CN109241676B - 综合能源系统中热网及建筑物时间分辨率的选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种综合能源系统中热网及建筑物时间分辨率的选择方法，建立综合能源系统运行优化模型及仿真模型，以运行优化结果中热网注入功率作为热网及热负荷状态仿真模型的输入，得到仿真模型结果，再建立热网及建筑物状态误差指标和时间分辨率选择判据，通过比较运行优化结果与仿真模型结果，判断误差指标值是否满足初设的判据，当不满足判据时则调整热网及热负荷时间分辨率并重复以上步骤，直到得到合适的热网及热负荷时间分辨率，本方法充分考虑不同时间分辨率对热网及热负荷运行状态的影响，选择出最佳的热网及热负荷时间分辨率，保证综合能源系统的热功率平衡与供热质量，保证综合能源系统的安全可靠运行。

Description

综合能源系统中热网及建筑物时间分辨率的选择方法

所属领域

本发明属于综合能源系统领域，具体涉及一种综合能源系统中热网及建筑物时间分辨率的选择方法。

背景技术

能源与环境问题是当前人类社会所面临的两大关键问题。能源系统是维持人类生产与生活的基础，构建一个绿色、可持续的能源系统是解决能源与环境问题的关键。与传统独立能源系统相比，综合能源系统融合了电、气、冷、热等多种能源，对多种能源进行协同优化，因此具有高效的能源利用效率与良好的排放特性，对实现人类社会的可持续发展具有重要意义。

运行优化是保证综合能源系统高效运行的前提。由于综合能源系统中热网及热负荷存在热惯性，因此需要使用(偏)微分方程进行描述，在运行优化中如何选择恰当的热网及热负荷时间分辨率是一个关键问题。时间分辨率过小则导致优化问题规划太大，难以求解；时间分辨率过大则无法精确描述热网及热负荷状态，导致热功率失衡及室内温度越限等问题，从而威胁综合能源系统的安全可靠运行。

发明内容

本发明正是针对现有技术中的问题，提供了一种综合能源系统中热网及建筑物时间分辨率的选择方法，建立综合能源系统运行优化模型及仿真模型，以运行优化结果中热网注入功率作为热网及热负荷状态仿真模型的输入，得到仿真模型结果，再建立热网及建筑物状态误差指标和时间分辨率选择判据，通过比较运行优化结果与仿真模型结果，判断误差指标值是否满足初设的判据，当不满足判据时则调整热网及热负荷时间分辨率并重复以上步骤，直到得到合适的热网及热负荷时间分辨率，本方法充分考虑不同时间分辨率对热网及热负荷运行状态的影响，选择出最佳的热网及热负荷时间分辨率，保证综合能源系统的热功率平衡与供热质量，保证综合能源系统的安全可靠运行。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：综合能源系统中热网及建筑物时间分辨率的选择方法，包括以下步骤：

S1，建立综合能源系统运行优化模型，并求解运行优化结果；

S2，建立热网及热负荷状态仿真模型，将步骤S1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，求解仿真模型；

S3，建立热网及热负荷状态误差指标，并计算误差指标值；

S4，建立热网及热负荷时间分辨率选择判据；

S5，比较步骤S1中运行优化结果与步骤S2中仿真模型结果，判断误差指标值是否满足步骤S4中的判据。

作为本发明的一种改进，所述步骤S5中，选定热网及热负荷初始时间分辨率，判断误差指标值是否满足步骤S4中的判据，若不满足，则调整时间分辨率后重复步骤S1-S5。

作为本发明的一种改进，所述步骤S3中热网及热负荷状态误差指标包括热功率误差百分比和最大室温偏差。

作为本发明的又一种改进，所述步骤S3中热功率误差百分比△Q_％为：

其中，t_d为调度时段；t_h,s为及热网及热负荷仿真模型时间段；Δt_d为综合能源系统调度指令周期；△t_h,s为热网及热负荷仿真模型的时间步长；

为运行优化模型和热网及热负荷仿真模型中热电联产系统向热网注入的热功率结果；

最大室温偏差

计算公式为：

其中，

为t_h时段室温偏差；

为热网及热负荷仿真结果中室内温度结果；

τ _in分别为允许的室内温度最大值与最小值。

作为本发明的另一种改进，所述步骤S4建立的热网及热负荷时间分辨率的判据为：

其中δ₁和δ₂分别为所设置的最大容许热功率误差与最大容许室温偏差。

与现有技术相比，本发明专利提出了一种综合能源系统运行优化中热网及热负荷时间分辨率选择方法，针对综合能源系统中热网及热负荷的热惯性特征，充分考虑不同时间分辨率对热网及热负荷运行状态的影响，选择出合适的热网及热负荷时间分辨率，保证综合能源系统的热功率平衡与供热质量，从而保证综合能源系统安全可靠运行。。

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是本发明综合能源系统热网及热负荷时间分辨率选择流程图；

图4是本发明实施例2中综合能源系统结构图。

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

一种综合能源系统中热网及建筑物时间分辨率的选择方法，如图3所示，包括以下步骤：

S1，建立综合能源系统运行优化模型，所述步骤进一步包括：

S11，建立综合能源系统运行优化目标函数：

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

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。

S12，建立综合能源系统运行优化约束条件，所述步骤进一步包括：

S121，建立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：

能量平衡约束包括燃气轮机电热功率约束和电功率平衡约束。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；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。

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。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；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。

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。

S122，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：

热网建模方法如图1所示，首先按照下式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。

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-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；k^j和β^j计算公式为

其中，λ^j为j的传热系数，kW/(m·℃)；c_w为的比热容，kJ/(kg·℃)。

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；

源节点及负荷节点交换热功率计算公式为

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。

热负荷考虑为建筑物供暖负荷，其热力学模型如图2所示，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为热负荷时间分辨率。

S123，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。

S2，建立热网及热负荷状态仿真模型：

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。

S3，建立热网及热负荷状态误差指标：

热负荷状态误差指标包括热功率误差百分比和最大室温偏差，计算公式分别为：

其中，△Q_％为热功率误差百分比；t_d为调度时段；t_h,s为及热网及热负荷仿真模型时间段；Δt_d为综合能源系统调度指令周期；△t_h,s为热网及热负荷仿真模型的时间步长；

为运行优化模型和热网及热负荷仿真模型中热电联产系统向热网注入的热功率结果；

为最大室温偏差；

为th时段室温偏差；

为热网及热负荷仿真结果中室内温度结果；

τ _in分别为允许的室内温度最大值与最小值。

S4，建立热网及热负荷时间分辨率选择判据：

热网及热负荷时间分辨率选择判据为：

其中δ₁和δ₂分别为所设置的最大容许热功率误差与最大容许室温偏差。

S5，建立热网及热负荷时间分辨率选择流程，选定热网及热负荷初始时间分辨率，设定最大容许热功率误差δ₁和最大容许室温偏差δ₂，比较运行优化模型结果与状态仿真模型结果，判断是否满足S4中的判据，若不满足，则调整时间分辨率后重复步骤S1-S5，若满足，则步骤结束，获得最佳时间分辨率。

实施例2

以图4所示的综合能源系统为例，该系统包含1台5MW的燃气轮机，1台5MW燃气锅炉，容量为1.5MW的风机，1MWh的蓄电池和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。最大容许热功率误差百分比设置为1.5％，最大容许室温偏差设置为0.5℃。初始热网及建筑物时间分辨率Δt_h设置为60min，Δt_h取值集合设置为{60min，30min，20min，15min，10min，1min}。按照图3所示的流程图执行。不同时间分辨率下热功率误差、室外偏差、以及运行成本如表1所示。可见随着时间分辨率的减小，热功率误差百分比和室温偏差均减小。当模型分辨率取60min和30min时，热功率误差与室温偏差均不满足要求，而当模型分辨率取20min时，热功率误差及室温偏差均满足要求。因此，适应于本例的热网及热负荷时间分辨率为20min。此外，不同时间分辨率下系统运行成本并无明显差异，因此可认为时间分辨率基本不影响系统运行经济性。

表1不同时间分辨率下的指标与运行成本

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 (3)

1.综合能源系统中热网及建筑物时间分辨率的选择方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，建立综合能源系统运行优化模型，并求解运行优化结果；

S2，建立热网及热负荷状态仿真模型，将步骤S1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，求解仿真模型；

S3，建立热网及热负荷状态误差指标，并计算误差指标值，热网及热负荷状态误差指标包括热功率误差百分比和最大室温偏差，其中，热功率误差百分比△Q_％为：

其中，t_d为调度时段；t_h,s为及热网及热负荷仿真模型时间段；Δt_d为综合能源系统调度指令周期；△t_h,s为热网及热负荷仿真模型的时间步长；

为运行优化模型和热网及热负荷仿真模型中热电联产系统向热网注入的热功率结果；

最大室温偏差

计算公式为：

其中，

为t_h时段室温偏差；

为热网及热负荷仿真结果中室内温度结果；

τ_in分别为允许的室内温度最大值与最小值；

S4，建立热网及热负荷时间分辨率选择判据；

S5，比较步骤S1中运行优化结果与步骤S2中仿真模型结果，判断误差指标值是否满足步骤S4中的判据。

2.如权利要求1所述的综合能源系统中热网及建筑物时间分辨率的选择方法，其特征在于所述步骤S5中，选定热网及热负荷初始时间分辨率，判断误差指标值是否满足步骤S4中的判据，若不满足，则调整时间分辨率后重复步骤S1-S5。

3.如权利要求2所述的综合能源系统中热网及建筑物时间分辨率的选择方法，其特征在于所述步骤S4建立的热网及热负荷时间分辨率的判据为：

其中δ₁和δ₂分别为所设置的最大容许热功率误差与最大容许室温偏差。

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