CN108416472A - 一种区域多源供冷供热系统优化调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种区域多源供冷供热系统优化调度方法，首先以各能源子系统能效模型为基础建立对应的简化费用模型；其次对设备调节能力和预测负荷进行分档处理；不同能源子系统需要遵从不同供能约束条件；结合各能源子系统的分档结果、运行调节情况约束，确定以日总运行费用最小作为目标函数，构建费用计算模型；计算得出各个子系统逐时荷载率、各子系统逐时耗电量、耗气量、各子系统逐时水泵耗电量、各子系统分项运行费用、系统总运行费用。本发明为充分利用地区的峰谷电价体系，对设置的蓄能子系统和产能子系统(冷热电三联供子系统)进行设计，减少了峰电价时间段耗电量高的电制冷和地源热泵子系统的运用，实现削峰填谷和增加能源站产能收益的目的。
Description
技术领域
本发明属于区域能源站运行控制技术领域，涉及一种设置有多种冷热源的区域供冷供热系统中各供能子系统的优化调度计算方法。
背景技术
区域多源供冷供热系统是一种可以利用各种冷热源采取冷、热水、蒸汽集中生产的方式获取一定区域内的建筑或建筑群所需要的冷热能，再通过区域管网向建筑供能实现区域供能统一规划的系统。区域能源站是区域供冷供热系统的核心部分，根据覆盖的建筑规模、建筑种类、当地可利用资源等信息，能源站冷热源往往采用多种类别的子系统配合供冷供热，子系统一般包括：电制冷子系统、地源热泵子系统、蓄能子系统以及冷热电三联产(三联供)子系统等。
针对于区域供冷供热的要求，大部分区域能源站设置有蓄冷/热子系统、三联供子系统，因此，能源站具有一定的调节电力需求的能力。结合，不同地方采用的峰谷电价体系，合理的在电价低估时期蓄冷或蓄热，在峰电价时段采用蓄冷/热量为冷热源，采用三联供系统产能供冷供热，能够达到减少运行费用的目的。由此，对于采用多类别的冷热源的复合供冷供热子系统而言，对各子系统联合调度策略的开发具有十分重要的意义。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种区域多源供冷供热系统优化调度方法，克服现有技术中多类别的冷热源的复合供冷供热子系统供冷供热量过多或者不足的情况，产生的能源浪费的问题。
本发明的技术方案是：一种区域多源供冷供热系统优化调度方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)以各能源子系统能效模型为基础建立对应的简化费用模型；
(2)对设备调节能力和预测负荷进行分档处理；
(3)在系统供冷供热能力与用户侧的预测负荷匹配计算过程中，不同能源子系统需要遵从不同供能约束条件，要求能源站总供冷供热量与预测负荷之间系统最大供冷量浪费值为δ，避免优化运行策略计算结果出现供冷、供热量浪费的情况出现；
(4)结合各能源子系统的分档结果、运行调节情况约束，确定以日总运行费用最小作为目标函数，构建费用计算模型；
(5)计算得出各个子系统逐时荷载率、各子系统逐时耗电量、耗气量、各子系统逐时水泵耗电量、各子系统分项运行费用、系统总运行费用。
所述步骤(1)具体为：代入能源站所使用的各种供能子系统的运行参数及所处区域的能源价格体系得到各子系统在不同负荷率下的运行费用；通过将运行费用进行对比、分析得到各子系统的优先调度次序原则。
所述步骤(2)对设备调节能力分档处理具体为：结合设备的实际调节情况与适宜荷载率运行区间，进行各子系统的供能能力分档。
所述步骤(2)对系统负荷分档处理具体为：在高负荷率时，负荷分档保证优化调度策略计算结果要满足供冷供热负荷的要求。考虑到运用本发明计算方法时，能源站可能处于建筑周期不同的时间段，本发明要求对能源站负荷率进行30％，45％，60％，75％分档控制，确保计算得到的优化调度策略的合理性。
所述步骤(4)以日运行费用最低为目标进行优化策略制定，采用混合整数非线性规划建立能源站总费用模型，目标函数如式(1)
F＝MinCnig+MinCday (1)
式中：
F——能源站总日供冷、供热费用(元)；
MinCnig——能源站夜间总供冷、供热费用最小值(元)；
MinCday——能源站日间总供冷、供热费用最小值(元)。
式(1)中MinCnig与MinCday分别为以下供能子系统的C值之和：电制冷子系统、地源热子系统、蓄能子系统和三联供子系统。
所述电制冷子系统运行费用计算方法为：
电制冷子系统运行费用计算公式如式(2)：
式中：
——第i时刻，电制冷子系统制取制冷量QEC产生的电费(元)；
PPi——第i时刻的电价(元/kWh)；
——电制冷子系统j的供冷、供热量(kWh)；
——编号为j的制冷子系统在第i时刻荷载率为xi,j时的总能效比；
式中电制冷子系统性能系数计算公式如式(3)：
式中：
i——第i时刻，取0-23；
j——j为供能设备编号；
——编号为j的制冷子系统在第i时刻荷载率为xi,j时的测试总供冷、供热量(kWh)；
——编号为j的制冷子系统在第i时刻的性能系数，视为荷载率的单值函数；
——电制冷子系统中水泵i时刻的耗功量，视为荷载率的单值函数(kWh)；
——电制冷子系统中冷却塔i时刻的耗功量，视为荷载率的单值函数(kWh)。
所述地源热子系统运行费用计算方法为：
地源热泵子系统运行费用计算公式如式(4)：
式中：
——第i时刻地源热泵系统制取QGSHP制冷、热量时产生的电费(元)；
——地源热泵系统j的供冷、供热量(kWh)；
——编号为j的地源热泵子系统在第i时刻荷载率为xi,j时的总能效比；
式中地源热泵子系统性能系数计算公式如式(5)
式中：
——编号为j的地源热泵子系统在第i时刻荷载率为xi,j时的测试总供冷、供热量(kWh)；
——编号为j的地源热泵子系统在第i时刻的性能系数，视为荷载率的单值函数；
——地源热泵子系统中水泵i时刻的耗功量，视为荷载率的单值函数(kWh)。
所述蓄能子系统运行费用计算方法为：
日间释能部分，由于使用夜间制取冷量或热量，则只需将冷量或热量通过热交换器制备空调用水，耗能设备也只有输配设备；日间蓄能子系统性能系数计算公式如式(6)：
式中：
——编号为j的蓄能子系统在第i时刻荷载率为xi,j时的总能效比；
——编号为j的蓄能子系统在第i时刻荷载率为xi,j时的测试总供冷、供热量(kWh)；
——蓄能子系统中水泵i时刻的耗功量，视为荷载率的单值函数(kWh)；
日间释能费用计算式如式(7)：
式中：
——蓄能子系统日间i时刻释能耗电费用(元)；
——蓄能子系统j的供冷、供热量(kWh)；
对于夜间蓄能部分，选择供冷、供热子系统向蓄能罐供冷或供热；采用地源热泵为例，此时夜间运行费用计算公式如式(8)
式中：
——夜间蓄能期间总耗电费用(元)；
——夜间蓄能期间地源热泵子系统j的制冷、热量(kWh)，各时刻相同；
——夜间蓄能期间地源热泵系统的能效比，各时刻相同，计算方法见式(3)。
所述三联供子系统运行费用计算方法为：
三联供系统的主要设备包括燃气内燃机发电机，烟气余热型溴化锂机组，发电机缸套水热水系统；三联供系统各主要能源转化部件之间关系的数学模型如下：
系统发电量的计算如公式(9)：
式中：
——三联供系统日间i时刻所发电量(kWh)；
——三联供系统第i时刻燃气内燃机消耗的天然气量(m3)，视为内燃机运行负荷率的单值函数；
β——天然气的热值，取8500kcal；
ηe——内燃发电机发电效率，视为内燃机运行负荷率的单值函数。
烟气余热型溴化锂机组供冷量可由式(10)计算：
式中：
——编号为j的溴化锂机组在第i时刻荷载率为xi,j时的总供冷量(kWh)；
ηh——内燃机运行的余热产生效率，视为内燃机运行负荷率的单值函数；
——编号为j的溴化锂机组在第i时刻的性能系数，视为荷载率的单值函数；
三联供子系统的性能系数计算公式如式(11)：
式中：
——编号为j的三联供子系统在第i时刻荷载率为xi,j时的总能效比；
——三联供子系统中水泵i时刻的耗功量，视为荷载率的单值函数(kWh)；
——三联供子系统中冷却塔i时刻的耗功量，视为荷载率的单值函数(kWh)；
综上所述，三联供系统运行费用计算式如式(12)：
式中：
——第i时刻，三联供子系统制取制冷量QCCHP产生的电费(元)；
——三联供子系统j的供冷量(kWh)；
Prgas——燃气价格(元/m3)。
本发明的有益效果为：本发明为解决各子系统之间相互搭配的问题，依据供能设备实际调节情况和供能能力进行分档调节。运用MATLAB软件，建立MINLP模型，采用列举法进行模型求解计算。
本发明为充分利用地区的峰谷电价体系，对设置的蓄能子系统和产能子系统(冷热电三联供子系统)进行设计。以实现削峰填谷和增加能源站产能收益的目的。
本发明提出的蓄冷系统释冷控制模块通过将次日预测负荷按照先峰电价后平电价的顺序排列，实现优先在峰电价时间段使用蓄能系统供冷的目的，减少了峰电价时间段耗电量高的电制冷和地源热泵子系统的运用。
本发明设置能源站供冷供热量与系统冷热负荷匹配程度约束，能够预防出现供冷供热量过多或者不足的情况发生。
本发明采用的计算方法能够实现能源站不同负荷率情况下的优化调度策略制定计算。
本发明提出的计算方法输入参数包括预测逐时负荷、当地能源价格体系、水泵能耗模型、各供能子系统能效模型。可根据实际情况进行修改或者增添、删减。
附图说明
图1是能源站优化调度策略计算方法流程图；
图2是案例能源站系统构成图；
图3是能源站优化调度策略软件算法流程图；
图4是案例能源站供能优化分配对比结果图；
图5是案例能源站不同负荷率下节费效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明制定区域多源供冷供热系统优化调度策略的计算方法。该方法以经济性为原则，能够实现减小运行成本，提高系统运行的能源效率和稳定性的要求。其计算方法流程见附图1。
本发明实施例多源区域供冷供热系统位于天津市生态城区域，该能源站系统构成如图2所示。
结合附图3对本发明的具体实施方式进行进一步说明，本发明为方便软件编程计算，将上述式(2)(4)(7)(8)(12)进行整合进行整体的最优化计算。
本发明采用混合整数非线性规划(MINLP)建立能源站总费用模型，目标函数见式(12)。其中，夜间总运行费用与参与蓄冷蓄热的供能设备耗电量以及夜间电价有关，其计算公式如式(13)
式中：
——能源站夜间供能设备j总耗电量(kWh)。式中i为夜间运行时间段[24,1,2,3,4,5,6]中任一时刻，j＝3,4表示夜间向蓄能罐供冷、供热的两组地源热泵系统，其计算公式如式(14)。
日间总运行费用与日间参与供冷供热设备耗电量、耗气量有关以及电价气价有关，其计算公式如式(15)。
式中：
——能源站日间供能设备j总耗电量，其中i时刻的产电量记为i时刻的负耗电量进行总耗电量计算(kWh)其计算公式如式(16)。
本发明设计的约束条件能够实现满足系统供冷供热要求，并且不会产生供冷、供热量浪费的情况。各子系统约束条件分别如下：
式中：
FLi——i时刻预测负荷值；
δ——系统最大允许浪费供冷、供热量值(kW)；
式(17)为系统总供冷、供热量约束，由式可知，在满足负荷(FLi)的前提下，i时刻系统最大供冷、供热量浪费值为δ。
蓄能系统由于蓄能罐体积为固定值，因此，蓄能过程和供冷/供热过程必须满足一下约束条件式(18)，才能保证有足够的冷量用于供冷。即，蓄能过程蓄能量要略高于额定蓄能量，供冷、供热过程供冷、供热量不得高于额定蓄能量。
式中：
Sqnig——蓄能罐夜间蓄冷量值(kWh)；
夜间蓄能过程，蓄能量计算满足下式(19)的要求。
蓄能量计算主要分为三个部分，分别为预测负荷初次计算蓄能量部分、次日预测供冷、供热值修正蓄能量部分以及额定供冷、供热量比较部分。本发明设置的蓄能系统蓄能约束条件能够确保所蓄能量能够在次日完全用尽，减少蓄能量的浪费。
依据案例中的各种能源设备的实际调节情况和供能能力，可进行分档控制，分档结果见式(20)。分档结果考虑到系统负荷达到设计负荷峰值的情况(FLi＞16765kW)，此时采用蓄能系统在负荷峰值时间段供冷、供热，避免系统供冷、供热量小于用户负荷需求的情况出现。
为了充分利用地区的峰谷电价体系，本发明采用优先在峰电价时间段使用运行费用低的能源子系统如：蓄能子系统和三联供子系统。具体表现为，在输入负荷值进行计算时，首先将峰电价时间段负荷进行供冷/热量分配。在系统运用方面优先安排三联供子系统和蓄能子系统供冷/热，详情可见图3能源站优化调度策略软件算法流程图。
算法流程图主要由五个部分组成分别为：CCHP、WTES、EC and GCHP、Nightoperation和Calculate。预测的次日日间逐时负荷值，依次经过CCHP、WTES、EC and GCHP部分进行供能匹配计算，最后将各部分计算得到的运行费用最优的搭配方式输出。负荷在各部分计算内容简述如下：
(1)预测负荷值进入CCHP部分计算，程序主要判断CCHP子系统是否启动。
(2)剩余的逐时负荷值进入WTES部分，该部分程序需按照峰谷电价体系，在保证蓄能余量用尽的前提下，判断释冷子系统是否启动和怎样运行。
(3)逐时的剩余负荷再进入EC and GCHP部分，进行供能匹配计算，预测负荷值经过上述计算后，程序将输出日间运行费用最低的供能组合。
(4)Night operation部分，首先对比预测的次日总负荷和优化策略确定的夜间蓄能总量，接着通过调节地源热泵子系统出力，满足规定时间内的蓄能要求。
(5)各部分计算结束后，各子系统供冷、供热分配结果被输入Calculate部分，输出运行费用，算法流程结束。
计算实例结果：
天津某生态城能源站服务区域建筑面积共计299548m2其中，空调系统服务区域为24043m2。该区域典型日逐时冷负荷见图4，设计负荷峰值为27272kW。图4中为模型计算各供能子系统供能分配结果，由图可知，优化调度策略优先使用了三联供子系统、蓄能子系统以及地源热泵子系统，对于耗费较高的电制冷子系统运用较少。
由图4还可以发现，夜间蓄能过程，本发明提出的优化调度算法选择按照地源热泵最佳荷载率进行供冷，虽然运行时间较长，但是总体运行费用降低；峰谷电价时间段供冷情况可知，该时间段，电制冷系统几乎未运用，因为其耗电量最高，其次，大量在峰电价时间段运用蓄能系统，起到了利用蓄能系统“移峰填谷”的目的。另外，相比于传统的调度策略，优化策略开启三联供系统，能够带来显著的产电量收益。
图5为不同系统负荷率情况下，采用本发明计算得到的系统总运行费用图。由图可知，随之负荷率增加，优化节费效果逐步降低。主要是由系统负荷逐渐接近额定值，可调节设备容量减少导致的，由此可知，本发明能够良好的运用于以减少运行费用的区域能源站。特别在能源站供冷供热初期，能够达到显著的节费效果，案例能源站在30％负荷率情况下，采用本发明计算确定优化运行策略能够实现节约运行费用63.5％。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种区域多源供冷供热系统优化调度方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)以各能源子系统能效模型为基础建立对应的简化费用模型；
(2)对设备调节能力和预测负荷进行分档处理；
(3)在系统供冷供热能力与用户侧的预测负荷匹配计算过程中，不同能源子系统需要遵从不同供能约束条件，要求能源站总供冷供热量与预测负荷之间系统最大供冷量浪费值为δ，避免优化运行策略计算结果出现供冷、供热量浪费的情况出现；
(4)结合各能源子系统的分档结果、运行调节情况约束，确定以日总运行费用最小作为目标函数，构建费用计算模型；
(5)计算得出各个子系统逐时荷载率、各子系统逐时耗电量、耗气量、各子系统逐时水泵耗电量、各子系统分项运行费用、系统总运行费用。
2.根据权利要求1所述区域多源供冷供热系统优化调度方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：代入能源站所使用的各种供能子系统的运行参数及所处区域的能源价格体系得到各子系统在不同负荷率下的运行费用；通过将运行费用进行对比、分析得到各子系统的优先调度次序原则。
3.根据权利要求1所述区域多源供冷供热系统优化调度方法，其特征在于，所述步骤(2)对设备调节能力分档处理具体为：结合设备的实际调节情况与适宜荷载率运行区间，进行各子系统的供能能力分档。
4.根据权利要求1所述区域多源供冷供热系统优化调度方法，其特征在于，所述步骤(2)对系统负荷分档处理具体为：在高负荷率时，负荷分档保证优化调度策略计算结果要满足供冷供热负荷的要求；考虑到运用本发明计算方法时，能源站可能处于建筑周期不同的时间段，本发明要求对能源站负荷率进行30％，45％，60％，75％分档控制，确保计算得到的优化调度策略的合理性。
5.根据权利要求1所述区域多源供冷供热系统优化调度方法，其特征在于，所述步骤(4)以日运行费用最低为目标进行优化策略制定，采用混合整数非线性规划建立能源站总费用模型，目标函数如式(1)
F＝MinCnig+MinCday (1)
式中：
F——能源站总日供冷、供热费用(元)；
MinCnig——能源站夜间总供冷、供热费用最小值(元)；
MinCday——能源站日间总供冷、供热费用最小值(元)。
6.根据权利要求5所述区域多源供冷供热系统优化调度方法，其特征在于，式(1)中MinCnig与MinCday分别为以下供能子系统的C值之和：电制冷子系统、地源热子系统、蓄能子系统和三联供子系统。
7.根据权利要求6所述区域多源供冷供热系统优化调度方法，其特征在于，所述电制冷子系统运行费用计算方法为：
电制冷子系统运行费用计算公式如式(2)：
式中：
——第i时刻，电制冷子系统制取制冷量QEC产生的电费(元)；
PPi——第i时刻的电价(元/kWh)；
——电制冷子系统j的供冷、供热量(kWh)；
——编号为j的制冷子系统在第i时刻荷载率为xi,j时的总能效比；
式中电制冷子系统性能系数计算公式如式(3)：
式中：
i——第i时刻，取0-23；
j——j为供能设备编号；
——编号为j的制冷子系统在第i时刻荷载率为xi,j时的测试总供冷、供热量(kWh)；
——编号为j的制冷子系统在第i时刻的性能系数，视为荷载率的单值函数；
——电制冷子系统中水泵i时刻的耗功量，视为荷载率的单值函数(kWh)；
——电制冷子系统中冷却塔i时刻的耗功量，视为荷载率的单值函数(kWh)。
8.根据权利要求6所述区域多源供冷供热系统优化调度方法，其特征在于，所述地源热子系统运行费用计算方法为：
地源热泵子系统运行费用计算公式如式(4)：
式中：
——第i时刻地源热泵系统制取QGSHP制冷、热量时产生的电费(元)；
——地源热泵系统j的供冷、供热量(kWh)；
——编号为j的地源热泵子系统在第i时刻荷载率为xi,j时的总能效比；
式中地源热泵子系统性能系数计算公式如式(5)
式中：
——编号为j的地源热泵子系统在第i时刻荷载率为xi,j时的测试总供冷、供热量(kWh)；
——编号为j的地源热泵子系统在第i时刻的性能系数，视为荷载率的单值函数；
——地源热泵子系统中水泵i时刻的耗功量，视为荷载率的单值函数(kWh)。
9.根据权利要求6所述区域多源供冷供热系统优化调度方法，其特征在于，所述蓄能子系统运行费用计算方法为：
日间释能部分，由于使用夜间制取冷量或热量，则只需将冷量或热量通过热交换器制备空调用水，耗能设备也只有输配设备；日间蓄能子系统性能系数计算公式如式(6)：
式中：
——编号为j的蓄能子系统在第i时刻荷载率为xi,j时的总能效比；
——编号为j的蓄能子系统在第i时刻荷载率为xi,j时的测试总供冷、供热量(kWh)；
——蓄能子系统中水泵i时刻的耗功量，视为荷载率的单值函数(kWh)；
日间释能费用计算式如式(7)：
式中：
——蓄能子系统日间i时刻释能耗电费用(元)；
——蓄能子系统j的供冷、供热量(kWh)；
对于夜间蓄能部分，选择供冷、供热子系统向蓄能罐供冷或供热；采用地源热泵为例，此时夜间运行费用计算公式如式(8)
式中：
——夜间蓄能期间总耗电费用(元)；
——夜间蓄能期间地源热泵子系统j的制冷、热量(kWh)，各时刻相同；
——夜间蓄能期间地源热泵系统的能效比，各时刻相同，计算方法见式(3)。
10.根据权利要求6所述区域多源供冷供热系统优化调度方法，其特征在于，所述三联供子系统运行费用计算方法为：
三联供系统的主要设备包括燃气内燃机发电机，烟气余热型溴化锂机组，发电机缸套水热水系统；三联供系统各主要能源转化部件之间关系的数学模型如下：
系统发电量的计算如公式(9)：
式中：
——三联供系统日间i时刻所发电量(kWh)；
——三联供系统第i时刻燃气内燃机消耗的天然气量(m3)，视为内燃机运行负荷率的单值函数；
β——天然气的热值，取8500kcal；
ηe——内燃发电机发电效率，视为内燃机运行负荷率的单值函数。
烟气余热型溴化锂机组供冷量可由式(10)计算：
式中：
——编号为j的溴化锂机组在第i时刻荷载率为xi,j时的总供冷量(kWh)；
ηh——内燃机运行的余热产生效率，视为内燃机运行负荷率的单值函数；
——编号为j的溴化锂机组在第i时刻的性能系数，视为荷载率的单值函数；
三联供子系统的性能系数计算公式如式(11)：
式中：
——编号为j的三联供子系统在第i时刻荷载率为xi,j时的总能效比；
——三联供子系统中水泵i时刻的耗功量，视为荷载率的单值函数(kWh)；
——三联供子系统中冷却塔i时刻的耗功量，视为荷载率的单值函数(kWh)；
综上所述，三联供系统运行费用计算式如式(12)：
式中：
——第i时刻，三联供子系统制取制冷量QCCHP产生的电费(元)；
——三联供子系统j的供冷量(kWh)；
Prgas——燃气价格(元/m3)。
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