CN106849188B - 一种促进风电消纳的热电联合优化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种促进风电消纳的热电联合优化方法及系统，所述方法包括预测各供热区域的用热量需求值，并获取热网连通区域的管网热损耗；依据用热量需求值和管网热损耗构建热电联产机组的热电耦合模型，依据火电机组和风电场的出力预测值构建发电调度模型；依据热电耦合模型、发电调度模型、热力设备、电负荷和热负荷构建热电联合优化模型；依据热电联合优化模型确定所述热电联产机组和热力设备的供热计划，及火电机组和风电场的发电计划。与现有技术相比，本发明提供的一种促进风电消纳的热电联合优化方法及系统，弱化了以热定电的电网调度模式，增强了电网调峰能力，进而有效地消纳风电、减少弃风电量。

Description

一种促进风电消纳的热电联合优化方法及系统

技术领域

本发明涉及电网调度控制技术领域，具体涉及一种促进风电消纳的热电联合优化方法及系统。

背景技术

风能是一种可再生的清洁能源，具有储量大、分布广等优点，但是当前风力发电的消纳问题日益突出，弃风现象逐渐增多，究其原因主要包括：

1、风电出力时间上不稳定，空间上不均衡，具有随机性、波动性、反调峰等特性。

2、常规火电机组主要为供热机组，在供热期时其发电出力的调整范围显著缩小。同时若在供热期采用“以热定电”的电网调度方式，火电机组基本不参与电网的调峰使得电网调峰能力下降。

3、常规热电联运机组以供热需求为主要目标，未能充分发挥热电联运效益，未能充分考虑热电联运机组热电特性以提高其整体能效，也未能充分挖掘热电联运机组在系统调峰和提高新能源接纳能力上的潜在作用。

考虑风电接入情况下的热电联合优化策略主要包括通过热电机组热性改善电网调峰新能和优化热电负荷分配，热电联合优化模型主要是以运行成本最小为优化目标，该优化目标及其约束条件均需要考虑热电耦合特性。目前构建热电联合优化模型的关键点在于：一是如何在不同类型热电联运机组的运行特性基础上建立考虑热电耦合特性的数学模型；二是如何构建考虑电网运行的经济性、安全性，考虑热电耦合特性、风电消纳和污染排放等多目标复杂约束的联合优化模型。这两个关键点在本质上体现了间歇性可再生能源形式与传统能源系统集成方式的不协调，因此不能仅从电力系统内部优化的角度提升风电消纳能力，还要解耦热电机组“以热定电”的约束，从而提升热电联运机组的运行灵活性与调峰能力，从而使之与风电形成有效的协调互动。

目前，对于热电机组占比极高的装机结构中如何提升热电机组运行灵活性从而提升电网低谷时段风电消纳能力是亟待解决的技术问题。但是，传统的电力系统优化策略中热电机组的供热侧被视为外部边界，无法考虑热电机组电热出力的耦合约束与灵活热源引入的影响。同时，在供热期采用集中供暖的地区，某一供热区域通常由一个热电厂负责热力供应，不同热电厂供热及发电效率不同，割裂的供热区划分难以发挥区域联合供热的经济性和安全性。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种促进风电消纳的热电联合优化方法及系统。

第一方面，本发明中一种促进风电消纳的热电联合优化方法的技术方案是：

所述方法包括：

预测各供热区域的用热量需求值，并获取热网连通区域的管网热损耗；所述热网连通区域包括多个网络结构连通的供热区域；

依据所述用热量需求值和管网热损耗构建热电联产机组的热电耦合模型，依据火电机组和风电场的出力预测值构建发电调度模型；

依据所述热电耦合模型、发电调度模型、热力设备、电负荷和热负荷构建热电联合优化模型；依据所述热电联合优化模型确定所述热电联产机组和热力设备的供热计划，及所述火电机组和风电场的发电计划；所述热力设备包括供热锅炉、储热装置和电锅炉；所述供热计划包括热电联产机组和热力设备在预设时间范围内各时间段的供热量，所述发电计划包括火电机组和风电场在所述各时间段的发电功率。

第二方面，本发明中一种促进风电消纳的热电联合优化系统的技术方案是：

所述系统包括：

热电耦合模型构建模块，用于预测各供热区域的用热量需求值，获取热网连通区域的管网热损耗，并依据所述用热量需求值和管网热损耗构建热电联产机组的热电耦合模型；所述热网连通区域包括多个网络结构连通的供热区域；

发电调度模型构建模块，用于依据火电机组和风电场的出力预测值构建发电调度模型；

热电联合优化模块，用于依据所述热电耦合模型、发电调度模型、热力设备、电负荷和热负荷构建热电联合优化模型；并依据所述热电联合优化模型确定所述热电联产机组和热力设备的供热计划，及所述火电机组和风电场的发电计划；所述热力设备包括供热锅炉、储热装置和电锅炉；所述供热计划包括热电联产机组和热力设备在预设时间范围内各时间段的供热量，所述发电计划包括火电机组和风电场在所述各时间段的发电功率。

与最接近的现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的一种促进风电消纳的热电联合优化方法，考虑了多种电力元件和热力元件对热网的影响，能够分别确定各电力元件的发电计划和各热力元件的供热计划，即确定热网连通区域内各供热区域的供热比例和发电比例，从而弱化了以热定电的电网调度模式，增强了电网调峰能力，进而有效地消纳风电、减少弃风电量；

2、本发明提供的一种促进风电消纳的热电联合优化系统，热电联合优化模块能够分别确定各电力元件的发电计划和各热力元件的供热计划，即确定热网连通区域内各供热区域的供热比例和发电比例，从而弱化了以热定电的电网调度模式，增强了电网调峰能力，进而有效地消纳风电、减少弃风电量。

附图说明

图1：本发明实施例中一种促进风电消纳的热电联合优化方法实施流程图；

图2：热电联产机组的运行区域示意图；

图3：热电联产机组的非凸可行域示意图；

图4：图3所示非凸可行域的切割示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面对本发明实施例提供的一种促进风电消纳的热电联合优化方法进行说明。

图1为本发明实施例中一种促进风电消纳的热电联合优化方法实施流程图，如图所示，本实施例中热电联合优化方法包括下述步骤，具体为：

步骤S101：预测各供热区域的用热量需求值，并获取热网连通区域的管网热损耗。其中：热网连通区域包括多个网络结构连通的供热区域。本实施例中供热区域的划分方法包括：若电网调度模式为以热定电模式，则将各热电厂所在区域作为供热区域；若电网调度模式为电热协调模式，则将各供暖区域作为供热区域。

步骤S102：依据用热量需求值和管网热损耗构建热电联产机组的热电耦合模型，依据火电机组和风电场的出力预测值构建发电调度模型。其中：热电联产指的是同时生产电能和热能的工艺过程，相较于单独生产电能和热能的工艺方法具有节约燃料的优点，热电联产机组指的是采用热电联产方式运行的机组。同时，管网热损耗为多个网络结构连通的供热区域构成的热网连通区域的热损耗，因此该热电耦合模型可以表示热网连通区域内各热电联产机组的热电耦合关系。

风电场的出力预测值可以采用常规的风力发电预测方法对风能发电进行预测，火电机组的出力预测值也可以采用常规的发电预测方法对火电机组发电进行预测发电调度模型可以采用常规的发电调度模型建模方法进行构建，同时发电调度模型的约束条件为需要满足电负荷的用电需求值。

步骤S103：依据热电耦合模型、发电调度模型、热力设备、电负荷和热负荷构建热电联合优化模型；依据热电联合优化模型确定热电联产机组和热力设备的供热计划，及火电机组和风电场的发电计划。其中：热力设备包括供热锅炉、储热装置和电锅炉；供热计划包括热电联产机组和热力设备在预设时间范围内各时间段的供热量，发电计划包括火电机组和风电场在所述各时间段的发电功率。

本实施例中考虑了多种电力元件和热力元件对热网的影响，能够分别确定各电力元件的发电计划和各热力元件的供热计划，即确定热网连通区域内各供热区域的供热比例和发电比例，从而弱化了以热定电的电网调度模式，增强了电网调峰能力，进而有效地消纳风电、减少弃风电量。

进一步地，本实施例步骤S101中获取热网连通区域的管网热损耗可以按照下述步骤实施，具体为：

1、计算热网连通区域内各热电厂的热损耗，采集各热电厂与热网连通区域内各供热区域之间的实际距离。其中：热电厂指的是采用热电联产方式运行的发电厂。

2、对热损耗和实际距离进行曲线拟合，并对拟合得到的曲线进行线性简化，得到热网连通区域内热电厂的热损耗函数，即热损耗是与该实际距离相关的线性函数。最后依据热损耗函数计算管网热损耗。

进一步地，本实施例中热电联合优化模型包括目标函数和约束条件；所述约束条件包括电力平衡约束条件、区域热力平衡约束条件、电网潮流约束条件、热力网络约束条件、发电机组与热源出力约束条件和热电联产机组运行约束条件。下面对目标函数和各约束条件进行说明。

1、目标函数

本实施例中同时考虑热网中电力设备和热力设备，并以热网的运行成本为目标构建热电联合优化的目标函数，其中，运行成本主要包括火电机组的运行成本、供热锅炉的运行成本、热电联产机组的运行成本、弃风电量的惩罚金额和管网热损耗的惩罚金额。

本实施例中目标函数如下式(1)所示：

其中：N_e、N_h和N_c分别为热网连通区域中火电机组、供热锅炉和热电联产机组的个数；N为预设时间范围内预设的时间段个数，t为各时间段的序号；

为第a个火电机组在第t个时间段的运行成本，

为第b个供热锅炉在第t个时间段的运行成本，

为第c个热电联产机组在第t个时间段的运行成本，C_w和C_c分别为弃风电量和管网热损耗的惩罚参数。

本实施例中弃风电量的惩罚参数C_w如下式(2)所示：

其中：θ为弃风电量的惩罚因子，N_w为热网连通区域中风电场的个数，

和

分别为第d个风电场在第t个时间段的期望发电功率和实际发电功率。本实施例中在约束条件约束作用下实际发电功率小于期望发电功率，因此公式(2)的值为正值。

本实施例中管网损耗的惩罚参数C_c如下式(3)所示：

其中：λ为管网热损耗的惩罚因子，N_h和N_eb分别为热网连通区域中供热锅炉和电锅炉的个数；

为第c个热电联产机组在第t个时间段的供热量，

为第e个供热锅炉在第t个时间段的供热量，

为第f个电锅炉在第t个时间段的供热量；f_s为热网连通区域内热电厂的热损耗函数。

2、电力平衡约束条件

本实施例中为了保证热网的电力平衡，预设时间范围内各时间段的发电功率、电锅炉的用电功率和电负荷的负荷需求值需要保持平衡，即本实施例中电力平衡约束条件如下式(4)所示：

其中：N_e、N_w、N_c和N_eb分别为热网连通区域中火电机组、热电联产机组、风电场和电锅炉的个数；

为第a个火电机组在第t个时间段的发电功率，

为第c个热电联产机组在第t个时间段的发电功率，

为第d个风电场在第t个时间段的发电功率，

为第f个电锅炉在第t个时间段的发电功率；P_t为第t个时间段的电负荷。

3、区域热力平衡约束条件

本实施例中热网连通区域包括多个供热区域，若采用集中供热系统对多个供热区域同时进行供热，则可能造成供热不足，因此可以将热网连通区域的多个供热区域视为多个相互独立的集中供热区域，通过构建热力区域关联矩阵表示各供热区域与各供热设备的关联关系，其中热力区域关联矩阵A_mn如下式(5)所示：

其中，a_mn为第m个供热区域与第n个供热设备的关联关系：若a_mn＝0则第n个供热设备不在第m个供热区域内，若a_mn＝1则第n个供热设备在第m个供热区域内，供热设备包括供热锅炉、热电联产机组、电锅炉或储热装置。

本实施例中区域热力平衡约束条件如下式(6)所示：

其中：N_h、N_c、N_eb和N_s分别为热网连通区域中供热锅炉、热电联产机组、电锅炉和储热装置的个数；

为第e个供热锅炉在第t个时间段的供热量，

为第c个热电联产机组在第t个时间段的供热量，

为第f个电锅炉在第t个时间段的供热量，

为第g个储热装置在第t个时间段的供热量，Q_j,t为所述热网连通区域中第j个供热区域的用热量需求值；

为供热锅炉的热力区域关联矩阵中第e行第j列对应的元素，

为热电联产机组的热力区域关联矩阵中第c行第j列对应的元素，

为电锅炉的热力区域关联矩阵中第f行第j列对应的元素，

为储热装置的热力区域关联矩阵中第g行第j列对应的元素。

4、电网潮流约束条件

本实施例中电网潮流约束条件如下式(7)所示：

其中：

为热网连通区域中第i条支路在第t个时间段的潮流值，

和

分别为潮流值

的上限值和下限值；g_i,a、g_i,c、g_i,d和g_i,f为发电功率转移分布因子；

为第a个火电机组在第t个时间段的发电功率，

为第c个热电联产机组在第t个时间段的发电功率，

为第d个风电场在第t个时间段的发电功率，

为第f个电锅炉在第t个时间段的用电功率。

5、热力网络约束条件

本实施例中热力网络约束条件包括热网水力约束条件和热网热力约束条件；热网水力约束条件包括水力支路特性方程和水力网络平衡方程；热网热力约束条件包括热力支路热性方程和热力网络平衡方程。

(1)水力支路特性方程

本实施例中水力支路特性方程如下式(8)所示：

Δh＝R(l+l_d)＝sG² (8)

其中：Δh为热网中管道的水压压降，R为沿程损失，l为管道的长度，l_d为局部阻力当量长度，G为管道的流量，s为管道阻力特征系数。

(2)水力网络平衡方程

本实施例中热网的网络拓扑采用有向图描述，包括x个节点和y条管道，该热网的有向图表达式为G'(V,E)，V为热网节点集，E为热网管道集。其中：水力网络平衡方程如下式(9)所示：

其中：A和B分别为热网的关联矩阵和回路矩阵，G为热网中各管道的流量构成的流量向量，G₀为热网中各节点流入的热流量构成的流量向量，ΔH为热网中各管道的水压压降构成的压力向量。

①：关联矩阵A如下式(10)所示：

A＝(a_zk)_x×y∈{-1,0,1}^x×y (10)

其中：z和k分别为热网内节点和管道的序号，

②：回路矩阵B如下式(11)所示：

B＝(b_hk)_p×y∈{-1,0,1}^p×y (11)

其中：p为热网内回路的总数，

L_h为回路序号，E_k＝(e₁,e₂)表示热网管道集中第k个管道的方向为节点e₁指向节点e₂。

(3)热力支路热性方程

本实施例中热力支路热性方程如下式(12)所示：

其中：Δq_k,t为第k个管道在第t个时间段的热流量损失，ε_k为第k个管道的热流量损失系数，

为在第t个时间段流入第k个管道的热流量，为在第t个时间段流出第k个管道的热流量，τ_k,t为热网传输延时时间。

(4)热力网络平衡方程

本实施例中热力网络平衡方程如下式(13)所示：

其中：A₁和A₂分别为热网的起点关联矩阵和终点关联矩阵，

为在第t个时间段流入各管道的热流量构成的热流量向量，

为在第t个时间段流出各管道的热流量构成的热流量向量，Q_t为热网内所有节点在t时间段的热流量流入量构成的向量，其中热源节点的热流量流入量为正值，热负荷节点的热流量流入量为负值。

6、发电机组与热源出力约束条件

本实施例中发电机组与热源出力约束条件如下式(14)所示：

其中：

为第a个火电机组在第t个时间段的发电功率，P_a和

分别为发电功率

的上限值和下限值；

为第d个风电场在第t个时间段的发电功率，

为发电功率

的上限值；

为第e个供热锅炉在第t个时间段的供热量，Q _e和

分别为供热量的上限值和下限值；R_a为第a个火电机组的爬坡速率限值。

7、热电联产机组运行约束条件

热电联产机组的发电出力和供热出力具有强耦合限制，其发电供热的可行区间不仅受到供热、供电本身的出力约束，还受到最大、最小进气量约束，以及低压缸凝气约束等电热出力约束的限制。因此热电联产机组的运行点在发电和供热两个维度形成了凸多边形运行区域。

图2为热电联产机组的运行区域示意图，如图所示，本实施例中热电联产机组的运行区域为包括四个顶点的凸多边形运行区域。

热电联产机组运行约束条件如下式(15)所示：

其中，

和

分别为第c个热电联产机组在第t个时间段的发电功率和供热量，

为热电联产机组的运行点；M为凸多边形运行区域的顶点总数，

为第r个顶点对应的组合系数，

和

分别为第r个顶点的发电成本和供热成本。

本实施例中组合系数

的约束条件如下式所示：

进一步地，热电联产机组的运行区域为非凸多边形运行区域时，可以按照下述步骤确定热电联产机组运行约束条件。

图3为热电联产机组的非凸可行域示意图，图4为图3所示非凸可行域的切割示意图，如图所示，本实施例中热电联产机组的运行区域为非凸多边形运行区域，根据供热水平对该非凸多边形运行区域进行切割，形成凸多边形运行区域。其中：凸多边形运行区域I1为顶点A、B、E和F形成的凸多边形运行区域，凸多边形运行区域I2为顶点B、C、D和E形成的凸多边形运行区域。本实施例中热电联产机组运行约束条件如下式(16)所示：

其中，

和

分别为第c个热电联产机组在第t个时间段的发电功率和供热量，

为热电联产机组的运行点；M₁为凸多边形运行区域I1的顶点总数，M₂为凸多边形运行区域I1的顶点总数；

为凸多边形运行区域I1中第r₁个顶点对应的组合系数，为

为凸多边形运行区域I2中第r₂个顶点对应的组合系数，

和

分别为第r₁个顶点的发电成本和供热成本，

和

分别为第r₂个顶点的发电成本和供热成本。

本实施例中组合系数

的约束条件如下式(17)所示：

本实施例中组合系数

的约束条件如下式(17)所示：

其中：I₁+I₂＝1，I₁为1时表示热电联产机组的运行点处于凸多边形运行区域I1，I₂为1时表示热电联产机组的运行点处于凸多边形运行区域I2。

本发明还提供了一种促进风电消纳的热电联合优化系统，并给出具体实施例。

本实施例中热电联合优化系统包括热电耦合模型构建模块、发电调度模型构建模块和热电联合优化模块。

其中：热电耦合模型构建模块，用于预测各供热区域的用热量需求值，获取热网连通区域的管网热损耗，并依据用热量需求值和管网热损耗构建热电联产机组的热电耦合模型；热网连通区域包括多个网络结构连通的供热区域。

发电调度模型构建模块，用于依据火电机组和风电场的出力预测值构建发电调度模型。

热电联合优化模块，用于依据热电耦合模型、发电调度模型、热力设备、电负荷和热负荷构建热电联合优化模型；并依据热电联合优化模型确定热电联产机组和热力设备的供热计划，及火电机组和风电场的发电计划。其中：包括供热锅炉、储热装置和电锅炉；供热计划包括热电联产机组和热力设备在预设时间范围内各时间段的供热量，发电计划包括火电机组和风电场在各时间段的发电功率。

本实施例中热电联合优化模块能够分别确定各电力元件的发电计划和各热力元件的供热计划，即确定热网连通区域内各供热区域的供热比例和发电比例，从而弱化了以热定电的电网调度模式，增强了电网调峰能力，进而有效地消纳风电、减少弃风电量。

进一步地，本实施例中热电耦合模型构建模块还可以包括下述结构，具体为：

本实施例中热电耦合模型构建模块包括管网损耗计算单元，管网损耗计算单元包括数据采集子单元和损耗计算子单元。

数据采集子单元，用于计算热网连通区域内各热电厂的热损耗，采集各热电厂与所述热网连通区域内各供热区域之间的实际距离。

损耗计算子单元，用于对热损耗和实际距离进行曲线拟合，并对拟合得到的曲线进行线性简化，得到热网连通区域内热电厂的热损耗函数，依据热损耗函数计算管网热损耗。进一步地，本实施例中管网损耗计算单元再计算还可以包括热网连通区域识别单元，即用于识别热网中的热网连通区域，其中，根据不同的电网调度模式热网连通区域识别单元采取不同的识别策略确定热网连通区域的各供热区域：若电网调度模式为以热定电模式，则将各热电厂所在区域作为供热区域；若电网调度模式为电热协调模式，则将各供暖区域作为供热区域。

进一步地，本实施例中热电联合优化模型包括目标函数和约束条件；所述约束条件包括电力平衡约束条件、区域热力平衡约束条件、电网潮流约束条件、热力网络约束条件、发电机组与热源出力约束条件和热电联产机组运行约束条件。热力网络约束条件包括热网水力约束条件和热网热力约束条件，热网水力约束条件包括水力支路特性方程和水力网络平衡方程；热网热力约束条件包括热力支路热性方程和热力网络平衡方程。其中：

目标函数如式(1)所示：

其中：

为第a个火电机组在第t个时间段的运行成本，

为第b个供热锅炉在第t个时间段的运行成本，

为第c个热电联产机组在第t个时间段的运行成本，C_w和C_c分别为弃风电量和管网热损耗的惩罚参数；

电力平衡约束条件如式(4)所示：

为第a个火电机组在第t个时间段的发电功率，

为第c个热电联产机组在第t个时间段的发电功率，

为第d个风电场在第t个时间段的发电功率，

为第f个电锅炉在第t个时间段的发电功率；P_t为第t个时间段的电负荷；

区域热力平衡约束条件如式(5)所示：

为第e个供热锅炉在第t个时间段的供热量，

为第c个热电联产机组在第t个时间段的供热量，

为第f个电锅炉在第t个时间段的供热量，

为第g个储热装置在第t个时间段的供热量，Q_j,t为所述热网连通区域中第j个供热区域的用热量需求值；

电网潮流约束条件如式(7)所示：

为热网连通区域中第i条支路在第t个时间段的潮流值，

和

分别为潮流值

的上限值和下限值；g_i,a、g_i,c、g_i,d和g_i,f为发电功率转移分布因子；

为第a个火电机组在第t个时间段的发电功率，

为第c个热电联产机组在第t个时间段的发电功率，

为第d个风电场在第t个时间段的发电功率，

为第f个电锅炉在第t个时间段的用电功率；

水力支路特性方程如式(8)所示：Δh＝R(l+l_d)＝sG²，Δh为热网中管道的水压压降，R为沿程损失，l为管道的长度，l_d为局部阻力当量长度，G为管道的流量，s为管道阻力特征系数；

水力网络平衡方程如式(9)所示：

A和B分别为热网的关联矩阵和回路矩阵，G为热网中各管道的流量构成的流量向量，G₀为热网中各节点流入的热流量构成的流量向量，ΔH为热网中各管道的水压压降构成的压力向量；

热力支路热性方程如式(12)所示：

Δq_k,t为第k个管道在第t个时间段的热流量损失，ε_k为第k个管道的热流量损失系数，

为在第t个时间段流入第k个管道的热流量，为在第t个时间段流出第k个管道的热流量，τ_k,t为热网传输延时时间；

热力网络平衡方程如式(13)所示：

A₁和A₂分别为热网的起点关联矩阵和终点关联矩阵，

为在第t个时间段流入各管道的热流量构成的热流量向量，

为在第t个时间段流出各管道的热流量构成的热流量向量，Q_t为热网内所有节点在t时间段的热流量流入量构成的向量，其中热源节点的热流量流入量为正值，热负荷节点的热流量流入量为负值。

根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (19)

1.一种促进风电消纳的热电联合优化方法，其特征在于，所述方法包括：

预测各供热区域的用热量需求值，并获取热网连通区域的管网热损耗；所述热网连通区域包括多个网络结构连通的供热区域；

依据所述用热量需求值和管网热损耗构建热电联产机组的热电耦合模型，依据火电机组和风电场的出力预测值构建发电调度模型；

依据所述热电耦合模型、发电调度模型、热力设备、电负荷和热负荷构建热电联合优化模型；依据所述热电联合优化模型确定所述热电联产机组和热力设备的供热计划，及所述火电机组和风电场的发电计划；所述热力设备包括供热锅炉、储热装置和电锅炉；所述供热计划包括热电联产机组和热力设备在预设时间范围内各时间段的供热量，所述发电计划包括火电机组和风电场在所述各时间段的发电功率；

所述热电联合优化模型的目标函数如下式所示：

其中：N_e、N_h和N_c分别为所述热网连通区域中火电机组、供热锅炉和热电联产机组的个数；N为所述预设时间范围内预设的时间段个数，t为所述各时间段的序号；

为第a个火电机组在第t个时间段的运行成本，

为第b个供热锅炉在第t个时间段的运行成本，

为第c个热电联产机组在第t个时间段的运行成本，C_w和C_c分别为弃风电量和管网热损耗的惩罚参数；

所述弃风电量的惩罚参数C_w如下式所示：

其中：θ为弃风电量的惩罚因子，N_w为所述热网连通区域中风电场的个数，

和

分别为第d个风电场在第t个时间段的期望发电功率和实际发电功率；

所述管网损耗的惩罚参数C_c如下式所示：

其中：λ为管网热损耗的惩罚因子，N_eb为所述热网连通区域中电锅炉的个数；

为第c个热电联产机组在第t个时间段的供热量，

为第e个供热锅炉在第t个时间段的供热量，

为第f个电锅炉在第t个时间段的供热量；f_s为所述热网连通区域内热电厂的热损耗函数。

2.如权利要求1所述的一种促进风电消纳的热电联合优化方法，其特征在于，所述获取热网连通区域的管网热损耗包括：

计算所述热网连通区域内各热电厂的热损耗，采集所述各热电厂与所述热网连通区域内各供热区域之间的实际距离；

对所述热损耗和实际距离进行曲线拟合，并对拟合得到的曲线进行线性简化，得到所述热网连通区域内热电厂的热损耗函数，依据所述热损耗函数计算管网热损耗。

3.如权利要求1所述的一种促进风电消纳的热电联合优化方法，其特征在于，所述热电联合优化模型的约束条件包括电力平衡约束条件、区域热力平衡约束条件、电网潮流约束条件、热力网络约束条件、发电机组与热源出力约束条件和热电联产机组运行约束条件。

4.如权利要求1或3任一项所述的一种促进风电消纳的热电联合优化方法，其特征在于，所述热电联合优化模型的电力平衡约束条件如下式所示：

其中：N_e、N_w、N_c和N_eb分别为所述热网连通区域中火电机组、风电场、热电联产机组和电锅炉的个数；

为第a个火电机组在第t个时间段的发电功率，

为第c个热电联产机组在第t个时间段的发电功率，

为第d个风电场在第t个时间段的发电功率，

为第f个电锅炉在第t个时间段的发电功率，t为所述预设时间范围内预设的各时间段的序号，t≥1；P_t为所述第t个时间段的电负荷。

5.如权利要求1或3任一项所述的一种促进风电消纳的热电联合优化方法，其特征在于，所述热电联合优化模型的区域热力平衡约束条件如下式所示：

其中：N_h、N_c、N_eb和N_s分别为所述热网连通区域中供热锅炉、热电联产机组、电锅炉和储热装置的个数；

为第e个供热锅炉在第t个时间段的供热量，

为第c个热电联产机组在第t个时间段的供热量，

为第f个电锅炉在第t个时间段的供热量，

为第g个储热装置在第t个时间段的供热量，Q_j,t为所述热网连通区域中第j个供热区域的用热量需求值；

为供热锅炉的热力区域关联矩阵中第e行第j列对应的元素，

为热电联产机组的热力区域关联矩阵中第c行第j列对应的元素，

为电锅炉的热力区域关联矩阵中第f行第j列对应的元素，

为储热装置的热力区域关联矩阵中第g行第j列对应的元素，t为所述预设时间范围内预设的各时间段的序号，t≥1；

所述热力区域关联矩阵A_mn如下式所示：

其中，a_mn为第m个供热区域与第n个供热设备的关联关系：若a_mn＝0则第n个供热设备不在第m个供热区域内，若a_mn＝1则第n个供热设备在第m个供热区域内，所述供热设备包括供热锅炉、热电联产机组、电锅炉或储热装置。

6.如权利要求1或3任一项所述的一种促进风电消纳的热电联合优化方法，其特征在于，所述热电联合优化模型的电网潮流约束条件如下式所示：

其中：

为所述热网连通区域中第i条支路在第t个时间段的潮流值，

和

分别为所述潮流值

的上限值和下限值；g_i,a、g_i,c、g_i,d和g_i,f为发电功率转移分布因子；

为第a个火电机组在第t个时间段的发电功率，

为第c个热电联产机组在第t个时间段的发电功率，

为第d个风电场在第t个时间段的发电功率，

为第f个电锅炉在第t个时间段的用电功率；t为所述预设时间范围内预设的各时间段的序号，t≥1。

7.如权利要求1或3任一项所述的一种促进风电消纳的热电联合优化方法，其特征在于，所述热电联合优化模型的热力网络约束条件包括热网水力约束条件和热网热力约束条件；所述热网水力约束条件包括水力支路特性方程和水力网络平衡方程；所述热网热力约束条件包括热力支路热性方程和热力网络平衡方程；

所述水力支路特性方程如下式所示：

Δh＝R(l+l_d)＝sG²

其中：Δh为热网中管道的水压压降，R为沿程损失，l为所述管道的长度，l_d为局部阻力当量长度，G为所述管道的流量，s为管道阻力特征系数；所述热网包括x个节点和y条管道，该热网的有向图表达式为G'(V,E)，V为热网节点集，E为热网管道集；

所述水力网络平衡方程如下式所示：

其中：A和B分别为所述热网的关联矩阵和回路矩阵，G为所述热网中各管道的流量构成的流量向量，G₀为所述热网中各节点流入的热流量构成的流量向量，ΔH为所述热网中各管道的水压压降构成的压力向量；

所述关联矩阵A如下式所示：

A＝(a_zk)_x×y∈{-1,0,1}^x×y

其中：z和k分别为所述热网内节点和管道的序号，

所述回路矩阵B如下式所示：

B＝(b_hk)_p×y∈{-1,0,1}^p×y

其中：p为所述热网内回路的总数，

L_h为所述回路序号，E_k＝(e₁,e₂)表示所述热网管道集中第k个管道的方向为节点e₁指向节点e₂；

所述热力支路热性方程如下式所示：

其中：Δq_k,t为所述第k个管道在第t个时间段的热流量损失，ε_k为第k个管道的热流量损失系数，

为在第t个时间段流入第k个管道的热流量；t为所述预设时间范围内预设的各时间段的序号，t≥1；

所述热力网络平衡方程如下式所示：

其中：A₁和A₂分别为所述热网的起点关联矩阵和终点关联矩阵，

为在第t个时间段流入各管道的热流量构成的热流量向量，

为在第t个时间段流出各管道的热流量构成的热流量向量，Q_t为所述热网内所有节点在t时间段的热流量流入量构成的向量，其中热源节点的热流量流入量为正值，热负荷节点的热流量流入量为负值。

8.如权利要求1或3任一项所述的一种促进风电消纳的热电联合优化方法，其特征在于，所述热电联合优化模型的发电机组与热源出力约束条件如下式所示：

其中：

为第a个火电机组在第t个时间段的发电功率，P _a和

分别为所述发电功率

的上限值和下限值；

为第d个风电场在第t个时间段的发电功率，

为所述发电功率

的上限值；

为第e个供热锅炉在第t个时间段的供热量，Q _e和

分别为所述供热量的上限值和下限值；R_a为第a个火电机组的爬坡速率限值；t为所述预设时间范围内预设的各时间段的序号，t≥1。

9.如权利要求1或3任一项所述的一种促进风电消纳的热电联合优化方法，其特征在于，所述热电联合优化模型的热电联产机组运行约束条件如下式所示：

其中，

和

分别为第c个热电联产机组在第t个时间段的发电功率和供热量，

为所述热电联产机组的运行点，所述热电联产机组的所有运行点形成的运行区域为凸多边形运行区域；M为所述凸多边形运行区域的顶点总数，

为第r个顶点对应的组合系数，

和

分别为第r个顶点的发电成本和供热成本；

所述组合系数

的约束条件如下式所示：

10.一种促进风电消纳的热电联合优化系统，其特征在于，所述系统包括：

热电耦合模型构建模块，用于预测各供热区域的用热量需求值，获取热网连通区域的管网热损耗，并依据所述用热量需求值和管网热损耗构建热电联产机组的热电耦合模型；所述热网连通区域包括多个网络结构连通的供热区域；

发电调度模型构建模块，用于依据火电机组和风电场的出力预测值构建发电调度模型；

热电联合优化模块，用于依据所述热电耦合模型、发电调度模型、热力设备、电负荷和热负荷构建热电联合优化模型；并依据所述热电联合优化模型确定所述热电联产机组和热力设备的供热计划，及所述火电机组和风电场的发电计划；所述热力设备包括供热锅炉、储热装置和电锅炉；所述供热计划包括热电联产机组和热力设备在预设时间范围内各时间段的供热量，所述发电计划包括火电机组和风电场在所述各时间段的发电功率。

11.如权利要求10所述的一种促进风电消纳的热电联合优化系统，其特征在于，所述热电耦合模型构建模块包括管网损耗计算单元；所述管网损耗计算单元包括数据采集子单元和损耗计算子单元；

所述数据采集子单元，用于计算所述热网连通区域内各热电厂的热损耗，采集所述各热电厂与所述热网连通区域内各供热区域之间的实际距离；

所述损耗计算子单元，用于对所述热损耗和实际距离进行曲线拟合，并对拟合得到的曲线进行线性简化，得到所述热网连通区域内热电厂的热损耗函数，依据所述热损耗函数计算管网热损耗。

12.如权利要求10所述的一种促进风电消纳的热电联合优化系统，其特征在于，所述热电联合优化模型包括目标函数和约束条件；所述约束条件包括电力平衡约束条件、区域热力平衡约束条件、电网潮流约束条件、热力网络约束条件、发电机组与热源出力约束条件和热电联产机组运行约束条件。

13.如权利要求12所述的一种促进风电消纳的热电联合优化系统，其特征在于，

所述目标函数如下式所示：

其中：N_e、N_h和N_c分别为所述热网连通区域中火电机组、供热锅炉和热电联产机组的个数；N为所述预设时间范围内预设的时间段个数，t为所述各时间段的序号；

为第a个火电机组在第t个时间段的运行成本，

为第b个供热锅炉在第t个时间段的运行成本，

为第c个热电联产机组在第t个时间段的运行成本，C_w和C_c分别为弃风电量和管网热损耗的惩罚参数；

所述弃风电量的惩罚参数C_w如下式所示：

其中：θ为弃风电量的惩罚因子，N_w为所述热网连通区域中风电场的个数，

和

分别为第d个风电场在第t个时间段的期望发电功率和实际发电功率；

所述管网损耗的惩罚参数C_c如下式所示：

其中：λ为管网热损耗的惩罚因子，N_eb为所述热网连通区域中电锅炉的个数；

为第c个热电联产机组在第t个时间段的供热量，

为第e个供热锅炉在第t个时间段的供热量，

为第f个电锅炉在第t个时间段的供热量；f_s为所述热网连通区域内热电厂的热损耗函数。

14.如权利要求12所述的一种促进风电消纳的热电联合优化系统，其特征在于，

所述电力平衡约束条件如下式所示：

其中：N_e、N_w、N_c和N_eb分别为所述热网连通区域中火电机组、风电场、热电联产机组和电锅炉的个数；

为第a个火电机组在第t个时间段的发电功率，

为第c个热电联产机组在第t个时间段的发电功率，

为第d个风电场在第t个时间段的发电功率，

为第f个电锅炉在第t个时间段的发电功率，t为所述预设时间范围内预设的各时间段的序号，t≥1；P_t为所述第t个时间段的电负荷。

15.如权利要求12所述的一种促进风电消纳的热电联合优化系统，其特征在于，

所述区域热力平衡约束条件如下式所示：

其中：N_h、N_c、N_eb和N_s分别为所述热网连通区域中供热锅炉、热电联产机组、电锅炉和储热装置的个数；

为第e个供热锅炉在第t个时间段的供热量，

为第c个热电联产机组在第t个时间段的供热量，

为第f个电锅炉在第t个时间段的供热量，

为第g个储热装置在第t个时间段的供热量，Q_j,t为所述热网连通区域中第j个供热区域的用热量需求值；

为供热锅炉的热力区域关联矩阵中第e行第j列对应的元素，

为热电联产机组的热力区域关联矩阵中第c行第j列对应的元素，

为电锅炉的热力区域关联矩阵中第f行第j列对应的元素，

为储热装置的热力区域关联矩阵中第g行第j列对应的元素，t为所述预设时间范围内预设的各时间段的序号，t≥1；

所述热力区域关联矩阵A_mn如下式所示：

其中，a_mn为第m个供热区域与第n个供热设备的关联关系：若a_mn＝0则第n个供热设备不在第m个供热区域内，若a_mn＝1则第n个供热设备在第m个供热区域内，所述供热设备包括供热锅炉、热电联产机组、电锅炉或储热装置；

所述供热区域的划分方法包括：若电网调度模式为以热定电模式，则将各热电厂所在区域作为供热区域；若电网调度模式为电热协调模式，则将各供暖区域作为供热区域。

16.如权利要求12所述的一种促进风电消纳的热电联合优化系统，其特征在于，

所述电网潮流约束条件如下式所示：

其中：

为所述热网连通区域中第i条支路在第t个时间段的潮流值，

和

分别为所述潮流值

的上限值和下限值；g_i,a、g_i,c、g_i,d和g_i,f为发电功率转移分布因子；

为第a个火电机组在第t个时间段的发电功率，

为第c个热电联产机组在第t个时间段的发电功率，

为第d个风电场在第t个时间段的发电功率，

为第f个电锅炉在第t个时间段的用电功率；t为所述预设时间范围内预设的各时间段的序号，t≥1。

17.如权利要求12所述的一种促进风电消纳的热电联合优化系统，其特征在于，

所述热力网络约束条件包括热网水力约束条件和热网热力约束条件；所述热网水力约束条件包括水力支路特性方程和水力网络平衡方程；所述热网热力约束条件包括热力支路热性方程和热力网络平衡方程；

所述水力支路特性方程如下式所示：

Δh＝R(l+l_d)＝sG²

其中：Δh为热网中管道的水压压降，R为沿程损失，l为所述管道的长度，l_d为局部阻力当量长度，G为所述管道的流量，s为管道阻力特征系数；所述热网包括x个节点和y条管道，该热网的有向图表达式为G'(V,E)，V为热网节点集，E为热网管道集；

所述水力网络平衡方程如下式所示：

其中：A和B分别为所述热网的关联矩阵和回路矩阵，G为所述热网中各管道的流量构成的流量向量，G₀为所述热网中各节点流入的热流量构成的流量向量，ΔH为所述热网中各管道的水压压降构成的压力向量；

所述关联矩阵A如下式所示：

A＝(a_zk)_x×y∈{-1,0,1}^x×y

其中：z和k分别为所述热网内节点和管道的序号，

所述回路矩阵B如下式所示：

B＝(b_hk)_p×y∈{-1,0,1}^p×y

其中：p为所述热网内回路的总数，

L_h为所述回路序号，E_k＝(e₁,e₂)表示所述热网管道集中第k个管道的方向为节点e₁指向节点e₂；

所述热力支路热性方程如下式所示：

其中：Δq_k,t为所述第k个管道在第t个时间段的热流量损失，ε_k为第k个管道的热流量损失系数，

为在第t个时间段流入第k个管道的热流量；t为所述预设时间范围内预设的各时间段的序号，t≥1；

所述热力网络平衡方程如下式所示：

其中：A₁和A₂分别为所述热网的起点关联矩阵和终点关联矩阵，

为在第t个时间段流入各管道的热流量构成的热流量向量，

为在第t个时间段流出各管道的热流量构成的热流量向量，Q_t为所述热网内所有节点在t时间段的热流量流入量构成的向量，其中热源节点的热流量流入量为正值，热负荷节点的热流量流入量为负值。

18.如权利要求12所述的一种促进风电消纳的热电联合优化系统，其特征在于，

所述发电机组与热源出力约束条件如下式所示：

其中：

为第a个火电机组在第t个时间段的发电功率，P _a和

分别为所述发电风力

的上限值和下限值；

为第d个风电场在第t个时间段的发电功率，

为所述发电功率

的上限值；

为第e个供热锅炉在第t个时间段的供热量，Q _e和

分别为所述供热量的上限值和下限值；R_a为第a个火电机组的爬坡速率限值；t为所述预设时间范围内预设的各时间段的序号，t≥1。

19.如权利要求12所述的一种促进风电消纳的热电联合优化系统，其特征在于，

所述热电联产机组运行约束条件如下式所示：

其中，

和

分别为第c个热电联产机组在第t个时间段的发电功率和供热量，

为所述热电联产机组的运行点，所述热电联产机组的所有运行点形成的运行区域为凸多边形运行区域；M为所述凸多边形运行区域的顶点总数，

为第r个顶点对应的组合系数，

和

分别为第r个顶点的发电成本和供热成本；

所述组合系数

的约束条件如下式所示：

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