的资源聚合商根据用户聚合群内所有分布式能源设备用户在运行日前上报的分布式能源资源聚合申报表，生成运行日中各时刻分布式能源设备的协调调度策略及平台购售能量策略，并将对应设备调度策略提前通过所述通讯层的通讯网络传递给所述用户层的对应设备用户；所述分布式能源设备用户接收来自所述通讯层的指令信息，并在运行日通过本地控制器实时控制所述设备层中所属设备进行能源生产。
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