本发明公开了一种基于需求侧响应的风光储独立微电网经济优化方法，包括：建立太阳能电池板输出功率分解式，风力涡轮机的输出功率分解式，储能系统充放电功率表达式；得到采用需求侧响应规划的风光储独立微电网第k个设备组件总成本表达式；建立资本回收系数表达式；得到第k个设备组件的年初始成本、第k个设备组件的年重置成本和第k个设备组件的剩余价值；得到风光储独立微电网中设备组件的年单位成本；得到风光储独立微电网第k个设备组件的净现成本；分析储能微网第k个设备组件的净现成本，验证采用需求侧响应规划的储能优化方法的有效性。本发明将DR规划应用于风光储微电网经济优化中，解决独立微电网中能量生成问题。
1.一种基于需求侧响应的风光储独立微电网经济优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立太阳能电池板输出功率分解式，风力涡轮机的输出功率分解式，储能系统充放电功率表达式；
2)根据步骤1)太阳能电池板输出功率分解式，风力涡轮机的输出功率分解式，储能系统充放电功率表达式，得到采用需求侧响应规划的风光储独立微电网第k个设备组件总成本表达式；
3)将步骤2)风光储独立微电网第k个设备组件总成本表达式中的初始成本转换为年度成本，建立资本回收系数表达式；
4)根据步骤3)资本回收系数表达式，得到第k个设备组件的年初始成本、第k个设备组件的年重置成本和第k个设备组件的剩余价值；
5)根据步骤4)第k个设备组件的年初始成本、第k个设备组件的年重置成本和第k个设备组件的剩余价值得到风光储独立微电网中设备组件的年单位成本；
6)根据步骤5)储能微网中设备组件的年单位成本，得到风光储独立微电网第k个设备组件的净现成本；
7)分析步骤6)储能微网第k个设备组件的净现成本，验证采用需求侧响应规划的储能优化方法的有效性。
2.根据权利要求1所述的一种基于需求侧响应的风光储独立微电网经济优化方法，其特征在于，步骤1)的具体实现方法为：建立太阳能电池板输出功率分解式，太阳能电池板PPV的输出直流功率取决于太阳光辐射强度、吸收容量、面板面积和电池温度，太阳能电池板输出功率分解式为：2
其中：Gt(t)(W/m)是垂直于阵列表面的辐射入射功率，Ppv‑rated是面板在标准测试STC条件下的额定功率，ηpv是太阳能电池板功率折减系数，TC,STC是电池在STC下的温度，βT是光伏温度系数，TC是运行时的电池温度，表示为：其中：NOCT是正常运行电池温度，Tamb是环境温度；风力涡轮机的输出功率是在风机在轮毂高度下风速的函数，风力涡轮机的输出功率分解式为：其中：v(m/s)、vr、vcut‑in,和vcut‑out分别是风力机轮毂高度、额定转速、切入速度和截止转速，Pr代表额定转速下的输出功率；储能系统充放电功率表达式为：PB(t)＝PWT(t)+PPV(t)‑PL(t)/ηinv；其中：PL是t时刻总用电负荷，ηinv是逆变器效率，如果PB＝0那么电池组既不充电也不放电；如果PB＞0，那么电池组会由于微电网产生过剩电量而进行充电。
3.根据权利要求2所述的一种基于需求侧响应的风光储独立微电网经济优化方法，其特征在于，步骤2)的具体实现方法为：根据步骤1)太阳能电池板输出功率分解式，风力涡轮机的输出功率分解式，储能系统充放电功率表达式，得到采用需求侧响应规划的风光储独立微电网第k个设备组件总成本表达式：TUCk＝ICk+Repk+Mk‑RVk；其中：ICk为采购、安装和调试的初始成本；Repk为重置成本；Mk为运行维护成本，RVk为剩余价值。
4.根据权利要求3所述的一种基于需求侧响应的风光储独立微电网经济优化方法，其特征在于，步骤3)的具体实现方法为：将步骤2)风光储独立微电网第k个设备组件总成本表达式中的初始成本转换为年度成本，建立资本回收系数表达式：其中：i是利率，n是系统生命周期，nk是第k个储能设备的生命周期。
5.根据权利要求4所述的一种基于需求侧响应的风光储独立微电网经济优化方法，其特征在于，步骤4)的具体实现方法为根据步骤3)资本回收系数表达式，得到第k个设备组件的年初始成本：AICk＝ICk×CRF(i ,n)、第k个设备组件的年重置成本：和第k个设备组件的剩余价值：
6.根据权利要求5所述的一种基于需求侧响应的风光储独立微电网经济优化方法，其特征在于，步骤5)的具体实现方法为：根据步骤4)第k个设备组件的年初始成本、第k个设备组件的年重置成本和第k个设备组件的剩余价值得到风光储独立微电网中设备组件的年单位成本：ATUCk＝AICk+APepk+Mk‑ARVk。
7.根据权利要求6所述的一种基于需求侧响应的风光储独立微电网经济优化方法，其特征在于，步骤6)的具体实现方法为：根据步骤5)储能微网中设备组件的年单位成本，得到风光储独立微电网第k个设备组件的净现成本：NPCUk＝ATUCk/CRF(i,n)。
8.根据权利要求7所述的一种基于需求侧响应的风光储独立微电网经济优化方法，其特征在于，步骤7)的具体实现方法为：分析步骤6)储能微网第k个设备组件的净现成本，验证采用需求侧响应规划的储能优化方法的有效性。
一种基于需求侧响应的风光储独立微电网经济优化方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于需求侧响应的风光储独立微电网经济优化方法，该方法将需求侧响应(DR)规划应用于风光储微电网经济优化中，利用DR解决独立微电网中能量生成问题。通过减少或消除发电侧与耗电侧的不平衡来实现成本的消减，提升风光储独立微电网经济性。
背景技术
[0002] 风能和太阳能被认为是重要的可再生资源。这些资源产生的能量随时间而变化，通常不满足需求侧使用。这种不匹配的现象增加了离网系统的储能容量。另外，如果光伏(PV)系统或风力涡轮机(WT)分别独立使用，系统规模和投资成本将增加。混合使用这些能源可以提高系统的可靠性，并可以减少投资成本和微电网储能系统容量。
[0003] 在风光储独立微电网并网系统中，经常需要利用需求侧响应(DR)来降低运营成本。DR是一种为了改变电力价格而改变消费模式或为了减少消费而改变消费成本的方法。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种基于需求侧响应的风光储独立微电网经济优化方法，具体将DR规划应用于风光储微电网经济优化中，利用DR解决独立微电网中能量生成问题。通过减少或消除发电侧与耗电侧的不平衡来实现成本的消减，转移负荷时域或对负荷进行调度规划，提升风光储独立微电网经济性。
[0005] 本发明采取如下技术方案来实现的：
[0006] 一种基于需求侧响应的风光储独立微电网经济优化方法，包括以下步骤：
[0007] 1)建立太阳能电池板输出功率分解式，风力涡轮机的输出功率分解式，储能系统充放电功率表达式；
[0008] 2)根据步骤1)太阳能电池板输出功率分解式，风力涡轮机的输出功率分解式，储能系统充放电功率表达式，得到采用需求侧响应规划的风光储独立微电网第k个设备组件总成本表达式；
[0009] 3)将步骤2)风光储独立微电网第k个设备组件总成本表达式中的初始成本转换为年度成本，建立资本回收系数表达式；
[0010] 4)根据步骤3)资本回收系数表达式，得到第k个设备组件的年初始成本、第k个设备组件的年重置成本和第k个设备组件的剩余价值；
[0011] 5)根据步骤4)第k个设备组件的年初始成本、第k个设备组件的年重置成本和第k个设备组件的剩余价值得到风光储独立微电网中设备组件的年单位成本；
[0012] 6)根据步骤5)储能微网中设备组件的年单位成本，得到风光储独立微电网第k个设备组件的净现成本；
[0013] 7)分析步骤6)储能微网第k个设备组件的净现成本，验证采用需求侧响应规划的储能优化方法的有效性。
[0014] 本发明进一步的改进在于，步骤1)的具体实现方法为：建立太阳能电池板输出功率分解式，太阳能电池板PPV的输出直流功率取决于太阳光辐射强度、吸收容量、面板面积和电池温度，太阳能电池板输出功率分解式为：
[0015] 其中：Gt(t)(W/m2)是垂直于阵列表面的辐射入射功率，Ppv‑rated是面板在标准测试STC条件下的额定功率，ηpv是太阳能电池板功率折减系数，TC,STC是电池在STC下的温度，βT是光伏温度系数，TC是运行时的电池温度，表示为：
[0016] 其中：NOCT是正常运行电池温度，Tamb是环境温度；风力涡轮机的输出功率是在风机在轮毂高度下风速的函数，风力涡轮机的输出功率分解式为：
[0017] 其中：v(m/s)、vr、vcut‑in,和vcut‑out分别是风力机轮毂高度、额定转速、切入速度和截止转速，Pr代表额定转速下的输出功率；储能系统充放电功率表达式为：PB(t)＝PWT(t)+PPV(t)‑PL(t)/ηinv；其中：PL是t时刻总用电负荷，ηinv是逆变器效率，如果PB＝0那么电池组既不充电也不放电；如果PB＞0，那么电池组会由于微电网产生过剩电量而进行充电。
[0018] 本发明进一步的改进在于，步骤2)的具体实现方法为：根据步骤1)太阳能电池板输出功率分解式，风力涡轮机的输出功率分解式，储能系统充放电功率表达式，得到采用需求侧响应规划的风光储独立微电网第k个设备组件总成本表达式：TUCk＝ICk+Repk+Mk‑RVk；其中：ICk为采购、安装和调试的初始成本；Repk为重置成本；Mk为运行维护成本，RVk为剩余价值。
[0019] 本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法为：将步骤2)风光储独立微电网第k个设备组件总成本表达式中的初始成本转换为年度成本，建立资本回收系数表达式：
[0020] 其中：i是利率，n是系统生命周期，nk是第k个储能设备的生命周期。
[0021] 本发明进一步的改进在于，步骤4)的具体实现方法为根据步骤3)资本回收系数表达式，得到第k个设备组件的年初始成本：AICk＝ICk×CRF(i,n)、第k个设备组件的年重置成本： 和第k个设备组件的剩余价值：
[0022] 本发明进一步的改进在于，步骤5)的具体实现方法为：根据步骤4)第k个设备组件的年初始成本、第k个设备组件的年重置成本和第k个设备组件的剩余价值得到风光储独立微电网中设备组件的年单位成本：ATUCk＝AICk+APepk+Mk‑ARVk。
[0023] 本发明进一步的改进在于，步骤6)的具体实现方法为：根据步骤5)储能微网中设备组件的年单位成本，得到风光储独立微电网第k个设备组件的净现成本：NPCUk＝ATUCk/CRF(i,n)。
[0024] 本发明进一步的改进在于，步骤7)的具体实现方法为：分析步骤6)储能微网第k个设备组件的净现成本，验证采用需求侧响应规划的储能优化方法的有效性。
[0025] 与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：
[0026] 1.本发明提出一种基于需求侧响应的风光储独立微电网经济优化方法，将DR规划应用于风光储微电网经济优化中，解决独立微电网中能量生成问题。
[0027] 2.本发明通过减少或消除发电侧与耗电侧的不平衡来实现风光储独立微电网成本的消减，转移负荷时域或对负荷进行调度规划，提升风光储独立微电网经济性。
附图说明
[0028] 图1为光伏/风能/电池混合微电网系统示意图；
[0029] 图2为微电网经济优化过程示意图；
[0030] 图3为无DR时发电侧功率和耗电侧功率曲线；
[0031] 图4为有DR时发电侧功率和耗电侧功率曲线。
具体实施方式
[0032] 下面通过附图，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
[0033] 如图1所示，在风光储独立微电网，PV和WT作为电压源，储能系统(电池)作为电能储存装置。风光储独立微电网通过智能系统管理进行负荷调度。智能系统利用DR来减少或消除发电侧和耗电侧之间的不平衡，备用负载用于消耗光储独立微电网多余负荷。
[0034] 风光储独立微电网DR规划配置需要规定指定时间段内可调度负荷的运行次数，未分配和不足能源的数量。约束条件包括组件的运行和物理限制，能量平衡，产能限制，设备能力和电池约束。
[0035] 本发明提出了一个新的DR方式，通过DR方式对可调度负荷进行规划来减少或消除发电侧和耗电侧的不匹配现象。
[0036] 太阳能电池板直接把太阳光转换成电能。太阳能电池板(PPV)的输出直流功率取决于太阳光辐射强度、吸收容量、面板面积和电池温度，如式(1)所示。
[0037]
[0038] 式(1)中：Gt(t)(W/m2)是垂直于阵列表面的辐射入射功率，Ppv‑rated是面板在标准测试(STC)条件下的额定功率，ηpv是太阳能电池板功率折减系数(％)，TC,STC是电池在STC下的温度，βT是光伏温度系数，TC是运行时的电池温度，具体求解如式(2)：
[0039]
[0040] 式(2)中：NOCT是正常运行电池温度，Tamb是环境温度。
[0041] 风力涡轮机的输出功率是在风机在轮毂高度下风速的函数，输出功率表示为：
[0042]
[0043] 式(3)中：v(m/s)、vr、vcut‑in,和vcut‑out分别是风力机轮毂高度、额定转速、切入速度和截止转速。Pr代表额定转速下的输出功率。
[0044] 储能系统用于使供需达到平衡，在微电网中电池可以作为储能系统。它可以根据发电和耗电电量来决定是否充电或放电，电池的输入功率可以是正的或负的，这取决于电池组的充放电状态，如式(4)所示。
[0045] PB(t)＝PWT(t)+PPV(t)‑PL(t)/ηinv (4)
[0046] 式(4)中：PL是t时刻总用电负荷，ηinv是逆变器效率。如果PB＝0那么蓄电池组既不充电也不放电；如果PB＞0，那么蓄电池组充电。
[0047] 如图2所示，采用需求侧响应规划的风光储独立微电网第k个设备组件总成本表达式为：
[0048] TUCk＝ICk+Repk+Mk‑RVk (5)
[0049] 式(5)中：ICk为采购、安装和调试的初始成本；Repk为重置成本；Mk为运行维护成本，RVk为剩余价值。
[0050] 每个设备组件成本时间配置为：初始成本(项目开始时)，重置成本(在每个组件的使用寿命结束时到系统生命周期结束时)，操作和维护成本(每年的系统生命周期内)，剩余值(在系统生命周期结束时)。
[0051] 为了将初始成本转换为年度成本，使用资本回收系数(CRF(i,n))，资本回收系数为：
[0052]
[0053] 式(6)中：i是利率，n是系统生命周期，nk是第k个设备组件的生命周期。第k个设备组件的年初始成本为：
[0054] AICk＝ICk×CRF(i,n) (7)
[0055] 第k个设备组件的年重置成本为：
[0056]
[0057] 第k个设备组件的剩余价值(残值)为：
[0058]
[0059] 风光储独立微电网设备组件的年单位成本为：
[0060] ATUCk＝AICk+APepk+Mk‑ARVk (10)
[0061] 根据式(10)可知：风光储独立微电网第k个设备组件的净现成本为：
[0062] NPCUk＝ATUCk/CRF(i,n) (11)
[0063] 风光储独立微电网规模优化可分为：有DR和无DR的情况。表1给出了这两种情况下规模优化的结果：
[0064] 表1微电网组件规模优化结果
[0065]
[0066] 两种情况下的消耗的功率相等，在充放电过程中会产生部分的能量浪费。这种光伏电池功率略有不同的原因就是这种浪费。但如该表所示，DR的应用造成电池容量和逆变器功率大幅减少。原因为：首先，由于耗电侧和发电侧电能的接近；其次由于负荷峰值的减少。
[0067] 此外，还获得了各组件的净现成本和微电网的总净现成本，如表2所示。DR的实施导致了组件容量数量和能源供应成本的显著减少。DR还减少了储能系统的功率、逆变器功率、光伏电池容量和总成本分别为35％、35.6％、1.8％和17.2％。
[0068] 表2两种情况(有无DR)组件的净现成本比较
[0069]
[0070]
[0071] 如图3所示，判断发电侧和耗电侧功率接近程度用相对差系数表示：
[0072]
[0073] 无DR的DF指数为0.551，发电侧与用电侧的相关因子在DR情况下为‑0.07813。
[0074] 如图4所示，有DR的DF指数为0.406，利用DR可以降低DF指数，并使发电侧功率与耗电侧功率更接近。利用DR降低了DF指数26.3％，使发电侧与用电侧更加接近。此外，发电侧与用电侧的相关因子在有DR情况下为+0.2093。DR的应用使这一因子增加了368％。
[0075] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
