CN110263966A - 考虑动态传热过程的电-热综合能源系统优化调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑动态传热过程的电‑热综合能源系统优化调度方法，所述方法包括以下步骤：构建热能输运准动态模型和一次热网模型，所述热能输运准动态模型考虑热网虚拟储能特性，热能跨时段转移，发挥电、热系统间的互补特性；构建考虑动态传热过程的电‑热IES优化调度模型，获取该调度模型的目标函数、以及约束条件；获取热网储热对综合能源系统经济性的影响；获取热网充放能对分时电价的响应机制；在考虑热网储能对分时电价的响应后，生成能源设备调度方案。本方法可体现热能在热力管路输运的动态过程，比静态模型更符合实际，并可体现热网的延时和虚拟储能等动态特性。

Description

考虑动态传热过程的电-热综合能源系统优化调度方法

技术领域

本发明涉及电-热综合能源系统优化调度方法，尤其涉及一种考虑动态传热过程的电-热综合能源系统优化调度方法。

背景技术

IES(综合能源系统)有望成为未来人类能源利用的主要形式^[1-2]，提出适合IESO(综合能源服务商)的优化调度方法成为推动多能互补利用的重要需求之一^[3]。针对电、气、冷、热多能源融合的IES开展多能流的统一建模、协同优化，已成为学术界关注的热点问题之一[⁴]。

为此，瑞士ETH Zurich在其“未来能源网络远景项目”中提出了EH(能源集线器)模型^[5-6]。EH是IES中进行多种能流转换、分配以及存储的单元，在多种能源及其负荷间起接口的作用。EH可从形式上将各种能流“捆绑”在一起，但当前的EH只能反映能源传输的静态转换关系，无法描述多能流间复杂的动态过程^[7]。

在电-热IES优化调度领域，已有一些研究使用能量母线、能量流等方法描述了电-热能流间的静态转换关系^[8-11]，适用于电-热能流的静态优化，但对不同能流输运过程的动态特性有待进一步深入研究。

此外，也有一些学者在电-热IES优化运行中，考虑利用热力系统的热惯性提升IES运行经济性，如利用热能流缓慢变化特性或建筑物虚拟储能进行分布式能源消纳等^[12-16]。但已有的电-热IES优化运行模型中，对热网的储热特性考虑不足，尚未充分发掘热网参与电-热IES优化运行的调节潜力。

发明内容

本发明提供了一种考虑动态传热过程的电-热综合能源系统优化调度方法，本发明对客观存在的热能输运动态过程加以反映，利用热能输运的动态特性，将热网视为虚拟储能资源，详见下文描述：

一种考虑动态传热过程的电-热综合能源系统优化调度方法，所述方法包括以下步骤：

构建热能输运准动态模型和一次热网模型，所述热能输运准动态模型考虑热网虚拟储能特性，热能跨时段转移，发挥电、热系统间的互补特性；

构建考虑动态传热过程的电-热IES优化调度模型，获取该调度模型的目标函数、以及约束条件；

获取热网储热对综合能源系统经济性的影响；获取热网充放能对分时电价的响应机制；

在考虑热网储能对分时电价的响应后，对能源设备生成调度方案。

所述电-热IES优化调度模型具体为：

采用能源集线器模型描述电能、天然气的能源转换环节。能源集线器模型由热电联产模型、热泵模型和电力变压器模型构成。实际运行中，热电联产机组利用输入的天然气进行发电和发热后供往负荷(即供给到负荷)；热泵利用一部分电能制热后供往负荷；电力变压器将其余电能降压后供往负荷。

所述约束条件包括：

电功率平衡约束条件、EH热出力约束条件、CHP(热电联产)约束条件、HP(热泵)约束条件、能源设备出力限值及爬坡约束条件、热网传输特性约束条件、温度混合约束条件、换热站约束条件。

所述方法还包括：获取热网虚拟储能充放功率。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

(1)本方法可体现热能输运的动态过程，比静态模型更符合实际，并可体现热网的延时和虚拟储能等动态特性；

(2)本方法可利用热网动态特性提升电-热IES运行经济性，算例数据表明，该方法可使电-热IES算例系统总成本节省约5.7％，其中为负荷购电的费用可节省约20.0％；

(3)本方法可将CHP出力与热负荷解耦，体现出多能互补的灵活性优势；

(4)根据本方法，一次热网可作为虚拟储能设备，为运营商节省了储能设备安装及运维的成本。

附图说明

图1为一种考虑动态传热过程的电-热综合能源系统优化调度方法的流程图；

图2为供热系统结构的示意图；

图3为供热管道截面图；

图4为电-热IES结构图；

图5为区域电-热IES算例结构示意图；

图6为分时电价示意图；

图7为电、热负荷功率图；

图8为一天中电力变压器的购电量示意图；

图9为一天中电力变压器的购电费用示意图；

图10为两种场景下EH热出力优化结果示意图；

图11为场景I下CHP与HP供热功率图；

图12为场景II下CHP与HP供热功率图；

图13为热网虚拟储能充放功率示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

本发明实施例提供了一种考虑动态传热过程的电-热综合能源系统优化调度方法，参见图1，该方法包括以下步骤：

101：构建热能输运准动态模型和一次热网模型，该热能输运准动态模型考虑热网虚拟储能特性，热能跨时段转移，发挥电、热系统间的互补特性；

102：构建考虑动态传热过程的电-热IES优化调度模型，获取该调度模型的目标函数、以及约束条件；

103：获取热网储热对综合能源系统经济性的影响；获取热网充放能对分时电价的响应机制；

104：在考虑热网储能对分时电价的响应后，生成能源设备调度方案。热网储热能将热负荷跨时段转移，实现了电、热系统在时空范围内的协调互补，提升系统的灵活性，最终使调度方案的购电量明显减少。

其中，步骤102中的电-热IES优化调度模型具体为：

采用能源集线器模型描述电能、天然气的能源转换环节。能源集线器模型由热电联产模型、热泵模型和电力变压器模型构成。实际运行中，热电联产机组利用输入的天然气进行发电和发热后供往负荷；热泵利用一部分电能制热后供往负荷；电力变压器将其余电能降压后供往负荷。

其中，步骤102中的约束条件包括：

电功率平衡约束条件、EH热出力约束条件、CHP约束条件、HP约束条件、能源设备出力限值及爬坡约束条件、热网传输特性约束条件、温度混合约束条件、换热站约束条件。

综上所述，本方法可体现热能输运的动态过程，比静态模型更符合实际，并可体现热网的延时和虚拟储能等动态特性。

实施例2

下面结合具体的实例、计算公式对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述

一、热网动态建模

1.1模型概述

在电-热IES中，电能传输的动态过程以纳秒到毫秒时间尺度描述，而热能传输动态以秒、分钟甚至小时级的时间尺度描述，电-热系统具有很强的互补特性。如电能易传输、难储存，热能易储存、难传输，从热源到用户的延时使得热网具有天然储热特性^[17]。对热能输运动态过程的建模是体现热网延时和虚拟储能特性的关键，便于发掘热网参与电-热IES优化运行的储热潜力。

图2为典型供热系统结构示意图。供热系统可以分为传输系统(一次热网)和分配系统(二次热网)^[18]，一次热网的首末两端分别建有换热首站和换热站。一次热网和二次热网的物理网络并不直接相连，通过换热站实现热量交换。热能传输延时和热网虚拟储能特性主要体现在一次热网中，二次热网及用户部分传输延时较小，动态过程不明显，本发明实施例中暂不考虑。

1.2热能输运准动态模型

在供热管道中，入口处的水温变化将缓慢扩展到出口，传输延时τ_j与热水流过管道的时间基本一致。本发明实施例采用一种改进的节点法描述热能输运的准动态过程^[19-20]，其基本思想是：

通过传输延时τ_j和管道入口处水温历史数据的时间序列，结合传输过程的热损耗，计算出各时段出口处的水温。本发明实施例中一个调度周期[0,T]由N个连续且等长的调度时段Δt组成，在每个调度时段Δt内，从入口流入管道的部分称为WM(质块)。在一个时段内，认为IES处于稳态，WM中各物理量保持不变。

图3为一段供热管道截面图。图中时刻记为t时刻，入口侧第一块WM于t-Δt时刻开始进入管道，将其记为WM₁，依次向出口侧连续标号，位于出口处的WM记为WM_K。考虑到管道的τ_j不是Δt整数倍的情况，假设该段管道的τ_j介于τ₁，τ₂之间，τ₁＝(K-1)Δt，τ₂＝KΔt，则本时段流出管道的部分应由WM_K和WM_K+1各取一部分组成，如图3中的阴影部分所示。WM_K,2为WM_K在τ₂-τ_j时长内流出管道的部分，WM_K+1,1为WM_K+1在τ_j-τ₁时长内流出管道的部分。因此，本Δt时段流出管道的热水为WM_K,2和WM_K+1,1的总和，管道出口处水温可用WM_K,2和WM_K+1,1两质块温度按其质量的加权平均值表示，如式(1)所示：

式中：C₁和C₂为两个权重系数；q_K和q_K+1分别为质块WM_K和WM_K+1对应的质量流率，kg/s，为t时刻管道j出口侧工质温度，和分别为质块WM_K和WM_K+1流出管道j时的温度。

热水传输过程中会与外界换热造成热能损耗，WM_K流出管道时的温度会降低，如式(2)-(3)所示：

a_K＝k_j/(q_Kc_w) (3)

式中：k_j为管道漏热损失系数，W/(m·℃)；c_w为水的比热容，kJ/(kg·℃)；l_j为管道长度，m；T^am为管道周围环境温度，℃，为质块WM_K流入管道j时的温度。

供热管道中入口和出口处热水温度在时间上的耦合关系，是描述热网动态特性的关键。如图3所示，WM_K流入管道时的温度应为t-τ₁时刻管道入口处的水温，在管道中传输了(K-1)个Δt之后，在本时段开始部分流出管道。同理，对WM_K+1而言，在管道中传输了K个Δt，其流入管道时的温度应为t-τ₂时刻管道入口处的水温。据此可将式(2)改写为：

式中：和分别为t-τ₁和t-τ₂时刻管道j入口侧工质温度。

将式(4)、式(5)代入式(1)并整理，可得：

式(6)描述了热能输运的准动态过程，对热网的供水、回水管道都适用。在给定管道流量的情况下，系数C₁、C₂、C₃和C₄均为常数，管道的出口温度可用不同调度时刻进口温度的线性组合表示。由于热能传输动态过程具有很大的时间尺度，热网可起缓冲能量、延时响应的作用^[21]，从而对外表现出类似于储能系统的虚拟储能充放电特性，参与到电-热IES经济优化调度中。考虑热网虚拟储能特性后，热能可跨时段转移，可充分发挥电、热系统之间的互补特性。

1.3一次热网模型

本发明实施例提供了一次热网采用质调节方式，即不改变热网中热水的质量流率，仅调节水温，我国北方绝大多数热网采用这种调节方式^[22]。

不同管道的热水流入相同节点后进行温度混合，混合后从该节点流出的热水温度相同^[15]，如式(7)所示：

式中：和分别为与节点n相连并从节点n结束和起始管道的集合；τ为时段编号，τ＝1,2,…,N；为τ时段管道j的出口水温；为τ时段管道k的进口水温，q_τ,j和q_τ,k分别为τ时段管道j和管道k的质量流率。

对一次热网中的换热站，可仿照电力系统分析中计算负荷的概念，将负荷与损耗绑定在一起，成为换热站的计算负荷，在模型中代替用户负荷以及换热器与二次热网的热损耗。本发明实施例中的换热站模型如式(8)所示：

式中：Q_τ,i为τ时段负荷i处换热站换热量，kJ；m_τ,i为τ时段流经负荷i处换热站的热水质量，kg；和分别为τ时段负荷i处换热站的供水、回水温度，℃。

换热站在一次热网与二次热网之间起连接作用，可通过调节二次热网管道中的流量以具体满足用户热负荷的需求。换热站换热量与热负荷关系如式(9)所示：

式中：为τ时段负荷i处换热站的计算热负荷，kW。

二、考虑动态传热过程的电-热IES优化调度模型

2.1本实例电-热IES系统结构

本发明实施例中的电-热IES结构如图4所示。EH中选用的能源设备由CHP、HP和电力变压器组成，这种设备组合在德国已有应用^[23]。上述系统复杂度较低，便于分析考虑热能传输动态特性后电-热IES优化运行的效果。实际运行中，热电联产机组利用输入的天然气进行发电和发热后供往负荷；热泵利用一部分电能制热后供往负荷；电力变压器将其余电能降压后供往负荷。

为了简化分析流程，本发明实施例暂不考虑CHP发出的电能供给HP的运行方式。

2.2目标函数

考虑动态传热过程的电-热IES优化调度的主要目标是在满足用户电、热负荷需求的前提下，最小化运行成本。运行成本包括：从上游电网购电费用、以及购天然气费用。

考虑动态传热过程的电-热IES优化调度模型目标函数为：

minC＝C_power+C_gas (10)

式中：C为运行成本；C_power为购电费用；C_gas为购天然气费用。

式中：为τ时段单位电价，元/kWh；为τ时段系统从上游电网为负荷购电的功率，kW；为HP在τ时段的电功率；K_gas为单位体积天然气价格，元/m³；为τ时段EH从上游天然气网购得的天然气的体积，m³。

2.3约束条件

考虑动态传热过程的电-热IES优化调度模型约束条件为：

1)电功率平衡约束：

式中：为CHP在τ时段的电功率，kW；为τ时段负荷i处电负荷，kW。

2)EH热出力约束(换热首站约束)：

式中：和分别为CHP和HP在τ时段的热功率，kW；m_τ,w为τ时段流经换热首站的热水质量，kg；和分别为τ时段换热首站的供水、回水温度，℃；下标min和max分别表示温度的上、下限。式(15)-(16)为供水、回水温度受管道温度允许值限制约束。

3)CHP约束：

本发明实施例采用热电比ε不变的背压式CHP^[24-25]，其模型如式(17)-(18)所示：

式中：为τ时段内输入CHP的燃气量，m³；η为气-热转化效率，如式(19)所示：

式中：bv为天然气的燃烧热值，kWh/m³；η_CHP为CHP的效率。

4)HP约束：

HP所需电能主要用于驱动压缩机工作和用于循环水泵等耗电设备^[26]。其中，后者的功率基本恒定，用P^vent表示；前者的功率可变，与HP出力有关，如式(20)所示：

式中：COP为能效系数；为τ时段压缩机的电功率，kW。

因此，HP的电功率如式(21)所示：

5)能源设备出力限值及爬坡约束：

式中：和分别为CHP出力向上、向下爬坡速率极限，为τ+1时段CHP输出有功功率，和分别为CHP输出有功功率上下限；和分别为HP输出热功率上下限。

6)热网传输特性约束：式(6)。

7)温度混合约束：式(7)。

8)换热站约束：式(8)-(9)。

为便于对电-热IES优化调度中热网的虚拟储能调节潜力进行分析，定义热网虚拟储能充放功率如式(25)所示：

H＝Q-Q' (25)

式中：H为热网虚拟储能充放功率，“储能”为正，“放能”为负；Q为考虑热能传输动态特性时EH的热出力；Q'为不考虑热能传输动态特性时EH的热出力，该调度方案下EH热出力应时刻满足供热需求。

上述约束均为线性约束，可采用线性规划方法进行求解。

综上所述，本方法可将CHP出力与热负荷解耦，体现出多能互补的灵活性优势；根据本方法，一次热网可作为虚拟储能设备，为运营商节省了储能设备安装及运维的成本。

实施例3

本发明实施例的算例选取EH供能的六节点供热网络，其结构如图5所示。其中，EH由IESO拥有。在EH热能输出端Nd1建有换热首站，Nd4、Nd5、Nd6建有换热站，忽略电网结构和电能输运损耗。

为更清晰表明本方法有效性，算例构建两种典型场景进行对比：

场景I：采用本发明实施例提供的调度方法；

场景II：不考虑热能输运动态过程的调度方法。

优化目标如式(10)所示。调度周期24h，单位调度时间Δt＝0.5h。一天中的电价如图6所示。负荷1电、热负荷如图7所示，负荷2、3与负荷1完全相同，电负荷与电网不直接相连。其它算例数据参见附录A。

表1 两种场景下用能费用

两种场景下一天之内IESO所要承担的费用对比结果如表1所示。场景I一天内IESO承担总费用69909元，比场景II的74147元节省了约5.7％。其中，场景I为负荷购电的电费为13791元，比场景II少20.0％。场景I下的调度方案使EH为负荷供电的费用大幅下降，总运行成本得以降低。

两种场景下一天内EH电力变压器购电量及相应电费如图8～9所示。电价较低时，购电成本低，场景I中CHP降低出力，EH大量购电；电价较高时，由于购电成本高，CHP出力提升，使EH为负荷购电明显少于场景II，大幅节省了电费。从一天整体上看，场景I的运行成本更低，电、热系统协调互补的优势最终通过电费得以体现。

EH热出力优化结果如图10所示。对比图7和图10可发现：场景II中EH热出力主要跟随热负荷变化，时刻满足供热需求；而场景I中EH热出力和热负荷则出现了不同步的现象。如场景I在0～7时段EH热出力明显小于供热需求，此时前期储存在热网中的热能弥补了该时段部分供热需求的缺额，相当于降低了CHP的出力。而从11时开始，EH热出力大于供热需求，多余的热能储存在热网中。由于考虑了热能传输的延时性和热网的虚拟储能，算例系统内EH的热出力与热负荷无需实时平衡，热能可跨时段转移，实现了电、热系统在时空范围内的协调互补，有效提升了算例系统的经济性。

两种场景下各时刻CHP和HP的热出力如图11～12所示。对比两图可进一步分析场景I下电、热系统的协调互补能力。两种场景下EH一天内热出力之和没有明显变化。然而，场景I中，在分时电价驱动下，EH(主要是CHP)出力不再追随算例系统热负荷，转而开始响应系统电价机制。直观上看，场景I通过在高电价时增加CHP出力降低运行成本，将一部分热出力从电价较低的时段移到了电价较高的时段，从而实现了热网的虚拟储能。

相应地，一次热网发挥虚拟储能的作用，热网一天内虚拟储能情况如图13所示。图13中正值表示热网“储能”；负值表示热网“放能”。结合图11～13可见，电价较高时，EH(主要是CHP)为满足用户电负荷提高出力，同时多发热量储存在一次热网中；电价较低时，EH(主要是CHP)降低出力，一次热网放出热量以弥补能源设备热出力缺额。虚拟储能的“储能”高峰一般对应电价高峰，“放能”高峰一般对应电价低谷。

如前文所述，虚拟储能主要利用热网的储热性及不同时刻电价差异，通过对算例系统内能源设备的调度，在低电价时降低CHP出力同时多购电，在高电价时提高CHP出力同时少购电，减少购电费用从而节省算例系统运行成本。

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本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种考虑动态传热过程的电-热综合能源系统优化调度方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

构建热能输运准动态模型和一次热网模型，所述热能输运准动态模型考虑热网虚拟储能特性，热能跨时段转移，发挥电、热系统之间的互补特性；

构建考虑动态传热过程的电-热IES优化调度模型，获取该调度模型的目标函数、以及约束条件；

获取热网储热对综合能源系统经济性的影响；

获取热网充放能对分时电价的响应机制；

在考虑热网储能对分时电价的响应后，生成能源设备调度方案。

2.根据权利要求1所述的一种考虑动态传热过程的电-热综合能源系统优化调度方法，其特征在于，所述电-热IES优化调度模型具体为：

采用能源集线器模型描述电能、天然气的能源转换环节；能源集线器模型由热电联产模型、热泵模型和电力变压器模型构成；热电联产机组利用输入的天然气进行发电和发热后供往负荷；热泵利用一部分电能制热后供往负荷；电力变压器将其余电能降压后供往负荷。

3.根据权利要求1所述的一种考虑动态传热过程的电-热综合能源系统优化调度方法，其特征在于，所述目标函数具体为：

minC＝C_power+C_gas

式中：C为运行成本；C_power为购电费用；C_gas为购天然气费用；

式中：为τ时段单位电价；为τ时段系统从上游电网为负荷购电的功率；P_τ ^HP为热泵在τ时段的电功率；K_gas为单位体积天然气价格；为τ时段系统从上游天然气网购得的天然气的体积。

4.根据权利要求1所述的一种考虑动态传热过程的电-热综合能源系统优化调度方法，其特征在于，所述约束条件包括：

电功率平衡约束条件、能源集线器热出力约束条件、热电联产约束条件、热泵约束条件、能源设备出力限值及爬坡约束条件、热网传输特性约束条件、温度混合约束条件、换热站约束条件。

5.根据权利要求1所述的一种考虑动态传热过程的电-热综合能源系统优化调度方法，其特征在于，所述方法还包括：获取热网虚拟储能充放功率。

6.根据权利要求4所述的一种考虑动态传热过程的电-热综合能源系统优化调度方法，其特征在于，所述电功率平衡约束条件具体为：

式中：P_τ ^CHP为CHP在τ时段的电功率；为τ时段负荷i处电负荷。

7.根据权利要求4所述的一种考虑动态传热过程的电-热综合能源系统优化调度方法，其特征在于，所述能源集线器热出力约束条件具体为：

式中，和分别为CHP和HP在τ时段的热功率；m_τ,w为τ时段流经换热首站的热水质量；和分别为τ时段换热首站的供水、回水温度；c_w为水的比热容。

8.根据权利要求4所述的一种考虑动态传热过程的电-热综合能源系统优化调度方法，其特征在于，所述热电联产约束条件具体为：

式中：为τ时段内输入CHP的燃气量；η为气-热转化效率；

式中：bv为天然气的燃烧热值；η_CHP为CHP的效率，ε为热电比。

9.根据权利要求5所述的一种考虑动态传热过程的电-热综合能源系统优化调度方法，其特征在于，所述热网虚拟储能充放功率具体为：

H＝Q-Q'

式中：H为热网虚拟储能充放功率，Q为考虑热能传输动态特性时EH的热出力；Q'为不考虑热能传输动态特性时EH的热出力。