CN104216368A - 一种基于需求响应的分布式联供系统优化运行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于需求响应的分布式联供系统优化运行控制方法，涉及能源动力领域，所述方法包括：预测分布式联供系统供能区域内的冷、热、电负荷；确定实时电价和能源价格；确定优化目标函数约束条件；制定最优的分布式联供系统运行控制策略。本发明提出的控制方法主要针对分布式联供系统成本较高、技术应用还不成熟的缺点。该方法可以根据供能区域内的冷、热、电负荷需求，通过对实时电价(峰谷电价)的响应，制定出最优的分布式联供系统运行策略，该方法的实现可以减少能源的浪费，有效的降低分布式联供系统的成本，加快其作为一种替代能源的推广。

Description

一种基于需求响应的分布式联供系统优化运行控制方法

技术领域

本发明涉及能源动力领域，尤其涉及一种基于需求响应的分布式联供系统优化运行控制方法。

背景技术

目前,温室效应，雾霾等能源环境问题日益突出。世界各国都面临着二氧化碳减排的重要任务，因此开发能够替代以传统化石能源为主的新的能源利用方式成为当前研究的热点。

随着经济社会的发展，电力已经成为工业生产和家居生活必不可少的一部分，而目前传统的发电模式仍以火电为主，对电力的依赖造成了以煤炭为主的高污染的化石能源的大量使用，给环境带来了严重破坏，因此改变传统的以火电为主的电力生产模式，将对解决能源环境问题，促进二氧化碳的减排产生重大的影响。

以分布式联供系统为主的新能源利用方式，为改善当前以火电为主的电力生产模式提供了一种很好的解决方式。然而目前，分布式联供系统与传统火电模式相比，存在着成本过高，技术还不成熟等缺点。

发明内容

本发明提供了一种基于需求响应的分布式联供系统优化运行控制方法，本发明对分布式联供系统替代常规能源利用方式具有重要作用，为分布式功能系统在区域供能中推广提供了便捷，详见下文描述：

一种基于需求响应的分布式联供系统优化运行控制方法，所述方法包括以下步骤：

预测分布式联供系统供能区域内的冷、热、电负荷；确定实时电价和能源价格；

确定优化的目标函数和约束条件；

制定最优的分布式联供系统运行控制策略。

所述目标函数具体为：

$\min \{{\mathrm{\ρ}}^f{F}_i+{\mathrm{\ρ}}_i^e\max \{W_i,0\}+{\mathrm{\ρ}}_o^e\min \{W_i,0\left\}\right\}$

式中ρ^f，分别为天然气购买价格，从电网购电价格，给电网卖电价格，F_i为购买天然气量，W_i为从电网购电量，买入为正，卖出为负。

所述约束条件为：

负荷供需平衡约束方程的约束条件为0，设备最大功率限制的约束条件为小于等于0。

所述负荷供需平衡约束方程为：

${\mathrm{\α}}_w{W}_i+(1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{CHP}}^w)W_{\mathrm{CHP}}=W$

$Q_{\mathrm{EHP}}+(1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AB}}^Q)Q_{\mathrm{AB}}+(1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{CHP}}^Q)Q_{\mathrm{CHP}}=Q$

R_EHP+R_AR＝R

其中，W_CHP＝α_FF_iη_w， $Q_{\mathrm{EHP}}=((1-{\mathrm{\α}}_w)W_i+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{CHP}}^w{W}_{\mathrm{CHP}}){{\mathrm{COP}}_{\mathrm{EHP}}^Q,}^{}$ Q_AB＝(1-α_F)F_iη_i，Q_CHP＝α_FF_iη_Q， $R_{\mathrm{EHP}}=((1-{\mathrm{\α}}_w)W_i+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{CHP}}^w{W}_{\mathrm{CHP}}){\mathrm{COP}}_{\mathrm{EHP}}^R,$ $R_{\mathrm{AR}}=({\mathrm{\α}}_{\mathrm{CHP}}^Q{Q}_{\mathrm{CHP}}+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AB}}^Q{Q}_{\mathrm{AB}}){\mathrm{COP}}_{\mathrm{AR}}^R;$

式中R，Q，W分别表示冷、热、电负荷需求量，W_i表示从电网购电量，F_i表示购气量，W_CHP表示热电联供系统发电量，Q_EHP表示电热泵供热量，Q_CHP表示热电联供系统供热量，Q_AB表示辅助锅炉供热量，R_EHP表示电热泵制冷量，R_AR表示吸收式制冷机制冷量，α_w表示购买的电直接供给用户的比例，α_F表示购买的气供给热电联供系统的比例，表示热电联供系统发的电供给电热泵的比例，表示辅助锅炉产的热供给吸收式制冷机的比例，表示热电联供系统产的热供给吸收式制冷机的比例，表示电热泵的制热系数，表示电热泵的制冷系数，表示吸收式制冷机的制冷系数，η_i表示辅助锅炉的热效率，η_Q表示热电联供系统的产热效率，η_w表示热电联供系统的发电效率。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明根据分布式联供系统供能区域内的冷、热、电负荷需求，通过对实时电价(峰谷电价)的实时(半小时或一小时)响应，制定实时的分布式联供系统运行策略，使系统技能满足供能区域内的冷、热、电负荷需求，又能减少能源浪费和系统运行成本。该方法对分布式联供系统取代常规能源利用方式具有很大的促进作用，对节能减排和解决当前严峻的能源环境问题具有重要的意义，具有广泛的工程应用前景。

附图说明

图1为冷、热、电负荷需求图；

图2为峰谷电价示意图；

图3分布式联供系统及能量流动图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

一种基于需求响应的分布式联供系统优化运行控制方法，该方法包括以下步骤：

101：预测分布式联供系统供能区域内的冷、热、电负荷；

即要针对不同地理的位置、不同的季节和不同类型的建筑进行预测。冷、热、电负荷的需求是受地理位置、季节和供能区域内的建筑类型所影响的，不同地理位置的不用季节的气象参数包括风速、太阳辐射、室外温度等都会不同，供能区域内不同的建筑类型对冷、热、电的需求也不同，比如《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范GB50736-2012》中规定浴室、更衣室要求室内温度应不低于25度，而办公室、休息室、食堂室内温度应不低于18度；同样对于普通住宅、学校、医院或者宾馆等不同的建筑，冷、热、电的需求也会不一样，因此对于供能区域内的冷、热、电负荷的预测对于分布式联供系统的运行控制非常重要。目前对于负荷预测的技术比较成熟，比如清华大学开发的Dest软件，美国能源部和劳伦斯伯克利国家实验室开发的Energy Plus软件，只要对当地气象参数、房间使用类型以及一些房间结构参数设置精确，模拟出来的冷热负荷都会比较精确；另外也可以根据往年的负荷数据和气象预报等对负荷进行预测。

102：确定实时电价和能源价格；

一般实时电价指以一天为周期，根据不同时间段的电力负荷使用的高低情况，确定一天内不同时间段的电价，电力负荷使用高峰时段一般电价较高，时间段可以是一小时或者半小时，时间间隔太长可能不会很好的起到实时电价对用电量调节作用，时间间隔太短可能会造成分布式联供系统设备运行情况的频繁改变，加快设备的损坏，考虑到设备调节的滞后性，时间间隔太短可能也起不到很好的调节作用。在国内还没有实施实时电价，一般采用峰谷电价，工业生产和家庭用电的时段划分和各段电价高低会有所不同，不同地方关于峰谷电价的具体政策也会不一样，天然气的价格一般不变为定值。

103：确定优化的目标函数和约束条件；

其中，目标函数为天然气购买成本、电力购买成本和卖电收益之差最小。没有考虑设备折旧费用、运行费用、人员费用以及供暖收益等，因为这些费用和收益对于既定分布式联供系统是基本保持不变的，影响分布式联供系统成本的主要的变动因素是电力消费成本和天然气消费成本。这样做既抓住了影响系统成本的主要矛盾，又简化了模型。

其中，分布式联供系统的目标函数为：

$\min \{{\mathrm{\ρ}}^f{F}_i+{\mathrm{\ρ}}_i^e\max \{W_i,0\}+{\mathrm{\ρ}}_o^e\min \{W_i,0\left\}\right\}$

式中ρ^f，分别为天然气购买价格，从电网购电价格，给电网卖电价格，F_i为购买天然气量，W_i为从电网购电量，买入为正，卖出为负。约束条件为：

f(α)＝0(负荷供需平衡约束)

g(α)≤0(设备最大功率限制约束)

104：制定最优的分布式联供系统运行控制策略。

根据步骤102中下一时间段的电价和步骤103中的约束条件，求解步骤103中的目标函数，解出符合目标函数的天然气购买量和电网购电量(卖电量)，根据分布式系统各设备的额定参数就可确定各设备下一时刻的运行参数，即下一时间段最优的分布式系统运行策略。

下面以一个具体的实例来说明本方法的详细操作过程，详见下文描述：

(1)预测分布式联供系统供能区域内的冷、热、电负荷。本发明借助Dest软件和耗电因子法分别对天津某地一写字楼冬季的冷热负荷和电负荷进行模拟，得出该写字楼冬季的日冷热电负荷需求，如图1所示。

(2)确定实时电价和能源价格。该写字楼为商用建筑，所以其具体的峰谷时段划分和电价和家庭用电有所不同，具体峰谷电价如图2所示，天然气价格为ρ^f＝3.15元/m³。

(3)确定优化目标函数。分布式联供系统及能量流动如图3所示，根据步骤(2)中确定的峰谷电价和天然气价格，取第12点为研究对象，也就11:00-12:00为研究对象，此时电价元/kWh，，卖电价格取电价的一半即元/kWh。目标函数为：

min{3.15F_i+1.3458max{W_i,0}+0.6729min{W_i,0}}

从图1中知，电负荷需求为W＝16000kW，热负荷需求为Q＝6500kW，冷负荷需求为R＝0kW，负荷供需平衡约束方程为：

${\mathrm{\α}}_w{W}_i+(1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{CHP}}^w)W_{\mathrm{CHP}}=W$

$Q_{\mathrm{EHP}}+(1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AB}}^Q)Q_{\mathrm{AB}}+(1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{CHP}}^Q)Q_{\mathrm{CHP}}=Q$

R_EHP+R_AR＝R

其中，W_CHP＝α_FF_iη_w， $Q_{\mathrm{EHP}}=((1-{\mathrm{\α}}_w)W_i+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{CHP}}^w{W}_{\mathrm{CHP}}){{\mathrm{COP}}_{\mathrm{EHP}}^Q,}^{}$ Q_AB＝(1-α_F)F_iη_i，Q_CHP＝α_FF_iη_Q， $R_{\mathrm{EHP}}=((1-{\mathrm{\α}}_w)W_i+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{CHP}}^w{W}_{\mathrm{CHP}}){\mathrm{COP}}_{\mathrm{EHP}}^R,$ $R_{\mathrm{AR}}=({\mathrm{\α}}_{\mathrm{CHP}}^Q{Q}_{\mathrm{CHP}}+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AB}}^Q{Q}_{\mathrm{AB}}){\mathrm{COP}}_{\mathrm{AR}}^R;$

式中R，Q，W分别表示冷、热、电负荷需求量，W_i表示从电网购电量，F_i表示购气量，W_CHP表示热电联供系统发电量，Q_EHP表示电热泵供热量，Q_CHP表示热电联供系统供热量，Q_AB表示辅助锅炉供热量，R_EHP表示电热泵制冷量，R_AR表示吸收式制冷机制冷量，α_w表示购买的电直接供给用户的比例，α_F表示购买的气供给热电联供系统的比例，表示热电联供系统发的电供给电热泵的比例，表示辅助锅炉产的热供给吸收式制冷机的比例，表示热电联供系统产的热供给吸收式制冷机的比例，表示电热泵的制热系数，表示电热泵的制冷系数，表示吸收式制冷机的制冷系数，η_i表示辅助锅炉的热效率，η_Q表示热电联供系统的产热效率，η_w表示热电联供系统的发电效率。

设备最大功率限制约束指各设备和系统的工作功率都应小于或等于其额定功率，具体约束方程不再详细列出。

(4)制定最优的分布式联供系统运行控制策略。对步骤(3)所列目标函数和约束方程中各式求解，即可得出从电网购电量W_i和天然气购买量F_i以及各系统的能量分配比例α，此解便是基于需求响应的令分布式系统成本最优的运行策略。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于需求响应的分布式联供系统优化运行控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

预测分布式联供系统供能区域内的冷、热、电负荷；确定实时电价和能源价格；

确定优化的目标函数和约束条件；

制定最优的分布式联供系统运行控制策略。

2.根据权利要求1所述的一种基于需求响应的分布式联供系统优化运行控制方法，其特征在于，所述目标函数具体为：

$\min \{{\mathrm{\ρ}}^f{F}_i+{\mathrm{\ρ}}_i^e\max \{W_i,0\}+{\mathrm{\ρ}}_o^e\min \{W_i,0\left\}\right\}$

式中ρ^f，分别为天然气购买价格，从电网购电价格，给电网卖电价格，F_i为购买天然气量，W_i为从电网购电量，买入为正，卖出为负。

3.根据权利要求1所述的一种基于需求响应的分布式联供系统优化运行控制方法，其特征在于，所述约束条件为：

负荷供需平衡约束方程的约束条件为0，设备最大功率限制的约束条件为小于等于0。

4.根据权利要求3所述的一种基于需求响应的分布式联供系统优化运行控制方法，其特征在于，所述负荷供需平衡约束方程为：

${\mathrm{\α}}_w{W}_i+(1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{CHP}}^w)W_{\mathrm{CHP}}=W$

$Q_{\mathrm{EHP}}+(1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AB}}^Q)Q_{\mathrm{AB}}+(1-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{CHP}}^Q)Q_{\mathrm{CHP}}=Q$

R_EHP+R_AR＝R

其中，W_CHP＝α_FF_iη_w， $Q_{\mathrm{EHP}}=((1-{\mathrm{\α}}_w)W_i+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{CHP}}^w{W}_{\mathrm{CHP}}){{\mathrm{COP}}_{\mathrm{EHP}}^Q,}^{}$ Q_AB＝(1-α_F)F_iη_i，Q_CHP＝α_FF_iη_Q， $R_{\mathrm{EHP}}=((1-{\mathrm{\α}}_w)W_i+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{CHP}}^w{W}_{\mathrm{CHP}}){\mathrm{COP}}_{\mathrm{EHP}}^R,$ $R_{\mathrm{AR}}=({\mathrm{\α}}_{\mathrm{CHP}}^Q{Q}_{\mathrm{CHP}}+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{AB}}^Q{Q}_{\mathrm{AB}}){\mathrm{COP}}_{\mathrm{AR}}^R;$

式中R，Q，W分别表示冷、热、电负荷需求量，W_i表示从电网购电量，F_i表示购气量，W_CHP表示热电联供系统发电量，Q_EHP表示电热泵供热量，Q_CHP表示热电联供系统供热量，Q_AB表示辅助锅炉供热量，R_EHP表示电热泵制冷量，R_AR表示吸收式制冷机制冷量，α_w表示购买的电直接供给用户的比例，α_F表示购买的气供给热电联供系统的比例，表示热电联供系统发的电供给电热泵的比例，表示辅助锅炉产的热供给吸收式制冷机的比例，表示热电联供系统产的热供给吸收式制冷机的比例，表示电热泵的制热系数，表示电热泵的制冷系数，表示吸收式制冷机的制冷系数，η_i表示辅助锅炉的热效率，η_Q表示热电联供系统的产热效率，η_w表示热电联供系统的发电效率。