CN111524028A - 一种多能互补耦合系统配置方法 - Google Patents

一种多能互补耦合系统配置方法 Download PDF

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CN111524028A
CN111524028A CN202010258388.0A CN202010258388A CN111524028A CN 111524028 A CN111524028 A CN 111524028A CN 202010258388 A CN202010258388 A CN 202010258388A CN 111524028 A CN111524028 A CN 111524028A
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CN
China
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energy
coupling system
complementary coupling
representing
equipment
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杨允
闫文瑞
殷卫峰
李振
李进
于钊
朱砚文
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China Coal Industry Tianjin Clean Energy Research Institute Co ltd
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Abstract

本发明公开了一种多能互补耦合系统配置方法，其属于能源系统规划设计技术领域，包括：S1、确定边界条件，边界条件包括气候特征、用户负荷及可利用资源；S2、根据边界条件确定构建多能互补耦合系统所需设备的种类及搭建多能互补耦合系统流程架构；S3、获取每种设备的设备参数；S4、确定目标函数，目标函数为多能互补耦合系统的最小年总费用；S5、确定目标函数的约束条件；S6、优化处理约束条件得到约束条件对应的优化约束条件，每个优化约束条件均为线性约束条件；S7、根据目标函数和优化约束条件确定目标变量。本发明提供的多能互补耦合系统配置方法实现了系统结构、离散设备台数和容量、运行规律同步优化，使得求解结果更准确。

Description

一种多能互补耦合系统配置方法
技术领域
本发明涉及能源系统规划设计技术领域，尤其涉及一种多能互补耦合系统配置方法。
背景技术
多能互补耦合系统是一种互补利用可再生能源、化石能源，建立在能量梯级利用概念基础上，临近用户设置的发电并结合热冷联供的整体能量供应系统。通过规模化利用可再生能源，并将其与化石能源进行耦合，一方面可弥补单纯的可再生能源供能系统面临的输出功率不稳定、出力不连续等问题，另一方面还可提高化石燃料的使用效率，对合理用能和节能减排、缓解用电紧张、减小电网峰谷差、美化城市环境、节约社会资源投入等都具有重要的意义。
能源系统优势的充分发挥必须建立在合理优化配置的基础上，也就是在项目实施前，合理确定系统结构与形式，优化选择主要设备的种类、容量、台数。然而，多能互补耦合系统的形式、主辅设备及其容量可选范围大，导致较难对多能互补耦合系统的配置进行合理的规划。现有技术中通常采用经验评估的方式确定多能互补耦合系统中的设备种类、容量等参数，导致多能互补耦合系统较容易出现无法满足用户需求的情况，也即是，现有技术中规划多能互补耦合系统的结果准确度较低，因此，亟需一种能够合理规划多能互补耦合系统的配置的方法
发明内容
本发明的目的在于提供一种多能互补耦合系统配置方法，实现了系统结构、离散设备台数和容量、运行规律同步优化，使得求解结果更准确。
如上构思，本发明所采用的技术方案是：
一种多能互补耦合系统配置方法，包括如下步骤：
S1、确定边界条件，所述边界条件包括气候特征、用户负荷及可利用资源；
S2、根据所述边界条件确定构建多能互补耦合系统所需设备的种类及搭建多能互补耦合系统流程架构；
S3、获取每种所述设备的设备参数，所述设备参数包括性能参数、投资与维护成本参数及排放因子参数；
S4、确定目标函数，所述目标函数为所述多能互补耦合系统的最小年总费用，所述目标函数具有多个目标变量；
S5、确定目标函数的约束条件，所述约束条件包括设备数量的约束条件、设备运行特性的约束条件及所述多能互补耦合系统的能量守恒的约束条件；
S6、优化处理所述约束条件得到每个所述约束条件对应的优化约束条件，每个所述优化约束条件均为线性约束条件；
S7、根据所述目标函数和所述优化约束条件确定所述目标变量。
可选地，还包括如下步骤：
S8、核算系统效率，所述系统效率包括热力效率和减排率。
可选地，所述热力效率包括一次能源利用率PER，且所述一次能源利用率PER的计算公式为：
Figure BDA0002438323850000021
其中，Lele表示用户全年所需的电负荷；Lh、表示用户全年所需的热负荷；Lc表示用户全年所需的冷负荷；Qng表示所述多能互补耦合系统全年消耗的能源总量；Qele表示所述多能互补耦合系统全年购电总量；ηele表示燃煤电厂发电效率；
所述减排率包括年NOx减排率
Figure BDA0002438323850000022
和年CO2减排率，且所述年NOx减排率
Figure BDA0002438323850000031
的计算公式为：
Figure BDA0002438323850000032
其中，
Figure BDA0002438323850000033
表示常规供能系统年NOx排放总量；
Figure BDA0002438323850000034
表示所述多能互补耦合系统年NOx排放总量，所述年CO2减排率的计算公式为：
Figure BDA0002438323850000035
其中，
Figure BDA0002438323850000036
表示常规供能系统年CO2排放总量；
Figure BDA0002438323850000037
表示多能互补耦合系统年CO2排放总量。
可选地，所述目标函数为：
Figure BDA0002438323850000038
其中，minZ表示所述多能互补耦合系统的最小年总费用；
Figure BDA0002438323850000039
表示所述多能互补耦合系统的年能耗费用；
Figure BDA00024383238500000310
表示所述多能互补耦合系统的年维护费用；
Figure BDA00024383238500000311
表示所述多能互补耦合系统的初投资年等值费用，i表示所述多能互补耦合系统的设备种类；I表示所述多能互补耦合系统中共有I种可选设备；k表示典型日时段(全年划分为多个典型日，每个典型日又均分为多个时段)；K表示全年总时段个数；
Figure BDA00024383238500000312
表示第i种设备每小时消耗的电费用或天然气费用；Δt表示每个所述典型日时段持续的时间；D表示全年中所述典型日持续的天数；xi表示所述第i种设备的能量消耗功率；φi表示所述第i种设备单位输出能量的维护成本；yi表示所述第i种设备的能量输出功率；R表示资本投资回收系数，且R＝r(1+r)τ/((1+r)τ-1)，该r表示贷款年利率，τ表示设备使用年限；j表示所述设备的第j种容量；Ji表示所述第i种设备的可供选择容量个数；c表示设备单元成本；nij表示选择容量为第j种容量的所述第i种设备的数目，cij表示第i种设备第j种容量的单元成本；chs表示蓄热器的单元成本；ccs表示蓄冷器的单元成本。
可选地，所述数量约束包括：
Figure BDA0002438323850000041
其中，γij表示是否选用第i种设备的第j种容量，当γij为0时，表示不选择所述第i种设备的第j种容量，当γij为1时，表示选择所述第i种设备的第j种容量，Nij表示选择采用第j种容量的第i种设备的数量最大值。
可选地，所述多能互补耦合系统包括蓄能装置，设备运行特性的约束条件包括：
Figure BDA0002438323850000042
其中，t表示典型日的时刻；H(t)表示t时刻所述蓄能装置内所蓄存的冷量或热量；H(t+1)表示(t+1)时刻所述蓄能装置内所蓄存的冷量或热量；T表示每个典型日中典型日时段的总个数；μ表示所述蓄能装置向环境的散冷损失系数或所述蓄能装置向环境的散热损失系数；Δtt表示相邻两个所述典型日时段的时间间隔；E(k)表示第k个典型日时段所述蓄能装置的蓄放功率。
可选地，所述设备运行特性的约束条件还包括：
Figure BDA0002438323850000051
其中，pij表示所述第i种设备在第j种容量下的第一性能参数；q表示所述第i种设备在第j种容量下的第二性能参数；δi表示所述多能互补耦合系统中处于运行状态的第i种设备的数目；
Figure BDA0002438323850000052
表示所述第i种设备在第j种容量下能量消耗的上限；x ij表示所述第i种设备在第j种容量下能量消耗的下限。
可选地，所述步骤S6包括：
S61、采用第一连续变量ξij(k)代替所述运行特性约束中的γijxi(k)；
S62、采用第二连续变量ζij(k)代替所述运行约束条件中的γijδi(k)。
可选地，所述步骤S6还包括：
S63、增加辅助约束条件，所述辅助约束条件为：
Figure BDA0002438323850000053
其中，α i(k)、
Figure BDA0002438323850000054
β i(k)和
Figure BDA0002438323850000055
的取值分别为：
Figure BDA0002438323850000061
可选地，所述目标变量包括设备种类、设备台数、设备容量。
本发明提供的多能互补耦合系统配置方法至少具有如下有益效果：
通过确定边界条件考虑了部分负荷率的影响，并且，通过建立设备的约束条件，能够确定设备的最大、最小出力，使得求解结果更准确；通过目标函数的设置，实现了系统结构、离散设备台数和容量、运行规律同步优化，同时实现了各设备与蓄能装置的同步优化，为设计提供选型依据，并为运行策略制定提供指导。
通过建立系统评价指标能够更优化的选择，从而可获得系统经济、热力、环境等综合性能，为业主提供决策参考、为设计提供选型依据，并为运行策略制定提供指导。
通过将非线性约束等价转换为线性约束，有效解决了规模庞大的混合整数非线性规划模型求解难的问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的多能互补耦合系统配置方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的典型日内的冷、热、电逐时负荷的示意图；
图3是本发明实施例提供的多能互补耦合系统的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的冬季典型日的电力供应图；
图5是本发明实施例提供的过渡季典型日的电力供应图；
图6是本发明实施例提供的夏季典型日的电力供应图；
图7是本发明实施例提供的冬季典型日的热量供应图；
图8是本发明实施例提供的过渡季典型日的热量供应图；
图9是本发明实施例提供的夏季典型日的热量供应图；
图10是本发明实施例提供的冬季典型日的冷量供应图；
图11是本发明实施例提供的过渡季典型日的冷量供应图；
图12是本发明实施例提供的夏季典型日的冷量供应图。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本实施例提供了一种多能互补耦合系统配置方法，其能够有效的评估多能互补耦合系统所需的设备种类、数量等参数，具有较高的准确度。
可选地，本实施例提供的多能互补耦合系统配置方法可以由多能互补耦合系统配置装置执行，该多能互补耦合系统配置装置中具有存储器和执行器，该存储器用于存储一个或多个程序，当一个或多个程序被执行器执行时，能够执行多能互补耦合系统配置方法。
如图1所示，该多能互补耦合系统配置方法包括如下步骤：
S1、确定边界条件，边界条件包括气候特征、用户负荷及可利用资源。
其中，气候特征可以包括气温、阳光辐射强度、风速等影响用户符合的自然条件。用户负荷可以根据用户的性质进行确定，如用户可以为医院、住宅楼等。可利用资源为周边的可用资源，如包括风能、水能、太阳能、天然气、电能等资源。
可选地，该边界条件还可以包括能源价格，以便于对多能互补耦合系统进行经济方面的评估。
本实上施例中，边界条件可以预先存入多能互补耦合系统配置装置的存储器中，当执行器需要时可以直接在存储器中获取。
S2、根据边界条件确定构建多能互补耦合系统所需设备的种类及搭建多能互补耦合系统流程架构。
根据用户负荷的需求，结合周边可利用的资源，可以确定需要的设备情况，以能构建多能互补耦合系统。可选地，多能互补耦合系统通常包括锅炉、内燃机、热泵、换热器等。示例地，若在步骤S1中确定了周边存在天然气，则在该步骤中，可以选择内燃机作为原动机。搭建多能互补耦合系统流程架构是指根据确定好的设备及设备的性能，确定由哪些设备提供能量，并确定设备与设备之间的连接关系，以确定能量的流向或循环路线。
在执行步骤S2之前，多能互补耦合系统配置装置中可以存储有多种设备。多能互补耦合系统配置装置中的执行器能够在执行完步骤S1后，对边界条件进行分析处理，然后在存储器中的多种设备中选择能够适用于边界条件的设备。
S3、获取每种设备的设备参数，设备参数包括性能参数、投资与维护成本参数及排放因子参数。
其中，排放因子参数可以为NOx排放因子参数。设备的性能参数可以为设备的额定容量、额定功率、额定热效率等参数。投资与维护成本参数可以为产生每千瓦时的能量所需要的投资费用及维护费用。该设备参数能在设备的说明书或使用手册中查询得到。
可选地，执行器在选择多能互补耦合系统所需的设备后，需要获取每种设备对应的设备参数。该设备参数可以预存在多能互补耦合系统配置装置的存储器中，或者，执行器还可以根据选择的设备自动在网络上搜寻该设备的设备参数。
S4、确定目标函数，该目标函数为多能互补耦合系统的最小年总费用，且目标函数具有多个目标变量。
本实施例中，将多能互补耦合系统的年费用最小值作为目标函数，以从经济方面配置该多能互补耦合系统。可选点，还可以将其他关注的参数作为目标函数，如初投资最小值等，本实施例对此不做限定。
可选地，目标变量可以包括设备的种类、设备的台数、设备的容量、设备的运行规律、多能互补耦合系统的经济性能、多能互补耦合系统的热力性能及多能互补耦合系统的环境性能等。
该目标函数可以为一个运行程序，其能够对步骤S1至步骤S3获取的信息进行处理，以计算出使目标函数出现最值的目标变量的值。
可选地，本实施例中，目标函数为：
Figure BDA0002438323850000101
其中，minZ表示多能互补耦合系统的最小年总费用；
Figure BDA0002438323850000102
表示多能互补耦合系统的年能耗费用；
Figure BDA0002438323850000103
表示多能互补耦合系统的年维护费用；
Figure BDA0002438323850000104
表示多能互补耦合系统的初投资年等值费用。进一步地，i表示多能互补耦合系统中的设备种类，示例地，第一种设备可以为锅炉，第二种设备可以为热泵等；I表示多能互补耦合系统中共有I种可选设备；k表示典型日时段(全年划分为多个典型日，每个典型日又均分为多个时段)；K表示全年总时段个数；
Figure BDA0002438323850000105
表示第i种设备每小时消耗的电费用或天然气费用，需要说明的是，
Figure BDA0002438323850000106
对于消耗天然气的设备及电接收装置才有意义，否则
Figure BDA0002438323850000107
取值为0；Δt表示每个典型日时段持续的时间；D表示全年中典型日持续的天数；xi表示第i种设备的能量消耗功率；φi表示第i种设备单位输出能量的维护成本；yi表示第i种设备的能量输出功率；R表示资本投资回收系数，且R＝r(1+r)τ/((1+r)τ-1)，该r表示贷款年利率，τ表示设备使用年限；j表示设备的第j种容量，即每个设备可以具有j个可选的容量；Ji表示第i种设备的可供选择容量个数；c表示设备单元成本；nij表示实际选择容量为第j种容量的第i种设备的数目，cij表示第i种设备第j种容量的单元成本；chs表示多能互补耦合系统中蓄热器的单元成本；ccs表示多能互补耦合系统中蓄冷器的单元成本。本实施例中，蓄热器和蓄冷器还能够统称为蓄热装置。
S5、确定目标函数的约束条件，约束条件包括设备数量的约束条件、设备运行特性的约束条件及多能互补耦合系统的能量守恒的约束条件。
目标函数中存在多个目标变量，每个变量都存在约束条件，在该多个约束条件的约束下，获取使目标函数最小的值作为配置多能互补耦合系统的依据，以得到最优解。可选地，约束条件还可以包括设备容量的约束条件等。
可选地，设备数量的约束条件可以包括：
Figure BDA0002438323850000111
其中，γij表示是否选用第i种设备的第j种容量，当γij为0时，表示不选择第i种设备的第j种容量，当γij为1时，表示选择第i种设备的第j种容量，Nij表示选择采用第j种容量的第i种设备的数量最值(具体为最大值)。可选地，Nij表可以在多能互补耦合系统配置装置计算之前输入至多能互补耦合系统配置装置的执行器或存储器中。
可选地，多能互补耦合系统包括蓄能装置，此时，设备运行特性的约束条件可以包括：
Figure BDA0002438323850000112
其中，t表示典型日的时刻；H(t)表示t时刻蓄能装置内所蓄存的冷量或热量；H(t+1)表示(t+1)时刻蓄能装置内所蓄存的冷量或热量；T表示每个典型日中典型日时段时刻的总个数；μ表示蓄能装置向环境的散冷损失系数或蓄能装置向环境的散热损失系数；Δtt表示相邻两个典型日时段的时间间隔；E(k)表示第k个典型日时段蓄能装置的蓄放功率。
进一步地，多能互补耦合系统涉及的其它设备的出力与输入能量近似呈线性关系，假定任意时刻同一种设备所有运行机组的负荷率相同，则有如下约束：
Figure BDA0002438323850000121
其中，pij表示第i种设备在第j种容量下的第一性能参数；q表示第i种设备在第j种容量下的第二性能参数；δi表示多能互补耦合系统中处于运行状态的第i种设备的数目；
Figure BDA0002438323850000124
表示第i种设备在第j种容量下能量消耗的上限；x ij表示第i种设备在第j种容量下能量消耗的下限。
可选地，多能互补耦合系统的能量守恒约束条件可以包括电量、冷量、热量、烟气余热、缸套冷却水余热平衡约束条件。
其中，电量、烟气余热、缸套冷却水余热平衡约束条件可以为：
Figure BDA0002438323850000122
其中，I’表示多能互补耦合系统中具有同一类能量产出的设备共有I’种；Y表示该类能量的总输出量。
冷量、热量平衡约束条件可以为
Figure BDA0002438323850000123
S6、优化处理每个约束条件得到该约束条件对应的优化约束条件，每个优化约束条件均为线性约束条件。
在上述设备运行的约束条件中，存在两个变量的乘积，也即是存在非线性的关系，使得多能互补耦合系统配置装置在计算时，工作量较大，速度较慢，效率较低且较难进行求解。本实施例通过将非线性约束等价转换为线性约束，有效解决了规模庞大的混合整数非线性规划模型求解难的问题。
可选地，在优化处理约束条件之前，可以对约束条件进行判断，当判断结果是约束条件为线性约束条件时，则可以不对该约束条件进行优化处理，当判断结果是约束条件为非线性约束条件时，则需要对该约束条件进行优化处理。
示例地，步骤S6包括：
S61、采用第一连续变量ξij(k)代替运行特性约束中的γijxi(k)。
S62、采用第二连续变量ζij(k)代替运行约束条件中的γijδi(k)。
通过执行步骤S61和步骤S62，能够将设备的运行约束中的非线性关系转换为线性关系。可选地，为了确保转换前后的等价性，在转换后，需要增加辅助约束条件，也即是，步骤S6还包括：
S63、增加辅助约束条件，该辅助约束条件为：
Figure BDA0002438323850000131
其中，α i(k)、
Figure BDA0002438323850000132
β i(k)和
Figure BDA0002438323850000133
的取值分别为：
Figure BDA0002438323850000134
S7、根据目标函数和优化约束条件确定目标变量。
可选地，可以采用分枝定界法结合单纯形算法对转化后的混合整数线性模型进行求解，获取目标变量的最终解集。
可选地，目标变量可以包括设备种类、设备台数、设备容量及设备运行规律等。
本实施例提供的多能互补耦合系统配置方法中，通过确定边界条件考虑了部分负荷率的影响，并且，通过建立设备的约束条件，能够确定设备的最大、最小出力，使得求解结果更准确；通过目标函数的设置，实现了系统结构、离散设备台数和容量、运行规律同步优化，同时实现了各设备与蓄能装置的同步优化，设计提供选型依据，并为运行策略制定提供指导。
进一步地，如图1所示，本实施例中的多能互补耦合系统配置方法还包括如下步骤：
S8、核算系统效率，该系统效率包括热力效率和减排率。
通过核算系统效率能够更优化的选择，从而可获得系统经济、热力、环境等综合性能，以提供决策参考、为设计提供选型依据，并为运行策略制定提供指导。
上述热力效率包括一次能源利用率PER，且一次能源利用率PER的计算公式为：
Figure BDA0002438323850000141
其中，Lele表示用户全年所需的电负荷；Lh、表示用户全年所需的热负荷；Lc表示用户全年所需的冷负荷；Qng表示多能互补耦合系统全年消耗的能源总量；Qele表示多能互补耦合系统全年购电总量；ηele表示燃煤电厂发电效率。
上述减排率包括年NOx减排率
Figure BDA0002438323850000142
和年CO2减排率。其中，且年NOx减排率
Figure BDA0002438323850000143
的计算公式为：
Figure BDA0002438323850000144
其中，
Figure BDA0002438323850000145
表示常规供能系统年NOx排放总量；
Figure BDA0002438323850000146
表示多能互补耦合系统年NOx排放总量。年CO2减排率的计算公式为：
Figure BDA0002438323850000151
其中，
Figure BDA0002438323850000152
表示常规供能系统年CO2排放总量；
Figure BDA0002438323850000153
表示多能互补耦合系统年CO2排放总量。
可选地，在确定热力效率和减排率后，还可以将热力效率和减排率结合经济指标，判断系统的优化程度。
示例地，经济指标可以取多能互补耦合系统的增量投资回收期IPP，且该增量投资回收期IPP的计算公式为：
Figure BDA0002438323850000154
其中，Cmecs,capital表示多能互补耦合系统的总初投资；Ccon,capital表示常规供能系统的总初投资；Ccon,energy表示常规供能系统的年运行费用；Cmecs,energy表示多能互补耦合系统的年运行费用。
下面，本实施例选取具有典型代表性的广州市某医院为对象对上述步骤进行解释说明。
本实施例立足于在项目实施前，合理确定系统结构与形式，优化选择主要设备的种类、容量、台数，以保证系统经济、热力、环境等优势的充分发挥。一方面，避免因设备容量过小而导致的优势无法充分发挥的问题；另一方面，避免因设备容量过大而导致的设备投资浪费、运行效率低下、极端情况下甚至无法运行的问题。
S1、确定边界条件，边界条件包括气候特征、用户负荷及可利用资源。
广洲属亚热带季风气候区，全年气温高、湿度大，将全年划分为冬季(1、2、3和12月)、过渡季(4、5、10和11月)和夏季(6、7、8和9月)三种典型日，全年持续时间分别为121、122和122天，每个典型日划分为24个时段，每个时段持续1h。医院建筑面积为15万m2平方米的上角标，典型日内的冷、热、电逐时负荷如图2所示。
医院旁有一污水处理厂，有大量可利用的中水资源。医院建筑楼顶有开阔的空地，可用于布置冷凝塔。天然气管道已铺至医院，随时可接入，低位热值11.64kWh/Nm3(立方米)，价格3.45元/Nm3(立方米)。电价按一般工商业用电分时价格执行，表1是广东市一般工商业用电分时价格表。
表1
Figure BDA0002438323850000161
S2、根据边界条件确定构建多能互补耦合系统所需设备的种类及搭建多能互补耦合系统流程架构。
根据医院负荷，结合周边资源，构建如图3所示的多能互补耦合系统。从经济最优角度考虑，选取燃气内燃机作为原动机，生产电力的同时排出烟气和缸套冷却水两种余热，分别利用余热锅炉和板式换热器进行回收利用。为了尽可能利用浅表水热、空气热等可再生能源，配备既可制冷也可制热的水源热泵和冷凝式热泵。此外，为了增加系统供能的稳定性、可靠性和灵活性，还配备燃气锅炉、蓄冷器和蓄热器。
燃气内燃机所发电力一部分用于满足用户电负荷需求，一部分用于驱动热泵。
S3、获取每种设备的设备参数，设备参数包括性能参数、投资与维护成本参数及排放因子参数。
燃气内燃机选用常用的6MW以下的机组，实际运行特性根据专业模拟软件的计算结果拟合曲线来近似逼近。热泵机组选用开利(carrier)公司10MW以下机组，各种机组的额定制冷、制热COP通过查取厂家产品样本获得。锅炉运行考虑部分负荷率的影响，余热锅炉额定热效率取0.78，燃气锅炉额定热效率取0.90。表2是板式换热器和电制冷机的性能参数。
表2
Figure BDA0002438323850000171
其中，燃气内燃机单位功率造价函数为：
CGE＝-0.1546·PGE,rated+4894.47，其中：CGE表示燃气内燃机的单位容量造价，元/kW；PGE,rated(P脚标部分)表示燃气内燃机的容量，kW。
其它设备的初投资成本包括：水源热泵为600元/kW，冷凝式热泵为1000元/kW(含冷凝塔费用)，余热锅炉为50元/kW，燃气锅炉为360元/kW，板式换热器为230元/kW，电制冷机为636元/kW，蓄冷器和蓄热器均为84.96元/kWh。
表3是设备的单位维护成本。
表3
Figure BDA0002438323850000181
表4是设备及燃煤电厂的NOx排放因子。
表4
设备 NO<sub>x</sub>排放因子/kg·MWh-1
燃煤电厂 2.68
燃气内燃机 0.5498
燃气锅炉 0.2556
S7、根据目标函数和优化约束条件确定目标变量。
通过步骤S4至S6的计算后，实施例最终解集如下：
1)设备种类、台数、容量优化结果
选择1台3000kW燃气内燃机，同时均选择1台2500kW余热锅炉和1台1400kW水水换热器，用于回收内燃机余热，其它设备优化结果见表5。
表5
设备种类 装机台数 单台容量(kW/kWh)
燃气内燃机 1 3000
余热锅炉 1 2500
水水换热器 1 1400
水源热泵 3 1500
蓄热器 1 10963
蓄冷器 1 6864
2)设备运行规律优化结果
燃气内燃机只在电价高峰段和平段开机运行，在低谷段所需电力全部从电网购买。燃气内燃机全年发电量为11.35GWh，占总需求量的50％。
医院所需冷量全部由水源热泵制取。通过蓄冷器的蓄冷、放冷，使水源热泵的运行不再完全受冷负荷的限制，提高了水源热泵运行负荷率。
医院所需热量在燃气内燃机停机的时段全部由水源热泵制取，在燃气内燃机运行的时段优先通过余热锅炉、水水换热器回收余热制取，不足部分通过水源热泵补充。通过蓄热器的蓄热、放热，使制热设备的运行不再完全受热负荷的限制，提高了制热设备运行负荷率。其中，图4至图12是电力供应、热力供应和冷量供应的优化结果示意图。图4为本实施例提供的冬季典型日的电力供应图；图5为本实施例提供的过渡季典型日的电力供应图；图6为本实施例提供的夏季典型日的电力供应图；图7是本实施例提供的冬季典型日的热量供应图；图8为本实施例提供的过渡季典型日的热量供应图；图9为本实施例提供的夏季典型日的热量供应图；图10是本实施例提供的冬季典型日的冷量供应图；图11为本实施例提供的过渡季典型日的冷量供应图；图12为本实施例提供的夏季典型日的冷量供应图。
S8、核算系统效率，系统效率包括热力效率和减排率。
经济指标中的增量投资回收期IPP为多能互补耦合系统相对于常规供能系统的初投资增量与年运行费用(年能耗费用和年维护费用之和)节省量的比值。常规供能系统为市政电网提供电力，燃气锅炉提供热量，电制冷机提供冷量。
即：
Figure BDA0002438323850000201
其中：IPP表示增量投资回收期，单位为年；Cmecs,capital表示多能互补耦合系统的总初投资，单位为万元；Ccon,capital表示常规供能系统的总初投资，单位为万元；Ccon,energy表示常规供能系统的年运行费用，单位为万元/年；Cmecs,energy表示多能互补耦合系统的年运行费用，单位为万元/年。
热力效率中的一次能源利用率为用户全年所需电、热、冷负荷的总和与一次能源消耗量的比值。即：
Figure BDA0002438323850000202
其中：PER表示一次能源利用率；Lele、Lh、Lc分别表示用户全年所需电、热、冷负荷，kWh；Qng表示系统全年消耗的天然气总量，kWh；Qele表示系统全年购电总量，kWh；ηele表示燃煤电厂发电效率，取为38.8％。
减排率中的年NOx减排率
Figure BDA0002438323850000203
为满足用户全年所需电、热、冷负荷情况下，多能互补耦合系统相对于常规供能系统的年NOx减排量与常规供能系统的年NOx排放总量的比值。即：
Figure BDA0002438323850000211
其中：
Figure BDA0002438323850000212
表示年NOx减排率；
Figure BDA0002438323850000213
表示常规供能系统年NOx排放总量，吨/年；
Figure BDA0002438323850000214
表示多能互补耦合系统年NOx排放总量，吨/年；两种系统年NOx排放总量的计算采用排放因子法。
减排率中的年CO2减排率
Figure BDA0002438323850000215
为满足用户全年所需电、热、冷负荷情况下，多能互补耦合系统相对于常规供能系统的年CO2减排量与常规供能系统的年CO2排放总量的比值，即：
Figure BDA0002438323850000216
其中：
Figure BDA0002438323850000217
表示年CO2减排率；
Figure BDA0002438323850000218
表示常规供能系统年CO2排放总量，吨/年；
Figure BDA0002438323850000219
表示多能互补耦合系统年CO2排放总量，吨/年。
表6为实施例系统经济指标、热力效率、减排率的结果，可看出：
在经济方面：多能互补耦合系统初投资费用为1795万元，年总费用为1876万元，增量投资回收期为2.53年。
在热力方面：多能互补耦合系统一次能源利用率为75.9％。
在环境方面：多能互补耦合系统具有明显的减排效果，年NOx减排率高达34.7％，年CO2减排率为24.6％。
表6
Figure BDA0002438323850000221
以上实施方式只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述实施方式限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种多能互补耦合系统配置方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、确定边界条件，所述边界条件包括气候特征、用户负荷及可利用资源；
S2、根据所述边界条件确定构建多能互补耦合系统所需设备的种类及搭建多能互补耦合系统流程架构；
S3、获取每种所述设备的设备参数，所述设备参数包括性能参数、投资与维护成本参数及排放因子参数；
S4、确定目标函数，所述目标函数为所述多能互补耦合系统的最小年总费用，所述目标函数具有多个目标变量；
S5、确定目标函数的约束条件，所述约束条件包括设备数量的约束条件、设备运行特性的约束条件及所述多能互补耦合系统的能量守恒的约束条件；
S6、优化处理所述约束条件得到所述约束条件对应的优化约束条件，且每个所述优化约束条件均为线性约束条件；
S7、根据所述目标函数和所述优化约束条件确定所述目标变量。
2.根据权利要求1所述的多能互补耦合系统配置方法，其特征在于，还包括如下步骤：
S8、核算系统效率，所述系统效率包括热力效率和减排率。
3.根据权利要求2所述的多能互补耦合系统配置方法，其特征在于，
所述热力效率包括一次能源利用率PER，且所述一次能源利用率PER的计算公式为：
Figure FDA0002438323840000011
其中，Lele表示用户全年所需的电负荷；Lh、表示用户全年所需的热负荷；Lc表示用户全年所需的冷负荷；Qng表示所述多能互补耦合系统全年消耗的能源总量；Qele表示所述多能互补耦合系统全年购电总量；ηele表示燃煤电厂发电效率；
所述减排率包括年NOx减排率
Figure FDA0002438323840000021
和年CO2减排率，所述年NOx减排率
Figure FDA0002438323840000022
的计算公式为：
Figure FDA0002438323840000023
其中，
Figure FDA0002438323840000024
表示常规供能系统年NOx排放总量；
Figure FDA0002438323840000025
表示所述多能互补耦合系统年NOx排放总量，所述年CO2减排率的计算公式为：
Figure FDA0002438323840000026
其中，
Figure FDA0002438323840000027
表示常规供能系统年CO2排放总量；
Figure FDA0002438323840000028
表示所述多能互补耦合系统年CO2排放总量。
4.根据权利要求1-3任一项所述的多能互补耦合系统配置方法，其特征在于，所述目标函数为：
Figure FDA0002438323840000029
其中，minZ表示所述多能互补耦合系统的最小年总费用；
Figure FDA00024383238400000210
表示所述多能互补耦合系统的年能耗费用；
Figure FDA00024383238400000211
表示所述多能互补耦合系统的年维护费用；
Figure FDA00024383238400000212
表示所述多能互补耦合系统的初投资年等值费用，i表示所述多能互补耦合系统的设备种类；I表示所述多能互补耦合系统中共有I种可选设备；k表示典型日时段(全年划分为多个典型日，每个典型日又均分为多个时段)；K表示全年总时段个数；
Figure FDA00024383238400000213
表示第i种设备每小时消耗的电费用或天然气费用；Δt表示每个所述典型日时段持续的时间；D表示全年中所述典型日持续的天数；xi表示所述第i种设备的能量消耗功率；φi表示所述第i种设备单位输出能量的维护成本；yi表示所述第i种设备的能量输出功率；R表示资本投资回收系数，且R＝r(1+r)τ/((1+r)τ-1)，r表示贷款年利率，τ表示设备使用年限；j表示所述设备的第j种容量；Ji表示所述第i种设备的可供选择容量个数；c表示设备单元成本；nij表示选择容量为第j种容量的所述第i种设备的数目，cij表示第i种设备第j种容量的单元成本；chs表示所述多能互补耦合系统中蓄热器的单元成本；ccs表示所述多能互补耦合系统中蓄冷器的单元成本。
5.根据权利要求1-4任一所述的多能互补耦合系统配置方法，其特征在于，所述设备数量的约束条件包括：
Figure FDA0002438323840000031
其中，γij表示是否选用第i种设备的第j种容量，当γij为0时，表示不选择所述第i种设备的第j种容量，当γij为1时，表示选择所述第i种设备的第j种容量，Nij表示选择采用第j种容量的第i种设备的数量最大值。
6.根据权利要求4所述的多能互补耦合系统配置方法，其特征在于，所述多能互补耦合系统包括蓄能装置，所述设备运行特性的约束条件包括：
Figure FDA0002438323840000032
其中，t表示典型日的时刻；H(t)表示t时刻所述蓄能装置内所蓄存的冷量或热量；H(t+1)表示(t+1)时刻所述蓄能装置内所蓄存的冷量或热量；T表示每个典型日中典型日时段的总个数；μ表示所述蓄能装置向环境的散冷损失系数或所述蓄能装置向环境的散热损失系数；Δtt表示相邻两个所述典型日时段的时间间隔；E(k)表示第k个典型日时段所述蓄能装置的蓄放功率。
7.根据权利要求6所述的多能互补耦合系统配置方法，其特征在于，所述设备运行特性的约束条件还包括：
Figure FDA0002438323840000041
其中，pij表示所述第i种设备在第j种容量下的第一性能参数；q表示所述第i种设备在第j种容量下的第二性能参数；δi表示所述多能互补耦合系统中处于运行状态的第i种设备的数目；
Figure FDA0002438323840000042
表示所述第i种设备在第j种容量下能量消耗的上限；x ij表示所述第i种设备在第j种容量下能量消耗的下限。
8.根据权利要求7所述的多能互补耦合系统配置方法，其特征在于，所述步骤S6包括：
S61、采用第一连续变量ξij(k)代替所述运行特性约束中的γijxi(k)；
S62、采用第二连续变量ζij(k)代替所述运行约束条件中的γijδi(k)。
9.根据权利要求8所述的多能互补耦合系统配置方法，其特征在于，所述步骤S6还包括：
S63、增加辅助约束条件，所述辅助约束条件为：
Figure FDA0002438323840000043
其中，α i(k)、
Figure FDA0002438323840000044
β i(k)和
Figure FDA0002438323840000045
的取值分别为：
Figure FDA0002438323840000051
10.根据权利要求1所述的多能互补耦合系统配置方法，其特征在于，所述目标变量包括设备种类、设备台数和设备容量。
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