CN111461429B - 一种气电协调的多能互补系统优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气电协调的多能互补系统优化方法，涉及能源供应领域，包括如下步骤：区域用能负荷处理；搭建面向区域式能源需求的多能互补能源供应系统物理模型；建立兼顾装机与运行的多能互补系统优化模型；计算优化模型。本发明提供的气电协调的多能互补系统优化方法，以投资计算周期内的总利润最大化为目标，兼顾多能互补系统的装机方案与运行策略，为逐时负荷提供合理的气电匹配供能方案，达到系统用能高效以及经济运行的效果。
Description
技术领域
本发明涉及能源供应领域，尤其涉及一种气电协调的多能互补系统优化方法。
背景技术
随着经济社会的不断发展，传统单一集中的能源系统供应模式逐渐朝向分布式和多元化转变，供能稳定、安全高效、绿色清洁成为当前能源系统建设的主要诉求。在此背景下，耦合多种能源和先进能源利用技术，达到多异质能源系统间协调优化供能的多能互补系统应运而生。
多能互补系统并非是多样供能系统间简单的加法运算，多能互补是基础，协调优化才是核心。因此，结合用户侧能源需求，因地制宜地采用多样能源供应方式，匹配科学合理的系统运行策略，才能实现高效的能源利用和理想的经济效益。
公开号为CN07290928A的中国发明专利就多能互补综合能源系统提出了一种协调优化控制方法，其参照系统日前冷热电需求计划，结合算法优化调度与控制层，实现了系统运行成本的最低。
公开号为CN104881712A的中国发明专利提出了一种多能互补分布式能源系统设备配置与运行的优化方法，该方法协同系统工艺流程、设备配置和运行策略进行统一优化，满足终端电力、制冷、供暖、热水等负荷需求。
公开号为CN107301275A的中国发明专利采用了混合整数线性规划的方法对分布式能源系统技术的选型配置和容量进行了优化，实现了分布式能源系统年均化成本最低的系统配置和容量设计。
目前对于多能互补系统技术的研究多停留于宏观规划与供能架构层面，结合现有实际项目痛点并展开优化研究的方法较少，进而无法优化出相对匹配实际负荷需求的系统配置或运行方案，往往会带来“大马拉小车”等设计问题。
既有发明多只针对或依托于传统燃气分布式冷热电联产系统进行优化设计，但用能单一、用气成本高等特点暴露了该种系统或发明的工程局限性；或者单纯依赖于多种供能技术的叠加，缺乏系统内部的多能协调，从而导致系统综合效率低、能源浪费等问题。
多能互补系统的优势主要体现于解决用能的空间以及时间维度的不匹配问题，而现有的多能互补系统优化设计方案大多仅解决了前者问题，即就地用能、多能互补，但时间维度的问题并未有良好的解决方案，没有蓄能装置的充分集成。
在建模方面，现有技术存在建模复杂，算法求解困难等问题。针对不同类型多能互补系统的设计缺乏具象性，由于不同的能源系统间的技术差异，往往在实际方案设计时精度较差，可实施性也较弱。
因此，本领域的技术人员基于“宜电则电，宜气则气”的气电协调策略，提出一种兼顾多能互补系统的装机方案与运行策略的优化方法，从而避免现有技术的缺陷，达到系统用能高效以及运行经济的效果。
发明内容
有鉴于现有技术上的缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提供一种兼顾多能互补系统的装机方案与运行策略的优化方法，达到系统用能高效及运行经济的效果。
为实现上述目的，本发明提供了一种气电协调的多能互补系统优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、区域用能负荷处理；
步骤2、搭建面向区域式能源需求的多能互补能源供应系统物理模型；
步骤3、建立兼顾装机与运行的多能互补系统优化模型；
步骤4、计算所述的优化模型。
进一步地，所述的步骤1具体包括以下步骤：
步骤1.1、采用k-means聚类方法就模拟的全年能耗数据进行聚类，得到典型工况下的负荷场景；
步骤1.2、根据供能对象的负荷达产特性，进行负荷场景的再处理。
进一步地，所述的步骤2中的所述的物理模型包括变配电系统、供能设备、蓄能设备及辅助能源设备；所述的供能设备包括燃气内燃机、工质制冷机、电制冷机、热泵；所述的蓄能设备包括蓄能罐；所述的辅助能源设备包括换热器、燃气锅炉。
进一步地，所述的工质制冷机是溴化锂制冷机；所述的热泵是空气源热泵；所述的蓄能罐是双效蓄能设备。
进一步地，所述的燃气锅炉由天然气供能，对外供热；所述的燃气内燃机由天然气供能，通过所述的工质制冷机对外供冷、通过所述的换热器对外供热、向所述的变配电系统供电；所述的变配电系统由电网或所述的燃气内燃机供能，对外供电、通过所述的电制冷机对外供冷、通过所述的的热泵对外供热；所述的蓄能罐储存冷量和热量。
进一步地，所述的步骤3中的所述的优化模型以所述的多能互补系统投资计算周期内的总利润最大化为目标，目标函数为：
式中，Fin为区域能源站外供冷、热、电能的收入，Fout为能源站耗气、耗电的成本，Ftouzi为能源站建设初期的投资成本，T为投资计算的时间周期。
进一步地，所述的目标函数以日为计算步长，以年为计算周期。
进一步地，所述的步骤4具体包括以下步骤：
步骤4.1、给定变量初值、边界条件和约束条件；
步骤4.2、给定运行策略初始值，计算全天利润；选取全年不同典型日，计算不同日的全天利润；最后计算全年利润；
步骤4.3、改变运行策略，重复步骤4.2，计算全年利润，优化出给定装机方案的最优运行策略；
步骤4.4、改变装机方案，重复步骤4.3，计算全年利润，得出最优装机方案及最优运行策略。
进一步地，所述的变量包括燃气内燃机容量配置、蓄能系统有效容积、发电机夏季发电上网百分比、发电机冬季发电上网百分比、发电机冬季开度；所述的边界条件包括峰平谷电价、天然气分布式发电上网电价、项目天然气价格、项目冷负荷、项目热负荷、项目电负荷；所述的约束条件包括蓄能系统最大有效容积。
进一步地，所述的运行策略包括不同时段的发电机开度、发电上网百分比、蓄能系统释放速率、热泵和电制冷机逐时出力；所述的装机方案包括燃气内燃机容量配置、蓄能系统有效容积、热泵规模、电制冷机规模。
本发明至少具有如下有益技术效果：
1、本发明提供的气电协调的多能互补系统优化方法，从区域能源用户的能源需求角度出发，以投资计算周期内的总利润最大化为目标，对多能互补系统的容量配置和运行策略起到很好的优化作用。
2、本发明提供的气电协调的多能互补系统优化方法，建立的兼顾装机与运行的多能互补系统优化模型，目标函数简单，算法求解方便。
3、本发明提供的气电协调的多能互补系统优化方法，双效蓄能设备在系统中的能量协调作用，为逐时负荷提供合理的气电匹配供能方案，从而提高系统的综合能效和经济效益。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例中一种气电协调的多能互补系统优化方法流程图；
图2是本发明的一个较佳实施例的多能互补系统配置方案示意图；
图3是本发明的一个较佳实施例的模型优化流程图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，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。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。
如图1所示，本发明的一个较佳实施例中，一种气电协调的多能互补系统优化方法包含以下步骤：
步骤1、区域用能负荷处理；
采用k-means聚类方法就模拟的全年能耗数据进行聚类，得到典型工况下的负荷场景；根据供能对象的负荷达产特性，进行负荷场景的再处理。
步骤2、搭建面向区域式能源需求的多能互补能源供应系统物理模型；
图2是本发明的一个较佳实施例的多能互补系统配置方案，由变配电系统1、供能设备、蓄能设备及辅助能源设备组成；供能设备包括燃气内燃机2、工质制冷机4、电制冷机5、热泵6；蓄能设备包括蓄能罐8；辅助能源设备包括换热器7、燃气锅炉3。本实施例中的多能互补系统以电网的电能和天然气为能量来源，对外供电、供热和供冷。
工质制冷机4优选溴化锂制冷机，热泵6优选空气源热泵，蓄能罐8是双效蓄能设备。
燃气锅炉3由天然气供能，对外供热；燃气内燃机2由天然气供能，通过换热器7对外供热，通过工质制冷机4对外供冷，或者向变配电系统1供电；变配电系统1由电网或者燃气内燃机2供能，对外直接供电，通过电制冷机5对外供冷，通过热泵6对外供热。
系统供热季运行逻辑为：日间优先使用燃气内燃机2产生的余热通过换热器7提供热量，并将燃气内燃机2发出的电通过热泵6转化为热量；当热负荷无法被满足时，释放蓄能罐8中的热量满足负载要求；当热负荷依然无法被满足时，利用电网的电驱动热泵6制热满足负载需求；夜间利用谷电通过热泵6为蓄能罐8补充热量并满足夜间热负荷。燃气锅炉3产生的余热为热负荷提供备用。
系统供冷季运行逻辑为：日间优先使用燃气内燃机2产生的余热通过工质制冷机4提供冷量，并将燃气内燃机2发出的电通过电制冷机5转化为冷量；当冷负荷无法被满足时，释放蓄能罐8中的冷量满足负载要求；当冷负荷依然无法被满足时，利用电网的电驱动电制冷机5制冷满足负载要求；夜间利用谷电通过电制冷机5为蓄能罐8补充冷量并满足夜间冷负荷。
步骤3、建立兼顾装机与运行的多能互补系统优化模型；
系统优化模型以多能互补系统投资计算周期内的总利润最大化为目标，建立如下目标函数：
式中，Fin为区域能源站外供冷、热、电能的收入，Fout为能源站耗气、耗电的成本，Ftouzi为能源站建设初期的投资成本，T为投资计算的时间周期。
目标函数中以日为计算步长，以年为计算周期。
4.计算所述的优化模型；
采用线性规划方法，满足能量平衡约束、设备约束与场地安装约束，得出最优定装机方案及最优运行策略。
图3所示为本发明的一个较佳实施例的模型优化流程图，优化方法如下：
步骤4.1、给定变量初值、边界条件、约束条件；
所述的变量包括燃气内燃机容量配置、蓄能系统有效容积、发电机夏季发电上网百分比、发电机冬季发电上网百分比、发电机冬季开度；所述的边界条件包括峰平谷电价、天然气分布式发电上网电价、项目天然气价格、项目冷负荷、项目热负荷、项目电负荷；所述的约束条件包括蓄能系统最大有效容积。
步骤4.2、给定运行策略初始值，计算全天利润；选取全年不同典型日，计算不同日的全天利润，然后计算全年利润；
所述的运行策略包括不同时段的发电机开度、发电上网百分比、蓄能系统释放速率、热泵和电制冷机逐时出力。
步骤4.3、改变运行策略，重复步骤4.2，计算全年利润，优化出给定装机方案的最优运行策略；
步骤4.4、改变装机方案，重复步骤4.3，计算全年利润，得出最优定装机方案及最优运行策略；
所述的装机方案包括燃气内燃机容量配置、蓄能系统有效容积。
通过计算得到最优结果，即：最优装机方案(包括燃气内燃机容量配置、蓄能系统有效容积、热泵规模、电制冷机规模)、最优运行策略(包括不同时段的发电机开度、发电上网百分比、蓄能系统释放速率、热泵和电制冷机逐时出力)、目标周期内的期望投资收益。
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 (5)
1.一种气电协调的多能互补系统优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、区域用能负荷处理，具体包括：
步骤1.1、采用k-means聚类方法就模拟的全年能耗数据进行聚类，得到典型工况下的负荷场景；
步骤1.2、根据供能对象的负荷达产特性，进行负荷场景的再处理；
步骤2、搭建面向区域式能源需求的多能互补能源供应系统物理模型；
所述的物理模型包括变配电系统、供能设备、蓄能设备及辅助能源设备，所述的供能设备包括燃气内燃机、工质制冷机、电制冷机、热泵，所述的蓄能设备包括双效蓄能罐，所述的辅助能源设备包括换热器、燃气锅炉；所述的燃气锅炉由天然气供能，对外供热；所述的燃气内燃机由天然气供能，通过所述的工质制冷机对外供冷、通过所述的换热器对外供热、向变配电系统供电；所述的变配电系统由电网或所述的燃气内燃机供能，对外供电、通过所述的电制冷机对外供冷、通过所述的热泵对外供热；所述的蓄能罐储存冷量和热量；
步骤3、建立兼顾装机与运行的多能互补系统优化模型；
所述的优化模型以所述的多能互补系统投资计算周期内的总利润最大化为目标，目标函数为：
式中，Fin为区域能源站外供冷、热、电能的收入，Fout为能源站耗气、耗电的成本，Ftouzi为能源站建设初期的投资成本，T为投资计算的时间周期；
步骤4、计算所述的优化模型，具体包括：
步骤4.1、给定变量初值、边界条件和约束条件；
步骤4.2、给定运行策略初始值，计算全天利润；选取全年不同典型日，计算不同日的全天利润；最后计算全年利润；
步骤4.3、改变运行策略，重复步骤4.2，计算全年利润，优化出给定装机方案的最优运行策略；
步骤4.4、改变装机方案，重复步骤4.3，计算全年利润，得出最优装机方案及最优运行策略。
2.如权利要求1所述的气电协调的多能互补系统优化方法，其特征在于，所述的工质制冷机是溴化锂制冷机；所述的热泵是空气源热泵。
3.如权利要求1所述的气电协调的多能互补系统优化方法，其特征在于，所述的目标函数以日为计算步长，以年为计算周期。
4.如权利要求1所述的气电协调的多能互补系统优化方法，其特征在于，所述的变量包括燃气内燃机容量配置、蓄能系统有效容积、发电机夏季发电上网百分比、发电机冬季发电上网百分比、发电机冬季开度；所述的边界条件包括峰平谷电价、天然气分布式发电上网电价、项目天然气价格、项目冷负荷、项目热负荷、项目电负荷；所述的约束条件包括蓄能系统最大有效容积。
5.如权利要求1所述的气电协调的多能互补系统优化方法，其特征在于，所述的运行策略包括不同时段的发电机开度、发电上网百分比、蓄能系统释放速率、热泵和电制冷机逐时出力；所述的装机方案包括燃气内燃机容量配置、蓄能系统有效容积、热泵规模、电制冷机规模。
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