CN111369064A - 一种基于能源枢纽最优运行缓减配电网阻塞的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于能源枢纽最优运行缓减配电网阻塞的方法,构建包括将冷、热、电联供机组、地源热泵和可再生能源机组整合在一起的能源枢纽,将多个能源枢纽接入配电网配气网节点,以所有能源枢纽运行成本最低为目标建立最优运行模型,求解得到能源枢纽中各机组的最优出力。与直接控制和基于市场的单一能源系统阻塞管理方法不同,本发明利用能源枢纽中多种能量流的互补性缓解配电网阻塞,通过能流关系的设计,保证通过能源枢纽的最优运行,使得在用电高峰期,能源用户的冷热电负荷主要由CCHP机组通过转化天然气能供应,而在用电谷时或者可再生能源出力高峰所带来的反向功率较大的时期,冷热电负荷则主要由地源热泵机组通过转化可再生能源能供应。
Description
技术领域
本发明属于电力系统优化调度领域,具体涉及一种基于能源枢纽最优运行缓减配电网阻塞的方法。
背景技术
公众对清洁环境的强烈要求以及传统化石燃料短缺的持续挑战,最终促成了加强分布式能源使用的全球共识。分布式能源主要包括可再生能源、电动汽车和燃气机组等灵活性资源。但是,大规模的分布式资源接入配电网对配电网的安全运营也提出了新的挑战。随着可再生能源发电,如光伏、风电,以及电动汽车的普及,配电网可能在某些时段出现线路功率正反向越限,引起配电网阻塞问题。
现有的阻塞管理方法大致可以分为直接控制和基于市场的方法两类。与直接控制方法相比,基于市场的方法可以鼓励能源用户更多地参与能量管理,这在阻塞管理中具有更大的潜力。现有基于市场的方法多采用分布式节点边际价格(Distribution LocationalMarginal Price,DLMP),或改进的DLMP,或迭代的DLMP方法来解决配电网的拥堵问题。然而,针对大规模分布式能源接入的配电网,上述方法存在一定的局限性:1)可再生能源发电的波动性降低了电价与需求之间的相关性,可能导致在某些实际情况下方法的不可行;2)在大多数现有研究中,配电网的阻塞管理方法并未考虑电能与其他类型的能源系统之间的相互作用,在可转移或可切除的电力负荷微不足道的情况下,这些方法可能达不到预期效果;3)对能源用户的用电行为多有限制。
随着各种能源系统之间相互依赖性的增强,能源枢纽(Energy Hub,EH)的快速发展为电力系统的运营带来了更大的灵活性,也为配电网的阻塞缓解提供了新的角度。能源枢纽被用作不同能源基础设施与能源用户之间的接口,包含多种能流的输入,输出和转换,将多种能流,如天然气、冷、热、电能,耦合在一起。因此,对于含大规模分布式能源的配电网,急需解决的是其可能出现的线路潮流双向阻塞问题。
发明内容
针对上述问题,本发明提出了一种基于能源枢纽最优运行缓减配电网阻塞的方法,包含如下步骤:
步骤1.构建包括将冷、热、电联供机组、地源热泵和可再生能源机组整合在一起的能源枢纽,并为能源枢纽中的各机组建立数学模型;
步骤2.将多个能源枢纽接入配电网配气网节点,以所有能源枢纽运行成本最低为目标建立最优运行模型,求解得到能源枢纽中各机组的最优出力。
冷、热、电联供机组包括微型燃气轮机、余热锅炉和溴化锂吸收式制冷机;可再生能源机组包括光伏和风机。
能源枢纽的输入为电能和天然气,电能由配电网和可再生能源机组提供,天然气从天然气网购气;能源枢纽的输出为综合需求,包括电力、供暖和制冷负荷。能源枢纽中的电力需求还包括大量的EV充电负荷。
最优运行模型为:
目标函数:目标函数考虑NH个能源枢纽在总调度NT个时间段的运行成本总和最低,其中,为交换功率的成本,为燃料成本,能源浪费成本,为运行维护成本,模型约束包括电、热、冷的功率平衡约束,机组设备运行约束和配电网潮流约束。
其中,电能买卖的市场出清价格模型为:
线路潮流可以表示为灵敏度矩阵PTDF和各节点净注入有功功率的线性函数:
其中,Ej,h是位置矩阵,反映了节点j是否连接了能源枢纽;是一个NH×NT维的能源枢纽交换功率矩阵,由组成;是节点j的电源,是节点j的有功需求;没有能源枢纽连接的节点,其注入功率是该节点的净有功注入功率;对于有能源枢纽连接的节点,其注入功率即为
为了确保冷/热负荷需求优先由可再生能源供应,能源枢纽中微燃机和地源热泵的运行还需满足约束:
本发明的有益效果:
在本发明提出的能源枢纽中,与以往直接控制和基于市场的单一能源系统的阻塞管理方法不同,将冷、热、电联供机组与地源热泵和可再生能源机组整合在一起,利用能源枢纽中多种能量流的互补性去缓解配电网阻塞问题。阻塞管理从单一能源系统扩展到了多个能源系统的层面,并且对能源用户的用电行为没有的更多限制。通过能流关系的设计,保证通过能源枢纽的最优运行,使得在用电高峰期,能源用户的冷热电负荷主要由CCHP机组通过转化天然气能供应,而在用电谷时或者可再生能源出力高峰所带来的反向功率较大的时期,冷热电负荷则主要由地源热泵机组通过转化可再生能源能供应。
同时,在本发明中,考虑了可再生能源的消纳情况。多余的可再生能源发电产生的电能(在满足了用户的电力需求后剩余的电能)将被优先使用以满足冷热负荷需求,因此,在模型中提出了一个关键的运行条件——地源热泵的单位产热成本应该比CCHP机组中的微型燃气轮机的单位产热成本低。在这种运行条件下,多余的新能源将会优先通过地源热泵转化成热能和冷能,冷热需求将多余的可再生能源利用掉,达到了消纳可再生能源的目的,有助于减少弃光和弃风。
附图说明
图1是本发明提出的一种基于能源枢纽最优运行缓减配电网阻塞的方法的步骤框图;
图2本发明的能源枢纽组成及结构图;
图3是本发明的多个能源枢纽的整体运行框架;
图4是不含能源枢纽情况下配电网各支路潮流分布;
图5是含能源枢纽情况下配电网各支路潮流分布;
图6(a)是不含能源枢纽情况下可再生能源消纳结果直方图;
图6(b)是含能源枢纽情况下可再生能源消纳结果直方图。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明的实施例作详细说明。
本发明利用能源枢纽中多种能量流的互补性去缓解配电网阻塞问题。阻塞管理从单一能源系统扩展到了多个能源系统的层面,并且对能源用户的用电行为没有的更多限制。通过能流关系的设计,保证通过能源枢纽的最优运行,使得在用电高峰期,能源用户的冷热电负荷主要由CCHP机组通过转化天然气能供应,而在用电谷时或者可再生能源出力高峰所带来的反向功率较大的时期,冷热电负荷则主要由地源热泵机组通过转化可再生能源能供应。
图1为本发明提出的一种基于能源枢纽最优运行缓减配电网阻塞的方法的步骤框图,其中:
步骤1.构建包括将冷、热、电联供机组、地源热泵和可再生能源机组整合在一起的能源枢纽,并为所述能源中的各机组建立数学模型;
步骤2.将多个所述能源枢纽接入配电网配气网节点,以所有能源枢纽运行成本最低为目标建立最优运行模型,求解得到能源枢纽中各机组的最优出力。
附图2为本发明中的能源枢纽设备的组成及结构。能源枢纽通过公共耦合点(PCC)连接到配电网。其被用作不同能源基础设施与能源用户之间的接口。本发明考虑了天然气和热/冷能,天然气和电能以及电能和热/冷能之间在能源枢纽中的耦合关系。与经典能源系统的各个能源部分分开处理不同,能源枢纽可以同时供应多种能源以满足各种用能需求。在所提出的能源枢纽结构中,冷、热、电联供机组(Combined Cooling,Heating,andPower,CCHP)与地源热泵和可再生能源机组整合在一起;CCHP机组又包括微型燃气轮机、余热锅炉和溴化锂吸收式制冷机,可再生能源机组又包括光伏和风机;地源热泵、燃气轮机、余热锅炉和溴化锂吸收式制冷机是可控机组,实现了能源枢纽中气、电、冷和热能的耦合;能源枢纽的输入为电能和天然气,电能主要由配电网和可再生能源机组提供,天然气需要从天然气网购气;能源枢纽的输出为综合需求,包括电力,供暖和制冷负荷,其中能源枢纽中的电力需求还包括大量的EV充电负荷。
为本发明的能源枢纽结构中的各个设备建立数学模型。
地源热泵模型。地源热泵利用地热能提供电加热和电冷却。在冬季,地源热泵提取地热,而在夏天,建筑物的热量被储存在地下以实现制冷。地源热泵的数学模型表示如下:
微型燃气轮机(微燃机)模型。微型燃气轮机模型的建立需要考虑其燃耗、热电和启停特性。微型燃气轮机的数学模型表示如下:
约束(4)和(5)分别表示微型燃气轮机的燃耗和热电特性。和分别是微型燃气轮机所消耗的天然气量和余热回收的热量。ηL是散热损耗系数,ηMt是发电效率系数。约束(6)将微型燃气轮机的输出电功率限制在合理的范围内。PMt,min和PMt,max分别是微型燃气轮机有功出力的上/下限。当微型燃气轮机输出电功率降低到其额定值以下时,排放的污染物气体数量会迅速增加。因此,微型燃气轮机的最小电输出需设置为其额定值的50%。Δt是调度时间间隔,LNG是天然气的低热值,通常取9.7kWh/m3。由于微燃机通常可以快速启停。因此,本发明不考虑微燃机的启停成本。
余热锅炉模型。除电能外,微燃机还产生高温烟气、蒸汽和其他类型的废热,这些废热将由余热锅炉回收再利用。余热锅炉的输出热功率的数学模型如下:
式中:ηHrb表示热回收效率。
溴化锂吸收式制冷机模型。溴化锂吸收式制冷机依靠热驱动将热能转换为冷能。在电网负荷高峰时期或者可再生能源出力低谷时期,当冷负荷无法由地源热泵通过能量转化完全供应时,为保障冷供应,吸收式制冷机承担冷负荷。制冷机产生的冷功率以及用于制冷输入的热功率的数学模型为:
可再生能源机组模型。各分布式光伏发电单元提供其光伏最大出力预测信息,光伏发电单元的数学模型为
类似地,风力发电机组的数学模型为
电动汽车和常规负荷模型。本发明考虑了电动汽车在调度周期内连续充电的行为并假设每一辆电动汽车在驾驶结束后都立即充电。电动汽车的日行驶里程S(km)服从对数正态分布,即通常,μs取8.92,σs取3.24。电动汽车的日行驶里程和充电时间使用蒙特卡洛方法模拟生成。电动汽车的充电功率与充电状态(SOC)之间的关系,表示为
SOCmin≤SOCt≤SOCmax (17)
式中:起始充电时间t0满足正态分布,即μt=17.47,σs=3.41。EB是电池容量;是一辆电动汽车的平均充电功率;λ是电动汽车行驶每千米所消耗的电能。常规负荷为固定的电、热、冷功率需求,本发明将其设置为常数。
本发明将多个能源枢纽接入配电网配气网节点,以所有能源枢纽运行成本最低建立最优运行模型,求解得到能源枢纽中各机组的最优出力。
如附图3所示,为本发明建立的多个能源枢纽连接到天然气网和配电网节点的运行框架。能源枢纽、小型风电场和常规电力负荷是连接到配电网络节点的主要资源形式。输入的电能和燃气能通过能源枢纽转换为热、冷和电能,提供给如学校,社区和居民区等用能区域。与配电网运营商类似,综合系统运营商(Integrated System Operator,ISO)充当多种能源系统的整体运行管理者。ISO一方面从气电联合市场接收能源价格信息,另一方面整合配电网中每个节点的资源信息,负责求解多个能源枢纽的最优运行问题。能源枢纽中可控和可再生能源机组的输出功率是优化问题的决策变量。枢纽中的能源管理设备响应ISO的运营策略并修正各机组的功率输出。
考虑配电网和能源枢纽之间的双向功率流,以所有能源枢纽运行成本最低建立最优运行模型。各种能源的价格和能源转化效率会影响能源枢纽的运行策略。能源枢纽可以灵活地切换所需能量的来源,以最大程度地降低运行成本。
首先建立目标函数。以NH个能源枢纽在总调度NT个时间段的运行成本总和最小为目标,建立目标函数:
由于能源枢纽在参与日前市场出清之前,并不知道下一交易日的价格信息,因此,本文采用式(27)给出的一种依赖于节点总电力需求的线性市场价格模型预测出清价格。
yt=ct+βpt (27)
式中:yt为市场出清电价;ct和pt分别为预测t时间段的日前初始电价和节点的有功需求;β表示有功需求对节点电价的敏感系数,该值可以通过历史电价数据进行评估和预测得到。故,本文对于电能买卖的市场出清价格模型为
用式(28)和(29)表示的能源价格将此优化问题表示为二次规划问题(QuadraticProgramming,QP),避免了不切实际的需求高峰。
式中:CGas是每立方米天然气的价格。
式中:CPv和CWt分别是弃光、弃风能的惩罚成本。
其次是约束条件的限定,模型约束包括功率平衡约束、机组设备运行约束和配电网潮流约束。
功率平衡约束。功率平衡约束包括电、热、冷功率平衡约束。电功率平衡约束见公式(21)。能源枢纽h的冷热平衡约束如下:
地源热泵的运行模式可以由能源枢纽中的能量管理设备根据各季节的负荷特性加以改变。在冬季,热负荷需求很高,地源热泵运行在加热工况下,此时的冷负荷需求则由吸收式制冷机承担。因此,冬季的热、冷功率平衡具有以下形式:
到了夏季,可以改变地源热泵压缩机的循环模式,使其工作在制冷工况下。夏季的功率平衡约束表示如下:
设备运行约束。见式(1)-(18)。
此外,微燃机(使用天然气作为燃料)和地源热泵(利用电能)产生热能的成本决定了相应能源枢纽中的能源供应的优先级。为了确保冷/热需求优先可再生能源供应,能源枢纽中微燃机和地源热泵的运行还需满足约束(40)。
配电网潮流约束。线路潮流可以表示为灵敏度矩阵PTDF和各节点净注入有功功率的线性函数:
式中:D为直流传输转移分布因子,其反映由节点注入功率变化引起支路潮流的变化;为各节点在第t时间段的总有功注入功率矩阵;是由元素组成。分别为线路l允许流过的有功功率的上、下限。矩阵中的元素的计算公式如下:
根据式(42),没有能源枢纽连接的节点,其注入功率是该节点的净有功注入功率;是节点j的电源;是节点j的有功需求。对于有能源枢纽连接的节点,其注入功率即为在公式(43)中,Ej,h是位置矩阵,反映了节点j是否连接了能源枢纽。是一个NH×NT维的能源枢纽交换功率矩阵,由组成。
本发明所建立的多个能源枢纽最优运行模型是一个混合整数二次规划(MixedInteger Quadratic Program,MIQP)问题,这类问题通常可以利用基于二次项的分支定界法求解。并且像CPLEX和Gurobi这样的求解器,已经可以直接用来解决这类问题。本发明在MATLAB R2016a的工作环境中使用YALMIP工具箱和CPLEX12.8求解器解决了这个优化问题,通过求解可以得到各机组的最优出力计划。
下面通过算例仿真进行验证本发明方法的优越性。算例仿真采用连接有多个能源枢纽的IEEE 33节点的配电系统,为了更加清楚地说明所提出的最优运行模型对阻塞缓解的效果,算例仿真中还引入了不含能源枢纽的情况作对比分析:Case A:没有能源枢纽的运行情况;Case B:通过能源枢纽的优化调度的情况。配电网各支路潮流分布结果如图4和5所示。
图4为不含能源枢纽情况下,配电网各支路潮流分布。图4中圆圈标注出的部分为功率越限的支路,可见图4中仍存在着功率越限、配电网安全校核不满足的情况,其中,功率数值大于0的部分为配电网正向潮流,即由源流向负荷侧,此时线路功率越限的主要原因是负荷需求高峰以及电动汽车集中充电;功率数值小于0的部分为配电网反向潮流,即由用户侧流向根节点(源侧),此时线路功率越限的主要原因是可再生能源发电量过大,使得功率倒送。
图5为应用本发明情况下(通过能源枢纽的优化调度),配电网各支路潮流分布。由图5可以看出通过能源枢纽的最优运行,双向的功率阻塞均得到了预期的缓解。由于充分利用了多种能源耦合的灵活性,可再生能源引起的峰值显著降低。可再生能源机组产生的多余功率首先由地源热泵转换,以满足能源枢纽中的热需求。随后,其余功率通过公共耦合点(the point of common coupling,PCC)与网络交换,从而获得卖电收益。只有仍然超过线路功率上限的部分才会造成能量浪费,但是发生这种情况的可能性很小。对于负荷高峰引起的阻塞,能源枢纽的运行会更改峰谷时间,例如负荷需求在00:00–03:00有所增加。这是因为在用电谷时,热需求优先由电力,其次是由天然气转换供应。这种操作模式既充分利用了配电线路的容量,又可以降低用能成本(夜间电价较低)。
本发明考虑了可再生能源的消纳问题。为了验证所提出的模型能够应对高比例的可再生能源接入,减少可再生能源的浪费,算例采用可再生能源利用比(公式(44))和能源浪费惩罚成本(公式(45))作为衡量指标。
图6(a)和6(b)显示了两种情况下可再生能源浪费量在预测的最大机组出力中所占的份额,黑色部分代表能源浪费量。表1以数值结果给出了可再生能源浪费占比以及惩罚成本。
表1可再生能源浪费量分析
从比例上可以得出结论,能源枢纽的最优运行减少了可再生能源的浪费,可再生能源的利用率接近90%。通过计算能源浪费惩罚成本发现,在满足安全运行约束的情况下,Case A的能源浪费总成本高达2.1万元,但是使用所提出的运行模型对能源枢纽进行能源管理后,几乎可以避免能源浪费。
本发明考虑了能源枢纽运行的经济性,表2给出了两种情况下的经济性对比分析。
表2运行成本分析
在满足每个节点相同的热和电需求的条件下,两种情况的运行结果列于表2。其中,x是指定的购热价格,由于购热价格仅用于成本分析,且没有确切数据来源,故用x表示。运行成本分析的结果表明,尽管用户需要额外支付能源枢纽的运行和维护费用,但卖电收入和节省的购热成本使得Case B的总成本明显低于Case A的情况。因此,能源枢纽的运行模式更经济。
通过算例仿真可以验证:(1)所提出的最优运行模型可以通过各种能源的战略互补,有效地缓解配电网阻塞;(2)所建立的模型可以有效地提高分布式能源中可再生能源的消纳,在可再生能源出力的高峰时段,冷/热负荷优先由电能转化供应;(3)所建立的模型可以降低区域能源用户的用能成本,并且不会强迫用户转移或切除负荷,从而确保用户用能的满意度。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (11)
1.一种基于能源枢纽最优运行缓减配电网阻塞的方法,包含如下步骤:
步骤1.构建包括将冷、热、电联供机组、地源热泵和可再生能源机组整合在一起的能源枢纽,并为所述能源枢纽中的各机组建立数学模型;
步骤2.将多个所述能源枢纽接入配电网配气网节点,以所有能源枢纽运行成本最低为目标建立最优运行模型,求解得到能源枢纽中各机组的最优出力。
2.根据权利要求1所述的一种基于能源枢纽最优运行缓减配电网阻塞的方法,其特征在于:所述冷、热、电联供机组包括微型燃气轮机、余热锅炉和溴化锂吸收式制冷机;可再生能源机组包括光伏和风机。
3.根据权利要求1所述的一种基于能源枢纽最优运行缓减配电网阻塞的方法,其特征在于:所述能源枢纽的输入为电能和天然气,电能由配电网和可再生能源机组提供,天然气从天然气网购气;所述能源枢纽的输出为综合需求,包括电力、供暖和制冷负荷。
4.根据权利要求1所述的一种基于能源枢纽最优运行缓减配电网阻塞的方法,其特征在于:所述能源枢纽中的电力需求还包括大量的EV充电负荷。
10.根据权利要求5所述的一种基于能源枢纽最优运行缓减配电网阻塞的方法,其特征在于:线路潮流可以表示为灵敏度矩阵PTDF和各节点净注入有功功率的线性函数:
式中:D为直流传输转移分布因子,其反映由节点注入功率变化引起支路潮流的变化;为各节点在第t时间段的总有功注入功率矩阵;是由元素组成;Fl max、Fl re,max分别为线路l允许流过的有功功率的上、下限;
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