CN107194543A

CN107194543A - 一种区域能源规划设计阶段的能源站配置方法

Info

Publication number: CN107194543A
Application number: CN201710290967.1A
Authority: CN
Inventors: 黄尚渊; 李蕊; 于航; 刘志渊; 王新刚; 江剑峰; 顾臻
Original assignee: Tongji University; State Grid Shanghai Electric Power Co Ltd
Current assignee: Tongji University; State Grid Shanghai Electric Power Co Ltd
Priority date: 2017-04-28
Filing date: 2017-04-28
Publication date: 2017-09-22

Abstract

本发明涉及一种区域能源规划设计阶段的能源站配置方法，包括以下步骤：对区域内建筑的冷热电负荷进行模拟计算，获得区域负荷特征；根据区域内的地理、资源、气象特征及所述区域负荷特征获得初选能源技术；获得各初选能源技术对应的技术设备基本参数及能源价格；建立区域能源站配置模型，该配置模型考虑能源的生产成本、运行维护费用、日间用能的价格变化、市场自由交易机制、蓄冷蓄热、碳排放税率以及设备效率随运行状态的变化；应用分支切割算法求解区域能源站配置模型，获得能源技术种类及对应配置容量。与现有技术相比，本发明解决了在区域能源规划设计阶段能源站能源技术种类选择和相应设备容量配置的问题，具有可靠性高等优点。

Description

一种区域能源规划设计阶段的能源站配置方法

技术领域

本发明涉及区域能源规划设计领域，尤其是涉及一种区域能源规划设计阶段的能源站配置方法。

背景技术

我国是个能源消耗大国，在工业化和城市化飞速发展的进程中，能源问题愈来愈成为制约我国经济发展和社会进步的“瓶颈”。能源短缺，环境恶化是日趋严重的全球性问题。区域综合能源系统可增加可再生能源、低品位能源的利用，提高能源的利用效率，改善能源消费结构，是未来能源生产、输送、消费的主要形式，然而，在区域能源规划设计阶段由于缺乏详细的基础数据和理论研究，使得规划阶段的能源需求总量、可再生能源占比、能源结构比例、系统的综合能源利用效率以及可产生的经济效益等能源指标冗余粗糙，因此，需要在区域能源规划设计阶段解决以下问题：

(1)如何确定区域能源系统在经济低碳情景下的综合能源构成；

(2)如何确定各能源设备的配置容量。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种区域能源规划设计阶段的能源站配置方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种区域能源规划设计阶段的能源站配置方法，包括以下步骤：

1)对区域内建筑的冷热电负荷进行模拟计算，获得区域负荷特征；

2)根据区域内的地理、资源、气象特征及所述区域负荷特征获得初选能源技术；

3)获得各所述初选能源技术对应的技术设备基本参数及能源价格；

4)根据步骤3)建立区域能源站配置模型，该配置模型考虑能源的生产成本、运行维护费用、日间用能的价格变化、市场自由交易机制、蓄冷蓄热、碳排放税率以及设备效率随运行状态的变化；

5)应用分支切割算法求解所述区域能源站配置模型，获得能源技术种类及对应配置容量。

所述区域能源站配置模型的目标函数为：

minΣ(C_in+C_o+C_m+C_c)

其中，C_in为折算到全生命周期的等额年值初投资，C_o为年运行能源费用，C_n为维护费用，C_c为碳交易费用；

所述区域能源站配置模型的约束条件包括总量约束和设备约束。

所述等额年值初投资C_in为：

其中，j表示技术设备编号，PR_j为技术设备j的单位容量价格，RC_j为技术设备j的额定容量，i为折现率，n_j为技术设备j的使用寿命。

所述年运行能源费用C_o为：

C_o＝C_f+C_e

其中，C_f为燃气费用，C_e为电费。

所述维护费用C_m为：

其中，j表示技术设备编号，J为技术设备集合，α^j为技术设备j固定维护费用系数，Ca^j为技术设备j装机容量，β^j为技术设备j的变动维护费用系数，P_t ^j为技术设备j的总逐时出力。

所述碳交易费用C_c为：

其中，ε为碳排税，t为时间，为逐时从大电网的购电量，为CHP机组的电力实时出力，η_e为CHP机组发电效率，q为天然气热值，为锅炉产热量，η_boiler为锅炉产热效率，Δt为设定时间间隔，ω^grid为大电网单位产能的碳排放系数，ω^gas为天然气单位产能的碳排放系数。

所述总量约束包括用电量平衡约束、冷量平衡约束和热量平衡约束；

所述用电量平衡约束定义为：

其中，为逐时从大电网的购电量，为CHP机组的电力实时出力，为耗电设备的逐时耗电量，为照明的逐时耗电量，为配电系统的逐时耗电量，冷水机组的逐时耗电量；

冷量平衡约束：

其中，为电制冷制冷量，为溴化锂制冷量，η_c为储冷效率，为蓄冷的功率，为免费供冷量，LC_t为逐时冷负荷；

热量平衡约束：

其中，为热泵制热量，为溴化锂制热量，η_h为蓄热效率，为蓄热的功率，LH_t为逐时热负荷。

所述设备约束包括设备出力范围约束和启停状态约束。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)本发明建立了区域能源站配置模型，该模型充分考虑了蓄能设备对能源系统配置的影响，可靠性高，使得规划结果更加具有指导价值和意义，对区域能源规划设计提供理论和技术支撑；

2)本发明将碳排放与经济指标巧妙的结合起来，既保证经济效益又满足碳排放要求；

3)本发明的计算结果还可以对区域能源系统的运行控制策略提供参考。

附图说明

图1为区域能源规划阶段示意图；

图2为本发明的流程示意图；

图3为实施例中区域能源系统构成和能量流动图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例提供一种区域能源规划设计阶段的能源站配置方法，对区域能源网络内的多种能源种类、多种二次能源生产技术、多种用户负荷类型以及蓄冷蓄热设备进行分析并建立起区域供能的数学模型，基于互联互济的能源交互网络建立了应用于区域能源规划设计阶段的能源站配置模型，模型中充分考虑能源的生产成本、运行维护费用、日间用能的价格变化、市场自由交易机制、蓄冷蓄热、碳排放税率以及设备效率随运行状态的变化，将各变量等效为全生命周期等年值，并应用分支切割算法进行求解，解决了在区域能源规划设计阶段能源站能源技术种类选择和相应设备容量配置的问题。

区域能源规划设计阶段的能源站供能网络包括可用能源资源、二次能源转化设备、蓄热蓄冷设备、输配网络以及辅助供能设备。区域能源规划设计阶段是指在城市设计中的控制性详细规划和修建性详细规划阶段的城市区域能源规划阶段，包含将设计阶段的技术方法提前应用于区域能源规划阶段，如图1所示。

该方法中的区域是指能实现范围内能量自产自销和多能互补的城市园区、片区或社区，并实现能量供给的经济性；可用能源资源包括市政天然气、大电网、可再生能源资源以及低品位能源等；二次能源转化设备包括燃气发电机组、热泵机组、冷机机组、锅炉、溴化锂吸收式热泵机组等；蓄冷蓄热设备包括蓄冷水箱和蓄热水箱；输配网络包括冷冻水供回水网络、冷却水供回水网络以及电力网络；辅助供能设备包括变压器等配电设备和水泵等能量输送设备。

对区域能源网络内发电设备种类初选和配置容量分析、冷热转化设备种类初选和配置容量分析、蓄冷蓄热设备配置容量分析、各类设备的启停控制分析以及出力控制分析如下：

条目一)发电设备种类初选和配置容量分析

考虑区域的地理条件、资源条件、气象条件以及政策条件进行设备种类初选；发电设备容量的大小决定了系统的运行模式、蓄能设备容量以及电网的最大补电量，若发电装置的容量偏小，则系统运行阶段不能很好的利用能源价格政策实现系统运行经济性，而若容量偏大，则系统的初投资会变大，并且发电装置运行在低负荷率的时间会增长。因此就整个生命周期内而言，系统的经济性可能会降低。

条目二)冷热转化设备种类初选和配置容量分析

考虑区域可利用的低品位能源和冷热负荷特征进行设备种类初选；其中制冷设备包括吸收式制冷、常规电制冷和免费供冷，三者可以同时提供所需冷量，免费供冷更多的受限于气象条件和冷却塔的数量，根据气象参数计算开启免费供冷的时间节点，吸收式冷机可以充分利用发电装置产生的废热制冷，提高系统的整体效率，但是吸收式冷机的制冷效率一般要低于常规冷机和免费供冷的效率，电制冷效率高但需要消耗高品位能源，因此如何分配三者的容量，不仅会影响系统的初投资并且会影响系统运行费用。

条目三)蓄冷蓄热设备配置容量分析

能源系统中设置蓄能装置的目的是：1)存储多余冷量，提高CHP废热利用率，从而提高整个系统的能源利用率；2)充分利用低谷电价。蓄能装置容量增大有利于蓄能效果的提高，但是会增大蓄能装置的投资。此外，蓄能装置的大小还取决于场地、外观等因素。因此，蓄能装置的初步确定应取决于实际工程的硬件条件，在此基础上，其大小取决于能源系统的构成和负荷特性，需经优化计算得到。

条目四)各类设备的启停控制分析

设备一般都有一定的设计运行范围，在该范围内具有较高的运行效率，而在低负荷率下设备效率会急剧下降。因此需要定义最低运行负荷率控制设备的启停，以提高系统的运行负荷，从而提高系统的运行效率，进而提高系统的经济性，设定最低负荷率为0.25来控制能源系统中设备的启停。

条目五)出力控制分析

由于同类设备之间的效率存在差异，能源消耗种类不同，导致相同的出力条件下，设备耗能量及运行费用之间存在差异。同时对于单台设备而言，在不同出力条件下的效率值同样存在差别，因此必须通过优化的手段得到能源系统中各设备的出力，即得到系统的运行优化策略。

如图2所示，本实施例提供的区域能源规划设计阶段的能源站配置方法包括以下步骤：

区域能源站配置模型具体分析如下：

(1)目标函数为：

min∑(C_in+C_o+C_m+C_c)

其中，C_in为折算到全生命周期的等额年值初投资，C_o为年运行能源费用，C_m为维护费用，C_c为碳交易费用。

1)设备初投资费用：

C′_in＝C′_in-CHP+C′_in-CH+C′_in-ES+C′_in-OT

式中，C′_in表示初投资总费用；C′_in-CHP表示联供系统的初投资；C′_in-CH表示冷水机组(不包括备份冷水机组)初投资；C′_in-ES表示蓄能设备(HS表示蓄热，CS表示蓄冷，不包括蓄电)的初投资；C′_in-OT表示冷却塔、水泵以及管网等的初投资；j表示上述各种设备；PR_j表示各设备的单位容量价格；RC_j表示各设备的额定容量；i为折现率；n_j为各设备的使用寿命。

2)年运行费用：

C_o＝C_f+C_e

即，年运行费用包括燃气费用C_f和电费(大电网)C_e。

a、燃气费用：

式中，PR_f为天然气价格；t为时间，单位h；为CHP机组的电力实时出力；η_e为CHP机组发电效率；q为天然气热值；为锅炉产热量；η_boiler为锅炉产热效率；Δt为设定时间间隔，本实施例中取为一小时。

b、电费：

电费由基本电费和电度电费组成，而基本电费又有两种计量方式，分别是按照变压器容量和用电最大有功功率计算。

按照变压器容量计算的基本电费为：

其中，为变压器单位容量价格；Ca^transformer为变压器容量；m代表月份。

按照用电最大有功功率计算的基本电费为：

其中，为单位有功功率的价格；为每个月从大电网的逐时购电量。

电度电费为：

式中，为逐时电价；为逐时从大电网的购电量。

因此，年耗电费用为：

Or

3)设备维护费用：

设备的运行维护费用有固定维护费用和变动维护费用构成。

式中，α^j为各设备固定维护费用系数；Ca^j为各设备装机容量；β^j为各设备变动维护费用系数；为各设备的总逐时出力。

4)碳排放费用

碳排放的途径主要有三个，第一为购入电网电力间接产生的碳排放，第二为燃气轮机消耗燃气直接产生的碳排放，第三为燃气锅炉消耗燃气直接产生的碳排放。

式中，ε为碳排税；ω为单位产能的碳排放系数。

(2)约束条件

配置问题中的约束条件包括总量约束(能量守恒)和设备约束，总量约束包括用电量平衡约束和冷(热)量平衡约束；设备约束包括设备出力约束和设备产能总量约束。

1)用电平衡约束：

式中，为耗电设备的逐时耗电量；为照明的逐时耗电量；为配电系统的逐时耗电量；冷水机组的逐时耗电量。蓄能设备通过冷水机组将电能转化为冷量储存，因此，在电力平衡中没有蓄能设备。

发电不上网，因此：

2)冷量平衡约束：

式中，为电制冷制冷量；为溴化锂制冷量；η_c为储冷效率；为蓄冷的功率，“+”时是释冷状态，“-”时是蓄冷状态；为免费供冷量；LC_t为逐时冷负荷。

3)热量平衡约束：

式中，为热泵制热量；为溴化锂制热量；η_h为蓄热效率；为蓄热的功率，“+”时是释热状态，“-”时是蓄热状态；LH_t为逐时热负荷。

4)设备约束：

任何设备都存在最大最小的出力范围，且存在启停状态。

对于CHP的发电设备而言，t时刻的发电量与燃气消耗量之间有：

式中，γ_e-CHP的取值为0或1；为机组的最小出力；表示机组的最大出力。

对于吸收式制冷机，有：

式中，为发电机组的排热量；COP_ac为吸收式制冷机的效率；γ_c-CHP的取值为0或1。

由于CHP设备有固定的冷电比，故：

γ_c-CHP≤γ_e-CHP

对于电制冷机组，有：

式中，COP_ec为电制冷机的效率；γ_ec的取值为0或1。

对于免费供冷有：

式中，T₁为上半年关闭免费供冷的时间；T₂为下半年开启免费供冷的时间。

对于热泵，有：

式中，COP_eh为热泵的效率；γ_eh的取值为0或1。

对于储能，有：

式中，为蓄冷(热)总量；γ_ES的取值为0或1。

对于锅炉，有：

式中，锅炉的逐时耗气量；γ_gh的取值为0或1。

即，蓄冷总量要小于最大的天累计冷负荷。

考虑到蓄能(冷/热)对区域能源系统配置的影响，设置实施例情景如附图3所示。

该实施例为区域综合体，通过区域冷热电负荷模拟方法，获得全年冷热电的负荷数据；如表1所示为部分设备的初投资成本，另外区域能源系统还应包含水泵、冷却塔等附属设备，取附属设备的投资成本为表1投资成本的35％。如表2所示为电力价格，另外查得天然气的价格为2.6元/Nm³，充分利用本发明来体现经济杠杆作用，实现电力削峰填谷和碳排放的最佳融合点。表3为设备的维护费用，表4为设备的具体性能参数，为了降低降低模型的求解难度，系统中设备的效率等性能参数均假定为常数。

表1部分设备的初投资单价

表2规划区域的用电价格

表3各设备的维护费用

设备种类	固定维护费用(￥/kW)	变动维护费用(￥/kWh)
			发电装置	0	0.0986
燃气锅炉	2.05	0
			吸收式冷机	12.4	0
电制冷机组	1.24	0
			热泵机组	1.25	0

表4各设备的具体参数

利用数学工具Matlab求解规划方程得到：该区域能源系统选择的设备为：内燃机发电机组，容量为45012kW；热泵机组，容量为24987kW；溴化锂吸收式机组，容量为38823kW；锅炉，容量为13276kW；蓄能设备，容量为21027m³。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种区域能源规划设计阶段的能源站配置方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的区域能源规划设计阶段的能源站配置方法，其特征在于，所述区域能源站配置模型的目标函数为：

min∑(C_in+C_o+C_m+C_c)

其中，C_in为折算到全生命周期的等额年值初投资，C_o为年运行能源费用，C_m为维护费用，C_c为碳交易费用；

3.根据权利要求2所述的区域能源规划设计阶段的能源站配置方法，其特征在于，所述等额年值初投资C_in为：

<mrow> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <munder> <mo>&Sigma;</mo> <mi>j</mi> </munder> <msub> <mi>PR</mi> <mi>j</mi> </msub> <msub> <mi>RC</mi> <mi>j</mi> </msub> <mfrac> <mi>i</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>n</mi> <mi>j</mi> </msub> </msup> </mfrac> </mrow> </mfrac> </mrow>

4.根据权利要求2所述的区域能源规划设计阶段的能源站配置方法，其特征在于，所述年运行能源费用C_o为：

C_o＝C_f+C_e

其中，C_f为燃气费用，C_e为电费。

5.根据权利要求2所述的区域能源规划设计阶段的能源站配置方法，其特征在于，所述维护费用C_m为：

<mrow> <msub> <mi>C</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>=</mo> <munder> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>&Element;</mo> <mi>J</mi> </mrow> </munder> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <mi>&alpha;</mi> <mi>j</mi> </msup> <msup> <mi>Ca</mi> <mi>j</mi> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>&beta;</mi> <mi>j</mi> </msup> <mo>(</mo> <mrow> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>t</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mn>8760</mn> </munderover> <mrow> <msubsup> <mi>P</mi> <mi>t</mi> <mi>j</mi> </msubsup> <mi>&Delta;</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，j表示技术设备编号，J为技术设备集合，α^j为技术设备j固定维护费用系数，Ca^j为技术设备j装机容量，β^j为技术设备j的变动维护费用系数，为技术设备j的总逐时出力。

6.根据权利要求2所述的区域能源规划设计阶段的能源站配置方法，其特征在于，所述碳交易费用C_c为：

<mrow> <msub> <mi>C</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>t</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mn>8760</mn> </munderover> <mi>&epsiv;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>P</mi> <mi>t</mi> <mrow> <mi>g</mi> <mi>r</mi> <mi>i</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msubsup> <msup> <mi>&omega;</mi> <mrow> <mi>g</mi> <mi>r</mi> <mi>i</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msup> <mo>+</mo> <mo>(</mo> <mrow> <mfrac> <msubsup> <mi>P</mi> <mi>t</mi> <mrow> <mi>C</mi> <mi>H</mi> <mi>P</mi> </mrow> </msubsup> <mrow> <msub> <mi>&eta;</mi> <mi>e</mi> </msub> <mi>q</mi> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <msubsup> <mi>P</mi> <mi>t</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>o</mi> <mi>i</mi> <mi>l</mi> <mi>e</mi> <mi>r</mi> </mrow> </msubsup> <msub> <mi>&eta;</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mi>o</mi> <mi>i</mi> <mi>l</mi> <mi>e</mi> <mi>r</mi> </mrow> </msub> </mfrac> </mrow> <mo>)</mo> <msup> <mi>&omega;</mi> <mrow> <mi>g</mi> <mi>a</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msup> <mo>)</mo> </mrow> <mi>&Delta;</mi> <mi>t</mi> </mrow> 1

7.根据权利要求2所述的区域能源规划设计阶段的能源站配置方法，其特征在于，所述总量约束包括用电量平衡约束、冷量平衡约束和热量平衡约束；

所述用电量平衡约束定义为：

冷量平衡约束：

热量平衡约束：

8.根据权利要求2所述的区域能源规划设计阶段的能源站配置方法，其特征在于，所述设备约束包括设备出力范围约束和启停状态约束。