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新型儲(chǔ)能丨基于內(nèi)點(diǎn)法的用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行策略


1.研究背景


       在2030碳達(dá)峰、2060碳中和目標(biāo)要求下,,我國(guó)已經(jīng)明確未來(lái)要建立以新能源為主體的新型電力系統(tǒng),,確立了光伏、風(fēng)電的長(zhǎng)期發(fā)展道路,,預(yù)計(jì)“十四五”期間,,光伏、風(fēng)電年裝機(jī)量將達(dá)到120GW,。在此背景下,,儲(chǔ)能的剛需屬性愈發(fā)增強(qiáng)。其中,,用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能電站是一種用于改善企業(yè)用戶(hù)日用電負(fù)荷曲線,,平衡其用電結(jié)構(gòu),,改變其在峰谷段用電情況從而節(jié)省用電成本的有效手段。合理的配置用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng),,能有效的降低用戶(hù)實(shí)際繳納電費(fèi)金額,。隨著儲(chǔ)能設(shè)備相關(guān)政策不斷完善,更多企業(yè)有意圖通過(guò)建設(shè)用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能電站來(lái)降低其用電成本,,從而實(shí)現(xiàn)盈利目的,。


       因此,我們認(rèn)為有必要針對(duì)用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能運(yùn)行策略進(jìn)行優(yōu)化模擬,,使得企業(yè)在儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行期間盡可能降低用電成本,,提高收益。



2.用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能收益模式分析


       用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能之所以能降低用電成本提高企業(yè)收益,,主要依靠?jī)煞N模式,,一種是削峰填谷,另一種是需量電費(fèi)管理,。



2.1
削峰填谷

       用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能通過(guò)改變用戶(hù)企業(yè)用電情況,,從而實(shí)現(xiàn)削弱用電高峰填補(bǔ)用電低谷。當(dāng)電價(jià)處于低谷期時(shí),,用戶(hù)向儲(chǔ)能電池內(nèi)充電,,并在電價(jià)高峰時(shí),將儲(chǔ)能電池內(nèi)部電量放出,,降低高峰期從電網(wǎng)獲取的電量以降低用電成本,。

       根據(jù)不同地區(qū)電網(wǎng)峰平谷電價(jià)情況,用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能主要以每天一充一放到兩充兩放的形式運(yùn)行,,其中充電集中在每日的電價(jià)低谷期,,放電集中在每日的電價(jià)高峰期。



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圖2.1 削峰填谷模式對(duì)比圖



2.2
需量電費(fèi)管理

       用戶(hù)的月度電費(fèi)清單中存在一部分根據(jù)用戶(hù)變壓器容量大小或用戶(hù)該月負(fù)荷最高點(diǎn)來(lái)收取的基礎(chǔ)電費(fèi),。其中,,根據(jù)用戶(hù)變壓器容量大小收取的電費(fèi)稱(chēng)為容量電費(fèi),按照用戶(hù)該月負(fù)荷最高點(diǎn)來(lái)收取的電費(fèi)稱(chēng)為需量電費(fèi),。一般來(lái)說(shuō),,用戶(hù)可以根據(jù)自身用電情況來(lái)從容量電費(fèi)與需量電費(fèi)中選擇一項(xiàng)進(jìn)行基礎(chǔ)電費(fèi)的繳納。在配備用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的情況下,,用戶(hù)可以在用電高峰時(shí)放電給負(fù)載,,從而降低用戶(hù)企業(yè)每月的最大需量值,降低用電成本,。



       由此,,在明確用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能收益模式和已知負(fù)荷曲線的前提下,我們可以對(duì)用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行模擬優(yōu)化,,使其同時(shí)通過(guò)削峰填谷和需量電費(fèi)管理兩種方式最大程度降低用電成本,,獲取最大收益,,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。





3.優(yōu)化方案描述



3.1
確定初始條件參數(shù)

       主要包括需要進(jìn)行調(diào)整的負(fù)荷功率曲線,、儲(chǔ)能容量及功率,、充放電效率、尖峰平谷各個(gè)時(shí)段及時(shí)段對(duì)應(yīng)電價(jià),、需量電價(jià)單價(jià)及固定損耗等,。在儲(chǔ)能系統(tǒng)放電過(guò)程中,系統(tǒng)需要額外附帶部分用電成本,,如空調(diào)照明等,,這些設(shè)備同樣也需要電能進(jìn)行運(yùn)作。因此在儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的同時(shí),,需要增加一部分電量損耗用于運(yùn)行輔助設(shè)備,,需要在調(diào)整后的負(fù)荷矩陣基礎(chǔ)上,在儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)段內(nèi)增加固定損耗,。



3.2
確定目標(biāo)函數(shù)(用電成本最低)

       根據(jù)廠區(qū)的負(fù)荷曲線,通過(guò)不同時(shí)段不同電價(jià),,計(jì)算得出最終廠區(qū)所需繳納的用量電費(fèi)及需量電費(fèi):

       初始成本=Σ調(diào)整前谷段用電量*谷段電價(jià)+Σ調(diào)整前平段用電量*平段電價(jià)+Σ調(diào)整前峰段用電量*峰段電價(jià)+調(diào)整前當(dāng)月負(fù)荷最高點(diǎn)*需量電價(jià)


       同理,,調(diào)整后電費(fèi)成本計(jì)算如下:

       調(diào)整成本=Σ調(diào)整后谷段用電量*谷段電價(jià)+Σ調(diào)整后平段用電量*平段電價(jià)+Σ調(diào)整后峰段用電量*峰段電價(jià)+調(diào)整后當(dāng)月負(fù)荷最高點(diǎn)*需量電價(jià)



3.3
確定邊界條件

       1)負(fù)荷矩陣內(nèi)任何一點(diǎn)不能超過(guò)變壓器上限。

       2)電池最多充放電量不能超過(guò)電池本身的最大容量,。

       3)電池內(nèi)必須存余電量才有可能將電放出,。

       4)電池每小時(shí)可充放電量受到電池本身的功率限制,暫不考慮過(guò)載運(yùn)行狀態(tài),。

       5)需量上限作為整個(gè)調(diào)整后負(fù)荷矩陣每個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的上限,,因此有超出該值的點(diǎn)優(yōu)先考慮是否可以將該點(diǎn)降至上限以下。

       6)在考慮以上各限制條件的同時(shí)盡可能滿(mǎn)足每日充放電循環(huán)最大次數(shù),,從而增大削峰填谷收益,。



3.4
優(yōu)化算法

       本策略采用的優(yōu)化算法為內(nèi)點(diǎn)法(Interior Point Method),這是一種求解線性規(guī)劃或非線性凸化問(wèn)題的算法,。內(nèi)點(diǎn)法是在可行域內(nèi)部進(jìn)行搜索迭代的算法,,在可取值的區(qū)間內(nèi),所有方向都是可行的,,關(guān)鍵在于搜索點(diǎn)是否一直保持在可行域的“內(nèi)部”,,直到最優(yōu)解被找到。判斷每次迭代點(diǎn)是否為內(nèi)點(diǎn),,首先要將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)型的線性規(guī)劃,。給定典型規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)型的的可行解,若可行解每一個(gè)分量都為正,,則該可行點(diǎn)為內(nèi)點(diǎn),,通過(guò)該方法,,在找到最優(yōu)解之前不斷避開(kāi)可行域的邊界,避免得出局部解,,從而得出更為準(zhǔn)確的最小用電成本以及需量大小,。


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圖3.1 優(yōu)化流程圖



04

具體案例


       獲取某廠區(qū)一個(gè)月內(nèi)的初始負(fù)荷矩陣(24小時(shí)*31天),每一點(diǎn)代表31天每天24小時(shí)中每小時(shí)的負(fù)荷量,,此時(shí)需量值為378千瓦,,計(jì)算初始負(fù)荷成本為82250.45元。以此為基礎(chǔ)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行策略,,具體策略結(jié)果如下表所示,。


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圖4.1 負(fù)荷曲線對(duì)比圖


       1. 當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)采用不考慮需量電費(fèi)管理,單純進(jìn)行削峰填谷的運(yùn)行模式時(shí),,運(yùn)行得出需量值為361千瓦,,該模式下調(diào)整成本為78834.21元。


       2. 當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)采用不考慮削峰填谷,,只進(jìn)行需量電費(fèi)管理的運(yùn)行模式時(shí),,運(yùn)行得出需量值為319千瓦,該模式下調(diào)整成本為79377.96元,。


       3. 當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)在削峰填谷以及需量電費(fèi)管理同時(shí)限制進(jìn)行經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行后,,運(yùn)行得出需量值為329千瓦,該模式下調(diào)整成本為77910.28 元,。

       由此可見(jiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行策略能夠有效降低用電成本,。


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圖4.2 不同需量對(duì)應(yīng)的電費(fèi)成本曲線



05

總結(jié)


       用戶(hù)側(cè)儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行策略的重點(diǎn)是在實(shí)現(xiàn)需量管理的基礎(chǔ)上,最大程度的發(fā)揮儲(chǔ)能系統(tǒng)削峰填谷的能力,,使其收益最大化,。


       該問(wèn)題是一個(gè)典型的具有多變量,多約束條件的優(yōu)化問(wèn)題,。該方案根據(jù)初始負(fù)荷矩陣,,先計(jì)算出調(diào)整前電費(fèi)成本,便于進(jìn)行對(duì)比,。再分別進(jìn)行削峰填谷,、需量電費(fèi)管理兩種運(yùn)行模式,尋找可控需量值的區(qū)間后,,在需量控制的基礎(chǔ)上不斷進(jìn)行削峰填谷充放電循環(huán),,最終輸出儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)整后的電費(fèi)成本。經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證,,單獨(dú)進(jìn)行削峰填谷策略或需量電費(fèi)管理后的電費(fèi)成本始終大于該經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行策略后的電費(fèi)成本,。因此,當(dāng)二者相互結(jié)合,,相輔相成后方能尋得最優(yōu)解,。


作者:萬(wàn)里揚(yáng)能源科技研究院




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