CN108599266A - 一种电-气-热多能流耦合下的需求侧响应调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电‑气‑热多能流耦合下的需求侧响应调度方法，属于含多种能源形式的电力系统运行和控制技术领域。需求侧的用户为安装有分布式热电联产机组的商业建筑用户，本发明方法充分利用了多能流耦合环境下用户负荷的灵活性，挖掘了用户的需求侧响应潜力，将传统上固定的用户能源需求转化为对能源价格的函数；利用用户需求侧响应松弛了多能流耦合系统运行的约束条件，提高了多能流耦合系统的运行灵活性，从而进一步提高系统运行效率，降低能源消耗，同时能更好地消纳具有波动性的可再生能源。

Description

一种电-气-热多能流耦合下的需求侧响应调度方法
技术领域
本发明涉及一种电-气-热多能流耦合下的需求侧响应调度方法，属于含多种能源形式的电力系统运行和控制技术领域。
背景技术
当前，作为优化能源结构、提高源使用效率、改善生态环境有效手段的多能流系统(多能源联合系统、多能源互补系统)得到快速发展。但是，多能流系统中，不同能流的耦合可能会限制系统运行的灵活性，给新能源的消纳带来挑战。
发明内容
针对上述背景技术中的问题，本发明提供了一种电-气-热多能流耦合下的需求侧响应调度方法。
本发明的技术方案是：一种电-气-热多能流耦合下的需求侧响应调度方法，需求侧的用户为安装有分布式热电联产机组的商业建筑用户，该方法包括以下步骤：
(1)引入用户侧热能损耗常数代表供热网络向用户供热带来的热能损失：
其中，Ta为环境温度，l为管道长度，h为热传导系数；
(2)建立用户侧分布式热电联产机组的运行模型：
其中，代表天然气输入，和分别为该机组产生的电功率和热功率；Khe为机组的制冷效率，ηe为机组的电效率，ηl为热损失系数；
(3)建立用户需求侧响应模型：
用户需求侧响应模型定义为：用户的能源需求对能源价格的响应；
用户需求侧响应的目标为：使其总用能成本最低；
因此，构建用户需求侧响应模型：
其中，pg(t),pe(t),ph(t)分别为市场内天然气价格、电能价格、热能价格；分别为用户对电能、热能以及天然气的需求量，Le,i,Lh,i分别为用户用电设备和用热设备的负荷量；cee,cge,chh,cgh为各种能源的转换效率，cee＝1，chh＝1，
(4)求解上述用户需求侧响应模型，得到用户能源需求对能源价格的响应函数；系统运行人员可以建立考虑需求侧响应的多能流耦合系统最优调度模型，利用该响应函数，提高系统运行的灵活性。
进一步地，需求侧响应建模中，引入用户侧热能损耗常数，代表供热网络向用户供热带来的热能损失：
其中，为第i个用户的热能损耗；Cw为水的比热容；mi为管道内水流量；Ts,n和Tr,n分别为节点n的供给管道(supply pipeline)温度和返回管道(return pipeline)温度；Ts,i和Tr,i分别为用户i的供给管道温度和返回管道温度，其关系可以近似描述为：
Ts,i＝(Ts,n-Ta)·(1-hl/cwmi)+Ta
Tr,i＝(Tr,n-Ta)·(1+hl/cwmi)+Ta
因此，用户热损耗常数可近似描述为：
进一步地，需求侧响应建模中，ηe与的关系可以拟合为三次函数：
其中，αe,βe,εe,οe均为其系数；
同时，
αh,βh,εh,οh是根据αe,βe,εe,οe及上述公式确定的系数；
求解用户需求侧响应模型，基于最优问题的KT条件，可以得到用户的最优用能策略：
其中，αg＝peαe+phαh；βg＝peβe+phβh；εg＝peεe+phεh。
进一步地，所述步骤(4)中，建立的考虑需求侧响应的多能流耦合系统最优调度模型具体为：
①.目标函数：目标函数为系统运行成本最低
其中，t代表不同时段，NT为时段的数目；为发电机组gi的输出功率，Cgi为其发电成本函数，Ngi为发电机组的个数；和分别为热电联产机组gj的电功率和热功率，Cgj为其生产成本函数，Ngj为热电联产机组的个数；为天然气气源gk的输出，Cgk为其生产成本函数，Ngk为天然气气源的个数；
②.约束条件
a)电力平衡方程：
电力平衡方程采用直流潮流，即为：
[B0][θ]＝[P]
式中B0为正常运行时网络节点电纳矩阵；θ为节点电压相位角的向量；P为节点注入的有功功率向量；
b)热力网络方程：
描述热力系统网络的方程主要包括节点的热力功率平衡：
其中，是热源的注入热功率，是负荷的热功率需求，是管道内流通的热功率，Ψn为连接在节点n的热源和负荷的集合，Θn为与节点n直接相连的节点的集合；节点n与节点m之间管道热功率可以描述为：
其中，cw为水的比热容；mnm(t)为管道水流量；Ts,n(t)和Ts,m(t)分别为节点n和节点m的温度；
两个节点温度之间的关系可描述为：
其中，lmn为管道长度，h为热传导系数，Ta为环境温度；
c)天然气网络方程：
描述天然气系统的方程主要包括节点的天然气功率平衡：
其中，为天然气气源gk的输出，是负荷的天然气需求，是管道内流通的天然气，可描述为：
其中，Mnm为管道的物理常数，πn,πm分别为n节点和m节点的气压的方程；
d)用户需求侧响应模型：用户能源需求均为对能源价格的响应函数。
进一步地，用内点法对考虑需求侧响应的多能流耦合系统最优调度模型进行求解，得到多能流耦合系统内各电源机组、CHP机组和天然气气源的最优调度结果，以及最优的用户需求侧响应结果，以实现全系统最优。
本发明的有益效果是：本发明方法充分利用了多能流耦合环境下用户负荷的灵活性，挖掘了用户的需求侧响应潜力，将传统上固定的用户能源需求转化为对能源价格的函数；利用用户需求侧响应松弛了多能流耦合系统运行的约束条件，提高了多能流耦合系统的运行灵活性，从而进一步提高系统运行效率，降低能源消耗，同时能更好地消纳具有波动性的可再生能源。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
具体实施方法
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种电-气-热多能流耦合下的需求侧响应调度方法，本发明涉及的用户为安装有分布式热电联产机组的商业建筑，本发明方法主要有几部分构成：
(1)需求侧响应策略的建模
(1.1)引入用户侧热能损耗常数，代表供热网络向用户供热带来的热能损失：
其中，为第i个用户的热能损耗；Cw为水的比热容；mi为管道内水流量；Ts,n和Tr,n分别为节点n的供给管道(supply pipeline)温度和返回管道(return pipeline)温度；Ts,i和Tr,i分别为用户i的供给管道温度和返回管道温度，其关系可以近似描述为：
Ts,i＝(Ts,n-Ta)·(1-hl/cwmi)+Ta
Tr,i＝(Tr,n-Ta)·(1+hl/cwmi)+Ta
其中，Ta为环境温度，l为管道长度，h为热传导系数；
因此，用户热损耗常数可近似描述为：
(1.2)建立用户侧分布式热电联产机组的运行模型：
其中，代表天然气输入，和分别为该机组产生的电功率和热功率；Khe为机组的制冷效率，ηe为机组的电效率，ηl为热损失系数；
ηe与的关系可以拟合为三次函数：
其中，αe,βe,εe,οe均为其系数；
(1.3)建立用户能源需求模型：
用户能源需求满足以下约束：
其中，分别为用户对电能、热能以及天然气的需求量，Le,i,Lh,i分别为用户用电设备和用热设备的负荷量；cee,cge,chh,cgh为各种能源的转换效率，cee＝1，chh＝1，
(1.4)建立用户需求侧响应模型：
用户需求响应模型定义为：用户的能源需求对能源价格的响应。
用户需求侧响应的目标为，使其总用能成本最低。
因此，构建用户需求侧响应模型：
其中，pg(t),pe(t),ph(t)分别为市场内天然气价格、电能价格、热能价格。
(1.5)求解用户需求侧响应模型，基于最优问题的KT条件，可以得到用户的最优用能策略：
其中，αg＝peαe+phαh；βg＝peβe+phβh；εg＝peεe+phεh。
上式表示的能源需求即为用户针对不同能源价格作出的响应。系统运行人员可以根据该需求响应模型，调节能源价格以引导用户用能行为，以提高系统运行效率和灵活性。
(2)考虑需求侧响应的能源系统优化调度方法
该方法建立考虑需求侧响应的能源优化调度方法，以实现对需求侧响应的利用，从而达到提高系统灵活性的目的。
①.目标函数：目标函数为系统运行成本最低
其中，t代表不同时段，NT为时段的数目；为发电机组gi的输出功率，Cgi为其发电成本函数，Ngi为发电机组的个数；和分别为热电联产机组gj的电功率和热功率，Cgj为其生产成本函数，Ngj为热电联产机组的个数；为天然气气源gk的输出，Cgk为其生产成本函数，Ngk为天然气气源的个数；
②.约束条件
a)电力平衡方程：
电力平衡方程采用直流潮流，即为：
[B0][θ]＝[P]
式中B0为正常运行时网络节点电纳矩阵；θ为节点电压相位角的向量；P为节点注入的有功功率向量；
b)热力网络方程：
描述热力系统网络的方程主要包括节点的热力功率平衡：
其中，是热源的注入热功率，是负荷的热功率需求，是管道内流通的热功率，Ψn为连接在节点n的热源和负荷的集合，Θn为与节点n直接相连的节点的集合；节点n与节点m之间管道热功率可以描述为：
其中，cw为水的比热容；mnm(t)为管道水流量；Ts,n(t)和Ts,m(t)分别为节点n和节点m的温度；
两个节点温度之间的关系可描述为：
其中，lmn为管道长度，h为热传导系数，Ta为环境温度；
c)天然气网络方程：
描述天然气系统的方程主要包括节点的天然气功率平衡：
其中，为天然气气源gk的输出，是负荷的天然气需求，是管道内流通的天然气，可描述为：
其中，Mnm为管道的物理常数，πn,πm分别为n节点和m节点的气压的方程；
d)用户需求侧响应模型：用户能源需求均为对能源价格的响应函数。
(3)寻找系统调度问题的最优条件
(3.1)将系统调度总结为标准的优化模型
s.t.g(x)＝0
h(x)+s＝0
s>0
其中，x为所有变量组成的向量，f，g和h分别代表目标函数、等式约束和不等式约束；c表示不等式的编号，Nieq为不等式约束的数量；s为松弛向量，γ为惩罚系数。
(3.2)调度最优问题的最优化条件
上述优化问题的拉格朗日方程为：
其中，λ为等式约束的拉格朗日乘子(影子价格)，μ为不等式约束的拉格朗日乘子(影子价格)，T表示向量的转置。
根据KKT(Karush–Kuhn–Tucker)条件，Lγ(x,s,λ,μ)对x,s,λ和μ的导数都为0，即最优条件可以表述为：
其中，下标x均表示对x的求导，e为单位向量，[s]为以向量s为对角线元素的矩阵。
(3.3)将用户需求侧响应纳入最优条件，同时，根据用户的需求侧响应模型，用户能源需求受能源价格的影响，这种关系可以表述为：
上式与KKT条件合并，即可得到最终的优化条件：
F(x,s,λ,μ)＝0
(4)用牛顿迭代法求解
上述最优条件可以用牛顿迭代法进行求解，该方法为领域内的公知知识，不再阐述。

Claims (5)

1.一种电-气-热多能流耦合下的需求侧响应调度方法，其特征在于：需求侧的用户为安装有分布式热电联产机组的商业建筑用户，该方法包括以下步骤：
(1)引入用户侧热能损耗常数代表供热网络向用户供热带来的热能损失：
其中，Ta为环境温度，l为管道长度，h为热传导系数；
(2)建立用户侧分布式热电联产机组的运行模型：
其中，代表天然气输入，和分别为该机组产生的电功率和热功率；Khe为机组的制冷效率，ηe为机组的电效率，ηl为热损失系数；
(3)建立用户需求侧响应模型：
用户需求侧响应模型定义为：用户的能源需求对能源价格的响应；
用户需求侧响应的目标为：使其总用能成本最低；
因此，构建用户需求侧响应模型：
其中，pg(t),pe(t),ph(t)分别为市场内天然气价格、电能价格、热能价格；分别为用户对电能、热能以及天然气的需求量，Le,i,Lh,i分别为用户用电设备和用热设备的负荷量；cee,cge,chh,cgh为各种能源的转换效率，cee＝1，chh＝1，
(4)求解上述用户需求侧响应模型，得到用户能源需求对能源价格的响应函数；系统运行人员可以建立考虑需求侧响应的多能流耦合系统最优调度模型，利用该响应函数，提高系统运行的灵活性。
2.根据权利要求1所述的一种电-气-热多能流耦合下的需求侧响应调度方法，其特征在于：需求侧响应建模中，引入用户侧热能损耗常数，代表供热网络向用户供热带来的热能损失：
其中，为第i个用户的热能损耗；Cw为水的比热容；mi为管道内水流量；Ts,n和Tr,n分别为节点n的供给管道(supply pipeline)温度和返回管道(return pipeline)温度；Ts,i和Tr,i分别为用户i的供给管道温度和返回管道温度，其关系可以近似描述为：
Ts,i＝(Ts,n-Ta)·(1-hl/cwmi)+Ta
Tr,i＝(Tr,n-Ta)·(1+hl/cwmi)+Ta
因此，用户热损耗常数可近似描述为：
3.根据权利要求1所述的一种电-气-热多能流耦合下的需求侧响应调度方法，其特征在于：需求侧响应建模中，ηe与的关系可以拟合为三次函数：
其中，αe,βe,εe,οe均为其系数；
同时，
αh,βh,εh,οh是根据αe,βe,εe,οe及上述公式确定的系数；
求解用户需求侧响应模型，基于最优问题的KT条件，可以得到用户的最优用能策略：
其中，αg＝peαe+phαh；βg＝peβe+phβh；εg＝peεe+phεh。
4.根据权利要求1所述的一种电-气-热多能流耦合下的需求侧响应调度方法，其特征在于：所述步骤(4)中，建立的考虑需求侧响应的多能流耦合系统最优调度模型具体为：
①.目标函数：目标函数为系统运行成本最低
其中，t代表不同时段，NT为时段的数目；为发电机组gi的输出功率，Cgi为其发电成本函数，Ngi为发电机组的个数；和分别为热电联产机组gj的电功率和热功率，Cgj为其生产成本函数，Ngj为热电联产机组的个数；为天然气气源gk的输出，Cgk为其生产成本函数，Ngk为天然气气源的个数；
②.约束条件
a)电力平衡方程：
电力平衡方程采用直流潮流，即为：
[B0][θ]＝[P]
式中B0为正常运行时网络节点电纳矩阵；θ为节点电压相位角的向量；P为节点注入的有功功率向量；
b)热力网络方程：
描述热力系统网络的方程主要包括节点的热力功率平衡：
其中，是热源的注入热功率，是负荷的热功率需求，是管道内流通的热功率，Ψn为连接在节点n的热源和负荷的集合，Θn为与节点n直接相连的节点的集合；节点n与节点m之间管道热功率可以描述为：
其中，cw为水的比热容；mnm(t)为管道水流量；Ts,n(t)和Ts,m(t)分别为节点n和节点m的温度；
两个节点温度之间的关系可描述为：
其中，lmn为管道长度，h为热传导系数，Ta为环境温度；
c)天然气网络方程：
描述天然气系统的方程主要包括节点的天然气功率平衡：
其中，为天然气气源gk的输出，是负荷的天然气需求，是管道内流通的天然气，可描述为：
其中，Mnm为管道的物理常数，πn,πm分别为n节点和m节点的气压的方程；
d)用户需求侧响应模型：用户能源需求均为对能源价格的响应函数。
5.根据权利要求4所述的一种电-气-热多能流耦合下的需求侧响应调度方法，其特征在于：用内点法对考虑需求侧响应的多能流耦合系统最优调度模型进行求解，得到多能流耦合系统内各电源机组、CHP机组和天然气气源的最优调度结果，以及最优的用户需求侧响应结果，以实现全系统最优。
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