CN109190785A - 一种电热耦合综合能源系统运行优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种电热耦合综合能源系统运行优化方法，建立电热耦合综合能源系统运行优化目标函数及约束条件，从而建立电热耦合综合能源系统运行优化模型，接着建立热网及热负荷状态仿真模型，以运行优化结果中热电联产系统向热网注入热媒的温度作为输入来计算热网及热负荷的实际状态，最后建立电热耦合综合能源系统运行优化流程，比较仿真模型结果与优化模型结果，判断误差值，当二者误差超过允许范围则减小热网及热负荷模型分辨率并重复以上步骤，否则停止，以此确定合适的热网及热负荷模型分辨率，本方法可充分考虑调度指令周期内热网及热负荷状态变化的慢动态过程，在实现系统高效经济运行的同时有效地保证了用户舒适度。

Description

一种电热耦合综合能源系统运行优化方法

所属领域

本发明属于综合能源系统领域，具体涉及一种电热耦合综合能源系统运行优化方法。

背景技术

随着环境问题及能源安全问题的日益突出，如何提高能源综合效率，构建绿色可持续的能源系统，成为当前能源领域亟需解决的重要问题。综合能源系统以电力为核心，融合燃气、热力等多种能源，以实现能源高效利用与可再生能源消纳为根本目的，可有机协同能源生产、输配、利用等多个环节，其高效的能源利用效率及良好的可再生能源接纳环境使其在未来能源系统发展中具有光明的前景，近年来得到了国内外的广泛关注。

但是，当前针对电热耦合综合能源系统的运行优化方法，均未充分考虑调度指令周期内热网及热负荷的动态过程，由于热网及热负荷的物理过程是由(偏)微分方程组描述的慢动态过程，因此其模型分辨率对运行优化结果的精确性有一定影响甚至会影响用户舒适度，给综合能源系统的运行带来不利影响。

发明内容

本发明正是针对现有技术中的问题，提供了一种电热耦合综合能源系统运行优化方法，通过一定的运行优化流程，选择适当的热网及热负荷模型分辨率，实现对调度指令周期内热网及热负荷热动态过程的精确刻画，从而在实现综合能源系统经济运行的同时保证用户舒适度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种电热耦合综合能源系统运行优化方法，包括以下步骤：

S1，建立电热耦合综合能源系统运行优化的目标函数；

S2，建立电热耦合综合能源系统运行优化的约束条件；

S3，根据步骤S1和S2求解结果，建立电热耦合综合能源系统运行优化模型；

S4，建立热网及热负荷状态仿真模型；

S5，建立电热耦合综合能源系统运行优化流程，比较仿真模型结果与优化模型结果，判断误差值。

作为本发明的一种改进，所述步骤S5进一步包括：

S51，选定热网及热负荷模型初始分辨率，设定热网及热负荷状态容许误差ε；

S52，求解步骤S3中电热耦合综合能源系统运行优化模型；

S53，将步骤S52运行优化结果中的热电联产系统向热网注入热媒的温度作为输入，求解步骤S4中热网及热负荷状态仿真模型；

S54，比较步骤S53仿真模型结果与步骤S52优化模型结果，若误差值大于设定的热网及热负荷状态容许误差ε，则减小热网及热负荷模型分辨率后转入步骤S51，继续步骤；否则，步骤结束。

作为本发明的一种改进，所述步骤S1中目标函数包括综合能源系统购买天然气成本、综合能源系统从电网购电成本和向电网售电收益：

所述天然气成本为

所述综合能源系统从电网购电成本为

所述综合能源系统向电网售电收益为

其中，Δt_d为综合能源系统调度指令周期；t_d为调度时段；T_d为t_d集合；c_gas、c_grid,s分别为天然气热值价格、向电网购电价格及向电网售电价格； 分别为第t_d时段燃气轮机输出电功率、燃气锅炉输出热功率、向电网购电功率及向电网售电功率；η_gt、η_gb分别为燃气轮机及燃气锅炉效率。

作为本发明的又一种改进，所述步骤S1中目标函数为：

作为本发明的又一种改进，所述步骤S2进一步包括：

S21，建立热电联产系统运行约束条件：所述热电联产系统运行约束条件至少包括能量平衡约束、设备上下线约束及储能装置约束；

S22，建立热网及热负荷约束条件：所述热网约束条件包括管段延时与热损约束、节点能量平衡约束及源节点及负荷节点交换热功率；

S23，建立热电联产系统与热网耦合约束。

作为本发明的又一种改进，所述步骤S21中能量平衡约束包括燃气轮机电热功率约束和电功率平衡约束：

所述燃气轮机电热功率约束为其中为燃气轮机热出力；α为燃气轮机热电比；

所述电功率平衡约束为其中分别为蓄电池充放电功率；为电负荷功率；

所述步骤S21中设备上下线约束包括燃气轮机出力约束、电网交互功率约束、可再生能源出力约束、以及燃气锅炉热出力约束：

所述燃气轮机出力约束为其中 分别为燃气轮机电功率上下限；分别为燃气轮机的状态及电出力；

所述电网交互功率约束为其中为系统与电网交互功率上限；分别为向电网购电、售电状态变量；

所述可再生能源出力约束为其中分别为可再生能源的预测功率及调度功率；

所述燃气锅炉热出力约束为其中分别为燃气锅炉的出力及最大功率；

所述步骤S21中储能装置约束至少包括蓄电池运行约束、储热罐运行约束及储冷罐运行约束：

所述蓄电池运行约束为

其中，分别为蓄电池最大充放电功率；分别为蓄电池充放电状态；为第t_d时段蓄电池的能量；σ_bt为蓄电池能量损耗率；η_bt,chr、η_bt,dis分别为蓄电池的充放电效率。

作为本发明的另一种改进，所述步骤S22中管段延时与热损约束分别为：

其中，分别为第t_h时段供水管段j和回水管段j的进口温度；k^j为第t_h-r^j时段“能量块”占出口处“能量块”的比例系数；分别为未考虑热损情况下第t_h时段出口处热媒温度；为第t_h时段管网环境温度；分别为第t_h时段出口处热媒温度；β^j为管段j的热损系数；

所述步骤S22中节点能量平衡约束为

其中，分别为第t_h时段供水网络和回水网络第n个节点处的热媒温度；为流入节点n的管段集合；Φ_node为管网节点集合；

所述步骤S22中源节点及负荷节点交换热功率计算公式为式中，

其中，分别为第t_h时段节点n处的注入热功率和热负荷热功率；Φ_ns、Φ_nl分别为源节点集合及负荷节点集合。

作为本发明的另一种改进，所述步骤S22热负荷约束中，热负荷考虑为建筑物供暖负荷，建筑物一阶热力学模型如下式所示：

其中，τ_in、τ_out分别为建筑物室内温度和室外温度；R_s为建筑物热阻；C_air为建筑物热容；Q_l为向建筑物注入的热功率；

对上式差分可得：

其中，分别为第t_h时段建筑物室内温度和室外温度；为第t_h时段向建筑物注入的热功率。Δt_h为热负荷模型分辨率。

作为本发明的更进一步改进，所述步骤S23热电联产系统与热网耦合约束为：

其中，分别为第t_d时段储热罐的充放热功率；为第t_h时段CHP系统输出热功率。

作为本发明的更进一步改进，所述步骤S3中建立的热网及热负荷仿真模型为：

其中，分别为第t_h时段供水管段j和回水管段j的进口温度；k^j为第t_h-γ^j时段“能量块”占出口处“能量块”的比例系数；分别为未考虑热损情况下第t_h时段出口媒温度。β^j为管段j的热损系数，λ^j为管段j的传热系数；c_w为热媒的比热容；分别为第t_h时段节点n处的注入热功率和热负荷热功率；Φ_ns、Φ_nl分别为源节点集合及负荷节点集合；分别为第t_h时段建筑物室内温度和室外温度；R_s为建筑物热阻；C_air为建筑物热容；为第t_h时段向建筑物注入的热功率；γ为散热片辐射系数；F为散热器总散热面积。

与现有技术相比，本发明专利提出了一种电热耦合综合能源系统运行优化方法，本方法可充分考虑调度指令周期内热网及热负荷状态变化的慢动态过程，降低了模型分辨率对运行优化结果精确性的影响，在实现系统高效经济运行的同时有效地保证了用户舒适度，保证了综合能源系统的精准运行。

附图说明

图1是本发明热网管段建模示意图；

图2是本发明建筑物热力学模型；

图3是本发明电热综合耦合综合能源系统运行优化原理图；

图4是本发明电热综合耦合综合能源系统运行优化流程图；

图5是本发明实施例2的电热耦合综合能源系统结构图；

图6是本发明实施例2中节点5处热负荷供水温度优化结果与实际结果；

图7是本发明实施例2中节点5处热负荷室内温度优化结果与实际结果。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。

实施例1

一种电热耦合综合能源系统运行优化方法，如图4所示，包括以下步骤：

S1，建立电热耦合综合能源系统运行优化的目标函数，所述目标函数包括综合能源系统购买天然气成本、综合能源系统从电网购电成本和向电网售电收益，所述天然气成本为综合能源系统从电网购电成本为综合能源系统向电网售电收益为

其中，Δt_d为综合能源系统调度指令周期；t_d为调度时段；T_d为t_d集合；c_gas、c_grid,s分别为天然气热值价格、向电网购电价格及向电网售电价格，元/kWh； 分别为第td时段燃气轮机输出电功率、燃气锅炉输出热功率、向电网购电功率及向电网售电功率，kW；η_gt、η_gb分别为燃气轮机及燃气锅炉效率。

所述目标函数最终为：

S2，建立电热耦合综合能源系统运行优化的约束条件，所述步骤进一步包括；

S21，建立热电联产系统运行约束条件：

热电联产系统运行约束条件至少包括能量平衡约束、设备上下线约束及储能装置约束。能量平衡约束如式(2)、式(3)所示，分别为燃气轮机电热功率约束和电功率平衡约束。式(2)中，为燃气轮机热出力，kW；α为燃气轮机热电比，该系数考虑了燃气轮机余热回收设备的效率。式(3)中，分别为蓄电池充放电功率，kW；为电负荷功率，kW。

热电联产系统设备上下限约束包括式(4)～式(7)，分别为燃气轮机出力约束、电网交互功率约束、可再生能源出力约束、以及燃气锅炉热出力约束。式(4)中，分别为燃气轮机电功率上下限，kW；分别为燃气轮机的状态及电出力。式(5)中，为系统与电网交互功率上限，kW；分别为向电网购电、售电状态变量。式(6)中，分别为可再生能源的预测功率及调度功率，kW。式(7)中，分别为燃气锅炉的出力及最大功率，kW。

储能装置包括蓄电池、储热罐、储冷罐。蓄电池运行约束如式(8)所示，其中，分别为蓄电池最大充放电功率，kW；分别为蓄电池充放电状态；为第t_d时段蓄电池的能量，kWh；σ_bt为蓄电池能量损耗率；η_bt,chr、η_bt,dis分别为蓄电池的充放电效率。储热罐和储冷罐模型与蓄电池类似。

S22，建立热网及热负荷约束条件：

1、建立热网约束条件：

(1)管段延时与热损约束

热网建模方法如图1所示，首先按照式(9)和式(10)计算热网中的管段相关参数。其中，γ^j为j中所包含的最大“能量块”数量；为取整函数；为管段j的热媒质量流量，kg/s；Δt_h为模型分辨率，h；ρ_w为密度，kg/m³；为j的截面积，m²；l^j为j的长度，m；R^j为j所包含所有“能量块”的热媒质量，kg；，Φ_pipe为集合。

热网管段延时与热损约束如式(11)和式(12)所示。其中，分第t_h时段管段j供回水进口温度，℃；k^j为时“能量块”占出口处“能量块”的比例系数，其计算公式如式(13)所示；分别为未考虑热损情况下第t_h时段管段j出口处热媒温度，℃。考虑热损后，第t_h时段管段j的出口热媒温度如式(12)所示。其中，为t_h时段热网环境温度，℃；分别为第t_h时段管段j出口处热媒温度，℃；β^j为管段j的热损系数，其计算公式如式(14)所示，其中，λ^j为j的传热系数，kW/(m·℃)；c_w为的比热容，kJ/(kg·℃)。

(2)节点能量平衡约束

热网节点能量平衡关系如式(15)、式(16)所示。式(15)描述了供水网络和回水网络节点处的能量平衡，式中，分别为第t_h时段供水网络和回水网络第n个节点处的热媒温度；为流入节点n的管段集合；Φ_node为管网节点集合。式(16)表明从节点流出的热媒温度等于该节点处热媒温度，式中，为从节点n流出的管段集合。

(3)源节点及负荷节点交换热功率

热网中源节点及负荷节点交换热功率计算公式如式(17)所示。式中， 分别为第t_h时段节点n处的注入热功率和热负荷热功率，kW；Φ_ns、Φ_nl分别为源节点集合及负荷节点集合。

2、建立热负荷约束：

热负荷考虑为建筑物供暖负荷，建筑物一阶热力学模型如图2所示，对应的一阶微分方程如式(18)所示，式中分别为第t_h时段筑物室内温度和室外温度，℃；R_s为建筑物热阻，℃/kW；C_air为建筑物热容，kWh/℃；为第t_h时段向建筑物注入的热功率，kW。对其差分可得式(19)，式中Δt_h为热负荷模型分辨率，该式可直接应用于综合能源系统运行优化模型中。式(20)为散热片散热功率方程，式中γ为散热片辐射系数，kW/(m2·℃)；F为散热器总散热面积，m2。

S23，建立热电联产系统与热网耦合约束；

热电联产系统与热网耦合约束如式(21)所示。式中，分别为第t_d时段储热罐的充放热功率，kW；为第t_h时段CHP系统输出热功率，kW。

S3，根据步骤S1和S2求解结果，建立电热耦合综合能源系统运行优化模型，所述优化模型如图3所示；

S4，建立热网及热负荷状态仿真模型；

式中分别为第t_h时段供水管段j和回水管段j的进口温度，℃；k^j为第t_h-γ^j时段“能量块”占出口处“能量块”的比例系数，其计算公式如式(13)所示；分别为未考虑热损情况下第t_h时段出口处热媒温度，℃。 分别为第t_h时段出口处热媒温度，℃；β^j为管段j的热损系数，其计算公式如式(14)所示，式中，λ^j为管段j的传热系数，kW/(m·℃)；c_w为热媒的比热容，kJ/(kg·℃)；分别为第t_h时段节点n处的注入热功率和热负荷热功率，kW；Φ_ns、Φ_nl分别为源节点集合及负荷节点集合；分别为第t_h时段建筑物室内温度和室外温度，℃；R_s为建筑物热阻，℃/kW；C_air为建筑物热容，kW·h/℃；为第t_h时段向建筑物注入的热功率，kW；γ为散热片辐射系数，kW/(m2·℃)；F为散热器总散热面积，m²。

S5，建立电热耦合综合能源系统运行优化流程，比较仿真模型结果与优化模型结果，判断误差值,所述步骤进一步包括：

S51，选定热网及热负荷模型初始分辨率，设定热网及热负荷状态容许误差ε；

S52，使用CPLEX等软件求解步骤S3中电热耦合综合能源系统运行优化模型；

S53，将步骤S52运行优化结果中的热电联产系统向热网注入热媒的温度作为输入，求解步骤S4中热网及热负荷状态仿真模型；

S54，比较步骤S53仿真模型结果与步骤S52优化模型结果，若误差值大于设定的热网及热负荷状态容许误差ε，则减小热网及热负荷模型分辨率后转入步骤S51，继续步骤；否则，步骤结束。

实施例2

以某电热耦合综合能源系统为例。如图5所示，该系统包含1台5MW的燃气轮机(GT)，1台5MW燃气锅炉(GB)，容量为1.5MW的风机和5MWh的储热罐。热网包含6个节点，其中节点1连接CHP系统，节点4、5和6分别连接热负荷。运行优化周期为24h。运行优化流程中热网及热负荷模型分辨率Δt_d的取值依次为1h、30min和10min共3个场景。

几种场景下系统运行成本如表1所示，以节点5处热负荷为例，注入节点5处热媒温度的优化结果与实际仿真结果如图6所示，该节点处建筑物室内温度的优化结果与实际仿真结果如图7所示。可见不同热网及热负荷模型分辨率对系统运行成本并无明显影响，但是不同热网及热负荷模型分辨率下热网及热负荷的状态结果精确度存在较大差异。结果表明，场景2与场景3的室温实际结果与优化结果差异更为明显，且在某些时段，实际结果均出现越限，最大越限值超出容许误差范围，如果按照该运行优化进行实际调度，将会给用户舒适度带来不利影响。场景4的优化结果与实际结果基本一致，室温基本保持在允许的范围内。可见，热网及热负荷模型分辨率Δt_h越大，室内温度的优化结果与实际结果相差越大，运行优化模型越难以准确的刻画热负荷的真实状态，因此选取恰当的分辨率Δt_h对电-热耦合综合能源系统运行优化十分必要。本实施例条件下，取Δt_h为10min基本可满足精度需求。

表1系统运行成本

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种电热耦合综合能源系统运行优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，建立电热耦合综合能源系统运行优化的目标函数；

S2，建立电热耦合综合能源系统运行优化的约束条件；

S3，根据步骤S1和S2求解结果，建立电热耦合综合能源系统运行优化模型；

S4，建立热网及热负荷状态仿真模型；

S5，建立电热耦合综合能源系统运行优化流程，比较仿真模型结果与优化模型结果，判断误差值。

2.如权利要求1所述的一种电热耦合综合能源系统运行优化方法，其特征在于所述步骤S5进一步包括：

S51，选定热网及热负荷模型初始分辨率，设定热网及热负荷状态容许误差ε；

S52，求解步骤S3中电热耦合综合能源系统运行优化模型；

S53，将步骤S52运行优化结果中的热电联产系统向热网注入热媒的温度作为输入，求解步骤S4中热网及热负荷状态仿真模型；

S54，比较步骤S53仿真模型结果与步骤S52优化模型结果，若误差值大于设定的热网及热负荷状态容许误差ε，则减小热网及热负荷模型分辨率后转入步骤S51，继续步骤；否则，步骤结束。

3.如权利要求1所述的一种电热耦合综合能源系统运行优化方法，其特征在于所述步骤S1中目标函数包括综合能源系统购买天然气成本、综合能源系统从电网购电成本和向电网售电收益：

所述天然气成本为

所述综合能源系统从电网购电成本为

所述综合能源系统向电网售电收益为

其中，Δt_d为综合能源系统调度指令周期；t_d为调度时段；T_d为t_d集合；c_gas、c_grid,s分别为天然气热值价格、向电网购电价格及向电网售电价格； 分别为第t_d时段燃气轮机输出电功率、燃气锅炉输出热功率、向电网购电功率及向电网售电功率；η_gt、η_gb分别为燃气轮机及燃气锅炉效率。

4.如权利要求3所述的一种电热耦合综合能源系统运行优化方法，其特征在于：所述步骤S1中目标函数为：

5.如权利要求1所述的一种电热耦合综合能源系统运行优化方法，其特征在于所述步骤S2进一步包括：

S21，建立热电联产系统运行约束条件：所述热电联产系统运行约束条件至少包括能量平衡约束、设备上下线约束及储能装置约束；

S22，建立热网及热负荷约束条件：所述热网约束条件包括管段延时与热损约束、节点能量平衡约束及源节点及负荷节点交换热功率；

S23，建立热电联产系统与热网耦合约束。

6.如权利要求5所述的一种电热耦合综合能源系统运行优化方法，其特征在于，所述步骤S21中能量平衡约束包括燃气轮机电热功率约束和电功率平衡约束：

所述燃气轮机电热功率约束为其中为燃气轮机热出力；α为燃气轮机热电比；

所述电功率平衡约束为其中分别为蓄电池充放电功率；为电负荷功率；

所述步骤S21中设备上下线约束包括燃气轮机出力约束、电网交互功率约束、可再生能源出力约束、以及燃气锅炉热出力约束：

所述燃气轮机出力约束为其中 P _gt分别为燃气轮机电功率上下限；分别为燃气轮机的状态及电出力；

所述电网交互功率约束为其中为系统与电网交互功率上限；分别为向电网购电、售电状态变量；

所述可再生能源出力约束为其中分别为可再生能源的预测功率及调度功率；

所述燃气锅炉热出力约束为其中分别为燃气锅炉的出力及最大功率；

所述步骤S21中储能装置约束至少包括蓄电池运行约束、储热罐运行约束及储冷罐运行约束：

所述蓄电池运行约束为

其中，分别为蓄电池最大充放电功率；分别为蓄电池充放电状态；为第t_d时段蓄电池的能量；σ_bt为蓄电池能量损耗率；η_bt,chr、η_bt,dis分别为蓄电池的充放电效率。

7.如权利要求5所述的一种电热耦合综合能源系统运行优化方法，其特征在于，所述步骤S22中管段延时与热损约束分别为：

其中，分别为第t_h时段供水管段j和回水管段j的进口温度；k^j为第t_h-r^j时段“能量块”占出口处“能量块”的比例系数；分别为未考虑热损情况下第t_h时段出口处热媒温度；为第t_h时段管网环境温度；分别为第t_h时段出口处热媒温度；β^j为管段j的热损系数；

所述步骤S22中节点能量平衡约束为

其中，分别为第t_h时段供水网络和回水网络第n个节点处的热媒温度；为流入节点n的管段集合；Φ_node为管网节点集合；

所述步骤S22中源节点及负荷节点交换热功率计算公式为式中，

其中，分别为第t_h时段节点n处的注入热功率和热负荷热功率；Φ_ns、Φ_nl分别为源节点集合及负荷节点集合。

8.如权利要求5所述的一种电热耦合综合能源系统运行优化方法，其特征在于，所述步骤S22热负荷约束中，热负荷考虑为建筑物供暖负荷，建筑物一阶热力学模型如下式所示：

其中，τ_in、τ_out分别为建筑物室内温度和室外温度；R_s为建筑物热阻；C_air为建筑物热容；Q_l为向建筑物注入的热功率；

对上式差分可得：

其中，分别为第t_h时段建筑物室内温度和室外温度；为第t_h时段向建筑物注入的热功率；Δt_h为热负荷模型分辨率。

9.如权利要求5所述的一种电热耦合综合能源系统运行优化方法，其特征在于，所述步骤S23热电联产系统与热网耦合约束为：

其中，分别为第t_d时段储热罐的充放热功率；为第t_h时段CHP系统输出热功率。

10.如上述任一权利要求所述的一种电热耦合综合能源系统运行优化方法，其特征在于，所述步骤S3中建立的热网及热负荷仿真模型为：

其中，分别为第t_h时段供水管段j和回水管段j的进口温度；k^j为第t_h-γ^j时段“能量块”占出口处“能量块”的比例系数；分别为未考虑热损情况下第t_h时段出口媒温度。β^j为管段j的热损系数，λ^j为管段j的传热系数；c_w为热媒的比热容；分别为第t_h时段节点n处的注入热功率和热负荷热功率；Φ_ns、Φ_nl分别为源节点集合及负荷节点集合；分别为第t_h时段建筑物室内温度和室外温度；R_s为建筑物热阻；C_air为建筑物热容；为第t_h时段向建筑物注入的热功率；γ为散热片辐射系数；F为散热器总散热面积。