考虑需求响应与储能协同优化微电网运行方法与流程

本发明涉及微电网优化运行技术领域，尤其涉及一种考虑需求响应与储能协同优化微电网运行方法。

背景技术：

需求响应(demandresponse，dr)是指用户收到运营商发出的电价信号或者激励信号后，改变其常规的用电习惯，缓解电力供应紧张的一种用电行为。dr可分为激励型dr与价格型dr两种。微电网中引入需求响应将确保供电侧和需求侧都满足最佳运行条件，在一定程度上可以提高的电网灵活性，并缓解间歇性可再生能源的影响，有助于建立一个更经济、可靠的微电网。

目前，国内外关于需求响应的研究有着许多研究成果。需求响应在微电网优化运行中的应用是一个重要方面，于此，邵靖珂、汪沨、谭阳红等著《计及需求侧响应的微网经济优化调度》(电力系统及其自动化学报,2016,28(10):31-36.)以可转移负荷为主要研究对象，结合分时电价，从用户的用电需求与微电网经济效益与环境效益出发，构建计及需求响应的微电网优化调度模型。孙宇军、王岩、李秋硕等著《计及用户侧互动的两阶段滚动调度计划模型》(南方电网技术，2017，11(6):63-69.)基于消费者心理学原理模拟用户对于电价变动的响应过程，将用户满意度约束引入至调度模型中。模型仅从平均电价前后的变化建立满意度约束，并未考虑运营商提供给用户补偿的影响。南思博、李庚银、周明等著《智能小区可削减柔性负荷实时需求响应策略》(电力系统保护与控制,2019,47(10):42-50.)将可削减负荷划分为可中断负荷与可调节负荷，仅对于可调节负荷利用用户照明与温度舒适度设定用电功率等级。

储能设备能够有效改善系统中供需不平衡和弃风弃光问题，是微电网维持稳定运行的重要设备。由于储能设备的寿命损耗较大，需要频繁更换，因此需要对储能设备运行情况加以控制。目前，考虑蓄电池使用寿命的微电网经济调度主要有以下两种研究方式。一是限定调度周期内蓄电池充放电转换次数，如杨秀、陈洁、朱兰等著《基于经济调度的微网储能优化配置》(电力系统保护与控制,2013,41(1):53-60.)。二是将蓄电池的荷电量限定在一定范围内，如mercierp,cherkaouir,oudalova著《optimizingabatteryenergystoragesystemforfrequencycontrolapplicationinanisolatedpowersystem》(ieeetransactionsonpowersystems,2009,24(3):1469-1477.)。

现有的需求响应模型并未考虑用户参与需求响应项目的满意度，缺乏对于用户行为的建模。并且对于参与需求响应项目用户的补偿均考虑为固定的补偿价格，无法充分激励和引导用户参与需求响应。

考虑蓄电池使用寿命的微电网经济调度主要有以下两种研究方式。一是限定调度周期内蓄电池充放电转换次数，然而具体限定的次数需要根据实际情况设定，其具体值不好确定。此外，可能出现因次数限制过于苛刻蓄电池无法充分发挥缓解负荷变动的作用，经济性差；或某一次放电功率过大，放电深度较大，寿命缩短。因此，一味地追求蓄电池充放电转换次数减少以延长蓄电池寿命并不是很合理。二是将蓄电池的荷电量限定在一定范围内，但此法考虑因素并不全面，并未计及荷电量具体的影响，只是定性控制。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种考虑需求响应与储能协同优化微电网运行方法，对于需求响应模型，充分考虑用户的响应成本，并根据用户响应的积极性进行补偿，激发用户参加需求响应的积极性。对于蓄电池装置寿命损耗较大的问题，通过研究影响蓄电池寿命的因素，考虑对经济调度影响最大的蓄电池荷电量的影响，构建蓄电池运行成本，达到定量控制的效果。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是在微电网优化运行时充分考虑用户的响应成本，根据用户响应的积极性进行补偿，激发用户参加需求响应的积极性，并且计及蓄电池荷电量的影响，构建蓄电池运行成本，达到定量控制的效果。

为实现上述目的，本发明提供了一种考虑需求响应与储能协同优化微电网运行方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、对微电网建立考虑需求响应与储能协同优化模型；

步骤2、计算出所述协同优化模型的最优值，得到微电网的运行方案。

进一步地，所述步骤1中所述考虑需求响应与储能协同优化模型包括优化目标函数和相应的约束条件两部分，所述优化目标为微电网运营商成本最低，所述微电网运营商成本包括供电成本f1和需求响应成本f2两部分，所述约束条件包括微电网内功率平衡约束、微电网内各微源出力限制约束、柴油发电机爬坡约束、联络线约束、需求响应约束和蓄电池荷电量约束。

进一步地，所述供电成本f1包括燃料成本cf(t)、微电网运营商在电力交易中心的实时交易成本cr(t)和蓄电池运行成本cop(t)，表示如下：

式中：t为调度周期取24；

所述需求响应成本f2表示如下：

式中：x为用户削减功率；y为微电网运营商给予参加可中断负荷项目用户的补偿；j为微电网内参加可中断负荷项目的用户总数；λ为节点边际电价。

进一步地，所述优化目标f是将所述供电成本f1和需求响应成本f2作为所述优化模型的两个子目标，对于这个多目标优化问题，采用线性加权法处理，引入权重系数w1和w2，表示如下：

f＝w1f1+w2f2

式中：w1+w2＝1。

进一步地，所述约束条件具体包括：

所述微电网内功率平衡约束表示如下：

式中：pw(t)、ps(t)、pr(t)、pbat(t)、pl(t)分别为时间t风力发电机输出功率、光伏系统输出功率、联络线传输功率、蓄电池传输功率、微电网初始的负荷需求；

所述微电网内各微源出力限制约束表示如下：

pi,max≤pi(t)≤pi,min

0≤pw(t)≤wt

0≤ps(t)≤st

式中：pi,max、pi,min分别为柴油发电机i最大输出功率、最小输出功率；wt、st分别为时间t预测风力最大出力、预测光伏最大出力；

所述柴油发电机爬坡约束表示如下：

-δpi,down≤pi(t+1)-pi(t)≤δpi,up

式中：δpi,up、δpi,down分别是柴油发电机最大向上、最大向下爬坡率；

所述联络线约束表示如下：

-prmax≤pr(t)≤prmax

式中：prmax是联络线传输功率上限；

所述需求响应约束表示如下：

yj(t)-(k1,jxj(t)²+k2,jxj(t)-k2,jxj(t)θj)≥0

j＝1,...,j

式中：k1和k2为成本系数，均为大于0的常数；θ是用户类型，根据不同类型的用户参加可中断负荷项目的意愿程度进行分类，取值范围是0≤θ≤1；b为微电网运营商每天实施需求响应项目的预算；cm为参加可中断负荷项目的用户提前将其每天能中断的最大电量；

所述蓄电池荷电量约束表示如下：

socmin≤soc≤socmax

式中：socmax、socmin分别为蓄电池荷电量的上下限，

根据蓄电池最大放电电流idisch-max，得到蓄电池荷电量变化上限：

式中：ηdisch为蓄电池放电效率，

根据蓄电池最大充电电流ich-max，得到蓄电池荷电量变化下限：

式中：ηch为蓄电池充电效率，

在调度周期的首末时刻，蓄电池的荷电量应保持一致：

soc(1)＝soc(t+1)。

进一步地，所述燃料成本cf(t)表示如下：

式中：cf,i(pi(t))为第i个柴油发电机在时间t的燃料成本；pi(t)为第i个柴油发电机在时间t的功率；i是微电网内柴油发电机数；

所述实时交易成本表示如下：

cr(pr(t))＝γt·pr(t)

式中：γt是时间t的实时交易电价；pr(t)是时间t微电网在现货市场交易功率，若购入取正，卖出取负。

进一步地，所述蓄电池运行成本cop(t)表示如下：

式中：csb为蓄电池装置的初始投资成本；r(t-1)为时间t-1蓄电池寿命损耗系数；aop(t)为蓄电池在t-1～t时间内的吞吐量；atotal为蓄电池的有效吞吐量。

进一步地，所述蓄电池的有效吞吐量atotal表示如下：

式中：n为总的测试数；qn为蓄电池的额定容量；hi为第i次测试时的放电深度；ni为第i次测试时循环次数。

进一步地，所述蓄电池在t-1～t时间内的吞吐量aop(t)表示如下：

aop(t)＝|δsoc(t)|·qn

式中：|δsoc(t)|为蓄电池荷电量变化绝对值。

进一步地，所述时间t-1蓄电池寿命损耗系数r(t-1)表示如下：

r(t-1)＝m·soc(t-1)+d

式中：soc(t-1)为时间t-1蓄电池荷电量；m和d是拟合常数。

本发明的有益效果：

1、电力用户根据自身意愿自主选择是否参加需求响应项目，但是当前大多数需求响应模型对于用户参与需求响应满意度的考量并不全面。并且，给予电力用户的补偿都是固定的补偿价格，无法充分鼓励用户参加需求响应项目。可中断负荷项目具有响应速度快、未实施时零成本的优点，是电网调度机构调峰和处理紧急情况的重要工具。因此考虑用户参与可中断负荷项目。首先建立用户参加可中断负荷项目的成本，得到用户参加可中断负荷项目的收益，以此来确定用户参与需求响应项目的满意度。其中，微电网运营商所给予用户的补偿并不是固定的补偿价格，根据用户类型、参加需求响应项目的意愿程度与削减电量综合判断。

2、考虑微电网经济调度问题中影响蓄电池使用寿命的因素，在优化目标中引入涉及蓄电池运行成本的成本项，达到定量控制的效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的蓄电池荷电量与寿命损耗系数之间关系图；

图2是本发明的一个较佳实施例的微电网运行方法的流程图；

图3是本发明的一个较佳实施例的系统预测值与节点边际电价随时间变化图；

图4是本发明的一个较佳实施例的微电网负荷功率随时间变化图；

图5是本发明的一个较佳实施例的用户中断功率随时间变化图；

图6是本发明的一个较佳实施例的用户所获补偿随时间变化图；

图7是本发明的一个较佳实施例的蓄电池荷电量随时间变化图；

图8是本发明的一个较佳实施例的蓄电池充放电功率随时间变化图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

本发明涉及微电网内实施需求响应项目和考虑运行成本储能装置优化运行方案。对于需求响应模型，充分考虑用户的响应成本，并根据用户响应的积极性进行补偿，激发用户参加需求响应的积极性。对于蓄电池装置寿命损耗较大的问题，通过研究影响蓄电池寿命的因素，考虑对经济调度影响最大的蓄电池荷电量的影响，构建蓄电池运行成本，达到定量控制的效果。以下作具体介绍：

一、需求响应与蓄电池运行成本模型的建立

1、需求响应模型

1.1用户参加可中断负荷项目成本

用户参加可中断负荷项目的成本即为用户削减用电量时给自身带来的损失。用户参加可中断负荷项目的成本可用下式来表示：

c(x,θ)＝k1x²+k2x-k2xθ(1)

式中：k1和k2为成本系数，均为大于0的常数，可根据累积用户参加可中断负荷项目费率选择的历史数据，通过计量经济分析法对式(1)利用泰勒级数二次展开式进行参数估计获得；θ是用户类型，根据不同类型的用户参加可中断负荷项目的意愿程度进行分类，取值范围是0≤θ≤1；x为用户削减功率。

1.2用户参加可中断负荷项目收益

用户参加可中断负荷项目的收益可用下式表示：

u(θ,x,y)＝y-c(θ,x)(2)

式中：y为微电网运营商给予参加可中断负荷项目用户的补偿。在实际生活中，只有u≥0，用户才会参加可中断负荷项目。

1.3微电网运营商实施可中断负荷项目成本

当供电出现压力微电网运营商向某一特定位置供电时，其供电成本会十分昂贵。因此，微电网运营商实施可中断负荷项目的成本需要考虑不向用户供电所节省下的成本，可用下式表示

b(θ,λ)＝y-λx(3)

式中：λ为节点边际电价，可利用最优潮流计算获得。

1.4多个用户参加可中断负荷项目

参加可中断负荷项目的用户提前将其每天能中断的最大电量cm上报给微电网运营商。由于cm可以体现用户参加可中断负荷项目的意愿程度，微电网运营商根据用户的cm来确定其θ，按照θ值递减的原则对用户进行排序。

每个用户参加可中断负荷项目的收益大于或等于零时用户才会愿意参加需求侧响应。因此，对于用户j存在合理性约束：

式中：j为微电网内参加可中断负荷项目的用户总数。

为充分激发用户参加可中断负荷项目的积极性，微电网运营商需要根据用户响应的积极性进行补偿，越愿意响应的用户所获得的利益应该越多。因此，存在相容性约束：

2、蓄电池运行成本

2.1蓄电池使用寿命

蓄电池的使用寿命可由生产厂商提供的蓄电池在不同放电深度下的循环次数表示，蓄电池循环总数如下式：

式中：n为放电深度hn下的蓄电池循环次数；a1～a5为蓄电池生产厂商提供的相关系数。

但是由于蓄电池在实际工作时无法保证每次放电深度相同，因此一般使用有效吞吐量来进行蓄电池使用寿命预测。有效吞吐量即为蓄电池在整个生命周期内充放电量总和。蓄电池的有效吞吐量可利用下式进行估计：

式中：atotal为蓄电池的有效吞吐量，n为总的测试数；qn为蓄电池的额定容量；hi为第i次测试时的放电深度；ni为第i次测试时循环次数。

2.2蓄电池运行成本

蓄电池在t-1～t时间内的吞吐量aop(t)可以表示为：

aop(t)＝|δsoc(t)|·qn(8)

式中：|δsoc(t)|为蓄电池的荷电量soc变化绝对值

蓄电池在t-1～t时间内的寿命损耗系数k(t)可以表示为：

在微电网经济调度中最主要的影响因素是蓄电池的荷电量，所以主要考虑蓄电池荷电量的影响。

当蓄电池的荷电量为0.5时，蓄电池每吞吐1a·h电量，对于蓄电池实际寿命来说会减少1.3a·h有效吞吐量；当蓄电池的荷电量为1时，蓄电池每吞吐1a·h电量，对于蓄电池实际寿命来说会减少0.55a·h有效吞吐量。由此可以得到蓄电池寿命损耗系数r与蓄电池荷电量soc之间的关系，如图1所示。

对实验数据进行分段线性拟合，可以得到下式：

r(t)＝m·soc(t)+d(10)

式中：m和d是拟合常数。

可以得到蓄电池的运行成本cop(t)：

式中：csb为蓄电池装置的初始投资成本。

二、优化微电网运行方法并求解

1、目标函数

以微电网运营商成本最低为优化目标，微电网运营商成本f由两部分构成：供电成本f1和需求响应成本f2。

供电成本f1包括燃料成本cf(t)、微电网运营商在电力交易中心实时交易成本cr(t)、蓄电池运行成本cop(t)。

式中：t为调度周期取24。

式中的燃料成本、交易成本：

cr(pr(t))＝γt·pr(t)

式中：cf,i(pi(t))为第i个柴油发电机在时间t的燃料成本；i是微电网内柴油发电机数；γt是时间t的实时交易电价；pr(t)是时间t微电网在现货市场交易功率，若购入取正卖出取负。

cf,i(pi(t))＝aipi(t)²+bipi(t)

式中：ai和bi是柴油发电机组燃料成本系数。

需求响应成本f2如下：

式中：j为微电网内用户数。

由于需求响应项目实施具有一定复杂程度，需要微电网运营商与用户交流沟通，鼓励用户积极参加需求响应项目。并且需要对用户的用电情况进行调研，确定用户参加用户的成本与积极性。在一定程度上增加了微电网运营商的运营难度。因此，没有将f1和f2直接相加，而是将f1和f2作为优化模型的两个子目标。对于这个多目标优化问题，采用线性加权法处理，引入权重系数w1和w2

f＝w1f1+w2f2

式中：w1+w2＝1。

2、约束条件

微电网内功率平衡：

式中：pw(t)、ps(t)、pl(t)分别为时间t风力发电机输出功率、光伏系统输出功率、微电网初始的负荷需求。

微电网内各微源出力限制：

pi,max≤pi(t)≤pi,min

0≤pw(t)≤wt

0≤ps(t)≤st

式中：pi,max、pi,min分别为柴油发电机i最大输出功率和最小输出功率。

爬坡约束：

-δpi,down≤pi(t+1)-pi(t)≤δpi,up

式中：δpi,up、δpi,down分别是柴油发电机最大向上与最大向下爬坡率。

联络线约束：

-prmax≤pr(t)≤prmax

式中：prmax是联络线传输功率上限。

需求响应约束：

yj(t)-(k1,jxj(t)²+k2,jxj(t)-k2,jxj(t)θj)≥0

j＝1,...,j

式中：b为微电网运营商每天实施需求响应项目的预算。

在运行过程中对蓄电池的荷电量有一定上下限的要求：

socmin≤soc≤socmax

式中：socmax、socmin分别为蓄电池荷电量的上下限。

根据蓄电池最大放电电流idisch-max，可以得到蓄电池荷电量变化上限：

根据蓄电池最大充电电流ich-max，可以得到蓄电池荷电量变化下限：

在调度周期的首末时刻，蓄电池的荷电量应保持一致：

soc(1)＝soc(t+1)

三、实施例

如图2所示，根据本发明实施例的微电网运行方法，包括以下步骤：

s1、对微电网建立考虑需求响应与储能协同优化模型；

s2、计算出协同优化模型的最优值，得到微电网的运行方案。

算例选取一较小规模的微电网验证优化模型的有效性。微电网由柴油发电机、风力发电机、光伏电池和蓄电池构成。柴油发电机参数如表1所示。微电网内用户参数如表2所示。蓄电池基本参数如表3所示。风力光伏预测、微电网初始负荷、节点边际电价数据如图3所示。

表1柴油发电机参数

表2用户参数

表3蓄电池参数

图4给出了考虑需求响应前后微电网负荷功率的变化。可以看出当微电网内用电高峰期(光伏系统未出力)，节点边际电价较高时，用户自行削减功率。因此，加入需求响应之后可以有效缓解微电网内供电紧张问题。

图5和图6分别给出了用户中断功率与用户所获补偿的情况。在微电网用电高峰期，用户自行削减功率，缓解用电紧张。用户1总中断电量为30kwh、所获得的总补偿为124.32$；用户2总中断电量为35kwh、所获得的总补偿为140$；用户3总中断电量为40kwh，所获得的总补偿为158.26$。根据三个用户向微电网运营商上报的每天能中断的最大电量cm，用户3为最愿意参加需求响应项目，用户2次之，用户1积极性最低。算例结果体现了模型中的相容性约束，对于响应积极性越高的用户给予最多的补偿。在整个调度周期中，微电网运营商总支付补偿为422.57$。

观察图7和图8可以看出，在计及蓄电池运行成本之后，蓄电池的soc在较多时间段内都处于一个较高水平；蓄电池δsoc减小，蓄电池soc的变化减缓，说明充放电过程较为平缓。因此，在模型中加入蓄电池运行成本之后，可使蓄电池运行在soc较高的状态，充放电过程变缓，延长其寿命。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。