一种低压配电网光伏-储能-负荷协调运行方法与流程

1.本发明涉及配电网运行优化技术领域，尤其是涉及一种面向低碳经济的低压配电网光伏-储能-负荷协调运行方法。


背景技术：

2.可再生能源的大规模开发与利用，是实现“双碳”目标的重要途径。随着配电网可再生能源渗透率的不断提高，功率逆流、节点电压越限等问题日趋严重。如何充分利用配电网中的可控资源，提高可再生能源消纳率，减少弃风弃光，保障电网安全经济运行，已成为当前研究的热点。
3.光伏作为一种新兴的可再生能源，现在亟需一种面对光伏的配电网协调运行方法以提高可再生能源消纳率。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种有效降低光伏出力削减，提高用户智能用电水平的低压配电网光伏-储能-负荷协调运行方法。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种低压配电网光伏-储能-负荷协调运行方法，所述的协调运行方法包括：
7.步骤1：基于运行特性，构建光伏设备模型、储能设备模型和用户侧主动负荷模型；
8.步骤2：基于光伏设备模型、储能设备模型和用户侧主动负荷模型构建协调运行模型；
9.步骤3：求解协调运行模型，获得低压配电网光伏-储能-负荷协调运行策略。
10.优选地，所述的光伏设备模型具体为：
[0011][0012]
其中，s
inv
为光伏逆变器的额定容量；p
pv
为光伏电源发出的有功功率；q
pv,max
为最大无功补偿量。
[0013]
优选地，所述的储能设备模型具体为：
[0014][0015]
其中，e
actua
为电池的容量；α
sei
为形成的sei膜所消耗的电池活性物质比率，f
sei
是与sei膜形成速度相关的参数；r为气体常数；p
bes
为锂离子电池的充放电功率；u
b,rated
为电池工作时的额定电压。
[0016]
优选地，所述的用户侧主动负荷模型包括空调负荷模型、热水器负荷模型和电动汽车负荷模型。
[0017]
更加优选地，所述的空调负荷模型具体为：
[0018]
空调设备工作时：
[0019]
t
t+1room
＝t
t+1out-qr-(t
t+1out-qr-t
tout
)e-δt/rc
[0020]
空调设备关闭时：
[0021]
t
t+1room
＝t
t+1out-(t
t+1out-t
troom
)e-δt/rc
[0022]
其中，t为当前时刻计数值；t
room
为房间温度；t
out
为室外环境温度；r为等值热阻；c为等值热容；q为等值热效率；
△
t为仿真步长；
[0023]
所述的热水器负荷模型具体为：
[0024][0025]
其中，t
water
是热水器水温；t
cold
是注入冷水的温度；m是热水器容量；d是用户耗水量；p
wh
是热水器额定功率；c
water
是水的比热容；u
t
是二进制变量，当热水器加热时u
t
＝1，否则u
t
＝0；
[0026]
所述的电动汽车负荷模型具体为：
[0027][0028]
其中，soc为电动汽车电池的荷电状态；p
evt
为t时刻电动汽车的充电功率；e
ev
为电动汽车电池的额定容量。
[0029]
优选地，所述的协调运行模型的目标函数为：
[0030]
min f＝f
op
+f
carbon
[0031][0032][0033]
其中，f
op
和f
carbon
分别为光伏-储能-负荷的调节成本与综合碳成本；k1、k2和k3分别为可控光伏、储能和主动负荷的数量；c
pvc
、c
bes
和c
lc
分别为光伏削减、储能运行和负荷削减的单位成本；c
bes
为储能在整个生命周期内的平均投资；c
lc
为用户侧的主动负荷削减报价；m为多阶报价的阶段数；p
pv
、p
pvc
、p
l
、p
lc
和p
bes
分别为光伏输出功率，光伏削减功率、用户侧有功负荷、负荷削减功率以及储能充放电功率；ca和cb分别为单位碳排放的标准交易价格和税费；ηc为碳税征收的比例系数；ξ是常规热电机组单位产能的碳排放量。
[0034]
更加优选地，所述的协调运行模型设有潮流约束、电压约束、光伏运行约束、储能系统约束和主动负荷控制约束。
[0035]
更加优选地，所述的潮流约束具体为：
[0036]
p
ti+1
＝p
ti-(p
tl,i-p
tlc,i
)+(p
tpv,i-p
tpvc,i
)-p
tbes,i
[0037]qti+1
＝q
ti-q
tl,i
+q
tinv,i
[0038]
[0039]
其中，pi和qi分别为从节点i到i+1传输的有功无功功率；q
l
为无功负载；q
inv
为光伏逆变器的无功功率输出；v0为平衡节点电压；ri，xi分别为节点i与i+1之间的电阻和电抗值；
[0040]
所述的电压约束具体为：
[0041]vlow
≤v
ti
≤v
up
[0042]
其中，v
up
和v
low
分别为节点电压上、下限；
[0043]
所述的光伏运行约束具体为：
[0044]
p
tpvc,i
≤p
tpv,i
[0045]
|q
tinv,i
|≤|q
tinv,max
|
[0046]
所述的储能系统约束具体为：
[0047][0048]-p
bes，max
≤p
tbes，i
≤p
bes，max
[0049]
其中，soc
up
和soc
low
分别为电池soc的上、下限；p
bes.max
为电池充放电功率的最大值；
[0050]
所述的主动负荷控制约束：
[0051]stac/wh/ev,con
≤s
tac/wh/ev
[0052][0053][0054][0055]
其中，s
ac
、s
ac,con
、s
wh
、s
wh,con
、s
ev
、s
ev,con
分别代表空调、热水器和电动汽车被控制前后的运行状态；t
ac,min
、t
ac,max
、t
wh,min
和t
wh,max
分别为用户允许的室温、水温的最小值与最大值；t
start
和t
fin
分别为用户允许的电动汽车充电起始时间与终止时间；e
charge
为电动汽车的充电电量；s
ac
、s
wh
均为二进制变量，当负荷处于工作状态时取1，否则取0。
[0056]
更加优选地，所述的协调运行模型设有用户满意度约束，具体为：
[0057]
t
ac,min
≤t
troom
≤t
ac,max
[0058]
t
wh,min
≤t
twater
≤t
wh,max
[0059][0060]
更加优选地，所述的协调运行模型设有主动负荷削减总量约束和多阶段主动负荷削减报价约束；
[0061]
所述的主动负荷削减总量约束具体为：
[0062]
p
tlc
＝(s
tac-s
tac,con
)p
ac
+(s
twh-s
twh,con
)p
wh
[0063]
+(s
tev-s
tev,con
)
[0064]
所述的多阶段主动负荷削减报价约束具体为：
[0065][0066]
0≤p
tlc,i,k
≤d
i,k-d
i,k-1
k＝1,2,...,m
[0067]
其中，dk和d
k-1
分别为第k级主动负荷削减报价的上下限。
[0068]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0069]
有效降低光伏出力削减，提高用户智能用电水平：本发明中的低压配电网光伏-储能-负荷协调运行方法以最小化运行成本与碳排放成本为目标，兼顾节点电压安全约束与用户满意度，提出了光伏-储能-负荷协调运行策略，仿真结果表明该策略明显降低了光伏出力削减，提高了用户智能用电水平，对绿色低碳经济发展具有重要意义。
附图说明
[0070]
图1为本发明中低压配电网光伏-储能-负荷协调运行方法的流程示意图；
[0071]
图2为本发明实施例中逆变器的有功和无功容量关系曲线图；
[0072]
图3为本发明实施例中耗水量为零时贮水式热水器水箱中温度与时间的关系曲线；
[0073]
图4为本发明实施例中的多阶主动负荷削减报价曲线；
[0074]
图5为本发明实施例中6节点配电网仿真系统的结构示意图；
[0075]
图6为本发明实施例中仿真系统的仿真结果示意图；
[0076]
其中，图6(a)为光伏出力曲线图，图6(b)为用户侧不可控负荷曲线图，图6(c)为用户耗水量曲线图，图6(d)为室外温度曲线图；
[0077]
图7为本发明实施例中仿真系统的节点电压曲线图；
[0078]
其中，图7(a)为未采取电压管理措施时节点电压情况，图7(b)为采取协调运行策略后节点电压情况；
[0079]
图8为本发明实施例中负荷削减后各用户室内温度曲线图。
具体实施方式
[0080]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
[0081]
一种低压配电网光伏-储能-负荷协调运行方法，协调运行方法包括：
[0082]
步骤1：基于运行特性，构建光伏设备模型、储能设备模型和用户侧主动负荷模型；
[0083]
步骤2：基于光伏设备模型、储能设备模型和用户侧主动负荷模型构建协调运行模型；
[0084]
步骤3：求解协调运行模型，获得低压配电网光伏-储能-负荷协调运行策略。
[0085]
光伏设备模型具体为：
[0086]
当配电网线路参数r与x较为接近或r小于x时，光伏逆变器的无功补偿可作为一种灵活有效的电压管理手段。对于给定的逆变器，其最大无功补偿量q
pvmax
的计算方法为：
[0087][0088]
其中，s
inv
为光伏逆变器的额定容量，p
pv
为光伏电源发出的有功功率，q
pv,max
为最大无功补偿量。逆变器的有功和无功容量关系曲线如图2所示。
[0089]
储能设备模型具体为：
[0090]
在本实施例中，假设所有使用的电池都是锂电池，容量衰减是为非线性过程：
[0091][0092]
其中，e
actua
为电池的容量；α
sei
为形成的sei膜所消耗的电池活性物质比率；f
sei
是与sei膜形成速度相关的参数，由于该过程具有瞬时性，实际计算中可假设e-fsei
＝0；参数b、a1、a2、z可通过进行大量电池老化实验得到；r为气体常数，p
bes
为锂离子电池的充放电功率，u
b,rated
为电池工作时的额定电压。
[0093]
随着能量管理系统的快速发展，主动负荷的概念应运而生。当电力运营商给出某些经济激励时，主动负荷可以智能控制用户用电设备或设备组来改变动作时间和负载大小以响应运营商的需求，进而提高经济收益。智能家电管理与控制技术的发展为实现源荷侧协调交互提供了新思路，是主动负荷控制研究的技术核心。
[0094]
家用电器根据是否能被控制可划分为可控与不可控负荷两类。不可控负荷如家庭必需的照明设备、电视等，其停电会对居民生活产生较大影响，因此一般不参与主动负荷控制；可控负荷如空调、热水器、电动汽车等，使用规律相对稳定，短期停电几乎不影响用户正常生活，适合参与主动负荷控制。本实施例选取了空调、热水器和电动汽车三种常见的主动负荷进行研究，具体介绍如下。
[0095]
空调负荷模型具体为：
[0096]
空调作为用户侧温控负荷的典型代表具有较好的热能存储特性。研究中，通常采用由二阶常系数微分方程组构成的等值热力学(equivalent thermal parameter，etp)模型来表示其动态过程。该模型计算精度较高，但在进行大规模系统仿真时，计算量较大，仿真速度有待提高。本专利对该模型进行了简化，当空调设备工作时：
[0097]
t
t+1room
＝t
t+1out-qr-(t
t+1out-qr-t
tout
)e-δt/rc
[0098]
空调设备关闭时：
[0099]
t
t+1room
＝t
t+1out-(t
t+1out-t
troom
)e-δt/rc
[0100]
其中，t为当前时刻计数值；t
room
为房间温度；t
out
为室外环境温度；r为等值热阻，单位为℃/w；c为等值热容，单位为j/℃；q为等值热效率，单位为w；
△
t为仿真步长。参数r、c、q是等效拟合参数，可通过拟合简化模型曲线和精确的etp模型曲线或实际测量曲线获得。虽然等效拟合参数没有实际的物理含义，但它们与空调性能及其使用环境密切相关，空调功率越大，房屋的隔热性能越好，rq就越大，空调工作时室温下降越快。
[0101]
热水器负荷模型具体为：
[0102]
热水器运行特性模拟过程中，需建立一个描述热水器、环境及注入冷水间热量交换的动态温度模型。图3给出了耗水量为零时，贮水式热水器水箱中温度与时间的关系曲线。曲线上升部分表示热水器处于加热状态时水箱中水温的升高，下降部分表示热水器停止工作时水箱中温度的降低(这种降低由热传递、热辐射等原因造成)。在实际应用中，考虑到热水器良好的储热性能，当热水器不工作时，可以忽略水箱内温度的降低，在引入用户耗水量后，热水器模型可以简化为：
[0103][0104]
其中，t
water
是热水器水温；t
cold
是注入冷水的温度；m是热水器容量；d是用户耗水量；p
wh
是热水器额定功率；c
water
是水的比热容，取4.186kj/(kg*℃)；u
t
是二进制变量，当热水器加热时u
t
＝1，否则u
t
＝0。
[0105]
电动汽车负荷模型具体为：
[0106]
电动汽车的负荷特性与其所使用的电池性能密切相关，当下电动汽车所使用的电池大致有三类：铅酸电池、镍氢电池和锂电池。电动汽车通常采用“恒流-恒压”两阶段充电方式，先以恒定电流将电池充至电压阈值，然后以恒压充电方式将电池充满。在恒流充电阶段，电池端电压逐渐升高，充电功率也随之增加；在恒压充电阶段，充电电流随电池soc的增大而减小，充电功率不断下降。电池在使用过程中内阻逐渐增大，导致其在恒流充电阶段储存电能较少，充电过程主要依赖恒压阶段，又因为恒压充电阶段充电功率波动较小，可以使用恒功率充电模型来描述电动汽车的充电过程。本专利假设所有电动汽车均采用锂离子电池，则其充电数学模型可简化为：
[0107][0108]
其中，soc为电动汽车电池的荷电状态，p
evt
为t时刻电动汽车的充电功率，e
ev
为电动汽车电池的额定容量。
[0109]
协调运行模型旨在提高低压配电网的运行安全性与低碳经济性，目标函数如下：
[0110]
min f＝f
op
+f
carbon
[0111][0112][0113]
其中，f
op
和f
carbon
分别为光伏-储能-负荷的调节成本与综合碳成本；k1、k2和k3分别为可控光伏、储能和主动负荷的数量；c
pvc
、c
bes
和c
lc
分别为光伏削减、储能运行和负荷削减的单位成本；c
bes
为储能在整个生命周期内的平均投资；c
lc
为用户侧的主动负荷削减报价，通常选用如图4所示的多级曲线；m为多阶报价的阶段数，p
pv
、p
pvc
、p
l
、p
lc
和p
bes
分别为光伏输出功率，光伏削减功率、用户侧有功负荷、负荷削减功率以及储能充放电功率，ca和cb分别为单位碳排放的标准交易价格和税费，ηc为碳税征收的比例系数，ξ是常规热电机组单位产能
的碳排放量。
[0114]
协调运行模型设有潮流约束、电压约束、光伏运行约束、储能系统约束和主动负荷控制约束。
[0115]
潮流约束具体为：
[0116]
本实施例采用dist-flow模型来描述传统辐射状配电网潮流，为简化计算，可对进行线性化处理：
[0117]
p
ti+1
＝p
ti-(p
tl,i-p
tlc,i
)+(p
tpv,i-p
tpvc,i
)-p
tbes,i
[0118]qti+1
＝q
ti-q
tl,i
+q
tinv,i
[0119][0120]
其中，pi和qi分别为从节点i到i+1传输的有功无功功率，q
l
为无功负载，q
inv
为光伏逆变器的无功功率输出，v0为平衡节点电压，ri，xi分别为节点i与i+1之间的电阻和电抗值，
[0121]
电压约束具体为：
[0122]
为保障电网安全运行，节点电压应控制在要求范围内：
[0123]vlow
≤v
ti
≤v
up
[0124]
其中，v
up
和v
low
分别为节点电压上、下限，
[0125]
光伏运行约束具体为：
[0126]
p
tpvc,i
≤p
tpv,i
[0127]
|q
tinv,i
|≤|q
tinv,max
|
[0128]
储能系统约束具体为：
[0129]
为确保电池使用的安全，其充放电容量及功率都不得超过规定范围：
[0130][0131]-p
bes，max
≤p
tbes，i
≤p
bes，max
[0132]
其中，soc
up
和soc
low
分别为电池soc的上、下限，p
bes.max
为电池充放电功率的最大值，
[0133]
主动负荷控制约束：
[0134]
只有当负荷处于工作状态时，才能进行主动负荷控制，为提高计算效率，引入以下约束：
[0135]stac/wh/ev,con
≤s
tac/wh/ev
[0136][0137]
[0138][0139]
其中，s
ac
、s
ac,con
、s
wh
、s
wh,con
、s
ev
、s
ev,con
分别代表空调、热水器和电动汽车被控制前后的运行状态，t
ac,min
、t
ac,max
、t
wh,min
和t
wh,max
分别为用户允许的室温、水温的最小值与最大值，t
start
和t
fin
分别为用户允许的电动汽车充电起始时间与终止时间，e
charge
为电动汽车的充电电量，s
ac
、s
wh
均为二进制变量，当负荷处于工作状态时取1，否则取0。
[0140]
为了简化计算，针对空调负荷模型、热水器负荷模型和电动汽车负荷模型进行线性化处理，具体为：
[0141][0142]
其中，τ0为空调关闭时，室温从t
ac,min
上升到t
ac,max
所需时间，τ1为空调工作时，室温从t
ac,max
降低到t
ac,min
所需时间。
[0143][0144]etcharge
＝e
t-1charge
+s
tev,con
δt
[0145]
协调运行模型设有用户满意度约束，具体为：
[0146]
t
ac,min
≤t
troom
≤t
ac,max
[0147]
t
wh,min
≤t
twater
≤t
wh,max
[0148][0149]
协调运行模型设有主动负荷削减总量约束和多阶段主动负荷削减报价约束，
[0150]
主动负荷削减总量约束具体为：
[0151]
p
tlc
＝(s
tac-s
tac,con
)p
ac
+(s
twh-s
twh,con
)p
wh
[0152]
+(s
tev-s
tev,con
)
[0153]
多阶段主动负荷削减报价约束具体为：
[0154][0155]
0≤p
tlc,i,k
≤d
i,k-d
i,k-1 k＝1,2,...,m
[0156]
其中，dk和d
k-1
分别为第k级主动负荷削减报价的上下限。
[0157]
下面提供一种具体的应用例：
[0158]
利用6节点230v低压配电网系统对本专利提出的源-储-荷协调运行策略进行仿真分析，网络结构如图5所示。假设每个节点为一个用户，且每个用户均安装光伏、储能系统、空调、热水器和电动汽车，具体网络及主动负荷信息如表1和表2所示。
[0159]
表1仿真系统参数
[0160]
功率基值1kw线路参数0.549+j0.072ω/km电压基值230v节点间距离100m电池额定容量/功率20kwh/5kwδt15min光伏额定功率9kws
inv
9.9kva
[0161]
表2用户侧主动负荷参数
[0162][0163]
根据gb/t 12325-2008“电能质量与供电电压偏差”中的规定，选取0.94～1.04p.u.作为电压偏差允许范围，选取如表3所示的三级负荷削减报价机制，c
pvc
＝0.558元/kwh，c
bes
＝0.500元/kwh，ca＝0.050元/kg，cb＝0.035元/kg，ηc＝100％，ξ＝0.78kg/kwh。选择某一夏季典型日作为仿真场景，图6给出了相应的光伏出力、不可控负荷、用户耗水量和室外温度曲线。
[0164]
表3三级负荷削减报价
[0165]
负荷削减阶段各阶段负荷削减范围c
load
(元/kw)10-40％0.1021240％-80％0.1148380％-100％0.1276
[0166]
图7(a)中，在未采取任何电压管理措施的情况下，10:00至15:00间，由于太阳辐射较强，出现电压越上限问题；18:00到23:00间，由于光伏输出为零且用户用电量较大，出现电压越下限问题。图7(b)中，采用本实施例提出的协调运行策略后，配电网中的多种可控资源得到充分利用，完全解决了电压越限问题。
[0167]
本实施例提出的协调运行策略考虑了用户满意度，因此运行主动负荷控制后，仍可保证用户体验在合理范围内。以空调负荷为例，图8展示了负荷削减后室内温度变化曲线，参考表2中的参数，五个用户的室内温度均在容许范围内。
[0168]
为证明经济性的提升，对目标函数中考虑和不考虑碳排放成本的运行策略进行了对比。提高光伏消纳率以及减少用户侧用电量均有利于低碳经济发展，如表4所示，考虑低碳经济效益后，运行成本有了一定提升，但系统总成本降低了4.89％。
[0169]
表4经济性对比
[0170][0171]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。