CN110689206A - 一种能源互联网多能主体能源购买及转换运营方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能源互联网多能主体能源购买及转换运营方法，属于能源互联网技术领域。本发明包括以下步骤：建立能源互联网多能主体内部模型和能源互联网多能主体能源购买及转换运营策略优化模型，在满足零散用户用能需求的前提下，对多能主体能源购入量及内部能源转换装置工作状态进行优化，使得多能主体的购能成本最低，经济性最优。本发明所提出的方法可为具有能源转换装置的多能主体提供决策的理论依据，帮助其优化能源购买和能源转换运营策略，从而在能源互联网环境下获取更多的利润。

Description

一种能源互联网多能主体能源购买及转换运营方法

技术领域

本发明公开了一种能源互联网多能主体能源购买及转换运营方法，属于能源互联网技术领域。

背景技术

能源互联网包含多种类型的能源，但是不同类型的能源之间具有差异化的生产特性、流动特性、存储特性和时间尺度，导致不同类型的单一能源网络模型之间各有不同，市场交易的特性也有所不同。能源互联网市场结合了这些特点不同的能源市场，并由能源之间的互动转换衍生出一些新的特性。这对于参与市场的主体来说，不仅意味着获得新的机遇，也要进行相应的策略调整来应对新的挑战。

在能源互联网环境下，原有的单一能源供应商可能通过购置能源转换装置变为多能主体，从而提供多种样品的能源，具备之前没有的交易优势。在此背景下，以经济性为目标，对多能主体如何进行能源购买和能源转换运营决策进行优化已成为一个值得研究的课题。

发明内容

发明目的：提供了一种能源互联网多能主体能源购买及转换运营方法，对具有能源转换装置的多能主体的能源购买和能源转换运营策略进行优化，从而帮助其获得更多的利润。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种能源互联网多能主体能源购买及转换运营方法，其特征在于，

建立能源互联网多能主体内部模型和能源互联网多能主体能源购买及转换运营策略优化模型，在满足零散用户用能需求的前提下，对多能主体能源购入量及内部能源转换装置工作状态进行优化，使得多能主体的购能成本最低，经济性最优。

进一步的，能源互联网多能主体内部模型，包括：

建立不存在级联转换环节的多能主体内部模型：

对于不考虑内部传输和存储环节，只包括能源转换环节，且不存在级联转换环节的多能主体，其输入能量与输出能量之间的关系可用下式描述：

式中，多能主体的输入能量矩阵为P_n表示输入端能源，

输出能量矩阵为L＝[L₁,L₂,…,L_ξ]’，L_m表示输出端能源，m＝1,2,3,…ξ，转换系数c_mn描述了输出端能源L_m中由输入端能源P_n提供的部分占P_n的比例。进一步的，能源互联网多能主体内部模型，还包括：

建立存在级联转换环节的多能主体内部模型：

式中，O表示各能源转换器的输出端口能量，R表示各能源转换器的输入端口能量，转换矩阵中各元素的物理意义如下：A₁表示多能主体输入端中只进行能源的转售而不经转换操作的比例，A₂表示从各能源转换器输出端口到最终多能主体输出的转换系数，A₄表示从各转换器输出端口的能量分配到其他转换器输入端口的比例，A₃表示输入到多能主体中的能量分配到各能源转换器输入端口的比例。

进一步的，对多能主体中产生二次能量转换的部分进行单独分析，其能量转换可以用下式表示：

O＝Γ·R (3)

其中，Γ_m×n表示转换器输入到输出端的转换系数；

整理上述公式可得考虑到能源转换器串联后的多能主体能量平衡公式：

L＝[A₁+A₂Γ(1-A₄Γ)^-1A₃]·P (4)

进一步的，能源互联网多能主体能源购买及转换运营策略优化模型，包括：

目标函数为最小化购能成本与运营成本之和，如下式所示：

minF＝F_p(Q)+F_O(S) (5)

式中，F_p(Q)为多能主体的购能成本，F_O(S)为多能主体内部能源转换器的运行成本，Q是多能主体从能源互联网购入的能源数量方案，S表示多能主体内部能源转换器的运行工况设置方案；购能成本中，ζ表示输入能源的种类数量，u(i)和Q(i)分别表示第i种输入能源在市场中的价格以及购入的数量；运行成本中，N表示多能主体中的转换器数量，T表示多能主体的优化时长；S(j,t)表示第t个时段第j个转换器的启停工况，v(j)表示第j个转换器单位时段的运行费用。

进一步的，能源互联网多能主体能源购买及转换运营策略优化模型，还包括：

约束条件：

(1)供能需求约束：

供能需求约束要求多能主体的输入输出能量平衡，并满足输出能源等于用户的供能需求L，即下式：

L'＝L＝[A₁+A₂Γ(1-A₄Γ)^-1A₃]·P (8)

其中，L’表示用户的需求,L是输出的能量；

(2)电转气转换器约束：

①多能主体的输入电能容量约束：

式中，E表示输入的电能，S_E2G是电转气环节的状态变量，

和

分别表示电转气站运行的输入电量上、下限；

②电转气转换效率约束：

G＝η_E2G·E (10)

式中，G表示输出天然气，η_E2G为效率系数，是常数；

(3)热电联产机组约束

热电联产机组总热效率和热电比的计算式如下：

热电联产机组约束考虑总热效率和热电比等式约束，以及运行容量限制不等式约束；

(4)冷热电三联供系统约束：

①能量转换约束：

式中，E、G、H分别表示电能、天然气和热能，η_CCHP-P、η_CCHP-H分别表示发电和供热的一次能源利用效率；

②转换上下限约束：

③燃气输入约束：

式中，k_CHPP表示运行状态变量，

和

表示能源输入的上、下限制；

(5)燃气锅炉约束

燃气锅炉的约束主要包括转换效率约束及装置输入限制约束。

本发明所达到的有益效果：本发明通过建立能源互联网多能主体内部模型和建立能源互联网多能主体能源购买及转换运营策略优化模型，在满足零散用户用能需求的前提下，对多能主体能源购入量及内部能源转换装置工作状态进行优化，使得多能主体的购能成本最低，经济性最优。

附图说明：

图1是多能主体内部能源流动示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

一种能源互联网多能主体能源购买及转换运营方法，包括以下步骤：

步骤一：建立能源互联网多能主体内部模型；

1)建立不存在级联转换环节的多能主体内部模型：

对于不考虑内部传输和存储环节，只包括能源转换环节，且不存在级联转换环节的多能主体，其输入能量与输出能量之间的关系可用下式描述：

式中，多能主体的输入能量矩阵为

P_n表示输入端能源，

输出能量矩阵为L＝[L₁,L₂,…,L_ξ]’，L_m表示输出端能源，m＝1,2,3,…ξ，转换系数c_mn描述了输出端能源L_m中由输入端能源P_n提供的部分占P_n的比例，一般与输入能源的分配系数、多能主体所拥有的转换器类型、数量、运行工况以及内部传输损耗有关。

2)建立存在级联转换环节的多能主体内部模型：

由于多能主体的输入输出能量形式存在重叠，如图1不考虑级联时的输入输出均存在电能形式，则有可能因为满足负荷量、设备运行上限或能量转化带来的利益而产生转换器的级联，例如电能转化成天然气后根据需要再产热的情况，此时的能源输入输出产生交叉关系。当考虑到多能主体内部的能源转换器之间存在相互级联的情况时，能量的平衡公式可用下式表示，通过转换矩阵将输出能量和输入能量连接起来，在多能主体的输入输出端平衡基础上增加了对多能主体内部各转换器输入输出的能量平衡描述：

式中，O表示各能源转换器的输出端口能量，R表示各能源转换器的输入端口能量，转换矩阵中各元素的物理意义如下：A₁表示多能主体输入端中只进行能源的转售而不经转换操作的比例，A₂表示从各能源转换器输出端口到最终多能主体输出的转换系数，A₄表示从各转换器输出端口的能量分配到其他转换器输入端口的比例，A₃表示输入到多能主体中的能量分配到各能源转换器输入端口的比例。

对多能主体中产生二次能量转换的部分进行单独分析如下，其能量转换可以用下式表示：

O＝Γ·R (11)

其中，Γ_m×n表示转换器输入到输出端的转换系数。

整理上述公式可得考虑到能源转换器串联后的多能主体能量平衡公式：

L＝[A₁+A₂Γ(1-A₄Γ)^-1A₃]·P (12)

步骤二：建立能源互联网多能主体能源购买及转换运营策略优化模型；

1)建立目标函数

多能主体在能源互联网交易市场上的交易行为主要是购买能源，满足下一级用户的能源需求，赚取供能的服务费，根据目前我国的政策，最终的终端用户用能价格在一个较长时间段内是稳定的，因此可以认为，在用户需求确定的情况下，在短期内向用户零售能源的收入是一定的。

对于多能主体，在供能收入一定的情况下目标为供能的成本最低，成本主要包括两部分：能源的购买成本与设备的运营成本。目标函数为最小化购能成本与运营成本之和，如下式所示：

min F＝F_p(Q)+F_O(S) (13)

式中，F_p(Q)为多能主体的购能成本，F_O(S)为多能主体内部能源转换器的运行成本，Q是多能主体从能源互联网购入的能源数量方案，S表示多能主体内部能源转换器的运行工况设置方案。购能成本中，ζ表示输入能源的种类数量，u(i)和Q(i)分别表示第i种输入能源在市场中的价格以及购入的数量。运行成本中，N表示多能主体中的转换器数量，T表示多能主体的优化时长(例如以10min为一个优化时段，共计T个时段)，S(j,t)表示第t个时段第j个转换器的启停工况，v(j)表示第j个转换器单位时段的运行费用，该费用与各转换器的实际情况有关，可能只包含启动费用或持续的费用支出，因此根据转换器的不同可能是定值或是函数。

2)建立约束条件

(1)供能需求约束：

供能需求约束要求多能主体的输入输出能量平衡，并满足输出能源等于用户的供能需求L，即下式：

L'＝L＝[A₁+A₂Γ(1-A₄Γ)^-1A₃]·P (16)

其中，L’表示用户的需求,L是输出的能量；

(2)电转气转换器约束：

①多能主体的输入电能容量约束：

式中，E表示输入的电能，S_E2G是电转气环节的状态变量，值为1时表示环节存在，值为0时环节不存在，

和

分别表示电转气站运行的输入电量上、下限。

②电转气转换效率约束：

G＝η_E2G·E (10)

式中，G表示输出天然气，η_E2G为效率系数，是常数。

(3)热电联产机组约束

热电联产机组总热效率和热电比的计算式如下：

热电联产机组约束主要考虑总热效率和热电比等式约束，以及运行容量限制不等式约束。

(4)冷热电三联供系统约束：

①能量转换约束：

式中，E、G、H分别表示电能、天然气和热能，η_CCHP-P、η_CCHP-H分别表示发电和供热的一次能源利用效率。

②转换上下限约束：

③燃气输入约束：

式中，k_CHPP表示运行状态变量，

和

表示能源输入的上、下限制。

(5)燃气锅炉约束

燃气锅炉的约束主要包括转换效率约束及装置输入限制约束。

本发明通过建立能源互联网多能主体内部模型和建立能源互联网多能主体能源购买及转换运营策略优化模型，在满足零散用户用能需求的前提下，对多能主体能源购入量及内部能源转换装置工作状态进行优化，使得多能主体的购能成本最低，经济性最优。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种能源互联网多能主体能源购买及转换运营方法，其特征在于，

建立能源互联网多能主体内部模型和能源互联网多能主体能源购买及转换运营策略优化模型，在满足零散用户用能需求的前提下，对多能主体能源购入量及内部能源转换装置工作状态进行优化，使得多能主体的购能成本最低，经济性最优。

2.根据权利要求1中所述的一种能源互联网多能主体能源购买及转换运营方法，其特征在于，能源互联网多能主体内部模型，包括：

建立不存在级联转换环节的多能主体内部模型：

对于不考虑内部传输和存储环节，只包括能源转换环节，且不存在级联转换环节的多能主体，其输入能量与输出能量之间的关系可用下式描述：

式中，多能主体的输入能量矩阵为P_n表示输入端能源，输出能量矩阵为L＝[L₁,L₂,…,L_ξ]’，L_m表示输出端能源，m＝1,2,3,…ξ，转换系数c_mn描述了输出端能源L_m中由输入端能源P_n提供的部分占P_n的比例。

3.根据权利要求1中所述的一种能源互联网多能主体能源购买及转换运营方法，其特征在于，能源互联网多能主体内部模型，还包括：

建立存在级联转换环节的多能主体内部模型：

式中，O表示各能源转换器的输出端口能量，R表示各能源转换器的输入端口能量，转换矩阵中各元素的物理意义如下：A₁表示多能主体输入端中只进行能源的转售而不经转换操作的比例，A₂表示从各能源转换器输出端口到最终多能主体输出的转换系数，A₄表示从各转换器输出端口的能量分配到其他转换器输入端口的比例，A₃表示输入到多能主体中的能量分配到各能源转换器输入端口的比例。

4.根据权利要求3中所述的一种能源互联网多能主体能源购买及转换运营方法，其特征在于，

对多能主体中产生二次能量转换的部分进行单独分析，其能量转换可以用下式表示：

O＝Γ·R (3)

其中，Γ_m×n表示转换器输入到输出端的转换系数；

整理上述公式可得考虑到能源转换器串联后的多能主体能量平衡公式：

L＝[A₁+A₂Γ(1-A₄Γ)^-1A₃]·P (4)。

5.根据权利要求1中所述的一种能源互联网多能主体能源购买及转换运营方法，其特征在于，能源互联网多能主体能源购买及转换运营策略优化模型，包括：

目标函数为最小化购能成本与运营成本之和，如下式所示：

minF＝F_p(Q)+F_O(S) (5)

式中，F_p(Q)为多能主体的购能成本，F_O(S)为多能主体内部能源转换器的运行成本，Q是多能主体从能源互联网购入的能源数量方案，S表示多能主体内部能源转换器的运行工况设置方案；购能成本中，ζ表示输入能源的种类数量，u(i)和Q(i)分别表示第i种输入能源在市场中的价格以及购入的数量；运行成本中，N表示多能主体中的转换器数量，T表示多能主体的优化时长；S(j,t)表示第t个时段第j个转换器的启停工况，v(j)表示第j个转换器单位时段的运行费用。

6.根据权利要求5中所述的一种能源互联网多能主体能源购买及转换运营方法，其特征在于，能源互联网多能主体能源购买及转换运营策略优化模型，还包括：

约束条件：

(1)供能需求约束：

供能需求约束要求多能主体的输入输出能量平衡，并满足输出能源等于用户的供能需求L’，即下式：

L'＝L＝[A₁+A₂Γ(1-A₄Γ)^-1A₃]·P (8)

其中，L’表示用户的需求，L是输出的能量；

(2)电转气转换器约束：

①多能主体的输入电能容量约束：

式中，E表示输入的电能，S_E2G是电转气环节的状态变量，

和

分别表示电转气站运行的输入电量上、下限；

②电转气转换效率约束：

G＝η_E2G·E (10)

式中，G表示输出天然气，η_E2G为效率系数，是常数；

(3)热电联产机组约束

热电联产机组总热效率和热电比的计算式如下：

热电联产机组约束考虑总热效率和热电比等式约束，以及运行容量限制不等式约束；

(4)冷热电三联供系统约束：

①能量转换约束：

式中，E、G、H分别表示电能、天然气和热能，η_CCHP-P、η_CCHP-H分别表示发电和供热的一次能源利用效率；

②转换上下限约束：

③燃气输入约束：

式中，k_CHPP表示运行状态变量，

和表示能源输入的上、下限制；

(5)燃气锅炉约束

燃气锅炉的约束主要包括转换效率约束及装置输入限制约束。

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