CN111144668B - 考虑场景模拟的综合能源系统随机优化模型的建立方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑场景模拟的综合能源系统随机优化模型的建立方法,包括:利用随机优化中的场景分析技术处理风光电源出力及热电负荷预测的不确定性,根据源荷概率分布进行拉丁超立方抽样,模拟得到不同时段下的多种运行场景,继而利用Kmeans聚类算法对场景进行聚类缩减,从而构造用于系统运行优化的典型运行场景集。基于运行场景集,以系统运行整体经济性为目标,同时考虑系统的整体能效水平及新能源消纳能力,构造分布式综合能源系统随机优化模型,将随机优化问题转化为不同运行场景下的确定性优化问题,生成不同优化周期内的运行策略,简化了模型复杂度,保障了系统在不确定性因素影响下的经济性与安全稳定性。
Description
技术领域
本发明属于综合能源系统技术领域,尤其涉及一种考虑场景模拟的综合能源系统随机优化模型建立方法。
背景技术
作为能源互联网的重要载体,综合能源系统(IES)综合了包括冷热电联供能源站、可再生能源发电系统等在内的多种分布式能源系统,对提高能源综合利用率,促进可再生能源的消纳,实现能量的阶梯利用具有重要意义,其发展已受到国际社会的广泛关注。
目前,对于综合能源系统的建模及运行优化方面,已经开展了较多的研究。这些优化运行模型与策略的研究多针对确定且单一运行场景下的能源枢纽基础设备,对多能源系统深度耦合所带来的复杂运行条件的考虑仍然较为缺乏,难以兼顾到不同场景案例对系统安全经济运行的影响,因此其运行优化策略往往存在一定的局限性。
综合能源系统的构建为大规模可再生能源的消纳提供了新途径,但多能源系统的耦合及可再生能源的接入也将大大增加系统运行的复杂性与不确定性,为综合能源系统的优化运行带来了更大的挑战。为了提升IES优化运行方案的可靠性与经济性,需要充分考虑IES在不确定性情况下可能的运行场景,使得系统在复杂运行条件下仍能保持一定的经济性与安全运行裕度。
发明内容
针对以上问题,本发明提出一种考虑场景模拟的综合能源系统优化运行方法,旨在简化模型复杂度,保障系统在不确定性因素影响下的经济性与安全稳定性。
为达到上述目的,本发明通过如下的技术方法实现:
一种考虑场景模拟的综合能源系统随机优化模型的建立方法,包括如下步骤:
根据风电光伏出力和负荷数据建立综合能源系统的基础运行场景集;
根据源荷侧的概率分布对所述基础运行场景集进行随机化处理,得到随机性场景集;
对所述随机性场景集进行缩减处理,得到典型运行场景集;
根据所述典型运行场景集、决策目标函数和约束条件建立随机优化模型。
进一步的,所述基础运行场景集包括:
进一步的,所述概率分布包括光伏系统出力概率密度、风速的概率密度、热电负荷的概率密度。
进一步的,所述光伏系统出力概率密度的计算方法包括:
式中,f(μ)为辐照度的概率密度函数,μ为辐照度,μ’为辐照强度与统计时段内最大辐照度的比值,umax为统计时间段内的最大辐照度;α为Beta分布的第一个模型参数,β为Beta分布的第二个模型参数;
所述风速的概率密度的计算方法包括:
式中,f(v)为风速的概率密度函数,k为威尔分布的形状参数,c为威尔分布的尺度参数;v为实际风速;PWT为风机输出电功率,Pr为风机额定功率,vi,vr,v0分别代表风机的切入、额定以及切出风速;
所述热电负荷的概率密度的计算方法包括;
进一步的,所述随机性场景集包括:
式中,T为场景周期,Sdg,T,Sloade,T,Sloadh,T分别代表为分布式电源、电负荷、热负荷这三类随机变量在第T时刻所模拟出的场景集;初始随机场景S中每一行代表对应时段所包含的所有随机变量在N次抽样后形成的场景矩阵,每一列代表某一随机变量对应的所有时段下的抽样场景。
进一步的,所述决策目标函数包括:
其中,Cm表示机组运行维护成本,T为优化周期,St为t时段下的模拟场景集合,ps为对应模拟场景的概率,K为能量耦合单元内的机组数,Ps,t,k为t时段第s个场景下第k台机组的功率,co,k为机组的单位运行成本,Δt为优化时间间隔;Ce为电网交互成本,ce,t为t时段下的购电价格,Pe,t,s为t时段s场景下系统与外部电网的交互功率;Cg为天然气能耗成本,Pg,t,s为t时段s场景下的耗气功率,cg为天然气单位热值价格;Cl为弃风弃光成本,Lpv,s,t与Lwt,s,t分别代表t时段s场景下的弃光与弃风功率,ca与cb代表对应的弃光与弃风单位成本;为等效经济成本。
进一步的,所述等效经济成本的计算方法包括:
式中,为等效经济成本,C为模糊折算成本基值,μ(·)表示模糊折算成本对应的隶属度函数,为系统在优化周期T内的综合能效,ps为对应模拟场景的概率;QL、CL、PL分别代表区域内的总热负荷、冷负荷以及电负荷功率;ET为一次侧的耗能量折算值;ECHP(t)与EGB(t)分别代表热电联产机组CHP与燃气锅炉GB在t时刻的天然气消耗量,Pdg,i(t,s)代表IES在t时刻s场景下接入的可再生能源功率;Pbuy,i(t,s)为系统t时刻s场景下的外购电功率;τgas与τe对应天然气以及外购电的折煤系数。
进一步的,所述约束条件供能平衡约束、能源枢纽输入输出约束、设备运行约束、弃风弃光约束及储能约束等。
进一步的,所述供能平衡约束如下所示:
式中,分别代表t时刻、s场景下的电/冷/热负荷需求;分别代表t时刻、s场景下的电网外购电功率、燃气消耗功率及分布式电源出力;ηrec,ηgb,ηac以及ηex分别代表燃气轮机的电效率、热效率、热回收效率、燃气锅炉效率以及热交换器效率;υ为天然气输入燃气轮机占天然气总消耗量的比例,α代表吸收式制冷机AC与热交换器EX热分配比,λ代表制冷比,ε代表IES系统运行状态;
所述的能源枢纽输入输出约束如下所示:
所述设备运行约束如下所示:
式中,Pk,max与Pk,min分别代表第k台机组运行时出力的上下限;与为机组的爬坡率上下限;与代表分布式电源机组设备出力的上下限值;Ps,t,k为t时段第s个场景下第k台机组的功率;Pdg,t,s为t时段第s个场景下分布式电源机组的出力;
所述弃风弃光约束如下所示:
所述储能约束如下所示:
与现有技术相比,本发明所达到的有益效果是:
本发明利用随机优化中的场景分析技术处理风光电源出力及热电负荷预测的不确定性,将随机优化问题转化为不同运行场景下的确定性优化问题,降低了模型复杂度,提高了求解效率;本发明方法兼顾系统整体运行经济性与综合能效水平,保障系统在复杂场景条件下安全稳定运行的同时,进一步提升新能源消纳水平,与传统运行模式相比,具有明显的优势。
附图说明
图1是本发明优化模型构建及求解流程示意图;
图2是本发明的实施例结构示意图;
图3是本发明在考虑多场景模拟情况下的IES随机优化运行曲线;
图4是本发明在不考虑多场景模拟情况下的IES确定性优化运行曲线。
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,不能以此来限制本发明的保护范围。
一种考虑场景模拟的综合能源系统随机优化模型的建立方法,包括如下步骤:
根据风电光伏出力和负荷数据建立综合能源系统的基础运行场景集;
根据源荷侧的概率分布对所述基础运行场景集进行随机化处理,得到随机性场景集;
对所述随机性场景集进行缩减处理,得到典型运行场景集;
根据所述典型运行场景集、决策目标函数和约束条件建立随机优化模型。
如图1所示,本发明所提的优化模型的构建与求解流程步骤可归纳如下:
步骤1:确定综合能源系统基本架构,初始化决策变量;
步骤2:获取典型风电、光伏出力以及不同类型的负荷数据,构建系统的基础运行场景;
步骤3:确定随机变量,利用拉丁超立方抽样(LHS)对优化周期内各随机变量的基础场景做随机化处理,从而构建随机性场景集,并利用Kmeans算法缩减随机性场景集,构建用于生成优化运行策略的典型运行场景集Sd;
步骤4:基于步骤削减的到的典型场景集,输入机组基本配置参数,以最小化各场景下经济性指标的均值作为决策目标函数,以各机组在优化周期内的出力为决策变量,同时构建包括系统能量平衡、弃风弃光约束及各机组设备的运行约束等复杂约束条件,从而建立分布式综合能源系统随机优化模型;
步骤5:求解运行优化模型,得到优化周期内的运行策略。
(1)考虑不确定性因素的典型场景模拟
本发明主要针对园区级分布式综合能源系统开展典型运行场景的模拟。主要分为基础场景与随机性场景模拟两部分。基础场景主要考虑地理、气候环境、季度/月度/节假日等时空因素,以及区域内各能源子系统的运行交互模式、控制方式,负荷侧冷/热电气用能需求的类型与时序分布特点等,从源-荷角度构建分布式综合能源系统的确定性基础运行场景集,为实现区域多能流能量运行优化算法提供场景验证。基础运行场景集Sc可表示为如下的矩阵形式:
随机性场景以基础场景为前提,考虑可再生能源(风电/光伏)以及冷/热电负荷的不确定性。本发明采用拉丁超立方等抽样方法依据源荷侧的概率分布抽取场景,随机化处理分布式电源和负荷的不确定性,模拟不同时段下的多种不确定性运行场景。
其中,光伏系统出力可视为近似满足Beta分布,其概率密度可表示为:
式中,f(μ)为辐照度的概率密度函数,μ为辐照度,μ’为辐照强度与统计时段内最大辐照度的比值,umax为统计时间段内的最大辐照度;α为Beta分布的第一个模型参数,β为Beta分布的第二个模型参数;
风速的概率分布近似满足Weibull分布,对应的概率密度及风电系统的出力可分别表示为:
式中,f(v)为风速的概率密度函数,k为威尔分布的形状参数,c为威尔分布的尺度参数;v为实际风速;PWT为风机输出电功率,Pr为风机额定功率,vi,vr,v0分别代表风机的切入、额定以及切出风速;
对于热电负荷的预测误差,可假设服从正态分布,对应的概率密度函数可表示为:
基于源荷侧的不确定性概率分布,结合基础运行场景利用LHS抽样(抽样规模设为500)得到源、荷的随机性场景集S:
式中,T为场景周期,Sdg,T,Sloade,T,Sloadh,T分别代表为分布式电源、电负荷、热负荷这三类随机变量在第T时刻所模拟出的场景集。初始随机场景S中每一行代表对应时段所包含的所有随机变量在N次抽样后形成的场景矩阵,每一列代表某一随机变量对应的所有时段下的抽样场景。
对于生成的多个源、荷场景,场景过多会导致问题求解复杂,场景过少会影响结果的精确性,因此需要结合场景缩减技术处理原始场景集,得到原场景的一个近似子集。本发明利用Kmeans聚类算法对各场景周期内不同随机变量抽样样本进行缩减至K个场景,组合各随机变量得到单位周期内的模拟场景。针对组合场景集进行二次缩减,共得到Q×T组运行场景(Q为随机变量个数)及对应场景的概率,作为用于生成优化运行策略的典型运行场景集Sd。
(2)综合能源系统优化运行模型构建
基于所构造的典型运行场景集,以最小化各场景下经济性成本期望之和作为决策目标,以优化周期内IES系统内各机组的出力策略为决策变量,同时考虑系统的整体能效水平及新能源消纳能力,构造分布式综合能源系统随机优化模型,将随机优化问题转化为不同运行场景下的确定性优化问题,生成不同优化周期内各机组设备的优化运行策略,在保障系统安全经济运行的同时,尽可能体改新能源消纳能力与系统能效水平。
模型的决策目标函数为各典型运行场景下的整体经济成本期望值之和,包括机组运行维护成本Cm、与电网交互成本Ce、天然气能耗成本Cg及弃风弃光成本Cl,此外,系统整体能效水平是系统运行所需考量的重要指标,因此本发明通过建立综合能效评估指标,并结合隶属度函数将其模糊化后折算为等效经济成本参与到整体的优化运行中去,提升模型的合理性。
其中,机组运行维护成本Cm可按下式计算:
式中,T为优化周期,St为t时段下的模拟场景集合,ps为对应模拟场景的概率,K为能量耦合单元内的机组数,Ps,t,k为t时段,第s个场景下第k台机组的功率,co,k为机组的单位运行成本,Δt优化时间间隔。
电网交互成本Ce可按下式计算:
式中,ce,t为t时段下的购电价格,Pe,t,s为t时段,s场景下系统与外部电网的交互功率。
天然气能耗成本Cg可按下式计算:
式中,Pg,t,s为t时段、s场景下的耗气功率,cg为天然气单位热值价格。
弃风弃光成本Cl可按下式计算,加入此项成本分量的计算有助于系统在运行时降低弃风弃光率,进一步提升新能源消纳水平。
式中,Lpv,s,t与Lwt,s,t分别代表t时段s场景下的弃光与弃风功率,ca与cb代表对应的弃光与弃风单位成本。
为系统根据优化周期内的整体能效水平折算的模糊经济成本,通过构建此项成本分量,使得优化运行结果在获得理想经济性的同时保证一定的能效水平。首先构建系统在整个优化周期内的综合能效指标然后引入隶属度函数μ(·)将对应的能效指标模糊化,进而构建反映能效水平的模糊折算成本详细的计算可由下式表示:
式中,为系统在优化周期T内的综合能效;ET为一次侧的耗能量折算值;ECHP(t)与EGB(t)分别代表热电联产机组CHP与燃气锅炉GB在t时刻的天然气消耗量,Pdg,i(t,s)代表IES在t时刻s场景下接入的可再生能源功率;Pbuy,i(t,s)为系统t时刻s场景下的外购电功率;τgas与τe对应天然气以及外购电的折煤系数;QL、CL、PL分别代表区域内的总热负荷、冷负荷以及电负荷功率。
C为模糊折算成本基值,μ(·)表示模糊折算成本对应的隶属度函数,可表示为:
模型的约束条件包括:供能平衡约束、能源枢纽输入输出约束、设备运行约束、弃风弃光约束及储能约束等。
所述的供能平衡约束如下所示:
式中,分别代表t时刻、s场景下的电/冷/热负荷需求;分别代表t时刻、s场景下的电网外购电功率、燃气消耗功率及分布式电源出力。ηrec,ηgb,ηac以及ηex分别代表燃气轮机的电效率、热效率、热回收效率、燃气锅炉效率以及热交换器效率;υ为天然气输入燃气轮机占天然气总消耗量的比例,α代表吸收式制冷机AC与热交换器EX热分配比,λ代表制冷比。ε代表IES系统运行状态,ε取1代表并网运行,取0代表孤岛运行。
所述的能源枢纽输入输出约束如下所示:
所述的设备运行约束如下所示:
所述的弃风弃光约束如下所示:
所述的储能约束如下所示:
下面通过一个实施例对本发明做进一步的说明。
如图2所示为实施例的结构示意图。IES系统包含的能量转换枢纽主要由两台CHP机组、两台燃气锅炉、热交换器、吸收式制冷机、电制冷机以及光伏/风电系统组成,其中冷负荷可由热/电两种能量形式通过制冷机转换得到,因此考虑将冷负荷按图示转换关系等效为热电负荷。负荷类型包含商用、民用和工业,商用负荷选择冬季商场群,热电日负荷峰值分别取25、40MW,民用负荷选择冬季住宅群,热电日负荷峰值分别取21、15MW,工业负荷选择工业园区,热、电日负荷峰值分别取80、65MW,光伏电站日出力峰值取10MW,风电场日出力峰值取30MW,从而构建冬季典型日下的基础运行场景。
算例优化周期设置为24h,步长1h,基于冬季日基础运行场景曲线数据,按1.2节方法构造考虑光伏/风电、热电负荷随机性的典型运行场景集并列于表1。由表2可知,所模拟得到的典型运行场景共包含24各时段,并按时间顺序排列。每个时段包含20组模拟场景,因此共计480组典型场景。每组场景包含8个随机变量,分别为光伏系统发电功率、风电系统发电功率、住宅区电/热负荷、商业区热/电负荷以及工业区热/电负荷。
表1典型运行场景数据集
基于表1的典型场景数据集,将其改写为矩阵Sd的形式,方便后续计算。矩阵包含480行、8列,每一行代表1组场景,每一列代表一种随机变量,基本形式以及各元素代表的意义与表2一致。
基于模拟的典型运行场景集Sd,构建并求解随机优化模型,得到优化周期内各机组的优化运行曲线以及对应的指标计算结果。
如图3、图4所示为IES内各机组设备分别在考虑多场景模拟与不考虑多场景模拟下的随机性优化与确定性优化运行曲线。可以看出,考虑多场景模拟与不考虑多场景模拟对应的机组运行曲线存在一定的差异性。在用电高峰时段,系统的电力负荷主要由CHP1与CHP2共同承担,而在用电低/平谷时段,主要通过向电网购电的形式来满足用电需求,对于外部电网来说等效实现了削峰填谷,避开用电高峰时段的高电价购入,保障了系统运行的整体经济性,体现了优化模型的合理性与有效性。系统的热力负荷主要通过CHP1与CHP2共同承担,GB1与GB2的补燃量较少,在系统用热低谷时储热装置进行储热,在用热高峰时储热装置放热以补充不足的用热需求。在18:00-21:00时段,考虑多场景模拟时,系统产生的多余电能上网出售,而不考虑多场景情况下,在全天时段系统均需向电网购电以满足用电需求,经济性相对较差。
为进一步对比验证本发明所提模型的合理性,在考虑不确定性因素的典型运行场景集Sd的基础上,设置Case1\Case2\Case3三种运行方案与本发明优化方案Case4的评估指标结果进行比较。
Case1:考虑不确定性场景模拟,基于传统以热定电模式(FTL)运行,各机组出力优先满足热负荷;
Case2:考虑不确定性场景模拟,基于传统以电定热模式(FEL)运行,各机组出力优先满足电负荷;
Case3:考虑不确定性场景模拟,利用传统经济性优化方法进行机组出力优化,仅考虑了系统整体经济性成本,不考虑整体能效水平约束;
Case4:利用本发明所提模型进行机组出力优化,综合考虑了系统整体的经济性与能效水平。
表2优化周期内不同优化方案下的IES系统运行评估指标
表2给出了不同优化方案下的系统各项运行指标计算值。由对比结果可知,Case3未考虑能效水平因素,因此能效指标较本发明模型较低,经济成本与本发明所提模型接近,略有降低。说明本发明所提模型在优化时兼顾了系统运行的经济性及整体能效水平,虽然牺牲了部分经济性,但与仅考虑经济性的优化方案相比,经济成本差别较小,且与其他两种传统运行方案相比仍然具有明显的经济性优势。此外,以热定电的运行模式比以电定热的运行模式具有更好的经济性及能效水平,对于其他优化运行方案,这两种运行方案(Case1/Case2)的总成本明显偏高,能效水平也明显低于本发明所提优化方案,从而验证了本发明所提模型的有效性。
以上对本申请进行了详细介绍,本发明中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐释,以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及核心思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明不应理解为对本申请的限制。
Claims (5)
1.一种考虑场景模拟的综合能源系统随机优化模型的建立方法,其特征在于,包括如下步骤:
根据风电光伏出力和负荷数据建立综合能源系统的基础运行场景集;
根据源荷侧的概率分布对所述基础运行场景集进行随机化处理,得到随机性场景集;
对所述随机性场景集进行缩减处理,得到典型运行场景集;
根据所述典型运行场景集、决策目标函数和约束条件建立随机优化模型;
所述概率分布包括光伏系统出力概率密度、风速的概率密度、热电负荷的概率密度;
所述光伏系统出力概率密度的计算方法包括:
式中,f(μ)为辐照度的概率密度函数,μ为辐照度,μ’为辐照强度与统计时段内最大辐照度的比值,umax为统计时间段内的最大辐照度;α为Beta分布的第一个模型参数,β为Beta分布的第二个模型参数;
所述风速的概率密度的计算方法包括:
式中,f(v)为风速的概率密度函数,k为威尔分布的形状参数,c为威尔分布的尺度参数;v为实际风速;PWT为风机输出电功率,Pr为风机额定功率,vi,vr,v0分别代表风机的切入、额定以及切出风速;
所述热电负荷的概率密度的计算方法包括;
所述决策目标函数包括:
其中,Cm表示机组运行维护成本,T为优化周期,St为t时段下的模拟场景集合,ps为对应模拟场景的概率,K为能量耦合单元内的机组数,Ps,t,k为t时段第s个场景下第k台机组的功率,co,k为机组的单位运行成本,Δt为优化时间间隔;Ce为电网交互成本,ce,t为t时段下的购电价格,Pe,t,s为t时段s场景下系统与外部电网的交互功率;Cg为天然气能耗成本,Pg,t,s为t时段s场景下的耗气功率,cg为天然气单位热值价格;Cl为弃风弃光成本,Lpv,s,t与Lwt,s,t分别代表t时段s场景下的弃光与弃风功率,ca与cb代表对应的弃光与弃风单位成本;为等效经济成本;
所述等效经济成本的计算方法包括:
4.根据权利要求1所述的一种考虑场景模拟的综合能源系统随机优化模型的建立方法,其特征在于,所述约束条件包括供能平衡约束、能源枢纽输入输出约束、设备运行约束、弃风弃光约束及储能约束。
5.根据权利要求4所述的一种考虑场景模拟的综合能源系统随机优化模型的建立方法,其特征在于,所述供能平衡约束如下所示:
式中,分别代表t时刻、s场景下的电/冷/热负荷需求;分别代表t时刻、s场景下的电网外购电功率、燃气消耗功率及分布式电源出力;ηrec,ηgb,ηac以及ηex分别代表燃气轮机的电效率、热效率、热回收效率、燃气锅炉效率以及热交换器效率;υ为天然气输入燃气轮机占天然气总消耗量的比例,α代表吸收式制冷机AC与热交换器EX热分配比,λ代表制冷比,ε代表IES系统运行状态;
所述的能源枢纽输入输出约束如下所示:
式中,Pe max与Pe min分别代表与电网交互电功率的上下限;Pg max与Pg min分别表示输入的天然气功率上下限;为分布式电源的预测值;分别表示能源枢纽电/冷/热功率输出的上限;分别表示s场景下t时刻能源枢纽的电/冷/热功率输出;
所述设备运行约束如下所示:
式中,Pk,max与Pk,min分别代表第k台机组运行时出力的上下限;与为机组的爬坡率上下限;与代表分布式电源机组设备出力的上下限值;Ps,t,k为t时段第s个场景下第k台机组的功率;Pdg,t,s为t时段第s个场景下分布式电源机组的出力;
所述弃风弃光约束如下所示:
所述储能约束如下所示:
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