基于技术经济性综合指标的配电网储能单层优化配置方法与流程

本发明涉及综合能源系统规划、双层规划，具体为一种基于技术经济性综合指标的配电网储能单层优化配置方法。

背景技术：

1、高比例新能源将成为我国未来电力系统的重要特征，光伏、风电等可再生能源在电力工业中发展迅速。

2、储能作为新型电力系统的重要组成部分，具有响应速度快、便于控制以及双向调节等特点，可在不同时间尺度上控制功率和能量的流动，有效改善电力系统的稳定性和运行特性。其中，储能配置是储能应用重要的前期工作环节，研究不同应用场景下分布式储能的优化配置对其在配电网中高效应用至关重要。

3、其中，关于参与电网调峰和新能源消纳的储能优化配置研究大多以经济性为目标。关于辅助新能源跟踪计划出力的储能配置研究，主要关注如何利用储能降低新能源预测偏差的影响。

4、因此，现有研究工作主要针对平滑功率、跟踪出力、一次调频等单一场景，储能配置优化方法以单一目标为主，无法有效地兼顾技术性和经济性要求。因此，构建综合考量技术性和经济性的配电网储能配置优化方法，对于配电网储能的高效利用和性能提升具有重要的理论和工程意义。

5、以下从几个角度阐述与公开号为cn115545291a的发明的区别。

6、①优化目标的考虑

7、基于技术经济性综合指标的配电网储能单层优化配置方法：该方法首先考虑了静态电压稳定指标，用于衡量储能设备接入配电网对电能质量的改善效果。在优化配电网储能配置时，综合考虑了储能配置的技术性和经济性，选择了静态电压稳定性和储能设备成本作为上层目标函数，设备运行成本和设备运行风险作为下层目标函数。

8、cn115545291a的发明：采用了基于主从博弈的方法，其中上层模型和下层模型构成主从博弈。在储能充放电效率不为100％条件下，通过kkt函数将储能的双层问题转化为单层问题进行处理。优化的目标涉及集中式共享储能容量配置和定价，涉及更复杂的定性定量的配置问题。

9、②问题的性质

10、基于技术经济性综合指标的配电网储能单层优化配置方法：提到建立的是一个双层规划问题，不涉及博弈均衡问题。该方法强调综合考虑技术和经济因素，通过整合优化问题来实现储能的优化配置。

11、cn115545291a的发明：提到采用了主从博弈的方法，涉及到博弈均衡问题。这意味着不仅仅考虑了技术和经济因素，还考虑了系统中各方的博弈关系。

12、③求解方法的复杂性

13、基于技术经济性综合指标的配电网储能单层优化配置方法：利用yalmip工具箱中的kkt函数，将原本分为两个层次的优化问题整合到一个层次，有助于简化问题的求解。

14、cn115545291a的发明：涉及到更复杂的问题，包括主从博弈和储能的双层问题转化为单层问题的处理，使得整个算法极为复杂，在实际应用中的稳定性较差。

15、④应用场景和特点的不同

16、基于技术经济性综合指标的配电网储能单层优化配置方法：适用于配电网储能的单层优化配置，关注储能对电能质量的影响以及技术性和经济性的综合考虑。

17、cn115545291a的发明：更侧重于共享储能容量配置和定价，适用于中电网与共享储能运营商多主体决策的情境，具有保护不同利益主体数据隐私、通过成本共享和规模经济提高成本效率的特点，适用于中小型电力用户和市域大型电力系统。

18、而相较于公开号为cn116760068a的发明，他们之间的区别如下：

19、1、基于技术经济性综合指标的配电网储能单层优化配置方法

20、①应用领域：该发明集中在配电网领域，提供一种基于技术经济性综合指标的储能单层优化配置方法，涉及到综合能源系统规划和双层规划技术。

21、②方法概述：该方法首先根据简单的2节点系统构建配电系统静态电压稳定指标，用于衡量储能接入配电网对电能质量的改善效果。然后，在综合考虑储能配置的技术性和经济性的基础上，构建了一个配电网储能配置模型。该模型的上层目标函数考虑了系统静态电压稳定性和储能设备成本，而下层目标函数包括设备运行成本和设备运行风险。

22、③技术亮点：使用yalmip工具箱中的kkt函数将原本分为两个层次的优化问题整合到一个层次，以简化问题的求解。这一方法通过综合技术和经济性指标，旨在得到合理的储能配置方案。

23、④优势：采用技术经济性综合指标，考虑了系统静态电压稳定性、储能设备成本、设备运行成本以及设备运行风险。这种综合性的方法有助于更全面地评估储能配置的合理性，同时采用kkt函数整合优化问题，简化了问题的求解过程。

24、2、储能参与电力市场的自适应调频辅助服务方法

25、①应用领域：该发明关注储能在新型电力市场中的角色，主要用于自适应调频辅助服务。调频是电力系统中维持频率稳定的重要任务之一，而且调频是一个暂态的过程。

26、②方法概述：该方法通过基于储能调频荷电状态的自适应策略确定储能调频评估指标，建立了储能参与市场时自身收益最大化的决策模型。此外，它还考虑了储能和火电在市场中联合交易的情景，并利用kkt条件和对偶理论将双层模型转化为单层模型。

27、③技术亮点：采用了td3-oe算法进行单层模型的求解，以获得最佳的调频策略和收益结果。该方法相对于现有技术的优势在于，在完成调度中心发布的调频任务的同时，储能机组能够考虑自适应调整策略自主参与调频，从而提高调频效果、发挥机组的调频性能，以及提高调频收益并降低市场成本。

28、相较于公开号为cn116760068a的发明，本发明的优势在于：

29、①综合性指标：采用技术经济性综合指标，考虑了多个因素如系统静态电压稳定性、成本、运行风险等，使得配置更加全面。

30、②简化问题：通过使用kkt函数，将原本分为两个层次的优化问题整合为一个层次，简化了问题的求解过程，提高了效率。

31、③更广泛的应用：本发明的方法不仅可以应用于储能参与市场，还可以用于综合能源系统规划，扩展了应用领域。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于技术经济性综合指标的配电网储能单层优化配置方法，解决了现有技术主要针对平滑功率、跟踪出力、一次调频等单一场景，储能配置优化方法以单一目标为主，无法有效地兼顾技术性和经济性要求的问题。

3、(二)技术方案

4、一种基于技术经济性综合指标的配电网储能单层优化配置方法：

5、s11：建立储能配置模型

6、确定储能系统的配置参数和相关变量；包括储能装置的容量和最大容量，充放电效率，充放电功率限制，充、放电时长，电池储能运行的时段集合、日风险系数、运行时长以及储能个数，设备的单位调整功率惩罚成本、调整功率以及调整的设备数量；抽水蓄能装置的抽水功率、放电功率最大值，抽水、发电效率，水库蓄水容量及上下限，以及抽水和发电的状态变量，抽水蓄能装置的运行时段、日风险系数以及运行时长；

7、定义目标函数，

8、①最小化总成本，包括储能的成本问题以及电压静态稳定性；

9、②在该阶段充分考虑储能设备运行过程中的运行状态以及最小化设备运行时的经济性风险指标；同时，列出问题的约束条件，例如储能系统容量的上下限、充放电功率的限制；

10、s12：转化为双层优化问题

11、将储能系统配置问题转化为双层优化问题。内层优化问题为储能系统的运行模型，考虑储能设备运行过程中的运行状态以及最小化设备运行时的经济性风险指标，包括运行风险；外层优化问题为最小化储能装置的成本，包括储能的成本问题以及电压静态稳定性；

12、对于这种有多个目标函数的优化问题，若是采用多目标优化解决方案，多目标优化目标是找到一组解决方案，这组解决方案构成了所谓的“帕累托前沿”，这会出现优化其中一个目标可能会损害另一个目标，无法通过改善一个目标而不损害其他目标的解集；因此我们采用双层优化来解决。双层优化问题上层问题的解决方案影响着下层问题的条件或目标，而下层问题的解决方案受制于上层问题的解决方案。

13、s13：采用kkt函数将双层优化转化为单层优化

14、可通过对内层优化问题的约束条件和目标函数进行整理和编写，通过调用工具箱中的kkt函数将内层的函数与外层规划问题进行整合。函数公式如下：

15、[kktsystem,details]＝kkt(constraint,objective,z)

16、其中z表示优化变量，kktsystem存储kkt条件的约束表达式，details是一个结构体变量，用于存储kkt条件的细节；kkt条件是一组数学表达式，描述了优化问题的最优性条件。通过引入kkt条件，将双层优化问题转化为单层优化问题。这通常涉及引入拉格朗日乘子，将内层问题与外层问题联合起来。使用拉格朗日乘子，我们可以将上层和下层问题的kkt条件结合为单层问题的kkt条件。这涉及到将上层和下层的目标函数和约束进行适当的组合。最终的单层问题的kkt条件会包括单层问题的梯度、上层和下层的约束以及拉格朗日乘子。总体而言，将双层优化问题转化为单层问题的kkt条件处理起来相对复杂，具体的步骤和形式会依赖于具体的问题表述。通常需要仔细分析问题的结构和约束，然后使用kkt条件将其整合为一个单层问题。

17、s14：构建单层优化问题。

18、基于kkt函数的结果，构建一个单层优化问题。这包括储能系统参数的优化变量以及考虑内层问题的等式和不等式约束。这一步需要确保问题的可行性和优化变量的合理性。对于非线性的目标函数，需要将其线性化。线性规划的对偶定理表明，在最优解处原对偶问题和对偶问题的目标函数值相等。故此，可将这个双层优化问题转化为混合整数线性规划问题。可通过求解器cplex进行求解。

19、s15：应用optimize函数优化求解。

20、采用求最优解函数对构建的单层优化问题进行求解，以获得一组储能系统配置最优解，最优值。

21、s16：评估和选择解集。

22、获得了一组储能系统配置的最优解后，需要对非支配解集中的每个解进行性能评估。这可能包括考虑不同的性能指标，如成本、效率、可靠性等。根据特定的决策准则，选择最优解。

23、s17：验证和优化结果。

24、对选定的最优解进行验证，可以通过模拟和实验来验证其在配电网中的性能。根据需要，进行进一步的优化和调整，以确保最终的储能系统配置满足实际需求和系统要求。

25、一种基于调用yalmip工具箱中kkt函数将双层优化转化为单层优化的配电网储能优化配置方法，具体包括以下步骤：

26、1)根据简单的2节点系统，基于潮流解存在性构建配电系统静态电压稳定指标，用于衡量储能接入配电网对电能质量的改善效果；

27、2)综合考虑储能配置的技术性和经济性，上层选取系统静态电压稳定性、储能成本为目标函数衡量其定容选址的合理性，下层选取储能设备在运行过程中的风险，构建配电网储能配置模型；

28、3)采用一种利用yalmip工具箱中的kkt(karush-kuhn-tucker)函数，将原本分为两个层次的优化问题整合到一个层次，以简化问题的求解和优化配电网储能配置模型，得到一种基于调用yalmip工具箱中kkt函数将双层优化转化为单层优化的配电网储能优化配置方法。

29、进一步的，所述配电系统静态电压稳定指标具体为：

30、为了衡量储能接入配电网对电能质量的改善效果，考虑系统静态电压稳定指标(voltage stability index，vsi)是立足配电网系统稳定性，基于潮流解存在性的静态电压稳定性指标。根据简单的2节点系统可推导出系统静态电压稳定指标。

31、

32、式中：ui为送端节点i的电压；uj为受端节点j的电压；rij和xij分别为节点i,j之间支路的电阻和电抗；pj和qj分别为等值到节点j的总有功功率和无功功率。

33、由上式可得

34、

35、要确保配电网的可行潮流解存在，则有

36、

37、对上式适当简化处理可得

38、

39、定义节点j的静态电压稳定指标为

40、

41、对于接入储能且含分布式电源的多节点配电网系统，本文提出用于衡量整个系统的静态电压稳定指标为

42、

43、式中：γ为配电网系统中除平衡节点外的母线节点集合；n为该母线节点集合的节点个数。

44、稳态运行系统必须满足εvsi≥0，用εvsi的大小来判定配电网的静态电压稳定水平，εvsi越小，表明配电网静态电压稳定水平越低。配电网中εvsi最小的节点也即该配电网最容易发生电压崩溃的节点。

45、进一步的，所述配电网储能配置目标函数具体为：

46、分布式电源的接入以及各类负荷的时序性，引起静态电压稳定性的波动对系统安全运行非常重要，而储能的合理规划能够明显改善潮流分布，提高末端节点的电压稳定性。因此，综合考虑储能配置的技术性和经济性，选取3个目标函数来衡量其定容选址的合理性。

47、上层规划目标：最小化储能装置的成本：f＝αf1+βf2

48、α,β分别对应于系统静态电压稳定性和储能成本的所占权重。

49、1)系统静态电压稳定性

50、将系统静态电压稳定指标作为目标函数，选取运行1d稳定性最低的时刻来评判系统，h为24h，可得

51、f1＝min{εvsi,h}

52、2)储能成本

53、在现有配电网系统中接入电池储能装置和抽水蓄能，此处不考虑储能装置之外的投资成本，只计算储能装置的投资成本和运维成本。为方便模型搭建以及储能日运行计划的研究，将以上不同维度的成本转化成典型日成本，其公式如下

54、

55、

56、

57、

58、kt＝ptupcup+ptdowncdown

59、

60、式中：cinv,com分别为储能装置日投资成本和运维成本；clife为日成本转化系数；cy为储能装置的年运行维护成本；en,i为第i个储能的额定容量；pd,i为第i个储能的日功率；r为折现率；y为储能系统使用年限；nes为储能个数；λi,ηi分别为第i个储能的单位容量成本和单位功率成本；kt为t时段旋转备用成本；at为t时段抽水储能装置的运行管理成本；ptup,ptdown分别为t时段内的正负旋转备用容量；cup,cdown分别为正负旋转备用单位成本；为抽水蓄能的运行管理系数；ptc,ptf分别为t时段抽水蓄能的充放电功率。

61、下层规划目标：在该阶段充分考虑储能设备运行过程中的运行状态以及最小化设备运行时的经济性风险指标

62、

63、式中：αu为风险惩罚系数；βu为成本惩罚系数；为调整功率惩罚系数；rc,rx分别为电池储能运行风险值和抽水蓄能系统运行经济性风险值；cinv,com,at分别为电池储能装置日投资成本，运维成本和抽水储能装置的运行管理成本；cu为功率调整成本。

64、1)电池储能装置运行风险值rc

65、

66、式中：tu为日内电池储能装置运行面向的时段集合；λ1为电池储能运行日风险系数；pes,i为第i个电池储能装置的充/放电功率；为电池储能装置运行时长；nes为电池储能个数。

67、2)抽水蓄能系统运行风险值rx

68、

69、式中：tu为日内抽水蓄能装置运行面向的时段集合；λ2为抽水蓄能装置运行日风险系数；ptc,ptf分别为t时段抽水蓄能的充放电功率；为抽水蓄能装置运行时长。

70、3)功率调整成本cu

71、

72、式中：为设备n的单位调整功率惩罚成本；为t时刻设备n的调整功率；nom为所包含的设备数量。

73、进一步的，所述配电网储能配置约束条件具体为：

74、1)有功平衡约束

75、

76、式中：pf,m(t)为t时刻第m个火电机组的有功功率；pes,i(t)为t时刻第i个储能装置的充/放电功率；pload(t),ploss(t)分别为t时刻配电网系统的总负荷功率和总网损功率；nf,nes,ndg分别为火电机组、储能装置和分布式电源接入个数；ptc,ptf分别为t时段抽水蓄能的充放电功率。

77、

78、式中：pf,m(t)为t时刻第m个火电机组的有功功率，为优化后的t时段净负荷。

79、2)储能约束

80、

81、式中：分别为第i个电池储能装置的充、放电功率的最小值和最大值；δt为电池储能装置充、放电时长；分别为第i个电池储能装置的充、放电效率；分别为第i个电池储能装置的t时刻容量和最大容量。

82、3)旋转备用约束

83、

84、式中：分别为t时刻的正负旋转备用容量。

85、4)水库边界和抽水/发电约束

86、

87、式中：为t时刻水库蓄水量；分别表示抽水功率、放电功率的最大值；ηa,ηb分别为抽水、发电效率；分别为水库蓄水容量上下限；分别为抽水和发电的状态变量，取值0或1。

88、

89、式中：分别为起始状态、结束状态的水量。上式保证了抽水蓄能装置在一个周期的起末状态的水量相等。

90、进一步的，一种基于调用yalmip工具箱中kkt函数将双层优化转化为单层优化的配电网储能优化配置方法具体为：

91、利用yalmip工具箱中kkt函数，将双层优化转化为单层优化，从而简化了问题的求解过程。它允许在考虑内层问题的约束条件的同时，实现对多个优化目标的平衡和优化储能系统的配置，实现配电网储能配置的技术与经济指标的综合优化。

92、1)建立储能配置模型：确定储能系统的配置参数和相关变量，如储能容量、功率等。定义目标函数和约束条件，例如最小化成本等。

93、2)转化为双层优化问题：将储能系统配置问题转化为双层优化问题。内层问题为储能系统的运行模型，包括运行风险等。外层问题为优化目标，如最小化成本。

94、3)kkt函数将双层优化转化为单层优化

95、通过调用yalmip工具箱中的kkt函数，可以直接求出优化问题的kkt条件，省去自己手动写的步骤，将内层问题的约束条件引入外层问题的优化目标或约束中，将双层优化问题转化为单层优化问题。

96、函数用法如下：

97、[kktsystem,details]＝kkt(constraint,objective,z)

98、其中z表示优化变量，kktsystem存储kkt条件的约束表达式，details是一个结构体变量，用于存储kkt条件的细节。

99、4)构建单层优化问题：基于kkt函数的结果，构建一个单层优化问题，包括储能系统参数的优化变量和考虑内层问题的等式和不等式约束。

100、5)应用optimize函数优化求解：采用求最优解函数，如solvesdp函数、optimize函数等，对构建的单层优化问题进行求解，以获得一组储能系统配置最优解，最优值。

101、6)评估和选择解集：评估非支配解集中的每个解的性能，根据特定的决策准则选择最优解。

102、7)验证和优化结果：对选定的最优解进行验证，通过模拟和实验验证其在配电网中的性能，根据需要进行进一步的优化和调整。

103、(三)有益效果

104、本发明提供了一种基于技术经济性综合指标的配电网储能单层优化配置方法。具备以下有益效果：

105、(1)该基于技术经济性综合指标的配电网储能单层优化配置方法应用本优化配置方法，可构建一种基于调用yalmip工具箱中kkt函数将双层优化转化为单层优化的配电网储能优化配置方法。通过简单的2节点系统，基于潮流解存在性构建配电系统静态电压稳定指标，上层优化选取系统静态电压稳定性、储能成本为目标函数，衡量其定容选址的合理性，下层优化选取储能设备在运行过程中的运行风险作为下层的目标函数，构建配电网储能配置模型。利用yalmip工具箱中kkt函数，将双层优化转化为单层优化，从而简化了问题的求解过程。它允许在考虑内层问题的约束条件的同时，实现对多个优化目标的平衡和优化储能系统的配置，实现配电网储能配置的技术与经济指标的综合优化。

106、(2)该基于技术经济性综合指标的配电网储能单层优化配置方法中包含配电系统静态电压稳定指标，包含配电网储能配置模型，根据该配置模型，可定性定量的配置某些难以描述的变量关系，可以从侧面实现某些变量之间的参数计算。