一種考慮小水電的互補微網(wǎng)經(jīng)濟運行評價方法
【專利摘要】一種考慮小水電的互補微網(wǎng)經(jīng)濟運行評價方法，所述方法以儲能容量、微網(wǎng)設備安裝成本與系統(tǒng)運行維護成本為目標函數(shù)，以系統(tǒng)容量、分布式發(fā)電比例與蓄電池充放電特性為約束條件，基于原對偶內點算法，計算由不同分布式電源組合構成的互補微網(wǎng)內各分布式電源的最佳配比及其所需要配置的儲能容量。建立互補微網(wǎng)經(jīng)濟運行評價指標，并針對得到的互補微網(wǎng)進行對比與分析，形成一種最優(yōu)的互補微網(wǎng)經(jīng)濟運行方式。結果表明，當風、光、水三種分布式電源出力具有互補性時，微網(wǎng)運行的經(jīng)濟效益達到最優(yōu)。
【專利說明】
一種考慮小水電的互補微網(wǎng)經(jīng)濟運行評價方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種考慮小水電的互補微網(wǎng)經(jīng)濟運行評價方法，屬小水電運行技術領 域。
【背景技術】
[0002] 風、光、水作為可再生的清潔能源，具有零污染、分布廣、蘊含量大等優(yōu)點，在現(xiàn)代 電力系統(tǒng)中占有越來越重要的地位。但由于光伏和風能易受晝夜變化、天氣情況、風力大小 等自然因素影響，其出力存在間歇性和隨機性的特點。對于小型水電站，大多數(shù)具有較小庫 容或者無庫容，從短期來看，其出力基本不變，但從季節(jié)時間尺度上看，存在豐水期和枯水 期。然而，我國太陽能資源夏秋季節(jié)豐富、春冬季節(jié)匱乏，風力資源春冬季節(jié)豐富、夏秋季節(jié) 匱乏，與水力資源的春夏季節(jié)豐水、秋冬季節(jié)枯水正好形成缺額互補?？梢姡L、光、水三種 分布式資源在時空上具有一定程度的天然互補性。當前，以風、光、水三種分布式電源構建 的三源互補微網(wǎng)，可以大大提高資源的利用效率，以及提高系統(tǒng)供電可靠性和微網(wǎng)經(jīng)濟效 益和環(huán)境效益。

【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明的目的是，通過研究風、光、水等分布式能源出力特性的互補關系，提出一 種考慮小水電的互補微網(wǎng)經(jīng)濟運行評價方法，建立考慮其互補特性對微網(wǎng)經(jīng)濟運行影響的 評價體系。
[0004] 本發(fā)明的技術方案是:一種考慮小水電的互補微網(wǎng)經(jīng)濟運行評價方法，所述方法 獲取當?shù)仫L、光、水等分布式能源年出力情況，分析其出力互補特性，獲取微網(wǎng)的年負荷曲 線；以儲能容量、微網(wǎng)設備安裝成本與系統(tǒng)運行維護成本為目標，以系統(tǒng)容量、分布式發(fā)電 比例與蓄電池充放電特性為約束。采用原對偶內點算法，計算互補微網(wǎng)內不同分布式電源 組合的最佳配比，及其所需要配置的儲能容量。建立互補微網(wǎng)經(jīng)濟運行評價指標體系，并對 由不同分布式電源構成的互補微網(wǎng)進行評價，實現(xiàn)其經(jīng)濟運行。
[0005] 本發(fā)明一種考慮小水電的互補微網(wǎng)經(jīng)濟運行評價方法，包括以下步驟：
[0006] (1)獲取當?shù)仫L、光、水等分布式能源年出力情況，分析風、光、水分布式電源的互 補特性；
[0007] (2)獲取微網(wǎng)的年負荷曲線；
[0008] (3)以儲能容量、微網(wǎng)設備安裝成本與系統(tǒng)運行維護成本為目標函數(shù)，以系統(tǒng)容 量、分布式發(fā)電比例與蓄電池充放電特性為約束條件；
[0009] (4)采用原對偶內點算法，計算由不同分布式電源組合構成的互補微網(wǎng)內各分布 式電源的最佳配比及其所需要配置的儲能容量；
[0010] (5)建立互補微網(wǎng)經(jīng)濟運行評價指標；
[0011] (6)根據(jù)建立的互補微網(wǎng)經(jīng)濟運行評價指標，針對步驟(4)得到的互補微網(wǎng)進行對 比與分析，得到最優(yōu)的互補微網(wǎng)經(jīng)濟運行方式。
[0012] 本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明方法考慮了風、光、水等多種清潔能源，具有較強的 通用性。本發(fā)明與傳統(tǒng)內點算法相比，原對偶內點算法計算過程更簡單、收斂速度更快。本 發(fā)明方法通過靈活調整分布式電源組合方式及分布式發(fā)電比例，可實現(xiàn)不同配置下的微網(wǎng) 經(jīng)濟運行。
【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明的一種考慮小水電的互補微網(wǎng)經(jīng)濟運行評價方法流程圖；
[0014]圖2是本發(fā)明的原對偶內點算法流程圖；
[0015]圖3是本發(fā)明的風光水資源年出力特性曲線；
[0016]其中，圖3(a)為風機年出力曲線；圖3(b)是光伏年出力曲線；圖3(c)是小水電年出 力曲線；
[0017] 圖4是本發(fā)明的年負荷曲線。
【具體實施方式】
[0018] 如圖1所示，本發(fā)明一種考慮小水電的互補微網(wǎng)經(jīng)濟運行評價方法的步驟如下：
[0019] (1)獲取當?shù)仫L、光、水分布式能源年出力情況，分析風、光、水分布式電源的互補 特性；
[0020] (2)獲取微網(wǎng)的年負荷曲線；
[0021] (3)以儲能容量、微網(wǎng)設備安裝成本與系統(tǒng)運行維護成本為目標函數(shù)，以系統(tǒng)容 量、分布式發(fā)電比例與蓄電池充放電特性為約束條件；
[0022] (4)采用原對偶內點算法，計算由不同分布式電源組合構成的互補微網(wǎng)內各分布 式電源的最佳配比及其所需要配置的儲能容量；
[0023] (5)建立互補微網(wǎng)經(jīng)濟運行評價指標，包括系統(tǒng)電力不足累計概率、分布式發(fā)電互 補特性、環(huán)境效益，以及上網(wǎng)收益；
[0024] (6)根據(jù)建立的互補微網(wǎng)經(jīng)濟運行評價指標，針對步驟(4)得到的互補微網(wǎng)進行對 比與分析，得到最優(yōu)的互補微網(wǎng)經(jīng)濟運行方式。
[0025]本實施例步驟(3)中的目標函數(shù)包括：
[0026] (1)儲能容量

[0028]式中，Eh為微網(wǎng)所需配置的儲能容量標幺值;T為微網(wǎng)一年的運行總時間；R_st〇re (t)為t時刻系統(tǒng)容量無限制下即不考慮儲能裝置荷電狀態(tài)限制時所需儲備的容量； 為t時刻之后分布式電源與儲能系統(tǒng)失配累計最小值；
[0030]式中，ruArw分別為儲能裝置充放電效率；AP(t)為微網(wǎng)t時刻的失配功率標幺 值，其表達式如下：
[0032] 式中，Νι為分布式電源種類;λ為分布式發(fā)電比，g卩分布式發(fā)電功率與負荷耗電功 率之比為風機、光伏與小水電分布式電源裝機容量配比;仏(〇為單一分布式電源對系統(tǒng) 供電時其t時刻的輸出功率標幺值;L( t)為負荷t時刻消耗功率標幺值。
[0033] 由于分布式資源的蘊含量在一年內會隨著時間改變，在一段時間內分布式電源的 出力將逐漸增加，將使得儲能裝置在這段時間內能量持續(xù)增長。此時，這一增長是相當大 的，將導致所需配置的儲能容量亦隨時間的增加而增大。在這種情況下，如果簡單的采取時 間段T內系統(tǒng)儲能容量最值差進行儲能容量的配置，將顯得沒有意義，故提出Eh以保證儲能 系統(tǒng)對外供電時能量不會出現(xiàn)負值。
[0034] (2)微網(wǎng)設備安裝成本
[0035]對于微網(wǎng)系統(tǒng)，其設備與安裝成本包括分布式電源與儲能裝置購買與安裝的全部 費用，其一般與系統(tǒng)總裝機容量呈正相關性。在本發(fā)明中，將設備與安裝成本總資金換算為 按期等額支付金額，其表達式如下：
[0037]式中，為負荷年平均功率，取其為本發(fā)明的基值;Cl為風機、光伏與小水電相關 設備的購置成本，元/kW; Γι為安裝成本占設備成本的比例;cb為儲能裝置單位千瓦造價，元/ kW;k為銀行長期貸款利率;η為該項目的還款年限，一般為分布式電源的使用年限。
[0038] (3)系統(tǒng)運行維護成本
[0039]微網(wǎng)的運行維護成本可分為固定成本與可變成本，根據(jù)經(jīng)驗公式折算成與系統(tǒng)設 備利用率相關的比例因子;Co為系統(tǒng)每年的運行維護成本，表達式如下：
[0041] 式中，&i為風機、光伏與小水電運行維護的年固定成本系數(shù)，元/kW.a;Kcii為運行 維護的年可變成本系數(shù)，元/kWh;。*微網(wǎng)三種分布式電源的年平均運行時間，h。
[0042] 當儲能容量的式（1)、微網(wǎng)設備安裝成本的式(4)與系統(tǒng)運行維護成本的式(5)總 和同時達到最小時，模型配置達到最優(yōu)。
[0043]本實施例步驟(3)中的約束條件為：
[0044] (1)系統(tǒng)容量約束
[0045]對于微網(wǎng)系統(tǒng)，由于當單一分布式電源對系統(tǒng)供電時，其均能滿足系統(tǒng)的負荷需 求，故對于同時具有風、光、水三種分布式能源的發(fā)電系統(tǒng)，各分布式電源裝機容量所占份 額需小于等于1，其總和為1;
[0047] (2)分布式發(fā)電比例約束
[0048]為了保證系統(tǒng)供電充足，只有分布式發(fā)電總量大于系統(tǒng)負荷時，才能保證有盈余 電能對儲能系統(tǒng)供電;但如果發(fā)電總量過大，能源設備的投入也將隨之增大，將造成浪費； [0049] 1<λ<λΜ3Χ (7)
[0050]式中，Amax-般控制在 1.0-1.3;
[0051 ] (3)蓄電池 S0C約束
[0052]儲能裝置全部選用鉛酸蓄電池，在蓄電池的充放電過程中，必須嚴格滿足其荷電 狀態(tài)S0C上下限，即通過控制其放電深度來實現(xiàn)，以延長電池的使用壽命；
[0053] si 彡 S0C 彡 S2 (8)
[0054] 式中，si和S2分別為蓄電池荷電狀態(tài)最小值與最大值；
[0055] (4)蓄電池充放電約束
[0056]為達到對蓄電池充放電的精確控制，需對其充放電速率、充放電電流進行約束；
[0059] 式中，r。與rd為蓄電池充放電速率，rcj^rd+R為其給定充放電速率；I。與Id為蓄電 池充放電電流，與Id_m M為其充放電電流最大值；
[0060] (5)瞬時功率約束
[0061] 為了防止微網(wǎng)在突增負荷的情況下出現(xiàn)大功率缺失，從而導致系統(tǒng)電能質量下 降，微網(wǎng)的瞬時功率平衡是其負荷與儲能裝置協(xié)調控制的基本條件；
[0063] 式中，Hjt)為有限制下的儲能裝置的當前儲能容量標幺值；當其為正時，系統(tǒng)處 于放電狀態(tài)；當其為負時，系統(tǒng)處于充電狀態(tài)。
[0064] 如圖2所示，本實施例步驟(4)中的原對偶內點算法求解過程如下：
[0067]第一步，初始化:先將模型簡化為以下一般非線性優(yōu)化模型，再將不等式約束式轉 化為等式約束；
[0068]第二步，建立拉格朗日函數(shù):將目標函數(shù)改造為障礙函數(shù)，建立拉格朗日函數(shù)；
[0069] 第三步，形成牛頓修正方程:極值的必要條件式是非線性方程組，將其線性化得到 修正方程組，并形成矩陣；
[0070] 第四步，求解最優(yōu)搜索方向：利用牛頓拉普遜法求解，求解得到第k次迭代的修正 量，得到最優(yōu)解的一個新的近似值；
[0071] 第五步，判斷：判斷是否滿足收斂條件，若滿足則繼續(xù)Step6，若不滿足，則修正原 對偶變量，跳轉至St印1;
[0072] 第六步，輸出結果:得到最優(yōu)結果并輸出。
[0073] 本實施例步驟(5)中的評價指標如下：
[0074] (1)系統(tǒng)電力不足累計概率
[0075] 考慮到風光水儲微網(wǎng)的負荷供給能力，提出以系統(tǒng)一年內所有分布式電源與儲能 裝置每日輸出功率之和小于負荷功率的概率進行表征，其表達式如下：
[0076] AL〇LP = Pr{AEaiGi(t)+Hc(tXL(t)} (12)
[0077] 由式(12)可知，λ·越小，微網(wǎng)功率缺失越小，系統(tǒng)穩(wěn)定性越高；
[0078] (2)分布式發(fā)電互補特性
[0079]為體現(xiàn)風光水分布式能源的互補特性，提出通過分布式發(fā)電輸出功率之和在一年 內的波動進行表征，表達式如下：
[0081] GDc(t) = EaiGi(t) (14)
[0082] 式中，GDC(t)為分布式發(fā)電比λ為1時系統(tǒng)的輸出功率，⑴為其年平均值;以越 小，分布式發(fā)電的輸出功率波動越小，風、光、水的互補特性越好；
[0083] (3)環(huán)境效益
[0084]以風力、光伏、小水電為主的清潔能源發(fā)電可有效減少各類污染物的產(chǎn)生，實現(xiàn)節(jié) 能減排;根據(jù)相關文獻，可估算出電力行業(yè)污染物排放的評價指標參數(shù)，結合傳統(tǒng)燃煤發(fā)電 中各類污染物的排放系數(shù)，針對各污染物的環(huán)境價值與罰款金額，可將其等效折算為互補 微網(wǎng)的環(huán)境效益，其表達式如下：
[0086] 式中，η為傳統(tǒng)燃煤發(fā)電所產(chǎn)生的污染物種類；γ 傳統(tǒng)燃煤發(fā)電對應第j種污染 物的排放系數(shù);Vi為第i種污染物的環(huán)境價值，元/g;巧第i種污染物所受罰款，元/g;
[0087] (4)上網(wǎng)收益
[0088] 由于系統(tǒng)分布式發(fā)電比λ大于1，所需配置的儲能裝置容量較小，故當微網(wǎng)處于并 網(wǎng)狀態(tài)時，系統(tǒng)將有少量的電能缺額和大量的盈余與大電網(wǎng)進行交換，將此部分產(chǎn)生的經(jīng) 濟效益定義為互補微網(wǎng)上網(wǎng)效益，其表達式如下：
[0090]式中，AEi為第i種分布式電源的年電能盈余與缺額的差值;pe為大電網(wǎng)上網(wǎng)電價， 取值為0.52元/kwh。
【主權項】
1. 一種考慮小水電的互補微網(wǎng)經(jīng)濟運行評價方法，其特征在于，所述方法的步驟如下： (1) 獲取當?shù)仫L、光、水分布式能源年出力情況，分析風、光、水分布式電源的互補特性； (2) 獲取微網(wǎng)的年負荷曲線； (3) W儲能容量、微網(wǎng)設備安裝成本與系統(tǒng)運行維護成本為目標函數(shù)，W系統(tǒng)容量、分 布式發(fā)電比例與蓄電池充放電特性為約束條件； (4) 采用原對偶內點算法，計算由不同分布式電源組合構成的互補微網(wǎng)內各分布式電 源的最佳配比及其所需要配置的儲能容量； (5) 建立互補微網(wǎng)經(jīng)濟運行評價指標； (6) 根據(jù)建立的互補微網(wǎng)經(jīng)濟運行評價指標，針對步驟(4)得到的互補微網(wǎng)進行對比與 分析，得到最優(yōu)的互補微網(wǎng)經(jīng)濟運行方式。2. 根據(jù)權利要求1所述一種考慮小水電的互補微網(wǎng)經(jīng)濟運行評價方法，其特征在于，所 述目標函數(shù)包括： (1) 儲能容量式中，Eh為微網(wǎng)所需配置的儲能容量標么值;T為微網(wǎng)一年的運行總時間;R_store(t)為 t時刻系統(tǒng)容量無限制下即不考慮儲能裝置荷電狀態(tài)限制時所需儲備的容量； 為t時刻之后分布式電源與儲能系統(tǒng)失配累計最小值.式中，rUn與riDut分別為儲能裝置充放電效率；AP(t)為微網(wǎng)t時刻的失配功率標么值，其 表達式如下：(3) 式中，化為分布式電源種類;λ為分布式發(fā)電比，即分布式發(fā)電功率與負荷耗電功率之 比;曰1為風機、光伏與小水電分布式電源裝機容量配比;Gi(t)為單一分布式電源對系統(tǒng)供電 時其t時刻的輸出功率標么值;L( t)為負荷t時刻消耗功率標么值； (2) 微網(wǎng)設備安裝成本 對于微網(wǎng)系統(tǒng)，其設備與安裝成本包括分布式電源與儲能裝置購買與安裝的全部費 用，將設備與安裝成本總資金換算為按期等額支付金額，其表達式如下：式中，4為負荷年平均功率，取其為本發(fā)明的基值;Cl為風機、光伏與小水電相關設備的 購置成本，元/kW; ri為安裝成本占設備成本的比例；別為儲能裝置單位千瓦造價，元/kW; k為 銀行長期貸款利率;η為該項目的還款年限，一般為分布式電源的使用年限； (3) 系統(tǒng)運行維護成本 微網(wǎng)的運行維護成本可分為固定成本與可變成本，根據(jù)經(jīng)驗公式折算成與系統(tǒng)設備利 用率相關的比例因子;Co為系統(tǒng)每年的運行維護成本，表達式如下：巧） 式中，化i為風機、光伏與小水電運行維護的年固定成本系數(shù)，元/kW.a;K〇i為運行維護的 年可變成本系數(shù)，元AWh;Ti為微網(wǎng)Ξ種分布式電源的年平均運行時間，h; 當儲能容量的式（1)、微網(wǎng)設備安裝成本的式(4)與系統(tǒng)運行維護成本的式(5)總和同 時達到最小時，模型配置達到最優(yōu)。3.根據(jù)權利要求1所述一種考慮小水電的互補微網(wǎng)經(jīng)濟運行評價方法，其特征在于，所 述約束條件為： (1) 系統(tǒng)容量約束 對于微網(wǎng)系統(tǒng)，由于當單一分布式電源對系統(tǒng)供電時，其均能滿足系統(tǒng)的負荷需求，故 對于同時具有風、光、水=種分布式能源的發(fā)電系統(tǒng)，各分布式電源裝機容量所占份額需小 于等于1，其總和為1;(6) (2) 分布式發(fā)電比例約束 為了保證系統(tǒng)供電充足，只有分布式發(fā)電總量大于系統(tǒng)負荷時，才能保證有盈余電能 對儲能系統(tǒng)供電;但如果發(fā)電總量過大，能源設備的投入也將隨之增大，將造成浪費； 1<λ<λ"3χ (7) 式中，Amax-般控制在1.0-1.3; (3) 蓄電池 SOC約束 儲能裝置全部選用鉛酸蓄電池，在蓄電池的充放電過程中，必須嚴格滿足其荷電狀態(tài) SOC上下限，即通過控制其放電深度來實現(xiàn)，W延長電池的使用壽命； si《SOC《S2 (8) 式中，S1和S2分別為蓄電池荷電狀態(tài)最小值與最大值； (4) 蓄電池充放電約束 為達到對蓄電池充放電的精確控制，需對其充放電速率、充放電電流進行約束；式中，r。與rd為蓄電池充放電速率，:1"。_[?與口_[?為其給定充放電速率;I。與Id為蓄電池充放 電電流，Icumx與Id_max為其充放電電流最大值； (5) 瞬時功率約束 為了防止微網(wǎng)在突增負荷的情況下出現(xiàn)大功率缺失，從而導致系統(tǒng)電能質量下降，微 網(wǎng)的瞬時功率平衡是其負荷與儲能裝置協(xié)調控制的基本條件；式中，出(t)為有限制下的儲能裝置的當前儲能容量標么值;當其為正時，系統(tǒng)處于放電 狀態(tài)；當其為負時，系統(tǒng)處于充電狀態(tài)。4. 根據(jù)權利要求1所述一種考慮小水電的互補微網(wǎng)經(jīng)濟運行評價方法，其特征在于，所 述原對偶內點算法求解過程如下：第一步，初始化:先將模型簡化為W下一般非線性優(yōu)化模型，再將不等式約束式轉化為 等式約束； 第二步，建立拉格朗日函數(shù):將目標函數(shù)改造為障礙函數(shù)，建立拉格朗日函數(shù)； 第Ξ步，形成牛頓修正方程:極值的必要條件式是非線性方程組，將其線性化得到修正 方程組，并形成矩陣； 第四步，求解最優(yōu)捜索方向：利用牛頓拉普遜法求解，求解得到第k次迭代的修正量，得 到最優(yōu)解的一個新的近似值； 第五步，判斷：判斷是否滿足收斂條件，若滿足則繼續(xù)Step6，若不滿足，則修正原對偶 變量，跳轉至Step 1; 第六步，輸出結果:得到最優(yōu)結果并輸出。5. 根據(jù)權利要求1所述一種考慮小水電的互補微網(wǎng)經(jīng)濟運行評價方法，其特征在于，所 述評價指標為： (1) 系統(tǒng)電力不足累計概率 考慮到風光水儲微網(wǎng)的負荷供給能力，提出W系統(tǒng)一年內所有分布式電源與儲能裝置 每日輸出功率之和小于負荷功率的概率進行表征，其表達式如下： AL〇LP = PrUXaiGi(t)+Hc(t)《L(t)} (12) 由式(12)可知，Alolp越小，微網(wǎng)功率缺失越小，系統(tǒng)穩(wěn)定性越局； (2) 分布式發(fā)電互補特性 為體現(xiàn)風光水分布式能源的互補特性，提出通過分布式發(fā)電輸出功率之和在一年內的 波動進行表征，表達式如下：(13) GDG(t)=XaiGi(t) (14) 式中，GDC(t)為分布式發(fā)電比λ為1時系統(tǒng)的輸出功率，為其年平均值;Dl越小，分 布式發(fā)電的輸出功率波動越小，風、光、水的互補特性越好； (3) 環(huán)境效益W風力、光伏、小水電為主的清潔能源發(fā)電可有效減少各類污染物的產(chǎn)生，實現(xiàn)節(jié)能減 排;根據(jù)相關文獻，可估算出電力行業(yè)污染物排放的評價指標參數(shù)，結合傳統(tǒng)燃煤發(fā)電中各 類污染物的排放系數(shù)，針對各污染物的環(huán)境價值與罰款金額，可將其等效折算為互補微網(wǎng) 的環(huán)境效益，其表達式々η下. (巧） 式中，η為傳統(tǒng)燃煤發(fā)電所產(chǎn)生的污染物種類；Τι為傳統(tǒng)燃煤發(fā)電對應第巧巾污染物的 排放系數(shù);vi為第i種污染物的環(huán)境價值，元/g;撕第i種污染物所受罰款，元/g; (4) 上網(wǎng)收益 由于系統(tǒng)分布式發(fā)電比λ大于1，所需配置的儲能裝置容量較小，故當微網(wǎng)處于并網(wǎng)狀 態(tài)時，系統(tǒng)將有少量的電能缺額和大量的盈余與大電網(wǎng)進行交換，將此部分產(chǎn)生的經(jīng)濟效 益定義為互補微網(wǎng)上網(wǎng)效益，其表達式如下：U6) 式中，A El為第i種分布式電源的年電能盈余與缺額的差值;Pe為大電網(wǎng)上網(wǎng)電價，取值 為0.52元/kwh。
【文檔編號】G06Q10/06GK106096807SQ201610333319
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月28日
【發(fā)明人】夏永洪, 吳虹劍, 辛建波, 程林, 范瑞祥, 曹蓓, 紀清照
【申請人】國網(wǎng)江西省電力科學研究院, 國家電網(wǎng)公司, 南昌大學, 清華大學