CN106447113B - 一种基于运行优化模型的多区域综合能源系统运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于运行优化模型的多区域综合能源系统运行方法，包括以下步骤：步骤10)建立热网能量传输通用模型，并将所述热网能量传输通用模型简化为热网能量流模型和热网流量‑温度方程两个部分；建立热网运行费用模型；步骤20)基于CCHP运行优化模型，结合热网能量流模型，建立多区域综合能源系统运行优化模型；步骤30)多区域综合能源系统按照步骤20)建立的运行优化模型运行。该方法可实现不同区域热能的交换，实现对不同区域的设备进行统一调度，使设备尽可能的处于最佳工况，实现最优工作配合，提高能源系统经济性。

Description

一种基于运行优化模型的多区域综合能源系统运行方法

技术领域

本发明属于综合区域能源系统运行优化领域，具体来说，涉及一种基于运行优化模型的多区域综合能源系统运行方法。

背景技术

能源与环境问题的日益突出促进了人类能源利用方式的变革，如何提高能源利用率，减少环境污染，以实现能源可持续发展是当今共同关注的话题。以CCHP(对应中文：冷热电联供)微网为核心单元的IES(对应中文：综合能源系统)将电网电能、天然气能源与分布式能源进行统一调度，在满足多种负荷需求的同时，提高了能源系统的经济效益与环境效益，是未来能源系统发展的重要方向。目前IES的规划与运行通常以单个区域的CCHP系统作为研究对象，结合区域负荷特性进行设备选型和能量管理以实现区域最优。但特定区域的负荷特性往往较为单一，在一定程度上制约了IES的优化结果。通过DHCN使多个区域的CCHP系统互联构成的多区域综合能源系统将各区域冷、热负荷进行耦合，充分利用区域间负荷特性的互补性，使多个区域CCHP的统一规划、统一设计与协同运行成为可能，从而达到进一步提高能源系统效益、实现整体最优的目的。

能源危机和环境污染的双重压力促使人们对现有的能源消费模式进行反思，并开始对电、气、热等各种形式能源的综合利用进行研究。我国近期提出的“互联网+”智慧能源的行动计划，描绘了未来能源互联网愿景，指出充分考虑电、气、冷、热等不同形式能源在生产、传输、消费各环节的协同耦合是构建能源互联网的重要基础；打破各能源分开规划、独立运行的既有模式，发展在规划、运行、建设各阶段有机协调的综合能源系统是实现能源可持续发展的必经之路。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提出一种基于运行优化模型的多区域综合能源系统运行方法，该方法可实现不同区域热能的交换，实现对不同区域的设备进行统一调度，使设备尽可能的处于最佳工况，实现最优工作配合，提高能源系统经济型。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于运行优化模型的多区域综合能源系统运行方法，包括以下步骤：

步骤10)建立热网能量传输通用模型，并将所述热网能量传输通用模型简化为热网能量流模型和热网流量-温度方程两个部分；建立热网运行费用模型；

步骤20)基于CCHP运行优化模型，结合热网能量流模型，建立多区域综合能源系统运行优化模型；

步骤30)多区域综合能源系统按照步骤20)建立的运行优化模型运行。

作为优选例，所述的步骤10)中，建立热网能量传输通用模型的过程为：

步骤101)建立管段温差方程：

设热网节点数为Z，管段数为W，第i个CCHP系统与热网连接的节点记为i，节点i处的热媒温度为T_i℃，由节点i流入CCHP系统的热媒流量为q_s,im³/s，温度为T_s,i℃，热媒所含热功率为H_s,ikW；管段i-j流出节点i的热媒流量为q_ijm³/s，温度为T_i,j℃，热媒所含热功率为H_ijkW，热媒管段i-j的长度为l_ijkm；设当热媒流出节点i时，q_ij或q_s,i符号为正，反之为负；

单位长度管道热损表达式如式(1)所示：

式中，Δh为单位长度管道上的热损失，单位：kW/km；T为管道中热媒温度，单位：℃；T_e为管道周围介质的平均温度，单位：℃；∑R为热媒到周围介质间每千米管道的总热阻，单位：km·℃/kW；

由式(1)得到：初始温度为T₀的热媒流过长度为l的管段后，流入、流出该管道的热功率如式(2)所示：

式中，H₀为流入管道的热功率，单位：kW；H为流出管道的热功率，单位：kW；k为比例常数，且k＝cρ：c为流体比热容，单位：kJ/(kg·℃)；ρ为流体密度，单位：kg/m³；q为管道中的流体流量，单位：m³/s；

对于稳态热力网络，管段所处外部环境稳定，因此T_e、∑R均为常数，从而式(2)的解为

式中，e为自然常数；

步骤102)建立节点平衡方程：

对于热网中的任一节点，流经节点i的能量和为零；流经同一节点的热媒流量和为零，如式(4)和式(5)所示：

式中，q_s,i为由节点i流入热源的热媒流量,q_ij为由节点i流向节点j的热媒流量，I为与节点i相连的节点的集合；T_s,i为由节点i流入热源的热媒温度；T_ij为由节点i流向节点j的热媒温度，

同一管段中的流体流量必须连续，即如式(6)所示：

q_ij+q_ji＝0 式(6)

式中，q_ji为由节点j流向节点i的热媒流量；

设热网温度场为稳态场，从同一节点流出的热媒温度相同，如式(7)所示：

T_ij＝T_ik,q_ij>0&q_ik>0j,k∈I 式(7)

式中，T_ij为由节点i流向节点j的热媒温度，T_ik为由节点i流向节点k的热媒温度，q_ij为节点i流向节点j的热媒流量、q_ik为节点i流向节点k的热媒流量；

从CCHP流入热网的热媒温度为系统供水温度，如式(8)所示：

T_s,i＝T_sw,q_s,i<0 式(8)

式中，T_sw为系统供水温度，单位：℃；

当管道中流体流速过大会产生噪声，因此约束管段i-j中的热媒流速，如式(9)所示：

式中，v_ij ^max为管段i-j允许的最大流速，单位：m/s；S_ij为管段i-j的横截面面积，单位：m²；

设第i个CCHP系统与管网交互热功率为H_s,i，则有

H_s,i＝kq_s,i(T_s,i-T_rw) 式(10)

式中，T_rw为供热系统回水温度，单位：℃；

式(3)至式(10)联立，形成热网能量传输通用模型。

作为优选例，所述的步骤10)中，建立热网能量流模型和热网温度-流量方程的过程为：

步骤111)建立热网能量流模型，具体包括步骤1111)～步骤1114)：

步骤1111)建立可利用热功率方程：

设供水管道中热媒所含热功率与回水系统中对应热媒所含热功率之差为热媒的可利用热功率H′，如式(11)所示：

H′＝kq(T-T_rw) 式(11)

式中，T为供水管道中热媒温度；

由式(2)可导出式(12)：

该式两边同时减去kqT_rw，则有式(13)：

式中，H′表示可利用的热媒热功率，即热媒在供热时所含有的热功率与进入回水系统时所含有的热功率之差；H′₀＝kq(T₀-T_rw)；

步骤1112)建立网络热损方程：

记管网中可利用热功率的损失为ΔH′，即ΔH′＝H′₀-H′，代入式(13)得式(14)：

步骤1113)建立热损近似方程：

建立初步的热损近似方程，如式(15)所示：

设定管道中传输的可利用热功率必须大于临界值，且必须小于管段可传输的最大可利用热功率，如式(16)所示：

式中，H′_ij为由管道i-j流入节点i的热媒所包含的可利用热功率，设当热媒流向从节点i流出时，H′_ij符号为负，反之为正；为管段可传输的最小可利用热功率，为管段可传输的最大可利用热功率；和的选取应同时满足式(9)，从而取值如式(17)所示：

在式(16)的条件下，管道中传输的热媒温度T总是处于供水温度与回水温度之间，同时对于同一管段，T₀在T_rw～T_sw之间取不同值时，所对应的ΔH'数值上相差很小，从而将式(15)进一步近似为式(18)，为热损近似方程：

步骤1114)建立热网能量流模型，如式(19)所示：

式中，H_s,i表示由节点i流入热源的热功率，H′_ij表示由节点i流入节点j的可利用热功率，H′_ji表示由节点j流入节点i的可利用热功率，ΔH′_ji表示由节点j流向节点i的热媒在管段i-j上的可利用热功率损失；

所述热网能量流模型将管网可利用热功率与管段中热媒流量、温度解耦，仅包含可利用热功率变量；

步骤112)建立热网流量-温度方程，具体包括步骤1121)～1122)：

步骤1121)建立热网流量-温度方程：

对于一个Z节点、W管段的热网，可利用热功率与流量关系如式(20)所示：

流向同一节点的流体在节点处发生热传递后，热网温度场为稳态场，因此假设从同一节点流出的热媒具有相同的温度，即满足式(21)：

T_ij＝T_i,H′_ij>0 式(21)

式中，T_i为节点i处的热媒温度；

由式(5)和式(6)可得式(22)：

步骤1122)建立的热网流量-温度方程：

设网络中含有S个CCHP，其中有S₁个CCHP向网络注入热量，S₂个CCHP从网络取出热量；每一管段含有两个流量变量和两个温度变量，W个管段共有4W个变量；Z个节点共含有Z个温度变量；每一个源含有一个流量变量和一个温度变量，S个源共含有2S个变量；因此热网总计包含4W+2S+Z个流量和温度变量；

在网络可利用热功率确定之后，式(20)含有2W+S个独立方程；对于式(21)，由于网络中有S₁个CCHP向热网注入热量，S₂个CCHP从热网索取热量，则该式包含W+S₂个方程；式(22)共含有W+Z个方程；

式(20)、式(21)和式(22)共包含4W+S+S₂+Z个独立方程，需要S₁个初始条件即可求出全部变量；S₁个初始条件为热网供水温度，从而得到热网流量-温度方程组如式(23)所示：

作为优选例，所述的步骤10)中，建立热网运行费用的过程为：

设热网运行费用为管网中循环水泵的电费，用耗电输热比进行估计，如式(24)所示：

式中，C_p为热网运行电费，单位：元；R为循环水泵数量；M为调度周期时段数；EHR_i为第i个水泵的耗电输热比；c_e,b,t表示t时段购电电价，单位：元/(kW·h)；H_i,t为第i台水泵输送的热量，单位：kW；Δt为调度时段的时长，单位：h。

作为优选例，所述的步骤20)中，建立多区域综合能源系统运行优化模型的过程为：

201)建立多区域综合能源系统物理结构：多区域综合能源系统包含若干个不同区域的CCHP系统、热网、电网、水网和燃气网；各个CCHP与电网、燃气网和水网相连接，以获取所需的电能、燃气和水；各个CCHP之间通过热网以拓扑结构实现相互连接，实现CCHP之间的热能强耦合；CCHP的电能通过电网实现弱耦合；当允许向电网售电时，CCHP系统将多余的电能出售给电网；各个CCHP系统通过热网进行热功率交换，热能供应过剩的区域向热网注入热能，热能供应不足的区域从热网得到热能；

202)建立目标函数：

含有热网的并网型多区域综合能源系统的运行优化目标函数包括IES从电网购电费用、向电网售电所得费用、燃气费和热网运行费用四部分，如式(25)所示：

min C_IES＝C_e,b-C_e,s+C_g+C_p 式(26)

式中，C_IES为多区域综合能源系统的运行成本，单位：元；C_e,b为IES从电网购电费用，单位：元，C_e,b；如式(26)所示；C_e,s为IES向电网售电所得费用，单位：元，C_e,s如式(27)所示；C_g为燃气费用，单位：元，C_g如式(28)所示；C_p为热网运行费用，单位：元；

式中，N为CCHP系统数量；M为调度周期时段数；c_e,b,t表示t时段购电电价，单位：元/(kW·h)；P_g,b,i,t为第i个CCHP系统在t时段从电网购电量，单位：kW；Δt为调度时段的时长，单位：h；

式中，c_e,s,t表示t时段售电电价，单位：元/(kW·h)；P_g,s,i,t为第i个CCHP系统在t时段的售电量，单位：kW；

式中，c_g为购买天然气的单位热值价格，单位：元/(kW·h)；P_GT,i,t为第i个CCHP系统在t时段微型燃气轮机GT的发电功率，单位：kW；Q_GB,i,t为第i个CCHP系统在t时段燃气锅炉GB产热功率，单位：kW；η_GT,i为第i个CCHP系统中GT的效率；η_GB,i为第i个CCHP系统中GB的效率；

203)建立约束条件，具体包括步骤2031)～2038)：

2031)建立CCHP系统的电气母线平衡约束，如式(29)所示：

P_g,b+P_PV+P_BT,D+P_GT＝L_E+P_EC+P_BT,C+P_g,s 式(30)

式中，P_g,b为系统从电网购买的电功率，单位：kW；P_PV为光伏系统的发电功率，单位：kW；P_BT,D为蓄电装置的放电功率，单位：kW；P_GT为GT的发电功率，单位：kW；L_E为电负荷功率，单位：kW；P_EC为电制冷机所需电功率，单位：kW；P_BT,C为蓄电装置的充电功率，单位：kW；P_g,s为系统从电网出售的电功率，单位：kW；

2032)建立CCHP系统的烟气母线平衡约束，如式(30)所示：

H_Rec＝α_GTH_GT 式(31)

式中，H_Rec为热回收装置输出功率，单位：kW；H_GT为GT产热功率，单位：kW；

α_GT为GT烟气和电功率之比。

2033)建立CCHP系统的蒸汽母线平衡约束，如式(31)所示：

H_Rec+H_GB＝H_AC+H_HE/η_HE 式(32)

式中，H_GB为燃气锅炉输出烟气功率，单位：kW；H_AC为吸收式制冷装置消耗烟气功率，单位：kW；H_HE为换热装置输出热功率，单位：kW；η_HE为换热装置效率；

2034)建立CCHP系统的空气母线平衡约束，如式(32)所示：

C_EC+C_AC＝L_C 式(33)

式中，C_EC为电制冷机输出冷功率，单位：kW，C_EC如式(33)所示；C_AC为吸收式制冷装置输出冷功率，单位：kW，C_AC如式(33)所示；L_C为冷负荷，单位：kW；当允许弃冷时，式(32)中等号变为大于等于号；

C_EC＝η_ECP_EC；C_AC＝η_ACP_AC 式(34)

式中，η_EC为电制冷设备效率；η_AC为吸收式制冷设备效率；P_EC为电制冷转置输入电功率，单位：kW；H_AC为吸收式制冷设备输入热功率，单位：kW；

2035)建立CCHP系统的热水母线平衡约束，如式(34)所示：

H_HE+H_ex＝L_T 式(35)

当允许弃热时，式(34)中等号变为大于等于号；式中，H_ex为IES与热网交互热功率，单位：kW，由热网流向IES时为正，反之为负；L_T为热负荷功率，单位：kW；

2036)建立CCHP系统中各设备功率约束，如式(35)所示：

P_min≤P≤P_max；H_min≤H≤H_max；C_min≤C≤C_max 式(36)

式中，P为设备的电功率；H为设备的热功率；C为设备的冷功率；P_min为设备的电功率下限；P_max为设备的电功率上限；H_min为设备的热功率下限；H_max为设备的热功率上限；C_min为设备的冷功率下限；C_max为设备的冷功率上限；

2037)建立CCHP系统中储能设备约束：

储能装置储能功率约束，如式(36)所示：

0≤P_BT,C≤γ_BT,CCap_BT 式(37)

式中，P_BT,C为储能装置蓄能功率；Cap_BT为储能装置容量；γ_BT,C为最大蓄能倍率；

储能装置释放能量功率约束，如式(37)所示：

0≤P_BT,D≤γ_BT,DCap_BT 式(38)

式中，P_BT,D为储能装置释放能量功率；γ_BT,D为最大释放能量倍率；

储能装置能量约束，如式(38)所示：

W_BT,min≤W_BT≤W_BT,max 式(39)

式中，W_BT,min为储能装置的最小储存能量，单位：kWh；W_BT,max为储能装置的最大储存能量；单位：kWh；W_BT为储能装置储存能量，单位：kWh，W_BT满足式(39)：

式中，为储能装置释放能量后的存储能量、为储能装置释放能量前的存储能量，kWh；σ_BT为自释能量率；η_BT,C为蓄能效率；η_BT,D为释放能量效率；Δt为调度时段的时长，单位：h；

2038)建立热网约束，如式(17)、式(18)和式(19)所示。

有益效果：与现有技术相比，本发明实施例提出的基于运行优化模型的多区域综合能源系统运行方法，首先基于传热学基本原理建立了热网能量传输的通用非线性模型，接着将通用模型简化为热网能量流模型和热网流量-温度方程两个部分，热网能量流模型为线性模型，易于求解。基于CCHP运行优化模型，建立了含有热网的多区域综合能源系统运行优化混合整数线性规划模型。与单区域综合能源系统独立运行相比，本发明提出的含有热网多区域综合能源系统运行优化模型，实现了多区域内设备的统一调度，使设备尽可能的处于最佳工况，实现最优工作配合；同时使不同区域、相互独立的负荷特性耦合起来，利用不同负荷规律的互补性，实现最优能量管理，大幅降低运行费用，具有显著的经济效益。

另外，本发明所提出的多区域综合能源系统运行优化模型，同时实现了CCHP内部能量流最优与热网能量流最优，因此在无弃热时，热网内部热媒总沿着热损最小的路径流动，有利于进一步降低系统运行费用。

附图说明

图1是本发明实施例中简化的热网结构图；

图2是本发明实施例中的模型间相互关系图；

图3是本发明实施例中不同管段长度和热媒温度时ΔH'与H'₀的关系图；

图4是本发明实施例中含有热网的多区域综合能源系统结构图；

图5是本发明实施例中采用的CCHP系统结构图；

图6是本发明实施例的区域划分图。

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，以下结合附图及实施案例对本发明进行深入地详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

如图2所示，本发明实施例的一种基于运行优化模型的多区域综合能源系统运行方法，包括以下步骤：

步骤10)建立热网能量传输通用模型，并将所述热网能量传输通用模型简化为热网能量流模型和热网流量-温度方程两个部分；建立热网运行费用模型；

步骤20)基于CCHP运行优化模型，结合热网能量流模型，建立多区域综合能源系统运行优化模型；

步骤30)多区域综合能源系统按照步骤20)建立的运行优化模型运行。

在上述实施例中，作为优选例，所述的步骤10)中，建立热网能量传输通用模型的过程包括步骤101)和步骤102)。

步骤101)建立管段温差方程：

热网能量传输通用模型如图3所示。设热网节点数为Z，管段数为W，第i个CCHP系统与热网连接的节点记为i，节点i处的热媒温度为T_i℃，由节点i流入CCHP系统的热媒流量为q_s,im³/s，温度为T_s,i℃，热媒所含热功率为H_s,ikW；管段i-j流出节点i的热媒流量为q_ijm³/s，温度为T_i,j℃，热媒所含热功率为H_ijkW，热媒管段i-j的长度为l_ijkm；设当热媒流出节点i时，q_ij或q_s,i符号为正，反之为负；

热媒在管段内流动伴随着热能的损失，根据稳态传热基本原理，单位长度管道热损表达式如式(1)所示：

式中，Δh为单位长度管道上的热损失，单位：kW/km；T为管道中热媒温度，单位：℃；T_e为管道周围介质的平均温度，单位：℃；∑R为热媒到周围介质间每千米管道的总热阻，单位：km·℃/kW；

由式(1)得到：初始温度为T₀的热媒流过长度为l的管段后，流入、流出该管道的热功率如式(2)所示：

式中，H₀为流入管道的热功率，单位：kW；H为流出管道的热功率，单位：kW；k为比例常数，且k＝cρ：c为流体比热容，单位：kJ/(kg·℃)；ρ为流体密度，单位：kg/m³；q为管道中的流体流量，单位：m³/s；

对于稳态热力网络，管段所处外部环境稳定，因此T_e、∑R均为常数，从而式(2)的解为

式中，e为自然常数。

步骤102)建立节点平衡方程：

对于热网中的任一节点，由热力学第一定律可知，流经节点i的能量和为零；流经同一节点的热媒流量和为零，如式(4)和式(5)所示：

式中，q_s,i为由节点i流入热源的热媒流量,q_ij为由节点i流向节点j的热媒流量，I为与节点i相连的节点的集合；T_s,i为由节点i流入热源的热媒温度；T_ij为由节点i流向节点j的热媒温度；

同一管段中的流体流量必须连续，即如式(6)所示：

q_ij+q_ji＝0 式(6)

式中，q_ji为由节点i流向节点j的热媒流量；

设热网温度场为稳态场，从同一节点流出的热媒温度相同，如式(7)所示：

T_ij＝T_ik,q_ij>0&q_ik>0j,k∈I 式(7)

式中，T_ij为由节点i流向节点j的热媒温度，T_ik为由节点i流向节点k的热媒温度，q_ij为节点i流向节点j的热媒流量、q_ik为节点i流向节点k的热媒流量；

从CCHP流入热网的热媒温度为系统供水温度，如式(8)所示：

T_s,i＝T_sw,q_s,i<0 式(8)

式中，T_sw为系统供水温度，单位：℃；

当管道中流体流速过大会产生噪声，因此约束管段i-j中的热媒流速，如式(9)所示：

式中，v_ij ^max为管段i-j允许的最大流速，单位：m/s；S_ij为管段i-j的横截面面积，单位：m²；

设第i个CCHP系统与管网交互热功率为H_s,i，则有

H_s,i＝kq_s,i(T_s,i-T_rw) 式(10)

式中，T_rw为供热系统回水温度，单位：℃；

式(3)至式(10)联立，形成热网能量传输通用模型。热网能量传输通用模型为非线性模型，可较为精确的反应热网运行过程中的状态参量。

作为优选例，所述的步骤10)中，建立热网能量流模型和热网温度-流量方程的过程包括步骤111)和步骤112)。

步骤111)建立热网能量流模型，具体包括步骤1111)～步骤1114)：

步骤1111)建立可利用热功率方程：

设供水管道中热媒所含热功率与回水系统中对应热媒所含热功率之差为热媒的可利用热功率H′，如式(11)所示：

H′＝kq(T-T_rw) 式(11)

式中，T为供水管道中热媒温度；

由式(2)可导出式(12)：

该式两边同时减去kqT_rw，则有式(13)：

式中，H′表示可利用的热媒热功率，即热媒在供热时所含有的热功率与进入回水系统时所含有的热功率之差；H′₀＝kq(T₀-T_rw)；

步骤1112)建立网络热损方程：

记管网中可利用热功率的损失为ΔH′，即ΔH′＝H′₀-H′，代入式(13)得式(14)：

式(14)中，T_e、T_rw和∑R为常数，ΔH'为关于T₀、l和H'₀三个量的函数。

步骤1113)建立热损近似方程：

建立初步的热损近似方程，如式(15)所示：

设定管道中传输的可利用热功率必须大于临界值，且必须小于管段可传输的最大可利用热功率，如式(16)所示：

式中，H'_ij为由管道i-j流入节点i的热媒所包含的可利用热功率，设当热媒流向从节点i流出时，H'_ij符号为负，反之为正；为管段可传输的最小可利用热功率，为管段可传输的最大可利用热功率；和的选取应同时满足式(9)，从而取值如式(17)所示：

在式(16)的条件下，管道中传输的热媒温度T总是处于供水温度与回水温度之间，同时对于同一管段，T₀在T_rw～T_sw之间取不同值时，所对应的ΔH'数值上相差很小，从而将式(15)进一步近似为式(18)，为热损近似方程：

在建立初步的热损近似方程的过程中，设∑R＝20km℃/kW，T_e＝0℃，T_rw＝70℃，T₀分别取80℃、85℃和90℃，当管段l长度分别为0.8km、1km、1.2km、1.5km时，ΔH'与H'₀关系如图4所示。由图4可知，在临界线右侧ΔH'接近常数，由此可得式(15)。式(15)中，约等号右边实际上是ΔH'在l＝0处的一阶泰勒级数。图4中临界线的左侧，ΔH'＞H'₀，对应的实际情况为，由于管道热功率损失过大，因此管段中热媒温度小于回水系统热媒温度，热网失去作用。因此为了保证热网效率，设定管道中传输的可利用热功率必须大于临界值，且必须小于管段可传输的最大可利用热功率，即得到式(16)。

验证热损近似方程的精确性：为了验证线性化的精确程度，取∑R＝20km℃/kW，T_e＝0℃，T_sw＝90℃，T_rw＝70℃，l＝1km，T₀分别取92℃、90℃和88℃，利用式(14)计算得到的ΔH'精确值如表1所示，利用式(18)计算ΔH'近似值为28.27kW。线性化带来的相对误差(即|近似值-精确值|/精确值×100％)如表1所示，易知当T₀取值在88℃～92℃范围内，式(18)具有较高的精确性。

表1 ΔH'计算结果及其相对误差

步骤1114)建立热网能量流模型，如式(19)所示：

式中，H_s,i表示由节点i流入热源的热功率，H′_ij表示由节点i流入节点j的可利用热功率，H′_ji表示由节点j流入节点i的可利用热功率，ΔH′_ji表示由节点j流向节点i的热媒在管段i-j上的可利用热功率损失；

所述热网能量流模型将管网可利用热功率与管段中热媒流量、温度解耦，仅包含可利用热功率变量。通过引入状态变量，将该模型转换为混合整数线性模型，易于求解。

步骤112)建立热网流量-温度方程，具体包括步骤1121)～1122)：

步骤1121)建立热网流量-温度方程：

对于热网的调度与控制，除了其热功率分布外，还需获得热网中热媒的流量与温度。

对于一个Z节点、W管段的热网，可利用热功率与流量关系如式(20)所示：

流向同一节点的流体在节点处发生热传递后，热网温度场为稳态场，因此假设从同一节点流出的热媒具有相同的温度，即满足式(21)：

T_ij＝T_i,H′_ij>0 式(21)

式中，T_i为节点i处的热媒温度；

由式(5)和式(6)可得式(22)：

步骤1122)建立的热网流量-温度方程：

设网络中含有S个CCHP，其中有S₁个CCHP向网络注入热量，S₂个CCHP从网络取出热量；每一管段含有两个流量变量和两个温度变量，W个管段共有4W个变量；Z个节点共含有Z个温度变量；每一个源含有一个流量变量和一个温度变量，S个源共含有2S个变量；因此热网总计包含4W+2S+Z个流量和温度变量；

在网络可利用热功率确定之后，式(20)含有2W+S个独立方程；对于式(21)，由于网络中有S₁个CCHP向热网注入热量，S₂个CCHP从热网索取热量，则该式包含W+S₂个方程；式(22)共含有W+Z个方程；

式(20)、式(21)和式(22)共包含4W+S+S₂+Z个独立方程，需要S₁个初始条件即可求出全部变量；S₁个初始条件为热网供水温度，从而得到热网流量-温度方程组如式(23)所示：

在得到热网最优H_s,i和H'_ij后，根据式(23)的方程组可求出q_ij、q_s,i、T_ij和T_s,i。

作为优选例，所述的步骤10)中，建立热网运行费用的过程为：

设热网运行费用为管网中循环水泵的电费，用耗电输热比进行估计，如式(24)所示：

式中，C_p为热网运行电费，单位：元；R为循环水泵数量；M为调度周期时段数；EHR_i为第i个水泵的耗电输热比；c_e,b,t表示t时段购电电价，单位：元/(kW·h)；H_i,t为第i台水泵输送的热量，单位：kW；Δt为调度时段的时长，单位：h。

作为优选例，所述的步骤20)中，建立多区域综合能源系统运行优化模型的过程为：

步骤201)建立多区域综合能源系统物理结构：如图1所示，多区域综合能源系统(IES)系统包含若干个不同区域的CCHP系统、热网、电网、水网和燃气网；各个CCHP与电网、燃气网和水网相连接，以获取所需的电能、燃气和水；各个CCHP之间通过热网以拓扑结构实现相互连接，实现CCHP之间的热能强耦合；CCHP的电能通过电网实现弱耦合；当允许向电网售电时，CCHP系统将多余的电能出售给电网；各个CCHP系统通过热网进行热功率交换，热能供应过剩的区域向热网注入热能，热能供应不足的区域从热网得到热能。

由于CCHP系统与热网热能交互具有双向性，从而其耦合环节应具有方向选择性。如图5所示，热网通过自动控制阀V1、V2分别与换热装置和热负荷相连。当CCHP系统向热网注入热量时，阀门V1打开，V2闭合，热网直接与换热装置相连；当热网从CCHP系统吸收热量时，阀门V1闭合，V2打开，热网直接与热负荷相连。

步骤202)建立目标函数：

含有热网的并网型多区域综合能源系统的运行优化目标函数包括IES从电网购电费用、向电网售电所得费用、燃气费和热网运行费用四部分，如式(25)所示：

min C_IES＝C_e,b-C_e,s+C_g+C_p 式(26)

式中，C_IES为多区域综合能源系统的运行成本，单位：元；C_e,b为IES从电网购电费用，单位：元，C_e,b；如式(26)所示；C_e,s为IES向电网售电所得费用，单位：元，C_e,s如式(27)所示；C_g为燃气费用，单位：元，C_g如式(28)所示；C_p为热网运行费用，单位：元；

式中，N为CCHP系统数量；M为调度周期时段数；c_e,b,t表示t时段购电电价，单位：元/(kW·h)；P_g,b,i,t为第i个CCHP系统在t时段从电网购电量，单位：kW；Δt为调度时段的时长，单位：h；作为优选，Δt＝1h。

式中，c_e,s,t表示t时段售电电价，单位：元/(kW·h)；P_g,s,i,t为第i个CCHP系统在t时段的售电量，单位：kW；

式中，c_g为购买天然气的单位热值价格，单位：元/(kW·h)；P_GT,i,t为第i个CCHP系统在t时段微型燃气轮机GT的发电功率，单位：kW；Q_GB,i,t为第i个CCHP系统在t时段燃气锅炉GB产热功率，单位：kW；η_GT,i为第i个CCHP系统中GT的效率；η_GB,i为第i个CCHP系统中GB的效率；

本实施例假设热网运行所需电能直接从电网购买，电费计算采用式(25)。

步骤203)建立约束条件，具体包括步骤2031)～步骤2038)：

步骤2031)建立CCHP系统的电气母线平衡约束，如式(29)所示：

P_g,b+P_PV+P_BT,D+P_GT＝L_E+P_EC+P_BT,C+P_g,s 式(30)

式中，P_g,b为系统从电网购买的电功率，单位：kW；P_PV为光伏系统的发电功率，单位：kW；P_BT,D为蓄电装置的放电功率，单位：kW；P_GT为GT的发电功率，单位：kW；L_E为电负荷功率，单位：kW；P_EC为电制冷机所需电功率，单位：kW；P_BT,C为蓄电装置的充电功率，单位：kW；P_g,s为系统从电网出售的电功率，单位：kW；

2032)建立CCHP系统的烟气母线平衡约束，如式(30)所示：

H_Rec＝α_GTH_GT 式(31)

式中，H_Rec为热回收装置输出功率，单位：kW；H_GT为GT产热功率，单位：kW；α_GT为GT烟气和电功率之比。

2033)建立CCHP系统的蒸汽母线平衡约束，如式(31)所示：

H_Rec+H_GB＝H_AC+H_HE/η_HE 式(32)

式中，H_GB为燃气锅炉输出烟气功率，单位：kW；H_AC为吸收式制冷装置消耗烟气功率，单位：kW；H_HE为换热装置输出热功率，单位：kW；η_HE为换热装置效率；

2034)建立CCHP系统的空气母线平衡约束，如式(32)所示：

C_EC+C_AC＝L_C 式(33)

式中，C_EC为电制冷机输出冷功率，单位：kW，C_EC如式(33)所示；C_AC为吸收式制冷装置输出冷功率，单位：kW，C_AC如式(33)所示；L_C为冷负荷，单位：kW；当允许弃冷时，式(32)中等号变为大于等于号；

C_EC＝η_ECP_EC；C_AC＝η_ACP_AC 式(34)

式中，η_EC为电制冷设备效率；η_AC为吸收式制冷设备效率；P_EC为电制冷转置输入电功率，单位：kW；H_AC为吸收式制冷设备输入热功率，单位：kW；

2035)建立CCHP系统的热水母线平衡约束，如式(34)所示：

H_HE+H_ex＝L_T 式(35)

当允许弃热时，式(34)中等号变为大于等于号；式中，H_ex为IES与热网交互热功率，单位：kW，由热网流向IES时为正，反之为负；L_T为热负荷功率，单位：kW；

2036)建立CCHP系统中各设备功率约束，如式(35)所示：

P_min≤P≤P_max；H_min≤H≤H_max；C_min≤C≤C_max 式(36)

式中，P为设备的电功率；H为设备的热功率；C为设备的冷功率；P_min为设备的电功率下限；P_max为设备的电功率上限；H_min为设备的热功率下限；H_max为设备的热功率上限；C_min为设备的冷功率下限；C_max为设备的冷功率上限；

2037)建立CCHP系统中储能设备约束：

储能设备分为蓄电、蓄热和蓄冷装置三类。储能装置储能功率约束，如式(36)所示：

0≤P_BT,C≤γ_BT,CCap_BT 式(37)

式中，P_BT,C为储能装置蓄能功率；Cap_BT为储能装置容量；γ_BT,C为最大蓄能倍率；

储能装置释放能量功率约束，如式(37)所示：

0≤P_BT,D≤γ_BT,DCap_BT 式(38)

式中，P_BT,D为储能装置释放能量功率；γ_BT,D为最大释放能量倍率；

储能装置能量约束，如式(38)所示：

W_BT,min≤W_BT≤W_BT,max 式(39)

式中，W_BT,min为储能装置的最小储存能量，单位：kWh；W_BT,max为储能装置的最大储存能量；单位：kWh；W_BT为储能装置储存能量，单位：kWh，W_BT满足式(39)：

式中，为储能装置释放能量后的存储能量、为储能装置释放能量前的存储能量，kWh；σ_BT为自释能量率；η_BT,C为蓄能效率；η_BT,D为释放能量效率；Δt为调度时段的时长。作为优选，Δt＝1h。

2038)建立热网约束，如式(17)、式(18)和式(19)所示。

该实施例中，运行优化模型的目标函数和约束条件均为线性，同时含有0-1变量，因此为混合整数线性规划模型。该实施例中，建立热网能量流模型和CCHP优化模型的目的是确定热网和CCHP的最优能量流。建立热网流量-温度方程的目的是，在确定热网能量流后，求解出热网中热媒的流量和温度，以实现热网的自动调度。

本发明实施例首先建立热网能量流模型和热网流量-温度方程，接着基于CCHP运行优化模型，建立了含有热网的多区域综合能源系统运行优化混合整数线性规划模型。与单区域综合能源系统独立运行相比，本发明实施例实现了多区域内设备的统一调度，使设备尽可能的处于最佳工况，实现最优工作配合；同时使不同区域、相互独立的负荷特性耦合起来，利用不同负荷规律的互补性，实现最优能量管理，大幅降低运行费用，具有显著的经济效益。本发明实施例能够将各区域冷、热负荷进行耦合，充分利用区域间负荷特性的互补性，使多个区域CCHP的统一规划、统一设计与协同运成为可能，从而达到进一步提高能源系统效益、实现整体最优的目的。

下面例举一实施例。

以某综合区域为例，如图6所示，该区域划分为居民区、商业区、办公区和工业区共四个子区域，每个子区域建有CCHP系统，各CCHP系统通过区域热网连接形成区域综合能源系统。CCHP可向热网注入热量，也可从热网获得热量。热网一方面将各个CCHP耦合起来，为多区域CCHP的联合调度提供基础，另一方面实现了各个区域的热负荷耦合，综合利用不同区域的负荷特性达到能量管理的目的。

图6中CCHP系统的结构如图5所示。其中，居民区和办公区不配置蓄电池，商业区和工业区配置蓄电池。各设备容量见表。热网参数如表3所示，仿真中利用各个管段输送的热功率计算热网运行费用。

表2 CCHP中各设备容量

表3热网参数

居民区、商业区和办公区采用固定电价，居民区电价为0.5283元/kWh，商业区、办公区电价为0.882元/kWh，工业区采用分时电价，电价见表4。向电网售电价格为0.606元/(kW·h)，天然气折合为单位热值价格为0.283元/(kW·h)。其它参数见表5至表7。

表4 A1工业区分时电价

表5 A2居民区和商业区负荷参数和光伏发电预测功率

表6 A3办公区和工业区负荷参数和光伏发电预测功率

表7 A4IES的其他参数

以冬季某典型日为例，①区域间不配置热网。此时各个CCHP独立运行，系统运行优化模型，如文献：王成山,洪博文,郭力,等.冷热电联供微网优化调度通用建模方法[J].中国电机工程学报,2013,33(31):26-33，所公开的模型。该系统所采用的系统参数见表4～表7。利用模型可算得，系统的日运行费用为32.42万元。②采用本专利提出的系统结构时，系统的日运行费用为28.92万元，节省约11％。可见，采用本发明实施例配置热网的综合能源系统能够极大的降低运行成本。

本专利提出的多区域综合能源系统结构，通过热网实现了不同区域热能的交换。一方面实现了对不同区域的CCHP进行统一调度，使设备尽可能的处于最佳工况，实现最优工作配合；另一方面，热网使不同区域、相互独立的负荷特性耦合起来，利用不同负荷规律的互补性，实现最优能量管理，进一步提高系统运行经济性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于运行优化模型的多区域综合能源系统运行方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤10)建立热网能量传输通用模型，并将所述热网能量传输通用模型简化为热网能量流模型和热网流量-温度方程两个部分；建立热网运行费用模型；所述的步骤10)中，建立热网能量传输通用模型的过程为：

步骤101)建立管段温差方程：

设热网节点数为Z，管段数为W，第i个冷热电联供系统与热网连接的节点记为i，节点i处的热媒温度为T_i℃，由节点i流入冷热电联供系统的热媒流量为q_s,im³/s，温度为T_s,i℃，热媒所含热功率为H_s,ikW；管段i-j流出节点i的热媒流量为q_ijm³/s，温度为T_i,j℃，热媒所含热功率为H_ijkW，热媒管段i-j的长度为l_ijkm；设当热媒流出节点i时，q_ij或q_s,i符号为正，反之为负；

单位长度管道热损表达式如式(1)所示：

式中，Δh为单位长度管道上的热损失，单位：kW/km；T为管道中热媒温度，单位：℃；T_e为管道周围介质的平均温度，单位：℃；∑R为热媒到周围介质间每千米管道的总热阻，单位：km·℃/kW；

由式(1)得到：初始温度为T₀的热媒流过长度为l的管段后，流入、流出该管道的热功率如式(2)所示：

式中，H₀为流入管道的热功率，单位：kW；H为流出管道的热功率，单位：kW；k为比例常数，且k＝cρ：c为流体比热容，单位：kJ/(kg·℃)；ρ为流体密度，单位：kg/m³；q为管道中的流体流量，单位：m³/s；

对于稳态热力网络，管段所处外部环境稳定，因此T_e、∑R均为常数，从而式(2)的解为

式中，e为自然常数；

步骤102)建立节点平衡方程：

对于热网中的任一节点，流经节点i的能量和为零；流经同一节点的热媒流量和为零，如式(4)和式(5)所示：

式中，q_s,i为由节点i流入热源的热媒流量,q_ij为由节点i流向节点j的热媒流量，I为与节点i相连的节点的集合；T_s,i为由节点i流入热源的热媒温度；T_ij为由节点i流向节点j的热媒温度，

同一管段中的流体流量必须连续，即如式(6)所示：

q_ij+q_ji＝0 式(6)

式中，q_ji为由节点j流向节点i的热媒流量；

设热网温度场为稳态场，从同一节点流出的热媒温度相同，如式(7)所示：

T_ij＝T_ik,q_ij>0&q_ik>0 j,k∈I 式(7)

式中，T_ij为由节点i流向节点j的热媒温度，T_ik为由节点i流向节点k的热媒温度，q_ij为节点i流向节点j的热媒流量、q_ik为节点i流向节点k的热媒流量；

从冷热电联供流入热网的热媒温度为系统供水温度，如式(8)所示：

T_s,i＝T_sw,q_s,i<0 式(8)

式中，T_sw为系统供水温度，单位：℃；

当管道中流体流速过大会产生噪声，因此约束管段i-j中的热媒流速，如式(9)所示：

式中，v_ij ^max为管段i-j允许的最大流速，单位：m/s；S_ij为管段i-j的横截面面积，单位：m²；

设第i个冷热电联供系统与管网交互热功率为H_s,i，则有

H_s,i＝kq_s,i(T_s,i-T_rw) 式(10)

式中，T_rw为供热系统回水温度，单位：℃；

式(3)至式(10)联立，形成热网能量传输通用模型；

所述的步骤10)中，建立热网能量流模型和热网流量-温度方程的过程为：

步骤111)建立热网能量流模型，具体包括步骤1111)～步骤1114)：

步骤1111)建立可利用热功率方程：

设供水管道中热媒所含热功率与回水系统中对应热媒所含热功率之差为热媒的可利用热功率H′，如式(11)所示：

H′＝kq(T-T_rw) 式(11)

式中，T为供水管道中热媒温度；

由式(2)可导出式(12)：

该式两边同时减去kqT_rw，则有式(13)：

式中，H′表示热媒的可利用热功率，即热媒在供热时所含有的热功率与进入回水系统时所含有的热功率之差；H′₀＝kq(T₀-T_rw)；

步骤1112)建立网络热损方程：

记管网中可利用热功率的损失为ΔH′，即ΔH′＝H′₀-H′，代入式(13)得式(14)：

步骤1113)建立热损近似方程：

建立初步的热损近似方程，如式(15)所示：

设定管道中传输的可利用热功率必须大于临界值，且必须小于管段可传输的最大可利用热功率，如式(16)所示：

式中，H'_ij为由管道i-j流入节点i的热媒所包含的可利用热功率，设当热媒流向从节点i流出时，H'_ij符号为负，反之为正；为管段可传输的最小可利用热功率，为管段可传输的最大可利用热功率；和的选取应同时满足式(9)，从而取值如式(17)所示：

在式(16)的条件下，管道中传输的热媒温度T总是处于供水温度与回水温度之间，同时对于同一管段，T₀在T_rw～T_sw之间取不同值时，所对应的ΔH'数值上相差很小，从而将式(15)进一步近似为式(18)，为热损近似方程：

步骤1114)建立热网能量流模型，如式(19)所示：

式中，H_s,i表示由节点i流入热源的热功率，H′_ij表示由节点i流入节点j的可利用热功率，H′_ji表示由节点j流入节点i的可利用热功率，ΔH′_ji表示由节点j流向节点i的热媒在管段i-j上的可利用热功率损失；

所述热网能量流模型将管网可利用热功率与管段中热媒流量、温度解耦，仅包含可利用热功率变量；

步骤112)建立热网流量-温度方程，具体包括步骤1121)～1122)：

步骤1121)建立热网流量-温度方程：

对于一个Z节点、W管段的热网，可利用热功率与流量关系如式(20)所示：

流向同一节点的流体在节点处发生热传递后，热网温度场为稳态场，因此假设从同一节点流出的热媒具有相同的温度，即满足式(21)：

T_ij＝T_i,H′_ij>0 式(21)

式中，T_i为节点i处的热媒温度；

由式(5)和式(6)可得式(22)：

步骤1122)建立的热网流量-温度方程：

设网络中含有S个冷热电联供，其中有S₁个冷热电联供向网络注入热量，S₂个冷热电联供从网络取出热量；每一管段含有两个流量变量和两个温度变量，W个管段共有4W个变量；Z个节点共含有Z个温度变量；每一个源含有一个流量变量和一个温度变量，S个源共含有2S个变量；因此热网总计包含4W+2S+Z个流量和温度变量；

在网络可利用热功率确定之后，式(20)含有2W+S个独立方程；对于式(21)，由于网络中有S₁个冷热电联供向热网注入热量，S₂个冷热电联供从热网索取热量，则该式包含W+S₂个方程；式(22)共含有W+Z个方程；

式(20)、式(21)和式(22)共包含4W+S+S₂+Z个独立方程，需要S₁个初始条件即可求出全部变量；S₁个初始条件为热网供水温度，从而得到热网流量-温度方程组如式(23)所示：

步骤20)基于冷热电联供运行优化模型，结合热网能量流模型，建立多域区综合能源系统运行优化模型；

步骤30)多区域综合能源系统按照步骤20)建立的运行优化模型运行。