一种多微网综合能源系统中共享储能优化配置方法

1.本发明涉及综合能源系统储能技术领域，具体涉及一种多微网综合能源系统中共享储能优化配置方法。


背景技术：

2.综合能源系统对推进电力系统低碳转型、提高安全稳定性、促进可持续发展具有重要意义。通过整合传统能源和新能源，辅以储能设备，可以实现多能互补，提高系统灵活性，降低调控资源投入。
3.近年来，“共享储能”的投资模式发展火热。投资者依靠共享理念，通过共建共享、租赁等方式，整合储能资源，提高储能利用率，使得储能服务在用户侧逐渐普及开来。针对未来综合能源系统占比增大、微网间互联增强的趋势，积极探索多微网综合能源系统中共享储能机制，研究共享储能配置方法及优化运行模式，是在当前储能高配置成本下提高用户投资经济性的有效方法，对提升微网经济性，推进源网荷储一体化发展具有重要意义。
4.在多微网系统的共享储能配置问题中存在两个主体：共享储能运营商、多微网用户群。共享储能运营商制定投资计划，确定共享储能的最大充放电功率和容量；多微网用户根据运营商的共享储能参数，制定用能策略，使自身的经济性达到最优。因此，可以把此问题看作一个双层规划问题。共享储能运营商作为上层决策者，多微网用户作为下层执行者。运营商先行决策，将上层决策变量传递给下层的用户；下层用户在此基础上确定相关机组设备的出力，最优化下层目标函数。双层规划模型更贴近真实情况，能够提供更为精细的决策方案，更具有实践应用价值。


技术实现要素：

5.鉴于上述问题，本发明提出一种多微网综合能源系统中共享储能优化配置方法。研究多微网中共享储能配置方式及优化运行模式，具体包括如下步骤：
6.(1)考虑冷热电多能流互补，提出共享储能综合能源系统的数学模型；
7.(2)构建多微网系统共享储能双层优化配置模型；
8.(3)利用kkt条件化简双层模型后，用线性规划求解；
9.(4)建立多场景对比及储能配置效果分析。
10.步骤(1)中所述考虑冷热电多能流互补，提出共享储能综合能源系统的数学模型，具体数学模型如下：
11.可再生能源发电模型：
[0012][0013]
式中：分别为微网i在t时刻的光伏发电实际出力与最大出力；分别为微网i在t时刻的风力发电实际出力与最大出力，实际出力代表被微网
消纳的出力，最大出力代表当前气象条件下可到达的最大出力；
[0014]
燃气轮机数学模型：
[0015][0016]
式中：分别为微网i在t时刻燃气轮机的输出功率和废气余热；为微网i在t时刻的天然气消耗量；q
gas
为天然气热值；η
gt
、η
loss
分别为发电效率和散热损失系数；
[0017]
燃气锅炉数学模型：
[0018][0019]
式中：为微网i在t时刻燃气锅炉输出的热功率；为微网i在t时刻燃气锅炉消耗的天然气；η
gb
为燃气锅炉的热效率；
[0020]
吸收式制冷机数学模型：
[0021][0022]
式中：为微网i在t时刻吸收式制冷机输出的冷功率；为其吸收的用于制冷的热量；r
ar
为吸收式制冷机的能效比；
[0023]
共享储能数学模型：
[0024]
用户充放电行为应满足如下约束：
[0025][0026]
式中：分别为用户i在t时刻使用共享储能的充放电功率；为对应的充放电状态，为二进制变量；为共享储能的最大功率；
[0027]
储能电站的充放电应满足如下约束：
[0028][0029]
式中：p
tch
、p
tdis
分别为t时刻储能电站的充放电功率；分别为t时刻储能
电站充放电状态，为二进制变量；为t时刻共享储能电站的荷电状态；η
ch
、η
dis
分别为充电、放电效率；p
max
为储能最大充放电功率；n为用户总数。
[0030]
步骤(2)中所述构建多微网系统共享储能双层优化配置模型，其中上层模型的主体为共享储能运营商，需要解决投资年限内的储能规划问题与最优运行成本问题，以共享储能电站日运行成本最低为目标函数，储能设备的最大充放电功率和容量为决策变量，具体地，以共享储能电站日运行成本最低为目标函数，其表达式如下：
[0031]
minf＝c
ses,inv
+c
ses,ch-c
ses,dis
[0032]cses,inv
：共享储能电站投资维护成本
[0033][0034]
式中：η
p
、ηe分别为单位功率成本和单位容量成本；p
max
、e
max
分别为储能最大充放电功率和容量；td为一天内的调度小时数；
[0035]cses,ch
：共享储能电站向用户支付的充电费用
[0036][0037]
式中：β
t
为t时刻的充电费用；为用户i在t时刻使用共享储能的充电功率；δt为时间间隔；t为调度时段总数；
[0038]cses,dis
：共享储能电站向用户收取的放电费用
[0039][0040]
式中：γ
t
为t时刻的充电费用；为用户i在t时刻使用共享储能的放电功率；
[0041]
下层模型的主体为多微网系统，以多微网总用能成本最低为目标函数，各设备出力、购售电行为等作为决策变量，具体地，多微网总用能成本表达式如下：
[0042][0043]
微网购电成本
[0044][0045]
式中：为用户i在t时刻的购电功率；α
t
为分时电价；
[0046]
微网燃气轮机运行成本
[0047][0048]
式中：为燃气轮机燃料成本；为燃气轮机启停成本；为燃气轮机运行过程中碳排放成本；
[0049]
微网燃气锅炉运行成本
[0050]
[0051]
式中：为燃气锅炉燃料成本；为燃气锅炉运行过程中碳排放成本。
[0052]
步骤(3)中所述利用kkt条件化简双层模型后，用线性规划求解，kkt条件是数学中用于求解含非线性约束优化问题的必要条件，相较于先在上层利用启发式算法给定共享储能的最大充放电功率和容量值，然后在下层利用线性规划求解，利用kkt条件化简双层模型后用线性规划求解能避免陷入局部最优。
[0053]
下层模型的拉格朗日函数如下：
[0054][0055]
式中：x为决策变量；h
p
(x)为第p个等式约束，λ
p
为其对应的拉朗日乘子；gq(x)为不等式约束，μq为其对应的拉格朗日乘子；m、n分别为等式约束、不等式约束的个数；c
mg
为多微网总用能成本。
[0056]
若x*为下层模型的最优解，则x*应满足以下条件：
[0057][0058]
上式即为下层模型的kkt条件，对于等式约束，必须保证等号成立，且对应的拉格朗日乘子不为0；对于不等式约束，若其为gq(x)≤0的形式，则对应的拉格朗日乘子μq≥0，以保证l≤minf；为使得l与原优化问题等价，即l＝minf，还需添加不等式约束的互补松弛条件μ
qgq
(x*)＝0，若gq(x*)＝0则μq＞0，若gq(x*)＜0则μq＝0。
[0059]
步骤(4)中所述建立多场景指标及储能配置效果分析，具体是采用多微网系统包含3个综合能源微网，设置用户的源荷曲线以及共享储能的充放电费用，分3个场景对比分析多微网系统的总日运行成本、储能配置容量、共享储能收益。
[0060]
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：充分考虑了共享储能运营商和多微网用户群之间的利益关系，合理的确定共享储能的最大充放电功率和容量，提高对可再生能源的消纳，加强系统运行经济性。
附图说明
[0061]
图1为本发明的多微网综合能源系统中共享储能双层优化配置方法工作流程图；
[0062]
图2为本发明实施例提供的微网1源荷曲线图；
[0063]
图3为本发明实施例提供的微网2源荷曲线图；
[0064]
图4为本发明实施例提供的微网3源荷曲线图；
[0065]
图5为本发明实施例提供的共享储能服务充放电价格图。
具体实施方式
[0066]
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它
实施例，都属于本发明保护的范围。
[0067]
一种多微网综合能源系统中共享储能优化配置方法，如图1所示。首先，考虑冷热电多能流互补，提出共享储能综合能源系统的数学模型；然后，构建多微网系统共享储能双层优化配置模型，上层以共享储能电站日运行成本最低为目标函数，储能设备的最大充放电功率和容量为决策变量，下层以多微网总用能成本最低为目标函数，各设备出力、购售电行为等作为决策变量；利用kkt条件化简双层模型后，用线性规划求解；最后，建立多场景对比，对储能配置效果进行分析。具体内容如下：
[0068]
(1)考虑冷热电多能流互补，提出共享储能综合能源系统的数学模型。
[0069]
可再生能源发电模型：
[0070][0071]
式中：分别为微网i在t时刻的光伏发电实际出力与最大出力；分别为微网i在t时刻的风力发电实际出力与最大出力，实际出力代表被微网消纳的出力，最大出力代表当前气象条件下可到达的最大出力；
[0072]
燃气轮机数学模型：
[0073][0074]
式中：分别为微网i在t时刻燃气轮机的输出功率和废气余热；为微网i在t时刻的天然气消耗量；q
gas
为天然气热值；η
gt
、η
loss
分别为发电效率和散热损失系数；
[0075]
燃气锅炉数学模型：
[0076][0077]
式中：为微网i在t时刻燃气锅炉输出的热功率；为微网i在t时刻燃气锅炉消耗的天然气；η
gb
为燃气锅炉的热效率；
[0078]
吸收式制冷机数学模型：
[0079][0080]
式中：为微网i在t时刻吸收式制冷机输出的冷功率；为其吸收的用于制冷的热量；r
ar
为吸收式制冷机的能效比；
[0081]
共享储能数学模型：
[0082]
用户充放电行为应满足如下约束：
[0083][0084]
式中：分别为用户i在t时刻使用共享储能的充放电功率；为对应的充放电状态，为二进制变量；为共享储能的最大功率；
[0085]
储能电站的充放电应满足如下约束：
[0086][0087]
式中：p
tch
、p
tdis
分别为t时刻储能电站的充放电功率；分别为t时刻储能电站充放电状态，为二进制变量；为t时刻共享储能电站的荷电状态；η
ch
、η
dis
分别为充电、放电效率；p
max
为储能最大充放电功率；n为用户总数。
[0088]
(2)构建多微网系统共享储能双层优化配置模型，其中上层模型的主体为共享储能运营商，需要解决投资年限内的储能规划问题与最优运行成本问题，以共享储能电站日运行成本最低为目标函数，储能设备的最大充放电功率和容量为决策变量，具体地，以共享储能电站日运行成本最低为目标函数，其表达式如下：
[0089]
minf＝c
ses,inv
+c
ses,ch-c
ses,dis
[0090]cses,inv
：共享储能电站投资维护成本
[0091][0092]
式中：η
p
、ηe分别为单位功率成本和单位容量成本；p
max
、e
max
分别为储能最大充放电功率和容量；td为一天内的调度小时数；
[0093]cses,ch
：共享储能电站向用户支付的充电费用
[0094][0095]
式中：β
t
为t时刻的充电费用；为用户i在t时刻使用共享储能的充电功率；δt为时间间隔；t为调度时段总数；
[0096]cses,dis
：共享储能电站向用户收取的放电费用
[0097][0098]
式中：γ
t
为t时刻的充电费用；为用户i在t时刻使用共享储能的放电功率；
[0099]
下层模型的主体为多微网系统，以多微网总用能成本最低为目标函数，各设备出力、购售电行为等作为决策变量，具体地，多微网总用能成本表达式如下：
[0100][0101]
微网购电成本
[0102][0103]
式中：为用户i在t时刻的购电功率；α
t
为分时电价；
[0104]
微网燃气轮机运行成本
[0105][0106]
式中：为燃气轮机燃料成本；为燃气轮机启停成本；为燃气轮机运行过程中碳排放成本；
[0107]
微网燃气锅炉运行成本
[0108][0109]
式中：为燃气锅炉燃料成本；为燃气锅炉运行过程中碳排放成本。
[0110]
(3)利用kkt条件化简双层模型后，用线性规划求解，kkt条件是数学中用于求解含非线性约束优化问题的必要条件，相较于先在上层利用启发式算法给定共享储能的最大充放电功率和容量值，然后在下层利用线性规划求解，利用kkt条件化简双层模型后用线性规划求解能避免陷入局部最优。
[0111]
下层模型的拉格朗日函数如下：
[0112][0113]
式中：x为决策变量；h
p
(x)为第p个等式约束，λ
p
为其对应的拉朗日乘子；gq(x)为不等式约束，μq为其对应的拉格朗日乘子；m、n分别为等式约束、不等式约束的个数；c
mg
为多微网总用能成本。
[0114]
若x*为下层模型的最优解，则x*应满足以下条件：
[0115][0116]
上式即为下层模型的kkt条件，对于等式约束，必须保证等号成立，且对应的拉格朗日乘子不为0；对于不等式约束，若其为gq(x)≤0的形式，则对应的拉格朗日乘子μq≥0，以
保证l≤minf；为使得l与原优化问题等价，即l＝minf，还需添加不等式约束的互补松弛条件μ
qgq
(x*)＝0，若gq(x*)＝0则μq＞0，若gq(x*)＜0则μq＝0。
[0117]
(4)建立多场景对比及储能配置效果分析。
[0118]
实施例采用的多微网系统包含3个综合能源微网，各微网的源荷曲线如图2-图4所示，共享储能的充放电费用如图5所示。为对比不同运行方案下的经济性，设置以下三种场景：
[0119]
场景1：各微网独立运行，不配置储能，弃掉可再生能源多余出力；
[0120]
场景2：各微网独自配置储能；
[0121]
场景3：各微网参与共享储能服务。
[0122]
在matlab仿真软件中搭建储能优化配置模型，调用cplex12.10.0求解器求解。表1列出了各场景下多微网系统的总日运行成本、弃电成本及共享储能运营商的日收益。
[0123]
表1各场景下多微网系统总运行状况
[0124][0125]
由上表可知，参与共享储能服务后的多微网系统总运行成本均低于无储能和独立配置储能的场景，且共享储能运营商能获得不错的收益，实现了双赢。
[0126]
表2列出了场景2与场景3下储能配置容量、投资总额。
[0127]
表2场景2与场景3储能配置结果
[0128][0129]
由上表可知，多微网参与共享储能服务可以显著减少储能配置容量，共享储能的总功率为925.71kw，较独立配置储能下减少了40.70％；共享储能的总容量为2613.04kwh，较独立配置储能下减少了16.30％；共享储能投资总额较独立配置储能方式下多微网投资总额下降了22.40％。
[0130]
表3列出了各微网参与共享储能服务前后运行成本。
[0131]
表3多微网参与共享储能服务前后的运行成本
[0132][0133][0134]
综上，在参与共享储能服务后，多微网可获得一定的用能成本削减，提高系统的可
再生能源利用率，共享储能运营商也能获得可观的收益。
[0135]
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本发明后依然可对发明的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在发明待批的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种多微网综合能源系统中共享储能优化配置方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)考虑冷热电多能流互补，提出共享储能综合能源系统的数学模型；(2)构建多微网系统共享储能双层优化配置模型；(3)利用kkt条件化简双层模型后，用线性规划求解；(4)建立多场景对比及储能配置效果分析。2.根据权利要求1所述的多微网综合能源系统中共享储能优化配置方法，其特征在于，步骤(1)中所述考虑冷热电多能流互补，提出共享储能综合能源系统的数学模型，具体数学模型如下：可再生能源发电模型：式中：分别为微网i在t时刻的光伏发电实际出力与最大出力；分别为微网i在t时刻的风力发电实际出力与最大出力，实际出力代表被微网消纳的出力，最大出力代表当前气象条件下可到达的最大出力；燃气轮机数学模型：式中：分别为微网i在t时刻燃气轮机的输出功率和废气余热；为微网i在t时刻的天然气消耗量；q
gas
为天然气热值；η
gt
、η
loss
分别为发电效率和散热损失系数；燃气锅炉数学模型：式中：为微网i在t时刻燃气锅炉输出的热功率；为微网i在t时刻燃气锅炉消耗的天然气；η
gb
为燃气锅炉的热效率；吸收式制冷机数学模型：式中：为微网i在t时刻吸收式制冷机输出的冷功率；为其吸收的用于制冷的热量；r
ar
为吸收式制冷机的能效比；共享储能数学模型：用户充放电行为应满足如下约束：
式中：分别为用户i在t时刻使用共享储能的充放电功率；为对应的充放电状态，为二进制变量；为共享储能的最大功率；储能电站的充放电应满足如下约束：式中：p
tch
、p
tdis
分别为t时刻储能电站的充放电功率；分别为t时刻储能电站充放电状态，为二进制变量；为t时刻共享储能电站的荷电状态；η
ch
、η
dis
分别为充电、放电效率；p
max
为储能最大充放电功率；n为用户总数。3.根据权利要求1所述的多微网综合能源系统中共享储能优化配置方法，其特征在于，步骤(2)中所述构建多微网系统共享储能双层优化配置模型，其中上层模型的主体为共享储能运营商，需要解决投资年限内的储能规划问题与最优运行成本问题，以共享储能电站日运行成本最低为目标函数，储能设备的最大充放电功率和容量为决策变量，具体地，以共享储能电站日运行成本最低为目标函数，其表达式如下：minf＝c
ses,inv
+c
ses,ch-c
ses,dis
c
ses,inv
：共享储能电站投资维护成本式中：η
p
、η
e
分别为单位功率成本和单位容量成本；p
max
、e
max
分别为储能最大充放电功率和容量；t
d
为一天内的调度小时数；c
ses,ch
：共享储能电站向用户支付的充电费用式中：β
t
为t时刻的充电费用；为用户i在t时刻使用共享储能的充电功率；δt为时间间隔；t为调度时段总数；
c
ses,dis
：共享储能电站向用户收取的放电费用式中：γ
t
为t时刻的充电费用；为用户i在t时刻使用共享储能的放电功率；下层模型的主体为多微网系统，以多微网总用能成本最低为目标函数，各设备出力、购售电行为等作为决策变量，具体地，多微网总用能成本表达式如下：售电行为等作为决策变量，具体地，多微网总用能成本表达式如下：微网购电成本式中：为用户i在t时刻的购电功率；α
t
为分时电价；微网燃气轮机运行成本式中：为燃气轮机燃料成本；为燃气轮机启停成本；为燃气轮机运行过程中碳排放成本；微网燃气锅炉运行成本式中：为燃气锅炉燃料成本；为燃气锅炉运行过程中碳排放成本。4.根据权利要求1所述的多微网综合能源系统中共享储能优化配置方法，其特征在于，步骤(3)中所述利用kkt条件化简双层模型后，用线性规划求解。下层模型的拉格朗日函数如下：式中：x为决策变量；h
p
(x)为第p个等式约束，λ
p
为其对应的拉朗日乘子；g
q
(x)为不等式约束，μ
q
为其对应的拉格朗日乘子；m、n分别为等式约束、不等式约束的个数；c
mg
为多微网总用能成本；若x*为下层模型的最优解，则x*应满足以下条件：上式即为下层模型的kkt条件，对于等式约束，必须保证等号成立，且对应的拉格朗日乘子不为0；对于不等式约束，若其为g
q
(x)≤0的形式，则对应的拉格朗日乘子μ
q
≥0，以保证l≤minf；为使得l与原优化问题等价，即l＝minf，还需添加不等式约束的互补松弛条件μ
q
g
q
(x*)＝0，若g
q
(x*)＝0则μ
q
＞0，若g
q
(x*)＜0则μ
q
＝0。5.根据权利要求1所述的多微网综合能源系统中共享储能优化配置方法，其特征在于，步骤(4)中所述建立多场景对比及储能配置效果分析，具体是采用多微网系统包含3个综合能源微网，设置用户的源荷曲线以及共享储能的充放电费用，分3个场景对比分析多微网系统的总日运行成本、储能配置容量、共享储能收益。

技术总结
本发明提出一种多微网综合能源系统中共享储能优化配置方法，该方法包括：考虑冷热电多能流互补，提出共享储能综合能源系统的数学模型；构建多微网系统共享储能双层优化配置模型，上层以共享储能电站日运行成本最低为目标函数，储能设备的最大充放电功率和容量为决策变量，下层以多微网总用能成本最低为目标函数，各设备出力、购售电行为等作为决策变量；利用KKT条件化简双层模型后，用线性规划求解；建立多场景对比及储能配置效果分析。本发明构建多微网综合能源系统中共享储能双层优化配置模型并求解，能够有效节约储能资源，提高系统的经济性及稳定运行，实现用户和运营商的双赢。赢。赢。


技术研发人员：李益 唐小波 陆毅 汪致远
受保护的技术使用者：南京师范大学
技术研发日：2023.07.07
技术公布日：2023/10/6