CN109447323B - 一种计及节点热价的综合能源系统两阶段容量配置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种计及节点热价的综合能源系统两阶段容量配置方法，包括建立区域热网运行约束模型；第一阶段，基于系统参数及负荷数据，建立包含多个热电联供子系统最优容量配置的目标函数及相应约束条件；建立区域热网温度修正方程，并基于潮流追踪法，建立节点热价方程；第二阶段，基于电价及节点热价，建立考虑需求侧响应的年购能费用目标函数及相应约束条件；建立综合能源系统两阶段规划方法的迭代求解过程，迭代求解最优配置容量。本发明方法首先提出一种节点热价的计算方法，并用于需求侧响应中，从而在规划阶段可以充分考虑系统优化运行及需求侧响应的影响。

Description

一种计及节点热价的综合能源系统两阶段容量配置方法
技术领域
本发明属于综合能源系统应用领域，具体来说是一种计及节点热价的综合能源系统两阶段容量配置方法。
背景技术
综合能源系统以电力系统为核心，结合供冷、供热、供气等子系统，以实现能源的梯级利用为基本原则，通过联供和储能设备进行各类能量的转化、分配与存储的多能流耦合一体化系统。而热电联产设备可利用发电余热进行制热，充分体现能源梯级利用的原则，其作为综合能源系统中的核心设备，可得到人们广泛的研究。在热电联产设备的容量配置方法，大部分文献主要针对单个热电联产设备进行容量配置研究，忽略了区域热网的协调调度作用。
发明内容
发明目的：为解决现有技术的不足，提供一种计及节点热价的综合能源系统的两阶段规划方法。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种计及节点热价的综合能源系统两阶段容量配置方法，该方法包括以下步骤：
(1)建立区域热网运行约束模型；
(2)第一阶段，基于系统参数及负荷数据，建立包含多个热电联供子系统最优容量配置的目标函数及相应约束条件；
(3)建立区域热网温度修正方程组，并基于潮流追踪法，建立节点热价方程组；
(4)第二阶段，基于电价及节点热价，建立考虑需求侧响应的年购能费用目标函数及相应约束条件；
(5)建立综合能源系统两阶段规划方法的迭代求解过程，迭代求解综合能源系统的最优配置容量。
进一步的，步骤(1)包括：
(11)对于任意连接节点j，流入该节点的热媒流量之和等于流出该节点的热媒流量之和，区域热网包括热源节点、换热站节点和连接节点三种类型，具体运行约束方程如下：
Figure BDA0001818620890000021
其中，mi,t表示第i条管段在t时段的热媒流量，
Figure BDA0001818620890000022
表示所有与连接节点j相连的管段的集合，Θin表示所有连接节点组成的集合；
(12)采用量调节的方式，事先设定好区域热网中各个管段的参考方向，则对于第i条管段在t时段的热媒流量，满足以下约束：
Figure BDA0001818620890000023
其中，
Figure BDA0001818620890000024
和
Figure BDA0001818620890000025
分别表示流向分别与管段参考方向相同和相反的热媒流量，mi,min和mi,max分别是管段允许流经热媒流量最小值和最大值，
Figure BDA0001818620890000026
和
Figure BDA0001818620890000027
均是0-1变量，用来表示管段中热媒流量的状态，等于1表示管段中存在该流向的热媒流量；
(13)热媒在传输过程中存在热量的损失，因此第i条管段在t时段的热功率在管段参考方向的始端与末端表示如下：
Figure BDA0001818620890000028
其中，c是水的比热容，
Figure BDA0001818620890000029
和
Figure BDA00018186208900000210
分别是供水管段在管段参考方向始端与末端的热功率，
Figure BDA00018186208900000211
和
Figure BDA00018186208900000212
分别是供水管段在管段参考方向始端与末端的热媒温度，τr是回水管段温度；
(14)第j个热源节点、换热站节点与区域热网交换热功率如下：
Figure BDA00018186208900000213
Figure BDA00018186208900000214
其中，
Figure BDA00018186208900000215
分别表示第j个热源节点和换热站节点在t时段与区域热网交换的热功率，Θchp和Θsb分别表示热源节点和换热站节点的集合，
Figure BDA00018186208900000216
和
Figure BDA00018186208900000217
分别表示第j个热源节点/换热站节点相连的管段集合。
进一步的，步骤(2)包括：
(21)基于区域热网运行约束模型，建立综合能源系统第一阶段的最优容量配置及优化运行目标函数：
Figure BDA0001818620890000031
其中，
Figure BDA0001818620890000032
表示第i个热电联供子系统的年投资及运行费用，Θchp表示热电联供子系统的集合；
第i个热电联供子系统的年投资及运行费用如下：
Figure BDA0001818620890000033
其中，
Figure BDA0001818620890000034
和
Figure BDA0001818620890000035
分别表示燃气轮机、燃气锅炉、蓄电池和蓄热槽的年投资费用，
Figure BDA0001818620890000036
表示年运行费用；
第i个热电联供子系统中的第χ种设备的年投资费用表示如下：
Figure BDA0001818620890000037
其中，χ分别表示燃气轮机、燃气锅炉、蓄电池和蓄热槽，
Figure BDA0001818620890000038
表示第χ种设备的安装容量，
Figure BDA0001818620890000039
表示第χ种设备的单位投资费用，y表示第χ种设备的类型，
Figure BDA00018186208900000310
为0-1变量，等于1表示第i个热电联供子系统安装了第y种类型的χ设备，j表示利率，n表示规划周期；
第i个热电联产子系统年运行成本包括燃气轮机和燃气锅炉所消耗的燃料成本：
Figure BDA00018186208900000311
其中，cgas是天然气的热值，
Figure BDA00018186208900000312
是第y种类型的燃气轮机在t时段的输出电功率，
Figure BDA00018186208900000313
是第y种类型的燃气锅炉在t时段的输出热功率，
Figure BDA00018186208900000314
和
Figure BDA00018186208900000315
是0-1变量，分别表示第i个热电联产子系统是否安装第y种类型的燃气轮机和燃气锅炉，
Figure BDA00018186208900000316
和
Figure BDA00018186208900000317
分别表示第y种类型的燃气轮机/燃气锅炉的效率，Igt和Igb分别表示备选燃气轮机和燃气锅炉的集合，Y是年规划周期，N是日调度周期，Δt是时间间隔；
(22)，基于区域热网模型，建立综合能源系统第一阶段的最优容量配置及优化运行约束条件。
更进一步的，步骤(22)包括：
(a)热电功率平衡约束：
Figure BDA0001818620890000041
其中，
Figure BDA0001818620890000042
和
Figure BDA0001818620890000043
分别表示第i个热电联供子系统在t时段所产生的电功率和热功率，
Figure BDA0001818620890000044
和
Figure BDA0001818620890000045
分别表示第i个热电联供子系统在t时段换热器、燃气轮机、燃气锅炉、余热回收装置所产生的热功率以及蓄热槽存储和释放的热功率；
Figure BDA0001818620890000046
和
Figure BDA0001818620890000047
分别表示第i个热电联供子系统在t时段燃气轮机的电功率以及蓄电池的充放电功率；
Figure BDA0001818620890000048
表示第i个热电联供子系统中燃气轮机的热电比；ηhe和ηhr分别表示换热器和余热回收装置的效率；
(b)设备约束方程：
Figure BDA0001818620890000049
其中，
Figure BDA00018186208900000410
和
Figure BDA00018186208900000411
分别表示第i个热电联供子系统在t时段余热回收装置和换热器所产生的最大热功率，
Figure BDA00018186208900000412
和
Figure BDA00018186208900000413
分别表示第i个热电联供子系统燃气轮机、燃气锅炉、蓄电池和蓄热槽的安装容量。
进一步的，步骤(3)包括：
(31)建立区域热网的温度修正方程组：
(a)区域热网中第i条管段的始端温度和末端温度关系如下：
Figure BDA0001818620890000051
其中，τamb表示管段周围环境温度，λi和li分别表示第i条管段的导热系数和管段长度；
(b)对于任意连接节点j，从该节点流出的任意管段i具有相同的始端温度；
Figure BDA0001818620890000052
其中，
Figure BDA0001818620890000053
表示t时段内节点j处的热媒温度；
(c)对于任意连接节点j，该节点的热功率平衡方程如下：
Figure BDA0001818620890000054
(d)对于热源节点j，该节点的供水温度应等于设计好的供水温度；
Figure BDA0001818620890000055
其中，τs表示设计供水温度；
(32)建立区域热网的节点热价方程，对于任意节点k，该点的节点热价包括节点产热成本和节点传输成本：
(a)对于任意节点k，该点的节点产热成本表示如下：
Figure BDA0001818620890000056
Figure BDA0001818620890000057
其中，Qk,t表示注入节点k的热功率，
Figure BDA0001818620890000058
是节点i所产生的热功率，从式(17)可知，对于热源节点，该点所产生的热功率等于热电联产子系统所产生的热功率
Figure BDA0001818620890000059
对于其他节点，该点所产生的热功率为零；Au是顺流追踪矩阵，其第i行第j列元素如下：
Figure BDA0001818620890000061
其中，
Figure BDA0001818620890000062
表示与节点i直接连接的上游节点组成的集合；
对于第i个热电联供子系统，其单位产热成本表示如下：
Figure BDA0001818620890000063
其中，
Figure BDA0001818620890000064
和
Figure BDA0001818620890000065
分别表示第i个热电联供子系统在t时段内燃气轮机和燃气锅炉所产生的热功率；cgas表示天然气的单位热值价格；
Figure BDA0001818620890000066
和
Figure BDA0001818620890000067
分别表示第i个热电联供子系统在t时段内燃气轮机和燃气锅炉生成单位热功率的产热成本；
Figure BDA0001818620890000068
和
Figure BDA0001818620890000069
分别表示第i个热电联供子系统中燃气轮机和燃气锅炉的制热效率；
(b)对于任意节点k，该点的节点传输成本表示如下：
Figure BDA00018186208900000610
Figure BDA00018186208900000611
其中，Γp表示所有管段的集合，
Figure BDA00018186208900000612
是节点i的热负荷功率，从式(21)可知，对于换热站节点，该点的热负荷功率等于换热站所消耗的热功率
Figure BDA00018186208900000613
对于其他节点，该点的热负荷功率为零；Ad是逆流追踪矩阵，其第i行第j列元素如下：
Figure BDA00018186208900000614
其中，
Figure BDA00018186208900000615
是表示与节点i直接连接的下游节点组成的集合。
Figure BDA00018186208900000616
是管段j的单位热传输损耗成本，表示如下：
Figure BDA0001818620890000071
其中，β是权重因子，用来调整单位热传输损耗成本的大小；
(c)因此，对于节点k，该点的节点热价表示如下：
Figure BDA0001818620890000072
进一步的，步骤(4)包括：
(41)基于需求侧响应，建立第二阶段年最优运行目标函数；
(a)第二阶段年运行费用为：
f2＝min(Cel+Chl+Cpv) (25)；
其中，Cel和Chl分别表示负荷集线器的年购电和购热费用，Cpv是光伏电池的年投资费用；
(b)负荷集线器的年购电和购热费用具体如下：
Figure BDA0001818620890000073
其中，
Figure BDA0001818620890000074
表示第i个热电联供子系统的发电成本，Δt为时间间隔；
(c)光伏电池的年投资费用具体如下：
Figure BDA0001818620890000075
其中，cpv表示光伏电池的单位投资费用，ηpv表示光伏电池的效率，Apv表示光伏电池的安装面积，Θpv表示光伏电池的集合；
(42)建立设备约束方程：
(a)光伏电池在t时段产生的电功率满足以下约束方程：
Figure BDA0001818620890000076
其中，
Figure BDA0001818620890000081
表示光伏电池在t时段所产生电功率用于供电；
Figure BDA0001818620890000082
表示负荷集线器利用光伏所发电功率用于电制热，供给第i个换热站节点的热负荷；ppv表示光伏电池的单位额定功率；Apv表示光伏电池的总安装面积；ηpv表示光伏电池的效率；Itt表示光照辐射强度；
Figure BDA0001818620890000083
表示负荷集线器通过电制热供给第i个换热站节点的最大热负荷；
(b)在需求侧响应中考虑负荷集线器采用光伏所发电功率进行电制热，因此对于第i个换热站节点的热负荷更新如下：
Figure BDA0001818620890000084
其中，
Figure BDA0001818620890000085
表示第i个换热站节点在t时段的初始预测热负荷，COPh,air表示中央空调制热系数。
进一步的，步骤(5)包括：
(51))初始化热网温度，预测电热冷负荷数据；
(52)基于区域热网运行约束模型，结合负荷数据及各种设备参数，求解第一阶段的目标函数，获取热网中热媒流量及相应热功率和热损耗；
(53)基于区域热网温度修正方程组，节点热价方程，求解节点热/冷价；
(54)将节点热价作为输入变量，并结合需求侧响应方法，求解第二阶段的目标函数及并更新电热冷负荷数据；
(55)判断相邻两次迭代的温差是否小于误差要求，若达到要求则终止迭代，得到综合能源系统的最优配置容量；否则将更新的热网温度以及电热冷负荷数据返回步骤(52)继续迭代。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的一种计及节点热价的综合能源系统的两阶段规划方法，首先建立区域热网运行约束模型；然后基于系统参数及负荷数据，建立第一阶段综合能源系统中各设备的最优容量配置的目标函数及相应约束条件；然后建立区域热网温度修正方程及节点热价方程；基于电价及节点热价，建立考虑需求侧响应的年购能费用目标函数及相应约束条件；最后，提出一种两阶段规划方法的迭代求解策略。与现有成果相比，本方法充分考虑的需求侧响应对设备容量配置及系统调度运行的影响，避免了设备配置过量造成的设备闲置问题，进一步提高的系统的经济性。此外，该成果所提出的计算节点热价的方法，可为以后热网的精细化供热提供理论依据。
附图说明
图1是综合能源系统结构图；
图2是典型热电联产系统结构图；
图3是综合能源系统两阶段规划示意图；
图4是迭代算法流程图；
图5是综合能源系统结构图；
图6是代表性节点的节点热价示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，综合能源系统包括多个热电联产系统，各个热电联产系统通过区域热网互联。
如图2所示，典型热电联产系统包括：热电联产设备(燃气轮机)、燃气锅炉、余热回收装置以及蓄电池和蓄热槽等储能设备，他们之间通过电网和气网连接；通过消耗天然气来产生电能和热能。
如图3所示，本发明基于区域热网，提出一种计及节点热价的综合能源系统的两阶段规划方法。第一阶段的目标函数为综合能源系统中年设备投资费用和运行费用最低；第二阶段的目标函数为考虑需求侧响应的年购能费用最低。此外，提出一种节点热价的计算方法，并应用于第二阶段的需求侧响应中。
具体包括以下步骤：
步骤10)建立区域热网运行约束模型；
步骤101)对于任意连接节点j，流入该节点的热媒流量之和等于流出该节点的热媒流量之和，区域热网包括热源节点、换热站节点和连接节点三种类型，具体运行约束方程如下：
Figure BDA0001818620890000091
其中，mi,t表示第i条管段在t时段的热媒流量，
Figure BDA0001818620890000092
表示所有与连接节点j相连的管段的集合，Θin表示所有连接节点组成的集合。
步骤102)本实施例采用量调节的方式，因此需事先设定好区域热网中各个管段的参考方向，则对于第i条管段在t时段的热媒流量，满足以下约束：
Figure BDA0001818620890000101
其中，
Figure BDA0001818620890000102
和
Figure BDA0001818620890000103
分别表示流向分别与管段参考方向相同和相反的热媒流量，mi,min和mi,max分别是管段允许流经热媒流量最小值和最大值，
Figure BDA0001818620890000104
和
Figure BDA0001818620890000105
均是0-1变量，用来表示管段中热媒流量的状态，等于1表示管段中存在该流向的热媒流量。
步骤103)热媒在传输过程中存在热量的损失，因此第i条管段在t时段的热功率在管段参考方向的始端与末端表示如下：
Figure BDA0001818620890000106
其中，c是水的比热容，
Figure BDA0001818620890000107
和
Figure BDA0001818620890000108
分别是供水管段在管段参考方向始端与末端的热功率，
Figure BDA0001818620890000109
和
Figure BDA00018186208900001010
分别是供水管段在管段参考方向始端与末端的热媒温度，τr是回水管段温度；在本专利中视为常数。
步骤104)第j个热源节点/换热站节点与区域热网交换热功率如下：
Figure BDA00018186208900001011
Figure BDA00018186208900001012
其中，
Figure BDA00018186208900001013
分别表示第j个热源节点和换热站节点在t时段与区域热网交换的热功率，Θchp和Θsb分别表示热源节点和换热站节点的集合，
Figure BDA00018186208900001014
和
Figure BDA00018186208900001015
分别表示第j个热源节点/换热站节点相连的管段集合。
步骤20)建立基于综合能源系统的最优容量配置及优化运行模型；
该步骤为第一阶段，基于系统参数及负荷数据，建立包含多个热电联供子系统最优容量配置的目标函数及相应约束条件；
步骤201)，基于区域热网运行约束模型，建立综合能源系统第一阶段的最优容量配置及优化运行目标函数：
Figure BDA0001818620890000111
其中，
Figure BDA0001818620890000112
表示第i个热电联供子系统的年投资及运行费用，Θchp表示热电联供子系统的集合。
本发明考虑热电联供系统中燃气轮机、燃气锅炉、蓄电池和蓄热槽的配置费用，因此第i个热电联供子系统的年投资及运行费用如下：
Figure BDA0001818620890000113
其中，
Figure BDA0001818620890000114
和
Figure BDA0001818620890000115
分别表示燃气轮机、燃气锅炉、蓄电池和蓄热槽的年投资费用，
Figure BDA0001818620890000116
表示年运行费用。
第i个热电联供子系统中的第χ种设备的年投资费用表示如下：
Figure BDA0001818620890000117
其中，χ分别表示燃气轮机、燃气锅炉、蓄电池和蓄热槽，
Figure BDA0001818620890000118
表示第χ种设备的安装容量，
Figure BDA0001818620890000119
表示第χ种设备的单位投资费用，y表示第χ种设备的类型，
Figure BDA00018186208900001110
为0-1变量，等于1表示第i个热电联供子系统安装了第y种类型的χ设备，j表示利率，n表示规划周期。
第i个热电联产子系统年运行成本包括燃气轮机和燃气锅炉所消耗的燃料成本：
Figure BDA00018186208900001111
其中，cgas是天然气的热值，
Figure BDA00018186208900001112
是第y种类型的燃气轮机在t时段的输出电功率，
Figure BDA00018186208900001113
是第y种类型的燃气锅炉在t时段的输出热功率，
Figure BDA00018186208900001114
和
Figure BDA00018186208900001115
是0-1变量，分别表示第i个热电联产子系统是否安装第y种类型的燃气轮机和燃气锅炉，
Figure BDA00018186208900001116
和
Figure BDA00018186208900001117
分别表示第y种类型的燃气轮机/燃气锅炉的效率，Igt和Igb分别表示备选燃气轮机和燃气锅炉的集合，Y是年规划周期，N是日调度周期，Δt是时间间隔。
步骤202)，基于区域热网模型，建立综合能源系统第一阶段的最优容量配置及优化运行约束条件：
(1)热电功率平衡约束：
Figure BDA0001818620890000121
其中，
Figure BDA0001818620890000122
和
Figure BDA0001818620890000123
分别表示第i个热电联供子系统在t时段所产生的电功率和热功率，
Figure BDA0001818620890000124
和
Figure BDA0001818620890000125
分别表示第i个热电联供子系统在t时段换热器、燃气轮机、燃气锅炉、余热回收装置所产生的热功率以及蓄热槽存储和释放的热功率；
Figure BDA0001818620890000126
和
Figure BDA0001818620890000127
分别表示第i个热电联供子系统在t时段燃气轮机的电功率以及蓄电池的充放电功率；
Figure BDA0001818620890000128
表示第i个热电联供子系统中燃气轮机的热电比；ηhe和ηhr分别表示换热器和余热回收装置的效率。
(2)设备约束方程：
Figure BDA0001818620890000129
其中，
Figure BDA00018186208900001210
和
Figure BDA00018186208900001211
分别表示第i个热电联供子系统在t时段余热回收装置和换热器所产生的最大热功率，
Figure BDA00018186208900001212
和
Figure BDA00018186208900001213
分别表示第i个热电联供子系统燃气轮机、燃气锅炉、蓄电池和蓄热槽的安装容量。
步骤30)建立区域热网温度修正方程，并基于潮流追踪法，建立节点热价方程；
步骤301)建立区域热网的温度修正方程：
(1)区域热网中第i条管段的始段温度和末端温度关系如下：
Figure BDA0001818620890000131
其中，τamb表示管段周围环境温度，λi和li分别表示第i条管段的导热系数和管段长度。
(2)对于任意连接节点j，从该节点流出的任意管段i具有相同的始段温度。
Figure BDA0001818620890000132
其中，
Figure BDA0001818620890000133
表示t时段内节点j处的热媒温度。
(3)对于任意连接节点j，该节点的热功率平衡方程如下：
Figure BDA0001818620890000134
(4)对于热源节点j，该节点的供水温度应等于设计好的供水温度。
Figure BDA0001818620890000135
其中，τs表示设计供水温度，Θchp表示热源节点的集合。
步骤302)建立区域热网的节点热价方程，对于任意节点k，该点的节点热价包括节点产热成本和节点传输成本：
(1)对于任意节点k，该点的节点产热成本表示如下：
Figure BDA0001818620890000136
Figure BDA0001818620890000137
其中，Qk,t表示注入节点k的热功率，
Figure BDA0001818620890000138
是节点i所产生的热功率，从式(17)可知，对于热源节点，该点所产生的热功率等于热电联产子系统所产生的热功率
Figure BDA0001818620890000139
对于其他节点，该点所产生的热功率为零；Au是顺流追踪矩阵，其第i行第j列元素如下：
Figure BDA0001818620890000141
其中，
Figure BDA0001818620890000142
表示与节点i直接连接的上游节点组成的集合。
对于第i个热电联供子系统，其单位产热成本表示如下：
Figure BDA0001818620890000143
其中，
Figure BDA0001818620890000144
和
Figure BDA0001818620890000145
分别表示第i个热电联供子系统在t时段内燃气轮机和燃气锅炉所产生的热功率；cgas表示天然气的单位热值价格；
Figure BDA0001818620890000146
和
Figure BDA0001818620890000147
分别表示第i个热电联供子系统在t时段内燃气轮机和燃气锅炉生成单位热功率的产热成本；
Figure BDA0001818620890000148
和
Figure BDA0001818620890000149
分别表示第i个热电联供子系统中燃气轮机和燃气锅炉的制热效率。
(2)对于任意节点k，该点的节点传输成本表示如下：
Figure BDA00018186208900001410
Figure BDA00018186208900001411
其中，Γp表示所有管段的集合，
Figure BDA00018186208900001412
是节点i的热负荷功率，从式(21)可知，对于换热站节点，该点的热负荷功率等于换热站所消耗的热功率
Figure BDA00018186208900001413
对于其他节点，该点的热负荷功率为零；Ad是逆流追踪矩阵，其第i行第j列元素如下：
Figure BDA00018186208900001414
其中，
Figure BDA00018186208900001415
是表示与节点i直接连接的下游节点组成的集合。
Figure BDA00018186208900001416
是管段j的单位热传输损耗成本，表示如下：
Figure BDA0001818620890000151
其中，β是权重因子，用来调整单位热传输损耗成本的大小。
(3)因此，对于节点k，该点的节点热价表示如下：
Figure BDA0001818620890000152
步骤40)建立第二阶段负荷集线器的年最优运行目标函数；
第二阶段，基于电价及节点热价，建立考虑需求侧响应的年购能费用目标函数及相应约束条件；
步骤401)基于需求侧响应，建立第二阶段年最优运行目标函数。
(1)第二阶段年运行费用
f2＝min(Cel+Chl+Cpv) (25)；
其中，Cel和Chl分别表示负荷集线器的年购电和购热费用，Cpv是光伏电池的年投资费用。
(2)负荷集线器的年购电和购热费用具体如下：
Figure BDA0001818620890000153
其中，
Figure BDA0001818620890000154
表示第i个热电联供子系统的发电成本，Δt为时间间隔。
(3)光伏电池的年投资费用具体如下：
Figure BDA0001818620890000155
其中，cpv表示光伏电池的单位投资费用，ηpv表示光伏电池的效率，Apv表示光伏电池的安装面积，Θpv表示光伏电池的集合。
步骤402)建立设备约束方程：
(1)光伏电池在t时段产生的电功率满足以下约束方程：
Figure BDA0001818620890000161
其中，
Figure BDA0001818620890000162
表示光伏电池在t时段所产生电功率用于供电；
Figure BDA0001818620890000163
表示负荷集线器利用光伏所发电功率用于电制热，供给第i个换热站节点的热负荷；ppv表示光伏电池的单位额定功率；Apv表示光伏电池的总安装面积；ηpv表示光伏电池的效率；Itt表示光照辐射强度；
Figure BDA0001818620890000164
表示负荷集线器通过电制热供给第i个换热站节点的最大热负荷。
(2)在需求侧响应中考虑负荷集线器采用光伏所发电功率进行电制热，因此对于第i个换热站节点的热负荷更新如下：
Figure BDA0001818620890000165
其中，
Figure BDA0001818620890000166
表示第i个换热站节点在t时段的初始预测热负荷，COPh,air表示中央空调制热系数。
步骤50)建立综合能源系统两阶段规划方法的迭代求解过程，如图4所示，包括以下步骤：
步骤501)初始化k＝0，初始化负荷数据和热网温度T(0)，预测电热冷负荷数据；
步骤502)基于区域热网运行约束模型，结合负荷数据及各种设备参数，求解第一阶段的目标函数，获取热网中热媒流量m(k)；
步骤503)基于区域热网温度修正方程组求解热网温度T"及相应热功率，基于节点热、冷价方程组，求解节点热价chl(k)；
步骤504)将电价cel(k)和节点热价chl(k)作为输入变量，并结合需求侧响应方法，求解第二阶段的目标函数，并更新电热冷负荷数据；
步骤505)判断相邻两次迭代的温差δt是否小于误差要求，若达到要求则终止迭代，得到综合能源系统的最优配置容量；否则将更新的热网温度T(k)＝T"，以及更新的电热冷负荷数据，k＝k+1，返回步骤502)继续迭代。
基于如图5所示某综合能源系统结构图，该系统包含2个CCHP子系统，25个换热站节点，以及50条热网管段，两个子系统分别在节点1和节点51。表1给出两种方案的规划结果，其中，方案一是不考虑节点热价以及需求侧响应的影响，方案二是本发明中的考虑节点热价及需求侧响应的两阶段规划方法。从规划结果可以看出，相比方案一，方案二可有效减少燃气轮机和燃气锅炉的配置容量。此外，图6给出CCHP1、CCHP2和代表性节点的节点热价随时间的变化特征。从图6中可以看出，本发明所提节点热价在时间和空间上具有明显的差异，为综合能源系统的精细化调度提供很好的支撑作用。
表1综合能源系统容量配置结果
Figure BDA0001818620890000171
本发明提出了一种综合能源系统的两阶段规划方法，该方法考虑了需求侧响应及用户侧屋顶光伏渗透的影响。该综合能源系统包含多个热电联供子系统(CCHP systems)，各个子系统通过区域热网进行连接。第一阶段优化目标是将多个热电联供子系统年投资费用和运营费用降到最低，并获得最优的设备类型及容量。在此基础上，提出了一种节点热价格的计算方法，并利用到第二阶段的优化中。第二阶段的目标函数为负荷集线器(LA)的年购能总费用最低，将电价、节点热、价作为输入变量，将新的电、热负荷作为输出变量返回到第一阶段。在第二阶段的需求侧响应中，负荷集线器通过管理用户侧光伏发电进行电制热。本方法的有益效果在于：首先提出一种节点热价的计算方法，并用于需求侧响应中，从而在规划阶段可以充分考虑系统优化运行及需求侧响应的影响。

Claims (6)

1.一种计及节点热价的综合能源系统两阶段容量配置方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)建立区域热网运行约束模型；具体包括以下步骤：
(11)对于任意节点i，流入该节点的热媒流量之和等于流出该节点的热媒流量之和，区域热网包括热源节点、换热站节点和连接节点三种类型，节点i为热源节点、换热站节点或连接节点，具体运行约束方程如下：
Figure FDA0003121044480000011
其中，
Figure FDA0003121044480000012
表示第lij条管段在t时段的热媒流量，
Figure FDA0003121044480000013
表示所有与节点i相连的节点集合，Θin表示所有节点i组成的集合；
(12)采用量调节的方式，事先设定好区域热网中各个管段的参考方向，则对于第lij条管段在t时段的热媒流量，满足以下约束：
Figure FDA0003121044480000014
其中，
Figure FDA0003121044480000015
和
Figure FDA0003121044480000016
分别表示流向与管段lij参考方向相同和相反的热媒流量，
Figure FDA0003121044480000017
和
Figure FDA0003121044480000018
分别是管段lij允许流经热媒流量最小值和最大值，
Figure FDA0003121044480000019
和
Figure FDA00031210444800000110
均是0-1变量，用来表示管段中热媒流量的状态，等于1表示管段中存在该流向的热媒流量；
(13)热媒在传输过程中存在热量的损失，因此第lij条管段在t时段的热功率在管段参考方向的始端与末端表示如下：
Figure FDA00031210444800000111
其中，c是水的比热容，
Figure FDA00031210444800000112
和
Figure FDA00031210444800000113
分别是供水管段在管段参考方向始端与末端的热功率，
Figure FDA00031210444800000114
和
Figure FDA00031210444800000115
分别是供水管段在管段参考方向始端与末端的热媒温度，τr是回水管段温度；
(14)第is个热源节点、换热站节点ih与区域热网交换热功率如下：
Figure FDA0003121044480000021
Figure FDA0003121044480000022
其中，
Figure FDA0003121044480000023
分别表示第is个热源节点和换热站节点ih在t时段与区域热网交换的热功率，Θchp和Θsb分别表示热源节点和换热站节点的集合，
Figure FDA0003121044480000024
和
Figure FDA0003121044480000025
分别表示与第is个热源节点/第ih个换热站节点相连的管段集合，第is个热电联供子系统等效为第is个热源节点，
Figure FDA0003121044480000026
表示连接节点is和节点j的管段，
Figure FDA0003121044480000027
表示连接节点ih和节点j的管段；
(2)第一阶段，基于系统参数及负荷数据，建立包含多个热电联供子系统最优容量配置的目标函数及相应约束条件；
(3)建立区域热网温度修正方程组，并基于潮流追踪法，建立节点热价方程组；
(4)第二阶段，基于电价及节点热价，建立考虑需求侧响应的年购能费用目标函数及相应约束条件；
(5)建立综合能源系统两阶段规划方法的迭代求解过程，迭代求解综合能源系统的最优配置容量。
2.根据权利要求1所述的一种计及节点热价的综合能源系统两阶段容量配置方法，其特征在于，步骤(2)包括：
(21)基于区域热网运行约束模型，建立综合能源系统第一阶段的最优容量配置及优化运行目标函数：
Figure FDA0003121044480000028
其中，f1表示综合能源系统第一阶段的最优容量配置及优化运行目标函数，
Figure FDA0003121044480000029
表示第is个热电联供子系统的年投资及运行费用，Θchp表示热电联供子系统的集合；
第is个热电联供子系统的年投资及运行费用如下：
Figure FDA00031210444800000210
其中，
Figure FDA00031210444800000211
和
Figure FDA00031210444800000212
分别表示燃气轮机、燃气锅炉、蓄电池和蓄热槽的年投资费用，
Figure FDA0003121044480000031
表示年运行费用；
第is个热电联供子系统中的第χ种设备的年投资费用表示如下：
Figure FDA0003121044480000032
其中，
Figure FDA0003121044480000033
表示第is个热电联供子系统中的第χ种设备的年投资费用，χ分别表示燃气轮机、燃气锅炉、蓄电池和蓄热槽，
Figure FDA0003121044480000034
表示第χ种设备的安装容量，
Figure FDA0003121044480000035
表示第χ种设备的单位投资费用，y表示第χ种设备的类型，
Figure FDA0003121044480000036
为0-1变量，等于1表示第is个热电联供子系统安装了第y种类型的χ设备，π表示利率，T表示规划周期；
第is个热电联供子系统年运行成本包括燃气轮机和燃气锅炉所消耗的燃料成本：
Figure FDA0003121044480000037
其中，
Figure FDA0003121044480000038
表示第is个热电联供子系统年运行成本包括燃气轮机和燃气锅炉所消耗的燃料成本，cgas是天然气的热值，
Figure FDA0003121044480000039
是第y种类型的燃气轮机在t时段的输出电功率，
Figure FDA00031210444800000310
是第y种类型的燃气锅炉在t时段的输出热功率，
Figure FDA00031210444800000311
和
Figure FDA00031210444800000312
是0-1变量，分别表示第is个热电联供子系统是否安装第y种类型的燃气轮机和燃气锅炉，
Figure FDA00031210444800000313
和
Figure FDA00031210444800000314
分别表示第y种类型的燃气轮机/燃气锅炉的效率，Igt和Igb分别表示备选燃气轮机和燃气锅炉的集合，Y是年规划周期，N是日调度周期，Δt是时间间隔；
(22)，基于区域热网模型，建立综合能源系统第一阶段的最优容量配置及优化运行约束条件。
3.根据权利要求2所述的一种计及节点热价的综合能源系统两阶段容量配置方法，其特征在于，步骤(22)包括：
(a)热电功率平衡约束：
Figure FDA0003121044480000041
其中，
Figure FDA0003121044480000042
表示第is个热电联供子系统在t时段所产生的电功率，
Figure FDA0003121044480000043
Figure FDA0003121044480000044
和
Figure FDA0003121044480000045
分别表示第is个热电联供子系统在t时段换热器、燃气轮机、燃气锅炉、余热回收装置所产生的热功率以及蓄热槽存储和释放的热功率；
Figure FDA0003121044480000046
和
Figure FDA0003121044480000047
分别表示第is个热电联供子系统在t时段燃气轮机的电功率以及蓄电池的充放电功率；
Figure FDA0003121044480000048
表示第is个热电联供子系统中燃气轮机的热电比；ηhe和ηhr分别表示换热器和余热回收装置的效率；
(b)设备约束方程：
Figure FDA0003121044480000049
其中，
Figure FDA00031210444800000410
和
Figure FDA00031210444800000411
分别表示第is个热电联供子系统在t时段余热回收装置和换热器所产生的最大热功率，
Figure FDA00031210444800000412
和
Figure FDA00031210444800000413
分别表示第is个热电联供子系统燃气轮机、燃气锅炉、蓄电池和蓄热槽的安装容量。
4.根据权利要求1所述的一种计及节点热价的综合能源系统两阶段容量配置方法，其特征在于，步骤(3)包括：
(31)建立区域热网的温度修正方程组：
(a)区域热网中第lij条管段的始端温度和末端温度关系如下：
Figure FDA0003121044480000051
其中，τamb表示管段周围环境温度，
Figure FDA0003121044480000052
和
Figure FDA0003121044480000053
分别表示第lij条管段的导热系数和管段长度，lij表示连接节点i和节点j的管段；
(b)对于任意节点i，从该节点流出的任意管段lij具有相同的始端温度；
Figure FDA0003121044480000054
其中，
Figure FDA0003121044480000055
表示t时段内节点i处的热媒温度；
(c)对于任意节点i，该节点的热功率平衡方程如下：
Figure FDA0003121044480000056
(d)对于任意节点i，该节点的供水温度应等于设计好的供水温度；
Figure FDA0003121044480000057
其中，τs表示设计供水温度；
(32)建立区域热网的节点热价方程，对于任意节点i，该点的节点热价包括节点产热成本和节点传输成本：
(a)对于任意节点i，该点的节点产热成本表示如下：
Figure FDA0003121044480000058
Figure FDA0003121044480000059
其中，Qi,t表示注入节点i的热功率，
Figure FDA00031210444800000510
是节点i所产生的热功率，从式(17)可知，对于热源节点，该点所产生的热功率等于热电联产子系统所产生的热功率
Figure FDA00031210444800000511
对于其他节点，该点所产生的热功率为零；Au是顺流追踪矩阵，其第i行第is列元素如下：
Figure FDA0003121044480000061
其中，
Figure FDA0003121044480000062
表示与节点i直接连接的上游节点组成的集合；
对于第is个热电联供子系统，其单位产热成本表示如下：
Figure FDA0003121044480000063
其中，
Figure FDA0003121044480000064
和
Figure FDA0003121044480000065
分别表示第is个热电联供子系统在t时段内燃气轮机和燃气锅炉所产生的热功率；cgas表示天然气的单位热值价格；
Figure FDA0003121044480000066
和
Figure FDA0003121044480000067
分别表示第is个热电联供子系统在t时段内燃气轮机和燃气锅炉生成单位热功率的产热成本；
Figure FDA0003121044480000068
和
Figure FDA0003121044480000069
分别表示第is个热电联供子系统中燃气轮机和燃气锅炉的制热效率；
Figure FDA00031210444800000610
表示第is个热电联供子系统中燃气轮机的热电比；
(b)对于任意节点i，该点的节点传输成本表示如下：
Figure FDA00031210444800000611
Figure FDA00031210444800000612
其中，Γp表示所有管段的集合，
Figure FDA00031210444800000613
是节点i的热负荷功率，从式(21)可知，对于换热站节点，该点的热负荷功率等于换热站所消耗的热功率
Figure FDA00031210444800000614
对于其他节点，该点的热负荷功率为零；Ad是逆流追踪矩阵，其第i行第ih列元素如下：
Figure FDA00031210444800000615
其中，
Figure FDA0003121044480000071
是表示与节点i直接连接的下游节点组成的集合。
Figure FDA0003121044480000072
是管段lij的单位热传输损耗成本，表示如下：
Figure FDA0003121044480000073
其中，β是权重因子，用来调整单位热传输损耗成本的大小；
(c)因此，对于节点i，该点的节点热价表示如下：
Figure FDA0003121044480000074
其中，
Figure FDA0003121044480000075
表示节点i的节点热价。
5.根据权利要求1所述的一种计及节点热价的综合能源系统两阶段容量配置方法，其特征在于，步骤(4)包括：
(41)基于需求侧响应，建立第二阶段年最优运行目标函数；
(a)第二阶段年运行费用为：
f2＝min(Cel+Chl+Cpv) (25)；
其中，f2表示第二阶段年运行费用；Cel和Chl分别表示负荷集线器的年购电和购热费用，Cpv是光伏电池的年投资费用；
(b)负荷集线器的年购电和购热费用具体如下：
Figure FDA0003121044480000076
其中，
Figure FDA0003121044480000077
表示第is个热电联供子系统的发电成本，Δt为时间间隔，Y是年规划周期，N是日调度周期，
Figure FDA0003121044480000078
表示第is个热电联供子系统在t时段所产生的电功率；
Figure FDA0003121044480000079
表示换热站节点ih的用热成本；
Figure FDA00031210444800000710
表示换热站节点ih的热功率；
(c)光伏电池的年投资费用具体如下：
Figure FDA00031210444800000711
其中，cpv表示光伏电池的单位投资费用，ηpv表示光伏电池的效率，Apv表示光伏电池的安装面积，Θpv表示光伏电池的集合，ip表示第ip个光伏电池节点，π表示利率，T表示规划周期；
(42)建立设备约束方程：
(a)光伏电池在t时段产生的电功率满足以下约束方程：
Figure FDA0003121044480000081
其中，
Figure FDA0003121044480000082
表示光伏电池在t时段所产生电功率用于供电；
Figure FDA0003121044480000083
表示负荷集线器利用光伏所发电功率用于电制热，供给第ih个换热站节点的热负荷；ppv表示光伏电池的单位额定功率；Apv表示光伏电池的总安装面积；ηpv表示光伏电池的效率；Itt表示光照辐射强度；
Figure FDA0003121044480000084
表示负荷集线器通过电制热供给第ih个换热站节点的最大热负荷；
(b)在需求侧响应中考虑负荷集线器采用光伏所发电功率进行电制热，因此对于第ih个换热站节点的热负荷更新如下：
Figure FDA0003121044480000085
其中，
Figure FDA0003121044480000086
表示第ih个换热站节点在t时段的初始预测热负荷，COPh,air表示中央空调制热系数。
6.根据权利要求1所述的一种计及节点热价的综合能源系统两阶段容量配置方法，其特征在于，步骤(5)包括：
(51))初始化热网温度，预测电热冷负荷数据；
(52)基于区域热网运行约束模型，结合负荷数据及各种设备参数，求解第一阶段的目标函数，获取热网中热媒流量及相应热功率和热损耗；
(53)基于区域热网温度修正方程组，节点热价方程，求解节点热/冷价；
(54)将节点热价作为输入变量，并结合需求侧响应方法，求解第二阶段的目标函数及并更新电热冷负荷数据；
(55)判断相邻两次迭代的温差是否小于误差要求，若达到要求则终止迭代，得到综合能源系统的最优配置容量；否则将更新的热网温度以及电热冷负荷数据返回步骤(52)继续迭代。
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