一种包括用户准线需求响应的综合能源系统运行决策方法与流程

1.本发明涉及综合能源系统需求响应优化技术领域，尤其涉及一种包括用户准线需求响应的综合能源系统运行决策方法。


背景技术：

2.子供能系统组成的传统城市能源供应体系在各子系统独立设计运行条件下，仍无法从根本上解决整体能源利用率低、系统运行成本高、供给灵活性差等关键问题；综合能源系统特指在规划、建设和运行等过程中，以电力为中心，通过对多种一次、二次能源的生产、传输与分配、转换、存储、消费等环节进行有机协调与优化后，形成的多能互补为核心的能源产供销一体化系统。
3.随着综合能源的日益渗透，使得其他能源网络的用户可以通过能量枢纽节点跨网参与电网侧的需求响应，配电侧的运行模式出现了新的改变。配电系统运行中与能量枢纽的协调主要涉及两个问题，一个是能量枢纽内部的综合能源需求响应运行特性，另一个是包括综合能源需求响应的配电网最优决策；现有的包括综合能源系统与需求响应的方案中并没有实现用户侧与放电侧的协同优化。
4.例如，一种在中国专利文献上公开的“一种综合能源系统的需求响应建模方法”，其公告号：cn110414762a，建立区域电-气互联综合能源系统的基本结构；通过获取所述区域电-气互联综合能源系统的节点能源价格建立用户气-电替代负荷模型，并分别建立用户用能的估值函数、基于演化博弈的用户用能消费福利最大化模型来构建基于演化博弈的需求响应模型，但是该方案同样没有实现用户侧与放电侧的协同优化。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中用户侧与放电侧不能协同优化的问题，本发明提供一种包括用户准线需求响应的综合能源系统运行决策方法，通过基于用户准线的需求响应策略与综合能源系统相结合，实现了用户侧与发电侧的成本最小，促进可再生能源的消纳。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种包括用户准线需求响应的综合能源系统运行决策方法，包括如下步骤：
8.s1、根据用户侧负荷准线的需求响应策略计算用户侧负荷曲线；
9.s2、根据综合能源系统对用户侧负荷曲线确定最优购电策略。建立能量枢纽的拓扑结构，建立基于能量枢纽的综合能源需求响应运行特性与约束方程，最终提出了包括综合能源需求响应的配电网重构运行优化模型与高效求解方法。能够将用户准线的需求响应策略与综合能源系统结合，实现了用户侧与发电侧的成本最小，同时促进了可再生能源的消纳。
10.作为优选的，s1中用户侧负荷准线的需求响应策略的建立包括确定用户的理想负荷曲线，建立包括弃风率和可控发电机组功耗的可再生能源消耗方程，建立可调资源平衡不可调资源的约束，建立总可调节负荷的平衡方程。用户负荷准线是根据全网运行参数计
算得出的理想负荷曲线，需求响应中心在日前计算后一天的用户负荷准线，然后将其发布到全网，用户根据用户负荷准线确定用户侧负荷曲线；从而使得每个用户获得最大的响应激励，进一步的通过需求响应策略调配促进可再生能源的消纳。
11.作为优选的，可再生能源消耗方程的建立包括以降低运营成本并促进可再生能源的消耗建立目标函数，目标函数的第一项是可控发电机组的运行成本，目标函数的第二项为弃风成本。目标函数设置为
12.其中，p
g,i
(t)为第i台可调发电机在t时期的有功功率输出，ng为可调发电机的台数，pr(t)为t时期所有可再生能源发电的出力，p
r,max
(t)为t使其可再生能源发电量的最大值，可通过日前预测得到，ai、bi、ci为第i个可用发电机的成本系数，cr为弃风成本系数，为保证可再生能源能够被充分消耗，弃风成本系数应设置的足够大。从而实现基于可控发电机组运行成本和弃风成本的可再生能源消耗方程的建立，在可再生能源占比越来越高的情况下，最大化的降低了响应过程中的弃风率，实现响应过程中可再生能源最大化的被调配。
13.作为优选的，可调资源平衡不可调资源的约束包括对参与需求响应的负荷的总可调节负荷进行约束，可控发电机组的出力进行约束，可再生声源输出范围进行约束，总可调节负荷的约束为
14.其中，是负载曲线的标准单位值，p
d,flx
(t)是t时期内不能调节的功率，p
d,flex
是在该时期内参与需求响应的负荷的总可调节负荷；可控发电机组出力上下限约束为
[0015]15.和分别为代表第i台发电机组的最小和最大出力，i
i,t
为0-1变量，代表启动t时刻第i台可控发电机组停机；可再生能源输出范围约束为0≤pr(t)≤p
r，max
(t)，t＝1,2，
…
，t；总电量约束为使得基于负荷准线的需求响应只改变了原始负荷曲线的形状，而总用电量保持不变。通过用户准线描述了负载的形状，而不涉及负载的大小，对所有需求响应用户来说无法区分，易于实现。能够将可调资源进行有限分配对电网进供需平衡，将可调资源有限进行消纳。
[0016]
作为优选的，s2中的综合能源系统的建立包括，建立能量枢纽的拓扑结构图，建立包括配网重构与综合能源需求响应的整体约束，建立综合能源系统模型。将供能侧作为能量枢纽进行拓扑，将配电网中的能量流进行刻画，根据用户侧的需求响应及配电网的能量调配建立约束，从而建立综合能源系统模型。实现用户侧与供电侧的相结合，同时能将配电网中的可调能源进行拓扑，实现可调能源的最大化调配，将所有能源通过枢纽调配实现供需平衡。
[0017]
作为优选的，能量枢纽的拓扑结构图包括热电联机组，热电联机组连接有蓄电，蓄电连接有热存储，以及拓扑结构图内部各节点的的能量流，输入输出量及效率。热电联产将气体转化为热能和电能。电储能从配电网、chp等来源获取电能，并在需要时释放电能。chp获取天然气进行发电，热储能系统储存和chp产生的热量，在热量需求大的时候释放。
[0018]
作为优选的，包括配网重构与能源需求响应的整体约束包括建立能量枢纽的运行特性约束方程，能量枢纽的运行特性约束方程包括能量枢纽的变量约束、各节点的输入输出约束。能够通过能量枢纽进行分担需求侧负荷，并根据分担结果对负荷管理决策进行变化，使得改变决策时约束仍能实现电力系统的稳定运行。
[0019]
本发明具有如下优点：
[0020]
(1)建立包括能量枢纽的拓扑结构，建立基于能量枢纽的综合能源需求响应运行特性与约束方程，提出包括综合能源需求响应的配电网重构运行优化模型与高效求解方法，可有效提升配电网与综合能源枢纽的协同灵活性与运行经济性，降低整体运行成本，提高整体运行效益；(2)能根据用户负荷准线确定用户侧负荷曲线；从而使得每个用户获得最大的响应激励，进一步的通过需求响应策略调配促进可再生能源的消纳，实现用电侧与放电侧的协同优化；(3)基于可控发电机组运行成本和弃风成本的可再生能源消耗方程的建立，在可再生能源占比越来越高的情况下，最大化的降低了响应过程中的弃风率，实现响应过程中可再生能源最大化的被调配。
附图说明
[0021]
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
[0022]
图1是本发明中方法步骤示意图。
[0023]
图2为本发明中能量枢纽的拓扑图。
[0024]
图3为本发明实施例中的节电系统图。
[0025]
图4为本发明实施例中的用户准线曲线图。
[0026]
图5为本发明实施例中可再生能源处理曲线图。
[0027]
图中：
[0028]
1-热电联机组；2-蓄电；3-电锅炉；4-热存储；5-能量枢纽。
具体实施方式
[0029]
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，显然，所描述的实施例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他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0030]
如图1所示，在一个较佳的实施例中，本发明公开了一种包括用户准线需求响应的综合能源系统运行决策方法，包括如下步骤：
[0031]
s1、根据用户侧负荷准线的需求响应策略计算用户侧负荷准线；
[0032]
确定用户的理想负荷曲线，用户负荷准线是根据全网运行参数计算得出的理想负荷曲线，通过需求响应中心收集所有用户的运行参数，在日前计算后一天的用户负荷准线，然后将用户负荷准线发布到全网。在实际使用过程中，参与需求响应的用户可以量自己的用电曲线调整到尽可能接近用户负荷准线的情况，从而使自己获得最大的响应激励，同时能够促进可再生能源的消纳。
[0033]
建立包括弃风率和可控发电机组功耗的可再生能源消耗方程，以降低运营成本并促进可再生能源消耗建立目标函数，目标函数的第一项是可控发电机组的运行成本，目标函数的第二项为弃风成本。在用户准线的需求响应中，通过调用实时电网系统中的所有可调资源来平衡不可调的负载，目标函数中的所有虚拟量被预测运行，目标函数设置为，
[0034]
其中，p
g,i
(t)为第i台可调发电机在t时期的有功功率输出，ng为可调发电机的台数，pr(t)为t时期所有可再生能源发电的出力，p
r,max
(t)为t使其可再生能源发电量的最大值，可通过日前预测得到，ai、bi、ci为第i个可用发电机的成本系数，cr为弃风成本系数，在使用时为了保证可再生能源被充分消耗，弃风成本系数需要设置的足够大。
[0035]
建立供需平衡约束和总可调节负荷的平衡方程。供需平衡约束包括对参与需求响应的负荷中总可调节负荷进行约束，对可可控发电机组的出力进行约束，可再生声源输出范围进行约束。在约束发面，供需平衡等式改变为可调资源平衡不可调资源的等式，总可调节负荷的约束为
[0036]
其中，是负载曲线的标准单位值，p
d,flx
(t)是t时期内不能调节的功率，p
d,flex
是在该时期内参与需求响应的负荷的总可调节负荷；可控发电机组出力上下限约束为
[0037]037]
和分别为代表第i台发电机组的最小和最大出力，i
i,t
为0-1变量，代表启动t时刻第i台可控发电机组停机；可再生能源输出范围约束为0≤pr(t)≤p
r，max
(t)，t＝1,2，
…
，t；总电量约束为其中，基于负荷准线的需求响应只改变原始负荷曲线的形状，总用电量保持不变；在使用时，通过用户准线只描述负载的形状，不涉及负载的大小，进而对于所有需求响应用户来说无法区分，易于实现。
[0038]
s2、根据综合能源系统对用户侧负荷曲线确定最优购电策略。
[0039]
如图2所示，建立能量枢纽的拓扑结构图，能量枢纽的拓扑结构图包括热电联机组，热电联机组连接有蓄电，蓄电连接有热存储，以及拓扑结构图内各节点的能量流、输入输出量及效率。在使用时，热电联将气体转化为热能和电能，电储能从配电网、热电联机组等来源获取电能，并在需要时释放电能，热电联机组获取天然气进行发电，热储能系统存储和热电联机组产生的热量，在热量需求大的时候释放。在图2中，r1，r2，...，r
15
是能量枢纽中的内部能量流。是从运营商处购买的电能。与分别是能量枢纽中天然气的输入和输出量。和分别是能量枢纽电能的输入和输出量。是能量枢纽的热能输出量。是eh的电负荷。热电联机组中η
ce
和η
cg
代表将天然气转化为电能和热能的效率。η
sc
和η
sd
代表蓄电的充电和放电效率。η
eb
代表在电锅炉中将电能转化为热能的效率。η
hc
和η
hd
代表在热存储中充电和放电的效率。在使用时，所有的能量枢纽都由配电调控中心管理，运行目标是最小化配电网和能量枢纽需求响应的总成本，运行决策包括配网重构与综合能源需求响应的整体约束。
[0040]
建立包括配网重构与综合能源需求相应的整体约束，建立能量枢纽的运行特性约
束方程，能量枢纽的运行特性约束方程包括能量枢纽的变量约束、各节点的输入输出约束。
[0041]
约束(8)-(35)构造了能量枢纽运行特性的约束方程。约束条件(8)-(21)是图2所示的能量枢纽变量之间的方程关系，其物理性质本质上是能量守恒。由于在提议的能量枢纽中为每个分支给出了能量流方向，输入能量和能量流变量在(22)和(23)中都是正的。约束(24)和(25)限制了热电联机组和电锅炉的输入。约束(26)和(27)描述了热能存储的输入、输出和操作模式，它不允许同时存储和释放热量。约束(29)和(30)限制了电能存储的输入、输出和操作模式。约束(31)限制了电能存储的容量。约束条件(32)-(35)描述了热电联产机组发电和供热的运行特性。
[0042][0043][0044][0045][0046][0047][0048][0049][0050][0051][0052][0053][0054][0055][0056][0057][0058][0059][0060][0061][0062][0063]
[0064][0065][0066][0067][0068][0069][0070]
其中，表示能量枢纽中的内部能量流。和分别表示能量枢纽中天然气和电力的输入量。和表示能量枢纽中天然气、电力和热能的输出。和分别是能量枢纽中的热负荷和天然气负荷；和分别是热存储和蓄电的能量变化；chp
max
和eb
max
分别是热电联和电锅炉的最大输入；是热存储的状态；和分别是热存储的最大储能和放电；和分别为热存储的蓄热和最大蓄热；和分别为蓄电的储能和最大储能；是蓄电的状态；和分别是蓄电的最大储能和放电；νk和ωk分别为操作区域的边界点；用于保证解在一定范围内。
[0071]
建立综合能源系统模型。其中，运行目标中运行成本的约束为；其中，是时间t的电价；和分别代表时间t的购电和购气；a、b和c是成本因素。
[0072]
在使用时，根据用户曲线，将各时刻最合理用电量作为综合能源系统输入，综合能源系统根据实时电价、天然气价格等因素决策出最优购电购气策略。
[0073]
在第二个实施例中，为了简化模型的描述，如图3所示，选择ieee-6节点系统，并在节点4有一个能量枢枢纽。在ieee-6节点系统中，根据用户侧负荷准线的需求响应策略计算用户侧负荷曲线，得到每个节点的最优功耗曲线，从而在提升功耗的同时降低系统成本的可再生能源。能量枢纽获得节点最优用电曲线后，根据负荷、实时电价、天然气价格等计算最优通过综合能源系统确定最优购电策略。
[0074]
并包括三种情况，
[0075]
案例1：包括综合能源系统但没有cdl的配电网络。
[0076]
通过能量枢纽和可再生能源输出分担需求侧负荷，如果可再生能源受到线路容量等限制，无法完全整合，则在策略中加入提高成本来购买更多的能源来满足需求，能量枢纽下发lmp增加，电力需求响应减少负载以降低成本，牺牲用户舒适度以改善电力系统运行，加入能量枢纽的综合能源需求响应后，将当lmp较高时，能量枢纽通过可调资源平衡不可调资源的约束实现利用各种能源形式互相转换来降低用户的用电成本，用户也可以从需求响应行为中收益。
[0077]
随着电力和天然气的价格波动，能量枢纽通过可再生能源消耗方程实现分时电价对用户侧负荷曲线进行调整，在热电联机组中，天然气可以转化为电能和热能，其中，天然
气转化为电能的效率为0.35，如果热电联产生单位电力的成本小于lmp，则能源枢纽不会从供应商购买电力转换。进而让能源枢纽通过热电联机组根据lmp的波动改变电力资源的配置。
[0078]
案例2：包括用户负荷准线但没有综合能源系统的配电网络。
[0079]
需求侧的所有功率均从供应商购买，确定用户负荷准线可以促进可再生能源的消费，减轻发电压力，也可以为消费者降低用电成本。图4和图5显示了用户负荷准线曲线以及有和没有用户负荷准线的可再生能源消耗曲线图。在无用户负荷准线的情况下，大部分可再生能源能被消纳。但在一些时期仍然出现了弃风现象，可再生能源总消纳率达到84.1％的几个时期。在包括用户负荷准线机制时，所有可再生能源都将被完全消耗掉，这意味着发电总成本的降低。
[0080]
案例3：同时包括用户负荷准线与综合能源系统。
[0081]
首先根据用户负荷准线计算出最优用电曲线，然后能量枢纽根据线性形状计算用户侧负荷，最后能量枢纽计算出最优购电方式。最终用户负荷准线降低了14.7％的成本，而能量枢纽降低了7.2％的成本，效果很明显。因此，所提出的模型和算法可以利用多能量耦合的协同优势，降低整体运行成本。
[0082]
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。