CN110197300A - 基于年综合费用最小的经开区综合能源系统规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提一种出基于年综合费用最小的经开区综合能源系统规划方法，考虑不同季节典型日的经开区用能需求特征并预测负荷变化趋势，以包含投资等值年成本、年运行维护费用和环境保护成本的年综合费用最小为经开区能源规划目标，通过迭代计算各方案的投资等值年成本、年运行维护费用和环境保护成本，得到经开区能源系统最优规划方案，方案包括包括系统中各设备的装机容量配置策略，经开区综合能源系统的最优拓扑结构以及典型日内的经开区能源系统运行调度策略，以解决目前经开区电、冷、热、蒸汽能源建设分别按最大负荷规划存在的问题。

Description

基于年综合费用最小的经开区综合能源系统规划方法
技术领域
本发明属于综合能源系统规划技术领域，尤其涉及一种基于年综合费用最小的经开区综合能源系统规划方法。
背景技术
经济技术开发区(以下简称经开区)是能源消耗密集区，对电、冷、热、蒸汽能源的需求大。目前经开区内的电、冷、热、蒸汽能源系统建设、运行和管理分别由不同的部门负责，建设规划也分别由不同的部门自行制定,以致经开区能源系统存在能源利用率低、建设投资大、投资效益差等问题。近年，国家电网公司提出了建设综合能源系统、综合能源服务战略，经开区是综合能源系统建设重点目标之一，做好经开区能源建设规划对提高能源利用率、能源建设效益以及节能减排都具有重要的意义。
针对目前经开区能源系统的建设，对电、冷、热、蒸汽能源分别按经开区最大负荷进行规划，造成的能源系统的建设投资大、能源综合利用率低、投资效益差等问题，本发明考虑经开区企业不同季节的能源需求特征、各种能源的耦合与替代作用以及设备的运行时序等因素，提出了基于年综合费用最小的经开区综合能源系统规划方法，以提高能源系统的建设投资、能源利用率、建设效益。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种基于年综合费用最小的经开区综合能源系统规划方法，包括如下步骤：
步骤1)分析不同季节典型日的经开区用能需求特征，预测经开区内发展规划对近、中、远期的冷、热、电、蒸汽负荷；
步骤2)以考虑投资等值年成本、年运行费用、年维护费用及环境保护成本的年综合费用最小为经开区能源系统的规划目标：
式中，F(x)为经开区电、冷、热、蒸汽能源年综合费用；f1(x)为投资等值年成本、f2(x)为年运行费用、f3(x)为年维护费用、f4(x)为年环境保护成本；x表示经开区综合能源系统规划方案。
步骤3)考虑各设备的运行约束，以及电、冷、热、蒸汽能源的耦合与替代，设置经开区综合能源系统的基础拓扑结构；
步骤4)求解经开区近、中、远期综合能源建设的最优规划方案，得到相应方案下的经开区综合能源系统的最优拓扑结构及运行调度方式，并对最优规划方案进行建设效益的分析。
进一步，对经开区电、冷、热、蒸汽能源负荷做聚类分析，得到经开区能源负荷典型日。
进一步，根据经开区的发展成熟度，参考电量分析预测方法，对经开区电、冷、热、蒸汽能源负荷的需求进行预测；将负荷增长分为E、G、S三种类型，E型增长近似指数规律，表示发展初、中阶段；G型具有饱和特性，表示发展成熟；S型增长表示初期需求量低，而中期发展快，后期趋于饱和。
进一步，S型增长可用负荷成熟度表示：
式中，Y为负荷成熟度，也是规划年的最大负荷与远景负荷的比值；t为规划年与现状年的时间跨度；A值与行业相关，一般工业取0.25。
进一步，规划方案x的投资等年值成本是各设备投资等年值成本的总和，各设备投资成本包含了初始投资成本、工程期内设备使用寿命到期产生的替换投资成本以及工程期末的设备残值。
进一步，规划方案x下的年运行成本包括系统购电费用、购气费用以及向外部电网售电所得收益。
进一步，规划方案x下的年维护成本包含设备的固定运维成本和可变运维成本。
进一步，规划方案x下的年环境成本由发电环境成本表示：
式中，α表示污染物的种类；mα是污染物α的污染排放系数，单位为g/kW·h；ve,α表示污染物α的环境价值。
进一步，考虑经开区中可能存在的电、冷、热、蒸汽能源转换、耦合设备，提出步骤3)中的基础拓扑结构用于经开区电、冷、热、蒸汽的综合能源系统规划。
进一步，以步骤2)中年综合费用最小为目标，结合步骤1)中的需求分析和步骤3)中的基础拓扑结构，可以形成以下混合整数规划问题(MILP)：
minF(x)
s.t.
a(x)＝0
b(x)≤0
u(x)＝1
式中，变量x为经开区综合能源系统规划方案，具体包括系统中各设备的配置容量；F(x)为系统的年综合费用；矩阵a(x)表示步骤3)中包含的一系列等式约束；矩阵b(x)表示步骤3)中包含的一系列不等式约束；矩阵u(x)表示步骤3)中包含的一系列的0-1变量约束；采用MATLAB平台的OPTI工具箱对上述MILP问题求解得到系统最优规划方案x，包括该方案下各设备的装机容量配置策略，经开区综合能源系统的最优拓扑结构，以及典型日内的经开区综合能源系统运行调度策略。
进一步，当运算规模较大时，通过商业软件CPLEX或GUROBI求解，以进一步提高规划求解效率。
本发明的有益效果在于：
1、本发明考虑不同季节典型日经开区内用能特征，对电、冷、热、蒸汽能源设备的初始投资成本、工程期内设备使用寿命到期产生的替换投资成本、以及工程期末的设备残值进行优化，可以降低电、冷、热、蒸汽设备建设投资，使投资等值年成本下降。
2、本发明考虑电、冷、热、蒸汽能源的耦合与替代因素，降低电、冷、热、蒸汽能源，包括固定运维成本和可变运维成本的年运行费用，提高电、冷、热、蒸汽能源的利用经济效益。
3、本发明考虑电、冷、热、蒸汽能源设备耗能和运行时序等因素的影响，优先采用和启用耗能低、排放小的设备，降低经开区内能源利用的环境保护成本，提高电、冷、热、蒸汽能源社会效益。
4、本发明综合考虑以电、冷、热、蒸汽能源设备的投资等值年成本、年运行费用、年维护费用及环境保护成本，实现经开区内综合能源系统年综合费用最小，兼顾提高电、冷、热、蒸汽能源的利用经济效益和社会效益。
附图说明
图1是本发明的一种基于年综合费用最小的经开区综合能源系统规划方法流程图；
图2是经开区综合能源系统负荷典型日示意图；
图3是经开区综合能源系统结构拓扑图。
具体实施方式
下面结合附图，对实施例作详细说明。
以往经开区对电、冷、热、蒸汽能源建设分别规划，存在的建设投资大、投资效益差等问题，本发明提一种出基于年综合费用最小的经开区综合能源系统规划方法，考虑不同季节典型日的经开区内用能需求特征并预测负荷变化趋势，以包含投资等值年成本、年运行维护费用和环境保护成本的年综合费用最小为经开区能源规划目标，通过计算基本方案的投资等值年成本、年运行维护费用和环境保护成本，得到经开区能源系统最优规划方案，以及相对应的最优拓扑结构及调度运行方式，以解决目前经开区电、冷、热、蒸汽能源建设分别按最大负荷规划存在的问题。
如图1所示，为本发明方法的流程图，包括：
步骤1)分析不同季节典型日的经开区用能需求特征，预测经开区内发展规划对近、中、远期的冷、热、电、蒸汽负荷。
经开区所处地理位置和经开区内企业单位的属性决定经开区电、冷、热、蒸汽能源负荷的基本特征。对经开区内企业的电、冷、热、蒸汽能源负荷波动特性做聚类分析，可得到经开区能源负荷特性的典型日，如图2所示。以这些典型日代表全年各时段的多能源负荷波动特性，可减少模型计算量，使结果更准确地反映经开区综合能源系统全年中的负荷变化情况。
根据经开区的发展成熟度，参考电量分析预测方法，对经开区电、冷、热、蒸汽能源负荷的需求进行预测。预测时，将负荷增长分为E、G、S三种类型。E型增长近似指数规律，表示发展初、中阶段；G型具有饱和特性，表示发展成熟；S型增长表示初期需求量低，而中期发展快，后期趋于饱和。S型增长较为典型，可用负荷成熟度表示：
式中，Y为负荷成熟度，也是规划年的最大负荷与远景负荷的比值；t为规划年与现状年的时间跨度；A值与行业相关，一般工业取0.25。
步骤2)以投资等值年成本、年运行费用、年维护费用及年环境保护成本的
年综合费用最小为经开区能源系统建设的规划目标。
式中，F(x)为经开区电、冷、热、蒸汽能源年综合费用；f1(x)为投资等值年成本、f2(x)为年运行费用、f3(x)为年维护费用、f4(x)为年环境保护成本；x表示经开区综合能源系统规划方案。
投资等年值成本是x规划方案下各设备投资等年值成本的总和。各设备投资成本包含了初始投资成本、工程期内设备使用寿命到期产生的替换投资成本以及工程期末的设备残值：
式中，f1为投资等年值成本；Ci为i设备投资成本；Cwi为i设备工程期末残值；k为折现率；T为工程年限；Ni为i设备的规划单元数量；ci为i设备的单位投资成本；Ti为i设备使用寿命；ni为工程年限内的i设备的替换次数；取整函数INT计算<x的最大整数。
x规划方案下的年运行成本包括系统购电费用、购气费用以及向外部电网售电所得收益：
f2＝CE+CG
式中，f2为年运行成本；CE为系统购电费用；CG为系统购气费用；为t时刻的单位千瓦时的购售电费用，当Pnet(t)＞0时为购电费用，当Pnet(t)＜0时为售电费用；cG为系统中单位立方米天然气的购气费用。
x规划方案下的年维护成本包含设备的固定运维成本和可变运维成本。固定运维成本是保证设备平稳运行的管理费用和相对稳定的人工费用，与设备的装机容量大小有关。可变运维费用考虑了设备的运行情况，与设备出力相关。
式中，cc,j是第i种设备的年单位固定运维成本；Cv,j第i种设备的年单位可变运维成本；Pi(t)为i设备t时刻的功率。
x规划方案下的年环境成本由发电环境成本表示：
式中，α表示污染物的种类；mα是污染物α的污染排放系数，单位为g/kW·h；ve,α表示污染物α的环境价值。
步骤3)考虑各设备的运行约束，以及电、冷、热、蒸汽能源设备的耦合与替代，设置经开区能源系统的基础拓扑结构。
综合考虑经开区发展规划及用能需求，设置如图3所示的经开区能源系统的基础拓扑结构，其中尽可能包括各类型的电、冷、热、蒸汽能源转换、耦合设备。对电、冷、热、蒸汽能源设备规划，包括大量耦合元件，如热电联产设备、冷-热转换元件等的模型及算法，用于经开区电、冷、热、蒸汽的综合能源系统规划。后续规划求得的最优拓扑结构将是基础拓扑结构的一部分或与基础拓扑结构相同。
电、冷、热、蒸汽能源设备的数学模型简述如下：
(1)光伏出力模型
单位光伏电源的输出功率与光伏电池上的实际光照强度、实际环境温度、实际风速等因素相关，即
Ts＝Ta+0.0138·(1+0.031Ta)·(1-0.042u)·G
式中，Ppv为光伏输出功率(kW)；Wpv为光伏额定装机容量(kW)；G为光伏电池上的实际光照强度(Kw/m2)；Ts为光伏电池表面温度(℃)；Ta为环境温度(℃)；Pstc、Gstc、Tstc分别为标准测试条件下的最大输出功率(kW)、光照强度(Kw/m2)、标准测试条件下光伏电池表面温度(25℃)；ε为光伏电池温度系数，一般取-0.47％/K；u为风速(m/s)。
(2)风机出力模型
风电机组输出功率与风速的关系可用分段函数来表示，即
式中，uci、uco、ur分别为切入风速、切出风速、额定风速(m/s)；Pwt为风机实际输出功率(kW)；Pr为风机额定输出功率(kW)，与风电装机容量成正比；f(u)为降额输出功率曲线，结合风机功率变化规律通过三阶多项式拟合。
(3)联产机组出力模型
热电联产机组常以天然气为一次能源，能为系统同时提供电能和热能，其数学模型可以简化表述为
Pgt(t)＝Vgt(t)·Hng·ηgt,e
Hgt(t)＝Vgt(t)·Hng·ηgt,h
Pgt(t)≤Wgt×ηgt,e
Hgt(t)≤Wgt×ηgt,h
|Pgt(t)-Pgt(t-1)|≤βgt·Pgt,max
式中Pgt(t)、Hgt(t)分别为t时刻热电联产机组输出电功率与热功率(kW)；ηetg,为联产机组气-电转换效率；ηgt,h为联产机组气-热转换效率；Wgt为热电联产机组装机容量；Vgt(t)为t时刻联产机组天然气耗量(m3)；Hng为天然气热值，通常取9.8kWh/m3；βgt为联产机组发电功率变化最大幅度系数。
(4)储能设备模型
储能设备除蓄电池外，还包括储热、储冷、储气设备。这些设备虽然在工作原理上有所不同，但有相似的蓄、放能特性，能够以广义储能设备的数学模型描述如下：
Wi,t＝Wi,t-1(1-μi,loss)+(ηi,chPi,ch,t-Pi,dis,t/ηi,dis)·Δt
Ui,ch,t+Ui,dis,t≤1
式中，Wi,t、Wi,t-1分别为t时刻和t-1时刻i型储能设备中存储的能量(kWh)；μi,loss为i型储能设备的自耗率；ηi,ch、ηi,dis分别为i型储能设备的蓄能效率、放能效率；Pi,ch,t、Pi,dis,t分别为t时刻i型储能设备的蓄能功率、放能功率(kW)；Δt为时间间隔(h)；pi,t为t时刻i型储能设备与系统间的交换功率；为i型储能设备的最大交换功率；0-1变量Ui,ch,t、Ui,dis,t表示t时刻i型储能设备的蓄放能状态。
(5)其他能源转换设备
能源转换设备指的是一次能源到终端消费过程中的转换设备，包含电转冷、电转热、热转蒸汽、蒸汽转热/冷等，这类设备可以统一用能源转换效率来表述：
Pi,out＝ηi·Pi,in
Pi,in≤Wi
式中，Pi,out为i型能源转换设备的输出功率；Pi,in为i型能源转换设备的输入功率；Wi为i型能源转换设备的装机容量；ηi为能源转换设备的转换效率。
4)求解经开区近、中、远期综合能源建设的最优规划方案，得到相应方案下的经开区综合能源系统的最优拓扑结构，及运行调度方式，并对最优规划方案进行建设效益的分析。
以步骤2)中年综合费用最小为目标，结合步骤1)中的需求分析和步骤3)中的基础拓扑结构，可以形成以下混合整数规划问题(MILP)：
minF(x)
s.t.
a(x)＝0
b(x)≤0
u(x)＝1
式中，变量x为经开区综合能源系统规划方案，具体包括系统中各设备的配置容量；F(x)为系统的年综合费用；矩阵a(x)表示步骤3)中包含的一系列等式约束；矩阵b(x)表示步骤3)中包含的一系列不等式约束；矩阵u(x)表示步骤3)中包含的一系列的0-1变量约束。
采用MATLAB平台的OPTI工具箱对上述MILP问题进行求解。可以得到相关约束条件下经开区综合能系统的最优规划方案，包括系统中各设备的装机容量配置策略，经开区综合能源系统的最优拓扑结构，以及典型日内的经开区综合能源系统运行调度策略。
当运算规模较大时，也可以通过商业软件CPLEX或GUROBI求解，以进一步提高规划求解效率。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种基于年综合费用最小的经开区综合能源系统规划方法，包括如下步骤：
步骤1)分析不同季节典型日的经开区用能需求特征，预测经开区内发展规划对近、中、远期的冷、热、电、蒸汽负荷；
步骤2)以考虑投资等值年成本、年运行费用、年维护费用及环境保护成本的年综合费用最小为经开区能源系统的规划目标：
式中，F(x)为经开区电、冷、热、蒸汽能源年综合费用；f1(x)为投资等值年成本、f2(x)为年运行费用、f3(x)为年维护费用、f4(x)为年环境保护成本；x表示经开区综合能源系统规划方案；
步骤3)考虑各设备的运行约束，以及电、冷、热、蒸汽能源的耦合与替代，设置经开区综合能源系统的基础拓扑结构；
步骤4)求解经开区近、中、远期综合能源建设的最优规划方案，得到相应方案下的经开区综合能源系统的最优拓扑结构及运行调度方式，并对最优规划方案进行建设效益的分析。
2.根据权利要求1所述的一种基于年综合费用最小的经开区综合能源系统规划方法，其特征在于：对经开区电、冷、热、蒸汽能源负荷做聚类分析，得到经开区能源负荷典型日。
3.根据权利要求1所述的一种基于年综合费用最小的经开区综合能源系统规划方法，其特征在于：根据经开区的发展成熟度，参考电量分析预测方法，对经开区电、冷、热、蒸汽能源负荷的需求进行预测；将负荷增长分为E、G、S三种类型，E型增长近似指数规律，表示发展初、中阶段；G型具有饱和特性，表示发展成熟；S型增长表示初期需求量低，而中期发展快，后期趋于饱和。
4.根据权利要求3所述的一种基于年综合费用最小的经开区综合能源系统规划方法，其特征在于，S型增长可用负荷成熟度表示：
式中，Y为负荷成熟度，也是规划年的最大负荷与远景负荷的比值；t为规划年与现状年的时间跨度；A值与行业相关，一般工业取0.25。
5.根据权利要求1所述的一种基于年综合费用最小的经开区综合能源系统规划方法，其特征在于，规划方案x的投资等年值成本是各设备投资等年值成本的总和，各设备投资成本包含了初始投资成本、工程期内设备使用寿命到期产生的替换投资成本以及工程期末的设备残值。
6.根据权利要求1所述的一种基于年综合费用最小的经开区综合能源系统规划方法，其特征在于，规划方案x下的年运行成本包括系统购电费用、购气费用以及向外部电网售电所得收益。
7.根据权利要求1所述的一种基于年综合费用最小的经开区综合能源系统规划方法，其特征在于，规划方案x下的年维护成本包含设备的固定运维成本和可变运维成本。
8.根据权利要求1所述的一种基于年综合费用最小的经开区综合能源系统规划方法，其特征在于，规划方案x下的年环境成本由发电环境成本表示：
式中，α表示污染物的种类；mα是污染物α的污染排放系数，单位为g/kW·h；ve,α表示污染物α的环境价值。
9.根据权利要求1所述的一种基于年综合费用最小的经开区综合能源系统规划方法，其特征在于，考虑经开区中可能存在的电、冷、热、蒸汽能源转换、耦合设备，提出步骤3)中的基础拓扑结构用于经开区电、冷、热、蒸汽的综合能源系统规划。
10.根据权利要求9所述的一种基于年综合费用最小的经开区综合能源系统规划方法，其特征在于，以步骤2)中年综合费用最小为目标，结合步骤1)中的需求分析和步骤3)中的基础拓扑结构，可以形成以下混合整数规划问题(MILP)：
minF(x)
s.t.
a(x)＝0
b(x)≤0
u(x)＝1
式中，变量x为经开区综合能源系统规划方案，具体包括系统中各设备的配置容量；F(x)为系统的年综合费用；矩阵a(x)表示步骤3)中包含的一系列等式约束；矩阵b(x)表示步骤3)中包含的一系列不等式约束；矩阵u(x)表示步骤3)中包含的一系列的0-1变量约束；采用MATLAB平台的OPTI工具箱对上述MILP问题求解得到系统最优规划方案x，包括该方案下各设备的装机容量配置策略，经开区综合能源系统的最优拓扑结构，以及典型日内的经开区综合能源系统运行调度策略。
11.根据权利要求10所述的一种基于年综合费用最小的经开区综合能源系统结构规划方法，其特征在于，当运算规模较大时，通过商业软件CPLEX或GUROBI求解，以进一步提高规划求解效率。
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