一种含高比例分布式光伏的区域综合能源系统多能储能优化配置方法

1.本发明公开了一种含高比例分布式光伏的区域综合能源系统多能储能优化配置方法，属 于能源系统规划优化领域。


背景技术：

2.构建区域综合能源系统可使原本彼此割裂的电网和热网相互联系、相互协调，提升了能 源的综合利用效率。技术的进步、政策体系的完善和能源系统发展实际需求促使区域综合能 源系统中分布式光伏装机占比和渗透率急剧攀升，截至2020年底，国内分布式光伏累计装机 占比达到31.1％，可再生能源可靠消纳和系统安全稳定运行面临巨大挑战。安装具备快速响 应能力的多能储能装置是应对高比例分布式光伏对系统稳定性冲击的有效措施。然而，已有 的系统储能配置与运行优化方法未考虑高比例分布式光伏渗透对储能规划方案和系统运行优 化策略的影响；传统的储能优化规划技术多针对电池储能、超级电容等单一设备或多种电储 能设备的容量优化，未充分考虑和利用多能储能装置的差异化运行特性。因此，有必要针对 含高比例分布式光伏(装机占比高于30％)的区域综合能源系统多能储能优化配置方法展开 研究。


技术实现要素：

3.针对相关背景技术的缺陷，本发明提供了一种多能储能优化配置方法，该方法充分考虑 多类型电、热储能装置的成本和性能差异性，能够统筹考虑储能系统规划-运行阶段，最小化 储能系统建设和区域综合能源系统运行成本，同时有效应对高比例分布式光伏随机性和波动 性对系统经济稳定运行的影响，科学配置多能储能设施容量和优化其运行策略。含高比例分 布式光伏的区域综合能源系统多能储能优化配置方法实现步骤如下：
4.步骤1：构建多能储能优化配置模型的目标函数。本发明中考虑的多能储能设施主要包 括：电池储能设备、飞轮储能设备以及热储装置。储能系统的建设成本和运行成本为：
[0005][0006][0007]
[0008]
式中：c
inv
代表储能建设成本，分别代表电池储能系统、飞轮储能系 统以及热储装置的运行成本；c
bess
，c
fess
以及c
tss
分别表示电池、飞轮以及热储装置的单位 容量成本系数；ε
bess
，ε
fess
以及ε
tss
则是成本日分配系数；和分别代表电池储能系统、飞轮储能系统和热储装置的安装容量；r和n分别为设备折旧率和服 役年限；m
bess
，m
fess
以及m
tss
分别代表各个储能系统的运行维护成本系数；和分 别为电池储能系统i在t时刻的充电功率与放电功率；p
j,t
为飞轮储能系统j在t时刻的电功 率；和为热储装置k在t时刻的蓄热和放热功率；n
bess
，n
fess
及n
tss
分别代表电池 储能系统、飞轮储能系统及热储装置的安装数量。
[0009]
分布式发电机组、热电联产机组、光伏及燃气锅炉的运行维护成本和综合能源系统购能 成本为：
[0010][0011][0012]
式中：和分别为综合能源系统中除多能储能设备外其他设备的运行维护成本和购能成 本；分布式发电机组的运行成本用二次函数表示，a
cgu
，b
cgu
以及c
cgu
分别为成本函数的 二次项系数、线性项系数以及常数项；σ
chp
，σ
pv
以及σ
gb
分别为热电联产机组、分布式光 伏以及燃气锅炉的运行维护成本系数；分别为小型柴油机组、热电联产 机组及分布式光伏在t时刻的电功率；为燃气锅炉在t时刻的热功率；下标i表示各能源 生产设备的序号；p
tex,e
和p
tex,gas
分别为综合能源系统在t时刻外购电功率和外购气功率；和λ
gas
分别代表t时刻的购电价格和购气价格；γ
cgu
，γ
chp
，γ
pv
及γ
gb
分别代表小型柴油发 电机组、热电联产机组、分布式光伏及燃气锅炉所在节点的集合。
[0013]
则多能储能优化配置模型的目标函数可表示为：
[0014][0015]
式中：tw表示优化时间窗；δt表示优化步长。
[0016]
步骤2：构建多能储能系统运行约束、多能网络约束以及其他设备约束。其他设备包括 分布式光伏、燃气锅炉、小型柴油发电机组以及热电联产机组，多能网络包括配电网络和区 域热力网络。
[0017]
电池储能系统和飞轮储能系统都具有比能量大，体积小的特点，电池储能系统常用的为 钴酸锂电池、磷酸铁锂电池以及三元锂电池。电池储能系统响应速度快，几乎无爬坡限制， 但其充放电功率必须小于其额定功率：
率。
[0031]
当不考虑环境温度对分布式光伏出力的影响时，其输出功率可由下式描述：
[0032][0033]
其中：表示光伏i的额定功率；i
t
表示t时刻的辐照度水平，in为标准测试 条件下的辐照度水平。假设光伏以定功率因数模式运行(功率因数设定为)， 则逆变器的无功输出为：
[0034][0035]
为提升系统运行的稳定性和灵活性，一般会靠近用户侧建设具有较强爬坡能力的例如小 型柴油机组，其运行特性如下：
[0036][0037]
式中：为分布式发电机组i在t时刻的无功功率；和分别表示发电机组i有 功出力的上下限；和分别表示其无功出力的上下限；r
lcgu
和r
ucgu
分别表示发电机 组向上/向下爬坡能力。
[0038]
燃气锅炉是区域供热系统中一种重要的集中供热装置，依靠燃烧天然气产生热能。其输 出热功率大小和耗气功率直接相关，同时也存在爬坡约束：
[0039][0040]
式中：η
gb
表示燃气锅炉运行效率，p
tgas,gb
表示其耗气功率；和为燃气锅炉输出 热功率的上下限。
[0041]
区域热网一般由供水管道、回水管道和换热站组成。针对区域热网的运行特性和各管道 传输时延，本发明采用节点法对其进行描述。换热站是热力集中、交换的场所，经由换热装 置可将热源处的热量传输至一次管网，或者将一次管网中的热量传输至二次管网，并最终传 输至用户端。换热站运行特性可描述为：
[0042][0043]
其中：和分别表示位于节点n的换热站在t时刻从热源或一次管网吸收的热功率， 以及经由换热站传输至一次管网或二次管网的热功率大小；和分别表示t
时刻流入 和流出节点n的工质流量；和分别代表t时刻位于节点n的换热站供水温度和流经主 热交换站的热水温度；同理，和表示节点n处在时刻的供水管道出口和回水管道入口 处温度。
[0044]
在构建管道入口与出口处温度间的映射关系时忽略管道内部温度变化，仅考虑工质在管 道内部的传输时延。工质在管道内的传输时延可通过下式计算：
[0045][0046]
式中：m
l
表示管道l内部的工质流量；ρ为水的密度；d
l
和l
l
分别为管道l的直径和长度；m
l
表示管道l内部的热水质量。同时，管道l出口处的温度为：
[0047][0048]
其中：为管道l出口在时刻t的温度；和分别为(t-τ
l
)和(t-τ
l
+1)时刻注入 管道l的工质温度。
[0049]
当热媒在管道内部传输时，不可避免地向周围环境辐射热能，带来热量损失。因此管道l 出口处在t时刻的真实温度为：
[0050][0051]
其中：k
l
和t
ground
分别为单位长度管道导热系数和管道周围大地温度；c为水的比热容系数。
[0052]
假设各个节点处注入的工质均充分混合，根据能量守恒定律，各个节点的温度混合过程 可由下式描述(对供水管网和回水管网均适用)：
[0053][0054]
式中：和分别为t时刻注入和流出节点n的工质温度；和分别代表t时刻注 入和流出节点n的工质流量；和分别为流入和流出节点n的所有管道的集合。 同时，热网中所有节点处的温度必须满足一定约束：
[0055][0056]
式中：和为供水管网中各节点处温度上下限；为回水管网各节点温度下限。
[0057]
区域综合能源系统中电力网络主要为配电网络，多为辐射状网络，且均采用“闭环建设， 开环运行”的模式。采用辐射状网络线性化潮流模型描述配电网络中能量流动关系和节点电 压变化：
[0058][0059]
式中：{οj}和{ιj}分别为节点j处功率注入的支路集合和功率流出的支路集合；p
jk
，p
ij
，q
jk
和q
ij
分别为流入/流出的有功功率和无功功率；节点j处负荷由sj＝pj+qj表示；ui和分别 是节点i和j处电压幅值；u0为参考电压；线路ij的参数为电阻r
ij
和电抗x
ij
。
[0060]
区域综合能源系统中主要的电热耦合设备为大型热电联产机组(chp)，结合工程实际， chp机组多采用抽凝式联产机组，电、热生产流程可相互解耦：
[0061][0062]
其中：p
tgas,chp
和h
tchp
分别表示chp在t时刻的耗气功率以及热功率；η
chp
和r
chp
则表示 chp机组的运行效率、热电比；r
lchp
和r
uchp
为chp机组向上/向下爬坡能力；和为chp机组输出电功率的上下限。
[0063]
电网、热网必须满足功率平衡约束：
[0064][0065]htchp
+h
tgb
＝h
d,t
[0066]
式中：p
d,t
，q
d,t
和h
d,t
代表t时刻系统的有功负荷、无功负荷及热负荷水平。
[0067]
步骤3：引入辅助变量对电储能系统的非线性约束进行线性化处理，引入可调节参数提 升方法适用性，具体为：
[0068]
在多能储能优化配置的过程中，电储能设备的安装容量、额定充放能功率均为待优化变 量，因此，在步骤1中构建的多能储能模型中含有双线性约束。如果直接将这些约束添加至 区域综合能源系统运行优化模型中以构建多能储能优化配置模型，将导致原问题非凸，难以 直接求解。为了便于使用现有优化技术求解多能储能优化配置模型，得到确定性的优化结果， 需要对多能储能模型作适当修改，具体为：1)引入储能系统剩余能量2) 引入可调节参数dur
min
，表示储能系统最小持续放能时间，配置的储能系统必须满足放能持 续时间不低于dur
min
，dur
min
大小可根据实际工程经验选择，一般为1-4h不等，此处选择 2h。
[0069]
经过以上处理，电储能系统荷电状态充/放电功率间的关系变为：
[0070]
[0071]
可以发现，原来的双线性等式约束变为线性等式约束，可以直接求解。同时电储能系统 荷电状态可由各个时刻系统剩余能量求解得到：
[0072][0073]
在引入储能系统最小持续放能时间dur
min
之后，电池储能系统额定充放电功率与额定容 量间的关系可描述为：
[0074][0075]
步骤4：构建含高比例分布式光伏的区域综合能源系统多能储能优化配置模型。以多能 储能投资建设成本和区域综合能源系统运行成本最小为目标，以多能储能系统运行约束、多 能网络约束及其它设备约束作为约束条件，构建含高比例分布式光伏的区域综合能源系统多 能储能优化配置模型，具体为：
[0076][0077]
s.t.fi(xe,xh,xs)＝0,i＝1,2,...,m
[0078]gj
(xe,xh,xs)≥0,j＝1,2,...n
[0079]
式中：m，n分别为模型中等式约束fi和不等式约束gj的个数；xe，xh及xs分别为电力系 统、供热系统以及储能系统的优化变量。
[0080]
步骤5：优化配置问题边界条件的设置和问题求解。系统购电价格采用分时电价，购气 价格和购热价格均固定。系统负荷水平、光伏出力水平均采用典型日m的电负荷、热负荷及 光伏出力代表。设置完成后求解原多能储能优化配置问题即可得到优化后的多类型储能容量 及其运行策略。
[0081]
本发明的有益效果是：
[0082]
1)面向含高比例分布式光伏的区域综合能源系统，提出一种多能储能优化配置方法，可 充分利用多类型储能设施的运行特性应对光伏出力随机性和波动性，以及负荷侧波动；
[0083]
2)提出一种储能非线性约束的处理方法，通过引入辅助变量有效降低了模型的求解难度 并确保原问题最优解的存在性。同时，引入可调节参数，可根据实际情况适时调整可调节参 数的值，提升了模型和方法的适用性；
[0084]
3)在储能规划阶段考虑了设备的运行约束和成本，实现了多能储能规划-运行全周期优 化，保证了优化结果的科学性、降低投资建设成本并最大化储能设施利用率。
附图说明
[0085]
图1是含高比例分布式光伏的区域综合能源系统多能储能优化配置方法的流程图。
具体实施方式
[0086]
针对含高比例分布式光伏的区域综合能源系统，为有效应对高渗透率分布式光伏出力随 机性对系统运行稳定性和供能可靠性的影响，提出一种区域综合能源系统多能储能优化配置 方法。具体来说，综合考虑多能储能设备差异化运行特征，覆盖多能储能设备
规划-运行全周 期，以最小化多能储能建设成本和系统运行成本、平抑高渗透率分布式光伏出力波动、保证 系统运行稳定等为目标，对多能储能安装容量和运行策略进行优化。
[0087]
一种含高比例分布式光伏的区域综合能源系统多能储能优化配置方法，主要步骤如下：1) 构建多能储能优化配置模型的目标函数；2)构建多能储能系统运行约束、多能网络约束以及 区域综合能源系统中除多能储能外的其他设备约束；3)引入辅助变量对电储能系统的非线性 约束进行线性化处理，引入可调节参数提升方法适用性；4)构建含高比例分布式光伏的区域 综合能源系统多能储能优化配置模型；5)设置优化问题边界条件并求解；6)得到多能储能 优化结果及最优运行策略。
[0088]
该方法的具体实施步骤为：
[0089]
步骤1：构建多能储能优化配置模型的目标函数。本发明中考虑的多能储能设施主要包 括：电池储能设备、飞轮储能设备以及热储装置。储能系统的建设成本和运行成本为：
[0090][0091][0092][0093]
式中：c
inv
代表储能建设成本，分别代表电池储能系统、飞轮储能系 统以及热储装置的运行成本；c
bess
，c
fess
以及c
tss
分别表示电池、飞轮以及热储装置的单位 容量成本系数；ε
bess
，ε
fess
以及ε
tss
则是成本日分配系数；和分别代表电池储能系统、飞轮储能系统和热储装置的安装容量；r和n分别为设备折旧率和服 役年限；m
bess
，m
fess
以及m
tss
分别代表各个储能系统的运行维护成本系数；和分 别为电池储能系统i在t时刻的充电功率与放电功率；p
j,t
为飞轮储能系统j在t时刻的电功 率；和为热储装置k在t时刻的蓄热和放热功率；n
bess
，n
fess
及n
tss
分别代表电池 储能系统、飞轮储能系统及热储装置的安装数量。
[0094]
分布式发电机组、热电联产机组、光伏及燃气锅炉的运行维护成本和综合能源系统购能 成本为：
[0095]
[0096][0097]
式中：和分别为综合能源系统中除多能储能设备外其他设备的运行维护成本和购能成 本；分布式发电机组的运行成本用二次函数表示，a
cgu
，b
cgu
以及c
cgu
分别为成本函数的 二次项系数、线性项系数以及常数项；σ
chp
，σ
pv
以及σ
gb
分别为热电联产机组、分布式光 伏以及燃气锅炉的运行维护成本系数；分别为小型柴油机组、热电联产 机组及分布式光伏在t时刻的电功率；为燃气锅炉在t时刻的热功率；下标i表示各能源 生产设备的序号；p
tex,e
和p
tex,gas
分别为综合能源系统在t时刻外购电功率和外购气功率；和λ
gas
分别代表t时刻的购电价格和购气价格；γ
cgu
，γ
chp
，γ
pv
及γ
gb
分别代表小型柴油发 电机组、热电联产机组、分布式光伏及燃气锅炉所在节点的集合。
[0098]
则多能储能优化配置模型的目标函数可表示为：
[0099][0100]
式中：tw表示优化时间窗；δt表示优化步长。
[0101]
步骤2：构建多能储能系统运行约束、多能网络约束以及其他设备约束。其他设备包括 分布式光伏、燃气锅炉、小型柴油发电机组以及热电联产机组，多能网络包括配电网络和区 域热力网络。
[0102]
电池储能系统和飞轮储能系统都具有比能量大，体积小的特点，电池储能系统常用的为 钴酸锂电池、磷酸铁锂电池以及三元锂电池。电池储能系统响应速度快，几乎无爬坡限制， 但其充放电功率必须小于其额定功率：
[0103][0104]
式中：分别表示电池储能系统i的最大充/放电功率。
[0105]
电池储能系统荷电状态(soc)与其充放电状态和自身能量衰减相关。同时为保证电池 储能系统运行的安全性，电池的荷电状态(soc)也必须在合理范围内：
[0106][0107][0108]
式中：γ
self
,γ
ch
,γ
dis
分别表示电池的自放电系数、充电效率以及放电效率；表示电池储 能系统i的额定容量；δt表示优化步长。在实际运行过程中，为便于操作和管理，一般会要 求电池储能系统在运行周期始末的soc状态一致：
[0109][0110]
飞轮储能装置将电能以动能形式存储，相比于电池储能系统，其安全性和稳定性更高， 同时也更适合应用于快速频繁充放电场景，但其成本更高。与电池储能系统类似，飞轮储能 装置也存在充/放电功率限制、soc约束：
[0111][0112]
式中：和ωr分别表示飞轮转速的上下限；β
self
和β
ch/dis
分别表示飞轮储能系 统自放电率和充放电效率。
[0113]
蓄热罐是一种应用广泛的储热装置，常安装在热电厂内部。忽略蓄热罐热损耗时，其运 行特性可由下式描述：
[0114][0115]
其中：e
k,t
是蓄热罐k在t时刻的蓄热状态；ξ
ch
和ξ
dis
分别表示蓄热罐的蓄热/放热效 率。
[0116]
当不考虑环境温度对分布式光伏出力的影响时，其输出功率可由下式描述：
[0117][0118]
其中：表示光伏i的额定功率；i
t
表示t时刻的辐照度水平，in为标准测试 条件下的辐照度水平。假设光伏以定功率因数模式运行(功率因数设定为)， 则逆变器的无功输出为：
[0119][0120]
为提升系统运行的稳定性和灵活性，一般会靠近用户侧建设具有较强爬坡能力的分布式 发电机组(例如小型柴油机组)，其运行特性如下：
[0121]
[0122]
式中：为分布式发电机组i在t时刻的无功功率；和分别表示发电机组i有 功出力的上下限；和分别表示其无功出力的上下限；r
lcgu
和r
ucgu
分别表示发电机 组向上/向下爬坡能力。
[0123]
燃气锅炉是区域供热系统中一种重要的集中供热装置，依靠燃烧天然气产生热能。其输 出热功率大小和耗气功率直接相关，同时也存在爬坡约束：
[0124][0125]
式中：η
gb
表示燃气锅炉运行效率，p
tgas,gb
表示其耗气功率；和为燃气锅炉输出 热功率的上下限。
[0126]
区域热网一般由供水管道、回水管道和换热站组成。针对区域热网的运行特性和各管道 传输时延，本发明采用节点法对其进行描述。换热站是热力集中、交换的场所，经由换热装 置可将热源处的热量传输至一次管网，或者将一次管网中的热量传输至二次管网，并最终传 输至用户端。换热站运行特性可描述为：
[0127][0128]
其中：和分别表示位于节点n的换热站在t时刻从热源或一次管网吸收的热功率， 以及经由换热站传输至一次管网或二次管网的热功率大小；和分别表示t时刻流入 和流出节点n的工质流量；和分别代表t时刻位于节点n的换热站供水温度和流经主 热交换站的热水温度；同理，和表示节点n处在时刻的供水管道出口和回水管道入口 处温度。
[0129]
在构建管道入口与出口处温度间的映射关系时忽略管道内部温度变化，仅考虑工质在管 道内部的传输时延。工质在管道内的传输时延可通过下式计算：
[0130][0131]
式中：m
l
表示管道l内部的工质流量；ρ为水的密度；d
l
和l
l
分别为管道l的直径和长度；m
l
表示管道l内部的热水质量。同时，管道l出口处的温度为：
[0132][0133]
其中：为管道l出口在时刻t的温度；和分别为(t-τ
l
)和(t-τ
l
+1)时刻注入 管道l的工质温度。
[0134]
当热媒在管道内部传输时，不可避免地向周围环境辐射热能，带来热量损失。因此
管道l 出口处在t时刻的真实温度为：
[0135][0136]
其中：k
l
和t
ground
分别为单位长度管道导热系数和管道周围大地温度；c为水的比热容系数。
[0137]
假设各个节点处注入的工质均充分混合，根据能量守恒定律，各个节点的温度混合过程 可由下式描述(对供水管网和回水管网均适用)：
[0138][0139]
式中：和分别为t时刻注入和流出节点n的工质温度；和分别代表t时刻注 入和流出节点n的工质流量；和分别为流入和流出节点n的所有管道的集合。 同时，热网中所有节点处的温度必须满足一定约束：
[0140][0141]
式中：和为供水管网中各节点处温度上下限；为回水管网各节点温度下限。
[0142]
区域综合能源系统中电力网络主要为配电网络，多为辐射状网络，且均采用“闭环建设， 开环运行”的模式。采用辐射状网络线性化潮流模型描述配电网络中能量流动关系和节点电 压变化：
[0143][0144]
式中：{οj}和{ιj}分别为节点j处功率注入的支路集合和功率流出的支路集合；p
jk
，p
ij
，q
jk
和q
ij
分别为流入/流出的有功功率和无功功率；节点j处负荷由sj＝pj+qj表示；ui和分别 是节点i和j处电压幅值；u0为参考电压；线路ij的参数为电阻r
ij
和电抗x
ij
。
[0145]
区域综合能源系统中主要的电热耦合设备为大型热电联产机组(chp)，结合工程实际， chp机组多采用抽凝式联产机组，电、热生产流程可相互解耦：
[0146][0147]
其中：p
tgas,chp
和h
tchp
分别表示chp在t时刻的耗气功率以及热功率；η
chp
和r
chp
则表
示 chp机组的运行效率、热电比；r
lchp
和r
uchp
为chp机组向上/向下爬坡能力；和为chp机组输出电功率的上下限。
[0148]
电网、热网必须满足功率平衡约束：
[0149][0150][0151]
式中：p
d,t
，q
d,t
和h
d,t
代表t时刻系统的有功负荷、无功负荷及热负荷水平。
[0152]
步骤3：引入辅助变量对电储能系统的非线性约束进行线性化处理，引入可调节参数提 升方法适用性，具体为：
[0153]
1)引入储能系统剩余能量2)引入可调节参数dur
min
，表示储能系 统最小持续放能时间，配置的储能系统必须满足放能持续时间不低于dur
min
，dur
min
大小可 根据实际工程经验选择，一般为1-4h不等，此处选择2h。
[0154]
经过以上处理，电储能系统荷电状态充/放电功率间的关系变为：
[0155][0156]
可以发现，原来的双线性等式约束变为线性等式约束，可以直接求解。同时电储能系统 荷电状态可由各个时刻系统剩余能量求解得到：
[0157][0158]
在引入储能系统最小持续放能时间dur
min
之后，电池储能系统额定充放电功率与额定容 量间的关系可描述为：
[0159][0160]
步骤4：构建含高比例分布式光伏的区域综合能源系统多能储能优化配置模型。以多能 储能投资建设成本和区域综合能源系统运行成本最小为目标，以多能储能系统运行约束、多 能网络约束及其它设备约束作为约束条件，构建含高比例分布式光伏的区域综合能源系统多 能储能优化配置模型，具体为：
[0161][0162]
s.t.fi(xe,xh,xs)＝0,i＝1,2,...,m
[0163]gj
(xe,xh,xs)≥0,j＝1,2,...n
[0164]
式中：m，n分别为模型中等式约束fi和不等式约束gj的个数；xe，xh及xs分别为电力系 统、供热系统以及储能系统的优化变量。
[0165]
步骤5：优化配置问题边界条件的设置和问题求解。购电价格采用分时电价，购气价格 和购热价格均固定。系统负荷水平、光伏出力水平均采用典型日m的电负荷、热负荷及光伏 出力代表。设置完成后求解原多能储能优化配置问题即可得到优化后的多类型储能容量及其 运行策略。