CN109543889A - 一种区域综合能源系统日前协同优化运行方法 - Google Patents

一种区域综合能源系统日前协同优化运行方法 Download PDF

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朱少杰
唐宇
牛曼
袁晓玲
邹徐欢
章晶晶
于佳悦
王鹤
丁晓
杨斌
潘雨晴
阮文骏
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State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种区域综合能源系统日前协同优化运行方法，首先，分析区域综合能源系统结构，确定优化范围；其次，基于优化范围，提取多能源供给系统中能源生产和转换设备的输入输出特性和冷、热、电多种能源的输送、分配和使用特性，并在此基础上建立各设备的数学模型；然后，构建以区域多能源供给系统运行费用最少为目标的运行优化模型；最后，输入系统参数、设备参数和负荷预测数据，并对目标函数进行优化求解，得出区域综合能源系统日前协同优化运行方案。本发明通过区域综合能源系统中冷、热、电多种能源协调优化运行，提高能源使用效率，降低区域综合能源系统运行费用。

Description

一种区域综合能源系统日前协同优化运行方法
技术领域
本发明属于综合能源系统优化运行技术领域，特别涉及一种以经济性为优化目标的区域综合能源系统日前协同优化运行方法。
技术背景
随着传统化石能源枯竭与能源大量需求的矛盾日渐加剧，能源供应可靠性、环境友好性等问题受到了广泛关注，而现有冷、热、电等形式能量供应普遍存在低能源利用效率、分散化配置、高供能成本等情况，使得能源和环境已经成为制约国民经济可持续发展的主要瓶颈。电力系统、热力系统和燃气系统的物理特性互补性强,充分发挥各个供能系统的互补优势，可提高能源综合利用效率、促进可再生能源的消纳，方便向用户提供更加安全、经济、方便的能源电力服务。多能源供给系统是集电力、天然气、热能、冷能供应为一体的新一代能源系统，对优化能源结构、高效利用各类能源和大比例消纳可再生能源有重要的推动作用，是未来能源发展重要趋势。
多能源供给系统作为能源互联网中的重要组成物理部分，可以为多种能源协同、综合利用提供技术支撑，具体涉及电力、燃气、热力和冷力等不同物理属性能源的综合供应。多能源供给系统具有多重耦合特性。首先，多联供等能流生产、转换装置可将不同能源系统联系起来，且其输出各种能量流的比例在一定范围内可控可调；其次，由于多元独立储能元件和双向转换储能元件的存在，使得多能源网络耦合关系大大增强，且可以根据负荷需求自由转换；最后，在多能利用环节存在多种电能替代设备，增加了用户在多能源之间的选择自由。多重耦合特性的存在大大增加了多能源供给系统建模的复杂度和优化运行策略制定的难度，传统单能源系统研究方法已无法适用于多能源供给系统的研究需求。因此，基于电力、燃气、热力和冷力等能源生产、转换、传输、利用的物理属性，考虑多重耦合特性，研究多能源供给系统设备、网络建模方法以及优化运行策略，对发展综合能源系统具有重要意义。
发明内容
发明目的：本发明提出一种区域综合能源系统日前协同优化运行方法，能提高能源使用效率，响应能源价格机制，降低区域综合能源系统终端供能费用。
发明内容：本发明所述的一种区域综合能源系统日前协同优化运行方法，包括以下步骤：
(1)分析区域综合能源系统结构，确定优化范围；
(2)基于优化范围，提取多能源供给系统中能源生产和转换设备的输入输出特性和冷、热、电多种能源的输送、分配和使用特性，并在此基础上建立各设备的数学模型；
(3)构建以区域多能源供给系统运行费用最少为目标的运行优化模型；
(4)输入系统参数、设备参数和负荷预测数据，并对目标函数进行优化求解，得出区域综合能源系统日前协同优化运行方案。
步骤(2)所述的设备主要包括燃气轮机、燃气锅炉、风力发电机、光伏电池、余热锅炉、电锅炉、电制冷设备、溴化锂制冷机组、电网交互功率、电储能、热储能、冷储能。
步骤(3)所述运行优化模型的目标函数为
min C＝Cf+Cex+Cst+Cw
其中，Cf为天然气消耗费用：
Cex为区域综合能源系统与电网的功率交互费用：
Cst为区域综合能源系统中部分机组的启停费用：
Cw为区域综合能源系统中所有设备的维护费用：
步骤(3)所述运行优化模型的约束条件为：
其中，和分别是冷热电联供系统在t时段的电负荷、热负荷和冷负荷；Pwind(t)和Ppv(t)分别是t时段风力发电和光伏发电出力。
步骤(4)所述的预测数据为次日96个时段冷热电负荷数据和风光发电出力数据。
有益效果：与现有技术比，本发明的有益效果为：1、可以有效降低区域综合能源系统的运行费用；通过能源的梯级利用，提高一次能源利用率；2、由于冷、热、电储能设备的引入，解耦了能源生产和消耗之间的瞬时平衡约束，提高了风光可再生能源利用率。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明中区域综合能源系统结构图；
图3为分时电价图；
图4为可再生能源发电出力和冷、热、电负荷预测曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本发明提供的种区域综合能源系统日前协同优化运行方法，包括下列步骤：
1、分析区域综合能源系统结构，如图2所示，确定优化范围。
其中优化范围是指系统可以优化的对象，包括：燃气轮机(Gas Turbine,GT)、燃气锅炉(Gas Boiler,GB)、风力发电机(Wind Turbine,WT)、光伏电池(Photovoltaic,PV)、余热锅炉(Steam Generator,SG)、电锅炉(Electrical Boiler,EB)、电制冷设备(AirConditioner,AC)、溴化锂制冷机组(LiBr Refrigeration,LR)、电网交互功率(Grid)、电储能(Electric Energy Storage,ES)、热储能(Heat Storage,HS)、冷储能(Cool Storage,CS)。
2、基于优化范围，提取多能源供给系统内设备运行特性和能流特性，在此基础上建立多能源供给系统中各设备的数学模型，其中区域综合能源系统设备运行特性是指区域综合能源系统中能源生产和转换设备的输入输出特性，能流特性是指冷、热、电多种能源的输送、分配和使用特性。
所涉及的设备模型建立如下：
燃气轮机是冷、热、电联供系统的主要设备，其模型如下：
式中：Qgt(t)分别是燃气轮机冷热电联供机组在t时段的发电功率、发电量、余热输出功率、余热输出量；Δt是优化运行时段的时长；和ηgt(t)是燃气轮机冷热电联供机组在t时段的发电功率标幺值和发电效率；ai,bi,ci,di是燃气轮机效率系数；qLVH是天然气燃烧的低热值，取9.7kWh/m3；σgt是燃气轮机的热耗散率，取0.05。
高温余热锅炉：
式中，是余热锅炉的热输出功率；ηhr余热锅炉的热回收效率。.
燃气锅炉：
式中，Qgb(t)和是燃气锅炉在时段t的燃气消耗量和热输出功率；ηgb是燃气锅炉的热输出功率。
冷、热、电储能设备模型：
式中，E(·)(t)和E(·)(t-1)代表储能设备在时段t和时段t-1的储能量；es,hs和cs分别代表电储能、热储能和冷储能；和是时段t储能充电和放电功率；和分别是储能的充能和放能效率；σ(·)是自耗能效率。
电锅炉：
式中，是电锅炉热输出功率；电锅炉的耗电功率；ηeb是电锅炉的产热效率；
溴化锂制冷机：
式中，是溴化锂制冷机组的输出冷功率；是溴化锂制冷机组的输入热功率；ηlr溴化锂制冷机组的转换效率。
电制冷：
式中，是电制冷的输出功率；是电制冷的输入功率；ηac是电制冷的效率系数。
各设备的约束条件：
联络线交互功率约束：
式中，Pex,min和Pex,max是区域综合能源系统和大电网之间能量交互的最小和最大传输功率。
多元储能约束：
式中，和分别是储能m的最大充放能倍率；μmin.m和μmax.m分别是储能m的最小和最大荷电状态；Capes.m储能m的最大容量；P(·).m和E(·).m分别是时段t储能的充(放)能功率和充(放)能量；E(·).m(0)和E(·).m(T)分别是一天最开始和最后储能m的储能量。.
可控设备出力约束：
式中，是冷、热、电设备i在t时段的输出功率；和是设备i的最小和最大输出功率。
燃气轮机上下坡速率约束：
式中，和分别是燃气轮机的最大上、下坡速率。
3、构建以区域多能源供给系统运行费用最少为目标的运行优化模型
(1)经济性运行的目标函数为
minC＝Cf+Cex+Cst+Cw
其中，Cf为天然气消耗费用：
其中，Cex为区域综合能源系统与电网的功率交互费用：
其中，Cst为区域综合能源系统中部分机组的启停费用：
其中，Cw为区域综合能源系统中所有设备的维护费用：
(2)约束条件为：
冷热电能量平衡约束：
式中，和分别是冷热电联供系统在t时段的电负荷、热负荷和冷负荷；Pwind(t)和Ppv(t)分别是t时段风力发电和光伏发电出力。.
4、输入系统参数、设备参数和负荷预测数据，采用数学规划软件CPLEX对目标函数进行优化求解，得出区域综合能源系统日前协同优化运行方案，其中预测数据是次日96时段冷热电负荷数据和风光发电出力数据，在此处各时段为给定值。
分时电价如图3所示，一天96时段冷、热、电负荷及风力发电、光伏发电出力数据如图4所示，区域综合能源系统内各相关设备参数见表1、表2。
表1设备参数
表2储能设备参数
借助CPLEX优化软件可得，优化运行结果见表3所示，此处加入传统独立系统运行一天的费用，以作对比。
表3运行费用(单位：元)
从以上优化运行结果可以明显看出，本发明所提方法对经济性提高有着显著作用。
以上技术方案仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种区域综合能源系统日前协同优化运行方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)分析区域综合能源系统结构，确定优化范围；
(2)基于优化范围，提取多能源供给系统中能源生产和转换设备的输入输出特性和冷、热、电多种能源的输送、分配和使用特性，并在此基础上建立各设备的数学模型；
(3)构建以区域多能源供给系统运行费用最少为目标的运行优化模型；
(4)输入系统参数、设备参数和负荷预测数据，并对目标函数进行优化求解，得出区域综合能源系统日前协同优化运行方案。
2.根据权利要求1所述的一种区域综合能源系统日前协同优化运行方法，其特征在于，步骤(2)所述的设备主要包括燃气轮机、燃气锅炉、风力发电机、光伏电池、余热锅炉、电锅炉、电制冷设备、溴化锂制冷机组、电网交互功率、电储能、热储能、冷储能。
3.根据权利要求1所述的一种区域综合能源系统日前协同优化运行方法，其特征在于，步骤(3)所述运行优化模型的目标函数为
minC＝Cf+Cex+Cst+Cw
其中，Cf为天然气消耗费用：
Cex为区域综合能源系统与电网的功率交互费用：
Cst为区域综合能源系统中部分机组的启停费用：
Cw为区域综合能源系统中所有设备的维护费用：
4.根据权利要求1所述的一种区域综合能源系统日前协同优化运行方法，其特征在于，步骤(3)所述运行优化模型的约束条件为：
其中，和分别是冷热电联供系统在t时段的电负荷、热负荷和冷负荷；Pwind(t)和Ppv(t)分别是t时段风力发电和光伏发电出力。
5.根据权利要求1所述的一种区域综合能源系统日前协同优化运行方法，其特征在于，步骤(4)所述的预测数据为次日96个时段冷热电负荷数据和风光发电出力数据。
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