一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法与流程

1.本发明属于多能互补综合能源系统领域，特别涉及一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法。


背景技术：

2.构建多能互补、供需协调的智慧能源系统是我国未来的能源发展方向，也是提高新能源利用率的重要途径。随着储能成本的不断降低，大规模配置储能电站来进行电力系统调峰调频逐渐应用广泛。因此构建多能互补综合能源系统，考虑电、热储能的运行特性、建设成本等因素，通过合理优化配置两种储能类型的容量，最大化发挥电、热储能的灵活调节能力以及多种能源的时空互补特性，降低系统功率的随机波动，可以在尽可能经济的基础上，提高综合能源系统的新能源利用率。
3.在多能互补系统容量配置方面，目前的主要是针对风光储等几种电源开展了研究工作，已有的多能互补联合发电系统储能容量优化研究主要基于风/光的典型日场景进行优化。由于典型日出力曲线难以反映新能源大量的极端出力场景，因此，优化结果的合理性难以保证，更适合采用时序生产模拟方法来进行储能容量的优化配置。从目标函数方面，包括单目标优化方法和多目标优化方法，单目标优化方法在保证系统供电安全的前提下，以经济最优为优化目标，得到最优的各类能源的容量配置。多目标优化方法中，通常还会考虑系统的低碳环保，将系统等效二氧化碳排放量最小作为优化目标之一，从而得到最优的各类能源的容量配置。
4.但是，目前多能互补系统考虑的因素并不全面，在多能互补系统容量配置方面还存在改进的空间。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法，可解决目前在多能互补系统容量配置方面存在效率较差的问题，可以为多能互补系统的规划提供技术参考和支持。
6.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
7.一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法，包括：
8.搜集步骤：搜集多能互补综合能源系统中，风电、光伏电站各自的历史归一化出力数据，以及光热电站集热器的理论输出热量序列和负荷历史数据；
9.获取步骤：获取多能互补综合能源系统中风电场、光伏电站、光热电站各自的装机容量；
10.确定步骤：确定多能互补综合能源系统中电、热储能的单位装机容量建设成本；
11.构建步骤：基于单位装机容量建设成本，建立多能互补综合能源系统中电-热储能的容量优化模型，以所述出力数据、热量序列、负荷历史数据和装机容量作为约束条件；
12.输出配置步骤：根据时序生产模拟计算，通过优化求解所述多能互补综合能源系
统中电-热储能的容量优化模型，得出最优的储能电池配置、电加热设备容量、储热罐需增装容量。
13.进一步地，所述搜集步骤中，出力数据包括：搜集时间长度为1年，时间分辨率为15min的风电、光伏电站的历史归一化处理数据。
14.进一步地，所述获取步骤中，还包括：
15.获取系统中的光热电站，年利用小时、所配置的储热罐容量、光热电站的电热转换效率；
16.获取系统中的电储能装置的电池充放电效率；
17.获取系统中的热储能装置电热转换效率。
18.进一步地，所述确定步骤中，电、热储能的单位装机容量建设成本，包括：电储能装置电池的单位容量成本、电加热设备的单位容量成本以及储热罐的单位容量成本。
19.进一步地，所述构建步骤中，多能互补综合能源系统中电-热储能的容量优化模型为：
20.min(ks·nps
+kh·
δh+k
ph
·mph
)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
21.式中，n
ps
、δh和m
ph
分别为储能电池容量、储热罐增加容量以及电加热设备的额定容量；ks为电储能装置电池的单位容量成本；k
ph
为电加热设备的单位容量成本；kh为储热罐的单位容量成本。
22.进一步地，所述构建步骤中，所述约束条件包括：
23.1)风电功率约束：
[0024][0025]
式中，为风电的归一化理论功率，t为时间；nw为风电场的装机容量；pw为风电的历史归一化出力数据；
[0026]
2)光伏发电功率约束：
[0027][0028]
式中，为光伏的归一化理论功率，t为时间；n
pv
为光伏电站的装机容量；p
pv
为光伏电站的历史归一化出力数据。
[0029]
进一步地，所述约束条件还包括：
[0030]
3)功率平衡约束：
[0031]
整个多能互补能源系统里包含风电、光伏、光热、电储能、热储能还有负荷，系统与交流电网相联，输出功率应小于外送通道容量：
[0032]
pw(t)+p
pv
(t)+p
st
(t)-p
ps
(t)-p
ph
(t)-p
l
(t)≤l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0033]
式中，p
st
(t)为光热电站的功率、p
ps
(t)为电储能的功率，正值为充电，负值为放电，p
ph
(t)为电加热设备的输出功率，p
l
(t)为负荷历史数据，l为通道容量。
[0034]
进一步地，所述约束条件还包括：
[0035]
4)储能soc约束，为能量型约束：
[0036]eps
(t)＝e
ps
(t-1)(1-μ
ps
)+δt
·
η
ps
·
p
ps
(t)
ꢀꢀꢀ
(5)
[0037]
[0038][0039][0040]
式中，e
ps
(t)为电储能的电量，δt为时间长度，μ
ps
为自放电率，η
ps
为电储能的充放电效率，和为soc状态变量的最小值和最大值；
[0041]
5)储能电池充放电功率约束：
[0042]-mi≤p
ps
(t)≤miꢀꢀꢀ
(9)
[0043]
式中，mi为电储能装置中逆变器的额定容量。
[0044]
进一步地，所述约束条件还包括：
[0045]
6)光热电站功率约束：
[0046][0047]
0≤p
st
(t)≤n
st
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0048]
式中，p
st
(t)为光热电站的发电功率，和分别为光热电站的最小和最大出力；n
st
为热储能装置电热转换效率；x
st
(t)为0-1变量，表示光热电站是否处于发电状态；
[0049]
7)电加热设备功率约束：
[0050]hph
(t)＝η
ph
·
p
ph
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0051]
0≤p
ph
(t)≤m
ph
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0052]
式中，h
ph
(t)为电加热设备的热功率，η
ph
为电加热设备的电热转换效率；
[0053]
8)储热系统储热量约束：
[0054]est
(t)＝e
st
(t-1)+δt
·ho
(t)+δt
·hph
(t)-δt
·
p
st
(t)
·fst
(p
st
(t))
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0055][0056]
式中，e
st
(t)为光热电站储热罐存储的热量，f
st
(p
st
(t))为储热罐输入的热量与光热电站输出功率间的电热转换效率，是光热电站功率的非线性函数；和分别为储热罐的最小和最大储热容量；ho为光热电站集热器的理论输出热量序列。
[0057]
进一步地，所述约束条件还包括：
[0058]
9)新能源弃电率约束：
[0059][0060]
式中，χ为新能源弃电率，h
st
为光热电站的年利用小时数。
[0061]
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0062]
本发明提出了一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法，包括：搜集多能互补综合能源系统中，风电、光伏电站各自的历史归一化出力数据，以及光热电站集热器的理论输出热量序列和负荷历史数据；获取多能互补综合能源系统中风电场、光伏电站、光热电站各自的装机容量；确定多能互补综合能源系统中电、热储能的单位装机容量建设成本；基于单位装机容量建设成本，建立多能互补综合能源系统中电-热储能的容量优化
模型，以所述出力数据、热量序列、负荷历史数据和装机容量作为约束条件；根据时序生产模拟计算，通过优化求解所述多能互补综合能源系统中电-热储能的容量优化模型，得出最优的储能电池配置、电加热设备容量、储热罐需增装容量；该方法综合考虑因素较多，构建以出力数据、热量序列、负荷历史数据和装机容量作为约束条件，将时序生产相关数据作为输入，优化求解模型可输出最优的储能电池配置、电加热设备容量、储热罐需增装容量；进一步可提高综合能源系统的新能源利用率。
附图说明
[0063]
图1为本发明实施例提供的多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法流程图。
具体实施方式
[0064]
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
[0065]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0066]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0067]
本发明提供的一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法，参照图1所示，包括：
[0068]
搜集步骤：搜集多能互补综合能源系统中，风电、光伏电站各自的历史归一化出力数据，以及光热电站集热器的理论输出热量序列和负荷历史数据；
[0069]
获取步骤：获取多能互补综合能源系统中风电场、光伏电站、光热电站各自的装机容量；
[0070]
确定步骤：确定多能互补综合能源系统中电、热储能的单位装机容量建设成本；
[0071]
构建步骤：基于单位装机容量建设成本，建立多能互补综合能源系统中电-热储能的容量优化模型，以所述出力数据、热量序列、负荷历史数据和装机容量作为约束条件；
[0072]
输出配置步骤：根据时序生产模拟计算，通过优化求解所述多能互补综合能源系统中电-热储能的容量优化模型，得出最优的储能电池配置、电加热设备容量、储热罐需增装容量。
[0073]
具体实施如下：
[0074]
1、搜集并整理多能互补综合能源系统中，时间长度为1年，时间分辨率为15min的风电、光伏电站的历史归一化出力数据pw和p
pv
，光热电站集热器的理论输出热量序列ho以
及负荷的历史数据。
[0075]
2、输入多能互补综合能源系统中风电场、光伏电站、光热电站的装机容量nw,n
pv
和n
st
；对于系统中的光热电站，输入年利用小时、所配置的储热罐容量、光热电站的电热转换效率；对于系统中的电储能装置，输入储能装置的电池充放电效率；对于系统中的热储能装置，输入热储能设备的电热转换效率。
[0076]
3.输入多能互补综合能源系统中电、热储能的单位装机容量建设成本，包括电储能装置电池的单位容量成本ks、电加热设备的单位容量成本k
ph
以及储热罐的单位容量成本kh。
[0077]
4.建立多能互补综合能源系统中电-热储能的容量优化模型，目标函数为经济性最优，如式(1)所示：
[0078]
min(ks·nps
+kh·
δh+k
ph
·mph
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0079]
式中，n
ps
、δh和m
ph
分别为储能电池容量、储热罐增加容量以及电加热设备的额定容量；ks为电储能装置电池的单位容量成本；k
ph
为电加热设备的单位容量成本；kh为储热罐的单位容量成本。
[0080]
约束条件如式(2)至式(16)所示，包括以下约束，具体说明如下：
[0081]
1)风电功率约束：
[0082][0083]
式中，为风电的归一化理论功率，t为时间；nw为风电场的装机容量；pw为风电的历史归一化出力数据；
[0084]
2)光伏发电功率约束：
[0085][0086]
式中，为光伏的归一化理论功率，t为时间；n
pv
为光伏电站的装机容量；p
pv
为光伏电站的历史归一化出力数据。
[0087]
3)功率平衡约束：
[0088]
整个多能互补能源系统里包含风电、光伏、光热、电储能、热储能还有负荷，系统与交流电网相联，输出功率应小于外送通道容量：
[0089]
pw(t)+p
pv
(t)+p
st
(t)-p
ps
(t)-p
ph
(t)-p
l
(t)≤l
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0090]
式中，p
st
(t)为光热电站的功率、p
ps
(t)为电储能的功率，正值为充电，负值为放电，p
ph
(t)为电加热设备的输出功率，p
l
(t)为负荷历史数据，l为通道容量。
[0091]
4)储能soc约束，为能量型约束：
[0092]eps
(t)＝e
ps
(t-1)(1-μ
ps
)+δt
·
η
ps
·
p
ps
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0093][0094][0095][0096]
式中，e
ps
(t)为电储能的电量，δt为时间长度，μ
ps
为自放电率，η
ps
为电储能的充放
电效率，和为soc状态变量的最小值和最大值；
[0097]
5)储能电池充放电功率约束：
[0098]-mi≤p
ps
(t)≤miꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0099]
式中，mi为电储能装置中逆变器的额定容量。
[0100]
6)光热电站功率约束：
[0101][0102]
0≤p
st
(t)≤n
st
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0103]
式中，p
st
(t)为光热电站的发电功率，和分别为光热电站的最小和最大出力；n
st
为热储能装置电热转换效率；x
st
(t)为0-1变量，表示光热电站是否处于发电状态；
[0104]
7)电加热设备功率约束：
[0105]hph
(t)＝η
ph
·
p
ph
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0106]
0≤p
ph
(t)≤m
ph
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0107]
式中，h
ph
(t)为电加热设备的热功率，η
ph
为电加热设备的电热转换效率；
[0108]
8)储热系统储热量约束：
[0109]est
(t)＝e
st
(t-1)+δt
·ho
(t)+δt
·hph
(t)-δt
·
p
st
(t)
·fst
(p
st
(t))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0110][0111]
式中，e
st
(t)为光热电站储热罐存储的热量，f
st
(p
st
(t))为储热罐输入的热量与光热电站输出功率间的电热转换效率，是光热电站功率的非线性函数；和分别为储热罐的最小和最大储热容量；ho为光热电站集热器的理论输出热量序列。
[0112]
9)新能源弃电率约束：
[0113][0114]
式中，χ为新能源弃电率，h
st
为光热电站的年利用小时数。
[0115]
5.基于多能互补综合能源系统电储能/热储能容量联合优化模型，开展时序生产模拟计算，通过优化求解模型，得到同时配置电储能和热储能时，储能电池容量、电加热设备额定功率和储热罐增装容量的最优值，并输出结果。
[0116]
比如：选取西北某省某多能互补集成优化示范工程开展测试，其中风电400mw，光伏200mw，光热50mw，储能50mw,示范项目光热电站储热罐的储热时长设计为12小时，总储热容量1456mwht，光热电站年利用小时数为3403，其中电池容量单价为218万元/mwh，逆变器单价为85万元/mw，电加热设备单价100万元/mw，储热罐单价为14.5万元/mwht。基于电储能/热储能容量联合优化模型，研究在储能系统的总投资成本(含电储能和热储能)最低情况下，该示范工程电储能和热储能的最优配置容量：储能电池配置60mwh，电加热设备容量42.5mw，储热罐需增装容量1610mwht。
[0117]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本
发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：
1.一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法，其特征在于，包括：搜集步骤：搜集多能互补综合能源系统中，风电、光伏电站各自的历史归一化出力数据，以及光热电站集热器的理论输出热量序列和负荷历史数据；获取步骤：获取多能互补综合能源系统中风电场、光伏电站、光热电站各自的装机容量；确定步骤：确定多能互补综合能源系统中电、热储能的单位装机容量建设成本；构建步骤：基于单位装机容量建设成本，建立多能互补综合能源系统中电-热储能的容量优化模型，以所述出力数据、热量序列、负荷历史数据和装机容量作为约束条件；输出配置步骤：根据时序生产模拟计算，通过优化求解所述多能互补综合能源系统中电-热储能的容量优化模型，得出最优的储能电池配置、电加热设备容量、储热罐需增装容量。2.根据权利要求1所述的一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法，其特征在于：所述搜集步骤中，出力数据包括：搜集时间长度为1年，时间分辨率为15min的风电、光伏电站的历史归一化处理数据。3.根据权利要求2所述的一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法，其特征在于：所述获取步骤中，还包括：获取系统中的光热电站，年利用小时、所配置的储热罐容量、光热电站的电热转换效率；获取系统中的电储能装置的电池充放电效率；获取系统中的热储能装置电热转换效率。4.根据权利要求2所述的一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法，其特征在于：所述确定步骤中，电、热储能的单位装机容量建设成本，包括：电储能装置电池的单位容量成本、电加热设备的单位容量成本以及储热罐的单位容量成本。5.根据权利要求4所述的一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法，其特征在于：所述构建步骤中，多能互补综合能源系统中电-热储能的容量优化模型为：min(k
s
·
n
ps
+k
h
·
δh+k
ph
·
m
ph
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中，n
ps
、δh和m
ph
分别为储能电池容量、储热罐增加容量以及电加热设备的额定容量；k
s
为电储能装置电池的单位容量成本；k
ph
为电加热设备的单位容量成本；k
h
为储热罐的单位容量成本。6.根据权利要求5所述的一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法，其特征在于：所述构建步骤中，所述约束条件包括：1)风电功率约束：式中，为风电的归一化理论功率，t为时间；n
w
为风电场的装机容量；p
w
为风电的历史归一化出力数据；2)光伏发电功率约束：
式中，为光伏的归一化理论功率，t为时间；n
pv
为光伏电站的装机容量；p
pv
为光伏电站的历史归一化出力数据。7.根据权利要求6所述的一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法，其特征在于：所述约束条件还包括：3)功率平衡约束：整个多能互补能源系统里包含风电、光伏、光热、电储能、热储能还有负荷，系统与交流电网相联，输出功率应小于外送通道容量：p
w
(t)+p
pv
(t)+p
st
(t)-p
ps
(t)-p
ph
(t)-p
l
(t)≤l
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)式中，p
st
(t)为光热电站的功率、p
ps
(t)为电储能的功率，正值为充电，负值为放电，p
ph
(t)为电加热设备的输出功率，p
l
(t)为负荷历史数据，l为通道容量。8.根据权利要求7所述的一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法，其特征在于：所述约束条件还包括：4)储能soc约束，为能量型约束：e
ps
(t)＝e
ps
(t-1)(1-μ
ps
)+δt
·
η
ps
·
p
ps
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)(5)(5)式中，e
ps
(t)为电储能的电量，δt为时间长度，μ
ps
为自放电率，η
ps
为电储能的充放电效率，和为soc状态变量的最小值和最大值；5)储能电池充放电功率约束：-m
i
≤p
ps
(t)≤m
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)式中，m
i
为电储能装置中逆变器的额定容量。9.根据权利要求8所述的一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法，其特征在于：所述约束条件还包括：6)光热电站功率约束：0≤p
st
(t)≤n
st
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)式中，p
st
(t)为光热电站的发电功率，和分别为光热电站的最小和最大出力；n
st
为热储能装置电热转换效率；x
st
(t)为0-1变量，表示光热电站是否处于发电状态；7)电加热设备功率约束：h
ph
(t)＝η
ph
·
p
ph
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)0≤p
ph
(t)≤m
ph
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)式中，h
ph
(t)为电加热设备的热功率，η
ph
为电加热设备的电热转换效率；8)储热系统储热量约束：e
st
(t)＝e
st
(t-1)+δt
·
h
o
(t)+δt
·
h
ph
(t)-δt
·
p
st
(t)
·
f
st
(p
st
(t))
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
式中，e
st
(t)为光热电站储热罐存储的热量，f
st
(p
st
(t))为储热罐输入的热量与光热电站输出功率间的电热转换效率，是光热电站功率的非线性函数；和分别为储热罐的最小和最大储热容量；h
o
为光热电站集热器的理论输出热量序列。10.根据权利要求9所述的一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法，其特征在于：所述约束条件还包括：9)新能源弃电率约束：式中，χ为新能源弃电率，h
st
为光热电站的年利用小时数。

技术总结
本发明公开了一种多能互补综合能源系统中电-热储能的容量配置方法，包括：搜集多能互补综合能源系统中，风电、光伏电站各自的历史归一化出力数据，以及光热电站集热器的理论输出热量序列和负荷历史数据；获取风电场、光伏电站、光热电站各自的装机容量；确定电、热储能的单位装机容量建设成本；建立多能互补综合能源系统中电-热储能的容量优化模型，以出力数据、热量序列、负荷历史数据和装机容量作为约束条件；根据时序生产模拟计算，得出最优的储能电池配置、电加热设备容量、储热罐需增装容量。该方法综合考虑因素较多，输出的最优储能电池配置、电加热设备容量、储热罐需增装容量，进一步可提高综合能源系统的新能源利用率。进一步可提高综合能源系统的新能源利用率。进一步可提高综合能源系统的新能源利用率。


技术研发人员：蒙金有 项丽 李驰 杨文华 张金平 周宗川 黄越辉 葛鹏江 李湃 田星 郭琳润 申雅茹
受保护的技术使用者：国网宁夏电力有限公司 中国电力科学研究院有限公司
技术研发日：2021.11.29
技术公布日：2022/3/8