CN110363397B - 一种基于可转换自由度的综合能源系统规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于可转换自由度的综合能源系统规划方法，引入可转换自由度用于描述综合能源系统能流的耦合程度，旨在平衡综合能源系统的可转换自由度和规划建设运行成本，包括：将综合能源系统的负荷需求划分冷、热、电三大类，分别建立以能流转换功率为核心的电、冷、热负荷平衡约束；确定综合能源系统的典型设备，并考虑不同综合能源系统设备的耦合关系，建立典型设备能流转换功率出力模型和约束条件；引入可转换自由度的定义和计算方法；构建包含可转换自由度的综合能源系统的规划优化目标函数，根据约束条件确定平衡综合能源系统可转换自由度和其优化规划运行的经济成本的最优解。

Description

一种基于可转换自由度的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技术领域，具体涉及一种基于可转换自由度的综合能源系统规划方法。
背景技术
能源与环境问题作为人类生存和发展的重要决定因素，已经成为世界各国的关注焦点。关于如何提高现有能源利用率，实现可再生能源的大规模开发利用，世界各国对此进行深入研究。由于传统能源电冷气热的能源供给分属于不同的行业，分属于不同的公司管理运营，用于满足用户的电冷气热需求。行业壁垒的存在造成能源供应多头管理，重复投资，制约了综合能效的提高。随着能源和环境问题的日益严峻，为了提高能源的总体效率，适应信息管理扁平化、集约化的发展趋势，多类能源互补供能的综合能源系统应运而生，成为了新兴的发展方向。
目前，关于综合能源系统的规划优化研究已经得到了国内外学者的重视，并形成了一定的研究基础。但现有的研究多集中在使用单层网络或双层网络对综合能源系统典型设备的容量组装规划使其满足约束，对于如何刻画综合能源系统各能流之间的耦合程度及系统能流耦合的冗余容量，并将其用于综合能源系统规划运营和系统的扩建尚缺乏深入的研究。
本发明公开了一种基于可转换自由度的综合能源系统规划方法，首先构建以能流转换功率为核心的综合能源系统的电、冷、热负荷功率约束；然后以能流转换功率的形式对综合能源系统中包含的典型设备进行数学模型和约束函数的搭建；引入能流间的可转换自由度来描述综合能源系统中不同能流出力之间的耦合程度，将其归一化为整个系统的可转换自由度；将可转换自由度作为纳入综合能源系统的规划优化之中，求解平衡综合能源系统可转换自由度和系统规划运行成本的最优解，减少日后的系统的扩建成本。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于可转换自由度的综合能源系统规划方法，首先建立综合能源微网中各典型设备的能流转换功率出力模型及爬坡约束、储能模型、系统内的负荷平衡模型以及可再生光热发电的出力模型，然后引入用于描述综合能源能流冗余程度和优化空间的可转换自由度，建立以综合能源系统运行总成本最小为目标函数的可转换自由度综合能源优化规划模型，通过求解该模型即可求解可转换自由度与综合能源系统最佳规划方案，减少运行成本并为综合能源系统的扩建提供合适的冗余空间以减少扩建成本。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于可转换自由度的综合能源系统规划方法，包括：
步骤1，综合能源系统的负荷需求划分冷、热、电三大类，分别建立以能流转换功率为核心的电、冷、热负荷平衡约束；
步骤2，确定综合能源系统的典型设备，并考虑不同综合能源系统设备的耦合关系，建立综合能源系统中典型设备的能流转换功率出力模型和爬坡约束；
步骤3，引入可转换自由度的定义和计算方法；
步骤4，构建包含可转换自由度的综合能源系统的规划优化目标函数，根据约束条件确定平衡综合能源系统可转换自由度和其优化规划运行的经济成本的最优解。
优选地，步骤1进一步包括：建立以综合能源系统的能流转换功率为核心的负荷平衡约束模型，包括电负荷的平衡约束模型、热负荷的平衡约束模型、冷负荷的平衡约束模型。
优选地，步骤2进一步包括：考虑不同综合能源系统设备的耦合关系，建立综合能源系统中典型设备的能流转换功率出力模型和爬坡约束；所述典型设备包括：冷热电三联产系统、电制冷机组、电制热机组、燃气锅炉、地源热泵、光热发电系统、储能系统；所述典型设备的模型包括：CCHP系统模型、电制冷机组模型、电制热机组模型、燃气锅炉模型、地源热泵模型、光热发电模型、储能模型。
优选地，所述CCHP系统模型包括：微型燃气轮机模型、低温余热发电模型及吸收式制冷机模型。
优选地，步骤3进一步包括：所述可转换自由度定义为描述综合能源系统中相互耦合的多种能流在系统的源网储部分相互转换和相互替代的冗余容量占整个系统耗能总容量的比重；所述可转换自由度的计算方法为：
Figure BDA0002105012080000031
其中，J表示综合能源系统的可转换自由度；Pload,j为用户对能流负荷j的需求功率；
Figure BDA0002105012080000032
为用户对能流负荷j的需求功率的峰值；i表示设备的输入能流；j表示设备的输出负荷能流形式；M表示能流i转换为能流负荷j的集合；(g,h)表示以燃气为输入以热能为输出；(e,h)表示以电能为输入以热能为输出；(h,c)表示以热能为输入以冷能为输出；(e,c)表示以电能为输入以冷能为输出；(g,e)表示以燃气为输入以电能为输出；(h,e)表示以热能为输入以电能为输出。Ji,j表示能流i转换为负荷j的可转换自由度；βi,j表示能流i转换为能流j的可转换自由度的权重；Pi,j为能流i转换为能流负荷j的装机最大可输出功率。
优选地，步骤4进一步包括：建立考虑可转换自由度的综合能源系统的规划运行模型，将所述的综合能源系统内各种典型设备的能流转换功率出力模型和爬坡约束、系统内的负荷平衡约束模型作为规划运行模型的约束条件，建立考虑可转换自由度以综合能源系统运行成本最小为目标函数的优化规划运行模型。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明首先建立综合能源微网中各典型设备的能流转换功率出力模型及爬坡约束、储能模型、系统内的负荷平衡模型以及可再生光热发电的出力模型，然后引入用于描述综合能源能流冗余程度和优化空间的可转换自由度，建立以综合能源系统运行总成本最小为目标函数的可转换自由度综合能源优化规划模型，通过求解该模型即可求解可转换自由度与综合能源系统最佳规划方案，减少运行成本并为综合能源系统的扩建提供合适的冗余空间以减少扩建成本。
附图说明
图1为根据实施例的本发明综合能源系统典型设备示意图；
图2为根据实施例的本发明综合能源系统能流转换关系图；
图3为根据实施例的本发明方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种基于可转换自由度的综合能源系统规划方法，首先建立综合能源微网中各典型设备的能流转换功率出力模型及爬坡约束、储能模型、系统内的负荷平衡模型以及可再生光热发电的出力模型，然后引入用于描述综合能源能流冗余程度和优化空间的可转换自由度，建立以综合能源系统运行总成本最小为目标函数的可转换自由度综合能源优化规划模型，通过求解该模型即可求解可转换自由度与综合能源系统最佳规划方案，减少运行成本并为综合能源系统的扩建提供合适的冗余空间以减少扩建成本。
如图1至图3所示，一种基于可转换自由度的综合能源系统规划方法，包括以下步骤，
步骤1：建立综合能源系统的能流转换功率为核心的负荷平衡约束模型，包括电负荷、热负荷以及冷负荷的平衡约束模型。
(1)基于能流转换功率的电负荷的平衡模型
Figure BDA0002105012080000041
式中，
Figure BDA0002105012080000042
为t时刻微型燃气轮机的发电功率；
Figure BDA0002105012080000043
为t时刻基于有机朗肯循环的低温余热发电装置的发电功率；
Figure BDA0002105012080000044
是t时刻新能源光热系统的发电功率；
Figure BDA0002105012080000045
为t时刻从大电网的购电功率(由于储能系统的存在，此系统并不向大电网售电)；
Figure BDA0002105012080000046
为t时刻用户所需要的电负荷功率；
Figure BDA0002105012080000051
为t时刻电能用于供应冷负荷所消耗的电功率；
Figure BDA0002105012080000052
为t时刻电能用于供应热负荷所消耗的电功率；
Figure BDA0002105012080000053
为t时刻电能用于供应地源热泵机组所消耗的电功率；
Figure BDA0002105012080000054
为t时刻储电装置的充电功率，其值为正时表示储电装置正在充电，其值为负时表示储电装置正在放电。
(2)基于能流转换功率的热负荷的平衡模型
Figure BDA0002105012080000055
式中，
Figure BDA0002105012080000056
为t时刻燃气锅炉的供热功率；
Figure BDA0002105012080000057
为t时刻低温余热发电装置所输出的热功率；
Figure BDA0002105012080000058
为t时刻电能所供应的热负荷功率；
Figure BDA0002105012080000059
为地源热泵所供应的热功率；
Figure BDA00021050120800000510
为新能源光热系统所供应的热功率；
Figure BDA00021050120800000511
为t时刻用户所需要的的热负荷功率；
Figure BDA00021050120800000512
为t时刻热能用于转换为冷能所消耗的热功率；
Figure BDA00021050120800000513
为t时刻储热装置的储热功率，其值为正表示储热装置正在蓄热，其值为负表示储热装置正在供热。
(3)基于能流转换功率的冷负荷的平衡模型
Figure BDA00021050120800000514
式中，
Figure BDA00021050120800000515
为t时刻热能所供应的冷负荷功率；
Figure BDA00021050120800000516
为t时刻电能所供应的冷负荷功率；
Figure BDA00021050120800000517
为t时刻地源热泵所供应的冷负荷功率；
Figure BDA00021050120800000518
为t时刻用户所需要的冷负荷功率；
Figure BDA00021050120800000519
为t时刻储冷装置的储冷功率，其值为正表示储冷装置正在蓄冷，其值为负表示储冷装置正在供冷。
步骤2：建立综合能源系统典型设备的能流转换功率出力模型、储能模型以及可再生光伏的出力模型。其典型设备模型包括CCHP系统模型、电制冷机组模型、电制热机组模型、燃气锅炉模型、地源热泵模型以及光热发电模型。
(1)CCHP系统能流转换功率模型及其约束
CCHP系统模型可分为三部分，包括微型燃气轮机模型，低温余热发电模型以及吸收式制冷机模型。
1)微型燃气轮机是综合能源系统的核心设备，是系统电能的主要来源。
微型燃气轮机能流转换功率模型为：
Figure BDA00021050120800000520
式中，
Figure BDA00021050120800000521
为t时刻微型燃气轮机所回收的余热热量；
Figure BDA00021050120800000522
为t时刻燃气轮机所消耗的燃气体积；ηgt,e为微型燃气轮机的热转换效率；ηgt,h为微型燃气轮机的余热回收效率；
Figure BDA0002105012080000061
为t时刻微型燃气轮机的发电功率。
微型燃气轮机约束为：
Figure BDA0002105012080000062
式中，
Figure BDA0002105012080000063
分别为微型燃气轮机所产出热功率的下限和上限；
Figure BDA0002105012080000064
分别为微型燃气轮机所产生电功率的下限和上限；
Figure BDA0002105012080000065
分别为微型燃气轮机产出热功率时爬坡速率的下限和上限；
Figure BDA0002105012080000066
分别为微型燃气轮机产出电功率是爬坡速率的下限和上限。
2)低温余热发电能流转换功率模型
此处选择基于ORC(有机朗肯循环)的低温余热发电装置。
低温余热发电装置模型为：
Figure BDA0002105012080000067
式中，αORC为低温余热装置中的热量分配因子；ηORC,e为低温余热装置的热电转换效率；
Figure BDA0002105012080000068
为t时刻基于有机朗肯循环的低温余热发电装置的发电功率；
Figure BDA0002105012080000069
为t时刻低温余热发电装置所输出的热功率。
低温余热发电装置约束为：
Figure BDA00021050120800000610
式中，
Figure BDA00021050120800000611
分别为低温余热发电装置可以接受的输入热功率的下限和上限。
3)吸收式制冷机组能流转换功率模型
吸收式制冷机组属于热驱动的压缩式制冷机组，其模型可表述如下：
Figure BDA00021050120800000612
式中，ηh,c为吸收式制冷机组的热冷转换效率。
(2)燃气锅炉能流转换功率模型
燃气锅炉通过燃烧天然气直接用于用户侧热负荷的供应，其产生的热量与锅炉的效率有关。
燃气锅炉供热出力模型可以表示为：
Figure BDA0002105012080000071
式中，ηgb为燃气锅炉的热效率；
Figure BDA0002105012080000072
为t时刻燃气锅炉所消耗的燃气体积。
燃气锅炉其约束为：
Figure BDA0002105012080000073
式中，
Figure BDA0002105012080000074
为上一时刻即t-1时刻燃气锅炉产出的热量；
Figure BDA0002105012080000075
分别为燃气锅炉供热量的下限和上限；
Figure BDA0002105012080000076
分别为燃气锅炉爬坡的下限和上限。
(3)电制冷机组能流转换功率模型
电制冷机组属于电驱动的压缩式制冷机组，其模型可表述如下：
Figure BDA0002105012080000077
式中，ηe,c为电制冷机组的制冷效率。
(4)电制热机组能流转换功率模型
电制热机组属于电驱动的压缩式制热机组，其模型可表述如下：
Figure BDA0002105012080000078
式中，ηe,h为电制热机组的制热效率。
(5)地源热泵能流转换功率模型
地源热泵为利用地下的热源作为热泵的低温热源，从而制取热量或冷量的装置。
地源热泵其模型为：
Figure BDA0002105012080000079
式中，βhp为地源热泵中的电能分配因子；ηhp,h为地源热泵的制热能效；ηhp,c为地源热泵的制冷能效。
地源热泵其约束为：
Figure BDA00021050120800000710
式中，
Figure BDA00021050120800000711
分别为地源热泵装置工作耗电量的最小值和最大值；
Figure BDA00021050120800000712
分别为地源热泵工作时所产出的最小热负荷功率和最大热负荷功率；
Figure BDA0002105012080000081
为地源热泵工作时所产出的最小冷负荷功率和最大冷负荷功率。
(6)储能模型
储能模型包含储电装置模型、储热装置模型和储冷装置模型。
储能模型可表示为：
Figure BDA0002105012080000082
式中，
Figure BDA0002105012080000083
分别为t时刻储电装置、储热装置和储冷装置的储能量；
Figure BDA0002105012080000084
Figure BDA0002105012080000085
分别为上一时刻即t-1时刻储电装置、储热装置和储冷装置的储能量；μST,e、μST,h、μST,c分别表示储电装置的储电自损失率、储热装置的储热自损失率和储冷装置的储冷自损失率；ηST,e,in、ηST,h,in、ηST,c,in分别表示储电装置的储电效率、储热装置的储热效率和储冷装置的储冷效率；ηST,e,out、ηST,h,out、ηST,c,out分别表示储电装置的供电效率、储热装置的供热效率和储冷装置供冷效率。
储能约束可表示为：
Figure BDA0002105012080000086
式中，Emax、Qmax、Cmax分别为储电装置、储热装置和储冷装置的最大容量值；
Figure BDA0002105012080000087
Figure BDA0002105012080000088
分别为储电装置、储热装置和储冷装置的储能和供能的最大功率的绝对值。
(7)光热系统能流转换功率模型
对光热系统的出力模型进行简化处理，假设其出力只与光照强度和环境温度有关，其模型为：
Figure BDA0002105012080000091
式中，PSTP,e,N、PSTP,h,N分别为在参考光照强度和参考温度的环境下，光热系统的额定发电功率和发热功率；WN、TN分别为参考光照强度和参考环境温度；
Figure BDA0002105012080000092
Tt分别为t时刻的光照强度和环境温度；kT1、kT2分别为发电功率系数和发热功率系数；Vt为时间计量间隔。
光热系统约束为：
Figure BDA0002105012080000093
式中，
Figure BDA0002105012080000094
分别为光热系统发电量的下限和上限；
Figure BDA0002105012080000095
分别为光热系统发热量的下限和上限。
步骤3：引入可转换自由度指标作为描述综合能源系统中相互耦合的多种能流在系统的源网储部分相互转换和相互替代的的冗余容量占整个系统耗能总容量的比重，其计算方法如下：
Figure BDA0002105012080000096
式中，J表示综合能源系统的可转换自由度；Pload,j为用户对能流负荷j的需求功率；
Figure BDA0002105012080000097
为用户对能流负荷j的需求功率的峰值；i表示设备的输入能流；j表示设备的输出负荷能流形式；M表示能流i转换为能流负荷j的集合；(g,h)表示以燃气为输入以热能为输出；(e,h)表示以电能为输入以热能为输出；(h,c)表示以热能为输入以冷能为输出；(e,c)表示以电能为输入以冷能为输出；(g,e)表示以燃气为输入以电能为输出；(h,e)表示以热能为输入以电能为输出。Ji,j表示能流i转换为负荷j的可转换自由度；βi,j表示能流i转换为能流j的可转换自由度的权重；Pi,j为能流i转换为能流负荷j的装机最大可输出功率。
例如当综合能源各设备以Pi,j＝0运行时，综合能源系统的可转换自由度为0，此时综合能源系统的各类负荷均由电、热、冷直供设备进行满足，综合能源系统的可转换自由度为0，无能流耦合设备出力满足负荷。最坏情况下，当由能流i转换为能流j为负荷Pload,j供能单价低于能流j直接为负荷Pload,j供能时，由于系统的可转换自由度为0，造成能流耦合路径的缺失使得系统的可优化空间减少。原则上可转换自由度的上限可以为正无穷，但可转换自由度的增加同时会导致综合能源系统建设成本的急剧增加，在此我们选择1作为可转换自由度的上限，当可转换自由度为1时意义为：
Figure BDA0002105012080000101
表示此时用户的j负荷需求可以完全由能流i转换为能流j进行满足，在优化规划运行时若发现能流i转换为能流负荷j所消耗成本小于直接能流负荷j的直接供能成本时，其能流负荷j可以完全由能流i转换为能流负荷j来满足需求。
步骤4：建立考虑可转换自由度的综合能源系统的规划运行模型，将以上综合能源系统内各种典型设备的出力模型和爬坡约束、系统负荷平衡模型作为规划优化运行模型的约束条件，建立考虑可转换自由度以综合能源运行成本最小为目标函数的优化规划模型。
其目标函数为：
minCcost＝Cinv+Cop+Cgas+CE,e
式中，Ccost为系统运行的总花费；Cinv、Cop、Cgas、CE,e分别表示综合能源建设投资成本、综合能源系统的运维成本、综合能源的燃气成本以及综合能源向大电网的购电成本；其具体计算方法为：
Figure BDA0002105012080000102
Figure BDA0002105012080000103
为第λ个综合能源的调度周期；Ω为综合能源系统的调度周期总数；Z为此综合能源系统的规划周期数；pgas、pe、
Figure BDA0002105012080000104
分别表示为天然气的单价、综合能源系统从大电网购电的电价、能流i转换为能流负荷j的单位容量维护成本、能流i转换为能流负荷j的单位容量损耗成本以及能流i转换为能流负荷j的单位容量建设投资成本；Kmt、Kloss分别为能流i转换为能流负荷j的设备维护成本系数和运行损耗系数；Ii,j(τ)为第τ个规划周期的状态变量(新增为1，非新增为0)。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种基于可转换自由度的综合能源系统规划方法，其特征在于，包括：
步骤1，综合能源系统的负荷需求划分冷、热、电三大类，分别建立以能流转换功率为核心的电、冷、热负荷平衡约束；
步骤2，确定综合能源系统的典型设备，并考虑不同综合能源系统设备的耦合关系，建立综合能源系统中典型设备的能流转换功率出力模型和爬坡约束；
步骤3，引入可转换自由度的定义和计算方法；所述可转换自由度的定义为描述综合能源系统中相互耦合的多种能流在系统的源网储部分相互转换和相互替代的冗余容量占整个系统耗能总容量的比重；所述可转换自由度的计算方法为：
Figure FDA0003254826810000011
其中，J表示综合能源系统的可转换自由度；Pload,j为用户对能流负荷j的需求功率；
Figure FDA0003254826810000012
为用户对能流负荷j的需求功率的峰值；i表示设备的输入能流；j表示设备的输出负荷能流形式；M表示能流i转换为能流负荷j的集合；(g,h)表示以燃气为输入以热能为输出；(e,h)表示以电能为输入以热能为输出；(h,c)表示以热能为输入以冷能为输出；(e,c)表示以电能为输入以冷能为输出；(g,e)表示以燃气为输入以电能为输出；(h,e)表示以热能为输入以电能为输出；Ji,j表示能流i转换为负荷j的可转换自由度；βi,j表示能流i转换为能流j的可转换自由度的权重；Pi,j为能流i转换为能流负荷j的装机最大可输出功率；
步骤4，构建包含可转换自由度的综合能源系统的规划优化目标函数，根据约束条件确定平衡综合能源系统可转换自由度和其优化规划运行的经济成本的最优解。
2.根据权利要求1所述的一种基于可转换自由度的综合能源系统规划方法，其特征在于，步骤1进一步包括：建立以综合能源系统的能流转换功率为核心的负荷平衡约束模型，包括电负荷的平衡约束模型、热负荷的平衡约束模型、冷负荷的平衡约束模型。
3.根据权利要求2所述的一种基于可转换自由度的综合能源系统规划方法，其特征在于，步骤2进一步包括：考虑不同综合能源系统设备的耦合关系，建立综合能源系统中典型设备的能流转换功率出力模型和爬坡约束；所述典型设备包括：冷热电三联产系统、电制冷机组、电制热机组、燃气锅炉、地源热泵、光伏系统、储能系统；所述典型设备的模型包括：CCHP系统模型、电制冷机组模型、电制热机组模型、燃气锅炉模型、地源热泵模型、光热发电模型、储能模型。
4.根据权利要求3所述的一种基于可转换自由度的综合能源系统规划方法，其特征在于，所述CCHP系统模型包括：微型燃气轮机模型、低温余热发电模型及吸收式制冷机模型。
5.根据权利要求1所述的一种基于可转换自由度的综合能源系统规划方法，其特征在于，步骤4进一步包括：建立考虑可转换自由度的综合能源系统的规划运行模型，将所述的综合能源系统内各种典型设备的能流转换功率出力模型和爬坡约束、系统内的负荷平衡约束模型作为规划运行模型的约束条件，建立考虑可转换自由度以综合能源系统运行成本最小为目标函数的优化规划运行模型。
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