多园区综合能源系统的广义储能优化调度方法

本发明涉及电力系统优化调度及协调控制，具体涉及一种多园区综合能源系统的广义储能优化调度方法。

背景技术：

1、随着化石能源的逐渐耗竭，人类正面临着能源短缺的挑战。传统能源系统独立规划运行的模式由于资源浪费和能源利用率低下等问题，已经无法满足现今的能源需求。园区级综合能源系统(park-level integrated energy system，pies)的调度优化研究成为当前能源研究的热点。由于pies中光伏设备与风电机组的大量应用，可再生能源出力的不确定性通常会给系统安全运行造成一定影响。储能设备的合理调度可达到削峰填谷，低储高发的目的，使pies运行更加灵活可靠。由于当今储能设备可能带来的造价高，投资周期长，部分技术仍不成熟等问题，依靠大容量多能储能设施实现系统经济运行仍需进一步研究。与此同时，大量分布式电源、新型可控负荷等接入配能网，电热负荷构成从由传统的刚性、纯消费型负荷，逐步演变为柔性、兼具产能和用能双重属性的广义负荷，其同样可以起到类似储能设备跨时段转移负荷的效果，因此可以称之为虚拟储能(virtual energystorage，ves)。ves辅助实体储能系统维持系统功率平衡，可以与实体储能共同构成广义储能系统(general energystorage,ges)，以提升系统运行的灵活性与经济性。

2、针对ges优化调度模型的建立，当前国内外科研人员考虑了需求侧热惯性和热网管道储存，将其作为ges资源整合至能源枢纽模型框架中；此外也有研究将电能需求响应、电动汽车和常规储能整合为ges资源进行统一协调调度。上述研究主要针对ges优化调度模型仅考虑单一能源，但对于多能ges联合调度的研究不够充分，而且没有进一步考虑ges作为新的市场主体参与系统调控的利益问题，暂时无法充分挖掘ges资源的灵活性与经济性。

3、而与上述pies相比，在多园区综合能源系统(multiple park integrated energysystem,mpies)内，各园区是追求自身利益的理性主体，所以在联合调度中，不仅要考虑各园区的能源种类、转换设备、地理位置和负荷特性的差异，还要考虑各利益主体的偏好意见、利益冲突、决策和收益间的相互制约与影响，解决信息壁垒问题，部分学者引入博弈论对多利益主体问题进行优化分析，有研究以能源供应商为领导者，用户与园区运营商为跟随者，构建一主多从的斯塔克伯格模型。但未考虑各主体作为理性个体时的利益诉求和主体之间既有竞争又有合作的利益交互关系。此外也有研究提出了一种基于纳什议价模型的多综合能源服务商参与日前能源交易的合作博弈运行策略，但是所使用的标准纳什议价方法得到的均衡解使得合作联盟内各参与主体具有相同的议价能力，缺乏对参与者的个体差异性考虑。因此，各主体参与合作运行不仅需要关注自身利益的增加，更重要的是如何公平合理的进行利益分配。如何在保证参与主体隐私安全、避免利益分配不公的前提下提高mpies之间的合作可靠性与积极性，亦是亟待解决的问题。

技术实现思路

1、为解决以上问题，即进一步考虑广义储能系统(ges)作为新的市场主体参与系统调控的利益问题，充分挖掘多能ges资源的灵活性与经济性，以及在保证参与主体隐私安全、避免利益分配不公的前提下提高mpies之间的合作可靠性与积极性，本发明以mpies为框架，建立考虑低碳运行需求的热电联产-碳捕集-电转气的联合运行系统模型和包含热惰性空调建筑和柔性电负荷的ges系统模型；然后基于纳什议价理论构建考虑多个园区利益的合作运行模型，并将问题等效转化为联盟效益最大化和合作收益最大化两个子问题，提出一种园区之间能量共享的分布式优化策略；针对园区参与能量共享后的利益分配问题，采用改进后的非对称纳什议价方法量化各个园区在电能共享中的贡献大小；运用admm算法按照顺序对两个子问题进行分布式求解，为了保证各园区的隐私信息，在仅交换有限信息的基础上达到博弈均衡，从而实现多园区综合能源系统中的广义储能的优化调度。

2、具体地，本发明采用了如下技术手段：

3、本发明提供了一种多园区综合能源系统的广义储能优化调度方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1，获取所述多园区综合能源系统中各个园区的园区级综合能源系统的负荷量、内部设备的设备参数以及运行成本参数；步骤s2，将所述负荷量、所述设备参数和所述运行成本参数代入预先构建的所述多园区综合能源系统的多园区综合能源系统合作运行优化模型并进行求解，得到使得多个所述园区合作效益最大化的第一优化结果；步骤s3，将所述第一优化结果、所述负荷量、所述设备参数和所述运行成本参数代入预先构建的所述多园区综合能源系统的综合能源系统合作运行纳什议价模型并进行求解，得到使得多个所述园区合作收益分配最优化的第二优化结果；步骤s4，基于所述第二优化结果，得到所述多园区综合能源系统中的所述广义储能的优化调度方案。

4、本发明提供的多园区综合能源系统的广义储能优化调度方法，还可以具有这样的技术特征，其中，所述多园区综合能源系统合作运行优化模型包括各个所述园区级综合能源系统的内部设备模型、为使所述多园区综合能源系统整体效益最高构建的目标函数、约束条件以及多个所述多园区综合能源系统之间进行电能共享的多园区电能合作共享模型，所述综合能源系统合作运行纳什议价模型包括各个所述园区的议价能力模型以及非对称议价收益分配模型。

5、本发明提供的多园区综合能源系统的广义储能优化调度方法，还可以具有这样的技术特征，其中，各个所述园区级综合能源系统包括广义储能系统，所述广义储能系统包括实体储能单元和虚拟储能单元，所述实体储能单元包括多种实体储能设备，所述实体储能设备的模型为：

6、

7、式中，为t时刻园区r第i种实体储能设备存储的能量，μi为第i种储能设备的自放能损耗系数，分别为第i种实体储能设备的充能和放能效率，分别为t时刻园区r第i种实体储能设备的充能和放能功率，所述虚拟储能单元包括多个空调-建筑热惰性虚拟储能系统和柔性电负荷虚储能系统，所述空调-建筑热惰性虚拟储能系统的二阶等效热参数模型为：

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9、

10、

11、

12、

13、式中，qo_r(t)、qiw_r(t)、qow_o(t)、qgain、qac(t)分别为t时段内建筑室内外热传递量、内墙壁与室内热传递量、外墙壁与室外热传递量、房屋热增益量、空调制热量；tr、to、tw分别为室内气温、室外气温、房屋墙体温度；ma和ca分别为墙体质量与比热容；rwr、rwa、req分别为内墙面与室内空气间的热阻、外墙面与室外空气间的热阻、墙体等效热阻；λ为室内热增益；pac为空调额定功率；cop为空调性能参数，多个所述空调-建筑热惰性虚拟储能系统聚合后的热功率为：

14、

15、式中，ζ为换算系数，m为参与聚合的空调建筑的数量，sac_i代表空调开关0-1变量，多个所述空调-建筑热惰性虚拟储能系统聚合后的蓄放热功率为：

16、

17、式中，为不进行虚拟储能调节的建筑热功率；进行虚拟储能调节时的建筑热功率，所述柔性电负荷虚储能系统利用柔性电负荷实现储能，所述柔性电负荷包括多种可转移负载和多种可削减负荷，多种所述可转移负载聚合后的模型为：

18、

19、式中，分别为第i种可转移负荷t时段转移前后的功率值；分别为可转移功率的上下限；分别为可转移时段的上下限；ψi,t为0-1变量，多种所述可削减负荷聚合后的模型为：

20、

21、式中，分别为第i种可削减负荷t时段响应前后的功率值；为削减率；分别为可削减持续时段的上下限；γi,t为可削减负荷是否发生削减的0-1变量；为t时段最大可削减负荷功率。

22、本发明提供的多园区综合能源系统的广义储能优化调度方法，还可以具有这样的技术特征，其中，所述目标函数为：

23、

24、式中，为第r个园区的总体运行成本，为热电联产机组的常规机组运行成本，为碳交易成本，为外部能量交易成本，为实体储能运维成本，为多个园区级综合能源系统之间进行电能共享的内部能量共享成本，为虚拟储能单元的虚拟储能成本，所述内部能量共享成本表示为：

25、

26、式中，αe为电力线路传输费用系数，表示园区i与园区j之间的电能共享电价，表示园区i与园区j在t时段的电能共享量，t为调度周期，k为园区的集合，所述虚拟储能成本表示为：

27、

28、式中，为t时段的转移电负荷，为t时段的削减电负荷；为热能ves运维系数；为电负荷转移补偿系数，为电负荷削减补偿系数，所述约束条件包括实体储能充放电约束以及系统能量交互约束，所述实体储能充放电约束表示为：

29、

30、式中，分别为实体储能单元中第i种实体储能设备容量的上下限，分别为实体储能单元的最大充/放能功率，分别为实体储能设备是否处于充/放电状态的0-1变量，所述系统能量交互约束表示为：

31、

32、式中，和分别为园区之间共享电量的上下限值。

33、本发明提供的多园区综合能源系统的广义储能优化调度方法，还可以具有这样的技术特征，其中，步骤s2包括以下子步骤：步骤s2-1，设定交替方向乘子法的算法参数，包括最大迭代次数、收敛精度、惩罚因子以及拉格朗日乘子，并基于所述拉格朗日乘子和所述惩罚因子构建所述多园区电能合作共享模型的增广拉格朗日函数；步骤s2-2，第一个所述园区的所述园区级综合能源系统基于该增广拉格朗日函数更新该园区的共享电量策略，并将更新后的所述共享电量策略中的共享电量信息发送给下一个所述园区的所述园区级综合能源系统，下一个所述园区的所述园区级综合能源系统接收到该共享电量信息后，基于该共享电量信息以及所述增广拉格朗日函数更新该园区的共享电量策略，并将更新后的所述共享电量策略中的共享电量信息发送给再下一个所述园区，直到所有的所述园区的所述园区级综合能源系统完成更新；步骤s2-3，基于各个所述园区的所述园区级综合能源系统的更新后的所述共享电量策略，更新所述拉格朗日乘子；步骤s2-4，判断是否达到设定的收敛条件；步骤s2-5，在步骤s2-4判断为是时，结束迭代，输出所述第一优化结果，所述第一优化结果包括各个所述园区的所述园区级综合能源系统之间的最优共享电量以及电能交易量；步骤s2-6，在步骤s2-4判断为否时，更新迭代次数并返回步骤s2-2。

34、本发明提供的多园区综合能源系统的广义储能优化调度方法，还可以具有这样的技术特征，其中，步骤s2-1中，所述增广拉格朗日函数表示为：

35、

36、式中，为用于对所述多园区电能合作共享模型进行解耦的辅助变量，λi为拉格朗日乘子，ρ为惩罚因子，步骤s2-2中，各个所述园区的所述园区级综合能源系统按照以下公式对其所述共享电量策略进行更新迭代：

37、

38、式中，分别为园区i更新前后的共享电量策略，分别为园区j更新前后的共享电量策略，步骤s2-4中，根据以下公式判断是否到达所述收敛条件：

39、

40、式中，ξ为收敛精度，kmax为最大迭代次数。

41、本发明提供的多园区综合能源系统的广义储能优化调度方法，还可以具有这样的技术特征，其中，步骤s3包括以下子步骤：步骤s3-1，基于所述最优共享电量，计算各个所述园区的所述园区级综合能源系统的非对称议价收益分配模型；步骤s3-2，设定所述交替方向乘子法的算法参数，包括最大迭代次数、收敛精度、惩罚因子以及拉格朗日乘子，并基于所述拉格朗日乘子和所述惩罚因子构建所述非对称议价收益分配模型的增广拉格朗日函数；步骤s3-3，第一个所述园区的所述园区级综合能源系统基于该增广拉格朗日函数更新该园区的共享电量策略，并将更新后的所述共享电量策略中的共享电量信息发送给下一个所述园区的所述园区级综合能源系统，下一个所述园区的所述园区级综合能源系统接收到该共享电量信息后，基于该共享电量信息以及该增广拉格朗日函数更新该园区的共享电量策略，并将更新后的所述共享电量策略中的共享电量信息发送给再下一个所述园区，直到所有的所述园区的所述园区级综合能源系统完成更新；步骤s3-4，基于各个所述园区的所述园区级综合能源系统的更新后的所述共享电量策略更新所述拉格朗日乘子；步骤s3-5，判断是否达到预定的收敛条件；步骤s3-6，在步骤s3-5判断为是时，结束迭代，输出所述第二优化结果；步骤s3-7，在步骤s3-5判断为否时，更新迭代次数并返回步骤s3-3。

42、本发明提供的多园区综合能源系统的广义储能优化调度方法，还可以具有这样的技术特征，其中，步骤s3-1包括以下子步骤：步骤s3-1-1，基于所述最优共享电量，计算各个所述园区的所述园区级综合能源系统参与电能共享优化运行时提供的能量和获得的能量；步骤s3-1-2，基于各个所述园区的所述园区级综合能源系统参与电能共享优化运行时提供的能量和获得的能量，计算多个所述园区的所述园区级综合能源系统进行电能共享优化运行时域内提供的总能量和获得的总能量；步骤s3-1-3，构建非线性能量映射函数，基于多个所述园区的所述园区级综合能源系统进行电能共享优化运行时域内提供的总能量和获得的总能量得到各个所述园区的所述园区级综合能源系统参与电能共享优化运行时的贡献大小，并基于所述贡献大小得到各个所述园区的议价能力模型；步骤s3-1-4，基于所述议价能力模型以及所述最优共享电量，构建所述非对称议价收益分配模型。

43、本发明提供的多园区综合能源系统的广义储能优化调度方法，还可以具有这样的技术特征，其中，步骤s3-1-1中，各个所述园区的所述园区级综合能源系统参与电能共享优化运行时提供的能量和获得的能量表示为：

44、

45、步骤s3-1-2中，多个所述园区的所述园区级综合能源系统进行电能共享优化运行时域内提供的总能量和获得的总能量表示为：

46、

47、步骤s3-1-3中，所述议价能力模型表示为：

48、

49、步骤s3-1-4中，所述非对称议价收益分配模型表示为：

50、

51、

52、式中，为参与电能共享前园区i的成本。

53、发明作用与效果

54、根据本发明的多园区综合能源系统的广义储能的优化调度方法，以多园区综合能源系统为框架，预先构建了多园区综合能源系统合作运行优化模型以及综合能源系统合作运行纳什议价模型，既考虑了多个园区整体的成本和效益，又考虑了各个园区各自的利益，并将问题等效转化为联盟效益最大化和合作收益最大化两个子问题，依次求解这两个问题，从而得到多个园区之间能量共享的优化策略。基本发明的方法得到的优化策略，可以灵活地、充分地利用多园区综合能源系统中各个园区级综合能源系统中的广义储能，实现更为低碳环保的供能方案，保证园区用能的同时减少上级配电网的负担，并且可以避免参与电能共享的园区之间利益分配不公的情况，从而提高各个园区之间的合作可靠性与积极性。