CN110347039B - 考虑用户满意度与电锅炉参与调峰的热电联合优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种考虑用户满意度与电锅炉参与调峰的热电联合优化方法，包括：考虑热用户不满意度将静态的热负荷曲线转换为动态的热需求区间，得到满足用户满意度指标的室内温度需求与热网供热量关系的简化模型；在二级热网处配置电锅炉打破热电机组“以热定电”的运行模式，提高风电上网空间，有效减少弃风电量；热电联合系统采用网格化分级调度的方法，减少通信压力及设备计算难度，提高系统经济性。

Description

考虑用户满意度与电锅炉参与调峰的热电联合优化方法

技术领域

本发明属于电力用电技术领域，涉及一种考虑用户满意度与电锅炉参与调峰的热电联合优化方法。

背景技术

近年来，随着传统能源的日益枯竭，光伏发电、风力发电等新能源发电技术正在迅速发展。在含有大规模风电和较高比例热电联产机组的北方地区，富风区域与供暖区域高度重叠，特别在冬季供暖期，北方地区热电机组“以热定电”的供热模式限制了机组调度的灵活性，对风电的消纳产生了不利的影响，导致大量弃风。现阶段电网调峰多利用在热源侧增加储能装置如电锅炉、储热装置等，通过对储能环节的控制对热电机组进行解耦提高风电消纳量；或在负荷侧加入分布式热泵等，降低热电机组的强迫出力，提高其电热可调节性；或考虑热网管道的热延迟、建筑物的热动态特性及储热特性，对热电机组的热出力在一定时段内进行调整，但该方案对供热管网的拓扑结构特性等建模过程非常复杂，涉及变量非常多。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种考虑用户满意度与电锅炉参与调峰的热电联合优化方法，在二级热网配置电锅炉，对系统进行网格化分级热电协调运行的弃风消纳调度方法。

本发明提供一种考虑用户满意度与电锅炉参与调峰的热电联合优化方法，包括如下步骤：

步骤1：考虑热用户不满意度，将静态热负荷曲线转为动态热需求区间，得到满足用户满意度指标的室内温度需求与热网供热量关系的简化模型；

步骤2：在二级热网处配置电锅炉作为调峰热源，并采用弃风启停的控制策略，减少热传输损耗以及非弃风时段能量的多次转换，提高系统效率；

步骤3：根据大规模区域电力系统集中控制而热力系统分散控制的特点，采用网格化分级热电联合调度方法，减少设备计算难度、通信压力以及工作人员负担；

步骤4：根据电力系统约束、热力系统约束、热用户不满意度约束和相关机组出力约束得到包括弃风惩罚成本的系统煤耗量最小的目标函数；

步骤5：利用粒子群算法求得最优解，验证该方法可以促进风电消纳量，减小系统煤耗量，实现更好的经济效益。

本发明的考虑用户满意度与电锅炉参与调峰的热电联合优化方法，考虑热用户不满意度，并在二级热网配置电锅炉，对系统进行网格化分级热电协调运行的弃风消纳调度方法。考热用户不满意度将静态的热负曲线转换为动态的热需求区间，得到满足用户不满意度指标的室内温度需求与热网供热量关系的简化模型。在二级热网处配置电锅炉作为调峰热源，并采用弃风启停的控制策略，减少热传输损耗以及非弃风时段能量的多次转换，提高系统效率。考虑大规模区域电力系统集中控制而热力系统分散控制的特点，采用网格化分级热电联合调度方法，减少设备计算难度、通信压力以及工作人员负担，提高系统经济性。

附图说明

图1是本发明的考虑用户满意度与电锅炉参与调峰的热电联合优化方法的流程图；

图2是二级热网换热站配置电锅炉方案的系统图；

图3是分级热电联合调度基本框架图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种考虑用户满意度与电锅炉参与调峰的热电联合优化方法，所述方法包括：

步骤1：考虑热用户不满意度，将静态热负荷曲线转为动态热需求区间，得到满足用户满意度指标的室内温度需求与热网供热量关系的简化模型；

所述步骤1考虑热用户不满意度，将静态热负荷曲线转为动态热需求区间，以“三北”地区冬季居民区采暖热负荷为例，主热源为热电联产机组，通过供热管网为居民供暖。传统的供热系统中，供热量在一天之内一般不做大的调整，导致供热机组不能实现最优的电力调峰运行。而实际上热网的最大特点就是存在热惯性，热网供水温度的大范围变化，不会对建筑物内、外温度造成特别大的变化。并且室温的小范围变化并不会对人体体表温度感知造成太大的的影响。所以，在满足人们对环境的不满意百分比(PPD)指标范围内供热变化不但不会对供热质量和热舒适度造成影响，还会使热电厂参与电网调峰成为可能。步骤1具体包括：

步骤1.1：根据下式计算用户热舒适度PMV指标：

PMV＝(0.303e-^0.036M+0.028){M-W-3.05×10^-3×[5733-6.99(M-W)-P_a]-0.42[(M-W)-58.15]-1.7×10^-5M(5867-P_a)-0.001M(34-T_in)-3.96×10^-8(1)f_c1[(T_c1+273)⁴-(T_r+273)⁴]-f_c1h_c(T_c1-T_in)

式中：M为人体能量代谢率；W为人体所做的机械功率；f_c1为人体覆盖服装面积与裸露面积之比；h_c为表面传热系数；p_a为人体周围空气的水蒸气分压力；T_in，T_r，T_c1分别为人体周围空气温度、平均辐射温度和服装外表面温度；

步骤1.2：PMV指标代表了同一环境下绝大多数人的感觉，但由于人与人之间的生理差别，PMV指标并不一定能够代表所有人的感觉，因此Fanger提出来预测不满意百分比PPD指标来表示人群对热环境的不满意百分数，并得到PMV与PPD之间的关系，根据下式计算热用户不满意百分比指标PPD：

PPD＝100-95exp[(0.03353PMV⁴+0.2179PMV²)] (2)

由表1可知在温度舒适的情况下，人们的不满意度为5％，这就是说即便是在室内的环境条件为最佳状态时，还是有一部分人感到不适。由此原因，国际标准机构已经将PPD上限值放大到10％。因本文关注重点为居民供暖，直接反映在室内温度情况T_in，因此假定其他参数均为给定值。可依据PPD指标对室内温度进行控制：

表1不满意度与热感觉关系表

PDD	100	75	25	5	25	75	100
								热感觉	热	较热	稍热	舒适	稍凉	凉	冷

步骤1.3：根据下式计算单位时间室内空气从室外吸收的热量：

式中：q_t表示单位时间内空气从室外吸收的热量。R为建筑材料热阻，

为时间t的室外温度，

为时间t的室内温度；

步骤1.4：单位时间供热系统向室内提供热量为

根据下式计算室内空气温度变化为：

式中：C_air为空气比热容，

为t时段二级热网电锅炉的供热量，

为t时段热电厂热电联产机组的供热量，f_t为t时刻弃风标志；

步骤1.5：由式(3)、(4)可得下式的简化模型：

式中：

为考虑用户不满意度后t+1时刻室内空气温度，Q_s为考虑用户不满意度后的等效热负荷。

随着我国国民经济的发展和人们生活品质的提高，冬季室内供暖温度也逐年提高。如“三北”地区冬季室内温度普遍接近我国标准规定的供暖上限值24℃，甚至超过24℃，但是冬季室内供暖温度过高，造成大量的能源浪费，极不利于节能减排,且热负荷需求增加导致冬季弃风问题严重，所以本发明在满足PPD指标的前提下将热负荷需求转化为可调区间参与电网调峰,该方案不需要较大投资。

步骤2：如图2所示为二级热网换热站配置电锅炉方案的系统图，在二级热网处配置电锅炉作为调峰热源，并采用弃风启停的控制策略，传统的热电联产机组在“以热定电”的模式下运行，当机组的供热功率一定时，电功率的调节范围较小，其消纳弃风功率的能力十分有限；在二级热网处加装电锅炉后可以解除热电耦合的刚性约束，减少热传输损耗以及非弃风时段能量的多次转换，提高系统效率。所述步骤2具体为：

步骤2.1：在二级热网换热站处安装小容量的调峰电锅炉，电锅炉距热负荷较近，热传输损失较小；

步骤2.2：在负荷低谷期弃风时段开启电锅炉消纳弃风增加等效电负荷，将电能转换成热能，作为调峰热源为居民供暖，减少主热源出力，以从热电两个方面提升风电的消纳空间；

所述步骤2.2中根据下式确定弃风时段：

式中：f^t为t时段的弃风标志，1表示有弃风，0表示无弃风；

分别表示t时段热电机组、火电机组的强迫出力，

表示t时段的电负荷，

表示t时段风电预测数据。

步骤2.3：在非弃风时段关闭电锅炉，防止在无弃风但热负荷较高的情况下电锅炉会将高品位的电能转换为低品位热能，多次能量转换会增加损耗降低系统效率。

步骤3：根据大规模区域电力系统集中控制而热力系统分散控制的特点，采用网格化分级热电联合调度方法，减少设备计算难度、通信压力以及工作人员负担，如图3所示为分级热电联合调度基本框架图；

考虑大规模区域电力系统集中控制而热力系统分散控制的特点，采用网格化分级热电联合调度方法思路为：一般研究假定热力系统电力系统由一个电力调度中心进行统一管理，热力系统将热网结构特性，供热各环节个体特性均传输给唯一的电力调度中心，进行统一优化调度。但是实际的大规模区域，若按上述方法，将给系统造成较大的通信压力。实际运行中是电力系统集中控制而热力系统分散控制的，即一个电力调度中心对应该区域n个热力调度中心。所述步骤3具体为：

步骤3.1：电力系统采用集中控制方式，热力系统采用网格化分散控制方式，一个电力调度中心对应控制区域内的n个热力调度中心，电力调度中心不关心集中供热系统内部环节的细节参数，仅考虑存在调峰热源与PPD指标范围内室内温度变化对应的热出力情况；

步骤3.2：下级不同网格内的热力调度中心依据该网格区域室外温度情况、PMV指标相关参数、PPD指标范围下室内温度需求和建筑材料热阻信息依据简化模型计算得到热网供热量；

步骤3.3：网格内的各热力调度中心将所求的热网供热量对应的热电机组出力情况传递给上级电力调度中心进行热电联合调度；

步骤3.4：电力调度中心和热力调度中心之间交换简化模型计算信息及调度指令信息，以降低通信压力及设备计算难度。

步骤4：根据电力系统约束、热力系统约束、热用户不满意度约束和相关机组出力约束得到包括弃风惩罚成本的系统煤耗量最小的目标函数，所述步骤4具体为：

(1)包括弃风惩罚成本的系统煤耗量最小的目标函数

假设系统中有R座热电厂，每台热电厂有N_R台热电机组，与L_R个二级热网直接相连，有S台纯凝机组，M台风电机组，则一个调度周期内系统的总煤耗为：

式中：F为系统总煤耗量，T为一个调度周期，

分别为t时段第r座热电厂中第n台热电机组的煤耗量，电功率和抽气速率；

分别为t时段第S台纯凝火电机组的煤耗量和电出力；p_qf代表风电场弃风量，系数r＝0.32；

其中，热电机组煤耗量根据下式计算：

式中：F_CHP为热电机组的煤耗量，a₁,a₂,a₃,a₄,a₅,a₆代表煤耗系数，p₁为热电机组的电出力，D为热电机组抽气速率；

其中，纯凝火电机组煤耗量根据下式计算：

式中：F_CON为纯凝火电机组的煤耗量，b₁,b₂,b₃代表煤耗系数，p₂为火电机组的电出力；

(2)电力系统约束为：

式中：

为t时段第m台风电机组的电出力，

为t时段第r座热电厂第l个二级热网电锅炉消耗的电功率，其表达式为：

为t时段第r座热电厂第l个二级热网电锅炉的热负荷，δ_r,l为第r座热电厂第l个二级热网电锅炉的电热转换效率；

风电平衡约束为：

(3)热力系统约束为：

式中：

为t时段第r座热电厂第n个热电联产机组的供热量，其表达式为：

式中：D^t,r,n为t时段第r座热电厂第n个热电联产机组的抽气量，ΔH^t,r,n为t时段第r座热电厂第n个热电联产机组抽汽的焓降；

(4)用户不满意度约束：

5％≤PPD≤10％ (15)

在保证大多数人热舒适的前提下，严寒地区冬季室内建议采用90％可接受下限温度进行供暖，即不满意度指标小于等于10％。

(5)相关机组出力约束

1)、火电机组出力上下限约束：

式中：

分别为火电机组出力下限和上限。

2)、热电机组出力上下限约束：

D^min≤D≤D^max (17)

式中：D^min、D^max分别为热电机组抽汽量的下限和上限，

分别为热电机组电出力的下限和上限。

3)、风电出力上下限约束：

0≤p_fd≤p_W (19)

式中：p_fd为风电机组电出力，p_W为风电预测出力。

4)、电锅炉出力上下限约束：

式中：

为电锅炉的电功率上限。

5)、机组爬坡约束：

-Δp₁ ^down,r,n≤p₁ ^t,r,n-p₁ ^t-1,r,n≤Δp₁ ^up,r,n (21)

-Δp₂ ^down,s≤p₂ ^t,s-p₂ ^t-1,s≤Δp₂ ^up,s (22)

式中：Δp₁ ^down,r,n、Δp₁ ^up,r,n分别为第r座热电厂第n个热电联产机组在一个时段内可以降低或升高的最大电出力；Δp₂ ^down,s、Δp₂ ^up,s分别为第S个火电机组在一个时段内可以降低或升高的最大电出力。

步骤5：利用粒子群算法求得最优解，证明该方法可以促进风电消纳量，减小系统煤耗量，实现更好的经济效益，所述步骤5具体为：

步骤5.1：初始化为一群随机粒子，粒子在解空间中根据自身和群体信息共同决定其运动的速度和方向，通过迭代来搜寻最优解；

步骤5.2：每个粒子通过跟踪2个“最优解”来更新自己的速度和位置，速度更新方式如下：

位置更新方式如下：

其中，ω为惯性权重；c₁、c₂为加速因子；r₁、r₂为(0,1)之间的随机数；p_i、p_g为粒子的历史最优解和种群最优解；

步骤5.3：为提高求解可行性，若更新后的例子

不在约束范围内，即

则按下式处理：

以保证每个粒子都满足其上下限要求。

上述方案并没有考虑到人体对温度具有一定的适应能力，且热能量变化缓慢具有一定的惯性，热负荷需求不需要像电负荷一样维持绝对的平衡，室内温度在一定范围内变化不会影响人的舒适度。所以可将热负荷需求作为可调节变量，允许室内温度在要求范围内变化而不影响用户舒适度，将固定的热负荷曲线转化为热需求区间，提高热电机组的调节能力。该方案减少了热负荷对热电机组出力的局限性，且无需较大额外投资，具有巨大的应用潜力。在此基础上在二级热网换热站处配置电锅炉作为调峰热源，在热负荷高峰、电负荷低谷的时段削热电机组热负荷的峰，填电负荷的谷，且能降低远距离传输热损失，具有更好的灵活性与经济性。因此，为解决我国北方供暖季弃风问题，本文提出了一种考虑热用户不满意度要求，并在二级热网配置弃风启停控制策略的电锅炉，对系统进行网格化分级热电协调运行的弃风消纳调度方法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，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 (3)

1.考虑用户满意度与电锅炉参与调峰的热电联合优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：考虑热用户不满意度，将静态热负荷曲线转为动态热需求区间，得到满足用户满意度指标的室内温度需求与热网供热量关系的简化模型；所述步骤1具体为：

步骤1.1：根据下式计算热用户热舒适度PMV指标：

式中：M为人体能量代谢率；W为人体所做的机械功率；f_c1为人体覆盖服装面积与裸露面积之比；h_c为表面传热系数；p_a为人体周围空气的水蒸气分压力；T_in，T_r，T_c1分别为人体周围空气温度、平均辐射温度和服装外表面温度；

步骤1.2：根据下式计算热用户不满意百分比指标PPD：

PPD＝100-95exp[(0.03353PMV⁴+0.2179PMV²)] (2)

步骤1.3：根据下式计算单位时间室内空气从室外吸收的热量：

式中：q_t表示单位时间内空气从室外吸收的热量，R为建筑材料热阻，

为时间t的室外温度，

为时间t的室内温度；

步骤1.4：单位时间供热系统向室内提供热量为

根据下式计算室内空气温度变化为：

式中：C_air为空气比热容，

为t时段二级热网电锅炉的供热量，

为t时段热电厂热电联产机组的供热量，f_t为t时刻弃风标志；

步骤1.5：由式(3)、(4)可得下式的简化模型：

式中：

为考虑用户不满意度后t+1时刻室内空气温度，Q_s为考虑用户不满意度后的等效热负荷；

步骤2：在二级热网处配置电锅炉作为调峰热源，并采用弃风启停的控制策略，减少热传输损耗以及非弃风时段能量的多次转换，提高系统效率，所述步骤2具体为：

步骤2.1：在二级热网换热站处安装小容量的调峰电锅炉，电锅炉距热负荷较近，热传输损失较小；

步骤2.2：在负荷低谷期弃风时段开启电锅炉消纳弃风增加等效电负荷，将电能转换成热能，作为调峰热源为居民供暖，减少主热源出力，以从热电两个方面提升风电的消纳空间；

步骤2.3：在非弃风时段关闭电锅炉，防止在无弃风但热负荷较高的情况下电锅炉会将高品位的电能转换为低品位热能，多次能量转换会增加损耗降低系统效率；

步骤3：根据大规模区域电力系统集中控制而热力系统分散控制的特点，采用网格化分级热电联合调度方法，减少设备计算难度、通信压力以及工作人员负担，所述步骤3具体为：

步骤3.1：电力系统采用集中控制方式，热力系统采用网格化分散控制方式，一个电力调度中心对应控制区域内的n个热力调度中心，电力调度中心不关心集中供热系统内部环节的细节参数，仅考虑存在调峰热源与PPD指标范围内室内温度变化对应的热出力情况；

步骤3.2：下级不同网格内的热力调度中心依据该网格区域室外温度情况、PMV指标相关参数、PPD指标范围下室内温度需求和建筑材料热阻信息依据简化模型计算得到热网供热量；

步骤3.3：网格内的各热力调度中心将所求的热网供热量对应的热电机组出力情况传递给上级电力调度中心进行热电联合调度；

步骤3.4：电力调度中心和热力调度中心之间交换简化模型计算信息及调度指令信息，以降低通信压力及设备计算难度；

步骤4：根据电力系统约束、热力系统约束、热用户不满意度约束和相关机组出力约束得到包括弃风惩罚成本的系统煤耗量最小的目标函数，所述步骤4具体为：

(1)系统煤总耗量

假设系统中有R座热电厂，每台热电厂有N_R台热电机组，与L_R个二级热网直接相连，有S台纯凝火电机组，M台风电机组，则一个调度周期内系统的总煤耗为：

式中：F为系统总煤耗量，T为一个调度周期，

分别为t时段第r座热电厂中第n台热电机组的煤耗量，电功率和抽气速率；

分别为t时段第S台纯凝火电机组的煤耗量和电出力；p_qf代表风电场弃风量，系数r＝0.32；

其中，热电机组煤耗量根据下式计算：

式中：F_CHP为热电机组的煤耗量，a₁,a₂,a₃,a₄,a₅,a₆代表煤耗系数，p₁为热电机组的电出力，D为热电机组抽气速率；

其中，纯凝火电机组煤耗量根据下式计算：

式中：F_CON为纯凝火电机组的煤耗量，b₁,b₂,b₃代表煤耗系数，p₂为火电机组的电出力；

(2)电力系统约束为：

式中：

为t时段第m台风电机组的电出力，

为t时段第r座热电厂第l个二级热网电锅炉消耗的电功率，其表达式为：

为t时段第r座热电厂第l个二级热网电锅炉的热负荷，δ_r,l为第r座热电厂第l个二级热网电锅炉的电热转换效率；

风电平衡约束为：

(3)热力系统约束为：

式中：

为t时段第r座热电厂第n个热电联产机组的供热量，其表达式为：

式中：D^t,r,n为t时段第r座热电厂第n个热电联产机组的抽气量，ΔH^t,r,n为t时段第r座热电厂第n个热电联产机组抽汽的焓降；

(4)用户不满意度约束：

5％≤PPD≤10％ (15)

在保证大多数人热舒适的前提下，严寒地区冬季室内建议采用90％可接受下限温度进行供暖，即不满意度指标小于等于10％；

步骤5：利用粒子群算法求得最优解，验证该方法可以促进风电消纳量，减小系统煤耗量，实现更好的经济效益。

2.如权利要求1所述的考虑用户满意度与电锅炉参与调峰的热电联合优化方法，其特征在于，所述步骤2.2中根据下式确定弃风时段：

式中：f^t为t时段的弃风标志，1表示有弃风，0表示无弃风；

分别表示t时段热电机组、火电机组的强迫出力，

表示t时段的电负荷，

表示t时段风电预测数据。

3.如权利要求1所述的考虑用户满意度与电锅炉参与调峰的热电联合优化方法，其特征在于，所述步骤5具体为：

步骤5.1：初始化为一群随机粒子，粒子在解空间中根据自身和群体信息共同决定其运动的速度和方向，通过迭代来搜寻最优解；

步骤5.2：每个粒子通过跟踪2个“最优解”来更新自己的速度和位置，速度更新方式如下：

位置更新方式如下：

其中，ω为惯性权重；c₁、c₂为加速因子；r₁、r₂为(0,1)之间的随机数；p_i、p_g为粒子的历史最优解和种群最优解；

步骤5.3：为提高求解可行性，若更新后的例子

不在约束范围内，即

则按下式处理：

以保证每个粒子都满足其上下限要求。

Images