CN106845701B - 一种基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法 - Google Patents

一种基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法，包括以下步骤：步骤10)分别建立考虑传输延时的热网模型以及考虑蓄热特性的建筑物模型；步骤20)结合冷热电联供系统模型、热网模型及建筑物模型，建立综合能源系统优化模型；步骤30)运用综合能源系统优化模型求解得到最优调度计划，并按照该最优调度计划，控制燃气轮机和燃气锅炉每小时的出力，并向电网与风电场购电。该方法将热网与用户均纳入调度范畴，能实现多自由度的负荷调整，提高系统运行灵活，从而为消纳风电提供更大的裕度。

Description

一种基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法
技术领域
本发明属于综合区域能源系统热电联合调度领域，具体来说，涉及一种基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法。
背景技术
近年来，风电作为一种可再生能源由于其技术成熟，经济性较好且能源效率较高得到了快速发展。截止2015年底，全球风电总装机容量达到423GW，新增装机容量为63GW，其中，中国占30.5GW。中国风电的发展主要在三北地区，三北地区风力资源丰富且冬季热负荷需求极大。然而，随着风电的快速发展，风电消纳却由于热电联供中热出力与电出力的强耦合关系受到了限制。在吉林省，约有70％的热负荷由集中式热电联供机组(对应英文combined heating and power，文中简称CHP)供应。热电联供机组在冬季一般运行在“以热定电”模式。这种运行模式极大的限制了CHP机组的电出力。在夜间，热负荷较高而电负荷较低，CHP机组运行在“以热定电”模式下则电力供应供过于求，因此导致此时段弃风严重。根据国家能源局数据显示，2016年上半年，全国平均风电利用小时数为917h，弃风量为323TWh，平均风电消纳率为21％。总之，风电消纳已成为风电行业可持续发展的关键问题。为解决风电消纳问题，电力人员已进行了大量的研究，例如采用蓄电池、电锅炉等。考虑到风电与热负荷在时间与空间上的关系，即风力资源丰富的地区与时间一般也是热负荷需求较大的地区与时间，故从整体能源消费的角度看，可以利用热力系统为风电消纳提供空间。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提出一种基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法，该方法既能利用热网传输延时通过在时间尺度上错开供需，又能利用房屋蓄热特性改变负荷分布，提高热电联供系统运行灵活性，有效改善弃风问题，提升系统整体经济性。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法，该方法包括以下步骤：
步骤10)分别建立考虑传输延时的热网模型以及考虑蓄热特性的建筑物模型；
步骤20)结合冷热电联供系统模型、热网模型及建筑物模型，建立综合能源系统优化模型；
步骤30)运用综合能源系统优化模型求解得到最优调度计划，并按照该最优调度计划，控制燃气轮机和燃气锅炉每小时的出力，并向电网与风电场购电。
作为优选例，所述的步骤10)中，建立热网模型的过程为：
步骤101)建立热网管道模型，具体包括步骤1011)-步骤1015)：
步骤1011)建立节点流量平衡方程，如式(1)和式(2)所示：
式中：qps，kt表示第k段供水管道在t时刻的流量，单位：kg/h；qpr，k，t表示第k段回水管道在t时刻的流量，单位：kg/h；表示以节点i为终点的供水管道集合；表示以节点i为终点的回水管道集合，表示以节点i为起点的供水管道集合，表示以节点i为起点的供水管道集合，Sns表示供水管道节点集合，Snr表示回水管道节点集合，St表示调度时间段集合。
步骤1012)建立管道压损方程，如式(3)至式(5)所示：
式中：Δpps，k，t表示第k段供水管道在t时刻的压力损失，单位：m；μp表示压损因子，Sps表示供水管道集合，Δppr，k，t表示第k段回水管道在t时刻的压力损失，单位：m；Spr表示回水管道集合，Δppu，i，t表示第i个水泵在t时刻提供的压力，Spu表示管道中水泵集合；
步骤1013)建立温度-流量-热量方程，如式(6)和式(7)所示：
式中：表示第k段供水管道t时刻入口热量，单位：kW；C表示水的比热容；表示第k段供水管道t时刻入口温度，单位：℃；λ表示单位换算因子；表示第k段供水管道t时刻出口热量，单位：kW；表示第k段供水管道t时刻出口温度，单位：℃；表示第k段回水管道t时刻入口热量，单位：kW；表示第k段回水水管道t时刻入口温度，单位：℃；表示第k段回水管道t时刻出口热量，单位：kW；表示第k段回水水管道t时刻出口温度，单位：℃；
步骤1014)建立温度融合方程：根据热力学第一定律，设以节点i为终点的各管道流量在节点i处融合后形成一个稳定的温度场，则以节点i为起点的管道入口温度均相等且等于节点温度，如式(8)至式(11)所示：
式中：Tns，i，t表示供水管道节点i在t时刻的温度，单位：℃；Tnr，i，t表示回水管道节点i在t时刻的温度，单位：℃；
步骤1015)建立热网传输延时方程：
计算管道热水流速，如式(12)和式(13)所示：
式中：vps，k，t表示第k段供水管道内的热水在t时刻的流速，单位：m/s；ρ表示热水密度；dk表示第k段管道内径，单位：m；vpr，k，t表示第k段回水管道内的热水在t时刻的流速，单位：m/s；
热水流速约束条件满足式(14)和式(15)：
式中：表示第k段供水管道在t时刻热水流速下限，单位：m/s；vps，k，t，表示第k段供水管道在t时刻热水流速，单位：m/s；表示第k段供水管道在t时刻热水流速上限，单位：m/s；表示第k段回水管道在t时刻热水流速下限，单位：m/s；vpr，k，t表示第k段回水管道在t时刻热水流速，单位：m/s；表示第k段回水管道在t时刻热水流速上限，单位：m/s；
计算管道热水传输时间，如式(16)和式(17)所示：
式中：τps，k，t表示第k段供水管道在t时刻的传输时间，单位：h；lj表示第j段管道的长度，单位，m；vps，j，t表示第j段供水管道t时刻的热水流速，单位：m/s；Sps，k表示热水从热源与第k段供水管道之间的管道集合；τpr，k，t表示第k段回水管道在t时刻的传输时间，单位：h；Spr，k表示热水从热源流与第k段回水管道之间的管道集合；vpr，j，t表示第j段回水管道在t时刻的热水流速，单位：m/s；
对式(16)和式(17)计算的实际传输时间做取整处理，如式(18)和式(19)所示：
式中：表示第k段供水管道在t时刻的传输时间段，单位：h；表示第k段回水管道在t时刻的传输时间段，单位：h；Δt表示调度时间尺度，单位：h；
考虑热网传输延时及传输热损后，管道入口及出口温度满足如式(20)和式(21)所示约束：
式中：表示供水管道k1在t时刻入口处热量，单位：kW；表示供水管道k2在时刻出口处热量，单位：kW；μhn表示热网热损率；表示热源与供水管道k2之间的管道集合；Sps，hs表示与热源相连的供水管道集合；表示回水管道k1在i时刻入口处热量，单位：kW；表示回水管道k2在时刻出口处热量，单位：kW；表示热源与回水管道k2之间的管道集合；Spr，m表示与第m个换热器相连的回水管道集合；表示t时刻从热源流出的热水至第k2段供水管道的延时时间段；表示t时刻从第k2段回水管道流至热源的延时时间段；lj表示第j条管道的长度，单位：m；
步骤102)建立换热器模型：
热网中，一级换热器耦合热源与一级供热网，模型如式(22)和式(23)所示：
式中：表示供水管道k1在t时刻入口处热量，单位：kW；表示回水管道k2在t时刻出口处热量，单位：kW；Qgt，t表示燃气轮机在t时刻的热出力，单位：kW；Qgb，t表示燃气锅炉在t时刻的热出力，单位：kW；ηex，1表示一级热交换器的换热效率；表示第k1段供水管道在t时刻的热水流量，单位：kg/h；表示第k2段回水管道在t时刻的热水流量，单位：kg/h；Spr，hs表示与热源相连的回水管道集合；
二级换热器耦合一级供热网与二级供热网，模型如式(24)和式(25)所示：
式中：表示供水管道k1在t时刻出口处热量，单位：kW；表示回水管道k2在t时刻出口处热量，单位：kW；Qra，n，t表示第n个用户散热器在t时刻的散热功率，单位：kW；ηex，2表示二级换热器的换热效率；Sps，m表示与第m个二级换热器相连的供水管道集合；Spr，m表示与第m个二级换热器相连的回水管道集合。
作为优选例，所述的Δt＝0.5h，λ＝3600，C＝4.168kJ/(kg·℃)；ρ＝960kg/m3。
作为优选例，所述的步骤10)中，建立房屋模型的过程为：
步骤111)建立房屋温度变化模型，如式(26)和式(27)所示：
式中：表示第n个建筑物t+1时刻的室内温度，单位：℃；表示第n个建筑物t时刻室外温度，单位：℃；ηair表示空气导热率，单位：kW/℃；Tc表示调度周期；表示第n个建筑物t时刻的室内温度，单位：℃；Ushe，m，t表示第m个二级换热器在t时刻的开关状态，即Ushe，m，t＝1表示第m个二级换热器在t时刻打开，Ushe，m，t＝0表示第m个二级换热器在t时刻关闭；Tt min表示t时刻房屋温度下限，单位：℃；Tt max表示t时刻房屋温度上限，单位：℃；
步骤112)计算供热指标，如式(28)和式(29)所示：
式中：表示第n个建筑物t时刻的设计热负荷，单位：kW；表示第n个建筑物的面积热指标，单位：W/m2；An表示第n个建筑物面积，单位，m2。
作为优选例，所述的步骤20)包括以下过程：
步骤201)建立目标函数，如式(30)所示：
式中：Ctotal表示日运行总费用，单位：￥；Ce表示日运行购电费用，单位：￥；Cg表示日运行购买燃气费用，单位：￥；Com表示日运行维护费用，单位：￥；Cwt表示日运行弃风惩罚，单位：￥；Pgd，t表示t时刻从电网购电量，单位：kW；Kgd，e，t表示t时刻从电网购电电费，单位：￥/kWh；Pwt，t表示t时刻从风电场购电量，单位：kW；Kwt，e，t表示t时刻从风电场购电电费，单位：￥/kWh；ηgb，h表示燃气锅炉发热效率；Pgt，t表示表示燃气轮机在t时刻的出力，单位：kW；ηgt，e表示燃气轮机发电效率；Kg表示燃气单价，单位：￥/m3；Hng为燃气热值，单位：kWh/m3；Kgt，om表示燃气轮机运行维护费用，单位：￥/kWh；Kgb，om表示燃气锅炉运行维护费用，单位：￥/kWh；δ表示风电惩罚成本，单位：￥/kwh；表示t时刻风电预测出力，单位：kW；
步骤202)建立约束条件，包括步骤2021)至步骤2024)：
步骤2021)建立电功率平衡约束，如式(31)所示：
式中：Sshe表示二级换热器集合；Sra，m表示与第m个二级换热器相连的用户散热器集合；Pn，t表示第n个建筑物的电负荷，单位：kW；
步骤2022)建立燃气轮机运行约束，如式(32)至式(34)所示：
Qgt，t＝Pgt，t(1-ηgt，e-ηgt，loss)ηhr，h/ηgt，e 式(32)
式中：ηgt，loss表示燃气轮机损失率；ηhr，h表示热回收器回收效率；表示燃气轮机t时刻运行功率上限，单位：kW；表示燃气轮机t时刻运行功率下限，单位：kW；表示燃气轮机下坡上限约束，单位：kW；表示燃气轮机爬坡上限约束，单位：kW；Pgt，t-1表示燃气轮机在t-1时刻的出力，单位：kW；
步骤2023)建立最小启停时间约束：包括式(35)所示的燃气轮机的最小运行时间约束，式(36)所示的燃气轮机的停止时间约束，式(37)所示的二级换热器的最小运行时间约束，式(38)所示的二级换热器的停止时间约束：
式中：表示截止t时刻燃气轮机连续启动时间，单位：h；表示截止t-1时刻燃气轮机连续启动时间，单位：h；Ugt，t表示t时刻燃气轮机的运行状态，Ugt，t＝1表示t时刻燃气轮机正在运行，Ugt，t＝0表示t时刻燃气轮机停机；表示截止t时刻燃气轮机连续停机时间，单位：h；表示截止t-1时刻燃气轮机连续停机时间，单位：h；表示燃气轮机连续启动时间下限，单位：h；表示燃气轮机连续停机时间下限，单位：h；表示截止t时刻二级换热器连续启动时间，单位：h；表示截止t-1时刻二级换热器连续启动时间，单位：h；Ushe，m，t表示第m个二级换热器t时刻的开关状态，Ushe，m，t＝1表示第m个二级换热器t时刻开启，Ushe，m，t＝0表示第m个二级换热器t时刻关闭；表示截止t时刻二级换热器连续停止时间，单位：h；表示截止t-1时刻二级换热器连续停止时间，单位：h；表示二级换热器连续启动时间下限，单位：h；表示二级换热器连续停止时间下限，单位：h；
步骤2024)建立联络线功率约束，如式(39)所示：
式中：表示从电网购电下限，单位：kW；表示从电网购电上限，单位：kW。
作为优选例，所述的步骤30)中，将热网参数代入式(12)和式(13)，求得各管段流速；将热网参数与所求流速代入式(16)和式(17)，求得各管段具体延时；将具体延时代入式(18)和式(19)得到个管段延时时间段；最后将各管道延时时间段、热网参数以及系统参数代入综合能源系统优化模型求解，得最优调度计划；按照此最优调度计划控制燃气轮机、燃气锅炉出力，并向电网及风电场购电。
有益效果：与现有技术相比，本发明实施例具有以下优点：本发明实施例提出的基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法，首先建立了完整的区域热网模型，包括节点流量平衡、压力损失方程、节点温度融合方程以及热网传输延时等热网运行约束。其次，将房屋视为蓄热单位纳入调度范畴实际操作性更高，且无需另外加装蓄热槽等其他设备能有效提高经济性。最后，结合热网模型与房屋模型建立完整的涉及综合能源系统内源-网-荷各部分的优化运行模型。该模型能够实现多自由度的调度，有效提高系统运行灵活性。该优化模型，既可以通过热网改变机组出力，又可以通过用户侧改变机组出力。例如，需求侧响应就是一个自由度的调度，是源与荷的协同优化。而本模型是源-网-荷的协同优化，有网-荷两个自由度，调节范围更大，系统运行灵活性更高。该综合能源系统优化运行模型能够大幅提高风电消纳率，且有较好的经济性。考虑房屋的蓄热特性可以通过改变热负荷分布，在风电出力小的白天，提高热负荷供应，将热量存储在建筑物中，在风电出力大的夜间，建筑物散热从而减小CHP机组出力，增加风电消纳。考虑热网延时可以在时间尺度上错开热的供应与需求，不改变热负荷分布，而直接改变机组出力，实现更大时间尺度以及更大容量的出力调整。
附图说明
图1是本发明实施例中的综合能源系统结构图；
图2是本发明实施例中的区域热网结构图；
图3是本发明实施例中的热网传输延时示意图；
图4是本发明实施例中的房屋模型示意图；
图5是本发明实施例中的模型结构图；
图6是本发明实施例中的一级供热管网分布图。
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。
以冷热电联供系统为例，综合能源系统结构如图1所示。假定一区域能源供应商管理CHP机组的运行以满足该区域用户的热电负荷。供热系统与供电系统均包括源-网-荷三部分。由CHP发出的热经过一级换热器进入一级热网，而后经过二级换热器进入各个二级热网，二级换热器中的热水通过各个散热器向建筑物供热。不足热负荷由燃气锅炉补充。由CHP发出的电，经过变压器进入110kV输电网，而后经过配变进入10kV配网，最后送至用户。不足的电负荷可以通过从电网买电补充，也可从风电场买电补充。
本发明实施例的一种基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法，包括以下步骤：
步骤10)分别建立考虑传输延时的热网模型以及考虑蓄热特性的建筑物模型；
步骤20)结合冷热电联供系统模型、热网模型及建筑物模型，建立综合能源系统优化模型；
步骤30)运用综合能源系统优化模型求解得到最优调度计划，并按照该最优调度计划，控制燃气轮机和燃气锅炉每小时的出力，并向电网与风电场购电。
上述实施例中，所述的步骤10)中，建立热网模型的过程为：
步骤101)建立热网管道模型，具体包括步骤1011)-步骤1015)：
步骤1011)建立节点流量平衡方程：如图2所示热网管道结构图，根据基尔霍夫定律，流向某一节点的流量之和等于流出该节点的流量之和，故对于供回水管道分别有如式(1)和式(2)所示的平衡方程：
式中：qps，kt表示第k段供水管道在t时刻的流量，单位：kg/h；qpr，k，t表示第k段回水管道在t时刻的流量，单位：kg/h；表示以节点i为终点的供水管道集合；表示以节点i为终点的回水管道集合，表示以节点i为起点的供水管道集合；表示以节点i为起点的回水管道集合；Sns表示供水管道节点集合，Snr表示回水管道节点集合，St表示调度时间段集合。
步骤1012)建立管道压损方程：管道的压力损失正比于该管道内流量的平方，如式(3)和式(4)所示；根据基尔霍夫定律，管道压降之和等于各水泵提供的压力之和，如式(5)所示：
式中：Δpps，k，t表示第k段供水管道在t时刻的压力损失，单位：m；μp表示压损因子，Sps表示供水管道集合，Δppr，k，t表示第k段回水管道在t时刻的压力损失，单位：m；Spr表示回水管道集合，Δppu，i，t表示第i个水泵在t时刻提供的压力，Spu表示管道中水泵集合；
步骤1013)由于热网中存在热损，故管道入口温度与出口温度不同。因此一条管道有两个温度变量，两个热量变量与一个流量变量。建立温度-流量-热量方程，如式(6)和式(7)所示：
式中：表示第k段供水管道t时刻入口热量，单位：kW；C表示水的比热容；作为优选，C＝4.168kJ/(kg·℃)。表示第k段供水管道t时刻入口温度，单位：℃；λ表示单位换算因子；本实施例中，λ优选为3600。表示第k段供水管道t时刻出口热量，单位：kW；表示第k段供水管道t时刻出口温度，单位：℃；表示第k段回水管道t时刻入口热量，单位：kW；表示第k段回水水管道t时刻入口温度，单位：℃；表示第k段回水管道t时刻出口热量，单位：kW；表示第k段回水水管道t时刻出口温度，单位：℃；
步骤1014)建立温度融合方程：如图2所示热网管道结构图，根据热力学第一定律，流入某一节点的热量与流出该节点的热量相等。设以节点i为终点的各管道流量在节点i处融合后形成一个稳定的温度场，则以节点i为起点的管道入口温度均相等且等于节点温度，如式(8)至式(11)所示：
式中：Tns，i，t表示供水管道节点i在t时刻的温度，单位：℃；Tnr，i，t表示回水管道节点i在t时刻的温度，单位：℃；
步骤1015)建立热网传输延时方程：
如图3所示热网传输延时示意图，计算管道热水流速，管道热水流速正比于管道流量，如式(12)和式(13)所示：
式中：vps，k，t表示第k段供水管道内的热水在t时刻的流速，单位：m/s；ρ表示热水密度；本实施例中，ρ＝960kg/m3；dk表示第k段管道内径，单位：m；vpr，k，t表示第k段回水管道内的热水在t时刻的流速，单位：m/s；
水流过快会导致管道水力工况不稳定，水流过慢会影响供热效果。建立热水流速约束条件满足式(14)和式(15)：
式中：定示第k段供水管道在t时刻热水流速下限，单位：m/s；vps，k，t表示第k段供水管道在t时刻热水流速，单位：m/s；表示第k段供水管道在t时刻热水流速上限，单位：m/s；表示第k段回水管道在t时刻热水流速下限，单位：m/s；vpr，k，t表示第k段回水管道在t时刻热水流速，单位：m/s；表示第k段回水管道在t时刻热水流速上限，单位：m/s；
计算管道热水传输时间，如式(16)和式(17)所示：
式中：τps，k，t表示第k段供水管道在t时刻的传输时间，单位：h；lj表示第了段管道的长度，单位，m；vps，j，t表示第j段回水管道在t时刻的热水流速，单位：m/s；Sps，k表示热水从热源与第k段供水管道之间的管道集合；τpr，k，t表示第k段回水管道在t时刻的传输时间，单位：h；Spr，k表示热水从热源流与第k段回水管道之间的管道集合；vpr，j，t表示第j段回水管道在t时刻的热水流速，单位：m/s；
由于式(16)和式(17)计算的为实际传输时间，而在调度优化模型中以整数时间段为单位执行调度指令，故对式(16)和式(17)计算的实际传输时间做取整处理，如式(18)和式(19)所示：
式中：表示第k段供水管道在t时刻的传输时间段，单位：h；表示第k段回水管道在t时刻的传输时间段，单位：h；Δt表示调度时间尺度，单位：h；作为优选，Δt＝0.5h。
如图4所示热网传输延时示意图，考虑热网传输延时及传输热损后，管道入口及出口温度满足如式(20)和式(21)所示约束：
式中：表示供水管道k1在t时刻入口处热量，单位：kW；表示供水管道k2在时刻出口处热量，单位：kW；μhn表示热网热损率；表示热源与供水管道k2之间的管道集合；Sps，hs表示与热源相连的供水管道集合；表示回水管道k1在t时刻入口处热量，单位：kW；表示回水管道k2在时刻出口处热量，单位：kW；表示热源与回水管道k2之间的管道集合；Spr，m表示与第m个换热器相连的回水管道集合；表示t时刻从热源流出的热水至第k2段供水管道的延时时间段；表示t时刻从第k2段回水管道流至热源的延时时间段；lj表示第j条管道的长度，单位：m；
步骤102)建立换热器模型：
热网中，CHP产生的热量通过一级换热器耦合热源进入一级供热网，模型如式(22)所示：
保证一级换热器内的供回水管道流量平衡，如式(23)所示：
式中：表示供水管道k1在t时刻入口处热量，单位：kW；表示回水管道k2在t时刻出口处热量，单位：kW；Qgt，t表示燃气轮机在t时刻的热出力，单位：kW；Qgb，t表示燃气锅炉在t时刻的热出力，单位：kW；ηex，1表示一级热交换器的换热效率；表示第k1段供水管道在t时刻的热水流量，单位：kg/h；表示第k2段回水管道在t时刻的热水流量，单位：kg/h；Spr，hs表示与热源相连的回水管道集合；
二级换热器耦合一级供热网与二级供热网，模型如式(24)所示：
为保证二级换热器内的供回水管道流量平衡，如式(25)所示：
式中：表示供水管道k1在t时刻出口处热量，单位：kW；表示回水管道k2在t时刻出口处热量，单位：kW；Qra，n，t表示第n个用户散热器在t时刻的散热功率，单位：kW；ηex，2表示二级换热器的换热效率；Sps，m表示与第m个二级换热器相连的供水管道集合；Spr，m表示与第m个二级换热器相连的回水管道集合。
在上述实施例中，所述的步骤10)中，建立房屋模型的过程为：
步骤111)建立房屋温度变化模型，
考虑到居民供暖是热负荷的主要组成部分且具有巨大的可调节潜能，故本实施例中的热负荷即为居民供暖热负荷。如图4所示房屋模型示意图，通过调节二级换热器的开关，实现小片区居民的热负荷的调节。假定第m个二级换热器下有Nm个用户，其中第n个用户的室内温度的变化可表述为式(26)，且为保证居民供暖舒适度，要求温度满足式(27)。
如式(26)和式(27)所示：
式中：表示第n个建筑物t+1时刻的室内温度，单位：℃；表示第n个建筑物t时刻室外温度，单位：℃；ηair表示空气导热率，单位：kW/℃；Tc表示调度周期；作为优选，Tc＝24h。表示第n个建筑物t时刻的室内温度，单位：℃；Ushe，m，t表示第m个二级换热器在t时刻的开关状态，即Ushe，m，t＝1表示第m个二级换热器在t时刻打开，Ushe，m，t＝0表示第m个二级换热器在t时刻关闭；Tt min表示t时刻房屋温度下限，单位：℃；Tt max表示t时刻房屋温度上限，单位：℃；
步骤112)计算供热指标：式(28)为居民供暖设计热负荷的面积热指标算法；为保证居民供热质量，要求在调节居民热负荷的同时保证供热总量等于设计热负荷总量，如式(29)所示：
如式(28)和式(29)所示：
式中：表示第n个建筑物t时刻的设计热负荷，单位：kW；表示第n个建筑物的面积热指标，单位：W/m2；An表示第n个建筑物面积，单位，m2。
在上述实施例中，所述的步骤20)包括以下过程：
如图5所示优化模型结构示意图，其中区域能源供应商(district energy supplyagent)建立优化模型，求解机组日前调度计划以及供电计划以达到最优经济性。由于上述热网模型中，传输延时变量是一个与时间相关的变量，而又需要与时间变量叠加，无法由一般商业优化软件求解，且考虑到在实际热网运行中，一般采用质调节模式，即保证流量固定而调节热水温度，且该固定流量一般为设计流量。因此，当管道设计流量确定了，则每段管道的传输延时也确定了，可以作为参数输入模型，该模型即可由一般商业软件求解。其中，管道设计流量可通过查询采暖通风空调设计规范(GB50019-2003)得知。
步骤201)建立目标函数，优化模型以经济性为目标，包括购电费用、运行维护费用、购燃气费用以及弃风惩罚费用，如式(30)所示：
式中：Ctotal表示日运行总费用，单位：￥；Ce表示日运行购电费用，单位：￥；Cg表示日运行购买燃气费用，单位：￥；Com表示日运行维护费用，单位：￥；Cwt表示日运行弃风惩罚，单位：￥；Pgd，t表示t时刻从电网购电量，单位：kW；Kgd，e，t表示t时刻从电网购电电费，单位：￥/kWh；Pwt，t表示t时刻从风电场购电量，单位：kW；Kwt，e，t表示t时刻从风电场购电电费，单位：￥/kWh；ηgb，h表示燃气锅炉发热效率；Pgt，t表示表示燃气轮机在t时刻的出力，单位：kW；ηgt，e表示燃气轮机发电效率；Kg表示燃气单价，单位：￥/m3；Hng为燃气热值，单位：kWh/m3；Kgt，om表示燃气轮机运行维护费用，单位：￥/kWh；Kgb，om表示燃气锅炉运行维护费用，单位：￥/kWh；δ表示风电惩罚成本，单位：￥/kWh；表示t时刻风电预测出力，单位：kW；
步骤202)建立约束条件，包括步骤2021)至步骤2024)：
步骤2021)建立电功率平衡约束，如式(31)所示：
式中：Sshe表示二级换热器集合；Sra，m表示与第m个二级换热器相连的用户散热器集合；Pn，t表示第n个建筑物的电负荷，单位：kW；
步骤2022)建立燃气轮机运行约束，如式(32)至式(34)所示：
Qgt，t＝Pgt，t(1-ηgt，e-ηgt，loss)ηhr，h/ηgt，e 式(32)
式中：ηgt，loss表示燃气轮机损失率；ηhr，h表示热回收器回收效率；表示燃气轮机t时刻运行功率上限，单位：kW；表示燃气轮机t时刻运行功率下限，单位：kW；表示燃气轮机下坡上限约束，单位：kW；表示燃气轮机爬坡上限约束，单位：kW；Pgt，t-1表示燃气轮机在t-1时刻的出力，单位：kW；
步骤2023)建立最小启停时间约束：为防止频繁的启停对燃气轮机以及二级换热器造成的机械劳损，需要限制建立燃气轮机的最小运行和停止时间，以及限制二级换热器的最小运行和停止时间，具体包括式(35)所示的燃气轮机的最小运行时间约束，式(36)所示的燃气轮机的停止时间约束，式(37)所示的二级换热器的最小运行时间约束，式(38)所示的二级换热器的停止时间约束：
式中：表示截止t时刻燃气轮机连续启动时间，单位：h；表示截止t-1时刻燃气轮机连续启动时间，单位：h；Ugt，t表示t时刻燃气轮机的运行状态，Ugt，t＝1表示t时刻燃气轮机正在运行，Ugt，t＝0表示t时刻燃气轮机停机；表示截止t时刻燃气轮机连续停机时间，单位：h；表示截止t-1时刻燃气轮机连续停机时间，单位：h：表示燃气轮机连续启动时间下限，单位：h；表示燃气轮机连续停机时间下限，单位：h；表示截止t时刻二级换热器连续启动时间，单位：h；表示截止t-1时刻二级换热器连续启动时间，单位：h；Ushe，m，t表示第m个二级换热器t时刻的开关状态，Ushe，m，t＝1表示第m个二级换热器t时刻开启，Ushe，m，t＝0表示第m个二级换热器t时刻关闭；表示截止t时刻二级换热器连续停止时间，单位：h；表示截止t-1时刻二级换热器连续停止时间，单位：h；表示二级换热器连续启动时间下限，单位：h；表示二级换热器连续停止时间下限，单位：h；
步骤2024)建立联络线功率约束，如式(39)所示：
式中：表示从电网购电下限，单位：kW；表示从电网购电上限，单位：kW。
在上述实施例中，所述的步骤30)中，将热网参数代入式(12)和式(13)，求得各管段流速；将热网参数与所求流速代入式(16)和式(17)，求得各管段具体延时；将具体延时代入式(18)和式(19)得到个管段延时时间段；最后将各管道延时时间段、热网参数以及系统参数代入综合能源系统优化模型求解，得最优调度计划；按照此最优调度计划控制燃气轮机、燃气锅炉出力，并向电网及风电场购电。
该实施例中，运行优化模型的目标函数与约束均为线性，故本发明实施例中建立的综合能源系统优化运行模型为一个典型的混合整数线性规划模型。该实施例中，需要优化的变量包括机组日前出力计划，购电计划，热网运行管道温度以及二级换热器的控制状态。
该实施例首先建立了包含节点流量平衡、节点温度融合、传输延时、传输热损等约束的热网模型，其次将房屋作为蓄热单位且结合热网模型，建立了综合能源系统运行优化模型。本发明实施例将热网与用户纳入调度，利用热电耦合，从热力系统的角度促进风电消纳，不仅能够大幅改善风电消纳，又能有效降低系统运行成本。结合建筑物蓄热特性是通过改变热负荷分布，从而改变联供机组出力分布以实现更多的夜间风电消纳；而在运行优化模型中考虑热网延时则是通过错开联供机组出力与用户热负荷，在时间尺度上形成供应超前延时，从而提高风电消纳与系统运行经济性。
下面例举一实施例。
以吉林省某一实际供热区域为例，该区域一级热网管道布置如图6所示，共有50条管道，24个节点以及26个二级换热器。该区域除区域综合能源供应商(文中简称：DESA)外还有一独立热源为供热高峰时的备用，V1/V2为调峰截止阀。吉林省风电总装机容量为5000MW，由许多个区域消纳，为便于研究单个区域的风电消纳能力，本案例研究设置一5MW虚拟风机通过10kV配网接入。该地区燃气价格为2.3元/m3，电价为5.25元/kWh，风电惩罚费用为0.2元/kWh。为便于比较分析：设置案例1为基本案例，该基础案例既不考虑热网延时，也不考虑房屋蓄热特性；案例2仅考虑房屋蓄热特性；案例3为本发明实施例所提模型。案例运行结果如表1所示。
表1
1)经济性分析
由表1可知，案例2的日运行费用相对于案例1节省了￥3900，节省率2.5％。其中，案例2由于考虑了房屋蓄热，即引入了蓄热装置，通过重新调节热负荷分布，消纳更多的风电，增加了购电费用，但同时降低了弃风惩罚费用。此外，由于引入了蓄热装置，在电负荷大的白天时段提高出力，将热能存储于房屋中，而在电负荷低的夜间时段降低出力，释放房屋存储的热能，从而优化机组出力，降低燃气与运维费用，提升经济性。案例3日运行费用相对于案例2节省了￥10700，节省率7.0％，相对于案例1节省了￥14600元，节省率9.3％。由此可知，考虑热网传输延时可为风电消纳提供更大空间。
2)风电消纳分析
案例1风电消纳量为30.51MWh，消纳率为51.6％；案例2风电消纳量为51.04MWh，相对于案例1提升了风电消纳率35.3％；案例3风电消纳量为56.93MWh，消纳率为96.2％，相对于案例1提升了风电消纳率44.6％，相对于案例2提升了风电消纳率9.3％。在白天时段(07：00-21：00)，此时电负荷较大而热负荷较低，风机出力较低，此时段风电在3个案例中均能消纳。在夜间(21：00-24：00)与凌晨(00：00-07：00)，此时电负荷低，风机出力大，故在案例1中此时段发生严重弃风；而案例2由于考虑房屋蓄热特性以及热网延时，故此时段风电消纳得到大幅提升。
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 (5)

1.一种基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤10)分别建立考虑传输延时的热网模型以及考虑蓄热特性的建筑物模型；
步骤20)结合冷热电联供系统模型、热网模型及建筑物模型，建立综合能源系统优化模型；
步骤30)运用综合能源系统优化模型求解得到最优调度计划，并按照该最优调度计划，控制燃气轮机和燃气锅炉每小时的出力，并向电网与风电场购电；
所述的步骤10)中，建立热网模型的过程为：
步骤101)建立热网管道模型，具体包括步骤1011)—步骤1015)：
步骤1011)建立节点流量平衡方程，如式(1)和式(2)所示：
式中：qps,k,t表示第k段供水管道在t时刻的流量，单位：kg/h；qpr,k,t表示第k段回水管道在t时刻的流量，单位：kg/h；表示以节点i为终点的供水管道集合；表示以节点i为终点的回水管道集合，表示以节点i为起点的供水管道集合，表示以节点i为起点的供水管道集合，Sns表示供水管道节点集合，Snr表示回水管道节点集合，St表示调度时间段集合；
步骤1012)建立管道压损方程，如式(3)至式(5)所示：
式中：Δpps,k,t表示第k段供水管道在t时刻的压力损失，单位：m；μp表示压损因子，Sps表示供水管道集合，Δppr,k,t表示第k段回水管道在t时刻的压力损失，单位：m；Spr表示回水管道集合，Δppu,i,t表示第i个水泵在t时刻提供的压力，Spu表示管道中水泵集合；
步骤1013)建立温度-流量-热量方程，如式(6)和式(7)所示：
式中：表示第k段供水管道t时刻入口热量，单位：kW；C表示水的比热容；表示第k段供水管道t时刻入口温度，单位：℃；λ表示单位换算因子；表示第k段供水管道t时刻出口热量，单位：kW；表示第k段供水管道t时刻出口温度，单位：℃；表示第k段回水管道t时刻入口热量，单位：kW；表示第k段回水水管道t时刻入口温度，单位：℃；表示第k段回水管道t时刻出口热量，单位：kW；表示第k段回水水管道t时刻出口温度，单位：℃；
步骤1014)建立温度融合方程：根据热力学第一定律，设以节点i为终点的各管道流量在节点i处融合后形成一个稳定的温度场，则以节点i为起点的管道入口温度均相等且等于节点温度，如式(8)至式(11)所示：
式中：Tns,i,t表示供水管道节点i在t时刻的温度，单位：℃；Tnr,i,t表示回水管道节点i在t时刻的温度，单位：℃；
步骤1015)建立热网传输延时方程：
计算管道热水流速，如式(12)和式(13)所示：
式中：vps,k,t表示第k段供水管道内的热水在t时刻的流速，单位：m/s；ρ表示热水密度；dk表示第k段管道内径，单位：m；vpr,k,t表示第k段回水管道内的热水在t时刻的流速，单位：m/s；
热水流速约束条件满足式(14)和式(15)：
式中：表示第k段供水管道在t时刻热水流速下限，单位：m/s；vps,k,t表示第k段供水管道在t时刻热水流速，单位：m/s；表示第k段供水管道在t时刻热水流速上限，单位：m/s；表示第k段回水管道在t时刻热水流速下限，单位：m/s；vpr,k,t表示第k段回水管道在t时刻热水流速，单位：m/s；表示第k段回水管道在t时刻热水流速上限，单位：m/s；
计算管道热水传输时间，如式(16)和式(17)所示：
式中：τps,k,t表示第k段供水管道在t时刻的传输时间，单位：h；lj表示第j段管道的长度，单位，m；vps,j,t表示第j段供水管道t时刻的热水流速，单位：m/s；Sps,k表示热水从热源与第k段供水管道之间的管道集合；τpr,k,t表示第k段回水管道在t时刻的传输时间，单位：h；Spr,k表示热水从热源流与第k段回水管道之间的管道集合；vpr,j,t表示第j段回水管道在t时刻的热水流速，单位：m/s；
对式(16)和式(17)计算的实际传输时间做取整处理，如式(18)和式(19)所示：
式中：表示第k段供水管道在t时刻的传输时间段，单位：h；表示第k段回水管道在t时刻的传输时间段，单位：h；△t表示调度时间尺度，单位：h；
考虑热网传输延时及传输热损后，管道入口及出口温度满足如式(20)和式(21)所示约束：
式中：表示供水管道k1在t时刻入口处热量，单位：kW；表示供水管道k2在时刻出口处热量，单位：kW；μhn表示热网热损率；表示热源与供水管道k2之间的管道集合；Sps,hs表示与热源相连的供水管道集合；表示回水管道k1在t时刻入口处热量，单位：kW；表示回水管道k2在时刻出口处热量，单位：kW；表示热源与回水管道k2之间的管道集合；Spr,m表示与第m个换热器相连的回水管道集合；表示t时刻从热源流出的热水至第k2段供水管道的延时时间段；表示t时刻从第k2段回水管道流至热源的延时时间段；lj表示第j条管道的长度，单位：m；
步骤102)建立换热器模型：
热网中，一级换热器耦合热源与一级供热网，模型如式(22)和式(23)所示：
式中：表示供水管道k1在t时刻入口处热量，单位：kW；表示回水管道k2在t时刻出口处热量，单位：kW；Qgt,t表示燃气轮机在t时刻的热出力，单位：kW；Qgb,t表示燃气锅炉在t时刻的热出力，单位：kW；ηex,1表示一级热交换器的换热效率；表示第k1段供水管道在t时刻的热水流量，单位：kg/h；表示第k2段回水管道在t时刻的热水流量，单位：kg/h；Spr,hs表示与热源相连的回水管道集合；
二级换热器耦合一级供热网与二级供热网，模型如式(24)和式(25)所示：
式中：表示供水管道k1在t时刻出口处热量，单位：kW；表示回水管道k2在t时刻出口处热量，单位：kW；Qra,n,t表示第n个用户散热器在t时刻的散热功率，单位：kW；ηex,2表示二级换热器的换热效率；Sps,m表示与第m个二级换热器相连的供水管道集合；Spr,m表示与第m个二级换热器相连的回水管道集合。
2.按照权利要求1所述的基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法，其特征在于，所述的△t＝0.5h，λ＝3600，C＝4.168kJ/(kg·℃)；ρ＝960kg/m3。
3.按照权利要求1所述的基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法，其特征在于，所述的步骤10)中，建立房屋模型的过程为：
步骤111)建立房屋温度变化模型，如式(26)和式(27)所示：
式中：表示第n个建筑物t+1时刻的室内温度，单位：℃；表示第n个建筑物t时刻室外温度，单位：℃；ηair表示空气导热率，单位：kW/℃；Tc表示调度周期；表示第n个建筑物t时刻的室内温度，单位：℃；Ushe,m,t表示第m个二级换热器在t时刻的开关状态，即Ushe,m,t＝1表示第m个二级换热器在t时刻打开，Ushe,m,t＝0表示第m个二级换热器在t时刻关闭；Tt min表示t时刻房屋温度下限，单位：℃；Tt max表示t时刻房屋温度上限，单位：℃；
步骤112)计算供热指标，如式(28)和式(29)所示：
式中：表示第n个建筑物t时刻的设计热负荷，单位：kW；表示第n个建筑物的面积热指标，单位：W/m2；An表示第n个建筑物面积，单位，m2。
4.按照权利要求1所述的基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法，其特征在于，所述的步骤20)包括以下过程：
步骤201)建立目标函数，如式(30)所示：
式中：Ctotal表示日运行总费用，单位：￥；Ce表示日运行购电费用，单位：￥；Cg表示日运行购买燃气费用，单位：￥；Com表示日运行维护费用，单位：￥；Cwt表示日运行弃风惩罚，单位：￥；Pgd,t表示t时刻从电网购电量，单位：kW；Kgd,e,t表示t时刻从电网购电电费，单位：￥/kWh；Pwt,t表示t时刻从风电场购电量，单位：kW；Kwt,e,t表示t时刻从风电场购电电费，单位：￥/kWh；ηgb,h表示燃气锅炉发热效率；Pgt,t表示表示燃气轮机在t时刻的出力，单位：kW；ηgt,e表示燃气轮机发电效率；Kg表示燃气单价，单位：￥/m3；Hng为燃气热值，单位：kWh/m3；Kgt,om表示燃气轮机运行维护费用，单位：￥/kWh；Kgb,om表示燃气锅炉运行维护费用，单位：￥/kWh；δ表示风电惩罚成本，单位：￥/kWh；表示t时刻风电预测出力，单位：kW；
步骤202)建立约束条件，包括步骤2021)至步骤2024)：
步骤2021)建立电功率平衡约束，如式(31)所示：
式中：Sshe表示二级换热器集合；Sra,m表示与第m个二级换热器相连的用户散热器集合；Pn,t表示第n个建筑物的电负荷，单位：kW；
步骤2022)建立燃气轮机运行约束，如式(32)至式(34)所示：
Qgt,t＝Pgt,t(1-ηgt,e-ηgt,loss)ηhr,h/ηgt,e式(32)
式中：ηgt,loss表示燃气轮机损失率；ηhr,h表示热回收器回收效率；表示燃气轮机t时刻运行功率上限，单位：kW；表示燃气轮机t时刻运行功率下限，单位：kW；表示燃气轮机下坡上限约束，单位：kW；表示燃气轮机爬坡上限约束，单位：kW；Pgt,t-1表示燃气轮机在t-1时刻的出力，单位：kW；
步骤2023)建立最小启停时间约束：包括式(35)所示的燃气轮机的最小运行时间约束，式(36)所示的燃气轮机的停止时间约束，式(37)所示的二级换热器的最小运行时间约束，式(38)所示的二级换热器的停止时间约束：
式中：表示截止t时刻燃气轮机连续启动时间，单位：h；表示截止t-1时刻燃气轮机连续启动时间，单位：h；Ugt,t表示t时刻燃气轮机的运行状态，Ugt,t＝1表示t时刻燃气轮机正在运行，Ugt,t＝0表示t时刻燃气轮机停机；τ表示截止t时刻燃气轮机连续停机时间，单位：h；表示截止t-1时刻燃气轮机连续停机时间，单位：h；表示燃气轮机连续启动时间下限，单位：h；表示燃气轮机连续停机时间下限，单位：h；表示截止t时刻二级换热器连续启动时间，单位：h；表示截止t-1时刻二级换热器连续启动时间，单位：h；Ushe,m,t表示第m个二级换热器t时刻的开关状态，Ushe,m,t＝1表示第m个二级换热器t时刻开启，Ushe,m,t＝0表示第m个二级换热器t时刻关闭；表示截止t时刻二级换热器连续停止时间，单位：h；表示截止t-1时刻二级换热器连续停止时间，单位：h；表示二级换热器连续启动时间下限，单位：h；表示二级换热器连续停止时间下限，单位：h；
步骤2024)建立联络线功率约束，如式(39)所示：
式中：表示从电网购电下限，单位：kW；表示从电网购电上限，单位：kW。
5.按照权利要求1所述的基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法，其特征在于，所述的步骤30)中，将热网参数代入式(12)和式(13)，求得各管段流速；将热网参数与所求流速代入式(16)和式(17)，求得各管段具体延时；将具体延时代入式(18)和式(19)得到个管段延时时间段；最后将各管道延时时间段、热网参数以及系统参数代入综合能源系统优化模型求解，得最优调度计划；按照此最优调度计划控制燃气轮机、燃气锅炉出力，并向电网及风电场购电。
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