CN110137953A - 基于分布式能源站多能源系统的协同运行优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于分布式能源站多能源系统的协同运行优化方法，包括以下步骤：S1、建立协同运行优化策略；S2、确定各个设备的运行参数；S3、搭建仿真模型，进行仿真；S4、进行系统状态计算，检验系统是否满足约束条件，若满足约束条件，则执行步骤S6，若不满足约束条件，则进行下一步；S5、对优化策略进行优化，直至系统满足约束条件；S6、对系统进行综合评估指标计算；S7、判断多能源系统是否满足优化要求，若满足优化要求，则执行步骤S9，若不满足优化要求，则进行下一步；S8、对优化策略进行优化提升，直至系统满足优化要求；S9、输出验证结果。通过本方法可以检验优化多能源系统的整体性能，具有针对性强、评定结果可靠等优点。

Description

基于分布式能源站多能源系统的协同运行优化方法

技术领域

本发明属于分布式供能系统运行优化技术领域，具体涉及一种基于分布式能源站多能源系 统的协同运行优化方法。

背景技术

分布式低碳电源和微电网的其中一大优势就是可以提高电力系统的抗灾能力。在特殊时 期，微电网能够保证人民的最基本生活条件和能源供应。因此，我们在坚定不移的发展特高压 大电网的同时，也要注重建设低碳电源与微电网。与此同时，低碳分布式电源和微电网也还能 降低电力系统的投资和运营成本，大型电站与分布式微型电站的结合可以减少电力的传输距 离，可以降低电网公司在输配电线路上的投资，能够提升电力系统的安全性和经济性。

发明内容

针对以上情况，本发明提供一种基于分布式能源站多能源系统的协同运行优化方法，通过 确定单个能源站的协同运行优化策略，进而搭建了能源站多能源系统的仿真模型，同时对运行 仿真模型后得到的能源站内各子系统的运行参数，进行系统状态计算，提出了基于能效、经济 和环境的综合性能评价指标以及其计算方法，从而检验优化策略下多能源系统的整体性能，具 有针对性强、仿真程度高、评定结果可靠的优点，为促进了我国能源的优化利用，提升我国电 力系统的安全性和经济性做出了积极贡献。

本发明提供一种基于分布式能源站多能源系统的协同运行优化方法，其包括以下步骤：

S1、建立不同工况下单个能源站内多能源系统的初始协同运行优化策略；

S2、确定所述初始协同运行优化策略下能源站多能源系统中各个设备的运行参数、容量配 置参数和拓扑连接方式；

S3、搭建能源站多能源系统的仿真模型，进行运行仿真；

S4、对运行仿真模型后得到的能源站内各子系统的运行参数，进行系统状态计算，检验各 子系统以及多能源系统是否满足约束条件，若满足约束条件，则确定优化策略并执行步骤S6， 若不满足约束条件，则进行下一步；

S5、对所述初始协同运行优化策略进行进一步优化，重复步骤S2至步骤S4，直至各子系 统以及能源站多能源系统满足约束条件获得优化策略，则进行下一步；

S6、对多能源系统进行综合评估指标计算，检验优化策略下多能源系统的整体性能；

S7、根据初步验证结果，判断多能源系统是否满足优化要求，若满足优化要求，则执行步 骤S9，若不满足优化要求，则进行下一步；

S8、对优化策略进行进一步优化提升，重复步骤S2至步骤S7，直至多能源系统的验证结 果满足优化要求，则获得改进后优化策略并进行下一步；以及

S9、输出验证结果，完成能源站多能源系统的协同运行优化。

进一步地，所述步骤S3中搭建能源站多能源系统的仿真模型包括以下步骤：

S31、搭建能源站能源设备的能量转化模型和运行控制模型；

S32、根据能量转化和运行控制要求，结合不同工况下的效率和影响因素，建立输入输出 的稳态模型，并建立各设备元件模型之间的拓扑连接关系；

S33、根据步骤S1提出的协同运行优化策略，对仿真模型进行仿真参数设置；以及

S34、搭建能源站多能源系统的可视化展示和操作模块，对仿真结果进行分析以及可视化 展示。

优选地，所述步骤S4中约束条件包括设备约束、网络约束、负荷约束和资源约束。

优选地，所述步骤S6中综合评估指标包括能效指标、经济指标和环境性能指标。

优选地，所述步骤S34中可视化展示和操作模块包括自定义模型操作模块、典型案例库模 块和结果分析以及展示模块。

进一步地，所述能效指标包括三个评价指标，所述三个评价指标具体为一次能源利用率、 一次能源消耗量和效率，

一次能源利用率：

式中，w为系统的发电量，Q_c为制冷量，Q_h为制热量，Q为一次能源消耗量；

一次能源消耗量：

PEC＝E_gridσ_e+F_mσ_f；

式中，σ_e和σ_f分别为从电网上购买的每千瓦电力和消耗每千瓦电力时燃料所对应的一次 能源转换系数；以及

效率：

式中，E_out为系统或设备的输出E_in为系统或设备的输入

进一步地，所述经济指标包括两个评价指标，所述两个评价指标具体为投资回收期和年度 化费用，

投资回收期：

式中，F为系统的初投资总额，A为每年的净收益；

年度化费用：

COST＝E_gridC_e+F_mC_f+F_mμ_fC_c；

式中，F_m和E_grid分别为冷热电联供电系统消耗的总的燃料量和从电网购买的电量，C_e和 C_f分别表示从电网购买电力的价格和燃料的价格，C_c表示二氧化碳排放税。

进一步地，所述环境性能评价指标的表达式为：

CDE_CCHP＝E_gridμ_e+F_mμ_f；

式中，E_grid为冷热电联供电系统消耗的总燃料量，F_m为电量，μ_f为每千瓦能量燃料，μ_e为 消耗每千瓦电力时所对应的二氧化碳排放量的转换系数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供一种基于分布式能源站多能源系统的协同运行优化方法，克服了现有技术的不 足，通过确定单个能源站的协同运行优化策略，进而搭建了能源站多能源系统的仿真模型，同 时对运行仿真模型后得到的能源站内各子系统的运行参数，进行系统状态计算，提出了基于能 效、经济和环境的综合性能评价指标以及其计算方法，从而检验优化策略下多能源系统的整体 性能，具有针对性强、仿真程度高、评定结果可靠的优点，为促进了我国能源的优化利用，提 升我国电力系统的安全性和经济性做出了积极贡献。

附图说明

图1为本发明协同运行优化方法的流程图；

图2为本发明协同运行优化方法的搭建仿真模型流程图；

图3为本发明协同运行优化方法的可视化展示和操作模块界面示意图；

图4为本发明协同运行优化方法的综合评估指标示意图；

图5为本发明协同运行优化方法的能源站供给网络节点间能源互济方案示意图；

图6为本发明协同运行优化方法的能源站分配系数优化结果示意图；

图7为本发明协同运行优化方法的能源站吸收的电功率变化情况示意图；

图8为本发明协同运行优化方法的能源站吸收的天然气功率变化情况示意图；

图9为本发明协同运行优化方法的天然气系统末节点压力变化情况示意图；以及

图10为本发明协同运行优化方法的能源站供给成本优化结果示意图。

主要附图标记：

可视化展示和操作模块1；自定义模型操作模块101；典型案例库模块102；结果分析以 及展示模块103；居民区2；天然气系统3；Ⅰ型能源站4；Ⅱ型能源站5；电力系统6；商业区7；光伏8；风机9；能效指标91；一次能源利用率901；一次能源消耗量902；效率903； 经济指标92；投资回收期904；年度化费用905；环境性能指标93。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详 细说明。

本发明提供一种基于分布式能源站多能源系统的协同运行优化方法，如图1所示，包括以 下步骤：

S1、建立不同工况下单个能源站内多能源系统的初始协同运行优化策略；

S2、确定初始协同运行优化策略下能源站多能源系统中各个设备的运行参数、容量配置参 数和拓扑连接方式；

S3、搭建能源站多能源系统的仿真模型，进行运行仿真；

S4、对运行仿真模型后得到的能源站内各子系统的运行参数，进行系统状态计算，检验各 子系统以及多能源系统是否满足约束条件，若满足约束条件，则确定优化策略并执行步骤S6， 若不满足约束条件，则进行下一步；

S5、对初始协同运行优化策略进行进一步优化，重复步骤S2至步骤S4，直至各子系统以 及能源站多能源系统满足约束条件获得优化策略，则进行下一步；

S6、对多能源系统进行综合评估指标计算，检验优化策略下多能源系统的整体性能；

S7、根据初步验证结果，判断多能源系统是否满足优化要求，若满足优化要求，则执行步 骤S9，若不满足优化要求，则进行下一步；

S8、对优化策略进行进一步优化提升，重复步骤S2至步骤S7，直至多能源系统的验证结 果满足优化要求，则获得改进后优化策略并进行下一步；以及

S9、输出验证结果，完成能源站多能源系统的协同运行优化。

如图2所示，搭建能源站多能源系统的仿真模型包括以下步骤：

S31、搭建能源站能源设备的能量转化模型和运行控制模型；

S32、根据能量转化和运行控制要求，结合不同工况下的效率和影响因素，建立输入输出 的稳态模型，并建立各设备元件模型之间的拓扑连接关系；

S33、根据步骤S1提出的协同运行优化策略，对仿真模型进行仿真参数设置；以及

S34、搭建能源站多能源系统的可视化展示和操作模块，对仿真结果进行分析以及可视化 展示。

如图3所示，可视化展示和操作模块1包括自定义模型操作模块101、典型案例库模块102 和结果分析以及展示模块103。

如图4所示，综合评估指标包括能效指标91、经济指标92和环境性能指标93：

(1)能效指标

能效指标91包括三个评价指标，三个评价指标具体为一次能源利用率901、一次能源消耗 量902和效率903。

1)一次能源利用率：

式中，w为系统的发电量，Q_c为制冷量，Q_h为制热量，Q为一次能源消耗量；

2)一次能源消耗量：

PEC＝E_gridσ_e+F_mσ_f；

式中，σ_e和σ_f分别为从电网上购买的每千瓦电力和消耗每千瓦电力时燃料所对应的一次 能源转换系数；以及

3)效率：

式中，E_out为系统或设备的输出E_in为系统或设备的输入

(2)经济指标

经济指标92包括两个评价指标，两个评价指标具体为投资回收期904和年度化费用905。

1)投资回收期：

式中，F为系统的初投资总额，A为每年的净收益；

2)年度化费用：

COST＝E_gridC_e+F_mC_f+F_mμ_fC_c；

式中，F_m和E_grid分别为冷热电联供电系统消耗的总的燃料量和从电网购买的电量，C_e和 C_f分别表示从电网购买电力的价格和燃料的价格，C_c表示二氧化碳排放税。

(3)环境性能评价指标：

CDE_CCHP＝E_gridμ_e+F_mμ_f；

式中，E_grid为冷热电联供电系统消耗的总燃料量，F_m为电量，μ_f为每千瓦能量燃料，μ_e为 消耗每千瓦电力时所对应的二氧化碳排放量的转换系数。

实施例1

本发明提供的一种基于分布式能源站多能源系统的协同运行优化方法，如图1～4所示，包 括以下步骤：

S1、建立不同工况下单个能源站内多能源系统的初始协同运行优化策略；

S2、确定初始协同运行优化策略下能源站多能源系统中各个设备的运行参数、容量配置参 数和拓扑连接方式；

S3、搭建能源站多能源系统的仿真模型，进行运行仿真；

S4、对运行仿真模型后得到的能源站内各子系统的运行参数，进行系统状态计算，检验各 子系统以及多能源系统是否满足约束条件，若满足约束条件，则确定优化策略并执行步骤S6， 若不满足约束条件，则进行下一步；

S5、对初始协同运行优化策略进行进一步优化，重复步骤S2至步骤S4，直至各子系统以 及能源站多能源系统满足约束条件获得优化策略，则进行下一步；

S6、对多能源系统进行综合评估指标计算，检验优化策略下多能源系统的整体性能；

S7、根据初步验证结果，判断多能源系统是否满足优化要求，若满足优化要求，则执行步 骤S9，若不满足优化要求，则进行下一步；

S8、对优化策略进行进一步优化提升，重复步骤S2至步骤S7，直至多能源系统的验证结 果满足优化要求，则获得改进后优化策略并进行下一步；以及

S9、输出验证结果，完成能源站多能源系统的协同运行优化。

具体的，搭建能源站多能源系统的仿真模型包括以下步骤：

S31、搭建能源站能源设备的能量转化模型和运行控制模型；

S32、根据能量转化和运行控制要求，结合不同工况下的效率和影响因素，建立输入输出 的稳态模型，并建立各设备元件模型之间的拓扑连接关系；

S33、根据步骤S1提出的协同运行优化策略，对仿真模型进行仿真参数设置；以及

S34、搭建能源站多能源系统的可视化展示和操作模块，对仿真结果进行分析以及可视化 展示。

进一步地，本发明中综合评估指标包括能效指标91、经济指标92和环境性能指标93，

(1)能效指标

能效指标91包括三个评价指标，三个评价指标具体为一次能源利用率901、一次能源消耗 量902和效率903。

1)一次能源利用率：

式中，w为系统的发电量，Q_c为制冷量，Q_h为制热量，Q为一次能源消耗量；

2)一次能源消耗量：

PEC＝E_gridσ_e+F_mσ_f；

式中，σ_e和σ_f分别为从电网上购买的每千瓦电力和消耗每千瓦电力时燃料所对应的一次 能源转换系数；以及

3)效率：

式中，E_out为系统或设备的输出E_in为系统或设备的输入

对于不同的热工系统或设备，选取不同的收益和耗费其效率的形式可能是不同的。 对于某一具体的热工系统或设备，究竟取哪种形式的效率作为效率，要视热工系统或设备的 任务、所分析的目标以及工作条件而定。对于在冷热电联供系统中常用的热工设备或装置，其 效率计算如下：

①原动装置

在各类型的原动装置中，工质经历循环或某一特定过程，对外所作的功为收益所消耗 的各种形式能量中的值为耗费燃气轮机作为直接由燃料驱动的原动装置，其效率为：

式中，W为装置对外做的净功，E_f为所消耗燃料的值，m_f为燃料的质量流量，e_xf为燃 料的化学

②供热装置

供热装置提供热量为收益所消耗的各种能量中的为耗费对于锅炉，其效率为：

式中，E₁和E₂分别为锅炉中出口水蒸汽与给水的值，E_f为燃料的值。

对于热泵，其效率为：

式中，W_in为耗电量或热泵的耗功量。

③制冷循环装置

制冷循环中，收益为冷量而耗费是各种能量中的如电功(蒸汽压缩式制冷)、 热量(吸收式或吸附式制冷)等。对于溴化锂吸收式冷温水机，其效率为：

④耗功装置

对于如压缩机、风机或泵等耗功装置，都是利用外界输入功来改变工质状态，因而工质差(E₂-E₁)为收益，外界输入的功W_in为消耗其效率为：

(2)经济指标

经济指标92包括两个评价指标，两个评价指标具体为投资回收期904和年度化费用905。

1)投资回收期：

式中，F为系统的初投资总额，A为每年的净收益；

2)年度化费用：

COST＝E_gridC_e+F_mC_f+F_mμ_fC_c；

式中，F_m和E_grid分别为冷热电联供电系统消耗的总的燃料量和从电网购买的电量，C_e和 C_f分别表示从电网购买电力的价格和燃料的价格，C_c表示二氧化碳排放税。

(3)环境性能评价指标：

CDE_CCHP＝E_gridμ_e+F_mμ_f；

式中，E_grid为冷热电联供电系统消耗的总燃料量，F_m为电量，μ_f为每千瓦能量燃料，μ_e为 消耗每千瓦电力时所对应的二氧化碳排放量的转换系数。

本发明中，综合评估指标的计算包括以下步骤：

(1)指标归一化

将m个参与评价的系统方案，记为Y＝[y₁,y₂,...,y_n]，同时设有n个评价指标，记为X＝[x₁,x₂,...,x_n]，方案y_i对应的第j个指标可用a_ij表示，可得到m个系统方案的m×n个评价 指标构成的指标矩阵A＝[a_ij]_m×n，即：

利用式对指标矩阵进行归一化计算；

计算第i个方案下的第j个指标的指标值比重P_ij，

(2)确定指标信息熵

若某个指标的熵值越小，则说明该指标的变异程度越大，所提供的信息量越多，在综合评 价中该指标起的作用越大，其权重应该越大，反之亦然。

第j个指标的信息熵为式中

(3)确定熵权和评价结果

第j个指标的w_j熵权可根据信息熵计算公式求得

第i个系统方案的综合评价值为

如图5所示，能源站采用I型能源站4与II型能源站5，电力系统6为IEEE37节点配电系统，电力系统6的724节点与II型能源站5相连，728节点与I型能源站4相连，731、 737、741节点接有光伏8，729、735节点接有风机9，天然气系统3为11节点低压配气系统， 天然气系统的节点N3、N4分别通过I型能源站4、II型能源站5与电力系统6耦合，I型能 源站4和II型能源站5的负荷终端为业态丰富的商业区7与居民区2，用能需求主要由电力 与热力构成。电力与天然气能量流主要通过集中式供电/气形式满足负荷需求，由PEC与CHP 共同供应；热负荷受地理因素限制，借助电力与天然气系统通过电锅炉、燃气锅炉等组件进行 分布式供热。

如图6所示，为本发明通过上述步骤进行优化分析得到的能源站供给网络节点间能源互济 方案的运行状况。

如图7～9所示，I型能源站4在晚用电高峰19:00-21:00期间，由于电价较高，为了降低 经济成本，I型能源站4主要通过CHP燃烧天然气满足电负荷需求，此时I型能源站4的天然 气吸收功率达到峰值，电功率吸收最低且为负值。因此，晚用电高峰期间I型能源站4优先选 择天然气满足用能需求，此时P_el＜0表明能源站向电力系统输送电功率，通过天然气系统满足 热、电负荷需求。I型能源站4在热负荷高峰15:00-17:00期间，由于EB制热效率高于CHP 气转热效率，此时I型能源站4热负荷供应主要由电力承担，分配系数v₁＝0，倾向于购电满足 热负荷需求降低运行成本。

具体的，I型能源站4在7:00-9:00电负荷早高峰期间，电力需求通过天然气以CHP形式 供应，此时天然气吸收功率达峰值，在满足电负荷的同时向配电系统输送功率。随时间推移， 电力、热力负荷增大，受限于CHP容量，天然气供应权重减小，电力供应权重上升。热负荷 高峰4:00时刻，由于CHP容量限制，此时单纯依靠CHP供能无法满足热力需求，少量热力 负荷需求通过GB满足，主要通过调节分配系数v₂使其数值降低来实现。

如图10所示，在考虑能源站合理配置的基础上，通过电力系统与天然气系统多能流的互 补互济，以及能源站对能源网络的输出功率调节，可以实现电、气、热等多能流的最优分配， 有效降低能源站供给网络节点间能源的运行成本，全天能源成本降低了约51.84％，系统经济性 获得显著提升。

本发明提供一种基于分布式能源站多能源系统的协同运行优化方法，克服了现有技术的不 足，通过确定单个能源站的协同运行优化策略，进而搭建了能源站多能源系统的仿真模型，同 时对运行仿真模型后得到的能源站内各子系统的运行参数，进行系统状态计算，提出了基于能 效、经济和环境的综合性能评价指标以及其计算方法，从而检验优化策略下多能源系统的整体 性能，具有针对性强、仿真程度高、评定结果可靠的优点，为促进了我国能源的优化利用，提 升我国电力系统的安全性和经济性做出了积极贡献。

以上所述是本申请的优选实施方式，不以此限定本发明的保护范围，应当指出，对于该技 术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些 改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于分布式能源站多能源系统的协同运行优化方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1、建立不同工况下单个能源站内多能源系统的初始协同运行优化策略；

S2、确定所述初始协同运行优化策略下能源站多能源系统中各个设备的运行参数、容量配置参数和拓扑连接方式；

S3、搭建能源站多能源系统的仿真模型，进行运行仿真；

S4、对运行仿真模型后得到的能源站内各子系统的运行参数，进行系统状态计算，检验各子系统以及多能源系统是否满足约束条件，若满足约束条件，则确定优化策略并执行步骤S6，若不满足约束条件，则进行下一步；

S5、对所述初始协同运行优化策略进行进一步优化，重复步骤S2至步骤S4，直至各子系统以及能源站多能源系统满足约束条件获得优化策略，则进行下一步；

S6、对多能源系统进行综合评估指标计算，检验优化策略下多能源系统的整体性能；

S7、根据初步验证结果，判断多能源系统是否满足优化要求，若满足优化要求，则执行步骤S9，若不满足优化要求，则进行下一步；

S8、对优化策略进行进一步优化提升，重复步骤S2至步骤S7，直至多能源系统的验证结果满足优化要求，则获得改进后优化策略并进行下一步；以及

S9、输出验证结果，完成能源站多能源系统的协同运行优化。

2.根据权利要求1所述的基于分布式能源站多能源系统的协同运行优化方法，其特征在于，所述步骤S3中搭建能源站多能源系统的仿真模型包括以下步骤：

S31、搭建能源站能源设备的能量转化模型和运行控制模型；

S32、根据能量转化和运行控制要求，结合不同工况下的效率和影响因素，建立输入输出的稳态模型，并建立各设备元件模型之间的拓扑连接关系；

S33、根据步骤S1提出的协同运行优化策略，对仿真模型进行仿真参数设置；以及

S34、搭建能源站多能源系统的可视化展示和操作模块，对仿真结果进行分析以及可视化展示。

3.根据权利要求1或者2所述的基于分布式能源站多能源系统的协同运行优化方法，其特征在于，所述步骤S4中约束条件包括设备约束、网络约束、负荷约束和资源约束。

4.根据权利要求1所述的基于分布式能源站多能源系统的协同运行优化方法，其特征在于，所述步骤S6中综合评估指标包括能效指标、经济指标和环境性能指标。

5.根据权利要求2所述的基于分布式能源站多能源系统的协同运行优化方法，其特征在于，所述步骤S34中可视化展示和操作模块包括自定义模型操作模块、典型案例库模块和结果分析以及展示模块。

6.根据权利要求1或4所述的基于分布式能源站多能源系统的协同运行优化方法，其特征在于，所述能效指标包括三个评价指标，所述三个评价指标具体为一次能源利用率、一次能源消耗量和效率，

一次能源利用率：

式中，w为系统的发电量，Q_c为制冷量，Q_h为制热量，Q为一次能源消耗量；

一次能源消耗量：

PEC＝E_gridσ_e+F_mσ_f；

式中，σ_e和σ_f分别为从电网上购买的每千瓦电力和消耗每千瓦电力时燃料所对应的一次能源转换系数；以及

效率：

式中，E_out为系统或设备的输出E_in为系统或设备的输入

7.根据权利要求1或4所述的基于分布式能源站多能源系统的协同运行优化方法，其特征在于，所述经济指标包括两个评价指标，所述两个评价指标具体为投资回收期和年度化费用，

投资回收期：

式中，F为系统的初投资总额，A为每年的净收益；

年度化费用：

COST＝E_gridC_e+F_mC_f+F_mμ_fC_c；

式中，F_m和E_grid分别为冷热电联供电系统消耗的总的燃料量和从电网购买的电量，C_e和C_f分别表示从电网购买电力的价格和燃料的价格，C_c表示二氧化碳排放税。

8.根据权利要求1或4所述的基于分布式能源站多能源系统的协同运行优化方法，其特征在于，所述环境性能评价指标的表达式为：

CDE_CCHP＝E_gridμ_e+F_mμ_f；

式中，E_grid为冷热电联供电系统消耗的总燃料量，F_m为电量，μ_f为每千瓦能量燃料，μ_e为消耗每千瓦电力时所对应的二氧化碳排放量的转换系数。