CN103246263A - 冷热电联供微网系统的通用优化调度策略 - Google Patents

Abstract

本发明属于冷热电联供微网系统优化调度领域，涉及冷热电联供微网系统的通用优化调度策略：按设备功能将冷热电联供微网系统设备分为3类：源、转换器和储能；按负荷类型，将负荷划分为类型；按不同能量在冷热电联供微网系统中的传递形式的不同划分能量母线，各类设备按其性质连接于不同母线之间和单条母线上。整个系统采用母线式结构，以母线功率平衡和设备运行约束为约束条件对冷热电联供微网系统建模，建立以运行费用最小为优化目标的动态经济调度模型并进行求解。本发明可有效解决冷热电联供微网系统设备类型较多且耦合复杂，调度困难的问题。

Description

冷热电联供微网系统的通用优化调度策略

技术领域

本发明属于冷热电联供微网系统优化调度领域，建立了以运行费用最小为目标的冷热电联供微网系统动态经济调度模型，可解决冷热电联供微网系统设备较多，耦合复杂，调度困难等问题。

背景技术

近年来，环境问题和能源问题日益严峻，激励着人们不断寻找更有效的方法合理利用能量。冷热电联供系统被认为是解决能源问题和环境问题的方案之一，受到广泛关注。

在一定的冷热电负荷下，系统可以有多种运行策略，目前，冷热电联供微网系统较为典型的运行策略为以热定电策略和以电定热策略。其中，以热定电策略优先满足系统对热能的需求，如果系统产生电能不足以满足系统电负荷，缺额将由向电网购电补充，但当系统产生多余的电能时，政策允许可以回售电网，否则将被废弃；以热定电策略优先满足系统对电能的需求，如果系统产生热能不足以满足系统热负荷需求，缺额将由锅炉发热补充，但当系统发出多余的热能时，将被蓄热装置存储或废弃。这两种典型的运行策略均为固定策略，仅适用于设备较少且设备固定的冷热电联供系统，通常系统中设备包含燃气发电机、燃气锅炉、余热锅炉、吸收式制冷机、电空调。然而，随着，技术的发展，冷热电联供系统设备越来越多，系统配置越来越复杂，单纯的以热定电，以电定热策略并不能满足多设备冷热电联供系统的优化调度。

目前，对CCHP系统的组成结构尚缺乏系统的理论支持，表1中归纳了实际工程中应用最为广泛的11种典型CCHP系统组成结构，其中，各符号代表的设备名称和所属类型如下表所示。

表1

表2

发明内容

本发明目的在于提出一种冷热电联供微网系统的通用优化调度策略，有效解决冷热电联供系统结构复杂，耦合复杂，调度困难的问题。本发明的技术方案如下：

一种冷热电联供微网系统的通用优化调度策略，按设备功能将冷热电联供微网系统设备分为3类：源、转换器和储能，其中源类设备指将天然气类一次能源及可再生能源转换为系统可用能量的发电或热设备，用于向微网提供能量；转换器指进行能量的单方向转换的设备，储能指用于能量存储的设备；按负荷类型，将负荷划分为类型；按不同能量在冷热电联供微网系统中的传递形式的不同划分能量母线，各类设备按其性质连接于不同母线之间和单条母线上。整个系统采用母线式结构，以母线功率平衡和设备运行约束为约束条件对冷热电联供微网系统建模，即每一条母线的输出应等于输入，各设备的输出和输入应在设备的额定运行范围之内，按照下列方法建立以运行费用最小为优化目标的动态经济调度模型并进行求解：

（1）根据不同冷热电联供微网选择的设备将其按设备类型分类，归类于源、转换器、储能中，将其连接于不同母线上。

（2）根据设备列写动态经济调度目标函数。

（3）根据系统能量平衡，列写每条母线的能量平衡方程式，若某能量母线上没有连接设备，则不列写。

（4）根据设备物理性能，列写设备运行约束，各设备均采用线性模型。

（5）利用混合整数线性规划算法求解上述方程，使用0-1混合整数线性规划的方法对动态经济调度模型求解，根据系统目标和输入约束精确的求解出系统最优目标值和各设备不同时段的输入或输出，得到各设备每时刻运行情况。

（6）最后根据上述计算的各设备出力，执行动态经济最优调度。

作为优选实施方式，源类设备包括燃气轮机、内燃机、微燃机联供发电单元以及燃气锅炉和光伏发电设备；转换器包括余热锅炉、冷暖机、换热转置、热泵和电制冷机设备；储能设备包括蓄热装置、蓄冷装置、蓄电装置；负荷分为电负荷、蒸汽负荷、热水负荷、冷负荷；所述的能量母线分为：电母线、烟气母线、蒸汽母线、热水母线、冷母线；运行费用包括向电网购电费用和燃料购买费用。

本发明的实质性特点是：将冷热电联供微网系统设备分为源、转换器、储能等3类，在微网不同能量形式传递介质的基础上提出能量母线的概念，以运行费用最小为优化目标建立了冷热电联供微网系统动态经济调度模型，以微网各能量母线功率平衡和设备运行约束作为约束条件，采用0-1混合整数线性规划算法求解动态经济调度问题。本发明可有效解决冷热电联供微网系统设备类型较多且耦合复杂，调度困难的问题。

附图说明

图1为本发明冷热电联供微网系统能量流动图；

图2为本发明典型CCHP系统的母线式结构图。

具体实施方式

本发明将冷热电联供微网系统设备分为源、转换器、储能和负荷等4类，在微网不同能量形式的基础上提出能量母线的概念，以运行费用最小为目标提出了冷热电联供微网系统动态经济调度通用模型，以微网各能量母线功率平衡和设备运行为约束，采用0-1混合整数线性规划算法求解动态经济调度问题。优化策略建模及求解流程如下：

1）将冷热电联供微网系统设备分为3类：源、转换器、储能。源类设备用于向微网提供能量，包括燃气轮机、内燃机、微燃机、燃气锅炉、光伏发电等设备；转换器指用于不同能量形式之间的转换的设备，包括余热锅炉、冷暖机、换热转置、热泵、电制冷机等设备；储能指用于能量存储的设备，包括蓄热装置、蓄冷装置、蓄电装置。负荷指冷热电联供微网系统中的不同负荷形式，包括电负荷、蒸汽负荷、热水负荷、冷负荷。

2）按不同能量形式在冷热电联供微网系统中的传递介质，提出能量母线的概念，按能量传递形式将母线分为：电母线、烟气母线、蒸汽母线、热水母线、冷母线。

3）采用母线式结构，以母线功率平衡和设备运行约束为约束条件对冷热电联供微网系统建模，母线功率平衡指母线的能量输如应等于其输出，设备运行约束指各设备的输入和输出应在设备的额定运行范围之内。

4）建立以运行费用最小为优化目标的动态经济调度通用模型，运行费用包括向电网购电费用和燃料购买费用。

5）使用0-1混合整数线性规划的方法求解动态经济调度问题，0-1混合整数线性规划可以根据系统目标和输入约束精确的求解出系统最优目标值和各设备不同时段的输入或输出。

下面根据说明书附图，详细地介绍一下本发明的技术方案。

冷热电联供微网系统能量流动如图1所示，如图可以看出不同设备、能量形式、负荷之间的关系。本发明所提系统可以利用电网电能和天然气能量，同时可利用太阳能、地热能等可再生能源，不同的能源通过不同的源类设备引入系统，并在不同的转换设备下实现能量形式的转换，满足系统不同负荷需求。

本发明所提冷热电联供微网系统以调度周期内系统运行费用最小为目标，如下：

C＝min(C_te+C_tf)        (1)

式中：C指总的运行费用（元）；C_te指总购电费用（元），若向电网卖电，需从费用中扣除；C_tf指购买天然气费用（元）。其中，购电成本的计算公式如下

$C_{\mathrm{te}}=\underset{t=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}\left(c_{\mathrm{ec}}^t{P}_{\mathrm{grid}}^t\mathrm{\Δt}\right)---\left(2\right)$

式中：H为调度周期时段数；P^t _grid表示时段t=1,2,…,H从电网的购电功率（kW），若向电网卖电则为负；c^t _ec表示时段t购电（或卖电）电价（元/kWh）。

购买天然气成本的计算公式如下：

$C_{\mathrm{tf}}=c_{\mathrm{fc}}\underset{t=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}(F_{\mathrm{PGU}}^t+F_{\mathrm{GB}}^t)=c_{\mathrm{fc}}\underset{t=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{P_{\mathrm{PGU}}^t}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{PGU}}}+\frac{Q_{\mathrm{GB}}^t}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{GB}}})\mathrm{\Δt}---\left(3\right)$

式中：H为调度周期时段数；F^t _PGU、F^t _GB分别表示时段t联供发电单元和燃气锅炉消耗的燃气热值（kWh）；P^t _PGU、Q^t _GB分别表示时段t联供发电单元的发电功率和燃气锅炉的产热功率（kW）；η_PGU、η_GB分别表示联供发电单元和燃气锅炉的效率；c_fc表示购买天然气的单位热值价格（元/kWh）

图2为使用母线式结构表示的系统组成结构图，图中清晰地描述了冷热电联供系统不同设备连接方式及其能量流动方式，图中锅炉、冷暖机、吸收式制冷机等设备均指设备类型，因能量输入的不同包含不同设备，锅炉包括蒸汽锅炉、热水锅炉等，冷暖机包含余热吸收式冷暖机、热水吸收式冷暖机等，吸收式制冷机包含烟气吸收式制冷机、蒸汽吸收式制冷机、热水吸收式制冷机等。采用图2所描述的系统组成和结构关系，可以方便的列写出系统的能量平衡约束，包括电母线平衡、烟气母线平衡、蒸汽母线平衡、热水母线平衡和冷母线平衡如下：

（1）电母线平衡方程式

$P_{\mathrm{grid}}+P_{\mathrm{PGU}}^{\mathrm{out}}+P_{\mathrm{PV}}^{\mathrm{out}}+P_{\mathrm{WT}}^{\mathrm{out}}+P_{\mathrm{ES}}^{\mathrm{out}}-P_{\mathrm{EC}}^{\mathrm{in}}-P_{\mathrm{HP}}^{\mathrm{in}}-P_{\mathrm{CS}}^{\mathrm{in}}-P_{\mathrm{FS}}^{\mathrm{in}}-L_E=0---\left(4\right)$

（2）烟气母线平衡方程式

$Q_{\mathrm{PGU},\mathrm{smpke}}^{\mathrm{out}}-Q_{\mathrm{AC},\mathrm{smoke}}^{\mathrm{in}}-Q_{\mathrm{HX},\mathrm{smoke}}^{\mathrm{in}}-Q_{\mathrm{WH},\mathrm{smoke}}^{\mathrm{in}}-Q_{\mathrm{CH},\mathrm{smoke}}^{\mathrm{in}}=0---\left(5\right)$

（3）蒸汽母线平衡方程式

$Q_{\mathrm{WH},\mathrm{smoke}}^{\mathrm{out}}+Q_{\mathrm{GB},\mathrm{steam}}^{\mathrm{out}}+Q_{\mathrm{HS}}^{\mathrm{out}}-Q_{\mathrm{AC},\mathrm{steam}}^{\mathrm{in}}-Q_{\mathrm{HX},\mathrm{steam}}^{\mathrm{in}}-Q_{\mathrm{HS}}^{\mathrm{in}}-L_{\mathrm{TS}}=0---\left(6\right)$

（4）热水母线平衡方程式

$Q_{\mathrm{PGU},\mathrm{water}}^{\mathrm{out}}+Q_{\mathrm{HX},\mathrm{smoke}}^{\mathrm{out}}+Q_{\mathrm{GB},\mathrm{water}}^{\mathrm{out}}+Q_{\mathrm{HX}.\mathrm{steam}}^{\mathrm{out}}-Q_{\mathrm{AC},\mathrm{water}}^{\mathrm{in}}-Q_{\mathrm{CH},\mathrm{water}}^{\mathrm{in}}-L_{\mathrm{TW}}=0---\left(7\right)$

（5）冷母线平衡方程式：

$Q_{\mathrm{EC}}^{\mathrm{out}}+Q_{\mathrm{HP}}^{\mathrm{out}}+Q_{\mathrm{CS}}^{\mathrm{out}}+Q_{\mathrm{AC}}^{\mathrm{out}}+Q_{\mathrm{CH}}^{\mathrm{out}}-L_{\mathrm{CA}}=0---\left(8\right)$

以上各式中，变量符号F表示燃气热值（kWh）；P表示电功率（kW）；Q表示冷、热功率（kW）；L表示负荷（kW），in表示设备输入功率，out表示设备输出功率。各变量下标由该变量对应的设备简称（见表2）和表示其它含义的符号组成，包括表示设备所联接母线的符号和表示储能充放状态的符号。

除系统的五母线能量平衡方程式外，还需考虑各类设备自身的约束，包括各设备功率的上下限约束、储能设备的充放电功率和储能量约束。各设备约束条件如下：

1.源类设备约束条件

（1）内燃机、微燃机、燃气轮机等联供设备约束条件

首先假设设备在任何状态下存在一个固定的热电比（HER），即燃气发电机每发1单位功率电能，伴随产生固定单位功率热能。

$Q_{\mathrm{PGU},\mathrm{smoke}}^{\mathrm{out}}={\mathrm{\α}}_{\mathrm{PGU},\mathrm{smoke}}*P_{\mathrm{PGU}}^{\mathrm{out}}---\left(9\right)$

$Q_{\mathrm{PGU},\mathrm{water}}^{\mathrm{out}}={\mathrm{\α}}_{\mathrm{PGU},\mathrm{water}}*P_{\mathrm{PGU}}^{\mathrm{out}}---\left(10\right)$

其中，α表示联供机组热电比。

由于燃气发电机运行于低负载率时效率较低，为使燃气发电机以高效率运行，燃气发电机出力应满足如下约束：

$P_{\mathrm{PGU}}^{\min }{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{PGU}}\≤P_{\mathrm{PGU}}^{\mathrm{out}}\≤P_{\mathrm{PGU}}^{\max }{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{PGU}}---\left(11\right)$

其中，P_PGU ^min和P_PGU ^max分别是燃气发电机出力的上下限约束（kW），μ_PGU是二进制变量，标志燃气发电机在时段t的启停（0表述关机，1表述开机）。

（2）光伏、风机设备约束

光伏、风机等可再生能源设备出力按其每时刻最大出力值计算，不存在调度问题。

2转换类设备约束

转换类设备约束均为设备效率转换约束，如下：

（1）电空调约束

$Q_{\mathrm{EC}}^{\mathrm{out}}={\mathrm{COP}}_{\mathrm{EC}}{P}_{\mathrm{EC}}^{\mathrm{in}}---\left(12\right)$

（2）热泵约束

$Q_{\mathrm{HP}}^{\mathrm{out}}={\mathrm{COP}}_{\mathrm{HP}}{P}_{\mathrm{HP}}^{\mathrm{in}}---\left(13\right)$

（3）吸收式制冷机约束（烟气吸收型、蒸汽吸收性、热水吸收型吸收式制冷机约束相同）

$Q_{\mathrm{AC}}^{\mathrm{out}}={\mathrm{COP}}_{\mathrm{AC}}{Q}_{\mathrm{AC}}^{\mathrm{in}}---\left(14\right)$

（4）冷暖机约束（烟气吸收型冷暖机与热水吸收型冷暖机约束相同）

$Q_{\mathrm{CH}}^{\mathrm{out}}={\mathrm{COP}}_{\mathrm{CH}}{Q}_{\mathrm{CH}}^{\mathrm{in}}---\left(15\right)$

（5）烟气热水换热器约束

$Q_{\mathrm{HX},\mathrm{smoke}}^{\mathrm{out}}={\mathrm{\η}}_{\mathrm{HX},\mathrm{smoke}}{Q}_{\mathrm{HX},\mathrm{amoke}}^{\mathrm{in}}---\left(16\right)$

（6）蒸汽热水换热器约束

$Q_{\mathrm{HX},\mathrm{steam}}^{\mathrm{out}}={\mathrm{\η}}_{\mathrm{HX},\mathrm{steam}}{Q}_{\mathrm{HX},\mathrm{steam}}^{\mathrm{in}}---\left(17\right)$

（7）余热锅炉约束

$Q_{\mathrm{WH},\mathrm{smoke}}^{\mathrm{out}}={\mathrm{\η}}_{\mathrm{WH},\mathrm{smoke}}{Q}_{\mathrm{WH},\mathrm{smoke}}^{\mathrm{in}}---\left(18\right)$

以上各式中，COP指设备能效系数，η指设备效率。

3储能设备约束

储能设备包括电储能、热储能和冷储能装置，其约束条件相似：

（1） 储能蓄电（热、冷）约束

0≤P_ES,C≤Cap_ESγ_ES,C×XX∈{0,1}                        (19)

式中，P_ES,C指储能装置蓄电（热、冷）功率，Cap_ES指储能装置容量，γ_ES,C指最大蓄电（热、冷）速率,X指蓄电（热、冷）标志位。

（2） 储能放电（热、冷）约束

0≤P_ES,D≤Cap_ESγ_ES,D×YY∈{0,1}                                 (20)

式中，P_ES,D指储能装置放电（热、冷）功率，Cap_ES指储能装置容量，γ_ES,D指最大放电（热、冷）速率,Y指放电（热、冷）标志位。

（3） 储能能量约束

W_ES,min≤W_ES≤W_ES,max                                (21)

式中：W_ES,max、W_ES,min分别为储能装置的最大和最小储能量（kWh）；储能装置储能量W_ES的变化与储能装置充放电（热、冷）的功率、效率和持续时间有关，关系式如下：

$W_{\mathrm{ES}}^1=W_{\mathrm{ES}}^0(1-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ES}})+(P_{\mathrm{ES},C}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{ES},C}-\frac{P_{\mathrm{ES},D}}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{ES},D}})\mathrm{\Δt}---\left(22\right)$

式中：

分别为充放电前后储能装置的储能量（kWh）；σ_ES为能量自损率；η_ES,C、η_ES,D为充放电（热、冷）效率；Δt为充放电（热、冷）持续时间（h）。

（4） 其他约束

由于电储能装置不可以同时充电和放电，应增加如下约束：

X+Y≤1                                    (23)

热储能和冷储能不存在此约束，X和Y每一时刻均为1。

4各设备电、热、冷功率满足功率上下限要求：

P_imin≤P_i≤P_imax          (24)

Q_imin≤Q_i≤Q_imax

式中：P_i表示设备i的电功率，Q_i表示设备i的冷、热功率，P_imin、P_imax表示设备i的电功率下限和上限，Q_imin、Q_imax表示设备i的冷、热功率下限和上限。

混合整数线性规划是一类重要的数学规划问题，它与一般规划问题的区别，在于这类问题的数学模型可以用线性的关系式来表示。一个混合整数线性规划问题的完整数学描述，包括一个用于求解最大值或最小值的线性目标函数，一个联立线性方程组，以及各优化变量的约束条件。使用0-1混合整数规划的方法求解动态经济调度模型，求解模型的标准形式为：

minc^Tx

$s.t.\mathrm{Ax}\left\{\begin{array}{c}\≥\\ =\\ \≤\end{array}\right\}=b---\left(25\right)$

0≤x_i≤u_ii∈I

x_j∈{0,1}j∈J

式中：c^Tx指目标函数，即式（1）；优化变量x包括源类设备的出力、转换设备的输入、储能的输入和输出、电网购电量，x_i指连续型变量，x_j指0-1整型变量；等式约束为五母线能量平衡方程式以及储能设备的储能量关系式，即式（4）-（10）、式(12)、式（13）-（18）和式（22）；不等式约束为各设备运行约束，即式（11）、式（19）-（21）和式（23）-（24）。将以上各式按混合整数线性规划求解器的格式输入，即可得到调度周期内最优目标和各设备每时刻出力。

Claims (5)

1.一种冷热电联供微网系统的通用优化调度策略，其特征在于，按设备功能将冷热电联供微网系统设备分为3类：源、转换器和储能，其中源类设备指将天然气类一次能源及可再生能源转换为系统可用能量的发电或热设备，用于向微网提供能量；转换器指进行能量的单方向转换的设备，储能指用于能量存储的设备；按负荷类型，将负荷划分为类型；按不同能量在冷热电联供微网系统中的传递形式的不同划分能量母线，各类设备按其性质连接于不同母线之间和单条母线上。整个系统采用母线式结构，以母线功率平衡和设备运行约束为约束条件对冷热电联供微网系统建模，即每一条母线的输出应等于输入，各设备的输出和输入应在设备的额定运行范围之内，按照下列方法建立以运行费用最小为优化目标的动态经济调度模型并进行求解：

（1）根据不同冷热电联供微网选择的设备将其按设备类型分类，归类于源、转换器、储能中，将其连接于不同母线上。

（2）根据设备列写动态经济调度目标函数。

（3）根据系统能量平衡，列写每条母线的能量平衡方程式，若某能量母线上没有连接设备，则不列写。

（4）根据设备物理性能，列写设备运行约束，各设备均采用线性模型。

（5）利用混合整数线性规划算法求解上述方程，使用0-1混合整数线性规划的方法对动态经济调度模型求解，根据系统目标和输入约束精确的求解出系统最优目标值和各设备不同时段的输入或输出，得到各设备每时刻运行情况。

（6）最后根据上述计算的各设备出力，执行动态经济最优调度。

2.根据权利要求1所述的冷热电联供微网系统的通用优化调度策略，其特征在于，源类设备包括燃气轮机、内燃机、微燃机联供发电单元以及燃气锅炉和光伏发电设备；转换器包括余热锅炉、冷暖机、换热转置、热泵和电制冷机设备；储能设备包括蓄热装置、蓄冷装置、蓄电装置。

3.根据权利要求1所述的冷热电联供微网系统的通用优化调度策略，其特征在于，所述的负荷分为电负荷、蒸汽负荷、热水负荷、冷负荷。

4.根据权利要求1所述的冷热电联供微网系统的通用优化调度策略，其特征在于，所述的能量母线分为：电母线、烟气母线、蒸汽母线、热水母线、冷母线。

5.根据权利要求1所述的冷热电联供微网系统的通用优化调度策略，运行费用包括向电网购电费用和燃料购买费用。

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