CN107290968B - 一种多能互补综合能源系统的协调优化控制方法 - Google Patents

一种多能互补综合能源系统的协调优化控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多能互补综合能源系统的协调优化控制方法,通过分层调控机制实现对综合能源系统冷热电多能流的优化控制,其中优化调度层以运行成本最小为目标,根据系统运行约束条件,结合冷热电负荷需求进行日前计划优化,协调控制层根据优化调度层得到的日前负荷计划,结合系统当前运行情况,得到冷热电实时负荷指令,通过实时控制层下发给综合能源系统相关设备的自动控制系统。通过本发明可以实现综合能源系统日前与实时两个时间尺度的协调调度与控制,消除能源需求不确定性和负荷预测误差给系统优化带来的不利影响,实现综合能源系统的经济运行,从而提高系统的能源利用率。

Description

一种多能互补综合能源系统的协调优化控制方法
技术领域
本发明属于能源运行与控制领域,主要涉及一种用于多能互补综合能源系统的协调优化控制方法。
背景技术
在传统的能源系统中,冷、热、电、气往往相互独立设计、运行和控制,不同的供能、用能系统主体不能进行整体上的协调、配合和优化,导致能源整体利用率不高。多能互补综合能源系统特指在规划、建设和运行等过程中,通过对冷、热、电、气多种能源的生产、传输、转换、存储、消费等环节进行有机协调与优化后所形成的能源产供销一体化系统,一方面实现了能源的梯级利用,提高能源的综合利用水平,另一方面利用各个能源系统之间在时空上的耦合机制,实现对多种能源的综合管理与协调互补。
目前国内外对多能互补综合能源系统的研究多集中于宏观层面,如系统规划、功能架构、技术形态等,部分学者借鉴微电网的控制理论以及大电网的调度理论,开展综合能源系统的优化运行研究,但主要只研究其中两种能量耦合并使用了一致的优化周期,优化方法和传统方法较为一致,多能流、多时间尺度的特性没有充分体现,同时鲜见关于多能流实时协调控制的研究,无法解决日前调度因负荷预测误差带来的影响。
因此需要研究综合能源系统中不同能流的互补性、灵活性以及不同优化周期对多能流系统优化调度的影响,同时开展多能互补综合能源系统协调控制的研究,以保障系统的经济运行。
发明内容
本发明的目的,在于提供一种多能互补综合能源系统的协调优化控制方法,根据综合能源系统多能流多时间尺度的特性,设计一种分层协调控制机制,实现冷热电多能流日前与实时两个时间尺度的协调调度与控制,消除能源需求不确定性和负荷预测误差给系统优化带来的不利影响,实现综合能源系统的经济运行。
为了达成上述目的,本发明的解决方案是:一种综合互补综合能源系统的协调优化控制方法,其特征在于该方法通过分层调控机制实现对多能互补综合能源系统的优化控制,其中上层为优化调度层,中间层为协调控制层,底层为实时控制层。
所述多能互补综合能源系统通过整合某一区域范围内多种供能资源实现冷热电多能协调供应,以达到提高能源利用效率、减少系统排放的目标,包括供能设备、储能设备和辅助供能设备;
所述优化调度层根据历史数据,以综合能源系统运行成本最小为优化目标,根据系统运行约束条件,结合预测的可再生能源发电功率、用户冷热电负荷需求进行优化调度,确定综合能源系统中冷热电计划指令;
所述协调控制层根据优化调度层得到的冷热电计划指令,根据系统设备运行情况,得到综合能源系统中冷热电实时负荷指令;
所述实时控制层一方面将协调控制层运算得到的指令发送给综合能源系统相关设备的自动控制系统,另一方面采集相关设备的运行参数,上传到协调控制层与优化调度层。
进一步的,所述优化调度层优化调度为日前调度,调度周期T1为15min,一天96个点。所述优化调度层优化调度优化过程包括以下步骤:
(1)建立系统优化调度目标函数为:
(2)建立系统的供能、储能和辅助供能设备模型,确定优化模型约束条件。
(3)根据未来24小时冷热电负荷预测结果,对上述模型进行求解,形成冷热电负荷优化调度计划。
其中:分别为t时刻综合能源系统中天然气、煤炭、外购电的价格与消耗量。
进一步的,所述优化调度层建立的供能设备模型包括天然气三联供机组、燃煤热电联产机组、吸收式制冷机组、汽(烟)水换热器,储能设备模型包括热、电、冷储能设备,辅助供能设备模型包括电制冷机组、燃气锅炉。
进一步的,所述优化调度层建立的约束条件包括:综合能源系统冷热电能量供需平衡约束,供能、储能、辅助供能设备负荷调节容量以及调节速率约束。
进一步的,所述协调控制层为实时优化控制,控制周期T2小于1min,优化过程包括以下步骤:
(1)根据环境温度的变化以及换热站的调节模式(质调、量调、混合调节) 确定换热站热负荷指令;
(2)根据吸收式制冷机组冷冻水回水温度,确定机组冷负荷指令;
(3)根据蒸汽母管压力与设定值偏差Δp,计算供热蒸汽负荷偏移量及其积分值:如偏差值小于死区,则联供机组热负荷指令取为计划值,如大于死区,则执行步骤(4)~(6);
其中:k1,k2根据热力管网的热工、水力计算获取。
(4)计算第i台联供机组的热负荷调节量:
其中:αi为第i台联供机组的经济分配系数,与机组的耗量微增率成反比,βi为第i台联供机组的比例分配系数,为提高系统响应速率,该值与机组的调节速率成正比。
(5)读取第i台联供机组的计划热负荷指令DGT_set_i,进而计算其实时热负荷指令:DGT_i=DGT_set_i+DGT_adj_i,如计算出的实时热负荷指令与蒸汽母管压力的变化范围相反,则将该机组的负荷指令取为当前负荷;
(6)如所有联供机组已达调节至满负荷运行,仍无法蒸汽管网需求,则启动调峰锅炉。
进一步的,所述实时控制层接收所述协调控制层下发的冷热电负荷指令,通过硬接线或通讯线下发给供能、储能、辅助供能设备的自动控制系统。
本发明的有益效果为:采用上述方案后,能够实现整个能源系统的分层协同和优化,保障区域综合能源系统的安全经济运行。
附图说明
图1是多能互补综合能源系统的示意图;
图2是应用本发明的硬件系统的架构图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
图1为一典型多能互补综合能源系统,该系统由燃气轮机、余热锅炉、燃气锅炉、溴化锂制冷机、电制冷机组、换热器、电储能组成。该系统中,燃气轮机、余热锅炉、溴化锂机组为供能设备,电制冷机和燃气锅炉为冷热负荷为调峰设备,大电网用以补充系统不足的电能需求或吸收多余的电能。系统同时向负荷提供电、热(含蒸汽、热水)、冷三种能量需求。
应用本发明的硬件系统的架构图如图2所示,本用于多能互补综合能源系统的协调控制方法可基于如图1所示的协调控制系统来实现,其中实时控制层协调控制器IO单元与综合能源系统各子系统控制系统双向连接,一方面采集该系统的设备运行参数,上送到协调控制器,另一方面输出协调控制器下发的负荷指令,协调控制层设一对冗余的协调控制器,进行实时负荷的指令的运算与控制,优化调度层服务器与协调控制器进行通讯,获取协调控制器采集的系统设备运行参数,同时进行冷热电负荷的优化模型计算。
本用于多能互补综合能源系统的协调控制方法,具体内容如下:
(1)建立系统优化调度层的优化模型如下:
a、目标函数:
其中:分别为t时刻综合能源系统中天然气、煤炭、外购电的价格与消耗量。
b、通过线性化处理,得到各设备能耗模型:
燃气轮机:Fgas_GT=f(PGT);
余热锅炉:DHRSG=f(PGT);
燃气锅炉:Fgas_boiler=f(Dboiler);
溴化锂机组:DLBRU=f(Qcold_LBRU);
电制冷机组:PERU=f(Qcold_ERU);
换热器:DHE=f(Qhot_HE);
c、确定约束条件:
电功率平衡:PGT+Pgird-PERU-Paux=Pload
冷负荷平衡:Qcold_LBRU+Qcold_ERU≥Qcold_load
蒸汽负荷平衡:DHRSG+Dboiler-DLBRU-DHE≥Dload
热水负荷约束:Qhot_HE≥Qhot
燃气轮机调节约束:
燃气锅炉调节约束:
溴化锂机组:
电制冷机组:Qmin_cold_ERU≤Qcold_ERU≤Qmax_cold_ERU
换热器:
其中:Fgas_GT为燃气轮机燃气消耗量,PGT为燃气轮机的发电功率,DHRSG为锅炉的蒸汽产量,Fgas_boiler为燃气锅炉的天然气消耗量,Dboiler为燃气锅炉的蒸汽产量,DLBRU为溴化锂机组的蒸汽消耗量,Qcold_LBRU为溴化锂机组的制冷负荷,PERU为电制冷机组的耗电量,Qcold_ERU为电制冷机组的制冷负荷,DHE为换热器的蒸汽消耗量,Qhot_HE为换热器的热水负荷,Pmax_GT、Pmin_GT、uGT为燃气轮机的负荷调节上限、下限、调节速率,Dmax_boiler、Dmin_boiler、uboiler为燃气锅炉的负荷调节上限、下限、调节速率,Qmax_cold_LBRU、Qmin_cold_LBRU、uLBRU为溴化锂机组的负荷调节上限、下限、调节速率,Qmax_cold_ERU、Qmin_cold_ERU为电制冷机组的负荷调节上限、下限、调节速率,Qmax_hot_HSE、Qmin_hot_HSE、uHSE为换热器的负荷调节上限、下限、调节速率,Δt为调度间隔周期,ΔPGT、ΔDboiler、ΔQcold_LBRU、ΔQhot_HSE分别为调度间隔周期内燃气轮机、余热锅炉、燃气锅炉、换热器的负荷增量,余热锅炉输入热量为燃气轮机的排气,其调节约束在燃气轮机中一并考虑。
(2)根据未来24小时的冷热电负荷预测结果,按15分钟一个调度周期,通过对步骤(1)中的模型进行求解,获得未来24小时的冷热电负荷计划。
优化调度层将15分钟的冷热电负荷指令下发给协调控制,协调控制控制通过以下步骤,获得冷热电负荷的实时控制指令:
a、根据环境温度的变化以及换热站的调节模式(质调、量调、混合调节) 确定换热站热负荷指令;
b、根据溴化锂制冷机组冷冻水回水温度,确定溴化锂机组冷负荷指令;
c、根据蒸汽母管压力与设定值偏差Δp,计算供热蒸汽负荷偏移量及其积分值:如偏差值小于死区,则将优化调度层得到的冷热电计划指令下发给相应设备,如大于死区,则执行步骤d~f;
其中:k1,k2根据热力管网的热工、水力计算获取。
d、计算每台燃气轮机的热负荷调节量:
其中:αi为第i台燃气轮机的经济分配系数,与机组的耗量微增率成反比,βi为第i台燃气轮机的比例分配系数,为提高系统响应速率,该值与燃气轮机的调节速率成正比。
e、读取第i台燃气轮机的计划热负荷指令DGT_set_i,进而计算该燃气轮机的实时热负荷指令:DGT_i=DGT_set_i+DGT_adj_i,如计算出的实时热负荷指令与蒸汽母管压力的变化范围相反,则将该燃气轮机的实时负荷指令取为当前负荷;
f、如所有燃机已达调节至满负荷运行,仍无法蒸汽管网需求,则启动调峰锅炉。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多能互补综合能源系统的协调优化控制方法,其特征在于:该方法通过分层调控机制实现对综合能源系统多能流的优化控制,其中上层为优化调度层,中间层为协调控制层,底层为实时控制层;
所述多能互补综合能源系统通过整合选定区域内的供能资源,实现冷热电多能协调供应;
所述优化调度层以综合能源系统运行成本最小为优化目标,根据系统运行约束条件,结合预测的可再生能源发电功率、用户冷热电负荷需求进行优化调度,确定综合能源系统中冷热电的计划指令;
所述协调控制层根据优化调度层得到的计划指令,根据综合能源系统当前运行情况,得到冷热电实时负荷指令;
所述协调控制层优化过程包括以下步骤:
(1)根据环境温度的变化以及换热器的调节模式确定换热站热负荷指令,所述调节模式包括质调、量调、混合调节;
(2)根据吸收式制冷机组冷冻水回水温度,确定机组冷负荷指令;
(3)根据蒸汽母管压力与设定值偏差Δp,计算供热蒸汽负荷偏移量及其积分值:
如偏差值小于死区,则将系统热负荷指令取为计划值,如大于死区,则执行步骤(4)~(6);
其中:k1,k2为系数,根据热力管网的热工、水力计算获取;
(4)计算第i台联供机组的热负荷调节量:
其中:αi为第i台联供机组的经济分配系数,与机组的耗量微增率成反比,βi为第i台三联供机组的比例分配系数,为提高系统响应速率,该值与机组的调节速率成正比;
(5)读取第i台联供机组的热计划指令DGT_set_i,进而计算其实时热负荷指令:DGT_i=DGT_set_i+DGT_adj_i,如计算出的实时热负荷指令与蒸汽母管压力的变化范围相反,则将该机组的热负荷指令取为当前负荷;
(6)如所有联供机组已达调节至满负荷运行,仍无法蒸汽管网需求,则启动调峰锅炉;
所述实时控制层一方面将协调控制层运算得到的指令发送给综合能源系统相关设备的自动控制系统,另一方面采集相关设备的运行参数,上传到协调控制层与优化调度层。
2.如权利要求1所述的一种多能互补综合能源系统的协调优化控制方法,其特征在于:所述优化调度层优化调度为日前调度,调度周期T1为分钟级,一天设置N个调度点,N为自然数。
3.如权利要求1所述的一种多能互补综合能源系统的协调优化控制方法,其特征在于:所述优化调度层优化调度优化过程包括以下步骤:
(1)建立系统优化调度目标函数为:
(2)建立系统的供能、储能和辅助供能设备模型,确定优化模型约束条件;
(3)根据未来24小时冷热电负荷预测结果,对上述模型进行求解,形成冷热电负荷优化调度计划;
其中:其中:为t时刻天然气、外购电、煤炭的价格, 分别为t时刻综合能源系统中天然气、外购电、煤炭的总量,N为调度点个数。
4.如权利要求3所述的一种多能互补综合能源系统的协调优化控制方法,其特征在于:所述步骤(2)中,建立的供能设备模型包括天然气三联供机组、燃煤热电联产机组、吸收式制冷机组、汽/烟水换热器,储能设备模型包括热、电、冷储能设备,辅助供能设备模型包括电空调机组、燃气锅炉。
5.如权利要求3所述的一种多能互补综合能源系统的协调优化控制方法,其特征在于:所述步骤(2)中,优化模型约束条件包括:系统冷热电能量供需平衡约束,供能、储能、辅助供能设备负荷调节容量以及调节速率约束。
6.如权利要求1所述的一种多能互补综合能源系统的协调优化控制方法,其特征在于:所述协调控制层为实时优化控制,控制周期T2小于1min。
7.如权利要求1所述的一种多能互补综合能源系统的协调优化控制方法,其特征在于:所述实时控制层接收所述协调控制层下发的冷热电负荷指令,通过硬接线或通讯线下发给供能、储能、辅助供能设备的自动控制系统。
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