CN105183991A

CN105183991A - 一种区域综合能源系统的规划与设计方法

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Publication number: CN105183991A
Application number: CN201510565835.6A
Authority: CN
Inventors: 于波; 吴亮; 韩慎朝; 张长志; 杨延春; 项添春; 卢欣; 马崇; 于蓬勃; 袁新润; 李洪宾; 王迎秋
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Tianjin Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Tianjin Energy Saving Service Co ltd; State Grid Tianjin Integration Energy Service Co ltd; State Grid Corp of China SGCC; State Grid Tianjin Electric Power Co Ltd
Priority date: 2015-09-07
Filing date: 2015-09-07
Publication date: 2015-12-23
Anticipated expiration: 2035-09-07
Also published as: CN105183991B

Abstract

本发明公开了一种区域综合能源系统的规划与设计方法，所述区域综合能源系统的规划与设计方法通过建立区域内电负荷时序模型、建立冷、热负荷时序模型、建立供能技术模型；确立区域综合能源系统规划目标，设定区域综合能源系统总体规划目标；对指标计算与方案评估；依据对各备选方案的评估，确定最优综合能源系统规划设计方案。本发明给出综合能源系统规划设计的完整思路和方法，通过综合能源系统的运行来指导规划设计，可以更加准确的评估全周期内综合能源系统指标，确定最优综合能源系统规划设计方案。此外，本发明应用节能技术和电能替代技术的模型，建立综合能源系统设计方案备选集合，为最优设计方案提供丰富的备选方案。

Description

一种区域综合能源系统的规划与设计方法

技术领域

本发明属于低碳经济技术领域，尤其涉及一种区域综合能源系统的规划与设计方法。

背景技术

分布式综合能源系统在促进低碳经济发展、提升综合能源利用效率、减轻环境污染起着重要作用。分布式综合能源系统以满足规划区域内多种能源(电、冷、热)的需求为基本要求，充分消纳多种可再生能源、广泛应用节能技术和电能替代技术，实现综合能源利用率以及环境效益的提升。综合能源系统的规划设计成为首要问题。

现有缺少对综合能源系统规划设计的完善步骤与系统方法，现有规划技术中也缺少对各种常见电能替代技术的考量，不满足未来绿色智慧型园区发展和规划的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种区域综合能源系统的规划与设计方法，旨在解决现有规划技术中缺少对各种常见电能替代技术的考量，不能满足未来绿色智慧型园区发展和规划需求的问题。

本发明是这样实现的，一种区域综合能源系统的规划与设计方法，所述区域综合能源系统的规划与设计方法通过建立区域内电负荷时序模型、建立冷、热负荷时序模型、建立供能技术模型；确立区域综合能源系统规划目标，设定区域综合能源系统总体规划目标；对指标计算与方案评估；依据对各备选方案的评估，确定最优综合能源系统规划设计方案。

进一步，所述区域综合能源系统的规划与设计方法具体包括以下步骤：

步骤一，建立区域内电负荷时序模型，调研类似园区的负荷，建立典型日时序负荷模型，根据区域内各类设计负荷、区域属性以及区域规模，拟合典型日时序负荷曲线；

步骤二，建立冷、热负荷时序模型，根据区域内建筑物信息、方位朝向信息以及建筑物预设温度，应用仿真模拟手段，建立区域内冷、热负荷典型日时序曲线；

步骤三，建立供能技术模型，建立区域内可再生能源出力时序模型、典型节能技术模型以及典型电能替代技术模型在内综合能源供给系统模型；

步骤四，建立综合能源系统设计方案备选集合，包括可再生能源渗透率，以满足区域内冷、热、电负荷需求为约束，依据典型节能技术以及电能替代技术模型，建立综合能源系统的设计方案集合；

步骤五，确立区域综合能源系统规划目标，设定区域综合能源系统总体规划目标，包括经济性最优、可再生能源最大利用、综合能源利用效率最大；

步骤六，指标计算与方案评估；

步骤七，依据对各备选方案的评估，确定最优综合能源系统规划设计方案。

进一步，所述指标计算与方案评估的具体方法如下：

第一步，根据所确立的综合能源系统规划目标，确定评估指标计算公式。以经济性为例，经济性评价指标(TC)定义为全周期内各可再生能源设备、节

能设备以及电能替代设备的采购成本、维护成本和运行成本(OC)之和。

T C = \underset{i}{Σ} (B_{i} + F_{i}) + N \times O C

其中B_i为第i个设备的采购成本；F_i为第i个设备的维护成本；OC为典型日系统运行成本，N为全周期内供冷天数。

第二步，求得区域内综合能源典型日时序负荷曲线；

第三步，求得区域内可再生能源出力时序模型；

第四步，根据所得区域内综合能源典型日时序负荷曲线，以备选方案中能源供给规划为边界条件，求解典型日综合能源系统最优运行策略，以经济最优目标和供冷系统为例，优化目标即为OC；

O C = Σ_{t = 1}^{24} (\underset{i}{Σ} P_{i, t}^{C} + L_{t}) \cdot C (t);

其中，P_i,t ^C为典型日内第t时刻第i个供冷设备的耗电功率；L_t为典型日内第t时刻其他电负荷；C(t)为分时购电价格。

第五步，计算综合能源系统规划设计评估指标，以所求解的典型日最优运行策略为基础，计算全周期内综合能源系统设计方案的评估指标，以经济最优为例，则所定义的TC即为综合能源系统规划设计评估指标；

第六步，计算所有备选方案的评估指标，实现对所有备选方案的评估，具体如下：

{TC_opt1,TC_opt2,…,TC_opti,…}；

其中，TC_opti为备选方案i的评估指标。

进一步，所述依据对各备选方案的评估，确定最优综合能源系统规划设计方案以经济最优为目标的综合能源规划设计方案为:argmin{TC_opt1,TC_opt2,…,TC_opti,…}。

本发明的另一目的在于提供一种所述的区域综合能源系统的规划与设计方法的规划与设计系统，所述规划与设计系统包括：

模型建立模块，用于建立区域内电负荷和冷、热负荷时序模型，建立常见电能替代设备、可再生能源、供储能设备的模型；

备选方案建立模块，用于确定区域建设投资和建设目标，基于上述模型建立综合能源系统设计方案备选集合；

优化设计模块，用于对各备选方案进行指标计算和评估，得到最优设计方案。

进一步，所述模型建立模块包括：

电负荷时序模型单元，用于立区域内电负荷时序模型，模型具体为典型日24小时电负荷曲线，具体方法为，调研类似园区的负荷，建立典型日时序负荷模型，根据区域内各类设计负荷、区域属性以及区域规模，拟合典型日时序负荷曲线；

负荷时序模型单元，用于建立冷、热负荷时序模型，模型具体为典型日24小时冷、热负荷曲线；具体方法为，根据区域内建筑物信息、方位朝向信息以及建筑物预设温度，应用仿真模拟手段，建立区域内冷、热负荷典型日时序曲线；

供能技术模型单元，用于建立供能技术模型，建立区域内可再生能源出力时序模型、典型节能技术模型以及典型电能替代技术模型在内综合能源供给系统模型。

进一步，所述优化设计模块包括：

评估指标计算单元，用于根据所确立的综合能源系统规划目标，确定评估指标计算公式；

日时序负荷单元，用于求得区域内综合能源典型日时序负荷曲线；

出力时序模型单元，用于求得区域内可再生能源出力时序模型；

最优运行策略单元，用于根据所得区域内综合能源典型日时序负荷曲线，以备选方案中能源供给规划为边界条件，求解典型日综合能源系统最优运行策略；

计算评估指标单元，用于计算综合能源系统规划设计评估指标，以所求解的典型日最优运行策略为基础，计算全周期内综合能源系统设计方案的评估指标；

备选方案评估单元，用于计算所有备选方案的评估指标，实现对所有备选方案的评估。

本发明提供的区域综合能源系统的规划与设计方法，可以得到综合能源系统规划设计方案的评价指标，该指标充体现综合能源系统的优化运行，因而该指标更加准确和更具有指导意义，进而选取较好的区域综合能系统的规划设计方案；给出综合能源系统规划设计的完整思路和方法，通过综合能源系统的运行来指导规划设计，可以更加准确的评估全周期内综合能源系统指标，确定最优综合能源系统规划设计方案。此外，本发明应用节能技术和电能替代技术的模型，建立综合能源系统设计方案备选集合，为最优设计方案提供丰富的备选方案。

附图说明

图1是本发明实施例提供的区域综合能源系统的规划与设计方法流程图。

图2是本发明实施例提供的建立区域内电负荷时序模型流程图。

图3是本发明实施例提供的建立冷、热负荷时序模型流程图。

图4是本发明实施例提供的指标计算与方案评估流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例的区域综合能源系统的规划与设计方法包括以下步骤：

S101：建立区域内电负荷时序模型，调研类似园区的负荷，建立典型日时序负荷模型，根据区域内各类设计负荷、区域属性以及区域规模，拟合典型日时序负荷曲线；

S102：建立冷、热负荷时序模型，根据区域内建筑物信息、方位朝向信息以及建筑物预设温度，应用仿真模拟手段，建立区域内冷、热负荷典型日时序曲线；

S103：建立供能技术模型，建立区域内可再生能源出力时序模型、典型节能技术模型以及典型电能替代技术模型在内综合能源供给系统模型。园区内可再生能源主要指但不限于光伏系统、风机系统等，典型节能技术包括但不限于蓄冷、地源热泵等，典型电能替代技术包括但不限于电锅炉、电地暖等；

S104：建立综合能源系统设计方案备选集合，考虑可再生能源渗透率，以满足区域内冷、热、电负荷需求为约束，依据典型节能技术以及电能替代技术模型，建立综合能源系统的设计方案集合；

S105：确立区域综合能源系统规划目标，设定区域综合能源系统总体规划目标，包括但不限于经济性最优、可再生能源最大利用、综合能源利用效率最大等；

S106：指标计算与方案评估；

S107：依据对各备选方案的评估，确定最优综合能源系统规划设计方案。

指标计算与方案评估的具体步骤如下：

根据确立的综合能源系统规划目标，确定评估指标计算公式；

根据建立的区域内综合能源典型日时序负荷曲线；

根据建立区域内可再生能源出力时序模型；

应用智能算法，考虑综合能源系统的互补替代以及梯级利用，求解典型日综合能源系统最优运行策略；

计算综合能源系统规划设计评估指标，以所求解的典型日最优运行策略为基础，计算全周期内综合能源系统设计方案的评估指标；

备选方案遍历求解；计算备选方案的评估指标，实现对各备选方案的评估。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的说明：

本发明实施例具体步骤如下：

S1：建立区域内电负荷时序模型，实施例的区域属性为办公类，参照图2，首先调研办公类园区时序负荷数据，通过回归分析建立办公类园区典型日模型，如下表所示，表中电负荷为相对值，具体指其为总设计负荷的百分比。

时间	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
													电负荷(％)	15	15	15	15	15	20	35	50	60	60	65	75
时间	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24
													电负荷(％)	70	85	85	80	60	40	30	20	20	15	15	15

结合实施例中区域规模及各类设计负荷，对调研所得的时序负荷进行修正，最终得到区域内时序负荷曲线。本实施例中，区域内总设计电负荷为2MW，区域内典型日时序负荷曲线如下表所示。

时间	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
													电负荷(MW)	0.3	0.3	0.3	0.3	0.3	0.4	0.7	1	1.2	1.2	1.3	1.5
时间	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24
													电负荷(MW)	1.4	1.7	1.7	1.6	1.2	0.8	0.6	0.4	0.4	0.3	0.3	0.3

S2：建立冷、热负荷时序模型。实施例的区域属性为办公类，参照图3，根据区域规划的建筑物信息、方位朝向信息以及建筑内预期温度设定需求，应用DeST等建筑环境模拟软件平台，对区域内建筑的冷、热负荷进行模拟，最终获得典型日的冷、热时序负荷曲线。将本实施例的建筑物信息输入DeST模拟软件，主要建筑物信息包括室外温度、墙体材料属性、建筑面积等。以冷负荷为例，具体冷负荷时序参数如下表。

时间	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
													冷负荷(MW)	1	1	1	1	1	1	1.5	2	2.5	2.3	2.5	2.7

时间	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24
													冷负荷(MW)	2.8	3	2.8	2.7	2.8	2.7	2.6	2.3	2.3	2.3	1.8	1.7

S3：建立供能技术模型。实施例中得可再生能源考虑光伏系统，其出力时序模型可以通过Collares-Pereira&Rabl模型计算获得。典型供冷、供热技术包括，电锅炉、电地暖、太阳能热水等，基载主机制冷、冰蓄冷、热泵等。本实施例中，以双工况制冷主机、基载螺杆式地源热泵机组、冰蓄冷三种制冷和储冷设备为例，分别建立三种设备的模型。

基载螺杆式地源热泵机组，其电功率—制冷量模型如下式所示：

P^HP＝(a^HP+b^HP·Q^HP)；

其中，a^HP和b^HP分别为热泵机组电功率—制冷量曲线的拟合参数，分别为35和0.21，P^HP为热泵机组用电功率，Q^HP为热泵机组制冷量。最大制冷功率2MW，运行额定功率460kW。

双工况制冷系统，其电功率—制冷量模型如下式所示：

P^IC_C＝(a^IC_C+b^IC_C·Q^IC_C)

其中，a^IC_C和b^IC_C分别为双工况制冷系统电功率—制冷量曲线的拟合参数，分别为25和0.23，P^IC_C为双工况制冷系统用电功率，Q^IC_C为双工况制冷系统制冷量。最大制冷功率2MW，运行额定功率480kW。

双工况制冷系统，其电功率—制冰量模型如下式所示：

P^IC_ICE＝(a^IC_ICE+b^IC_ICE·Q^IC_ICE)

其中，a^IC_ICE和b^IC_ICE分别为双工况制冷系统电功率—制冰量曲线的拟合参数，分别为25和0.25，P^IC_C为双工况制冷系统用电功率，Q^IC_C为双工况制冷系统制冰量。最大制冰功率1MW，运行额定功率260kW。

冰蓄冷系统主要集中在乙二醇变频泵上，其电功率—融冰量模型如下式所示：

P^{I C E T} = (a^{I C E T} + b^{I C E T} \cdot Q^{I C E T_C} / Q_{M A X}^{I C E T})

其中，a^ICET和b^ICET分别为冰蓄冷系统电功率—融冰量曲线的拟合参数，分别为5和60，P^ICET为冰蓄冷系统融冰用电功率，Q^ICET_C为冰蓄冷系统融冰量，为最大蓄冰量。

S4：建立综合能源系统设计方案备选集合。以满足区域内冷、热、电负荷需求为约束，依据S3中典型节能技术以及电能替代技术模型，依据最大负荷需求，将典型供冷、供热技术进行搭配组合，形成供冷、供热规划设计备选方案集。以供冷系统规划为例，最大负荷需求约为3MW，实施例方案备选集如下所示。

设计台数以满足冷、热最大负荷量为前提，并充分考虑供能可靠性，适当选取备用供能设备。

S5：确立区域综合能源系统规划目标。定义区域综合能源系统总体规划目标，包括但不限于经济性最优、可再生能源最大利用、综合能源利用效率最大等，并确定总体规划目标。本实施例中，以经济最优为例，定义为全周期内各可再生能源设备、节能设备以及电能替代设备的采购成本、维护成本和运行成本之和。

S6：指标计算与方案评估，参照图4所示，具体方法如下：

S601：根据S5所确立的综合能源系统规划目标，确定评估指标计算公式。特别地，以S4中本实施例的备选方案1为例，S5中所定义的经济最优目标的指标计算方法为，

T C = (\underset{i}{Σ} B_{i}^{I C} + \underset{i}{Σ} B_{i}^{I C E T}) + (\underset{i}{Σ} F_{i}^{I C} + \underset{i}{Σ} F_{i}^{I C E T}) + N \times O C;

其中，为第i台双工况制冷机组的采购成本，为第i冰蓄冷机组的采购成本，为第i台双工况制冷机组的维护成本，为第i台冰蓄冷机组的维护成本，OC为典型日系统运行成本，由步骤S604计算得出，N为全周期内供冷天数。

S602：根据S1以及S2所提及方法，求得区域内综合能源典型日时序负荷曲线。

S603：根据S3所提及方法，求得区域内可再生能源出力时序模型。

S604：根据S602和S603所得区域内综合能源典型日时序负荷曲线，以备选方案中能源供给规划为边界条件，充分考虑综合能源供给系统的互补替代以及综合能源的梯级利用，求解典型日综合能源系统最优运行策略，其优化目标与S5所设定目标一致。本实施例中，若以经济最优目标，本处优化目标即为S601中OC；

O C = Σ_{t = 1}^{24} ((\underset{i}{Σ} P_{i, t}^{I C} + \underset{i}{Σ} P_{i, t}^{I C E T} + L_{t}) \cdot C_{t});

其中，P_i,t ^IC为典型日内第t时刻第i个双工况制冷机组的耗电功率；P_i,t ^ICET为典型日内第t时刻第i个冰蓄冷机组的耗电功率；L_t为典型日内第t时刻其他电负荷；C_t为t时刻购电价格，如下所示。

时间	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
													电价(元/kWh)	0.4	0.4	0.4	0.4	0.4	0.4	0.4	1.3	1.3	1.3	1.3	1.3
时间	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24
													电价(元/kWh)	0.8	0.8	0.8	0.8	1.3	1.3	1.3	1.3	1.3	0.8	0.8	0.8

该问题是一个混整型非线性规划问题，涉及约束包括，综合能源冷/热、电供需平衡、网络约束、机主运行约束等，可以采用智能算法求解，包括但不限于粒子群算法、遗传算法等。

S605：计算综合能源系统规划设计评估指标，以S604所求解的典型日最优运行策略为基础，计算全周期内综合能源系统设计方案的评估指标。实施例中，以经济最优为例，则指标步骤S601中所定义的TC即为综合能源系统规划设计评估指标。

S606：S4中备选方案遍历求解。计算S4中所有备选方案的评估指标，实现对所有备选方案的评估。本实施例有：

{TC_opt1,TC_opt2,…,TC_opti,…}；

其中，TC_opti为备选方案i的评估指标。具体来说，本实施例中各备选方案的评估指标如下所示，以系统运行年限5年，每年供冷天数120天为例。

	设备购置成本	设备维护成本	运行成本OC	总成本TC
					备选方案1(万元)	60	1.5	3.148	4335
备选方案2(万元)	80	2	3.11	4338

由上表可见两种设计方案的评估指标。设计运营年限为5年时，从经济性的角度，备选方案1较好。设计运营年限为10年时，评估指标如下所示，此时从经济性角度，备选方案2较好。

	设备购置成本	设备维护成本	运行成本OC	总成本TC
					备选方案1(万元)	60	1.5	3.148	8611
备选方案2(万元)	80	2	3.11	8596

S7：从S6中各备选方案的评估指标中选取最优指标，从S4备选方案中，确定最优综合能源系统规划设计方案。本实施例，以设计运营年限10年为例，以经济最优为目标的综合能源规划设计方案为备选方案2。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种区域综合能源系统的规划与设计方法，其特征在于，所述区域综合能源系统的规划与设计方法通过区域综合能源系统优化运行设计，指导综合能源系统规划；

首先，建立区域内电负荷和冷、热负荷时序模型，建立常见电能替代设备、可再生能源、供储能设备的模型；

其次，确定区域建设投资和建设目标，基于上述模型建立综合能源系统设计方案备选集合；

最后，对各备选方案进行指标计算和评估，得到最优设计方案。

2.如权利要求1所述的区域综合能源系统的规划与设计方法，其特征在于，所述区域综合能源系统的规划与设计方法具体包括以下步骤：

步骤一，建立区域内电负荷时序模型，模型具体为典型日24小时电负荷曲线，具体方法为，调研类似园区的负荷，建立典型日时序负荷模型，根据区域内各类设计负荷、区域属性以及区域规模，拟合典型日时序负荷曲线；

步骤二，建立冷、热负荷时序模型，模型具体为典型日24小时冷、热负荷曲线；具体方法为，根据区域内建筑物信息、方位朝向信息以及建筑物预设温度，应用仿真模拟手段，建立区域内冷、热负荷典型日时序曲线；

步骤六，指标计算与方案评估；

3.如权利要求2所述的区域综合能源系统的规划与设计方法，其特征在于，所述指标计算与方案评估的具体方法如下：

第一步，根据所确立的综合能源系统规划目标，确定评估指标计算公式；以经济性为例，经济性评价指标TC定义为全周期内各可再生能源设备、节能设备以及电能替代设备的采购成本、维护成本和运行成本OC之和，

其中B_i为第i个设备的采购成本；F_i为第i个设备的维护成本；OC为典型日系统运行成本，N为全周期内供冷天数；

第二步，求得区域内综合能源典型日时序负荷曲线；

第三步，求得区域内可再生能源出力时序模型；

其中，P_i,t ^C为典型日内第t时刻第i个供冷设备的耗电功率；L_t为典型日内第t时刻其他电负荷；C(t)为分时购电价格；

{TC_opt1,TC_opt2,…,TC_opti,…}；

其中，TC_opti为备选方案i的评估指标。

4.如权利要求2所述的区域综合能源系统的规划与设计方法，其特征在于，所述依据对各备选方案的评估，确定最优综合能源系统规划设计方案以经济最优为目标的综合能源规划设计方案为:argmin{TC_opt1,TC_opt2,…,TC_opti,…}。

5.一种如权利要求1所述的区域综合能源系统的规划与设计方法的规划与设计系统，其特征在于，所述规划与设计系统包括：

6.如权利要求5所述的规划与设计系统，其特征在于，所述模型建立模块包括：

7.如权利要求5所述的规划与设计系统，其特征在于，所述优化设计模块包括：

8.一种使用权利要求1-4任意一项所述区域综合能源系统的规划与设计方法的绿色智慧型园区。