CN108053104A - 区域电力-天然气-热力综合能源系统能量流优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种区域电力‑天然气‑热力综合能源系统能量流优化方法，所述能量流优化方法包括以下步骤：依据REGHS能量流综合求解方法对能量流综合求解模型进行求解；利用多项式求解函数设置优化目标函数、设置REGHS网络与HES网络运行约束；利用原对偶内点法进行优化问题的求解，计算REGHS能量交互信息，生成综合能源系统能量流优化方案；依据优化方案获得各子系统的能量流运行结果，判断结果是否满足运行约束，若不满足则对能源耦合环节变量进行调整，直至满足条件输出最后的优化结果。本发明加强了不同能源系统之间的影响、以及其多能互补的作用，更加合理的实现系统对价格信息的响应以及对能量流的最优分配。

Description

区域电力-天然气-热力综合能源系统能量流优化方法

技术领域

本发明涉及能源互联网、综合能源系统领域，尤其涉及一种区域电力-天然气-热力综合能源系统能量流优化方法。

背景技术

综合能源系统(integrated energy system,IES)是“互联网+”等先进理念在能源物理层面的具体体现，由社会供能网络、能源交换环节和广泛分布的终端综合能源单元系统构成，它为多能源协调互济与综合利用提供了基础，涉及能源的转换、分配与有机协调。

区域综合能源系统主要由区域电力系统、区域天然气系统、区域热力系统等供/用能系统互连组成，通过该系统内多种能源之间的科学调度，实现能源高效利用、满足用户多种能源梯级利用、社会供能安全可靠等目的；同时，通过多种能源系统的有机协调，还有助于消除输配供电系统瓶颈、延缓发/输/配电系统建设，提高各能源设备利用效率；当某系统出现灾害意外中断时，还可以利用本地资源实现不间断供能。因此，包含电、气、热的综合能源系统成为研究的热点。

在传统能源系统相关研究中，往往存在单独规划、单独设计等问题，忽视了不同能源系统之间的相互影响及其多能互补的作用，电、气、热三者协同分析与优化的潜力有待进一步挖掘。

发明内容

本发明提供了一种区域电力-天然气-热力综合能源系统能量流优化方法，本发明实现了综合能源系统的最优调度，以及相关能量流的最优分配，详见下文描述：

一种区域电力-天然气-热力综合能源系统能量流优化方法，所述能量流优化方法包括以下步骤：

1)依据REGHS能量流综合求解方法对能量流综合求解模型进行求解；

2)利用多项式求解函数设置优化目标函数、设置REGHS网络与HES网络运行约束；

3)利用原对偶内点法进行优化问题的求解，计算REGHS能量交互信息，生成综合能源系统能量流优化方案；

4)依据优化方案获得各子系统的能量流运行结果，判断结果是否满足运行约束，若不满足则对能源耦合环节变量进行调整，直至满足条件输出最后的优化结果。

在步骤1)之前，所述能量流优化方法包括：

建立区域电力系统、区域天然气系统、以及区域热力系统的能量流综合求解模型，所述综合求解模型包含各系统间的能源耦合环节即区域能源站。

所述REGHS网络与HES网络运行约束均满足能量平衡关系，既满足能量流约束。

进一步地，所述综合能源系统能量流优化方案具体为：

(1)读取能源子系统信息、HES系统信息、外界环境信息以及能源价格信息；

(2)分析HES能源耦合形式与系统特征，构建HES耦合矩阵与能量平衡方程；构建优化目标函数，分析约束条件，制定相应求解方法；

(3)结合优化算法，对REGHS能量流优化通过解耦算法进行分析求解；

(4)生成能源优化方案。

进一步地，所述依据优化方案获得各子系统的能量流运行结果具体为：

根据优化结果计算能源子系统能量交互信息，并将其分别带入配电系统、配气系统、区域热力系统求解模块，分别计算EPS、NGS与DHS能量流。

其中，所述综合求解模型包含各系统间的能源耦合环节即区域能源站具体为：

主要包含电力电子转换器、热电联产、燃气锅炉、空调系统、热交换器。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明构建了包含两类能源集线器的REGHS(区域电力-天然气-热力综合能源系统)综合求解模型，并对其设计了合理的能量流求解方法、优化目标函数以及运行约束条件；

2、本发明利用原对偶内点法进行求解，形成了一套完整的优化方案；

3、本发明加强了不同能源系统之间的影响、以及其多能互补的作用，更加合理的实现系统对价格信息的响应以及对能量流的最优分配。

附图说明

图1为区域混合能源站的示意图；

图2为多项式成本函数的示意图；

图3为区域电力-天然气-热力综合能源系统能量流优化的流程图；

图4为区域电力-天然气-热力综合能源系统的示意图；

图5为区域电力-天然气-热力综合能源系统电力(左)与热力(右)需求的示意图；

其中，(a)为HES电力需求；(b)为HES热力需求。

图6为区域电力-天然气-热力综合能源系统能量流优化结果-分配系数的示意图；

其中，(a)为HES1与HES2分配系数；(b)为HES3与HES4分配系数。

图7为能量流优化前后运行成本比较的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

能源集线器模型(Energy hub)最早由瑞士苏黎世联邦理工学院的研究团队提出，是综合能源系统多能流建模与求解的一次有益尝试。该模型负责能源的转换、分配和存储，将其它能源按照人类的需要转化为电、热、冷3类输出，是能源互联网中多种能源相互转化的中心。并且由于其与能量输入和输出有关，还可被用于分析跨区域级、区域级与用户级的综合能源系统，具有较好的通用性和可扩展性。因此，能源集线器技术可以被设计成各类形式的能源耦合环节以用于综合能源系统能量流的分析和求解。

实施例1

为了增强区域综合能源系统各子系统之间的能流互补特性及其协同优化的能力，本发明实施例提供了一种区域电力-天然气-热力综合能源系统能量流优化方法，参见图1、图2和图3，详见下文描述：

101：依据REGHS能量流综合求解方法对能量流综合求解模型进行求解；

102：利用多项式求解函数设置优化目标函数、设置REGHS网络与HES网络运行约束；

103：利用原对偶内点法进行优化问题的求解，计算REGHS能量交互信息，生成综合能源系统能量流优化方案；

104：依据优化方案获得各子系统的能量流运行结果，判断结果是否满足运行约束，若不满足则对能源耦合环节变量进行调整，直至满足条件输出最后的优化结果。

其中，在步骤101之前，该能量流优化方法还包括：

建立区域电力系统、区域天然气系统、以及区域热力系统的能量流综合求解模型，所述综合求解模型包含各系统间的能源耦合环节即区域能源站。

其中，步骤102中的REGHS网络与HES网络运行约束均满足能量平衡关系，既满足能量流约束。

其中，步骤103中的综合能源系统能量流优化方案具体为：

(1)读取能源子系统信息、HES系统信息、外界环境信息以及能源价格信息；

(2)分析HES能源耦合形式与系统特征，构建HES耦合矩阵与能量平衡方程；构建优化目标函数，分析约束条件，制定相应求解方法；

(3)结合优化算法，对REGHS能量流优化通过解耦算法进行分析求解；

(4)生成能源优化方案。

进一步地，上述综合求解模型包含各系统间的能源耦合环节即区域能源站具体为：

主要包含电力电子转换器、热电联产、燃气锅炉、空调系统、热交换器。

综上所述，本发明实施例可以加强不同能源系统之间的影响、以及其多能互补的作用，更加合理的实现系统对价格信息的响应以及对能量流的最优分配。

实施例2

下面结合具体的实例、计算公式对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

201：建立区域电力系统、区域天然气系统、以及区域热力系统的能量流综合求解模型，其中，该综合求解模型包含各系统间的能源耦合环节即区域能源站；

在REGHS中，EPS(电力系统)不仅是分布式发电技术(例如风电、光伏、天然气发电等)的应用对象，也是一些能源耦合环节的能量供应者，具有较多的可控资源，是整个系统重要的支撑平台。NGS(天然气系统)的主要任务是将来自气源或输气系统的天然气输送、分配至用户，随着电转气、燃气轮机等能源耦合形式的增加，配气系统与其他能源系统的能量交互程度逐渐加深。DHS(区域热力系统)通过供水管道和回水管道连接热源与用户，通过微燃机、电锅炉等耦合元件，热力系统可以与其它系统之间协同工作，能流互补。

其中，区域电力系统、区域天然气系统、以及区域热力系统为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述。

本实施例分析的REGHS的能源耦合环节主要为混合HES(区域混合能源站)，其主要包含电力电子转换器(PEC)、热电联产(CHP)、燃气锅炉(F)、空调系统(AC)、热交换器(HE)等组件，可实现对多种负荷的灵活供应。

本实施例设计了两种HES，如图1所示。以HES类型A为例，即电负荷可由EPS通过PEC供应，也可由NGS通过CHP供应；热负荷可由NGS通过CHP与F供应，也可由DHS通过HE供应，其能量平衡方程如下式所示：

其中，L_e与L_h为电力和热力负荷需求，与分别表示CHP的天然气转化为电力和热力的效率，η^F表示F的气转热的效率，η^PEC与η^HE为PEC和HE的能源转换效率。P_e、P_g与P_h表示电力、天然气和热力的能量流输入。λ₁为分配系数，表征流经CHP的天然气占其总量的比例。类似地，HES类型B的能量平衡方程也可得出：

其中，η^AC为AC的电转热效率，λ₂为分配系数，表征流经PEC的电力占其总量的比例。

202：依据REGHS能量流综合求解方法对能量流综合求解模型进行求解；

其中，REGHS能量流数学模型可以用以下式子进行表征，并采取解耦算法进行求解：

其中，x_e表示EPS能量流相关变量(例如：电压、电流、相角等)，x_g表示NGS能量流相关变量(例如：天然气节点压力、管道流量等)，x_h表示DHS能量流相关变量(例如：管道质量流率、供水温度、回水温度等)，x_HES表示HES能量流相关变量(例如分配系数等)。

203：依据优化目的，利用多项式求解函数设置优化目标函数，依据系统以及各设备的运行要求，设置REGHS网络与HES网络运行约束条件；

本实施例主要分析HES的日前经济调度问题，即在考虑REGHS中各能源子系统以及能源耦合环节的运行约束条件下，以HES能量流输入与分配系数为主要控制变量，通过其转换与分配，实现HES的综合成本最低的目标。

通过多项式成本函数可表征不同能源的价格差异特性，多项式成本函数不仅与能源种类有关，也与能源的流向有关。本发明实施例以能量流流入HES为正，流出HES为负。以电力为例，当HES中的CHP所产的电能高于电力需求时，可通过PEC将多余的电能返送至EPS，其相应的成本也发生改变，表达式如下：

其中，α代表能源种类，C_α为能源α的成本，与HES中的能量流交互功率有关，a_α,0为HES中与能源α相关的固定成本；a_α,m为HES能量流正向时与能源α有关的单位成本；b_α,m为HES能量流反向时与能源α有关的单位成本；M_α(N_α)为能量流正向(反向)时多项式成本函数的阶数，以M_α＝2,N_α＝1时为例，其多项式成本函数如图2所示。

在本实施例REGHS能量流优化中，所考虑的运行约束主要包括REGHS网络约束(即电力、天然气和热力部分)与HES两部分。

REGHS能量流优化首先需满足下式所示的能量平衡关系，即等式约束。为保证REGHS在安全稳定状态下进行能源供应，需对能源子系统运行约束进行分析，具体包括：

其中，和分别表示EPS三相电压的下限与上限，p表示相位。表示连接节点i和j的支路功率的上限。

p_{node_min}≤p_node≤p_{node_max}

Q_{pipe_min}≤Q_pipe≤Q_{pipe_max}

其中，p_{node_min}和p_{node_max}分别表示NGS节点压力p_node的下边界与上边界；Q_{pipe_min}与Q_{pipe_max}为管道流量Q_pipe的上边界与下边界。

其中，表示DHS中的管道质量流率，与

为其上下限。

HES的等式约束主要由以下公式所示，表征HES的能量平衡。

对于HES类型A，由变压器、CHP、燃气锅炉、热交换器组成，其能量流约束主要包括：

其中，为CHP出力上限；P_e,min为HES电能输入功率的下限；P_g,min为HES天然气输入功率的下限；P_h,min为HES热能输入功率的下限；P_e,max为HES电能输入功率的上限；P_g,max为HES天然气输入功率的上限。

类似地，对于HES类型B，由变压器、空调系统、CHP、热交换器组成，其能量流约束主要包括：

同时，HES中能量流输入受能源子系统的能量流约束，以HES类型A为例，除上式约束之外，其天然气输入也受NGS系统制约，当其输入量的变化与NGS节点压力和管道流量相关联，上述能量调节均需在NGS运行约束范围之内。

204：利用原对偶内点法进行优化问题的求解，计算REGHS能量交互信息，生成综合能源系统能量流优化方案；依据优化方案获得各子系统的能量流运行结果，判断其结果是否满足步骤202设置的运行约束，若不满足则对能源耦合环节变量进行调整，返回步骤202，直至满足条件输出最后的优化结果。

本实施例的REGHS能量流优化主要包含能量流与能源耦合环节两部分，其中，前者为后者提供运行约束信息，其基础为步骤202中的能量流建模与求解，后者在综合利用EPS、NGS与DHS互补互济特性基础上，实现了对价格信息的响应以及最优能量流的分配。REGHS能量流优化可主要分为以下五个步骤，如图3所示。

(1)读取能源子系统信息、HES系统信息、外界环境信息以及能源价格信息；

(2)分析HES能源耦合形式与系统特征，构建HES耦合矩阵与能量平衡方程；构建优化目标函数，分析约束条件，制定相应求解方法；

(3)结合优化算法，对REGHS能量流优化通过解耦算法进行分析求解；

(4)生成能源优化方案，并根据优化结果计算能源子系统能量交互信息，并将其分别带入配电系统、配气系统、区域热力系统求解模块，分别计算EPS、NGS与DHS能量流；

其中，上述交互信息计算与能源子系统求解模块均为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述。

(5)判断上述能量流计算结果是否满足REHGS运行约束，若满足，则输出REGHS能量流优化结果；否则，对能源耦合环节变量进行调整，并返回至(2)。

综上所述，本发明实施例可以加强不同能源系统之间的影响、以及其多能互补的作用，更加合理的实现系统对价格信息的响应以及对能量流的最优分配。

实施例3

下面以具体的实验来验证实施例1和2中提供的优化方法的可行性，详见下文描述：

以修改的EPRI低压配电系统，11节点天然气配气系统，巴里岛区域热力系统为例构建REGHS系统，选用上述实施例中所述的两类集线器构成系统耦合，结果如图4所示，验证综合能源系统能量流优化方法的有效性。

其中，优化目标函数与系统运行约束表达式与实施例1和2中相同。运行约束主要包括：

1)在EPS中，电压幅值标幺值在0.95-1.05之间；

2)在NGS中，压力的最小值是22.5mbar；管道12-14流量上限为150m³/h；

3)在DHS中，在管道15-29中允许的最大质量流率是1.6kg/s，供水温度上下限分别为70℃和69℃，回水温度上下限分别为30℃和29℃。

从图5(a)中可以看出，电力需求从早上1:00-8:00上逐渐上升，并在8:00达到其第一个高峰，图5(b)中可以看出，热力需求的高峰也出现在早上时段4:00和8:00。

图6(a)表现了HES类型A中能源站1、2的分配系数。其中，NGS是热力供应的主要来源，通过改变其分配系数，HES1可在供热效率更高的燃气锅炉和具有热电联产特性的CHP单元之间切换，体现一定的供应灵活性。对于这种热力需求明显高于电力需求的情况，HES1倾向于通过燃气锅炉进行供热，余下部分通过DHS进行补充，电力需求通过EPS供应，故在白天大多时段HES1的分配系数较低，热力输入较高；当热力需求下降时，HES1倾向于CHP同时供热与供电，此时其分配系数有所上升(晚上18:00-22:00)。

对于HES2来说，其电力需求与热力需求在1:00-8:00时段呈上升趋势，在晚上21:00-24:00时段呈下降趋势，其总体变化趋势较为类似，对于这种情况HES2倾向于充分利用CHP组件多联产特性，其负荷需求差额部分由EPS和NGS补充，故上述时段其分配系数较高。而在10：00-20:00时段，电力需求处于低谷，热力需求上升明显，并于17：00时达到顶峰；为满足差异化能源需求，HES2采用产热效率更高的燃气锅炉与热力管道配合供热，基于价格因素，DHS主要承担此时段高峰需求供应的主要部分。

在图6(b)所示HES类型B中能源站3、4的分配系数。其中，热力负荷主要通过AC、CHP和热力管道供应，虽然电力价格相比天然气和热力较贵，但AC产热效率较高，可承担热力高峰供应的任务。

HES3的电力需求和热力需求均存在一个需求高峰，其高峰时段分别在13:00时和17:00时。在01:00—13:00时段，EPS以供应电力需求为主；在13:00—17:00时段，热力需求上升，通过AC产热的比例提升，相应地，其分配系数呈下降趋势，而热力与天然气供应此时逐渐上升。

类似地，可对HES4进行相关分析，与HES3所不同的是，HES4的热力需求较高，且其高峰在早上时段；电力需求在中午时段达到高峰；故其分配系数的较低值和较高值分别出现在早上与中午时段。

由以上分析可知，能源耦合的多样性使得能量流的流向更具灵活性，提高了REGHS的可优化空间。一方面，从经济性角度考虑，价格低的能源在供应选择上优先级更高(电力价格较高，热力较低)；另一方面，能源耦合方式的优选也可降低系统总费用，例如天然气通过CHP组件可同时供应电力和热力，其能源综合利用率较高。考虑到DHS单独供热所受运行约束限制，本发明实施例以EPS和NGS独立供应电力需求和热力需求的情况作为对比，如图7所示，经过REGHS能量流优化，其总体成本下降了33.17％。

综上所述，与一般技术相比，本方法构建了包含两类能源集线器的REGHS综合求解模型，并对其设计了合理的能量流求解方法、优化目标函数以及运行约束条件。在此基础之上，利用原对偶内点法进行求解，形成了一套完整的优化方案。这样的设计可以加强不同能源系统之间的影响以及其多能互补的作用，更加合理的实现系统对价格信息的响应以及对最优能流的分配。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种区域电力-天然气-热力综合能源系统能量流优化方法，其特征在于，所述能量流优化方法包括以下步骤：

1)依据REGHS能量流综合求解方法对能量流综合求解模型进行求解；

2)利用多项式求解函数设置优化目标函数、设置REGHS网络与HES网络运行约束；

3)利用原对偶内点法进行优化问题的求解，计算REGHS能量交互信息，生成综合能源系统能量流优化方案；

4)依据优化方案获得各子系统的能量流运行结果，判断结果是否满足运行约束，若不满足则对能源耦合环节变量进行调整，直至满足条件输出最后的优化结果。

2.根据权利要求1所述的一种区域电力-天然气-热力综合能源系统能量流优化方法，其特征在于，在步骤1)之前，所述能量流优化方法包括：

建立区域电力系统、区域天然气系统、以及区域热力系统的能量流综合求解模型，所述综合求解模型包含各系统间的能源耦合环节即区域能源站。

3.根据权利要求1所述的一种区域电力-天然气-热力综合能源系统能量流优化方法，其特征在于，

所述REGHS网络与HES网络运行约束均满足能量平衡关系，既满足能量流约束。

4.根据权利要求1所述的一种区域电力-天然气-热力综合能源系统能量流优化方法，其特征在于，所述综合能源系统能量流优化方案具体为：

(1)读取能源子系统信息、HES系统信息、外界环境信息以及能源价格信息；

(2)分析HES能源耦合形式与系统特征，构建HES耦合矩阵与能量平衡方程；构建优化目标函数，分析约束条件，制定相应求解方法；

(3)结合优化算法，对REGHS能量流优化通过解耦算法进行分析求解；

(4)生成能源优化方案。

5.根据权利要求1所述的一种区域电力-天然气-热力综合能源系统能量流优化方法，其特征在于，所述依据优化方案获得各子系统的能量流运行结果具体为：

根据优化结果计算能源子系统能量交互信息，并将其分别带入配电系统、配气系统、区域热力系统求解模块，分别计算EPS、NGS与DHS能量流。

6.根据权利要求2所述的一种区域电力-天然气-热力综合能源系统能量流优化方法，其特征在于，所述综合求解模型包含各系统间的能源耦合环节即区域能源站具体为：

主要包含电力电子转换器、热电联产、燃气锅炉、空调系统、热交换器。