CN110649594A - 一种基于多能协同的工业园区综合需求响应调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多能协同的工业园区综合需求响应调度方法,包括:运营商执行日前负荷预测,并将其报告给ISO或投标到电力市场;运营商从ISO或市场清算结果中获取负荷削减指标;运营商通过求解综合需求响应优化模型来确定调度计划,并向消费者和CCHP通知结果;如果任何消费者或CCHP无法按照指示作出响应,运营商将重新安排调度计划,否则,将执行响应;第二天,消费者在指定时间调整负荷需求,减少电力负荷或者增加热、冷负荷,CCHP相应地调整其产量以平衡负荷。提出了可中断负荷、多能需求耦合、多能供需互动等多种互动模式,用户可选择空间增大,运营商调度手段增多,实现了综合用能管理和降低调度成本。
Description
技术领域
本发明涉及综合需求响应调度技术领域,尤其涉及一种基于多能协同的工业园区综合需求响应调度方法。
背景技术
由于智能电网技术和高级计量设施的进步,消费者电力需求的灵活性得到了显著提升。目前已经研究了许多需求响应(Demand Response,DR)机制以实现削峰或消纳可再生能源等目标。
近年来,热电联产和集成技术的发展促进了智能电网中的需求响应向集成能源系统(Integrated Energy System,IES)中的综合需求响应(Integrated Demand Response,IDR)的演变。与电力需求一样,如果给予适当的激励,消费者的能源需求也可以灵活且可调节。因此,合理的IDR机制成为鼓励多能量交互,实现综合能源管理和优化资源配置的重要途径。
到目前为止,业界已经深入研究了用于多种目的的传统DR策略和机制,例如经济运行,系统频率调节,阻塞管理,并且已经获得了一些初步的成果。然而,这些研究主要集中在电力需求侧资源的灵活调度,如可中断负荷(Interruptible Load,IL)和直接负荷控制(Direct Load Control,DLC)。虽然这些措施实际上可以实现负载整形或频率调节的目标,但它们也会导致一定程度的舒适度的下降,因为消费者的需求受到了影响。而且,电力需求的响应无法实现综合能源优化,特别是具备多种能源需求的消费者而言。
随着IES相关技术的发展,DR和电热设备的联合调度也有了部分研究成果。Wu C,Jiang P,Gu W等著《Day-ahead optimal dispatch with CHP and wind turbines basedon room temperature control》(Power System Technology(POWERCON),2016IEEEInternational Conference on.IEEE,2016:1-6.)提出了一个新的虚拟发电厂(VirtualPower Plant,VPP)调度框架,以协调冷热电联产(Combined Cooling,Heating and Power,CCHP)和DR单元的运行。Ummels B C,Gibescu M,PelgrumE等著《Impacts of wind poweron thermal generation unit commitment and dispatch》(IEEE Transactions onenergy conversion,2007,22(1):44-51.)提出了一种两阶段的协调调度方法,以基于价格的DR协调CCHP和灵活的电、热负荷。吕泉、陈天佑、王海霞等著《含储热的电力系统电热综合调度模型》(电力自动化设备,2014,34(5):79-85.)提出了电力和天然气网络的双层协调模型,同时考虑了基于coupon的DR和基于可中断负载的DR。然而,这些研究认为CCHP和柔性负荷是实现最优调度的两种独立方法,即前者不被视为可用于IDR目的的需求侧资源。此外,在这些研究中通常假定CCHP由VPP或微电网运营商拥有。换句话说,消费者和运营商之间的交互仍然存在,而没有其他参与者参与。
事实上,CCHP和其他能源转换设备在多能量相互作用中发挥着重要作用。目前已有一些研究试图研究CCHP和热泵在DR上的应用,并得出了一些结论。为了量化热泵的响应潜力,Ma L,Liu N,Zhang J等著《Energy management for joint operation of CHP andPV prosumers inside a grid-connected microgrid:A game theoretic approach》(IEEE Transactions on Industrial Informatics,2016,12(5):1930-1942.)提出了面向CHP与光伏产消者的微电网能量优化管理模型。胡蘭丹、刘东、闫丽霞、陈浩、郭鑫源著《考虑需求响应的CCHP多能互补优化策略》(南方电网技术,2016,10(12):74-81.)定义了新的预期热舒适度量以优化基于热存储的灵活DR。范龙、李献梅、陈跃辉、等著《激励CCHP参与需求侧管理双向峰谷定价模型》(电力系统保护与控制,2016,44(17):45-51.)基于温度相关的热负荷建模,提出了基于CCHP的微电网的优化调度模型。这些研究主要研究基于舒适度或温度约束的居民消费者或商业建筑的用热行为。
此外,这些研究中的大多数试图通过改变和调度消费者的恒温控制负载来影响电力需求,这是热系统和电力系统的需求侧之间的相互作用。然而,一个能量系统的需求侧与另一个能量系统的供应侧之间的相互作用,例如,热需求的变化如何影响电力供应,尚未有相关研究。
已经有一些相关的尝试来处理这个问题。Gitizadeh M,Farhadi S,Safarloo S著《Multi-objective energy management of CHP-based microgrid considering demandresponse programs》(Smart Grid Conference(SGC),2014.IEEE,2014:1-7.)把DR与联盟博弈相结合,其中消费者可以同时调整其灵活的热负荷和电力负荷,以最小化联盟运营成本。Liu M,Shi Y,Fang F著《Load forecasting and operation strategy design forCCHP systems using forecasted loads》(IEEE Transactions on Control SystemsTechnology,2015,23(5):1672-1684.)通过动态选择CCHP机组的热匹配模式和电匹配模式,提出了一种热电耦合DR模型。但是这些文献没有考虑多能源需求的耦合。郭宇航、胡博、万凌云等著《含热泵的热电联产型微电网短期最优经济运行》(电力系统自动化,2015,39(14):16-22.)提出了基于电力和天然气网络的IDR机制,通过博弈论的方法对能量中心之间的相互作用进行了建模。Cheng L,Liu C,Wu Q等著《A stochastic optimal model ofmicro energy internet contains rooftop PV and CCHP system》(ProbabilisticMethods Applied to Power Systems(PMAPS),2016International Conference on.IEEE,2016:1-5.)将灵活的电、热需求纳入集中式能源调度模型,并建立两级优化模型,以最大限度地提高社会福利。这些研究通常将用户的灵活需求视为可直接控制的资源,且少有研究如何在IDR计划中设计和提供激励补偿的问题。鉴于消费者的反应本质上是一种逐利行为,具有合理激励模式的机制对于IDR的实际实施非常重要。
现有技术存在的缺陷有:
1、目前国内外实施的互动机制基本上局限于基于电力需求响应的双方互动。尚未涉及不同类型能源需求间的相互影响和广义需求侧资源的统一优化调度。
2、目前研究多认为CCHP和柔性负荷是实现最优调度的两种独立方法,即前者不被视为可用于IDR目的的需求侧资源,通常假定CCHP由VPP或微电网运营商拥有,需求响应仍是消费者和运营商之间的交互,而没有其他参与者参与。
3、目前研究多通过改变和调度消费者的恒温控制负载来影响电力需求,这是热系统和电力系统的需求侧之间的相互作用。然而,一个能量系统的需求侧与另一个能量系统的供应侧之间的相互作用,例如,热需求的变化如何影响电力供应,尚未有相关研究。
4、目前研究通常将用户的灵活需求视为可直接控制的资源,没有研究如何在IDR计划中设计和提供激励补偿的问题。鉴于消费者的反应本质上是一种逐利行为,具有合理激励模式的机制对于IDR的实际实施非常重要。
因此,本领域的技术人员致力于开发一种基于多能协同的工业园区综合需求响应调度方法,针对现有技术中的缺陷,本发明的目的是提供一种基于多能互补的工业园区综合能源系统多主体互动机制和调度策略,实现园区运营主体(以下称运营商)、大工业用户和CCHP的多方互动。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷,本发明所要解决的技术问题是如何提供一种基于多能互补的工业园区综合能源系统多主体互动机制和调度策略,实现园区运营商、大工业用户和CCHP的多方互动。
为实现上述目的,本发明提供了一种基于多能协同的工业园区综合需求响应调度方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
步骤1、运营商执行日前负荷预测,并将其报告给ISO或投标到电力市场;
步骤2、运营商从ISO或市场清算结果中获取负荷削减指标;
步骤3、运营商通过求解综合需求响应优化模型来确定调度计划,并向消费者和CCHP通知结果;
步骤4、如果任何消费者或CCHP无法按照指示作出响应,运营商将重新安排调度计划,否则,将执行响应;
步骤5、第二天,消费者在指定时间调整负荷需求,减少电力负荷或者增加热、冷负荷,CCHP相应地调整其产量以平衡负荷。
进一步地,所述步骤3中所述求解综合需求响应优化模型具体包括以下步骤:
步骤3.1、对消费者多能源需求的耦合关系进行建模,得到多能负荷耦合模型,以反映不同能源消费行为之间的相互影响;
步骤3.2、建立多能供需互动模型,通过影响消费者的冷热需求来改变系统的发电量;
步骤3.3、基于多能负荷耦合模型和多能供需互动模型,以最小化总调度成本为目标,提出综合需求响应优化模型,实现综合用能优化。
进一步地,所述步骤3.1中所述多能负荷耦合模型具体包括:
消费者的冷、热、电多能负荷相互影响,其一般耦合关系表示为
其中分别为消费者的电、热、冷负荷,表示电负荷中与热负荷相耦合的部分,表示电负荷中与冷负荷相耦合的部分,表示热负荷中与电负荷相耦合的部分,表示热负荷中与冷负荷相耦合的部分,表示冷负荷中与电负荷相耦合的部分,表示冷负荷中与热负荷相耦合的部分,表示电负荷中未耦合的部分,表示热负荷中未耦合的部分,表示冷负荷中未耦合的部分;
消费者的电、热、冷负荷的变化量表示为
进一步地,所述步骤3.2中所述多能供需互动模型具体包括:
给定一定的发电水平或运行点,CCHP的电力输出、热出力和冷出力之间的关系表示为
CCHP的发电增量表示为
满足约束条件
进一步地,所述步骤3.3中所述综合需求响应优化模型包括优化目标函数和相应的约束条件两部分,所述优化目标为最小化对冷热电的总激励费用,所述约束条件包括削峰指标约束、冷热负荷的上下限约束、负荷平衡约束、CCHP运行限制和加热网络约束。
进一步地,所述最小化对冷热电的总激励费用表示如下:
其中,n是工业园区消费者的数量,T为调度周期,为可中断负荷的激励补偿,ρh和ρq分别为热、冷的补贴价格。
其中αi和βi系数随消费者而变化。
进一步地,所述可中断负荷满足上限和下限约束:
进一步地,所述约束条件具体包括:
所述削峰指标约束表示为
所述冷热负荷的上下限约束表示为
所述负荷平衡约束表示为
所述CCHP运行限制包括电和热出力约束、电出力和热出力的爬坡约束,所述电和热出力约束表示为
所述电出力和热出力的爬坡约束表示为
所述加热网络约束表示为
Lh=miCw(Tin-Tout)
其中,l是管道长度,h是传热系数,Ts、Tr分别是供应、返回温度,Ta是环境温度,Tin、Tout分别是入口、出口温度,Cw是水的比热,mi是热水质量流量。
进一步地,所述加热网络约束中所述入口、出口温度近似线性化为:
本发明的有益效果:
1、本发明将用户的冷热需求和CCHP的产能特性与传统需求响应资源相结合,实现了基于多能互补的综合能源需求响应调度,既能够有效降低互动调度成本和综合用能成本,又能扩大各方利益,实现多方共赢。
2、现阶段电力市场体制尚未完全建立,电价仍未实现完全市场化,而热价、冷价较电价相比,价格机制较为宽松,主要依靠买卖双方的协商,因此活动空间较大,激励手段更加灵活。
3、提出了可中断负荷、多能需求耦合、多能供需互动等多种互动模式,用户可选择空间增大,运营商调度手段增多,能够实现综合用能管理和降低调度成本。
4、本发明提出的方法考虑用户多能负荷之间的耦合特性,更加符合用户实际,能更有效的反映响应机理。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的互动模式原理示意图;
图2是本发明的一个较佳实施例的CCHP热电比关系示意图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的优选实施例,使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现,本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
本发明探讨了多能需求管理的互动模式,提出了工业园区综合能源系统的综合需求响应机制和调度方法,特别是具备电、热、冷等多种能源需求的需求响应调度。该机制利用三种互动模式来促进多能源系统的供需之间的相互作用。
本发明提出的综合需求响应调度方法主要包括下列几个方面:
1、设计了具有三种互动模式的IDR机制来实现需求响应。响应激励不仅用于可中断电负荷的削减,而且用于热、冷负荷的增加。
2、对消费者多能源需求的耦合关系进行了建模,以反映不同能源消费行为之间的相互影响。
3、提出了多能供需互动模型,通过影响消费者的冷热需求来改变系统的发电量。
4、基于这两种模型,以最小化总调度成本为目标,提出了IDR的优化模型,实现了综合用能优化。
以下就工业园区综合能源系统的综合需求响应互动机制和调度策略作详细介绍:
一、综合需求响应互动机制
1、IES中的耦合关系
本发明研究的IES是基于CCHP的区域供热系统和电力系统的组合,能够为消费者提供电热冷的能量供应。区域电力系统与IES之间最显着的区别在于多种能源的产生和消耗的相互影响,这在供应侧和需求侧都产生了耦合关系。
通常,产能设备可以分为三类,即供电设备,供热设备和热电联产设备。热电联产设备通常是指CCHP,其电力生产和热量产生根据运行模式而耦合。仅供热设备通常是燃气炉。IES供电侧的耦合关系主要体现在热电联产设备上,即发电量的改变会引起产热量的改变,反之亦然。
耦合关系也存在于需求侧。一方面,工业生产中使用的一些机器消耗一种以上的能源,例如橡胶混合机同时消耗电和热。因此,这些机器的运行将导致电力需求和热量需求上升。另一方面,不同能源需求之间存在替代效应。例如,当CCHP产生的热量更便宜时,直接供热可以代替电锅炉,电负荷则将减少。这样,随着对一个能源的需求的变化,对另一个能源的需求也会发生变化。此外,一种能源价格的变化也会影响对其他能源的需求。
2、IDR的相互作用模式
IDR的原理与传统的DR类似,是鼓励消费者通过提供合理的补偿来调整他们的能源需求。通过利用上述耦合关系,激励消费者的措施可以更加多样化。
本发明设计了一种具有三种互动模式的IDR机制,可以通过直接/间接方式实现电力负荷的削减。具体来说,三种模式如下:
1)可中断负荷
这是传统需求响应的常见方式,通过提供奖励支付刺激消费者减少部分电负荷。
2)多能需求耦合
利用用户多能负荷中的耦合部分。随着对加热和冷却的需求增加,一些用户的电负荷下降。激励该类型用户多用热或多用冷,能够实现电负荷的下降。
3)多能供需互动
鼓励消费者增加对加热和冷却的需求。为了满足增长的需求,CCHP必须提高相应的供应量。则发电也将增加,IES的净负荷将减小。
图1详细阐述了三种互动模式的原理。激励补偿用于减少模式1)中的电负荷,并用于增加模式2)和模式3)中的热、冷负荷。该机制的优点在于,相比于被激励减少负荷,消费者更容易增加负荷,因为整体购能成本将得到降低。此外,应用这三种模式的成本是不同的,这受到消费者类型、负荷水平和CCHP运行点的影响。通过应用较低费用的互动模式,总调度成本也将下降。
3、IDR的互动过程
在本发明中,我们假设每个IES都有一个运营商,负责IDR的实施。它确定满足负荷削减指标的需求响应调度计划,并协调消费者、CCHP和其自身之间的互动。负荷削减指标表示负荷削减的数量和时间。大型消费者配备了集成能源管理系统(Integrated EnergyManagement System,IEMS),可以分析和管理电力,供暖和制冷的需求。CCHP并非由运营商拥有,而是为了自己的利益而运营。
IDR计划的整个互动过程如下:
1)运营商执行日前负荷预测,并将其报告给独立系统运营商(IndependentSystemOperator,ISO),或投标到电力市场。
2)运营商从ISO或市场清算结果中获取负荷削减指标。
3)运营商通过求解IDR优化模型来确定调度计划,并向消费者和CCHP通知结果。
4)如果任何消费者或CCHP无法按照指示作出响应,运营商将重新安排调度计划。否则,将执行响应。
5)第二天,消费者在指定时间调整负荷需求,或者减少电力负荷或者增加热、冷负荷。CCHP相应地调整其产量以平衡负荷。IES的净负荷将按计划减少。
二、调度策略模型
1、多能负荷耦合模型
消费者的冷、热、电多能负荷相互影响,其一般耦合关系可用式(1)–(3)表示。
其中分别为用户的电、热、冷负荷,表示电负荷中与热负荷相耦合的部分,表示电负荷中与冷负荷相耦合的部分,表示热负荷中与电负荷相耦合的部分,表示热负荷中与冷负荷相耦合的部分,表示冷负荷中与电负荷相耦合的部分,表示冷负荷中与热负荷相耦合的部分,表示电负荷中未耦合的部分,表示热负荷中未耦合的部分,表示冷负荷中未耦合的部分。
因此,式(1)–(3)中各量的变化量可以表示为
其中αi和βi系数随消费者而变化。
除此之外,IL的数量应满足上限和下限约束
2、CCHP产能模型
CCHP通常在“以热定电”模式下工作,发电量受热需求限制,不能灵活变换。通过鼓励需求和供应之间的相互作用,CCHP可以作为有效的需求侧资源。给定一定的发电水平或运行点,CCHP的电力输出,热出力和冷出力之间的关系可以描述为式(12)。
在实践中,热电比不是恒定值,而是随着不同的发电水平而变化,这可以通过图2来说明。结果可以表示为式(13),发电增量与热量的增量是非线性关系。
从图2中可以看出,运营商在一个时刻为减少相同数量的电负荷所支付的激励不等于另一时刻的激励。例如,当热输出增加相同的量ΔPh时,t1处的电力输出增量大于t2处的电力输出增量。因此,在t1发送CCHP比在t2发送CCHP更经济。通常,随着发电水平的提高,响应能力和经济效益都会下降。从运营商的角度来看,当这种支付比IL的支付更便宜时,这种互动模式将被优先应用。
3、综合需求响应互动优化模型
运营商的目标是最小化对冷热电的总激励费用,这可以描述如下。
其中,ρh和ρq分别为热、冷的补贴价格。
除了由式(7)–(14)提出的约束之外,还应满足以下约束。
1)削峰指标约束
2)冷热负荷的上下限约束
3)负荷平衡约束
4)CCHP运行限制
式(22)和(23)表示CCHP的电和热出力约束,式(24)和(25)表示电出力和热出力的爬坡约束。
5)加热网络约束
Lh=miCw(Tin-Tout) (28)
其中,l是管道长度,h是传热系数,Ts/Tr是供应/返回温度,Ta是环境温度,Tin/Tout是入口/出口温度,Cw是水的比热,mi是热水质量流量。
在实践中,hl/Cwmi非常小。根据等价无穷小limμ→0eμ=1+μ,式(26)和(27)可近似线性化为:
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于多能协同的工业园区综合需求响应调度方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
步骤1、运营商执行日前负荷预测,并将其报告给ISO或投标到电力市场;
步骤2、运营商从ISO或市场清算结果中获取负荷削减指标;
步骤3、运营商通过求解综合需求响应优化模型来确定调度计划,并向消费者和CCHP通知结果;
步骤4、如果任何消费者或CCHP无法按照指示作出响应,运营商将重新安排调度计划,否则,将执行响应;
步骤5、第二天,消费者在指定时间调整负荷需求,减少电力负荷或者增加热、冷负荷,CCHP相应地调整其产量以平衡负荷。
2.如权利要求1所述的基于多能协同的工业园区综合需求响应调度方法,其特征在于,所述步骤3中所述求解综合需求响应优化模型具体包括以下步骤:
步骤3.1、对消费者多能源需求的耦合关系进行建模,得到多能负荷耦合模型,以反映不同能源消费行为之间的相互影响;
步骤3.2、建立多能供需互动模型,通过影响消费者的冷热需求来改变系统的发电量;
步骤3.3、基于多能负荷耦合模型和多能供需互动模型,以最小化总调度成本为目标,提出综合需求响应优化模型,实现综合用能优化。
3.如权利要求2所述的基于多能协同的工业园区综合需求响应调度方法,其特征在于,所述步骤3.1中所述多能负荷耦合模型具体包括:
消费者的冷、热、电多能负荷相互影响,其一般耦合关系表示为
其中分别为消费者的电、热、冷负荷,表示电负荷中与热负荷相耦合的部分,表示电负荷中与冷负荷相耦合的部分,表示热负荷中与电负荷相耦合的部分,表示热负荷中与冷负荷相耦合的部分,表示冷负荷中与电负荷相耦合的部分,表示冷负荷中与热负荷相耦合的部分,表示电负荷中未耦合的部分,表示热负荷中未耦合的部分,表示冷负荷中未耦合的部分;
消费者的电、热、冷负荷的变化量表示为
5.如权利要求2所述的基于多能协同的工业园区综合需求响应调度方法,其特征在于,所述步骤3.3中所述综合需求响应优化模型包括优化目标函数和相应的约束条件两部分,所述优化目标为最小化对冷热电的总激励费用,所述约束条件包括削峰指标约束、冷热负荷的上下限约束、负荷平衡约束、CCHP运行限制和加热网络约束。
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