CN108510122B - 基于最优双约束条件的综合能源系统优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向电、冷、热多终端需求的综合能源系统，特别是一种基于环境排放、热㶲利用最优双约束条件的综合能源系统优化方法：基于综合能源系统的构成元素：燃气冷热电三联供系统、燃气锅炉、电制冷机以及光伏+储能系统，根据系统的各个元素，通过基于终端消耗的碳排放核算法等测算方法，将各类温室气体（碳）排放、环境税节省的收益，以及可再生能源的绿色证书、高效燃气能源站用能权的市场化价值都标么化为可比较价格；初步求导得到热㶲利用最优的系统配比区间后，通过对温室气体、污染物排放总量的仿真测算校验，最终选取温室气体、污染物排放总量最小时对应的综合能源系统各子系统配比构成。优点在于：针对综合能源系统的清洁、高效特征、实现系统匹配度最优化。

Description

基于最优双约束条件的综合能源系统优化方法

技术领域

本发明涉及一种面向电、冷、热多终端需求的综合能源系统，特别是一种基于环境排放、热㶲利用最优双约束条件的综合能源系统优化方法。

背景技术

综合能源系统是一种面向电、冷、热多种终端能源需求的用能系统，目前能源系统规划设计方法多是彼此独立的，即电、热、冷、储能等能源系统是分别独立规划设计的，系统综合后能源整体利用效率较低。现有技术中，对综合能源系统有各种评估方法，主要是通过评估将能源系统的多个因素或评价指标转换成能够反映技术经济情况的综合指标，以表示当前区域能源系统的发展质量；进一步对综合能源系统进行优化调度，从而实现科学、准确的调度能源配给，减少能源浪费。

然而在日益凸显的环境保护要求下，综合能源系统对环境排放效费影响考虑较少，在综合能源系统规划时未将这方面的经济影响纳入综合比较。因此，现有技术（方法）无法全面、精确地将综合能源系统的清洁、高效特性量化表现出来，一方面无法指导综合能源系统能效、经济性、环境排放三者匹配度达到最优化，另一方面，综合能源系统与传统分散供能系统比选时经济性得不到全面体现，严重影响了综合能源系统的推广。

发明内容

本发明的目的在于根据现有技术的不足之处而提供一种能够针对综合能源系统的清洁、高效特征、实现系统匹配度最优化的基于环境排放、热㶲利用最优双约束条件的综合能源系统优化方法。

本发明所述目的是通过以下途径来实现的：

基于环境排放、热㶲利用最优双约束条件的综合能源系统优化方法，其要点在于，包括如下步骤：

（1） 分析用能区域内主要消费能源的要素，包括需求种类、数量要求、负荷响应特性，选取设计电负荷A、设计热负荷B及设计冷负荷C；作为相关输入参数模型；综合能源系统的子系统包括燃气冷热电三联供系统、燃气锅炉、电制冷机以及光伏+储能系统

（2） 基于热㶲经济利用率最优原则，进行如下综合供能系统建设费用测算：

1） 设燃气冷热电三联供系统的发电功率为X，系统产生热出力为f1(X)，冷出力为f2(X)，系统的投资为P1(X)；

2） 燃气锅炉的热负荷为B-f1(X)，投资为P2(B-f1(X))；

3） 电制冷机的冷负荷为C-f2(X)，投资为P3(C-f2(X))；

4） 光伏+储能系统功率为A-X，投资为P4(A-X)；

5） 综合得到系统整体总投资P(X)=P1(X)+ P2(B-f1(X))+ P3(C-f2(X))+ P4(A-X)；

（3） 对综合能源系统整体净收益及其温室气体、污染物排放量进行测算：

1）燃气冷热电三联供系统发电、供热、供冷净收益R1(X)，燃气供热锅炉净收益R2(X)以及电制冷机供冷净收益R3(X)，上述净收益均已考虑成本；

2）各类能源生产、输送时的温室气体（碳）排放可节省的收益R4(X)、环境税节省收益R5(X)，可再生能源的绿色证书、高效燃气能源站用能权的市场化价值折算收益分别为R6(X)、R7(X)；

3）光伏及储能系统的发电及调峰填谷电价净收益R8(X)；

4）冷热电三联供系统消耗化石能源后的温室气体以及污染物排放量为T1(X)，燃气供热锅炉排放量为T2(X)，电制冷机供冷排放量为T3(X)；

5）综合供能系统的整体净收益为：

R(X)=R1(X)+R2(X)+R3(X)+R4(X)+R5(X)+R6(X)+R7(X)+R8(X)；

温室气体以及污染物排放总量为：T(X)=T1(X)+T2(X)+T3(X)；

（4） 对R(X)/P(X)求导，求导数值为0的一个正负区间，作为X的一个区间（-x，+x）；

（5） 在获得的X区间（-x，+x）内，进一步选取温室气体、污染物排放总量T(X)为最小值时的X值，将取得的X值代入综合能源系统各子系统的容量配比式：[X：B-f1(X)：C-f2(X)：A-X]中，获得燃气冷热电三联供系统、燃气锅炉、电制冷机以及储能各供能子系统的最优容量配比。

本发明技术方案中，冷热电三联供系统的发电容量为X时，根据燃机特性该系统同时可以提供f1(X)的热以及f2(X)的冷。那么，光伏+储能的容量即为A-X，燃气锅炉需要提供B-f1(X)的热，电制冷机需提供C-f2(X)的冷，以完全满足电负荷A（MW）、设计热负荷B（MW）及设计冷负荷C（MW）。

本发明根据园区所处区域的资源禀赋特性，研究分析区域内可就地开发的可再生能源容量，如分布式光伏、分散式风电等；进一步结合综合园区用能需求及资源禀赋，分析综合能源系统的构成元素：燃气冷热电三联供系统、燃气锅炉、电制冷机以及光伏+储能系统。由此，根据系统的各个元素，通过基于终端消耗的碳排放核算法等测算方法，将各类能源生产、输送时的温室气体（碳）排放、环境税（征对污染物排放）节省的收益，以及可再生能源（光伏）的绿色证书、高效燃气能源站用能权的市场化价值都标么化为可比较价格。在此基础上，可以应用供能扩展方案单位年费用法、全系统供能扩展方案、全寿命周期比较法等技术经济比较方法，完成综合供能系统环境效益及温室气体、污染物排放量T(X)的测算。

本发明的技术效果体现如下：

1、热㶲利用最优：本发明综合考虑了热介质的压力、温度及能量品质指标，在满足综合用能项目电、热、冷需求的前提下，加入储能等调节手段，并考虑分布式光伏等可再生能源开发利用，以高效、经济可行为目标，对综合供能系统子系统进行优化。

2、环境排放最优，主要体现在以下两点：

1）通过基于终端消耗的碳排放核算法等测算方法，将各类能源生产、输送时的温室气体（碳）排放、环境税（征对污染物排放）节省的收益，以及可再生能源（光伏）的绿色证书、高效燃气能源站用能权的市场化价值都标么化为可比较价格。综合后得到可参与综合供能系统整体经济性比较的环境效益量化值，有助于推动清洁、高效的综合能源系统通过投资运营方的经济论证，显著提高我国终端能源利用效率、减少环境污染、降低供能基础设施整体建设成本；

2）初步求导得到热㶲利用最优的系统配比区间后，通过对温室气体、污染物排放总量的仿真测算校验，最终选取温室气体、污染物排放总量最小时对应的综合能源系统各子系统配比构成，由此获得的最优各子系统配比充分考虑到了温室气体、污染物排放的影响，在热㶲利用率最优前提下获得环境排放最优。

附图说明

图1为本发明所述面向电、冷、热多终端需求的综合能源系统的系统构成示意图。

图2为本发明所述综合能源系统优化方法的流程示意图；

下面结合实施例对本发明做进一步描述。

具体实施方式

最佳实施例：

本发明所述优化方法面向电、热、冷多种终端能源需求的用能区域，基于环境排放最低（对环境损益均折算至经济可比价，在整体经济效益一定保障前提下以环境排放最低为优选）、热㶲经济利用率最好这两个约束条件，开展综合供能系统配置。重点针对综合能源系统的清洁、高效特征，在环境排放指标体系上综合考虑了其节省的温室气体排放、环境税费用，以及取得的绿色能源证书、用能权交易收益费用，热㶲经济利用率上综合考虑了热介质的压力、温度及能量品质指标。目的是通过对这两大指标体系的量化比选、迭代优化，得到一套清洁、高效、经济可行的综合能源系统。优化步骤具体如下：

（1）分析用能区域内主要消费能源的需求种类、数量要求、负荷响应特性等要素，选取设计电负荷A（MW）、设计热负荷B（MW）及设计冷负荷C（MW）；作为相关输入参数模型。

（2）根据园区所处区域的资源禀赋特性，研究分析区域内可就地开发的可再生能源容量，如分布式光伏、分散式风电等；

（3）综合园区用能需求及资源禀赋，分析综合能源系统的构成元素：燃气冷热电三联供系统、燃气锅炉、电制冷机以及光伏+储能系统；

（4）通过基于终端消耗的碳排放核算法等测算方法，将各类能源生产、输送时的温室气体（碳）排放、环境税（征对污染物排放）节省的收益，以及可再生能源（光伏）的绿色证书、高效燃气能源站用能权的市场化价值都标么化为可比较价格。在此基础上，应用供能扩展方案单位年费用法、全系统供能扩展方案、全寿命周期比较法等技术经济比较方法，开展综合供能系统环境效益及温室气体、污染物排放量T(X)的测算(各参数设定详见第六条第2小点)。

（5）基于热㶲经济利用率最优原则，开展综合供能系统建设费用测算

1）设燃气冷热电三联供系统的发电功率为X（MW），系统产生热出力为f1(X)（MW），冷出力为f2(X)（MW），整个系统的投资为P1(X)；

2）燃气锅炉的容量为B-f1(X)，投资为P2(X)（由P2(B-f1(X))进行计算后，化为X的函数模型，下述的P3(X)由P3(C-f2(X))计算获得，P4(X)由P4(A-X)计算获得）；

3）电制冷机的容量为C-f2(X)，投资为P3(X)；

4）光伏+储能系统功率为A-X，投资为P4(X)；

5）综合得到系统整体总投资P(X)=P1(X)+P2(X)+P3(X)+P4(X)。

（6）测算综合能源系统整体净收益及其温室气体、污染物排放量

1）冷热电三联供系统发电、供热、供冷净收益R1(X)，燃气供热锅炉净收益R2(X)以及电制冷机供冷净收益R3(X)，此部分净收益均已考虑运营成本，净收益=收入-燃料成本-运维成本（可为固定值）；

2）冷热电三联供系统消耗化石能源后的温室气体以及污染物排放量为T1(X)，燃气供热锅炉排放量为T2(X) ，电制冷机供冷排放量为T3(X)（从大电网购入的部分，单位排放量取大网发电排放的平均值）；

3）各类能源生产、输送时的温室气体（碳）排放可节省的收益R4(X)、环境税（征对污染物排放）节省收益R5(X)，以及可再生能源（光伏）的绿色证书、高效燃气能源站用能权的市场化价值折算收益R6(X)、R7(X)；

4）光伏及储能系统的发电及调峰填谷电价净收益R8(X)（光伏发电为正、从大网用电储能为负，并计入储能的峰谷差价收益）；

即综合供能系统的整体净收益为：

R(X)=R1(X)+R2(X)+R3(X)+R4(X)+R5(X)+R6(X)+R7(X)+R8 (X)；

温室气体以及污染物排放总量T(X) =T1(X)+T2(X)+T3(X)。

（7）对R(X)/P(X)求导，求取X的一个区间（-x，+x），使导数值为0的一个正负区间；

（8）在以上获得的X区间（-x，+x）内，进一步选取温室气体、污染物排放总量T(X)为最小值时的综合能源系统各子系统构成，最终获得燃气冷热电三联供系统、燃气锅炉、电制冷机以及储能各供能子系统的容量配比。

本发明的要点在于：

（1）一种全面、精确的综合能源系统环境效益量化比较方法。通过基于终端消耗的碳排放核算法等测算方法，将各类能源生产、输送时的温室气体（碳）排放、环境税（征对污染物排放）节省的收益，以及可再生能源（光伏）的绿色证书、高效燃气能源站用能权的市场化价值都标么化为可比较价格。在此基础上，综合后得到可参与综合供能系统整体经济性比较的环境效益量化值。

（2）基于环境排放最低、热㶲经济利用率最优双约束条件，开展综合供能系统配置规划的一种方法。通过对这两大指标体系的测算比选、迭代优化，规划得到一套在保障经济可行、高效的基础上环境排放最低的综合能源系统构成。

本发明未述部分与现有技术相同。

Claims (1)

1.基于最优双约束条件的综合能源系统优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）分析用能区域内主要消费能源的要素，包括需求种类、数量要求、负荷响应特性，选取设计电负荷A、设计热负荷B及设计冷负荷C；作为相关输入参数模型；综合能源系统的子系统包括燃气冷热电三联供系统、燃气锅炉、电制冷机以及光伏及储能系统；

2）基于热㶲经济利用率最优原则，进行如下综合供能系统建设费用测算：

设燃气冷热电三联供系统的发电功率为X，系统产生热出力为f1(X)，冷出力为f2(X)，系统的投资为P1(X)；

燃气锅炉的热负荷为B-f1(X)，投资为P2(B-f1(X))；

电制冷机的冷负荷为C-f2(X)，投资为P3(C-f2(X))；

光伏+储能系统功率为A-X，投资为P4(A-X)；

综合得到系统整体总投资P(X)=P1(X)+ P2(B-f1(X))+ P3(C-f2(X))+ P4(A-X)；

3）对综合能源系统整体净收益及其温室气体、污染物排放量进行测算：

燃气冷热电三联供系统发电、供热、供冷净收益R1(X)，燃气供热锅炉净收益R2(X)以及电制冷机供冷净收益R3(X)，上述净收益均已考虑成本；

各类能源生产、输送时的温室气体排放可节省的收益R4(X)、环境税节省收益R5(X)，可再生能源的绿色证书、高效燃气能源站用能权的市场化价值折算收益分别为R6(X)、R7(X)；

光伏及储能系统的发电及调峰填谷电价净收益R8(X)；

冷热电三联供系统消耗化石能源后的温室气体以及污染物排放量为T1(X)，燃气供热锅炉排放量为T2(X)，电制冷机供冷排放量为T3(X)；

综合供能系统的整体净收益为：

R(X)=R1(X)+R2(X)+R3(X)+R4(X)+R5(X)+R6(X)+R7(X)+R8(X)；

温室气体以及污染物排放总量为：T(X)=T1(X)+T2(X)+T3(X)；

4）对R(X)/P(X)求导，求导数值为0的一个正负区间，作为X的一个区间（-x，+x）；

在获得的X区间（-x，+x）内，进一步选取温室气体、污染物排放总量T(X)为最小值时的X值，将取得的X值代入综合能源系统各子系统的容量配比式：[X：B-f1(X)：C-f2(X)：A-X]中，获得燃气冷热电三联供系统、燃气锅炉、电制冷机以及储能各供能子系统的最优容量配比。

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