CN110535128B - 基于用能舒适度的多区域综合能源系统协同调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于用能舒适度的多区域综合能源系统协同调度方法，包括：将电负荷分为可中断负荷、可调节负荷、可转移负荷三种类型；根据区域用能特性差异，将区域划分为低热电比的商业区和高热电比的居民区与工业区；根据采暖负荷建立基于气象预报的室内温度模型，结合热舒适度确定热需求斑马线；在传统燃料成本最优基础上附加环境成本与用能满意度成本建立优化目标；引入区域协同电力、热力供应机制实现区域间的整体热供需平衡。本发明基于用能舒适度提高了机组运行的灵活性，充分利用区域间负荷特性与用能舒适度进行联合调度达到能量管理的目的。

Description

基于用能舒适度的多区域综合能源系统协同调度方法

技术领域

本发明涉及综合能源系统运行优化领域，具体而言，涉及一种基于用能舒适度的多区域综合能源系统协同调度方法。

背景技术

随着能源枯竭以及环境污染的情况加剧，人们明显意识到传统的能源利用形式不符合现今社会的能源清洁高效发展的科学理念。综合能源系统可利用清洁能源实现能量的梯级利用，并凭借能效高、环境效益好等优势得到了领域内的广泛关注，是未来能源系统发展的重要方向。

目前综合能源系统优化通常以单区域为研究对象，但单区域的负荷特性比较单一、局限性强，从而制约了综合能源系统的优化结果。此外随着生活水平的提高，用户的用能舒适度也是能源调度应该关注的重点，而现有能源调度解决方案通常只针对电或者只针对热进行舒适度研究，缺乏基于用能舒适度的多区域综合能源系统协同调度方法。

发明内容

根据上述提出单区域研究负荷特性单一、局限性强，且未考虑用户舒适度的技术问题，而提供一种基于用能舒适度的多区域综合能源系统协同调度方法。本发明主要结合用户用能舒适度可实现某区域富裕热量或电量消纳，实现不同区域设备的协同调度，实现最优工作配合，提高综合能源系统经济性。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于用能舒适度的多区域综合能源系统协同调度方法，包括：

S1、将电负荷分为可中断负荷、可调节负荷、可转移负荷三种类型，分别以断电时间、功率、转移时刻为衡量指标判断各类型电负荷用户的用电舒适度，将热负荷分为采暖用热、生产工艺用热两种类型，对于采暖用热以温度为衡量指标判断用户的用热舒适度；

S2、根据区域用能特性差异，将区域划分为低热电比的商业区和高热电比的居民区与工业区，并考虑热网动态特性建立传输延时与温度损耗模型；

S3、根据采暖负荷建立基于气象预报的室内温度模型，结合热舒适度确定热需求斑马线；

S4、在传统燃料成本最优基础上附加环境成本与用能满意度成本建立优化目标，所述用能满意度成本与用能舒适度相关；

S5、引入区域协同电力、热力供应机制，使电量富裕的区域将富余电量供给正处于用电高峰的区域，并采用热环网的传输形式进行热能交互，从而实现区域间的整体热供需平衡。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过热环网将子区域连接形成多区域综合能源系统，将余热注入热网，也可以从热网获取热量。而多余的电量也可通过区域内电网进行协同消纳，基于用能舒适度也可提高机组运行的灵活性，由此可充分利用区域间负荷特性与用能舒适度进行联合调度达到能量管理的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中多区域综合能源系统结构图。

图2是本发明实施例采用的CHP系统结构图。

图3是本发明实施例中热网传输延时的管道流量示意图。

图4是本发明实施例的区域能量协同机制流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1-4所示，本发明提供了一种基于用能舒适度的多区域综合能源系统协同调度方法，包括：

S1、将电负荷分为可中断负荷、可调节负荷、可转移负荷三种类型，分别以断电时间、功率、转移时刻为衡量指标判断各类型电负荷用户的用电舒适度，将热负荷分为采暖用热、生产工艺用热两种类型，对于采暖用热以温度为衡量指标判断用户的用热舒适度。

具体地，可中断负荷模型为：

式中：μ_es,z为可中断负荷每次断电时产生的用户不舒适度；T为断电时长；T_es,best、T_es,max分别为最佳断电时长与最长断电时间。

可调节负荷模型为：

式中：μ_ea,j为可调节负荷每次调节产生的用户不舒适度；P_a为调节后运行功率；α为调节裕度参数；P_ea,N为可调负荷额定功率。

可转移负荷模型为：

式中：μ_et,k为可转移负荷每次转移产生的用户不舒适度；t为工作时刻；T_et,best、T_et,on、T_et,off分别为最佳启动时间、负荷可转移启、止时刻。

热舒适度模型为：

以温度为衡量指标判断用户对房间温度的热舒适度，采用模糊隶属度函数给出热舒适度模型。

式中：μ_h,i为用户i的热舒适度；T_n,i为用户i的室内温度；a由科学依据定为最适宜人们日常生活的25℃，上下偏差2℃为用户热舒适温度范围。

S2、根据区域用能特性差异，将区域划分为低热电比的商业区和高热电比的居民区与工业区，并考虑热网动态特性建立传输延时与温度损耗模型。

具体地，传输延时模型：

将热水管道出水温度定义为在Δt为管时间内对应的各部分流入温度的线性加权。

式中：m_i,t为t时刻管道i中的水流量；m_i,tΔt为从t时刻到t+Δt时刻内注入管道i的热水质量；α_i,t为t-1时刻流出管道i的热水与其注入管道i时刻的时间差值；β_i,t为t时刻流出管道i的热水与其注入管道i时刻的时间差值；t-α_i,t为t-1时刻流出管道i的那部分热水注入管道i的时刻；t-β_i,t为t时刻流出管道i的那部分热水注入管道i的时刻；

为t时刻出水管温度；

为t-α_i,t时刻入水管温度；

为t-β_i,t时刻入水管温度；

为k时刻入水管温度；A_i为管道i的横截面积；L_i为管道i的长度。

其中：

温度损耗模型：

考虑到热水在管道传输的过程中会与管道外壁进行热交换，所以采用苏霍夫温降公式进行管道出口温度修正，修正温度如下:

其中T_a,t为t时刻的环境温度；J_i,t为温度损失系数。

计算方法为：

其中λ_i为管道的导热系数。

S3、根据采暖负荷建立基于气象预报的室内温度模型，结合热舒适度确定热需求斑马线。

具体地，用户室内温度模型：

式中为Q_ra,t＝K_SF_SN_S(T_av-T_n,t)，

且Q_ra,t需满足Q_ra,t＝c_wm_j(T_in-T_out)；进而得到散热器功率与供水温度和气象温度的关系：

式中：T_n,t、T_a,t、T_s、T_av分别为用户在t时段的室内、气象温度和供水温度、散热器内热水的平均温度；Q_ra,t为t时段散热器功率；δ为空气热传导系数；ΔT为调度时间段时长；T_c为调度周期，单位为h；U_ra,t表示散热器在t时段的开关状态，U_ra,t＝1表示t时段散热器开启；U_ra,t＝0表示t时段散热器关停；K_s为散热器的传热系数；F_s为散热器的散热面积；N_s为散热器组装片数、连接形式和安装形式的修正系数；h为传热系数；l为管道长度；c_w为水的比热容；m_j为与用户j相连的上级热水质量流。

热需求斑马线：

用户热舒适度μ_h,i与室内温度相关，在满足规定舒适度下限μ_-h基础上，以0.2为μ_h的变化梯度，制定用户舒适度等级，每个等级对应的热需求形成斑马线，由此称之为热需求斑马线，用户可选择其任意斑马线作为热舒适度阈值。

L_h,i＝c_wm_j(T_i ^μ-T_b)+L_h,loss

式中：L_h,i、L_h,loss、ΔL_h,i分别为用户i的热需求、热损失、热需求变化区间，称之为基于热舒适度的热需求斑马带；T_i ^μ、T_b、

分别为用户设定舒适度所对应的温度、热水管道水源基准温度、最舒适温度。

S4、在传统燃料成本基础上附加环境成本与用能满意度成本建立优化目标，所述用能满意度成本与用能舒适度相关。

具体地，以每日总费用、环境成本、用户不适度共同组成优化的目标函数。其数学表达式如下：

式中：f为供能成本函数；

为购电花费；

为购气花费；

为环境费用；

为用户满意度费用；p_e为上级电网电价；

为从上级电网的购电功率；p_g为天然气单价；V_mt为燃气轮机耗气量；V_gb为燃气锅炉耗气量；ζ_grid、ζ_mt、ζ_gb分别为电力、燃气轮机、燃气锅炉的折算后的CO₂排放因子。

分别为燃气轮机和燃气锅炉的输出功率；

分别为用户电、热不满意度折算成本。

约束条件包括：

X＝(μ_es,z,μ_ea,j,μ_et,k,μ_h,i)

式中：

为燃气轮机每小时的天然气耗量；H_g为天然气热值；

为燃气轮机的发电效率；η_loss为能量损耗率；

为热回收效率；

为燃气锅炉产热功率；

为燃气锅炉单位小时消耗的天然气体积；

为燃气锅炉的产热效率；

分别为燃气轮机发电的上下限；

分别为燃气轮机产热的上下限；

分别为购电的上下限：

分别为燃气锅炉产热的上下限；X为舒适度向量。

S5、引入区域协同电力、热力供应机制，使电量富裕的区域将富余电量供给正处于用电高峰的区域，并采用热环网的传输形式进行热能交互，从而实现区域间的整体热供需平衡。

本实施例中，综合能源系统以热电联供系统为例，多区域综合能源系统结构如图1所示，每个子区域建有CHP系统，CHP系统结构图如图2所示，其中电热主要来源于燃气轮机，燃气锅炉作为补燃装置投入，并通过热环网将子区域连接形成多区域综合能源系统。CHP可将余热注入热网，也可以从热网获取热量，CHP多余的电量也可通过区域内电网进行协同消纳，基于用能舒适度也可提高机组运行的灵活性，由此可充分利用区域间负荷特性与用能舒适度进行联合调度达到能量管理的目的。图3所示为热网传输延时的管道流量示意图。

具体地，由于区域可进行协调配合所以可对产生能量剩余的区域采取区域协同机制促进能量消纳，增加经济性。图4为能量协同分配流程图，其协同分配收益度如下：

(1)电协同收益度

因为区域不可能富余大量电完全供给另一区域，所以有

但由于需满足区域热舒适度，所以若电余量过多会出现不能完全消纳的情况，区域消纳电的上限为

且规划时不允许所有区域在某一时刻在以热定电的同时全部有电剩余。

式中：P′_e为区域剩余电量之和；

为区域购电量。

为改变机组出力而能增加的耗电上限。

首先定义函数

然后进行按如下计方案进行热分配计算，计算顺序有先后，但最终按计算总结果进行统一电余量协同分配：

1)

1.当

时，富裕电量可完全消纳

2.当

时，

式中：

为区域消纳电量。

2)

1.当

时，电协同收益度

如下：

式中：

为区域Ω_i在t时刻的电价。

先满足电协同收益度高区域的购电量。

2.当

时，补充区域购电后仍剩余的电

然后按基于调动机组的电收益较高区域优先获得电量的顺序，进行区域最大电量消耗，若有剩余继续供给下一区域。

基于调动机组的收益判据如下：

且

式中：Ω_i为划分的区域；

为电协同收益度；

为协同前t时刻区域运行成本；

为协同后t时刻区域运行成本；

分别为电热成本参数；

为协同后区域发电功率；

为协同后区域发热功率；

为协同后区域燃气轮机功率；

为热电比系数；

为燃气轮机出力上限。

3)

首先按如下电协同收益度进行，购电的补余：

然后若有电剩余，进行按基于调动机组的电收益较高区域优先获得电量的顺序，进行区域最大电量消耗，若有剩余继续供给下一区域。

基于调动机组的收益判据上文已提及。

4)

按基于调动机组的电收益较高区域优先获得电量的顺序，进行区域最大电量消耗，若有剩余继续供给下一区域。

基于调动机组的收益判据上文已提及。

(2)热协同收益度

因为各区域均采用一热定电的模式，且供热设备都可满足本区域热需求，在某区域用电高峰需要向电网购电时，协同优化为了减少购电会增加机组出力，此时会产生协同热剩余，前提不存在三个区域同时热剩余。

然后进行按如下计方案进行热分配计算，计算顺序有先后，但最终按计算总结果进行统一热余量协同分配：

1)只有一个区域有热剩余

首先在自区域以提升区域热舒适度的方式将热储存起来；当该区域热舒适度达到上限时仍有热余量，对其余区域进行如下判断：

1.若只有一个区域存在燃气轮机补燃，则优先对该区域进行燃气轮机补燃，若有热余量然后寻找热损失最小路径通过增加区域热舒适度进行热消纳，当该区域舒适度达到上限仍有热余量，增加下一区域热舒适度进行热消纳。

2.若有两个区域存在燃气轮机补燃，先寻找热损失最小路径进行热分配，若有热余量继续对另一区域进行热分配减小燃气轮机出力，若仍有热余量，寻找热损失最小路径通过增加区域热舒适度进行热消纳，当该区域舒适度达到上限仍有热余量，增加下一区域热舒适度进行热消纳。

3.若无区域存在燃气轮机补燃，寻找热损失最小路径通过增加区域热舒适度进行热消纳，当该区域舒适度达到上限仍有热余量，增加下一区域热舒适度进行热消纳。

2)有两个区域热剩余

首先在自区域以提升区域热舒适度的方式将热储存起来；当该区域热舒适度达到上限时仍有热余量，对剩余区域进行如下操作：

寻找热损失最小路径通过增加区域热舒适度进行热消纳，若存在热余量，则停止，进行弃热。

(3)热损最小路径确定方法

1)首先对三个区域进行编号分别为：Ω₁、Ω₂、Ω₃。

2)定义函数

3)定义集合：A和B。

当

时，i∈A；

当

时，j＝i∈B；

4)定义管道热传输优先度：

式中：l_ij为有余热区域管道到无余热区域管道的长度。

5)进行管道热传输优先级排序，优先度大的管道首先进行热传输计算。

采用CPLEX进行模型求解，给出最优能量协同调度策略。

上述实施例首先建立了包含热传输延时、传输损耗、用能舒适度等约束的综合能源系统模型，其中将舒适度范围内房屋蓄热温度作为热负荷的指标，并提出在舒适度范围内热负荷的可调节斑马带以提升机组的灵活性，在日内调度中可有效降低系统运行成本。其次，建立多区域能量协同配合机制对区域剩余能量进行协调配合，提高能源利用率，当子区域处于用电高峰时也可采用燃气轮机满发状态减小向上级电网购电量，若产生余热可进行多区域的能量协同配合，进而提升系统运行效率。

下面通过具体的应用实例对本发明的效果进行进一步说明。

以某综合能源区域为例，如图1所示，该区域划分为商业区、居民区和工业区三个子区域，其区域热管道长度分别为0.8km、1.2km、0.6km,区域电价分别为0.9元/kWh、0.5元/kWh、0.7元/kWh,天然气价格为2.3元/m3。为便于比较分析：设置案例1为基本案例，该基本案例既不考虑用能舒适度特性，也不考虑区域间的能量协同配合；案例2仅考虑用能舒适度特性；案例3为本发明实施例所提模型。各案例运行结果如表1所示：

表1运行结果

由表1可知，案例2相对于案例1节省了0.545万元，节省率为2.84％。其中，案例2由于考虑了用能舒适度，即电负荷可在舒适度内调节、转移或中断用电器以减少用电量，从而减少峰时购电；而基于热舒适度的热负荷在热需求斑马带内是可调的，由此在用电高峰期燃气轮机多发电，从而减少购电费用。案例3相对于案例2节省了0.849万元，节省率为4.43％；相对于案例1节省了1.394万元，节省率为7.27％。因为区域能量协同调度的加入可将富裕能量分配给其它区域提高能量利用率，又因为各区域的协调配合可以使得各区域机组运行灵活性更大，进而提升经济效益。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种基于用能舒适度的多区域综合能源系统协同调度方法，其特征在于，包括：

S1、将电负荷分为可中断负荷、可调节负荷、可转移负荷三种类型，分别以断电时间、功率、转移时刻为衡量指标判断各类型电负荷用户的用电舒适度，将热负荷分为采暖用热、生产工艺用热两种类型，对于采暖用热以温度为衡量指标判断用户的用热舒适度；用户的用热舒适度模型为：

其中，μ_h,i为用户i的热舒适度；T_n,i为用户i的室内温度；a为最适宜人们日常生活温度，其上下偏差2℃为用户热舒适温度范围；

S2、根据区域用能特性差异，将区域划分为低热电比的商业区和高热电比的居民区与工业区，并考虑热网动态特性建立传输延时与温度损耗模型；

S3、根据采暖负荷建立基于气象预报的室内温度模型，结合热舒适度确定热需求斑马线，包括：

S31、建立用户室内温度模型，进而得到散热器功率与供水温度和气象温度的关系，所述用户室内温度模型为：

Q_ra,t＝K_SF_SN_S(T_av-T_n)，

且

Q_ra,t＝c_wm_j(T_in-T_out)

式中：T_n,t为t时段的室内温度，T_a,t为t时段的气象温度，T_av为t时段的散热器内热水的平均温度，Q_ra,t为t时段散热器功率，δ为空气热传导系数，ΔT为调度时间段时长；T_c为调度周期，U_ra,t表示散热器在t时段的开关状态，U_ra,t＝1表示t时段散热器开启，U_ra,t＝0表示t时段散热器关停，K_s为散热器的传热系数，F_s为散热器的散热面积，N_s为散热器组装片数、连接形式和安装形式的修正系数，c_w为水的比热容，m_j为与用户j相连的上级热水质量流，

S32、在满足规定舒适度下限μ _h基础上，以固定步长为μ_h的变化梯度，制定用户舒适度等级，每个等级对应的热需求形成斑马线：

L_h,i＝c_wm_j(T_i ^μ-T_b)+L_h,loss

式中：L_h,i为用户i的热需求，L_h,loss为用户i的热损失，ΔL_h,i为热需求变化区间，基于热舒适度的热需求斑马带；T_i ^μ为用户设定舒适度所对应的温度，T_b为水管道水源基准温度、

为最舒适温度；

S4、在传统燃料成本最优基础上附加环境成本与用能满意度成本建立优化目标，所述用能满意度成本与用能舒适度相关；

S5、引入区域协同电力、热力供应机制，使电量富裕的区域将富余电量供给正处于用电高峰的区域，并采用热环网的传输形式进行热能交互，从而实现区域间的整体热供需平衡。

2.根据权利要求1所述的多区域综合能源系统协同调度方法，其特征在于，可中断负荷用户用电舒适度模型为：

其中，μ_es,z为可中断负荷每次断电时产生的用户不舒适度，T为断电时长，T_es,best为最佳断电时长，T_es,max为最长断电时间；

可调节负荷用户用电舒适度模型为：

其中，μ_ea,j为可调节负荷每次调节产生的用户不舒适度，P_a为调节后运行功率，α为调节裕度参数，P_ea,N为可调负荷额定功率；

可转移负荷用户用电舒适度模型为：

其中：μ_et,k为可转移负荷每次转移产生的用户不舒适度，t为工作时刻，T_et,best为最佳启动时间，T_et,on为负荷可转移启动时刻，T_et,off为负荷可转移终止时刻。

3.根据权利要求1或2所述的多区域综合能源系统协同调度方法，其特征在于，传输延时与温度损耗模型为：

传输延时：

其中，m_i,t为t时刻管道i中的水流量；m_i,tΔt为从t时刻到t+Δt时刻内注入管道i的热水质量；α_i,t为t-1时刻流出管道i的热水与其注入管道i时刻的时间差值；β_i,t为t时刻流出管道i的热水与其注入管道i时刻的时间差值；

为t时刻出水管温度；

为t-α_i,t时刻入水管温度；

为t-β_i,t时刻入水管温度；

为k时刻入水管温度；A_i为管道i的横截面积；L_i为管道i的长度；

温度损耗：

其中，T_a,t为t时刻的环境温度；J_i,t为温度损失系数，且

其中，λ_i为管道的导热系数。

4.根据权利要求2所述的多区域综合能源系统协同调度方法，其特征在于，步骤S4中优化目标为：

其中：f为供能成本函数，

为购电花费，

为购气花费，

为环境费用，

为用户满意度费用，p_e,t为上级电网电价，

为从上级电网的购电功率，p_g为天然气单价，V_mt为燃气轮机耗气量，V_gb为燃气锅炉耗气量；ζ_grid为电力折算后的CO₂排放因子，ζ_mt为燃气轮机折算后的CO₂排放因子，ζ_gb为燃气锅炉的折算后的CO₂排放因子，

为燃气轮机的输出功率，

为燃气锅炉的输出功率，

为用户电不满意度折算成本，

为用户热不满意度折算成本。

Images