CN108830743A - 考虑多种蓄冷装置的园区综合能源系统优化调度方法 - Google Patents
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Abstract
一种考虑多种蓄冷装置的园区综合能源系统优化调度方法：根据选定的园区综合能源系统，输入电负荷、冷负荷和光伏输出的预测值，输入系统设备组成、设备运行参数以及蓄冷设备当前存储冷量初值；考虑功率与空调冷水流量关系建立考虑多种蓄冷装置的园区综合能源系统优化调度模型，包括：设定园区综合能源系统一个调度周期内运行费用最小为目标函数，分别考虑地源热泵机组运行约束、蓄冷水箱运行约束、常规冷水机组运行约束、冰蓄冷系统运行约束、冷负荷供需平衡约束和电负荷供需平衡约束；将模型中相关非线性约束进行线性化转换，建立混合整数线性规划模型并调用相关求解器进行求解；输出求解结果。本发明能够综合考虑多种情况得到当前供冷调度计划。
Description
技术领域
本发明涉及一种综合能源系统优化调度方法。特别是涉及一种考虑多种蓄冷装置的园区综合能源系统优化调度方法。
背景技术
能源是人类赖以生存和发展的基础，如何提高能源利用效率、减少用能过程中环境污染、实现能源可持续发展是当今社会共同关注的问题。园区综合能源系统对电、气、冷/热等多种能源形式统一规划、建设和运行，通过转换、存储、消费等环节的有机协调和统一调度，可在满足多种负荷需求的同时，实现多能源系统整体的高效率利用，提高能源系统的经济效益和环境效益，是未来能源系统发展的重要方向。
夏季供冷作为园区综合能源系统供能的重要一方面，近些年来得到了广泛关注。蓄冷装置(如蓄冷水装置、蓄冰装置)作为系统供冷期常用的能量调节装置得到了广泛的应用。在电网实行峰谷分时电价的市场机场下，蓄冷装置在谷电价时段储存能量，在非谷电价时刻释放能量，通过与供冷装置的协调配合，实现能量在时间轴上的转移，可显著降低系统的运行费用。同时，由于不同供冷设备能源输入、能源利用率、可运行工况存在很大差异，且不同类型蓄冷设备能量存储形式、可协作制冷设备也不同，故多种制冷装置和蓄冷设备的互补协同配合可进一步提升系统运行的灵活性和经济性。需要指出，多种存储形式的蓄冷装置和可协作的制冷互补运行时，设备运行模式多样，系统运行行为更为复杂。
目前，园区综合能源系统供冷结构中多采用单一的蓄冷装置进行蓄冷，未见考虑多种蓄冷装置、多蓄冷-供冷装置协调工作的供能结构。因此，急需一种考虑多种蓄冷装置的园区综合能源系统优化调度方法，用以解决优化调度中多种供能、蓄能装置的协调运行问题，提升园区综合能源系统供冷期运行的经济性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够综合考虑多种运行约束，优化协调多种供冷、蓄冷装置运行的考虑多种蓄冷装置的园区综合能源系统优化调度方法。
本发明所采用的技术方案是：一种考虑多种蓄冷装置的园区综合能源系统优化调度方法，包括如下步骤：
1)根据选定的园区综合能源系统，输入电负荷、冷负荷和光伏输出的预测值，输入系统设备组成、设备运行参数以及蓄冷设备当前存储冷量初值；
2)依据步骤1)提供的园区综合能源系统的结构和信息，考虑功率与空调冷水流量关系建立考虑多种蓄冷装置的园区综合能源系统优化调度模型，包括：设定园区综合能源系统一个调度周期内运行费用最小为目标函数，分别考虑地源热泵机组运行约束、蓄冷水箱运行约束、常规冷水机组运行约束、冰蓄冷系统运行约束、冷负荷供需平衡约束和电负荷供需平衡约束；
3)将步骤2)得到的园区综合能源系统优化调度模型中相关非线性约束进行线性化转换，建立混合整数线性规划模型并调用相关求解器进行求解；
4)输出步骤3)的求解结果，包括运行费用、制冷主机启停指令、运行工况、供能功率、蓄冷装置放冷指令及放冷功率。
步骤2)中：
所述的地源热泵机组运行约束与所述的蓄冷水箱运行约束之间系统供能模式的相关约束，表示为：
所述的冰蓄冷系统运行约束中双工况机组供能模式的相关约束，表示为：
式中，分别为t时刻地源热泵机组的制冷和蓄冷运行模式；为t时刻蓄冷水箱放冷运行模式；分别为双工况机组的制冷和蓄冰运行模式； 和运行模式变量全部为二进制变量，1代表执行，0代表不执行。
步骤2)所述的蓄冷水箱运行约束和冰蓄冷系统运行约束中蓄冰槽运行约束表示为：
(1)蓄冷水箱运行约束
式中，为t时刻蓄冷水箱供冷功率；FWT,CWP和分别为蓄冷水箱冷冻水泵额定流量和系统t时刻空调冷水总流量；为t时刻系统冷负荷；为t时刻蓄冷水箱第i台冷冻水泵放冷运行模式，为二进制变量，1代表执行，0代表不执行；为单台冷冻水泵制冷功率上限；为t时刻第i台地源热泵蓄冷功率；和分别为t时刻蓄冷水箱存储冷量和单台蓄冷水箱存储冷量上即；NHP、NWT和NWT,CWP分别为地源热泵、蓄冷水箱和蓄冷水箱冷冻水泵个数；εWT为蓄冷水箱的自放冷率；Δt为调度步长；为t时刻蓄冷水箱的耗电；PWT,CWP,1和PWT,CWP,2分别放冷循环泵和蓄冷循环泵的额定用电功率。
(2)蓄冰槽运行约束
式中，NDC为双工况主机台数；为t时刻第i台双工况主机制冰功率；为t时刻蓄冰槽存储冷量；和分别为蓄冰槽存储冷量下限和上限；εIT为蓄冰槽的自放冷率；为t时刻蓄冰槽放冷功率；为蓄冰槽放冷功率上限；为t时刻双工况机组制冰运行模式，为二进制变量，1代表执行，0代表不执行。
本发明的考虑多种蓄冷装置的园区综合能源系统优化调度方法，立足于解决园区综合能源系统中供冷期的优化调度问题，充分考虑蓄能装置对经济性的提升作用、系统多运行模式间的约束和多种供冷、蓄能设备的协调配合，建立包含多种供冷、蓄冷设备的园区综合能源系统供冷优化调度模型，通过非线性约束的线性化转化，调用相关数学求解器进行求解，得到日前供冷调度计划。
附图说明
图1是本发明考虑多种蓄冷装置的园区综合能源系统优化调度方法的流程图；
图2是园区综合能源系统供冷结构图；
图3是一个调度周期(23:00-次日22：00)内分时电价柱状图；
图4是系统冷负荷分配结果图；
图5是蓄冷水箱存储冷量变化图；
图6是蓄冰槽存储冷量变化图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的考虑多种蓄冷装置的园区综合能源系统优化调度方法做出详细说明。
如图1所示本发明的考虑多种蓄冷装置的园区综合能源系统优化调度方法，包括如下步骤：
1)根据选定的园区综合能源系统，输入电负荷、冷负荷和光伏输出的预测值，输入系统设备组成、设备运行参数以及蓄冷设备当前存储冷量初值；
2)依据步骤1)提供的园区综合能源系统的结构和信息，考虑功率与空调冷水流量关系建立考虑多种蓄冷装置的园区综合能源系统优化调度模型，包括：设定园区综合能源系统一个调度周期内运行费用最小为目标函数，分别考虑地源热泵机组运行约束、蓄冷水箱运行约束、常规冷水机组运行约束、冰蓄冷系统运行约束、冷负荷供需平衡约束和电负荷供需平衡约束；其中：
所述的功率与空调冷水流量关系包括：
系统t时刻空调冷水总流量地源热泵机组供冷功率蓄冷水箱供冷功率常规冷水机组供冷功率和冰蓄冷系统供冷功率其中，系统t时刻空调冷水总流量为
式中，FHP、FWT,CWP、FWC、FIS,CWP分别为地源热泵、蓄冷水箱、常规冷水主机泵和冰蓄冷系统冷冻水泵额定流量；分别为t时刻第i台地源热泵制冷、蓄冷水箱水泵放冷、常规冷水主机供冷和冰蓄冷系统冷冻水泵运行模式，NHP、NWT,CWP、NWC、NIS,CWP分别为地源热泵主机、蓄冷水箱冷冻水泵、常规水冷主机、冰蓄冷系统冷冻水泵的个数。模型相关的二进制变量为1代表供能模式/设备处于执行/启动状态，为0代表不执行/停机状态，下同。
(1)所述的一个调度周期运行费用F最小为目标函数可表示为
式中，NT为一个调度周期的总时段数，表示t时刻购电电价，为系统与外部电网联络线的功率。
(2)所述的地源热泵机组运行约束表示为
式中，为t时刻系统冷负荷；分别为t时刻第i台地源热泵供冷、蓄冷功率；为t时刻第i台地源热泵蓄冷运行模式；分别为热泵主机的最小、最大制冷功率；分别为t时刻地源热泵系统供冷、蓄冷运行模式；ΩHP为地源热泵主机的集合；为t时刻热泵机组耗电功率；为第i台热泵性能系数(COP)，PHP,CWP和PHP,CP分别为热泵主机联锁冷冻水泵和冷却水泵的额定用电功率，PWT,CWP,1和PWT,CWP,2分别为蓄冷时联锁放冷循环泵和蓄冷循环泵的额定用电功率。
(3)所述的蓄冷水箱运行约束表示为
式中，为t时刻蓄冷水箱供冷功率；为单台冷冻水泵制冷功率上限； 为t时刻蓄冷水箱存储冷量、单台蓄冷水箱存储冷量上限；NWT为蓄冷水箱个数；εWT为蓄冷水箱的自放冷率；Δt为调度步长；为蓄冷水箱的耗电；为t时刻蓄冷水箱放冷运行模式。
(4)所述的常规冷水机组运行约束表示为
式中，为t时刻第i台常规冷水主机制冷功率。分别为其制冷功率下、上限；ΩWC为常规冷水主机的集合；为t时刻常规冷水机组耗电功率；为常规冷水主机性能系数；PWC,CWP、PWC,CP和PWC,CT分别为常规冷水主机联锁冷冻水泵、冷却水泵和开式冷却塔的额定用电功率。
(5)所述的冰蓄冷系统运行约束表示为
式中，为t时刻冰蓄冷系统、蓄冰槽制冷功率；分别为t时刻第i台双工况主机制冷、制冰功率；为双工况主机制冷功率下、上限；为其制冰功率下、上限；为t时刻第i台双工况主机制冷、制冰运行模式；为t时刻双工况机组制冷、制冰运行模式；为t时刻蓄冰槽存储冷量；为蓄冰槽存储冷量下、上限；εIT为蓄冰槽的自放冷率；为蓄冰槽放冷功率上限；为单台冷冻水泵制冷功率上限；ΩDC为双工况主机的集合；为t时刻冰蓄冷系统耗电功率； 分别为双工况主机制冷、制冰性能系数，PEP、PDC,CP、PDC,CT、PIS ,CWP分别为乙二醇溶液泵、冷却水泵、开式冷却塔、冷冻水泵的额定用电功率。
公式(6)、(13)、(14)是所述的地源热泵机组运行约束与所述的蓄冷水箱运行约束之间系统供能模式的相关约束。公式(23)是所述的冰蓄冷系统运行约束中双工况机组供能模式的相关约束。
(6)所述的冷负荷供需平衡约束表示为
(7)所述的电负荷供需平衡约束表示为
式中，为分别为t时刻光伏系统输出功率、联络线功率，为联络线最大允许功率值，为t时刻系统电负荷。
3)将步骤2)得到的园区综合能源系统优化调度模型中相关非线性约束进行线性化转换，建立混合整数线性规划模型并调用相关求解器进行求解；
对于公式(3)、(9)、(16)、(20)展开后存在二进制变量与连续变量的乘机项，通过引入辅助变量和约束将这些非线性项线性化。线性化后，此优化问题转化成一个混合整数线性规划问题。
对非线性项Ur，其中U为二进制变量，r为连续正变量，r的上限为可引入辅助变量R替换非线性项，且R满足如下约束：
R≤r
4)输出步骤3)的求解结果，包括运行费用、制冷主机启停指令、运行工况、供能功率、蓄冷装置放冷指令及放冷功率。
本发明的考虑多种蓄冷装置的园区综合能源系统优化调度方法，得到调度周期内系统运行方案。
下面给出具体实例：
对于本发明的实施例，首先输入系统一个调度周期电负荷预测值、冷负荷预测值、光伏输出预测值；然后输入系统设备组成、设备运行参数、蓄冷装置当前存储冷量等变量或参数的初值。本系统中，由外部电网和光伏系统满足电力需求；集中能源站产生空调冷水输送至各个楼宇，通过风机盘管满足供冷需求。集中能源站可划分为三个子系统：地源热泵子系统(3台地源热泵，2台蓄冷水箱)、常规冷水子系统(2台常规冷水主机)和冰蓄冷子系统(两台双工况主机，一台蓄冰槽)。系统供冷结构如图2所示，系统详细参数见表1。两种蓄冷装置(蓄冷水箱、蓄冰槽)存储冷量初值均取为0。
对于本实施例，针对系统包含多种蓄冷设备的特点，对比不同系统配置方案(不同蓄冷装置组合，搭配可协同制冷机组)下系统的运行情况，方案1不配置蓄冷装置，方案2配置蓄冷水箱，方案3配置蓄冰槽，方案4配置蓄冷水箱和蓄冰槽(未配置辅助常规冷水机组)，方案5配置蓄冷水箱和蓄冰槽(配置辅助常规冷水机组)，运行结果见表2。调度周期内分时电价见图3。多种制冷、蓄冷装置协调运行时冷负荷分配结果见图4。蓄冷水箱和蓄冰槽存储容量变化见图5和图6。
执行优化计算的计算机硬件环境为Intel(R)Xeon(R)CPU E5-2603，主频为1.60GHz，内存为8GB；软件环境为Windows 10操作系统。
对比不同系统配置方案中方案1和方案2的运行结果，可知配备蓄冷水箱后，通过蓄冷水箱谷电价时段蓄冷，非谷电价时段释冷，运行费用得到降低；对比方案1和方案3，类似于蓄冷水箱，蓄冰槽谷电价时段蓄能，非谷电价时段释能，经济性得到提升。可以得出，分时电价机制下，通过引入蓄冷装置，发挥其“谷价蓄能-非谷释能”的优点，实现能量在时间轴上的转移，可显著减少运行费用，提升系统运行经济性。
对比方案2、3和方案4，方案4虽然配备了蓄冷水箱和蓄冰槽两种蓄冷装置，但因缺少常规冷水机组的辅助，无法实现多供冷、蓄冷装置的互补运行，蓄冷装置的经济提升作用未得到有效发挥，运行费用较高。对比方案4和方案5，常规冷水机组引入后，通过调度策略协调多种蓄冷、制冷装置的互补运行，运行费用大幅减少，在所有方案中经济性最好。从上述对比分析可以得出，优化调度策略可较好地协调多种供冷、蓄冷装置的运行，发挥多种设备之间协调互补的优越性，充分挖掘经济性提升潜能，具有较好的应用价值。
表1系统构成及参数
表2不同系统配置方案运行结果对比
(√表示对应设备存在，—表示对应设备不存在)
Claims (3)
1.一种考虑多种蓄冷装置的园区综合能源系统优化调度方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)根据选定的园区综合能源系统，输入电负荷、冷负荷和光伏输出的预测值，输入系统设备组成、设备运行参数以及蓄冷设备当前存储冷量初值；
2)依据步骤1)提供的园区综合能源系统的结构和信息，考虑功率与空调冷水流量关系建立考虑多种蓄冷装置的园区综合能源系统优化调度模型，包括：设定园区综合能源系统一个调度周期内运行费用最小为目标函数，分别考虑地源热泵机组运行约束、蓄冷水箱运行约束、常规冷水机组运行约束、冰蓄冷系统运行约束、冷负荷供需平衡约束和电负荷供需平衡约束；
3)将步骤2)得到的园区综合能源系统优化调度模型中相关非线性约束进行线性化转换，建立混合整数线性规划模型并调用相关求解器进行求解；
4)输出步骤3)的求解结果，包括运行费用、制冷主机启停指令、运行工况、供能功率、蓄冷装置放冷指令及放冷功率。
2.根据权利要求1所述的考虑多种蓄冷装置的园区综合能源系统优化调度方法，其特征在于，步骤2)中：
所述的地源热泵机组运行约束与所述的蓄冷水箱运行约束之间系统供能模式的相关约束，表示为：
所述的冰蓄冷系统运行约束中双工况机组供能模式的相关约束，表示为：
式中，分别为t时刻地源热泵机组的制冷和蓄冷运行模式；为t时刻蓄冷水箱放冷运行模式；分别为双工况机组的制冷和蓄冰运行模式； 和运行模式变量全部为二进制变量，1代表执行，0代表不执行。
3.根据权利要求1所述的考虑多种蓄冷装置的园区综合能源系统优化调度方法，其特征在于，步骤2)所述的蓄冷水箱运行约束和冰蓄冷系统运行约束中蓄冰槽运行约束表示为：
(1)蓄冷水箱运行约束
式中，为t时刻蓄冷水箱供冷功率；FWT,CWP和分别为蓄冷水箱冷冻水泵额定流量和系统t时刻空调冷水总流量；为t时刻系统冷负荷；为t时刻蓄冷水箱第i台冷冻水泵放冷运行模式，为二进制变量，1代表执行，0代表不执行；为单台冷冻水泵制冷功率上限；为t时刻第i台地源热泵蓄冷功率；和分别为t时刻蓄冷水箱存储冷量和单台蓄冷水箱存储冷量上限；NHP、NWT和NWT,CWP分别为地源热泵、蓄冷水箱和蓄冷水箱冷冻水泵个数；εWT为蓄冷水箱的自放冷率；Δt为调度步长；为t时刻蓄冷水箱的耗电；PWT,CWP,1和PWT,CWP,2分别放冷循环泵和蓄冷循环泵的额定用电功率。
(2)蓄冰槽运行约束
式中，NDC为双工况主机台数；为t时刻第i台双工况主机制冰功率；为t时刻蓄冰槽存储冷量；W IT和分别为蓄冰槽存储冷量下限和上限；εIT为蓄冰槽的自放冷率；为t时刻蓄冰槽放冷功率；为蓄冰槽放冷功率上限；为t时刻双工况机组制冰运行模式，为二进制变量，1代表执行，0代表不执行。
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