CN111368431A - 一种基于可靠性价值的分布式光伏和储能***定容方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电力***储能规划技术领域中一种基于可靠性价值的分布式光伏和储能***定容方法，通过对分布式光伏和储能***模型的构建、收益模型的构建和最优投资策略的取得，针对家庭用户的分布式光伏和储能***，实现提高家庭用户的供电可靠性，提高在因极端灾害导致电网断电后家庭用户的供电自给自足性，该方法是一种较为简单的分布式光伏和储能***定容方法，为普通家庭用户提供具有现实参考意义的参考。

Description

一种基于可靠性价值的分布式光伏和储能***定容方法

技术领域

本发明涉及电力***储能规划技术领域，具体领域为一种基于可靠性价值的分布式光伏和储能***定容方法。

背景技术

大规模停电事故，可能由极端自然灾害、***严重故障、人为破坏与恐怖袭击、甚至误操作导致。其中由于极端自然灾害导致的停电事故占全部停电事故的87％，每年造成几十亿的经济损失。这些停电事件虽然发生概率低，但是影响范围广，一旦发生，会对电力***造成极大的损害，严重危害居民用户的用电可靠性。电力***韧性是指电网减少停电故障过程中的损失并尽快恢复到正常供电状态的能力，学术界越来越多的关注“韧性”这一概念，作为提升电网韧性的灾后部署措施，近年来，分布式光伏发电和储能***在电网中分布的占比不断增加，与传统的发电机相比，当极端事件导致停电时，储能电池可以使用之前存储的能量，提高***的韧性，提升用户在因遭受自然灾害而发生电网停电事故下的自给自足能力。因此，为易受极端自然灾害影响地区的居民用户提供分布式光伏发电和储能***具有极强的现实意义。

现有对储能规划问题研究主要存在以下问题：

现有研究主要针对电网侧或大用户储能规划，对居民用户安装分布式光伏和储能***的规划研究较少；现有对储能定容方法较为复杂，对普通家庭进行分布式光伏和储能***投资策略不具有现实参考意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于可靠性价值的分布式光伏和储能***定容方法，包括评估分布式光伏和储能***在极端自然灾害下的可靠性价值，同时求取达到包括可靠性价值在内的经济收益最大时的储能电池与光伏电池板容量。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于可靠性价值的分布式光伏和储能***定容方法，本发明包括以下步骤。

1)分布式光伏和储能***模型的构建

假定不同居民用户间彼此独立，因此在发生极端自然灾害导致发生电网停电后，每个居民用户可以进行单独分析，其模型包括负荷模型、光伏出力模型及储能模型。

将一天分为两个时段，分别是白天时段(6：00～19：00)，以及夜晚时段(19：00～次日6：00),分别用T_d、T_n表示白天时段和夜晚时段，取时间间隔ΔT＝1h。在白天时段光伏发电，且白天时段的多余出力可以存储在储能***中供夜晚时段使用，以此来实现家庭用户的自给自足，同时提高电网的可靠性。

a)负荷模型

根据历史数据，可以得到一般家庭中的负荷使用情况。以小时为时间间隔，对家庭负荷进行统计，用l(t)表示。则白天累积的负荷(L_d)和夜晚累积的负荷(L_n)分别为：

b)光伏出力模型

太阳能电池板在白天时段的出力模型为：

s(t)＝r(t)K_p

式中r(t)是白天时段的太阳辐射，其分布为

是一个随机过程，其概率分布由历史数据估算得，K_p是太阳能电池板的容量。

则白天时段太阳能累计发电量模型为：

式中μ_p是一个随机变量，其分布可以从太阳辐射过程的分布中得出。

c)储能模型

P^storage＝μ_bK_b

式中K_b代表家用电池存储的能量容量，μ_b表示电池储能区的放电深度 (DOD)。假设忽略动态充电和放电过程，因此实际的可用储能容量为μ_bK_b。

2)收益模型的构建

a)经济价值

用户可以通过使用或向电网出售光伏和储能中的电能以及电池套利来获得利润，这是光伏和储能***经济价值的体现。该经济价值近似正比于分布式光伏和储能***的容量K_p和K_b，表示为：

C_E(K_p,K_b)＝α_pK_p+α_bK_b

式中，α_p和α_b是分布式光伏和储能***单位容量下年经济价值系数。

b)建设成本

建设成本也与分布式光伏和储能***的容量K_p和K_b成正比，还考虑了一次性的固定成本，其中包括场地费用和人工费用。为了体现资金的时间价值，有必要将一次性固定成本折现，表示为：

C_F(K_p,K_b)＝β_pK_p+β_bK_b+γ_psgn(K_p)+γ_bsgn(K_b)

式中，γ_p和γ_b是分布式光伏和储能***的一次性固定成本系数；β_p和β_b是分布式光伏和储能***单位容量下年建设成本系数。

c)可靠性价值

白天，仅光伏发电为家庭供电，因此负荷损耗为：

ΔL_d(K_p,K_b)＝max{L_d-μ_pK_p,0}

当L_d值较小或μ_pK_p值较大，多余的太阳能就会存储在储能电池中。考虑到电池存储的容量限制，白天时段电池存储的存储能量表示为：

L_s(K_p,K_b)＝min{max{μ_pK_p-L_d,0},μ_bK_b}

在夜间，电池存储释放其白天存储的能量以提供夜间负载。因此，在此期间的负荷损耗表示为：

ΔL_n(K_p,K_b)＝max{L_n-L_s,0}

综上，容量为(K_p,K_b)的分布式光伏和储能***的可靠性价值可以通过避免损失的负荷值来衡量。

C_R(K_p,K_b)＝pπ_R[ΔL(0,0)-ΔL_d(K_p,K_b)-ΔL_n(K_p,K_b)]

＝pπ_R[min{μ_pK_p,L_d}+min{L_s,L_n}]

＝pπ_R[min{μ_pK_p,L_d}+min{max{μ_pK_p-L_d,0},μ_bK_b,L_n}]

其中p是因为自然灾害导致居民用户的停电概率；π_R是居民用户损失负荷的单位价值(VOLL)。

d)收益模型

分布式光伏和储能***的收益I包括经济价值、建设成本和可靠性价值。

综上，可以得到以经济价值最大为目标的分布式光伏和储能***定容方案：

I＝(α_p-β_p)K_p+(α_b-β_b)K_b-γ_psgn(K_p)-γ_bsgn(K_b)+pπ_R[min{μ_pK_p,L_d}+min{max{μ_pK_p-L_d,0},μ_bK_b,L_n}]

3)最优投资策略

投资收益I是决策变量为K_p和K_b的线性函数，其中K_p和K_b的取值大于等于0。由于该函数是分段线性的，因此在其极点处无法导出。因此，对该函数进行分段讨论，以找出最大收益值I_max和达到该收益的最佳投资策略(K^* _p, K^* _b)。

假设l_p＝α_p-β_p<0,l_b＝α_b-β_b<0，另外令l'_p＝α_p-β_p和pπ_Rμ_p，l'_b＝α_b-β_b和 pπ_Rμ_b。因此，在K_p和K_b不同取值下。综上所述，最优解(K^* _p,K^* _b)有三种情况：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：一种基于可靠性价值的分布式光伏和储能***定容方法，针对家庭用户的分布式光伏和储能***，该***可以提高家庭用户的供电可靠性，提高在因极端灾害导致电网断电后家庭用户的供电自给自足性，提出一种较为简单的分布式光伏和储能***定容方法，为普通家庭用户提供具有现实参考意义的参考。

附图说明

图1为本发明基于可靠性价值的分布式光伏和储能***定容流程图；

图2显示了因极端天气导致居民停电后分布式光伏和储能***的可靠性价值实现机制。图2的左图显示，在没有太阳能和存储***的情况下，因极端灾害导致电网停电后，一个家庭用户负荷损失为ΔL(0,0)；右图体现了居民用户安装分布式光伏和储能***后的可靠性价值；

图3为本发明实施例中600名居民用户在白天和夜晚时段的负荷情况；

图4为本发明实施例中1kW光伏每年出力情况；

图5为本发明实施例中不同地区的最优投资策略；

图6为本发明实施例中不同地区的可靠性价值和投资收益。

具体实施方式

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他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：一种基于可靠性价值的分布式光伏和储能***定容方法，算例基于7个地区600名家庭用户白天时段和夜晚时段的实际数据。其白天时段指的是从6：00～19：00，夜晚时段指的是从0：00～6：00和次日19：00～24：00。图3和图4分别展示了家庭用户负荷数据与太阳能发电情况。

根据上述方法，可以得到7个地区的安装分布式光伏发电和储能***后的最佳投资策略如图5所示，可靠性价值、投资收益如图6所示。

从图中可以直观地看出，在各地区中，地区7的可靠性价值中位数最大，达到了251.13美元，说明该地区因极端灾害发生停电概率最大，在这里居住的居民用户最值得进行分布式光伏发电和储能***投资，其最优太阳能和储能容量的中位数为12.91kW和16.62kWh，在这种最优投资策略下的收益中位数为115.48美元，这说明该地区一半以上的用户可以通过投资分布式光伏发电和储能***获得115.48美元利润，而地区5的可靠性价值中位数最低，即使在最优投资策略下(此时最优太阳能和储能容量的中位数为10.06kW和15.30kWh)也只有81.68美元，该地区投资者每年从***中获利的中位数仅为26.06美元。

至此，本发明所提方法实施完毕。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种基于可靠性价值的分布式光伏和储能***定容方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)分布式光伏和储能***模型的构建

将一天分为两个时段，分别是白天时段6：00～19：00，以及夜晚时段19：00～次日6：00,所述白天时段和夜晚时段分别用T_d、T_n表示，时间间隔ΔT＝1h，在白天时段光伏发电，且白天时段的多余出力可以存储在储能***中供夜晚时段使用；

a)负荷模型

根据历史数据，得到一般家庭中的负荷使用情况，以小时为时间间隔，对家庭负荷进行统计，用l(t)表示,白天累积的负荷(L_d)和夜晚累积的负荷(L_n)分别为：

b)光伏出力模型

太阳能电池板在白天时段的出力模型为：

s(t)＝r(t)K_p

式中r(t)是白天时段的太阳辐射，其分布为

是一个随机过程，其概率分布由历史数据估算得，K_p是太阳能电池板的容量，白天时段太阳能累计发电量模型为：

式中μ_p是一个随机变量，其分布从太阳辐射过程的分布中得出；

c)储能模型

P^storage＝μ_bK_b

式中K_b代表家用电池存储的能量容量，μ_b表示电池储能区的放电深度(DOD)，实际的可用储能容量为μ_bK_b；

2)收益模型的构建

a)经济价值

经济价值近似正比于分布式光伏和储能***的容量K_p和K_b，表示为：

C_E(K_p,K_b)＝α_pK_p+α_bK_b

式中，α_p和α_b是分布式光伏和储能***单位容量下年经济价值系数。

b)建设成本

建设成本与分布式光伏和储能***的容量K_p和K_b成正比，将一次性固定成本折现，表示为：

C_F(K_p,K_b)＝β_pK_p+β_bK_b+γ_psgn(K_p)+γ_bsgn(K_b)

式中，γ_p和γ_b是分布式光伏和储能***的一次性固定成本系数；β_p和β_b是分布式光伏和储能***单位容量下年建设成本系数；

c)可靠性价值

白天，仅光伏发电为家庭供电，负荷损耗为：

ΔL_d(K_p,K_b)＝max{L_d-μ_pK_p,0}

当L_d值较小或μ_pK_p值较大，多余的太阳能会存储在储能电池中，白天时段电池存储的存储能量表示为：

L_s(K_p,K_b)＝min{max{μ_pK_p-L_d,0},μ_bK_b}

夜间，电池存储释放其白天存储的能量以提供夜间负载，夜间的负荷损耗表示为：

ΔL_n(K_p,K_b)＝max{L_n-L_s,0}

容量为(K_p,K_b)的分布式光伏和储能***的可靠性价值可以通过避免损失的负荷值来衡量：

C_R(K_p,K_b)＝pπ_R[ΔL(0,0)-ΔL_d(K_p,K_b)-ΔL_n(K_p,K_b)]

＝pπ_R[min{μ_pK_p,L_d}+min{L_s,L_n}]

＝pπ_R[min{μ_pK_p,L_d}+min{max{μ_pK_p-L_d,0},μ_bK_b,L_n}]

其中p是因为自然灾害导致居民用户的停电概率；π_R是居民用户损失负荷的单位价值(VOLL)；

d)收益模型

分布式光伏和储能***的收益I包括经济价值、建设成本和可靠性价值，

以经济价值最大为目标的分布式光伏和储能***定容方案：

I＝(α_p-β_p)K_p+(α_b-β_b)K_b-γ_psgn(K_p)-γ_bsgn(K_b)+pπ_R[min{μ_pK_p,L_d}+min{max{μ_pK_p-L_d,0},μ_bK_b,L_n}]。

2.根据权利要求1所述的一种基于可靠性价值的分布式光伏和储能***定容方法，其特征在于：其最优投资策略为，投资收益I是决策变量为K_p和K_b的线性函数，其中K_p和K_b的取值大于等于0，最优解(K^* _p,K^* _b)有三种情况：

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