CN108964128B - 基于电锅炉与储热装置协调供热的低碳经济调度求解方法 - Google Patents

基于电锅炉与储热装置协调供热的低碳经济调度求解方法 Download PDF

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Abstract

一种基于电锅炉与储热装置协调供热的低碳经济调度求解方法，其内容包括：建立热电联合系统模型，依据所述模型建立以系统经济环境成本最低为目标函数，对模型优化协调；预测风电出力和有功负荷功率；结合电锅炉与储热装置协调供热策略，确立热电联合系统的约束条件；采用自调节改进粒子群算法求解基于电锅炉与储热装置协调供热的低碳经济调度模型。本发明通过采用自调节改进粒子群算法，以Transact‑SQL为编程语言，后台数据库采用SQL Server 2008对数据库的物理和逻辑一致性进行检查，通过引入电锅炉与储热装置协调供热策略，建立热电联合系统模型的经济环境成本的数学描述，为整体能源低碳经济调度提供科学依据，提高社会整体投资效益，间接减少环境污染物排放。

Description

基于电锅炉与储热装置协调供热的低碳经济调度求解方法
技术领域
本发明涉及电热系统经济运行的优化方法，尤其涉及一种基于电锅炉与储热装置协调供热的低碳经济调度求解方法。
背景技术
我国的“三北地区”既是风能资源丰富的地区，又是用电量和供热量需求庞大的区域。该地区冬季供热容易出现“风热冲突”的问题，电网中大量的热电机组因“以热定电”的刚性约束导致调峰能力不足，机组为了满足负荷而低效益强输出，使风电并网空间不足。因此，采取合理的方式提高热电机组的调峰能力，减少弃风电量，对实现电热系统低碳经济调度有着重要的意义。
为此，本发明提出一种基于电锅炉与储热装置协调供热的低碳经济调度求解方法，即基于电锅炉与储热装置协调供热，建立了包含风电、火电机组、热电机组、电锅炉、储热装置的热电联合系统模型，以系统经济环境成本最低为目标函数，确立热电联合系统的约束条件，预测风电出力和有功负荷功率并采用自调节改进粒子群算法对该模型求解，提高算法的寻优速度，该模型的优化调度结果为今后提高热电机组调峰能力，缓解弃风问题以及降低碳排放有着指导意义。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于电锅炉与储热装置协调供热的低碳经济调度求解方法，该方法通过建立热电联合系统模型，结合电锅炉与储热装置协调供热策略，以系统经济环境成本最低为目标函数，确立热电联合系统的约束条件，预测风电出力和有功负荷功率并采用自调节改进粒子群算法对该模型求解，提高算法的寻优速度，为“三北地区”最大程度消纳弃风，提高经济效益，降低碳排放量提供科学依据。
为了实现上述发明目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于电锅炉与储热装置协调供热的低碳经济调度求解方法，该方法内容包括如下步骤：
步骤一：建立热电联合系统模型，依据所述模型建立以系统经济环境成本最低为目标函数，对模型优化协调；
步骤二：预测风电出力和有功负荷功率；结合电锅炉与储热装置协调供热策略，确立热电联合系统的约束条件；
步骤三：采用自调节改进粒子群算法求解基于电锅炉与储热装置协调供热的低碳经济调度模型。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有这样的有益效果：
本发明通过采用自调节改进粒子群算法，以Transact-SQL为编程语言，后台数据库采用SQL Server 2008(可兼容win10系统)对数据库的物理和逻辑一致性进行检查，通过引入电锅炉与储热装置协调供热策略，建立热电联合系统模型的经济环境成本的数学描述，可行化调整处理系统的约束条件，提高算法的寻优速度，避免陷入局部最优，在软件辅助的基础上，为整体能源低碳经济调度提供科学依据，提高社会整体投资效益，间接减少环境污染物排放。
附图说明
图1为本发明方法的结构示意图；
图2为本发明方法的风电预测出力曲线图；
图3为本发明方法的有功负荷预测功率曲线图；
图4为本发明方法中采用自调节改进粒子群算法求解基于电锅炉与储热装置协调供热的低碳经济调度模型的程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明一种基于电锅炉与储热装置协调供热的低碳经济调度求解方法作进一步的说明：
本发明的一种基于电锅炉与储热装置协调供热的低碳经济调度求解方法，如图1所示，该方法内容包括如下步骤：
步骤一：建立热电联合系统模型，依据所述模型建立以系统经济环境成本最低为目标函数，对模型优化协调；
所述热电联合系统模型包括热电机组、火电机组、风电机组、电锅炉与储热装置。
所述依据所述模型建立以系统经济环境成本最低为目标函数，其具体步骤如下：
火电机组煤耗成本f1以及碳排放量E1表示为发电功率的二次函数的如下形式：
Figure BDA0001757035690000021
Figure BDA0001757035690000022
式中，ai、bi、ci为第i台机组的煤耗系数；ui、vi、wi为第i台机组的碳排放量系数；
Figure BDA0001757035690000023
为t时刻第i台机组发电出力；
热电机组煤耗成本f2与碳排放量E2表示为：
Figure BDA0001757035690000031
Figure BDA0001757035690000032
Figure BDA0001757035690000033
式中，
Figure BDA0001757035690000034
为t时刻第i台机组纯凝工况下发电功率；
Figure BDA0001757035690000035
为t时刻第i台机组净发电出力；
Figure BDA0001757035690000036
为t时刻第i台机组供热功率；
综合考虑，以系统经济环境成本最低为目标，包括煤耗成本F1、碳排放成本F2，经济环境成本目标函数为：
min F＝F1+F2
式中，
Figure BDA0001757035690000037
Figure BDA0001757035690000038
式中，N1、N2分别为火电机组数和热电机组数；ε为碳排放成本系数。
步骤二：预测风电出力和有功负荷功率；结合电锅炉与储热装置协调供热策略，确立热电联合系统的约束条件；
所述电锅炉与储热装置协调供热策略，就是电锅炉采用启停控制与储热装置协调供热，根据图2和图3所示的风电预测出力与有功负荷的预测判断电锅炉启停时段，协调储热装置供热使得弃风电量能够完全被消纳。电锅炉与储热装置对于系统调峰，接纳弃风，解耦热电偶合有着至关重要的作用。但消纳风电的效果往往受到储热装置放热功率、储热容量、输送损耗以及电锅炉供电等因素的限制。合理启停电锅炉与储热装置协调供热，不仅可以提高消纳风电的效果，而且能够节约相应的调度成本。因此，弃风时段开启电锅炉调峰，相当于通过电锅炉将弃风电量转换成热网调峰的热源；无弃风时则关闭电锅炉降低电锅炉不必要的运行成本；一方面可以避免不经济的电热转换，另一方面降低电锅炉不必要的运行成本。
据此建立储热装置放热功率与电锅炉启动电功率的关系如下：
弃风问题主要原因是冬季供暖期导致机组强迫出力过高，下调量不足，冬季夜间弃风量较高；在弃风时段，根据这一现象做出以下假设：热电机组工作在最小凝汽工况下，其最小发电出力表达式为：
Figure BDA0001757035690000041
电锅炉采用启停控制策略，即弃风时段开启电锅炉调峰，相当于通过电锅炉将弃风电量转换成热网调峰的热源，无弃风时则关闭电锅炉；采用启停电锅炉策略，一方面可以避免不经济的电热转换，另一方面降低电锅炉不必要的运行成本；发生弃风的标志
Figure BDA0001757035690000042
表示为：
Figure BDA0001757035690000043
其中，
Figure BDA0001757035690000044
表示系统无弃风电量，储热装置处于蓄热状态，电锅炉停运状态；
Figure BDA0001757035690000045
表示系统存在弃风电量，储热装置处于放热状态，此时电锅炉启用的标志
Figure BDA0001757035690000046
表示为：
Figure BDA0001757035690000047
其中，
Figure BDA0001757035690000048
表示电锅炉保持停运状态，储热装置供热能够完全消纳弃风；
Figure BDA0001757035690000049
表示储热装置供热，同时开启电锅炉补充供热，由此可以推出抽汽式机组总供热功率满足下式：
Figure BDA00017570356900000410
式中，
Figure BDA00017570356900000411
为保证系统不发生弃风，热电机组t时刻所能发出的极限供热功率；
Figure BDA00017570356900000412
电锅炉供热功率
Figure BDA00017570356900000413
为满足供热平衡需求的表达式为：
Figure BDA00017570356900000414
所述电锅炉供热功率
Figure BDA00017570356900000415
为满足供热平衡需求的表达式可以推导出储热装置放热功率与电锅炉电功率关系，表达式如下：
Figure BDA0001757035690000051
式中，PEB,pmim为电锅炉最小启动电功率。
所述热电联合系统的约束条件包括系统平衡约束条件和系统机组出力平衡约束条件；其具体数学描述如下：
(1)系统平衡约束
电力平衡约束表示为：
Figure BDA0001757035690000052
热力平衡约束表示为：
Figure BDA0001757035690000053
式中，
Figure BDA0001757035690000054
为t时刻用电负荷；
Figure BDA0001757035690000055
为t时刻风电调度功率；
Figure BDA0001757035690000056
为t时刻电锅炉消耗电功率；
Figure BDA0001757035690000057
分别为t时刻储热装置放热和储热功率；
Figure BDA0001757035690000058
为电锅炉的供热功率；ωt为储热装置储放热控制变量，其中0代表储热，1代表放热；
(2)系统机组出力平衡约束
热电机组出力约束表示为：
Figure BDA0001757035690000059
Figure BDA00017570356900000510
式中，Pi,max、Pi,min分别为机组在纯凝工况下最大和最小发电功率；αi为第i台机组电热功率弹性系数；γi为第i台机组进汽量不变时多抽取单位供热热量下发电功率减少量；βi为第i台机组电热特性常数；hi,min、hi,max分别为第i台机组最小热出力和最大热出力；
热电机组爬坡约束表示为：
Figure BDA00017570356900000511
式中，hi,do、hi,up分别为第i台机组供热出力向下和向上爬坡率；Pei,do、Pei,up分别为第i台机组供电出力向下和向上爬坡率；
火电机组出力约束表示为：
Figure BDA0001757035690000061
式中，Pi,min、Pi,max分别为第i台机组最小和最大发电功率；
火电机组爬坡约束表示为：
Figure BDA0001757035690000062
式中，Pdi、Pui分别为第i台机组向下和向上爬坡率；
风电出力约束表示为：
Figure BDA0001757035690000063
式中，
Figure BDA0001757035690000064
为t时刻风电预测功率；
储热装置运行约束表示为：
Figure BDA0001757035690000065
式中，
Figure BDA0001757035690000066
为t时刻储热容量；Sc,max为最大储热容量；hc,max、hd,max分别为储热和放热功率的最大值；
电锅炉运行约束表示为：
Figure BDA0001757035690000067
式中，
Figure BDA0001757035690000068
为电热转换系数；PEB,max为电锅炉电功率最大值。
步骤三：采用自调节改进粒子群算法求解基于电锅炉与储热装置协调供热的低碳经济调度模型。
所述采用自调节改进粒子群算法求解基于电锅炉与储热装置协调供热的低碳经济调度模型，就是采用自调节改进粒子群算法求解系统经济环境成本最低为目标的调度模型，基于热电联合系统的约束条件，风电出力和有功负荷预测，结合电锅炉与储热装置协调供热策略对系统机组出力、电锅炉出力、储热装置出力进行迭代计算，给出经济环境成本最优的方案。
其流程图如图4所示，具体实施步骤如下：
步骤1、对风电出力和有功负荷功率进行日前预测；就是分别根据图2和图3所示的风电预测出力和有功负荷预测功率进行日前预测；
步骤2、确定火电机组、热电机组和电锅炉相关参数，构建基于电锅炉与储热装置协调供热的低碳经济调度模型；
步骤3、根据实际算例设定粒子种群大小、迭代次数、初始精度和结束精度；所述粒子种群大小、迭代次数、初始精度和结束精度，都可以根据实际的算例或具体条件进行相应的更新修正；
步骤4、初始化火电机组、热电机组发电出力；
步骤5、通过增加自调节环节，可行化调整处理热电联合系统的约束条件；
所述自调节环节，就是热电耦合约束与热电联合系统约束可行化处理方法；基于所述热电联合系统经济环境成本最低，采用自调节改进粒子群算法，通过Transact-SQL编程语言，后台数据库采用SQLServer2008可兼容win10系统对数据库的物理和逻辑一致性进行检查；通过引入电锅炉与储热装置协调供热策略，建立热电联合系统模型的经济环境成本的数学描述，可行化调整处理系统的约束条件，提高算法的寻优速度，避免陷入局部最优；在软件辅助的基础上，为整体能源低碳经济调度提供科学依据，提高社会整体投资效益，间接减少环境污染物排放，为今后减排项目的发展提供科学的定量分析依据；火电机组不存在热电耦合约束，可行化处理相对容易。因此，针对热电机组的自调节环节过程如下：
(1)供热出力上下限约束
机组热出力的上下限hi,max、hi,min做比较，若h＜hi,min，则取h＝hi,min；若h＞hi,max，则取h＝hi,max，这样可以保证机组热出力都会满足上下限约束；
(2)供热出力爬坡约束
从第二调度时段开始，粒子更新需根据热出力爬坡约束条件进行调整；
(3)供热出力平衡约束
对于不满足供热平衡约束的时刻进行调整，在满足供热平衡条件下，机组供热出力上调量
Figure BDA0001757035690000071
下调量
Figure BDA0001757035690000072
的计算如下：
Figure BDA0001757035690000073
(4)供电出力约束
调整供热出力满足约束条件之后，供电出力约束条件需要根据已确定的热出力进行计算，对不满足约束的电出力进行调整；
同理，电锅炉消耗电功率按照相应约束调节后，都能将不可行解转化为可行解。
步骤6、根据电锅炉与储热装置协调供热策略模型判断是否启用电锅炉，并进入自调节环节；
步骤7、依据系统经济环境成本最低为目标函数确定粒子的适应度函数，计算各粒子的适应度值，进行种群进化；
步骤8、根据系统参数判断是否满足迭代终止条件，若满足则程序结束，取适应度值最优的粒子作为最后结果，否则，返回步骤6。
应当指出，本实例仅列示性说明本发明的应用方法，而非用于限制本发明。任何熟悉此种使用技术的人员，均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (6)

1.一种基于电锅炉与储热装置协调供热的低碳经济调度求解方法，其特征在于：所述方法内容包括如下步骤：
步骤一：建立热电联合系统模型，依据所述模型建立以系统经济环境成本最低为目标函数，对模型优化协调；
步骤二：预测风电出力和有功负荷功率；结合电锅炉与储热装置协调供热策略，确立热电联合系统的约束条件；
步骤三：采用自调节改进粒子群算法求解基于电锅炉与储热装置协调供热的低碳经济调度模型；
在步骤一中，所述依据所述模型建立以系统经济环境成本最低为目标函数，其具体步骤如下：
火电机组煤耗成本f1以及碳排放量E1表示为发电功率的二次函数的如下形式：
f1(Pi t)＝ai(Pi t)2+biPi t+ci
E1(Pi t)＝ui(Pi t)2+viPi t+wi
式中，ai、bi、ci为第i台机组的煤耗系数；ui、vi、wi为第i台机组的碳排放量系数；Pi t为t时刻第i台机组发电出力；
热电机组煤耗成本f2与碳排放量E2表示为：
f2(Pi t)＝ai(Pi t)2+biPi t+ci
E2(Pi t)＝ui(Pi t)2+viPi t+wi
Figure FDA0003008793950000011
式中，Pi t为t时刻第i台机组纯凝工况下发电功率；
Figure FDA0003008793950000012
为t时刻第i台机组净发电出力；
Figure FDA0003008793950000013
为t时刻第i台机组供热功率；
综合考虑，以系统经济环境成本最低为目标，包括煤耗成本F1、碳排放成本F2，经济环境成本目标函数为：
minF＝F1+F2
式中，
Figure FDA0003008793950000014
Figure FDA0003008793950000021
式中，N1、N2分别为火电机组数和热电机组数；ε为碳排放成本系数。
2.根据权利要求1所述的一种基于电锅炉与储热装置协调供热的低碳经济调度求解方法，其特征在于：在步骤一中，所述热电联合系统模型包括热电机组、火电机组、风电机组、电锅炉与储热装置。
3.根据权利要求1所述的一种基于电锅炉与储热装置协调供热的低碳经济调度求解方法，其特征在于：在步骤二中，所述电锅炉与储热装置协调供热策略，就是电锅炉采用启停控制与储热装置协调供热，根据风电预测出力与有功负荷的预测判断电锅炉启停时段，协调储热装置供热使得弃风电量能够完全被消纳；据此建立储热装置放热功率与电锅炉启动电功率的关系如下：
弃风问题主要原因是冬季供暖期导致机组强迫出力过高，下调量不足，冬季夜间弃风量较高；在弃风时段，根据这一现象做出以下假设：热电机组工作在最小凝汽工况下，其最小发电出力表达式为：
Figure FDA0003008793950000022
电锅炉采用启停控制策略，即弃风时段开启电锅炉调峰，相当于通过电锅炉将弃风电量转换成热网调峰的热源，无弃风时则关闭电锅炉；采用启停电锅炉策略，一方面可以避免不经济的电热转换，另一方面降低电锅炉不必要的运行成本；发生弃风的标志
Figure FDA0003008793950000027
表示为：
Figure FDA0003008793950000023
其中，
Figure FDA0003008793950000024
表示系统无弃风电量，储热装置处于蓄热状态，电锅炉停运状态；
Figure FDA0003008793950000025
表示系统存在弃风电量，储热装置处于放热状态，此时电锅炉启用的标志
Figure FDA0003008793950000026
表示为：
Figure FDA0003008793950000031
其中，
Figure FDA0003008793950000032
表示电锅炉保持停运状态，储热装置供热能够完全消纳弃风；
Figure FDA0003008793950000033
表示储热装置供热，同时开启电锅炉补充供热，由此可以推出抽汽式机组总供热功率满足下式：
Figure FDA0003008793950000034
式中，
Figure FDA0003008793950000035
为保证系统不发生弃风，热电机组t时刻所能发出的极限供热功率；
Figure FDA0003008793950000036
电锅炉供热功率
Figure FDA0003008793950000037
为满足供热平衡需求的表达式为：
Figure FDA0003008793950000038
所述电锅炉供热功率
Figure FDA0003008793950000039
为满足供热平衡需求的表达式可以推导出储热装置放热功率与电锅炉电功率关系，表达式如下：
Figure FDA00030087939500000310
式中，PEB,pmim为电锅炉最小启动电功率。
4.根据权利要求1所述的一种基于电锅炉与储热装置协调供热的低碳经济调度求解方法，其特征在于：在步骤二中，所述热电联合系统的约束条件包括系统平衡约束条件和系统机组出力平衡约束条件；其具体数学描述如下：
(1)系统平衡约束
电力平衡约束表示为：
Figure FDA00030087939500000311
热力平衡约束表示为：
Figure FDA0003008793950000041
式中，
Figure FDA0003008793950000042
为t时刻用电负荷；
Figure FDA0003008793950000043
为t时刻风电调度功率；
Figure FDA0003008793950000044
为t时刻电锅炉消耗电功率；
Figure FDA0003008793950000045
分别为t时刻储热装置放热和储热功率；
Figure FDA0003008793950000046
为电锅炉的供热功率；ωt为储热装置储放热控制变量，其中0代表储热，1代表放热；
(2)系统机组出力平衡约束
热电机组出力约束表示为：
Figure FDA0003008793950000047
Figure FDA0003008793950000048
式中，Pi,max、Pi,min分别为机组在纯凝工况下最大和最小发电功率；αi为第i台机组电热功率弹性系数；γi为第i台机组进汽量不变时多抽取单位供热热量下发电功率减少量；βi为第i台机组电热特性常数；hi,min、hi,max分别为第i台机组最小热出力和最大热出力；
热电机组爬坡约束表示为：
Figure FDA0003008793950000049
式中，hi,do、hi,up分别为第i台机组供热出力向下和向上爬坡率；Pei,do、Pei,up分别为第i台机组供电出力向下和向上爬坡率；
火电机组出力约束表示为：
Pi,min≤Pi t≤Pi,max
式中，Pi,min、Pi,max分别为第i台机组最小和最大发电功率；
火电机组爬坡约束表示为：
-PdiΔt≤Pi t-Pi t-1≤PuiΔt
式中，Pdi、Pui分别为第i台机组向下和向上爬坡率；
风电出力约束表示为：
Figure FDA0003008793950000051
式中，
Figure FDA0003008793950000052
为t时刻风电预测功率；
储热装置运行约束表示为：
Figure FDA0003008793950000053
式中，
Figure FDA0003008793950000054
为t时刻储热容量；Sc,max为最大储热容量；hc,max、hd,max分别为储热和放热功率的最大值；
电锅炉运行约束表示为：
Figure FDA0003008793950000055
式中，
Figure FDA0003008793950000056
为电热转换系数；PEB,max为电锅炉电功率最大值。
5.根据权利要求1所述的一种基于电锅炉与储热装置协调供热的低碳经济调度求解方法，其特征在于：在步骤三中，所述采用自调节改进粒子群算法求解基于电锅炉与储热装置协调供热的低碳经济调度模型，就是采用自调节改进粒子群算法求解系统经济环境成本最低为目标的调度模型，基于热电联合系统的约束条件，风电出力和有功负荷预测，结合电锅炉与储热装置协调供热策略对系统机组出力、电锅炉出力、储热装置出力进行迭代计算，给出经济环境成本最优的方案；其具体实施步骤如下：
步骤1、对风电出力和有功负荷功率进行日前预测；
步骤2、确定火电机组、热电机组和电锅炉相关参数，构建基于电锅炉与储热装置协调供热的低碳经济调度模型；
步骤3、根据实际算例设定粒子种群大小、迭代次数、初始精度和结束精度；所述粒子种群大小、迭代次数、初始精度和结束精度，都可以根据实际的算例或具体条件进行相应的更新修正；
步骤4、初始化火电机组、热电机组发电出力；
步骤5、通过增加自调节环节，可行化调整处理热电联合系统的约束条件；
步骤6、根据电锅炉与储热装置协调供热策略模型判断是否启用电锅炉，并进入自调节环节；
步骤7、依据系统经济环境成本最低为目标函数确定粒子的适应度函数，计算各粒子的适应度值，进行种群进化；
步骤8、根据系统参数判断是否满足迭代终止条件，若满足则程序结束，取适应度值最优的粒子作为最后结果，否则，返回步骤6。
6.根据权利要求5所述的一种基于电锅炉与储热装置协调供热的低碳经济调度求解方法，其特征在于：在步骤5中，所述自调节环节，就是热电耦合约束与热电联合系统约束可行化处理方法；基于所述热电联合系统经济环境成本最低，采用自调节改进粒子群算法，通过Transact-SQL编程语言，后台数据库采用SQL Server 2008可兼容win10系统对数据库的物理和逻辑一致性进行检查；通过引入电锅炉与储热装置协调供热策略，建立热电联合系统模型的经济环境成本的数学描述，可行化调整处理系统的约束条件，提高算法的寻优速度，避免陷入局部最优；在软件辅助的基础上，为整体能源低碳经济调度提供科学依据，提高社会整体投资效益，间接减少环境污染物排放，为今后减排项目的发展提供科学的定量分析依据；火电机组不存在热电耦合约束，可行化处理相对容易；因此，针对热电机组的自调节环节过程如下：
(1)供热出力上下限约束
机组热出力的上下限hi,max、hi,min做比较，若h＜hi,min，则取h＝hi,min；若h＞hi,max，则取h＝hi,max，这样可以保证机组热出力都会满足上下限约束；
(2)供热出力爬坡约束
从第二调度时段开始，粒子更新需根据热出力爬坡约束条件进行调整；
(3)供热出力平衡约束
对于不满足供热平衡约束的时刻进行调整，在满足供热平衡条件下，机组供热出力上调量
Figure FDA0003008793950000061
下调量
Figure FDA0003008793950000062
的计算如下：
Figure FDA0003008793950000063
(4)供电出力约束
调整供热出力满足约束条件之后，供电出力约束条件需要根据已确定的热出力进行计算，对不满足约束的电出力进行调整；
同理，电锅炉消耗电功率按照相应约束调节后，都能将不可行解转化为可行解。
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