CN105262119B - 一种蓄能用电系统的节能评价和节能控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种蓄能用电系统的节能评价和节能控制方法，包括以下步骤：步骤1：定义节点煤耗率，并通过构建最优潮流模型求解节点煤耗率；步骤2：计算蓄能用电系统的节能率，并进行节能评价；步骤3：构建优化控制模型，实现节能控制。本发明提供的蓄能用电系统的节能评价和节能控制方法，以电力系统能效评估的节点煤耗率为基础，提出实现蓄能用电技术节能评价的节点用电煤耗指标，通过该指标对蓄能用电技术进行节能评价；建立优化控制模型，并从节能角度对基于电力系统能效评估的蓄能用电技术进行节能优化控制。

Description

一种蓄能用电系统的节能评价和节能控制方法

技术领域

本发明属于电力系统运行控制技术领域，具体涉及一种蓄能用电系统的节能评价和节能控制方法。

背景技术

蓄能用电技术是需求侧管理中负荷管理的重要措施，常见的蓄能用电技术有空调蓄冷蓄热技术、电热锅炉技术、抽水蓄能技术、压缩空气储能、飞轮储能、电池储能等技术。

蓄能用电技术的优势主要体现在3个方面：①增加了低谷时段用电，提高了电力系统的负荷率；②负荷高峰时段释能以满足系统峰时的用能需求，降低了系统峰时电力需求；③与间歇性新能源配合，提高间歇性能源的利用率，改善其经济性。但是，由于蓄能用电比正常用电多了蓄能和蓄能转换为用能的过程，使得整体的能效下降，抽水蓄能效率一般为65％～75％，压缩空气储能效率为65％左右，冰蓄冷中央空调效率约为63％。

目前，对蓄能用电技术的研究集中在考虑成本、电费等因素的经济优化控制方法及对蓄能用电技术节能效果的经济性评价，而有关蓄能用电技术的节能评价方法和节能优化控制策略尚待设计开发。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种蓄能用电系统的节能评价和节能控制方法，用于评价蓄能用电技术节能效果，并指导蓄能用电系统节能优化控制措施的执行。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种蓄能用电系统的节能评价和节能控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：定义节点煤耗率，并通过构建最优潮流模型求解节点煤耗率；

步骤2：计算蓄能用电系统的节能率，并进行节能评价；

步骤3：构建优化控制模型，实现节能控制。

所述步骤1中，节点煤耗率是指电力系统用电侧节点i增加消耗每kWh电能，而其他节点负荷保持不变时，发电侧以最节能的手段满足负荷增长所消耗的标煤量，用r_i表示，单位为g/kWh；节点i的节点煤耗率r_i表示为：

其中，f表示发电侧的总煤耗，Δf表示发电侧的总煤耗微增量，f_s表示以交流最优潮流为优化手段的发电侧总煤耗，ΔP_Li表示节点i的负荷有功功率微增量，P_Li表示节点i的负荷有功功率，P_Gk表示第k台发电机组发出的有功功率，F_k(P_Gk)表示第k台发电机组的煤耗特性，a_k、b_k和c_k表示发电机组的煤耗特性参数，NG表示发电机台数，k＝1,2,…,NG。

最优潮流模型的目标函数表示为：

其中，F_k(P_Gk)表示第k台发电机组的煤耗特性，P_Gk表示第k台发电机组的有功功率，NG表示发电机台数，k＝1,2,…,NG，f_s表示以交流最优潮流为优化手段的发电侧总煤耗；

上述目标函数对应的的约束条件包括功率平衡约束和不等式约束；

功率平衡约束表示为：

不等式约束表示为：

其中，P_Gk表示第k台发电机组的有功功率，和分别表示第k台发电机组的有功功率下限和上限，Q_Gk表示第k台发电机组的无功功率，和分别表示第k台发电机组的无功功率下限和上限，NG表示发电机台数，P_i和Q_i分别表示节点i的注入有功功率和无功功率，P_Gi和Q_Gi分别表示节点i上电源发出的有功功率和无功功率，P_Li和Q_Li分别表示负荷的有功功率和无功功率，G_ij和B_ij表示节点i与节点j之间的电导和电纳，θ_ij表示节点i与节点j之间的相角差，V_i和V_j分别表示节点i和节点j的电压幅值，和分别表示节点i的电压幅值下限和上限，j＝1,2,…,n，n表示节点总数；

构造最优潮流模型的拉格朗日函数Γ，有：

其中，f_s表示以交流最优潮流为优化手段的发电侧总煤耗，μ表示障碍参数， 为不等式约束对应的松弛变量，λ_pi和λ_qi为拉格朗日乘子；

于是，当负荷变化时，有：

所述步骤2具体包括以下步骤：

步骤2-1：计算蓄能用电系统以非蓄能用电方式运行时的总节点用电煤耗C_c0，有：

其中，r_i(t)表示节点i在t时刻的节点煤耗率，P_D1(t)表示非蓄能用电方式下t时刻蓄能用电系统所带负荷的用电功率，η_w(t)表示蓄能用电系统的用电效率,P_wm表示蓄能用电系统的直接用电功率上限；T_w为蓄能用电系统满足负荷用能需求的工作时段；

步骤2-2：计算蓄能用电系统以蓄能用电方式运行时的总节点用电煤耗C_c1，有：

其中，P_D2(t)表示蓄能用电方式下t时刻蓄能用电系统所带负荷的用电功率，P_cm表示蓄能用电系统的释能功率上限；

步骤2-3：计算蓄能用电系统的节能率α，有：

步骤2-4：根据蓄能用电系统的节能率进行节能评价，具体有：

当α＞0时，表明蓄能用电系统处于节能运行状态，且α越大，表明蓄能用电系统节能效果越好；

当α≤0时，表明蓄能用电系统处于非节能运行状态。

所述步骤3中，构建如下优化控制模型，使得节点用电煤耗最小，实现蓄能用电系统的节能控制；

其中，C_c表示节点用电煤耗，P(t)表示蓄能用电系统t时刻对电力系统的电能取用功率，r_i(t)表示节点i在t时刻的节点煤耗率；P_s(t)表示蓄能用电系统的蓄能功率，η_s(t)表示蓄能用电系统的蓄能效率；P_w(t)表示蓄能用电系统直接用电功率，η_w(t)表示蓄能用电系统的用电效率；P_c(t)表示蓄能用电系统的释能功率，η_c(t)表示蓄能用电系统的释能效率，P_ss(t)表示蓄能用电系统的蓄能取用功率；P_sm表示蓄能用电系统的蓄能功率上限，P_wm表示蓄能用电系统的直接用电功率上限，P_cm表示蓄能用电系统的释能功率上限；P_D(t)表示蓄能用电系统t时刻的负荷用电功率，Q_sa表示蓄能用电系统在蓄能时段的总蓄能量，Q_s0表示蓄能用电系统在蓄能前的剩余能量，Q_sm表示蓄能用电系统的总容量，Q_su表示蓄能用电系统在用能时段所使用的蓄能量；T_s表示蓄能用电系统的蓄能时段，T_w为蓄能用电系统满足负荷用能需求的工作时段。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提供的蓄能用电系统的节能评价和节能控制方法，以电力系统能效评估的节点煤耗率为基础，提出实现蓄能用电技术节能评价的节点用电煤耗指标，通过该指标对蓄能用电技术进行节能评价；建立优化控制模型，并从节能角度对基于电力系统能效评估的蓄能用电技术进行节能优化控制。

附图说明

图1是本发明实施例中蓄能用电系统的节能评价和节能控制方法流程图；

图2是本发明实施例中电力系统组成及其各环节能效示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种蓄能用电系统的节能评价和节能控制方法，如图1，所述方法包括以下步骤：

步骤1：定义节点煤耗率，并通过构建最优潮流模型求解节点煤耗率；

步骤2：计算蓄能用电系统的节能率，并进行节能评价；

步骤3：构建优化控制模型，实现节能控制。

所述步骤1中，节点煤耗率是指电力系统用电侧节点i增加消耗每kWh电能，而其他节点负荷保持不变时，发电侧以最节能的手段满足负荷增长所消耗的标煤量，用r_i表示，单位为g/kWh；节点煤耗率是衡量系统中节点能效的指标，系统各环节能效指标如图1所示。

节点i的节点煤耗率r_i表示为：

其中，f表示发电侧的总煤耗，Δf表示发电侧的总煤耗微增量，f_s表示以交流最优潮流为优化手段的发电侧总煤耗，ΔP_Li表示节点i的负荷有功功率微增量，P_Li表示节点i的负荷有功功率，P_Gk表示第k台发电机组发出的有功功率，F_k(P_Gk)表示第k台发电机组的煤耗特性，a_k、b_k和c_k表示发电机组的煤耗特性参数，NG表示发电机台数，k＝1,2,…,NG。

最优潮流模型的目标函数表示为：

其中，F_k(P_Gk)表示第k台发电机组的煤耗特性，P_Gk表示第k台发电机组的有功功率，NG表示发电机台数，k＝1,2,…,NG，f_s表示以交流最优潮流为优化手段的发电侧总煤耗；

上述目标函数对应的的约束条件包括功率平衡约束和不等式约束；

功率平衡约束表示为：

不等式约束表示为：

其中，P_Gk表示第k台发电机组的有功功率，和分别表示第k台发电机组的有功功率下限和上限，Q_Gk表示第k台发电机组的无功功率，和分别表示第k台发电机组的无功功率下限和上限，NG表示发电机台数，P_i和Q_i分别表示节点i的注入有功功率和无功功率，P_Gi和Q_Gi分别表示节点i上电源发出的有功功率和无功功率，P_Li和Q_Li分别表示负荷的有功功率和无功功率，G_ij和B_ij表示节点i与节点j之间的电导和电纳，θ_ij表示节点i与节点j之间的相角差，V_i和V_j分别表示节点i和节点j的电压幅值，和分别表示节点i的电压幅值下限和上限，j＝1,2,…,n，n表示节点总数；

构造最优潮流模型的拉格朗日函数Γ，有：

其中，f_s表示以交流最优潮流为优化手段的发电侧总煤耗，μ表示障碍参数， 为不等式约束对应的松弛变量，λ_pi和λ_qi为拉格朗日乘子；

于是，当负荷变化时，有：

所述步骤2具体包括以下步骤：

步骤2-1：计算蓄能用电系统以非蓄能用电方式运行时的总节点用电煤耗C_c0，有：

其中，r_i(t)表示节点i在t时刻的节点煤耗率，P_D1(t)表示非蓄能用电方式下t时刻蓄能用电系统所带负荷的用电功率，η_w(t)表示蓄能用电系统的用电效率,P_wm表示蓄能用电系统的直接用电功率上限；T_w为蓄能用电系统满足负荷用能需求的工作时段；

步骤2-2：计算蓄能用电系统以蓄能用电方式运行时的总节点用电煤耗C_c1，有：

其中，P_D2(t)表示蓄能用电方式下t时刻蓄能用电系统所带负荷的用电功率，P_cm表示蓄能用电系统的释能功率上限；

步骤2-3：计算蓄能用电系统的节能率α，有：

步骤2-4：根据蓄能用电系统的节能率进行节能评价，具体有：

当α＞0时，表明蓄能用电系统处于节能运行状态，且α越大，表明蓄能用电系统节能效果越好；

当α≤0时，表明蓄能用电系统处于非节能运行状态。

所述步骤3中，构建如下优化控制模型，使得节点用电煤耗最小，实现蓄能用电系统的节能控制；

其中，C_c表示节点用电煤耗，P(t)表示蓄能用电系统t时刻对电力系统的电能取用功率，r_i(t)表示节点i在t时刻的节点煤耗率；P_s(t)表示蓄能用电系统的蓄能功率(即将电能转换为蓄能能量的功率)，η_s(t)表示蓄能用电系统的蓄能效率；P_w(t)表示蓄能用电系统直接用电功率(即电能直接转换成目标用能的功率)，η_w(t)表示蓄能用电系统的用电效率(即电能到目标用能之间的转换效率，若负荷用能为电能，如抽水蓄能技术，则η_w(t)为1，若负荷用能为非电能，如冰蓄冷技术，则η_w(t)为冰蓄冷设备制冷工况下的制冷系数)；P_c(t)表示蓄能用电系统的释能功率，η_c(t)表示蓄能用电系统的释能效率(综合考虑保存能量及转换能量时的损失)，P_ss(t)表示蓄能用电系统的蓄能取用功率(即蓄能在被使用时的实时功率)；P_sm表示蓄能用电系统的蓄能功率上限，P_wm表示蓄能用电系统的直接用电功率上限，P_cm表示蓄能用电系统的释能功率上限；P_D(t)表示蓄能用电系统t时刻的负荷用电功率，Q_sa表示蓄能用电系统在蓄能时段的总蓄能量，Q_s0表示蓄能用电系统在蓄能前的剩余能量，Q_sm表示蓄能用电系统的总容量，Q_su表示蓄能用电系统在用能时段所使用的蓄能量；T_s表示蓄能用电系统的蓄能时段，T_w为蓄能用电系统满足负荷用能需求的工作时段。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种蓄能用电系统的节能评价和节能控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：定义节点煤耗率，并通过构建最优潮流模型求解节点煤耗率；

步骤2：计算蓄能用电系统的节能率，并进行节能评价；

步骤3：构建优化控制模型，实现节能控制；

所述步骤1中，节点煤耗率是指电力系统用电侧节点i增加消耗每kWh电能，而其他节点负荷保持不变时，发电侧以最节能的手段满足负荷增长所消耗的标煤量，用r_i表示，单位为g/kWh；节点i的节点煤耗率r_i表示为：

其中，f表示发电侧的总煤耗，Δf表示发电侧的总煤耗微增量，f_s表示以交流最优潮流为优化手段的发电侧总煤耗，ΔP_Li表示节点i的负荷有功功率微增量，P_Li表示节点i的负荷有功功率，P_Gk表示第k台发电机组发出的有功功率，F_k(P_Gk)表示第k台发电机组的煤耗特性，a_k、b_k和c_k表示发电机组的煤耗特性参数，NG表示发电机台数，k＝1,2,…,NG。

2.根据权利要求1所述的蓄能用电系统的节能评价和节能控制方法，其特征在于：最优潮流模型的目标函数表示为：

其中，F_k(P_Gk)表示第k台发电机组的煤耗特性，P_Gk表示第k台发电机组的有功功率，NG表示发电机台数，k＝1,2,…,NG，f_s表示以交流最优潮流为优化手段的发电侧总煤耗；

上述目标函数对应的约束条件包括功率平衡约束和不等式约束；

功率平衡约束表示为：

不等式约束表示为：

V_i ^l≤V_i≤V_i ^u (7)

其中，P_Gk表示第k台发电机组的有功功率，和分别表示第k台发电机组的有功功率下限和上限，Q_Gk表示第k台发电机组的无功功率，和分别表示第k台发电机组的无功功率下限和上限，NG表示发电机台数，P_i和Q_i分别表示节点i的注入有功功率和无功功率，P_Gi和Q_Gi分别表示节点i上电源发出的有功功率和无功功率，P_Li和Q_Li分别表示负荷的有功功率和无功功率，G_ij和B_ij表示节点i与节点j之间的电导和电纳，θ_ij表示节点i与节点j之间的相角差，V_i和V_j分别表示节点i和节点j的电压幅值，V_i ^l和V_i ^u分别表示节点i的电压幅值下限和上限，j＝1,2,…,n，n表示节点总数；

构造最优潮流模型的拉格朗日函数Γ，有：

其中，f_s表示以交流最优潮流为优化手段的发电侧总煤耗，μ表示障碍参数， 为不等式约束对应的松弛变量，λ_pi和λ_qi为拉格朗日乘子；

于是，当负荷变化时，有：

3.根据权利要求1所述的蓄能用电系统的节能评价和节能控制方法，其特征在于：所述步骤2具体包括以下步骤：

步骤2-1：计算蓄能用电系统以非蓄能用电方式运行时的总节点用电煤耗C_c0，有：

其中，r_i(t)表示节点i在t时刻的节点煤耗率，P_D1(t)表示非蓄能用电方式下t时刻蓄能用电系统所带负荷的用电功率，η_w(t)表示蓄能用电系统的用电效率,P_wm表示蓄能用电系统的直接用电功率上限；T_w为蓄能用电系统满足负荷用能需求的工作时段；

步骤2-2：计算蓄能用电系统以蓄能用电方式运行时的总节点用电煤耗C_c1，有：

其中，P_D2(t)表示蓄能用电方式下t时刻蓄能用电系统所带负荷的用电功率，P_cm表示蓄能用电系统的释能功率上限；

步骤2-3：计算蓄能用电系统的节能率α，有：

步骤2-4：根据蓄能用电系统的节能率进行节能评价，具体有：

当α＞0时，表明蓄能用电系统处于节能运行状态，且α越大，表明蓄能用电系统节能效果越好；

当α≤0时，表明蓄能用电系统处于非节能运行状态。

4.根据权利要求1所述的蓄能用电系统的节能评价和节能控制方法，其特征在于：所述步骤3中，构建如下优化控制模型，使得节点用电煤耗最小，实现蓄能用电系统的节能控制；

其中，C_c表示节点用电煤耗，P(t)表示蓄能用电系统t时刻对电力系统的电能取用功率，r_i(t)表示节点i在t时刻的节点煤耗率；P_s(t)表示蓄能用电系统的蓄能功率，η_s(t)表示蓄能用电系统的蓄能效率；P_w(t)表示蓄能用电系统直接用电功率，η_w(t)表示蓄能用电系统的用电效率；P_c(t)表示蓄能用电系统的释能功率，η_c(t)表示蓄能用电系统的释能效率，P_ss(t)表示蓄能用电系统的蓄能取用功率；P_sm表示蓄能用电系统的蓄能功率上限，P_wm表示蓄能用电系统的直接用电功率上限，P_cm表示蓄能用电系统的释能功率上限；P_D(t)表示蓄能用电系统t时刻的负荷用电功率，Q_sa表示蓄能用电系统在蓄能时段的总蓄能量，Q_s0表示蓄能用电系统在蓄能前的剩余能量，Q_sm表示蓄能用电系统的总容量，Q_su表示蓄能用电系统在用能时段所使用的蓄能量；T_s表示蓄能用电系统的蓄能时段，T_w为蓄能用电系统满足负荷用能需求的工作时段。