CN110348602B - 计及天然气管网和热力管网特性的综合能源系统优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种计及天然气管网和热力管网特性的综合能源系统优化方法。本发明的综合能源系统优化方法，其包括步骤：1)构建含多能流耦合设备和储能设备的能源中心设备模型；2)构建含电力网络、天然气管网和热力管网的能源网络模型；3)以综合能源系统运行周期内总成本最小为优化目标，考虑综合能源系统建设约束和运行约束，建立计及天然气管网和热力管网特性的综合能源系统优化模型。本发明所提方法能够提供综合能源系统协同规划的技术方案，在增强系统灵活性的同时，提高综合能源利用率。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统优化领域，具体地说是一种计及天然气管网和热力管网特性的综合能源系统优化方法。
背景技术
能源可持续发展形势的日益严峻，促使各国打破各能源系统单独规划、独立运行的既有模式，开展多能流综合利用的研究。多种能源系统在规划、设计、建设和运行阶段协调配合，能够推动多能流互补共济，促进可再生能源消纳，提升能源整体利用效率，增强能源系统灵活性。能源中心将综合能源系统中的多能流耦合设备和储能设备抽象为一个输入-输出双端口网络模型，模型中多种能流分别从两个端口输入与输出，简化了综合能源系统中复杂的多能流耦合关系。在此基础上，综合能源系统规划问题可以分为能源中心规划与能源网络规划两部分内容。目前，关于能源中心的规划问题已经开展了较为充分的研究。
能源中心的规划大多建立在优化运行的基础上，主要关注能源中心的多能流耦合设备和储能设备的选址定容，但忽略了能源网络特性的影响。然而，综合能源系统中的能源中心往往不是独立运行的，对于综合能源系统规划问题，除考虑能源网络规划之外，还需要考虑能源网络特性对能源中心运行的影响。目前，关于能源网络特性对能源中心运行影响的研究主要集中在气网管存、热网损耗和热网延时方面。针对含多个能源中心的综合能源系统规划问题，部分研究考虑了天然气管网或热力管网，还未有兼顾天然气与热力管网特性的综合能源系统优化方法研究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种计及天然气管网和热力管网特性的综合能源系统优化方法，其在满足多区域电、气、热负荷需求以及综合能源系统优化运行的基础上，得到多能量枢纽与能源网络的协同规划方案，增强能源系统的灵活性，提高综合能源利用效率。
为此，本发明采用如下的技术方案：计及天然气管网和热力管网特性的综合能源系统优化方法，其包括步骤：
1)构建含多能流耦合设备和储能设备的能源中心设备模型；
2)构建含电力网络、天然气管网和热力管网的能源网络模型；
3)以综合能源系统运行周期内总成本最小为优化目标，考虑综合能源系统建设约束和运行约束，建立计及天然气管网和热力管网特性的综合能源系统优化模型。
本发明构造了计及管网特性的综合能源系统优化数学模型，通过MATLAB环境下的YALMIP/GUROBI求解便可得到综合能源系统中能量枢纽设备与能源网络的最优规划技术方案。
进一步地，步骤1)中，所述能源中心设备模型抽象为一个输入-输出双端口网络模型，多种能流分别从两个端口输入与输出，多能流耦合设备和储能设备的输入和输出端按照能源形式，分别汇集到同一端点。
进一步地，步骤1)中，所述的多能流耦合设备包括电热锅炉、燃气锅炉、燃气轮机和热电联产机组，其能源转移效率统一表示为：
式中：Pκ,xi为多能流耦合设备x的输入功率，其中κ表示电能e、天然气能g和热能h，n表示输入能量种类的数目；
为多能流耦合设备x输出的电、气、热功率；η(n×1)为能源转换效率矩阵；
所述储能设备包括储电、储气和储热设备，储能设备的运行约束统一表示为：
式中：下标t表示t时刻，
为储能设备x的储能量；
和
分别为储能设备x的充、放能速率；ηκ,xi和ηκ,xo分别为储能设备x的充、放能效率；Δt为单位时间段的时长；
和
分别为储能设备x存储能量的上、下限；
所述能源中心设备模型两个端口的输入与输出功率需满足：
式中：下标k表示第k个能源中心；
表示能源中心中所有设备的集合；
和
分别能源中心两个端口的输入与输出功率；
和
分别为设备x的输入和输出功率；
为负荷功率。
进一步地，步骤2)中，采用直流潮流模型描述电力网络：
式中：
为电力线路ij传输的有功功率；xL、θi,t和θj,t分别为电力线路ij的电抗值和首末端电压相角；
电力网络节点能量平衡约束表示为：
式中：
为电网中与k节点相连的节点集合；
为外部输电网的注入功率；
为注入能源中心的电功率。
进一步地，步骤2)中，所述的天然气管网中，天然气管道约束有：
根据气体状态方程与波义耳定律，管存相关的计算式如下：
且其满足质量守恒定律，如下式所示：
其中，
式中：Vij,t为天然气管道ij内的管存量；pi,t和pj,t分别为管道ij首末端的气压；
和
分别为管道ij的出、入口流量；
和
分别为管道ij内径和长度；Rgas为通用气体常数；
为管道ij的管存系数；Mgas为天然气分子量；Tg、ψ和ρg分别为天然气温度、压缩因子和相对空气的密度；Δt为单位时间段的时长；
此外，天然气管道传输的气流量与首末端气压有关，实际运行中大多数输气管道以高雷诺数的流速运行即处于湍流状态，满足管道气流方程，如下式所示，参数均折算到标准状况下：
pi,min≤pi,t≤pi,max，
其中
式中：Qij.t为天然气管道ij内流经的平均气流量；
为天然气管道ij的流量系数；ε为管道ij的绝对粗糙度；pi,max和pi,min分别为节点i的气压上、下限；
所述的天然气管网中，加压站约束表示为：
pi,t≤ξcompj,t，
天然气网络节点能量平衡约束表示为：
式中：
为天然气管网中与节点k相连的节点集合；
和
分别为管道jk出口和入口端的气功率；
为外部气源注入综合能源系统的气功率；
为注入能源中心的气功率；
为天然气热值；
和
分别为管道ik的出、入口流量；ξcom表示加压站最大加压系数。
进一步地，步骤2)中，所述的热力管网中，换热站约束有：
供水管和回水管的出入口温度约束表示如下：
热负荷和能源中心与换热站热交换约束表示如下：
热力管网节点热量守恒约束表示如下：
式中：
和
和
分别为第k个能源中心/第f个热负荷的供水管与回水管的出入口温度；
和
分别为第k个能源中心和第f个热负荷与其换热站的热交换功率；cw为水的比热容；
和
分别为单位时间内流过换热站的工质质量；NZ为流入汇集点z的管道集合；Tz,t和
分别为汇集点z和管道b出口的工质温度；
为单位时间内管道b流出的工质质量；
所述的热力管网中，热网延时效应约束有：
其中，
式中：
和
分别为热力传输延时时长的上、下限；
和
分别为未计及温度损失时的管道出、入口温度；ρw为热力管网工质的密度；
和
分别为t-γb,t和t-φb,t+1时刻到t时刻注入管道的工质质量；Ν为正整数集合，n表示其中的元素；
和
分别为δt时间内流入和流出管道b的工质质量；
和
分别表示t-φb,t和t-γb,t时刻注入管道的工质温度；Ab和
分别表示管道的横截面面积和长度。
所述的热力管网中，热网损耗约束有：
由于工质在传输过程中不可避免地与管道进行热交换而产生热量损耗，故管道出口温度根据苏霍夫温降公式进行修正：
其中，
式中：
和
为环境温度和修正后的管道出口温度；Jb,t和λb分别为温度保持系数与管道导热系数。
所述的热力管网中，热网节点能量平衡约束有：
能源中心和热负荷的热能平衡约束：
式中：
和
分别为能源中心的输出热功率及其与换热站的热交换功率；
和
分别为第f个热负荷的功率及其与换热站的热交换功率。
进一步地，步骤3)中，综合能源系统优化模型中，目标函数表示为：
其中，
式中：用下标s表示第s个场景；Cinv、
和Ctotal分别表示计及设备残值的投资成本、第τ年的外部能源购买成本和系统运行周期内总成本；r为贴现率；Hor为规划年限；D为一年的天数；NS为一年内的场景集合；Νeh和Nbr分别为综合能源系统拓扑结构中的节点集合与支路集合；ΝX和Nnet分别为综合能源系统中的能源中心设备种类集合和能源网络种类集合；
和
为第k个能源中心中候选X类设备的集合和能源网络κ中节点i与j之间的候选线路或管道集合；ωs为场景s发生的概率；Φ为一个典型日的时间分段数；
和
分别为从外部购电和购气功率；
和
分别为电能和天然气的单位购买成本；假定投运都发生在年初，Rx、cx、βx和Sx分别为x的规划期末残值率、单位容量投资成本、候选设备投运状态和单台/条/回容量；Δt为单位时间段的时长；
假设能源中心设备与能源网络折旧程度与投运时间呈线性关系，x的残值率统一描述为：
式中，Tx为x的预期运行年数，
为x退役时的残值率。
进一步地，步骤3)中，综合能源系统优化模型中，建设约束为：
综合能源系统的投资成本包括多能流耦合设备、储能设备以及电力网络、天然气管网和热力管网的建设成本，投资成本存在上限，如下式所示：
式中，
为综合能源系统投资成本上限；
对于能源中心设备和能源网络，设备安装台数和线路或管道的建设条/回数需要满足下面的约束：
式中：
和
分别为第k个能源中心中X类设备的最大投运数目和能源网络κ中线路ij最大建设条/回数。
进一步地，步骤3)中，综合能源系统优化模型中，运行约束为：
能源中心中的设备输入功率和爬/滑坡速度约束条件统一表示为：
式中：ζx为设备x的容量裕度；
和
分别为设备x的输出功率上下限；
为设备x的功率爬/滑坡速度上限；
表示设备x的输出功率。
在能源网络中，两节点之间建设多条并行线路，由于能源网络的非线性，需要分别计算每一条线路的运行状态，能源网络线路功率约束统一表示为：
式中：
和
分别为节点i与j之间第l条电力网线路的传输功率和天然气管道的出入口功率；
为向热负荷f供热的第l回管道的传输功率；ζe,tran、ζg,tran和ζhex为候选电力线路、天然气管道和热力管道的容量裕度；0-1变量
和
为候选电力线路、天然气管道和热力管道的投运状态；
和
为候选电力线路、天然气管道和热力管道的容量；
从外部注入的电功率和气功率需要满足下面的约束：
式中，
和
分别为从综合能源系统外部购买电功率和气功率的上限。
进一步地，利用增量法对非线性约束进行线性化处理；
对于非线性函数h(y)，线性化方法简述如下：权衡计算精度与计算量，将自变量的取值范围分为υ个区间；计算区间各个分段点Yi处的函数值；函数即表示为下式：
其中，μi为连续变量，代表每个分段上的占比；
为0-1变量，用于确保增量法表示可行域内的所有函数值。
本发明构建了含电力网络、天然气管网和热力管网的综合能源系统模型，提出了计及管网特性影响的综合能源系统优化规划方法。所提出的规划方法在满足多区域电、气、热负荷需求以及综合能源系统优化运行的基础上，得到多能量枢纽与能源网络的协同规划方案。通过算例结果的分析，验证了在综合能源系统规划中考虑能源网络的必要性与可行性。
本发明所提方案表现出储气设备协同CHP机组与燃气轮机进行配置，以负荷定天然气管网配置，以及储热设备协同电热锅炉进行配置等特点，增强了能源系统的灵活性，提高了综合能源利用效率；天然气管网特性影响主要体现在储气设备规划方面；热力管网特性的影响主要体现在能量耦合设备(电热锅炉、CHP机组等)以及热力管网的选址定容方面。本发明所提方案还可以在引导电能替代、推动“电-气-热”多能流互补共济以及促进“源-网-荷-储”协同发展等方面发挥作用。
附图说明
图1为本发明实施例中综合能源系统能源中心架构图；
图2为本发明实施例中环式热力管网典型结构图；
图3为本发明实施例中热网延时效应示意图；
图4为本发明应用例中6节点综合能源系统结构框架图；
图5为本发明应用例中网络特性对综合能源系统优化规划的影响图；
图6为本发明应用例中不同负荷规模的综合能源系统优化规划图；
图7为本发明应用例中不同负荷热电比的综合能源系统优化规划图；
图8为本发明实施例中综合能源系统规划方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域的技术人员应该明了，所述的实施例仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例
本实施例为一种计及天然气管网和热力管网特性的综合能源系统规划方法，其包括以下步骤：
步骤1、构建能源中心设备模型
构建能源中心的架构如图1所示，包括多能流耦合设备和储能设备。能源中心抽象为一个输入-输出双端口网络模型，模型中多种能流分别从两个端口输入与输出，多能流耦合设备和储能设备的输入和输出端可以看作分别按照能流种类汇集到同一点。
1)多能流耦合设备
能源中心内部的多能流耦合设备发挥能源转换器的作用，通过其内部的电、气、热多能流互补共济，可以满足多种负荷的用能需求。多能流耦合设备包括电热锅炉、燃气锅炉、燃气轮机和热电联产机组等。多能流耦合设备可以统一表示为：
式中：Pκ,xi为多能流耦合设备x的输入功率，其中κ表示电能、天然气能和热能等能量形式，n表示输入能量种类的数目；
为多能流耦合设备x输出的电、气、热功率；η(n×1)为能源转换效率矩阵。
2)储能设备
储能设备是能源中心中的重要设备，启停时间短，功率爬坡速度快，能够在短时间内响应供用能侧的功率变化。储能设备包括储电、储气和储热设备等。储能设备的运行约束可以统一表示为：
式中：下标t表示t时刻；
为储能设备x的储能量；
和
分别为储能设备x的充放能速率；ηκ,xi和ηκ,xo分别为储能设备x的充放能效率；Δt为单位时间段的时长；
和
分别为储能设备x存储能量的上下限。
3)能源中心端口
能源中心两个端口的输入与输出功率需满足：
式中：下标k表示第k个能源中心(节点k)；
表示能源中心中所有设备的集合；
和
分别能源中心两个端口的输入与输出功率；
和
分别为设备x的输入和输出功率；
为负荷功率。
步骤2、能源网络模型构建
1)电力网络
采用直流潮流模型描述电力网络：
式中：
为电力线路ij传输的有功功率；xL、θi,t和θj,t分别为电力线路ij的电抗值和首末端电压相角。
电力网络节点能量平衡约束表示为：
式中：
为电网中与k节点相连的节点集合；
为外部输电网的注入功率；
为注入能源中心的电功率。
2)天然气管网
综合能源系统中的天然气系统通常由气源、管道、压缩机和气负荷等组成。
A.天然气管道约束
天然气的传输速度远不及电力且具有压缩性，因此管道输入与输出流量不必时刻相等，管存表现出一定的缓冲作用。根据气体状态方程与波义耳定律，管存相关的计算式如式(8)所示，且其满足质量守恒定律，如式(9)所示。
其中
式中：Vij,t为天然气管道ij内的管存量；pi,t和pj,t分别为管道ij首末端的气压；
和
分别为管道ij的出入口流量；
和
分别为管道ij内径和长度；Rgas为通用气体常数；
为管道ij的管存系数；Mgas为天然气分子量；Tg、ψ和ρg分别为天然气温度、压缩因子和相对空气的密度。
此外，天然气管道传输的气流量与首末端气压有关。实际运行中大多数输气管道以高雷诺数的流速运行即处于湍流状态，满足管道气流方程，如式(11)-(12)所示；式(13)则表示气网节点气压的上下限约束。本实施例中参数均折算到标准状况下。
pi,min≤pi,t≤pi,max (13)
其中
式中：Qij.t为天然气管道ij内流经的平均气流量；
为天然气管道ij的流量系数；ε为管道ij的绝对粗糙度；pi,max和pi,min分别为节点i的气压上下限。
B.加压站约束
由于天然气管网内部存在摩擦力，气压会逐步衰减，因此天然气管网中一般安装有加压站，用于提升天然气管道内的气压。加压站模型可以简单表示为：
pi,t≤ξcompj,t (15)
C.气网节点能量平衡约束
天然气网络节点能量平衡约束表示为：
式中：
为天然气管网中与节点k相连的节点集合；
和
分别为管道jk出口和入口端的气功率；
为外部气源注入综合能源系统的气功率；
为注入能源中心的气功率；
为天然气热值。
3)热力管网
热力系统通常由热源、环式管网、换热站和热负荷等组成。环式热力管网典型结构如图2所示。
A.换热站约束
综合能源系统中的热能由热力管网的工质进行传递，并在换热站进行热量交换，传递与交换的热功率大小与各节点温度有关。下列约束中，式(19)-(22)表示供水管和回水管的出入口温度约束；式(23)和式(24)分别表示热负荷和能源中心与换热站热交换约束；式(25)表示热力管网节点热量守恒约束。
式中：
和
和
为第k个能源中心/第f个热负荷的供水管与回水管的出入口温度；
和
分别为第k个能源中心和第f个热负荷与其换热站的热交换功率；cw为水的比热容；
和
分别为单位时间内流过换热站的工质质量；NZ为流入汇集点z的管道集合；Tz,t和
分别为汇集点z和管道b出口的工质温度；
为单位时间内管道b流出的工质质量。
B.热网延时效应约束
热力管网的工质在管网中流动需要足够时间且存在一定损耗。热力传播速度近似等于载体流动速度，故热力管网延时特性可以用加权平均的方法进行描述。图3为热力管网纵截面，右侧阴影部分为t时段流出管道的工质，
和
分别为δt时间内流入和流出管道b的工质质量。如式(26)所示，流出的工质温度可以由三部分温度的加权平均数表示。
其中
式中：
和
分别为热力传输延时时长的上下限；
和
分别为未计及温度损失时的管道出入口温度；ρw为热力管网工质的密度；
和
分别为t-γb,t和t-φb,t+1时刻到t时刻注入管道的工质质量；Ν为正整数集合。
C.热网损耗约束
由于工质在传输过程中不可避免地与管道进行热交换而产生热量损耗，故管道出口温度可以根据苏霍夫温降公式进行修正：
其中
式中：
和
为环境温度和修正后的管道出口温度；Jb,t和λb分别为温度保持系数与管道导热系数。
D.热网节点能量平衡约束
能源中心与热负荷均满足热能平衡。式(33)-(34)分别为能源中心和热负荷的热能平衡约束。
式中：
和
分别为能源中心的输出热功率及其与换热站的热交换功率；
和
分别为第f个热负荷的功率及其与换热站的热交换功率。
步骤3、优化规划模型
1)目标函数
采用场景分析的方法，将一年的负荷情况削减成s个场景。以综合能源系统规划期内能源投资运行总成本最小为优化目标，决策变量为候选的多能流耦合设备、储能设备、电力线路、天然气管道和热力管道的投运状态；能源中心中可以投运多台多种型号的设备，能源网络两节点之间可以投运多条并行线路或管道。此外，规划过程中不改变综合能源系统的拓扑结构。本实施例中用天然气管道功率上限描述天然气系统容量，用热力管道功率上限描述热力系统容量。目标函数可以表示为：
其中，
式中：s表示场景编号；Cinv、
和Ctotal分别表示计及设备残值的投资成本、第τ年的外部能源购买成本和系统投资运行总成本；r为贴现率；Hor为规划年限；D为一年的天数；NS为一年内的场景集合；Νeh和Nbr分别为综合能源系统拓扑结构中的节点集合与支路集合；ΝX和Nnet分别为综合能源系统中的能源中心设备种类集合和能源网络种类集合；
和
为第k个能源中心中候选X类设备的集合和能源网络κ中节点i与j之间的候选线路或管道集合；ωs为场景s发生的概率；Φ为一个典型日的时间分段数，本文设定Φ为24小时；
和
分别为从外部购电和购气功率；
和
分别为电能和天然气的单位购买成本；假定投运都发生在年初，Rx、cx、βx和Sx分别为x的规划期末残值率、单位容量投资成本、候选设备(线路或管道)投运状态和单台(条或回)容量。
假设能源中心设备与能源网络折旧程度与投运时间呈线性关系，x的残值率可以统一描述为：
式中：Tx为x的预期运行年数，
为x退役时的残值率。
2)约束条件
A.建设约束
综合能源系统的投资成本包括多能流耦合设备、储能设备以及电力网络、天然气管网和热力管网的建设成本，投资成本通常存在上限，如式(39)所示：
式中为综合能源系统投资成本上限。
对于能源中心设备和能源网络，设备安装台数和线路或管道的建设条(回)数需要满足式(40)和(41)的约束：
式中：
和
分别为第k个能源中心中X类设备的最大投运数目和能源网络κ中线路ij最大建设条(回)数。
B.运行约束
能源中心中的设备输入功率和爬(滑)坡速度约束条件统一表示为：
式中：ζx为设备x的容量裕度；
和
分别为设备x的输入功率上下限；
为设备x的功率爬(滑)坡速度上限。
在能源网络中，两节点之间可以建设多条并行线路。由于能源网络的非线性，需要分别计算每一条线路的运行状态。节点与之间第条(回)线路的功率约束统一表示为：
式中：
和
分别为节点i与j之间第l条电力网线路的传输功率和天然气管道的出入口功率；
为向热负荷f供热的第l回管道的传输功率；ζe,tran、ζg,tran和ζhex为候选电力线路、天然气管道和热力管道的容量裕度；0-1变量
和
为候选电力线路、天然气管道和热力管道的投运状态；
和
为候选电力线路、天然气管道和热力管道的容量。
从外部注入的电功率和气功率需要满足式(47)和(48)的约束：
式中
和
分别为从综合能源系统外部购买电功率和气功率的上限。
利用增量法对非线性约束进行线性化处理。对于非线性函数h(y)，线性化方法简述如下：权衡计算精度与计算量，将自变量的取值范围分为υ个区间；计算区间各个分段点Yi处的函数值；函数即可以表示为式(49)。其中，μi为连续变量，代表每个分段上的占比；
为0-1变量，用于确保增量法可以表示可行域内的所有函数值。对于天然气管网非线性约束，依次线性化式(11)中的三个平方项，然后进行线性叠加，即完成线性化。
对于建立的混合整数线性优化模型，采用YALMIP/GUROBI求解器进行求解，便可得到综合能源系统中能量枢纽与能源网络的协同规划结果。
应用例
参数设置：以包含一个6节点综合能源系统为例进行说明，综合能源系统如图4所示。能源中心1、能源中心2和能源中心3均承载电、气、热三类负荷；其他能源中心只承载电、气两类负荷。外部电网通过节点1、2和6向综合能源系统供电，外部气源通过节点3和6向综合能源系统供气，能源中心1、能源中心2和能源中心3均通过环式网络向各自区域内两个热负荷供热；能源网络线路编号见表1。将电、气、热的日负荷曲线分为夏季、过渡季和冬季三个典型场景；在规划期内，从外部购买天然气和电能的单位成本按照折现率增长，初年电价选用浙江省峰谷电价，初年天然气价格设为3.25元/m3。其他参数见表1至表5。
表1综合能源系统候选网络参数
表2综合能源系统投资参数
表3综合能源系统候选设备参数
表4天然气管网参数
表5热力管网参数
采用YALMIP/GUROBI求解器进行求解，计及管网特性的综合能源系统优化规划方案如表6和表7所示。
表6多能流耦合设备与储能设备优化规划方案
表7综合能源系统能源网络优化规划结果
计及天然气管网和热力管网特性的综合能源系统规划与网络特性密切相关。以表1中的规划方案为参照情景，对下述三个场景进行对比分析：
情景1：忽略天然气管存效应影响，假设天然气管道出入口流量时刻保持一致。
情景2：忽略热力管网延时效应，假设热力管网出入口温度变化趋势时刻保持一致。
情景3：忽略热力管网热量损耗，假设热力管网不发生热量损耗。
在情景1中，优化规划方案中储气设备总容量由88MW增加到为104MW，储气设备容量如图5所示；这是由于在参照情景中，天然气管道出入口流量不必时刻相等，管网表现出储能设备的特性，即可以在一定范围内通过调节气压控制天然气流量，对储能设备起到替代作用。
在情景2中，优化规划方案中电热锅炉数目减少，供热总容量如图5所示。结合热力管网1的供水管运行数据可以发现，在参照场景中，t时段流出管道的工质温度等于t-1和t-2两个时段流入工质温度的加权平均数，该特性会增大供水管中流入工质的温度调节幅度，即在忽略延时效应的情形下，供热负荷(热负荷与管网热量损耗之和)的波动性小于参照场景，故对电热锅炉的容量需求小于参照场景。
在情景3中，优化规划方案用一台热功率较低的CHP机组替换了原有的两台电热锅炉，供热总容量如图5所示。这是由于忽略热量损耗后，能源中心供热负荷的计算值小于实际值，而该规划方案在实际运行中无法完全达到供需平衡。
计及天然气管网和热力管网特性的综合能源系统规划与负荷规模和负荷热电比密切相关。对负荷规模和负荷热电比两个因素进行敏感性分析：
将负荷规模从减少30％逐次调整到增加30％，分析其对综合能源系统优化规划的影响。如图6所示，随着电、气、热负荷需求的增长，优化规划方案主要变化趋势如下：其一是外部电能对燃气轮机的替代；在规划方案中能源中心4、能源中心5之间天然气管道容量需求减小，能源中心4处不再配置燃气轮机，同时也伴随储气设备减少。其二是电热锅炉对CHP机组的替代；能源中心中CHP机组总数减少，并伴随电热锅炉增多。这是因为天然气气源每日提供的天然气容量有限，需要优先满足各能源中心的气负荷；在天然气较为充裕时，CHP机组可表现出高效利用能源的优势。
原始数据的夏季、过渡季和冬季负荷热电比依次为0.149、0.260和0.962，逐次调整热负荷占比并保持总负荷不变。如图7所示，随着热负荷占比的增加，先后出现电热锅炉增加、输电网容量减少、热力管网扩容和CHP机组替代燃气轮机。也即在本文算例中，当热负荷占比增加、电负荷占比减小时，优化规划方案首先考虑投建电热锅炉，将电能转化为热能，实现多能互补共济；然后减少输电网容量、扩建热力管网；最后考虑增加CHP机组。
上述实施方式已经对本发明的一些细节进行了描述，但是不能理解为对本发明的限制，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对其进行变化、修改、替换和变型。
Claims (3)
1.计及天然气管网和热力管网特性的综合能源系统优化方法，其特征在于，包括步骤：
1)构建含多能流耦合设备和储能设备的能源中心设备模型；
2)构建含电力网络、天然气管网和热力管网的能源网络模型；
3)以综合能源系统运行周期内总成本最小为优化目标，考虑综合能源系统建设约束和运行约束，建立计及天然气管网和热力管网特性的综合能源系统优化模型；
步骤1)中，所述能源中心设备模型抽象为一个输入-输出双端口网络模型，多种能流分别从两个端口输入与输出，多能流耦合设备和储能设备的输入和输出端按照能源形式，分别汇集到同一端点；
步骤1)中，所述的多能流耦合设备包括电热锅炉、燃气锅炉、燃气轮机和热电联产机组，其能源转移效率统一表示为：
式中：Pκ,xi为多能流耦合设备x的输入功率，其中κ表示电能e、天然气能g和热能h，n表示输入能量种类的数目；
为多能流耦合设备x输出的电、气、热功率；η(n×1)为能源转换效率矩阵；
所述储能设备包括储电、储气和储热设备，储能设备的运行约束统一表示为：
式中：下标t表示t时刻，
为储能设备x的储能量；Pt κ,xi和Pt κ,xo分别为储能设备x的充、放能速率；ηκ,xi和ηκ,xo分别为储能设备x的充、放能效率；Δt为单位时间段的时长；
和
分别为储能设备x存储能量的上、下限；
所述能源中心设备模型两个端口的输入与输出功率需满足：
式中：下标k表示第k个能源中心；
表示能源中心中所有设备的集合；
和
分别能源中心两个端口的输入与输出功率；
和
分别为设备x的输入和输出功率；
为负荷功率；
步骤2)中，采用直流潮流模型描述电力网络：
式中：
为电力线路ij传输的有功功率；xL、θi,t和θj,t分别为电力线路ij的电抗值和首末端电压相角；
电力网络节点能量平衡约束表示为：
式中：
为电力线路jk传输的有功功率；
为电网中与k节点相连的节点集合；
为外部输电网的注入功率；
为注入能源中心的电功率；
步骤2)中，所述的天然气管网中，天然气管道约束有：
根据气体状态方程与波义耳定律，管存相关的计算式如下：
且其满足质量守恒定律，如下式所示：
其中，
式中：Vij,t为天然气管道ij内的管存量；pi,t和pj,t分别为管道ij首末端的气压；
和
分别为管道ij的出、入口流量；
和
分别为管道ij内径和长度；Rgas为通用气体常数；
为管道ij的管存系数；Mgas为天然气分子量；Tg、ψ和ρg分别为天然气温度、压缩因子和相对空气的密度；Δt为单位时间段的时长；
此外，天然气管道传输的气流量与首末端气压有关，实际运行中大多数输气管道以高雷诺数的流速运行即处于湍流状态，满足管道气流方程，如下式所示，参数均折算到标准状况下：
pi,min≤pi,t≤pi,max，
其中
式中：Qij,t为天然气管道ij内流经的平均气流量；
为天然气管道ij的流量系数；ε为管道ij的绝对粗糙度；pi,max和pi,min分别为节点i的气压上、下限；
所述的天然气管网中，加压站约束表示为：
pi,t≤ξcompj,t，
天然气网络节点能量平衡约束表示为：
式中：
为天然气管网中与节点k相连的节点集合；
和
分别为管道jk出口和入口端的气功率；
为外部气源注入综合能源系统的气功率；
为注入能源中心的气功率；
为天然气热值；
和
分别为管道ik的出、入口流量；ξcom表示加压站最大加压系数；
步骤2)中，所述的热力管网中，换热站约束有：
供水管和回水管的出入口温度约束表示如下：
热负荷和能源中心与换热站热交换约束表示如下：
热力管网节点热量守恒约束表示如下：
式中：
和
和
分别为第k个能源中心/第f个热负荷的供水管与回水管的出入口温度；
和
分别为第k个能源中心和第f个热负荷与其换热站的热交换功率；cw为水的比热容；
和
分别为单位时间内流过换热站的工质质量；NZ为流入汇集点z的管道集合；Tz,t和
分别为汇集点z和管道b出口的工质温度；
为单位时间内管道b流出的工质质量；
所述的热力管网中，热网延时效应约束有：
其中，
式中：γb,t和φb,t分别为热力传输延时时长的上、下限；
和
分别为未计及温度损失时的管道出、入口温度；ρw为热力管网工质的密度；
和
分别为t-γb,t和t-φb,t+1时刻到t时刻注入管道的工质质量；Ν为正整数集合，n表示其中的元素；
和
分别为δt时间内流入和流出管道b的工质质量；
和
分别表示t-φb,t和t-γb,t时刻注入管道的工质温度；Ab和
分别表示管道的横截面面积和长度；
所述的热力管网中，热网损耗约束有：
由于工质在传输过程中不可避免地与管道进行热交换而产生热量损耗，故管道出口温度根据苏霍夫温降公式进行修正：
其中，
式中：
和
为环境温度和修正后的管道出口温度；Jb,t和λb分别为温度保持系数与管道导热系数；
为t-γb,t时刻内流入管道b的工质质量；
所述的热力管网中，热网节点能量平衡约束有：
能源中心和热负荷的热能平衡约束：
式中:
和
分别为能源中心的输出热功率及其与换热站的热交换功率；
和
分别为第f个热负荷的功率及其与换热站的热交换功率；
步骤3)中，综合能源系统优化模型中，目标函数表示为：
其中，
式中：用下标s表示第s个场景；Cinv、
和Ctotal分别表示计及设备残值的投资成本、第τ年的外部能源购买成本和系统运行周期内总成本；r为贴现率；Hor为规划年限；D为一年的天数；NS为一年内的场景集合；Νeh和Nbr分别为综合能源系统拓扑结构中的节点集合与支路集合；ΝX和Nnet分别为综合能源系统中的能源中心设备种类集合和能源网络种类集合；
和
为第k个能源中心中候选X类设备的集合和能源网络κ中节点i与j之间的候选线路或管道集合；ωs为场景s发生的概率；Φ为一个典型日的时间分段数；
和
分别为从外部购电和购气功率；
和
分别为电能和天然气的单位购买成本；假定投运都发生在年初，Rx、cx、βx和Sx分别为x的规划期末残值率、单位容量投资成本、候选设备投运状态和单台/条/回容量；Δt为单位时间段的时长；
假设能源中心设备与能源网络折旧程度与投运时间呈线性关系，x的残值率统一描述为：
式中，Tx为x的预期运行年数，
为x退役时的残值率；
步骤3)中，综合能源系统优化模型中，建设约束为：
综合能源系统的投资成本包括多能流耦合设备、储能设备以及电力网络、天然气管网和热力管网的建设成本，投资成本存在上限，如下式所示：
式中，
为综合能源系统投资成本上限；
对于能源中心设备和能源网络，设备安装台数和线路或管道的建设条/回数需要满足下面的约束：
式中：
和
分别为第k个能源中心中X类设备的最大投运数目和能源网络κ中线路ij最大建设条/回数；
步骤3)中，综合能源系统优化模型中，运行约束为：
能源中心中的设备输入功率和爬/滑坡速度约束条件统一表示为：
式中：ζx为设备x的容量裕度；
和
分别为设备x的输出功率上下限；
为设备x的功率爬/滑坡速度上限；
表示设备x的输出功率；
在能源网络中，两节点之间建设多条并行线路，由于能源网络的非线性，需要分别计算每一条线路的运行状态，能源网络线路功率约束统一表示为：
式中：
和
分别为节点i与j之间第l条电力网线路的传输功率和天然气管道的出入口功率；
为向热负荷f供热的第l回管道的传输功率；ζe,tran、ζg,tran和ζhex为候选电力线路、天然气管道和热力管道的容量裕度；0-1变量
和
为候选电力线路、天然气管道和热力管道的投运状态；
和
为候选电力线路、天然气管道和热力管道的容量；
从外部注入的电功率和气功率需要满足下面的约束：
式中，
和
分别为从综合能源系统外部购买电功率和气功率的上限。
2.根据权利要求1所述的计及天然气管网和热力管网特性的综合能源系统优化方法，其特征在于，利用增量法对非线性约束进行线性化处理。
3.根据权利要求2所述的计及天然气管网和热力管网特性的综合能源系统优化方法，其特征在于，对于非线性函数h(y)，线性化方法简述如下：权衡计算精度与计算量，将自变量的取值范围分为υ个区间；计算区间各个分段点Yi处的函数值；函数即表示为下式：
其中，μi为连续变量，代表每个分段上的占比；
为0-1变量，用于确保增量法表示可行域内的所有函数值。
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| GR01 | Patent grant | ||
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