CN107464008A - 一种大型楼宇冷热电联供系统的优化调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种大型楼宇冷热电联供系统的优化调度方法,针对楼宇建筑冷负荷、热负荷、电负荷多种负荷利用的特点,综合考虑燃汽轮机、燃汽锅炉、余热吸收式冷温水机以及电制冷机多类供能设备的特点,结合燃气冷热电联供系统的运行特性,建立大型楼宇冷热电联供系统的优化调度模型,并利用改进的粒子群算法求解优化调度模型得到日前优化调度出力曲线,推动大型楼宇冷热电联供系统的优化管理。本发明对大型楼宇冷热电联供系统的日前调度安排进行优化计算,实现能源的最优化利用。
Description
技术领域
本发明属于电力调度技术领域,特别涉及一种大型楼宇冷热电联供系统的优化调度方法。
背景技术
随着生产力的高速发展,能源匮乏问题和环境污染问题日益突出,如何提升能效与环保已成为一大热点问题。分布式冷热电联供系统以清洁的天然气作为能量源,具备低排放的环保特性。此外通过对不同品质能量的阶梯级利用,使一次能源的利用效率提升至90%,是同时实现能效提升与排放降低的有效途径。
近年来,随着大型楼宇建筑的迅猛发展以及城市天然气管网的全面铺设,为楼宇型冷热电联供系统(Buildings Cooling Heating and Power systems,BCHP)的推广与应用提供了条件。大型楼宇建筑的用能通常涵盖了冷、热、电三类负荷,且据调查,通常大型公共机构建筑用电中约50%来自于空调系统,从而造成在夏季空调使用高峰期间,电力公司往往会出现供电紧张的局面。因此,合理地在大型楼宇建筑中应用BCHP,一方面能够响应国家节能减排的号召,另一方面可减少电力公司用电高峰时的供电压力,此外BCHP还可充当楼宇建筑的备用电源,在紧急情况下保证重要负荷不中断。针对楼宇建筑各类负荷的用能特性,如何合理地对BCHP进行能量调度分配,是充分发挥BCHP优势的关键性问题。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提出一种大型楼宇冷热电联供系统的优化调度方法,综合考虑了燃汽轮机、燃汽锅炉、余热吸收式冷温水机以及电制冷机多类供能设备的特点,结合用户冷热电多种负荷的利用特性,对大型楼宇冷热电联供系统的日前调度安排进行优化计算,实现能源的最优化利用。
为了解决上述技术问题,本发明提供一种大型楼宇冷热电联供系统的优化调度方法,使用粒子群算法求解多目标优化调度模型,获得冷热电联供系统的日前优化调度出力曲线;所述多目标优化调度模型包括优化调度目标函数、设备运行特性方程以及能量约束条件;
(1)所述优化调度目标函数为:
minC=Crun+Com+Cdis
其中,Crun为购电购气成本、Com为系统运行维护成本、Cdis为污染排放成本;为分时电价;fgas为商用天然气价格;为燃气轮机逐时耗气量;为燃气锅炉逐时耗气量;为逐时购买电量;ξ为设备单位输出功率的运行维护成本;分别为二氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物的排放税收;分别为电网供电/消耗天然气时二氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物的排放系数;
(2)所述设备包括燃气轮机、余热吸收式冷温水机组、燃气锅炉以及电制冷机,相应的运行特性方程为:
燃气轮机的运行特性方程:
其中,Pgt为燃气轮机发电功率;Qgt为燃气轮机可利用的余热功率;PFgt为燃气轮机额定发电功率;Hgt为输入天然气流量;λ为天然气低热热值能量转化系数;npgt为燃气轮机发电效率;nqgt为燃气轮机余热转化效率;αgt为燃气轮机最低负荷率;βgt为燃气轮机爬坡约束系数;和分别为燃气轮机在t-1时刻的出力以及下一时刻t的发电功率;
余热吸收式冷温水机组运行特性方程:
供冷工态:
供热工态:
其中,Qrc为吸收机制冷功率;COPrc为吸收机制冷性能系数;为用于制冷的余热功率;QFrc为制冷的额定功率;Qrh为吸收机制热功率;COPrh为吸收机制热性能系数;为用于制热的余热功率;QFrh为制热的额定功率;
燃气锅炉运行特性方程:
其中,Qbg为燃气锅炉供热功率;nbg为燃气锅炉效率;Hbg为燃气锅炉输入的燃气流量;λ为天然气低热热值能量转化系数;QFbg为燃气锅炉额定制热功率;
电制冷机运行特性方程:
其中,Qe为电制冷机制冷功率;COPe为电制冷机制冷性能系数;Pe为电制冷机耗电功率;QFe为电制冷机额定制冷功率;
(3)所述能量约束条件为能流平衡方程,包括电负荷平衡方程、热负荷平衡方程、冷负荷能平衡方程、以及余热平衡方程:
电负荷平衡方程:Pgrid+Pgt=Pcl+Pe
其中,Pcl为建筑电负荷需求;Pgrid为电网购买电量;Pe为电制冷耗电量;Pgt为燃气轮机发电量;
热负荷平衡方程:Qclh=Qrh+Qbg
其中,Qclh为建筑热负荷需求量;Qrh为余热吸收式冷温水机组供热量;Qbg为燃气锅炉供热量;
冷负荷平衡方程:Qclc=Qrc+Qe
其中,Qclc为建筑冷负荷需求量;Qrc为余热吸收式冷温水机组制冷量;Qe为电制冷机制冷量;
余热平衡方程:
其中,Qgt为燃气轮机可利用的高温余热;为用于制冷的余热量;为用于制热的余热量。
进一步,使用粒子群算法求解多目标优化调度模型的方法为:
2.1设置粒子群算法参数:以每一时段中的燃气轮机、余热吸收式冷温水机组、燃气锅炉、电制冷机各自的出力作为变量,确定如下粒子的编码方式:
其中,向量表示粒子i第k代的位置,向量中的分别表示第t时段中燃气轮机的发电功率、余热吸收式冷温水机组的制冷功率、余热吸收式冷温水机组的制热功率、燃气锅炉的制热功率、电制冷机的制冷功率;向量表示粒子i第k代的速度,向量中的分别表示相应设备出力的速度;
同时设置种群规模、最大迭代次数、惯性权重系数、学习因子;
2.2随机生成初始种群;
2.3更新粒子位置和速度:由种群的最优位置gbest以及粒子i的最优位置pbest,i,依据下式更新粒子i第k+1代的位置和速度:
其中,w为惯性权重系数;c1和c2均为加速因子;rand(0,1)表示介于[0,1]之间的随机数;
粒子位置和速度更新后,对粒子位置和速度中的越限变量进行约束:
其中,xmin、xmax、vmin、vmax分别表示粒子位置和速度中变量的上下限值;
2.4依据日前优化调度目标函数计算粒子的适应度值并更新最优解;
2.5判断是否满足迭代结束条件,若满足则输出最优解,否则转2.3继续迭代。
进一步,迭代后期,对惯性权重系数w和加速因子c1和c2做如下改进:
c1=c11-(c11-c12)×k/kmax
c2=c21-(c21-c22)×k/kmax
其中,wmax为最大权重系数;wmin为最小权重系数;c11、c12为加速因子c1的初始值及最终值;c21、c22为加速因子c2的初始值及最终值;k为当前迭代次数;kmax为最大迭代次数。
进一步,冷、热和电三类能源均以千瓦作为计量单位。
本发明与现有技术相比,其显著优点在于:(1)本发明利用不同类型能源的能量转化关系,在进行冷热电负荷统计时以千瓦为单位,统一了优化调度计算过程中的量纲,推动多类型能源的综合优化调度管理;(2)本发明对楼宇冷热电联供系统中多种供能设备的运行特性进行建模,综合多种供能设备的能源利用特性,实现不同品质能量的阶梯级利用,从而最大化利用一次能源;(3)本发明所建立的冷热电联供系统优化调度模型,实现了系统中多种供能设备的优化运行,充分发挥楼宇型冷热电联供系统在经济性、环保性以及节能性上的优势;(4)本发明针对冷热电联供系统优化调度模型的特点,对常规粒子群算法进行了改进,提升了算法的收敛速度和计算精度,充分发挥粒子群算法在求解优化问题上的优势。
附图说明
图1为本发明大型楼宇冷热电联供系统优化调度方法的应用流程图。
图2为本发明应用的典型大型楼宇冷热电联供系统耦合配置示意图。
图3为本发明具体实施例中的楼宇日前冷热电负荷预测曲线示意图。
图4为本发明使用改进粒子群算法求解大型楼宇冷热电联供系统优化调度问题的流程图。
图5为本发明具体实施例中计算所得的日前调度计划中电功率出力安排图。
图6为本发明具体实施例中计算所得的日前调度计划中热功率出力安排图。
图7为本发明具体实施例中计算所得的日前调度计划中冷功率出力安排图。
具体实施方式
容易理解,依据本发明的技术方案,在不变更本发明的实质精神的情况下,本领域的一般技术人员可以想象出本发明带内置电源和控制功能的无刷直流电机的多种实施方式。因此,以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明,而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。
结合图1,本发明所述基于改进粒子群算法的大型楼宇冷热电联供系统的优化调度方法,步骤如下:
(1)确定楼宇冷热电联供系统的设备类型及相应的特性参数;
(2)建立多目标优化调度模型;
(3)输入日前负荷逐时预测值;
(4)基于改进的粒子群算法求解优化调度模型;
(5)输出冷热电联供系统的日前优化调度出力曲线。
步骤(1)综合考虑了大型楼宇冷热电联供系统中多种设备的运行特性,所述的大型楼宇冷热电联供系统的常用设备包含燃气轮机、余热吸收式冷温水机组、燃气锅炉以及电制冷机,相应的运行特性参数方程如下:
燃气轮机的运行特性参数方程:
其中,Pgt为燃气轮机发电功率(kW);Qgt为燃气轮机可利用的余热功率(kW);PFgt为燃气轮机额定发电功率(kW);Hgt为输入天然气流量(m3/h);λ为天然气低热热值能量转化系数(kW·h/m3);npgt为燃气轮机发电效率;nqgt为燃气轮机余热转化效率;αgt为燃气轮机最低负荷率;βgt为燃气轮机爬坡约束系数;和分别为燃气轮机在t-1时刻的出力、其下一时刻t的发电功率。
余热吸收式冷温水机组运行特性参数方程:
供冷工态:
供热工态:
其中,Qrc为吸收机制冷功率(kW);COPrc为吸收机制冷性能系数;为用于制冷的余热功率(kW);QFrc为制冷的额定功率(kW);Qrh为吸收机制热功率(kW);COPrh为吸收机制热性能系数;为用于制热的余热功率(kW);QFrh为制热的额定功率(kW)。
燃气锅炉运行特性参数方程:
其中,Qbg为燃气锅炉供热功率(kW);nbg为燃气锅炉效率;Hbg为燃气锅炉输入的燃气流量(m3/h);λ为天然气低热热值能量转化系数(kW·h/m3);QFbg为燃气锅炉额定制热功率(kW)。
电制冷机运行特性参数方程:
其中,Qe为电制冷机制冷功率(kW);COPe为电制冷机制冷性能系数;Pe为电制冷机耗电功率(kW);QFe为电制冷机额定制冷功率(kW)。
步骤(2)中楼宇冷热电联供系统的优化调度目标包括经济性最优以及污染排放最低;所建立的优化调度模型由三部分组成,分别为多目标优化调度目标函数、设备运行特性参数方程以及其约束条件。
所述优化调度目标函数如下:
以购电购气成本Crun、系统运行维护成本Com以及污染排放成本Cdis最低作为优化调度目标,优化调度目标函数为:
minC=Crun+Com+Cdis
其中,为分时电价(元/kW·h);fgas为商用天然气价格(元/m3);为燃气轮机逐时耗气量(m3);为燃气锅炉逐时耗气量(m3);为逐时购买电量(kW·h);ξ为各类设备单位输出功率的运行维护成本(元/kW·h);分别为二氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物的排放税收(元/kg);分别为电网供电/消耗天然气时二氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物的排放系数(电网供电:kg/kW·h,消耗天然气:kg/m3)。
所述约束条件即为能流平衡方程,大型楼宇冷热电联供系统的能流平衡方程主要包含电负荷平衡方程、热负荷平衡方程、冷负荷能平衡方程、以及余热平衡方程:
(1)电负荷平衡方程:
Pgrid+Pgt=Pcl+Pe
其中,Pcl为建筑电负荷需求;Pgrid为电网购买电量;Pe为电制冷耗电量;Pgt为燃气轮机发电量。
(2)热负荷平衡方程:
Qclh=Qrh+Qbg
其中,Qclh为建筑热负荷需求量;Qrh为余热吸收式冷温水机组供热量;Qbg为燃气锅炉供热量。
(3)冷负荷平衡方程
Qclc=Qrc+Qe
其中,Qclc为建筑冷负荷需求量;Qrc为余热吸收式冷温水机组制冷量;Qe为电制冷机制冷量。
(4)余热平衡方程
其中,Qgt为燃气轮机可利用的高温余热;为用于制冷的余热量;为用于制热的余热量。
步骤(3)所述的日前负荷逐时预测值,具体包括楼宇建筑的冷、热、电三类用能负荷,依据楼宇建筑的类型,结合历史用能数据以及日前用能计划安排,确定楼宇建筑的日前负荷预测曲线,将负荷预测曲线作为优化调度模型的输入条件。
步骤(4)所述的基于改进的粒子群算法求解优化调度模型,具体步骤包括:
1)设置粒子群算法参数;
以每一时刻中的燃气轮机、余热吸收式冷温水机组、燃气锅炉、电制冷机的出力作为变量,确定粒子的编码方式:
其中,向量表示粒子i第k代的位置信息,向量中的分别表示第t时段中燃气轮机的发电功率、余热吸收式冷温水机组的制冷功率、余热吸收式冷温水机组的制热功率、燃气锅炉的制热功率、电制冷机的制冷功率,t取1至24共24个时段;向量表示粒子i第k代的速度信息,向量中的分别表示相应设备出力的速度信息,t取1至24共24个时段。此外还需设置的参数包括种群的规模、最大迭代次数、惯性权重系数、学习因子等。
2)随机生成初始种群;
3)更新粒子位置和速度;
由种群的最优位置gbest以及粒子i的最优位置pbest,i,依据下式更新粒子i第k+1代的位置和速度信息:
其中,w:惯性权重系数;c1、c2:加速因子;rand(0,1):介于[0,1]之间的随机数。
更新后,对粒子位置和速度信息中的越限变量进行约束:
其中,xmin、xmax、vmin、vmax:粒子位置信息和速度信息中变量的上下限值。
为了提高粒子群算法的计算效率,本发明在迭代前期中增强粒子的全局搜索能力,迭代后期中提升粒子趋于收敛的能力,对w、c1、c2改进如下:
c1=c11-(c11-c12)×k/kmax
c2=c21-(c21-c22)×k/kmax
其中,wmax为最大权重系数;wmin为最小权重系数;c11、c12:c1的初始值及最终值;c21、c22:c2的初始值及最终值;k:当前迭代数;kmax:最大迭代次数。
本发明针对粒子群算法的惯性权重系数以及学习因子进行改进,提升粒子群算法的收敛速度及计算精度,更加有效地求解优化调度模型。
4)依据日前优化调度目标函数计算粒子的适应度值并更新最优解;
5)评价是否满足迭代结束条件;
迭代结束条件设定为满足收敛条件或达到最大进化代数,若满足则输出结果,否则转第三步继续迭代过程,此处收敛条件设定为在N次迭代内,若种群的最优位置gbest没有发生变化则认为种群收敛,停止迭代过程并输出最优解。
步骤(5)所述的输出冷热电联供系统的日前优化调度出力曲线,具体包括系统中相应供能设备的电功率出力曲线图、热功率出力曲线图、以及冷功率出力曲线图。
本发明提针对楼宇建筑冷热电多种负荷的利用特性,结合燃气冷热电联供系统的运行特性及优化调度目标,利用改进粒子群算法求解冷热电联供系统的日前调度计划,推动大型楼宇冷热电联供系统的优化调度管理。
实施例
本实施例的具体思路为,选择需优化的大型楼宇冷热电联供系统的耦合配置形式,如图2所示;依据设备特性参数及待优化目标建立优化调度模型;以某典型办公建筑的夏季日前负荷预测曲线作为模型的输入量,如图3所示;结合当地电价以及天然气价格,基于改进粒子群算法对优化调度模型进行求解,求解流程如图4所示。本实施例具体实施参数如下表1至表4所示,在能源间的等值计算中,天然气燃料低热热值能量转换系数取λ=9.77kW·h/m3。
表1 大型楼宇冷热电联供系统设备参数
表2 分时电价及燃气价格
表3 污染气体排放成本参数
表4 粒子群算法设定参数
本实施例最终得到系统中各类设备在日前调度计划中的逐时出力曲线图,分别如图5、图6、图7所示,依据本发明提出一种大型楼宇冷热电联供系统的优化调度方法,根据楼宇的日前负荷预测曲线,结合当地的分时电价及天然气价格,确定大型楼宇冷热电联供系统的最优运行方式,进一步实现能源的优化利用,可实现大型楼宇冷热电联供系统的优化调度管理。
结合上述实施例,本发明针对大型楼宇建筑中冷热电多元能源利用的特点,综合考虑BCHP中多种设备的运行特性,建立BCHP优化调度模型,将楼宇的日前负荷预测曲线作为输入量,利用改进的粒子群算法求解BCHP的日前优化调度出力曲线,实现BCHP在大型楼宇建筑中的合理利用。
Claims (4)
1.一种大型楼宇冷热电联供系统的优化调度方法,其特征在于,使用粒子群算法求解多目标优化调度模型,获得冷热电联供系统的日前优化调度出力曲线;所述多目标优化调度模型包括优化调度目标函数、设备运行特性方程以及能量约束条件;
(1)所述优化调度目标函数为:
minC=Crun+Com+Cdis
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其中,Crun为购电购气成本、Com为系统运行维护成本、Cdis为污染排放成本;为分时电价;fgas为商用天然气价格;为燃气轮机逐时耗气量;为燃气锅炉逐时耗气量;为逐时购买电量;ξ为设备单位输出功率的运行维护成本;分别为二氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物的排放税收;分别为电网供电/消耗天然气时二氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物的排放系数;
(2)所述设备包括燃气轮机、余热吸收式冷温水机组、燃气锅炉以及电制冷机,相应的运行特性方程为:
燃气轮机的运行特性方程:
其中,Pgt为燃气轮机发电功率;Qgt为燃气轮机可利用的余热功率;PFgt为燃气轮机额定发电功率;Hgt为输入天然气流量;λ为天然气低热热值能量转化系数;npgt为燃气轮机发电效率;nqgt为燃气轮机余热转化效率;αgt为燃气轮机最低负荷率;βgt为燃气轮机爬坡约束系数;和分别为燃气轮机在t-1时刻的出力以及下一时刻t的发电功率;
余热吸收式冷温水机组运行特性方程:
供冷工态:
供热工态:
其中,Qrc为吸收机制冷功率;COPrc为吸收机制冷性能系数;为用于制冷的余热功率;QFrc为制冷的额定功率;Qrh为吸收机制热功率;COPrh为吸收机制热性能系数;为用于制热的余热功率;QFrh为制热的额定功率;
燃气锅炉运行特性方程:
其中,Qbg为燃气锅炉供热功率;nbg为燃气锅炉效率;Hbg为燃气锅炉输入的燃气流量;λ为天然气低热热值能量转化系数;QFbg为燃气锅炉额定制热功率;
电制冷机运行特性方程:
其中,Qe为电制冷机制冷功率;COPe为电制冷机制冷性能系数;Pe为电制冷机耗电功率;QFe为电制冷机额定制冷功率;
(3)所述能量约束条件为能流平衡方程,包括电负荷平衡方程、热负荷平衡方程、冷负荷能平衡方程、以及余热平衡方程:
电负荷平衡方程:Pgrid+Pgt=Pcl+Pe
其中,Pcl为建筑电负荷需求;Pgrid为电网购买电量;Pe为电制冷耗电量;Pgt为燃气轮机发电量;
热负荷平衡方程:Qclh=Qrh+Qbg
其中,Qclh为建筑热负荷需求量;Qrh为余热吸收式冷温水机组供热量;Qbg为燃气锅炉供热量;
冷负荷平衡方程:Qclc=Qrc+Qe
其中,Qclc为建筑冷负荷需求量;Qrc为余热吸收式冷温水机组制冷量;Qe为电制冷机制冷量;
余热平衡方程:
其中,Qgt为燃气轮机可利用的高温余热;为用于制冷的余热量;为用于制热的余热量。
2.如权利要求1所述大型楼宇冷热电联供系统的优化调度方法,其特征在于,使用粒子群算法求解多目标优化调度模型的方法为:
2.1 设置粒子群算法参数:以每一时段中的燃气轮机、余热吸收式冷温水机组、燃气锅炉、电制冷机各自的出力作为变量,确定如下粒子的编码方式:
<mfenced open = "" close = "">
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</mfenced>
其中,向量表示粒子i第k代的位置,向量中的分别表示第t时段中燃气轮机的发电功率、余热吸收式冷温水机组的制冷功率、余热吸收式冷温水机组的制热功率、燃气锅炉的制热功率、电制冷机的制冷功率;向量表示粒子i第k代的速度,向量中的分别表示相应设备出力的速度;
同时设置种群规模、最大迭代次数、惯性权重系数、学习因子;
2.2 随机生成初始种群;
2.3 更新粒子位置和速度:由种群的最优位置gbest以及粒子i的最优位置pbest,i,依据下式更新粒子i第k+1代的位置和速度:
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</msubsup>
</mrow>
其中,w为惯性权重系数;c1和c2均为加速因子;rand(0,1)表示介于[0,1]之间的随机数;
粒子位置和速度更新后,对粒子位置和速度中的越限变量进行约束:
其中,xmin、xmax、vmin、vmax分别表示粒子位置和速度中变量的上下限值;
2.4 依据日前优化调度目标函数计算粒子的适应度值并更新最优解;
2.5 判断是否满足迭代结束条件,若满足则输出最优解,否则转2.3继续迭代。
3.如权利要求2所述大型楼宇冷热电联供系统的优化调度方法,其特征在于,迭代后期,对惯性权重系数w和加速因子c1和c2做如下改进:
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c1=c11-(c11-c12)×k/kmax
c2=c21-(c21-c22)×k/kmax
其中,wmax为最大权重系数;wmin为最小权重系数;c11、c12为加速因子c1的初始值及最终值;c21、c22为加速因子c2的初始值及最终值;k为当前迭代次数;kmax为最大迭代次数。
4.如权利要求2所述大型楼宇冷热电联供系统的优化调度方法,其特征在于,冷、热和电三类能源均以千瓦作为计量单位。
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