[发明专利]一种负荷聚合商参与的综合需求响应方法及系统

权利要求书

1.一种负荷聚合商参与的综合需求响应方法，其特征在于：

包括以下步骤：

S100、针对小规模居民用户进行聚合，建立用户聚合模型，包含有获取用能数据、选取特定的各类聚合用户的用能特性及需求响应特征的聚合特征量和特定的聚类方法；

S200、基于S100中聚合后得到的细分用能特性及需求响应特性的各类居民用户群，对细分的各类居民用户分别进行负荷聚合商建模，包含有对系统能流图的绘制、对负荷聚合商内部各设备的单独建模和能量平衡方程的表述；

S300、基于S100中得到的具体聚合用户的响应数据结合S200中建立的负荷聚合商模型，进行负荷聚合商参与的聚合用户综合需求响应建模，包含有对综合需求响应的三类负荷可转移、可削减、可转换负荷的综合需求响应建模，并通过模型求解得到聚合用户考虑综合需求响应后的最优用能和从负荷聚合商处购能情况；

S400、基于S200中建立的各负荷聚合商模型结合S300中得到的聚合用户参与综合需求响应后的购能数据，建立聚合用户的负荷聚合商综合需求响应模型，包含目标函数的选取，约束条件的设立以及求解得到负荷聚合商网侧最优购能和内部各能源设备的最优配置；

其中，所述S100中针对小规模居民用户进行聚合，建立精细化的用户聚合模型，包括：

步骤1.1、获取区域小规模用户的用能数据，包括用户电/气/冷/热负荷曲线、各用户需求响应能力及需求响应意愿调查结果、区域能源价格变化情况，计算用户价格敏感系数，能源需求占比；

步骤1.2、确定聚合特征量，包括有：用户需求响应能力、用户需求响应意愿、用户价格敏感系数、用户各类负荷占比、用户能源需求占比、用户能源转换设备类型和用户典型日的电/气/冷/热负荷曲线；

所述用户各类负荷占比包括基础负荷占比、可中断负荷占比、可平移负荷占比和可转移负荷占比；

所述用户能源需求占比包括电/冷/热负荷占比；

步骤1.3、采用间接聚类的方式，由步骤1.2中所选聚合特征量，采用典型K-means聚类对区域用户群进行聚合建模，得到聚合后的数类用户群体；

所述步骤S200中对细分的各类居民用户分别进行负荷聚合商建模，包括：

步骤2.1、由各类聚合用户的能源需求情况，能源需求占比情况，需求响应潜力选择响应的负荷聚合商内的能源转换设备及储能设备，并绘制系统内的能流图；

步骤2.2、采用能量母线建模的局部建模思路，对各类设备单独进行建模，对其能量流进行分析，列写每个元件的能量流表达式，如下：

1)热电联产即燃气轮机

燃气轮机消耗天然气，同时输出电能和热能；输出电功率如下所示：

输出热功率如下所示：

并且有：

式中，E_chp、H_chp为热电联产装置输出的电、热功率，G_chp为热电联产装置天然气输入功率，η_loss依次为热电联产装置的产电效率、产热效率和热损失率；

2)燃气锅炉

燃气锅炉可以弥补燃气轮机供热不足部分，通过与燃气轮机协调工作，输出的热功率如下所示：

H_gh＝η_ghG_gh (4)

式中，G_gh、H_gh为燃气锅炉的输入天然气功率和输出的热功率，η_gh为燃气锅炉的制热效率；

3)电热泵

电热泵通过消耗电能为用户提供所需的热能，其输出的热功率如下所示：

H_ahp＝η_ahpG_ahp (5)

式中，G_ahp、H_ahp为电热泵的输入天然气功率和输出的热功率，η_ahp为电热泵的制热效率；

4)电制冷机

电制冷机消耗电能为用户供冷，其输出的制冷功率如下所示：

C_ec＝η_ecP_ec (6)

式中，P_ec、C_ec为电制冷机的输入电功率和输出的制冷功率，η_ec为电制冷机的制冷效率；

5)吸收式制冷机；

吸收式制冷机以热驱动制冷，

C_ab＝η_abP_ab (7)

式中，P_ab、C_ab为吸收式制冷机的输入电功率和输出的制冷功率，η_ab为吸收式制冷机的制冷效率；

6)蓄冷装置

蓄冷装置能利用低电价电能将冷能存储于蓄冷介质中，并在需要时将其释放，

式中，S_ice(t)为蓄冷装置的容量；P_{ice_s}(t)和Q_{ice_r}为蓄冷装置的蓄冷耗电功率与融冰制冷功率；为蓄冷装置的制冷能效比；η_{ice_r}为蓄冷装置的融冰效率；σ_ice为蓄冷装置的自损耗系数；T为单位时段长度；蓄冷与融冰作业不可同时进行；

7)电池储能系统

式中，S_ES(t+1)为电池储能容量；P_{ES_s}和P_{ES_r}分别为电池储能的充电功率与放电功率；和分别为电池储能的充电效率和放电效率；

8)用户空调

用户空调是常见的电制冷、电制热设备，其制冷量、制热量与其输入电能成正比，其输出热功率如下所示：

其输出的制冷功率如下所示：

式中，表示输入用户空调中用以制热和用以制冷的电功率，H_cond、C_cond表示用户空调输出的制热、制冷功率，表示用户空调的制冷效率和制热效率；

9)电热水器

电热水器是用户侧常见的将电负荷转化为热负荷设备，其输出制热功率如下所示：

H_wh＝η_whP_wh (12)

式中，P_wh、H_wh表示电热水器的输入电功率和输出的热功率，η_wh表示电热水器的制热效率；

10)壁挂炉

壁挂炉通过燃烧天然气产生热水，其输出热功率如下所示：

H_wf＝η_wfP_wf (13)

式中，P_wf、H_wf表示壁挂炉的输入天然气功率和输出的热功率，η_wf表示壁挂炉的制热效率；

步骤2.3、由电母线、气母线、热母线和冷母线功率平衡可列写出负荷聚合商与用户侧的能量平衡方程，如下：

1)负荷聚合商能量平衡方程

2)聚合用户能量平衡方程

并且变量间有如下关系式，

式中，X_c-d储能净储能负荷功率；

所述S300中进行负荷聚合商参与的聚合用户综合需求响应建模，包括：

步骤3.1、获取终端用能负荷占比，包括电/热/冷的基础负荷占比λ^e_b、λ^h_b、λ^c_b，可转移负荷占比λ^e_t、λ^h_t、λ^c_t，可削减负荷占比λ^e_r、λ^h_r、λ^h_r；

步骤3.2、负荷聚合商协助用户参与综合需求响应从而获利，用户将部分用能设备控制权上交负荷聚合商，负荷聚合商控制可转移负荷部分，使其完全参与到价格型需求响应之中，建立可转移负荷的需求响应模型；

步骤3.3、负荷聚合商额外提供激励价格IP_e、IP_h、IP_c，鼓励用户进行负荷削减，建立可削减负荷的激励型需求响应模型；

步骤3.4、用户侧能源需求在计及可转移负荷响应价格型需求响应和可削减负荷响应激励型需求响应后，全部由负荷聚合商供应，但用户内部仍具有部分能源转换设备，随着区域和家庭经济情况的不同，设备有所差异，负荷聚合商协助聚合用户实现需求响应，以实现聚合用户所花费费用的最低，利用步骤2.1中所得能流图，建立可转换负荷的需求响应模型；

所述步骤3.2中建立可转移负荷的需求响应模型，如下：

步骤3.2.1、构建目标函数，即可转移负荷所花费的费用，

式中，依次为各时间段内可转移负荷的功率；

步骤3.2.2、构建约束条件，可转移负荷的总量维持不变，

依次为供电、供热、供冷可转移负荷总量约束，

步骤3.2.3、求解上述优化问题，得到各能源可转移负荷在各时间段内的分布

所述步骤3.3中建立可削减负荷的激励型需求响应模型包括：

步骤3.3.1、定义用户的削减系数μ_r，削减的负荷越多，用户的舒适度越低，削减的难度就越高，认为削减系数是用户削减量的幂函数，如下所示，

μ_r＝c(ΔP_r)^m (19)

式中，常数c、m表示用户响应特性，针对不同聚合用户有不同取值；

步骤3.3.2、构建目标函数，为用户响应激励价格削减负荷的收益：

且有，

式中，为各能源的价格敏感系数，针对不同聚合用户有不同取值；

步骤3.3.3、构建约束条件，

负荷削减量随价格激励约束：

式中，conr为激励价格增加一个单位时，负荷削减量的最小允许量；

电负荷削减量约束：

热负荷削减量约束：

冷负荷削减量约束：

步骤3.3.4、求解上述优化，得到在给定激励价格的情况下可削减负荷的响应情况，得到各时段削减的电/热/冷负荷IL_e、IL_h、IL_c；

所述步骤3.4中建立可转换负荷的需求响应模型，包括：

步骤3.4.1、由可转移负荷和可削减负荷的需求响应情况计算聚合用户能源需求：

步骤3.4.2、构建可转换负荷的需求响应模型的目标函数，为聚合用户购买能源的支出，

且有，

步骤3.4.3、构建约束条件，包括有能量平衡约束，设备容量约束；

能量平衡约束：

式中，δ取0或1，表示用户空调不能同时制冷制热；

设备容量约束：

式中，和表示各设备输出的最小最大功率；

步骤3.4.3、求解上述问题得到聚合用户在满足自身收益最大情况下的各设备输入功率和从负荷聚合商处购买的各能源功率和

所述S400中建立聚合用户的负荷聚合商综合需求响应模型包括：

步骤4.1、建立负荷聚合商与网侧间的综合需求响应模型，负荷聚合商根据网侧的能源价格调整购入电/气能源量，并调整内部能源转换设备及储能设备运行情况；

步骤4.2、选取运行利润为目标函数，对负荷聚合商而言，其获益有两部分组成，一是通过向用户售能与从电网购能之间的差价获利；二是协助用户参与综合需求响应，在节省的费用中抽出部分付给负荷聚合商；

其中获取系统的能源价格，包括有购电价格：p^t_eb、购买天气价格：p^t_gb，出售电价：p^t_es、出售气价：p^t_gs、出售热能价格：p^t_hs、出售的冷能价格：p^t_cs，以及用户节省费用时负荷聚合商的获益系数λ，如下所示：

M_p＝M_in-M_c+M_u (30)

式中，M_in为售能收入、M_c为运行成本包含有购电成本M_pe、购买天然气成本M_pg；M_u为协助用户参与综合需求响应获利，如下所示，

式中，为负荷聚合商未介入时的聚合用户需求响应用能情况；

步骤4.3、构建负荷聚合商的约束条件；

步骤4.4、求解上述问题，得到优化结果即内部能源设备的输入功率在取得最优解时，负荷聚合商获得最大收益，实现聚合用户的负荷聚合商综合需求响应建模；

所述步骤4.3、构建负荷聚合商的约束条件，包括：

步骤4.3.1、构建能量平衡约束，即注入电/气/热/冷母线量与输出电/气/热/冷母线量相同；

步骤4.3.2、能源转换设备约束，能源转换设备输出能源存在上下限；

式中约束依次为热电联产装置的输出电功率约束、输出热功率约束、燃气锅炉输出的热功率约束、电热泵输出的热功率约束、电制冷机输出的制冷功率约束、吸收式制冷机输出的制冷功率；

步骤4.3.3、储能设备约束，储能设备单位时间的存储能源功率与释放能源功率有上下界，设备的总储能有上下限，且一天内存储能量与释放的能量应当一致；

蓄电装置约束

蓄气装置约束

蓄热装置约束

蓄冷装置约束

式中，和分别为储能元件x的充放能功率，和分别为储能元件x的最大充放能功率，和则为储能元件x的最小和最大储能量。

2.一种负荷聚合商参与的综合需求响应系统，用于实现权利要求1所述的负荷聚合商参与的综合需求响应方法，其特征在于：包括以下模块，

用户聚合模型建立模块，用于针对小规模居民用户进行聚合，建立用户聚合模型，包含有获取用能数据、选取特定的各类聚合用户的用能特性及需求响应特征的聚合特征量和特定的聚类方法；

负荷聚合商建模模块，用于基于聚合后得到的细分用能特性及需求响应特性的各类居民用户群，对细分的各类居民用户分别进行负荷聚合商建模，包含有对系统能流图的绘制、对负荷聚合商内部各设备的单独建模和能量平衡方程的表述；

聚合用户综合需求响应建模，用于基于得到的具体聚合用户的响应数据结合建立的负荷聚合商模型，进行负荷聚合商参与的聚合用户综合需求响应建模，包含有对综合需求响应的三类负荷可转移、可削减、可转换负荷的综合需求响应建模，并通过模型求解得到聚合用户考虑综合需求响应后的最优用能和从负荷聚合商处购能情况；

聚合用户的负荷聚合商综合需求响应模型建立模块，用于基于建立的各负荷聚合商模型结合得到的聚合用户参与综合需求响应后的购能数据，建立聚合用户的负荷聚合商综合需求响应模型，包含目标函数的选取，约束条件的设立以及求解得到负荷聚合商网侧最优购能和内部各能源设备的最优配置。