含共享储能系统的微能源网群优化规划方法

摘要

本发明公开了一种含共享储能系统的微能源网群优化规划方法，在综合能源系统中引入了共享储能系统，可实现微能源网群电能和热能的存储，以及微能源网之间通过共享储能系统母线的能量交互，从而降低系统的总成本，提升可再生能源利用率，并实现负荷的削峰填谷。在此场景下，本发明提出了含共享储能系统的微能源网群优化规划方案，以经济性最优为目标，对微能源网内各类能源设备以及共享储能系统进行了容量配置，建立了优化模型，并采用线性化技术将其转换为混合整数线性规划问题，提高了模型求解效率。

说明书

技术领域

本发明涉及能源系统规划领域，尤其涉及含共享储能系统的微能源网群优化规划方法。

背景技术

随着全球经济的快速发展，能源消费持续增长，能源危机日益突出，优化能源结构已成为世界各国解决能源短缺问题的重要战略。综合能源系统涵盖电、热、冷、气、交通等多个能源领域，可以消除能源子系统之间的壁垒，实现各种能源的综合梯级利用，提高对清洁能源的消纳能力，实现能源之间的优势互补，满足用户多种能源需求。

随着我国“双碳目标”的提出，可以预见在未来能源系统中，可再生能源将逐渐取代传统化石能源，成为能源系统的主要供能设备。然而，光伏、风机等分布式可再生能源的出力存在一定的不确定性，将给能源系统的规划和运行带来极大的挑战，威胁系统的安全稳定运行。储能系统是解决该问题的重要手段，将可再生能源的出力储存至储能设备，在必要时将能量释放至能源系统，以满足系统的功率平衡，提高系统运行的时序灵活性。在综合能源系统中配置大规模储能设备的成本也是不容忽视的问题，因此，探索更有效的储能设备利用方式是当前的重要研究热点。

如公开号为CN111882105A的中国专利公开了一种含共享储能系统的微电网群及其日前经济优化调度方法，该方法包括：步骤1.建立含共享储能系统的微电网群中各部分的运行模型；步骤2.基于步骤1，以微电网群系统运行成本最低为目标，引入系统运行约束，建立微电网群的日前经济优化调度模型；步骤3.获取微电网群中各设备的运行成本系数和运行限值，基于步骤1和步骤2，对日前经济优化调度模型进行求解，确定微电网群系统的日前调度方案。该方法考虑了含共享储能系统的微电网群系统，各微电网可通过联络线与共享储能系统实现双向能量流动，从而进行能量的存储以及不同微网间能量的交互，有效地实现可再生能源的消纳，起到削峰填谷的作用，提高能量利用效率，并降低用电成本。

如公开号为CN112398164A的中国专利公开了一种含共享储能系统的微能源网群优化运行及成本分配方法，包括以下步骤：搭建系统架构；对联供设备、辅助设备、储能设备建立运行模型，并建立共享储能系统的运行模型；基于系统架构、运行模型，考虑运行约束条件，以微能源网群的总用能成本最低为目标，建立含共享储能系统的微能源网群日前优化运行模型；基于微能源网群日前优化运行模型及总用能成本，基于多人合作博弈的微能源网多主体成本分配方法，分别采用最小核心法和夏普利值法，对各微能源网的用能成本进行重新分配，本发明提高了共享储能系统的利用效率，实现了微能源网之间的P2P交易，促进了分布式可再生能源的消纳，降低了系统用能成本，保证了成本分配的科学性与合理性。

如公开号为CN109345030B的中国专利公开了一种多微能源网的综合能源系统热电能流分布式优化方法，在确定多微能源网的综合能源系统的组成结构和各微能源网中的热电能流的能量流动规则后，再建立各微能源网的总体运行成本函数，最后再利用ADMM算法对各总运行成本函数进行分布式求解。因此，相比于现有技术中对多微能源网的综合能源系统采用集中式优化而建立统一的优化模型而言，采用本方案，能对多微能源网中的各个微能源网均建立对应的优化模型并对该优化模型进行分布式求解，从而能对各个微能源网的热电能流均进行优化，保证了多微能源网的综合能源系统的安全和稳定运行。此外，本发明还公开了一种多微能源网的综合能源系统热电能流分布式优化装置，效果如上。

如公开号为CN111737884A的中国专利公开了一种含多种清洁能源微能源网多目标随机规划方法，包括：根据微能源网运行策略构建微能源网的关键设备模型；分析微能源网中的不确定性因素，并构建不确定因素模型；结合微能源网的关键设备模型和不确定因素模型，以微能源网的全生命周期成本和碳排放量为目标函数，以微能源网的确定性约束和机会约束为约束条件，建立微能源网的多目标随机规划模型；使用NSGA-II算法对微能源网的多目标随机规划模型进行求解，得到最佳的规划方案。本发明以全生命周期成本最小和碳排放量最小建立了微能源网的多目标随机规划模型，验证结果表明，本发明能够兼顾微能源网运行的经济性与环保性，能够根据不同的规划要求给决策者提供多种规划方案。

上述四篇现有技术针对考虑共享储能系统的微能源网群进行了优化运行及成本分配方法等研究，重点关注综合能源系统在已建成设备的基础上，如何安排各类能源设备的出力，使得系统的运行成本达到最低的问题，其本质为综合能源系统优化运行问题，但未考虑综合能源系统在未建设任何能源设备时，如何配置各类能源设备的容量，使得系统的总成本达到最低的问题；也没有考虑设备安装容量上下限约束，对问题的求解造成了一定的困难。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明发明提供了一种适用于软土地区的装配式变电站架构，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种含共享储能系统的微能源网群优化规划方法，包括以下步骤：

S1、建立含共享储能系统的微能源网群各部分系统架构；

S2、基于所建立的系统架构，以系统总成本最低为目标，考虑系统规划约束、运行约束等，建立含共享储能系统的微能源网群优化规划模型；

S3、采用大M法，将所建立的含共享储能系统的微能源网群优化规划模型等价转换为混合整数线性规划模型；

S4、获取微能源网群中各设备的成本系数和运行限值等参数，对转换后的含共享储能系统的微能源网群优化规划模型进行求解，以确定微能源网群系统的优化规划方案。

步骤S1中，所述含共享储能系统的微能源网群各部分系统架构包括系统整体架构以及微能源网的架构。

所述含共享储能系统的微能源网群系统整体架构为：

所述含共享储能系统的微能源网群共包含电、热、冷、气四种能源网络，各微能源网可通过电网向配电网购置电能，通过燃气管道向天然气公司购置天然气，同时，各微能源网与共享储能系统有电和热的联系，分别通过电力线路和热水管道连接至共享储能系统的电母线和热母线。

各微能源网通过电力线路和热水管道以及各自的能量转换装置，分别连接至共享储能系统的电母线和热母线，而电母线和热母线则通过一系列装置分别与蓄电池和蓄热槽相连接，若电母线或热母线上的功率有盈余，则向蓄电池或蓄热槽充能，否则，蓄电池或蓄热槽将释放能量，以维持电母线或热母线功率的平衡，各微能源网之间可通过电母线和热母线进行电能和热能的交互，以减少共享储能系统蓄电池和蓄热槽的损耗。

所述微能源网的结构为：

微能源网采用母线式结构，包含电母线、热母线和冷母线，微能源网内部含有电、冷、热三种类型的负荷，同时包含分布式可再生能源发电设备、能量转换设备、储能设备等。

步骤S2中，以系统的经济性最优为目标，考虑相关系统约束，建立含共享储能系统的微能源网群优化规划模型。

所述含共享储能系统的微能源网群优化规划模型的目标函数如式所示：

式中，IMG为微能源网个数，Cost为系统的总成本，

资金回收系数如式所示：

式中，m表示利率，y表示设备寿命。

微能源网的投资成本如式所示：

式中，R表示资金回收系数，

微能源网的运维成本如式所示：

式中，Δt表示调度时间分辨率，T表示调度时间段的个数，n

微能源网的购气成本如式所示：

式中，Δt表示调度时间分辨率，T表示调度时间段的个数，n

微能源网的购电成本如式所示：

式中，Δt表示调度时间分辨率，T表示调度时间段的个数，n

共享储能系统的投资成本如式所示：

C

式中，R表示资金回收系数，c

共享储能系统的运维成本如式所示：

式中，Δt表示调度时间分辨率，T表示调度时间段的个数，n

所述含共享储能系统的微能源网群优化规划模型的约束条件包括：设备安装容量上下限约束、共享储能系统安装容量上下限约束、功率平衡约束、电网交互功率约束、共享储能系统运行约束、设备运行效率约束、设备运行功率上下限约束、储能设备运行约束。

设备安装容量上下限约束如式所示：

式中，

共享储能系统安装容量上下限约束如式所示：

式中，

功率平衡约束包括微能源网电功率平衡约束、微能源网热功率平衡约束、微能源网冷功率平衡约束、共享储能系统电功率平衡约束、共享储能系统热功率平衡约束、其他功率平衡约束。

微能源网电功率平衡约束如式所示：

式中，

微能源网热功率平衡约束如式所示：

式中，

微能源网冷功率平衡约束如式所示：

式中，

共享储能系统电功率平衡约束如式所示：

式中，

共享储能系统热功率平衡约束如式所示：

式中，

其他功率平衡约束如式-所示：

式中，

电网交互功率约束如式所示：

式中，

共享储能系统运行约束包括微能源网向共享储能系统购/售电/热功率上下限约束、共享储能系统蓄电池/蓄热槽充放能功率上下限约束、共享储能系统蓄电池充放电循环功率约束、共享储能系统蓄电池/蓄热槽充放能效率约束、共享储能系统蓄电池/蓄热槽能量约束。

微能源网向共享储能系统购/售电/热功率上下限约束如式所示：

式中，

共享储能系统蓄电池/蓄热槽充放能功率上下限约束如式所示：

式中，

共享储能系统蓄电池充放电循环功率约束如式所示：

式中，

共享储能系统蓄电池/蓄热槽充放能效率约束如式-所示：

式中，

共享储能系统蓄电池/蓄热槽能量约束如式所示：

式中，

设备运行效率约束如式所示：

式中，

设备运行功率上下限约束如式所示：

式中，

储能设备运行约束包括储能设备充放能效率约束、储能设备充放能功率上下限约束、储能设备能量约束。

储能设备充放能效率约束如式所示：

式中，

储能设备充放能功率上下限约束如式所示：

式中，

储能设备能量约束如式所示：

式中，

步骤S3中，共享储能系统蓄电池/蓄热槽充放能功率上下限约束和储能设备充放能功率上下限约束为非线性约束，给模型的求解带来了一定的困难，采用大M法，将式和式等价转换为线性约束，分别如式和式所示，从而将所建立的含共享储能系统的微能源网群优化规划模型等价转换为混合整数线性规划模型，大幅提升了模型求解效率。

步骤S4中，获取微能源网群中各设备的成本系数和运行限值等参数，采用MOSEK、Gurobi等求解器，对转换后的含共享储能系统的微能源网群优化规划模型进行求解，以确定微能源网群系统的优化规划方案。

本发明通过构建含共享储能系统的微能源网群系统架构，以系统经济性最优为目标，考虑系统规划约束和运行约束等相关约束条件，建立含共享储能系统的微能源网群优化规划模型，并通过大M法，将模型等价转换为混合整数线性规划模型，实现了对含共享储能系统的微能源网群的优化规划，微能源网可通过共享储能系统，实现能量的存储以及能量的交互，保证了规划方案的合理性，降低了系统用能成本，促进了可再生能源的消纳，含共享储能系统的微能源网群优化规划模型，解决了系统内各类能源设备和共享储能系统的容量配置问题，并针对该模型的非线性项，采用大M法的方式进行处理，将优化规划模型转换为混合整数线性规划的形式，从而提高了模型的求解效率。

本发明虽然也在考虑共享储能系统的微能源网群的系统架构上开展研究，但重点关注的是综合能源系统在未建设任何能源设备时，背景技术中如何配置各类能源设备的容量，使得系统的总成本达到最低的问题，其本质为综合能源系统规划问题，而针对数学模型，二者在决策变量、目标函数和约束条件方面均有所不同；在决策变量方面，本发明将各类能源设备的容量也作为决策变量，针对该问题进行建模。在目标函数方面，本发明考虑了微能源网设备的投资费用、共享储能系统的投资费用，以及资金回收系数。在约束条件方面，本发明考虑了设备安装容量上下限约束，而储能设备和共享储能系统的约束中引入了双线性项，从而变为非线性约束，对问题的求解造成了一定的困难，本发明采用大M法对其进行处理，将其等价转换为线性约束。

综上，在问题的场景、数学模型、模型的数学处理等方面，二者均有所区别，本发明考虑的范围更为全面，更能适应综合能源系统规划的需求。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为含共享储能系统的微能源网群系统整体架构示意图；

图3为微能源网架构示意图；

图4为设备安装容量图；

图5为微能源网的电功率平衡图；

图6为微能源网的热功率平衡图；

图7为微能源网的冷功率平衡图；

图8为共享储能系统电母线功率平衡图；

图9为共享储能系统热母线功率平衡图；

图10为共享储能系统蓄电池储存能量图；

图11为共享储能系统蓄热槽储存能量图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种含共享储能系统的微能源网群优化规划方法，包括以下步骤：

S1、建立含共享储能系统的微能源网群各部分系统架构；

S2、基于所建立的系统架构，以系统总成本最低为目标，考虑系统规划约束、运行约束等，建立含共享储能系统的微能源网群优化规划模型；

S3、采用大M法，将所建立的含共享储能系统的微能源网群优化规划模型等价转换为混合整数线性规划模型；

S4、获取微能源网群中各设备的成本系数和运行限值等参数，对转换后的含共享储能系统的微能源网群优化规划模型进行求解，以确定微能源网群系统的优化规划方案。

步骤S1中，所述含共享储能系统的微能源网群各部分系统架构包括系统整体架构、共享储能系统的架构以及微能源网的架构。

如图2所示，所述含共享储能系统的微能源网群系统整体架构为：

所述含共享储能系统的微能源网群共包含电、热、冷、气四种能源网络，各微能源网可通过电网向配电网购置电能，通过燃气管道向天然气公司购置天然气，同时，各微能源网与共享储能系统有电和热的联系，分别通过电力线路和热水管道连接至共享储能系统的电母线和热母线。

所述共享储能系统的架构为：

各微能源网通过电力线路和热水管道以及各自的能量转换装置，分别连接至共享储能系统的电母线和热母线，而电母线和热母线则通过一系列装置分别与蓄电池和蓄热槽相连接，若电母线或热母线上的功率有盈余，则向蓄电池或蓄热槽充能，否则，蓄电池或蓄热槽将释放能量，以维持电母线或热母线功率的平衡，各微能源网之间可通过电母线和热母线进行电能和热能的交互，以减少共享储能系统蓄电池和蓄热槽的损耗。

如图3所示，所述微能源网的结构为：

微能源网采用母线式结构，包含电母线、热母线和冷母线，微能源网内部含有电、冷、热三种类型的负荷，同时包含分布式可再生能源发电设备、能量转换设备、储能设备等。

步骤S2中，以系统的经济性最优为目标，考虑相关系统约束，建立含共享储能系统的微能源网群优化规划模型。

所述含共享储能系统的微能源网群优化规划模型的目标函数如式所示：

式中，IMG为微能源网个数，Cost为系统的总成本，

资金回收系数如式所示：

式中，m表示利率，y表示设备寿命。

微能源网的投资成本如式所示：

式中，R表示资金回收系数，

微能源网的运维成本如式所示：

式中，Δt表示调度时间分辨率，T表示调度时间段的个数，n

微能源网的购气成本如式所示：

式中，Δt表示调度时间分辨率，T表示调度时间段的个数，n

微能源网的购电成本如式所示：

式中，Δt表示调度时间分辨率，T表示调度时间段的个数，n

共享储能系统的投资成本如式所示：

C

式中，R表示资金回收系数，c

共享储能系统的运维成本如式所示：

式中，Δt表示调度时间分辨率，T表示调度时间段的个数，n

所述含共享储能系统的微能源网群优化规划模型的约束条件包括：设备安装容量上下限约束、共享储能系统安装容量上下限约束、功率平衡约束、电网交互功率约束、共享储能系统运行约束、设备运行效率约束、设备运行功率上下限约束、储能设备运行约束。

设备安装容量上下限约束如式所示：

式中，

共享储能系统安装容量上下限约束如式所示：

式中，

功率平衡约束包括微能源网电功率平衡约束、微能源网热功率平衡约束、微能源网冷功率平衡约束、共享储能系统电功率平衡约束、共享储能系统热功率平衡约束、其他功率平衡约束。

微能源网电功率平衡约束如式所示：

式中，

微能源网热功率平衡约束如式所示：

式中，

微能源网冷功率平衡约束如式所示：

式中，

共享储能系统电功率平衡约束如式所示：

式中，

共享储能系统热功率平衡约束如式所示：

式中，

其他功率平衡约束如式-所示：

式中，

电网交互功率约束如式所示：

式中，

共享储能系统运行约束包括微能源网向共享储能系统购/售电/热功率上下限约束、共享储能系统蓄电池/蓄热槽充放能功率上下限约束、共享储能系统蓄电池充放电循环功率约束、共享储能系统蓄电池/蓄热槽充放能效率约束、共享储能系统蓄电池/蓄热槽能量约束。

微能源网向共享储能系统购/售电/热功率上下限约束如式所示：

式中，

共享储能系统蓄电池/蓄热槽充放能功率上下限约束如式所示：

式中，

共享储能系统蓄电池充放电循环功率约束如式所示：

式中，

共享储能系统蓄电池/蓄热槽充放能效率约束如式-所示：

式中，

共享储能系统蓄电池/蓄热槽能量约束如式所示：

式中，

设备运行效率约束如式所示：

式中，

设备运行功率上下限约束如式所示：

式中，

储能设备运行约束包括储能设备充放能效率约束、储能设备充放能功率上下限约束、储能设备能量约束。

储能设备充放能效率约束如式所示：

式中，

储能设备充放能功率上下限约束如式所示：

式中，

储能设备能量约束如式所示：

式中，

步骤S3中，共享储能系统蓄电池/蓄热槽充放能功率上下限约束和储能设备充放能功率上下限约束为非线性约束，采用大M法，将式和式等价转换为线性约束，分别如式和式所示，从而将所建立的含共享储能系统的微能源网群优化规划模型等价转换为混合整数线性规划模型。

步骤S4中，获取微能源网群中各设备的成本系数和运行限值等参数，采用MOSEK、Gurobi等求解器，对转换后的含共享储能系统的微能源网群优化规划模型进行求解，以确定微能源网群系统的优化规划方案。

微能源网和共享储能系统的设备安装容量如图4所示，除热交换器外，微能源网配置了较大容量的燃气轮机和余热锅炉，以满足微能源网用电和用热的需求，而微能源网内主要的制冷设备为电制冷机。

微能源网的电功率平衡图如图5所示，除可再生能源发电设备外，燃气轮机为微能源网主要的供电设备，在非用电高峰期向配电网购置了部分电能，向蓄电池和共享储能系统的蓄电池充电，以在用电高峰期以相对廉价的价格获得电能，而部分可再生能源的出力也以充电的形式被蓄电池和共享储能系统的蓄电池所消纳。可见，共享储能系统在负荷的削峰填谷、可再生能源的消纳等方面起着重要的作用。

微能源网的热功率平衡图和冷功率平衡图如图6-图7所示，余热锅炉和电制热锅炉为主要的制热设备，燃气锅炉、蓄热槽和共享储能系统的蓄热槽则承担了其余部分的供热，在冷能的供应方面，由于未配备蓄冷槽，电制冷机和吸收式制冷机为主要的供冷设备。

共享储能系统的电母线和热母线功率平衡图如图8-图9所示，作为负荷削峰填谷的重要设备，共享储能系统的蓄电池和蓄热槽符合高峰时期放能、低谷时期充能的规律，此外，微能源网之间可通过共享储能系统的电母线和热母线进行单独的能量交互，而不通过共享储能系统蓄电池和蓄热槽，如在13-14h，微能源网2的剩余电功率较多，而该部分功率通过共享储能系统的电母线直接传递给有电功率缺额的微能源网3和微能源网4，而共享储能系统的蓄电池并未参与，提高了能量利用效率，降低了储能系统的损耗，从而减少了用能成本。

共享储能系统蓄电池和蓄热槽储存能量图如图10-图11所示，蓄电池在一个周期内完成了1个循环，而蓄热槽在一个周期内完成了2个循环，均在用能高峰期释放能量，在用能低谷期补充能量，从而实现负荷的削峰填谷，为保证运行策略的可持续性，在该周期的结束时刻，蓄电池和蓄热槽的能量均保持与起始时刻一致。

实施例的结果表明，共享储能系统的配置对于微能源网群的运行有着深远的意义，可显著降低微能源网群的用能成本，促进分布式可再生能源的消纳，并实现负荷的削峰填谷。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。