CN111598320B - 一种微能源系统调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种微能源系统调度方法，该方法包括：基于热力子系统传热约束与电力子系统潮流约束，考虑热量输运对能量转换装置效率如电热泵效率、太阳能集热器效率的影响，获取微能源系统运行优化模型；以混合整数线性规划为核心，依据能量转换装置效率与热力子系统质量流量，获取适用于微能源系统运行优化的分层迭代优化算法，替代鲁棒性较差的直接非线性优化问题求解。本发明实施例可实现微能源系统中多能转换与传输过程的整体建模，并能考虑热量输运过程对能量装换装置效率的影响，做出系统运行优化。

Description

一种微能源系统调度方法

技术领域

本发明涉及能源利用技术领域，尤其涉及一种微能源系统调度方法。

背景技术

近年来，能源短缺及能源利用造成的环境污染日益严重，提高传统能源系统的运行效率并充分利用可再生能源，是解决能源问题的有效途径之一。用户侧微能源系统集成了电、热、气等多种形式能源，然而传统电力系统与热力系等却相对独立，一般单独进行运行控制，使得微能源系统整体能源利用效率较低。

同时，可再生能源存在间歇性与不确定性等特性，传统系统灵活性未进行较好挖掘，甚至会影响可再生能源的消纳。在微能源系统中，多种形式能源间的转换、存储与传输过程中存在互补特性。因此，对微能源系统进行整体建模，实现综合能量管理，可协同优化与控制各能源子系统，进而提高可再生能源利用率，提升微能源系统总能效。

在微能源系统中，为实现系统综合能量管理，需要对多种形式能流的传输、转换、存储过程进行整体建模。然而，由于电能与热能等不同形式能量的自身特性不同，传统研究一般是将电、热各子系统分开考虑，进行规划与运行控制，不利于各能源系统间进行有机协调，实现多能互补。

因此，近年来，综合能源系统的整体建模为研究热点。然而，能量的传输过程中存在较强的非线性，为建立系统整体模型，部分研究对系统的非线性传输约束进行了简化，约束中考虑系统整体能量平衡，通过热网与电网的传输极限来考虑传输约束，并且给定了一些传输损失系数来度量传输能量的损失。

现有研究很少能完整反映出综合能源系统电能与热能传输过程中的非线性特征。然而，简化的模型并不能准确地反映系统特性。同时，也一般将电热泵与太阳能集热器等能量转换设备的运行效率取为定值，未考虑其受传输过程的影响。因此，利用现有研究模型对微能源系统进行建模进行能源调度的方法，势必会带来一定的误差。

发明内容

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种微能源系统调度方法。

第一方面，本发明实施例提供一种微能源系统调度方法，包括：

微能源系统包括电力系统、热力系统和燃气系统，所述电力系统由光伏电池、储能电池、空气源热泵、电负荷及电力拓扑构成，所述热力系统由太阳能集热器、相变储热装置、燃气锅炉、空气源热泵、建筑物本身热负荷及热力网络构成，所述燃气系统由燃气锅炉构成，包括：

S1，对所述微能源系统进行整体建模，获取微能源系统模型，所述微能源系统模型包括所述电力系统的潮流传输模型和所述热力系统的热能传输模型，且所述微能源系统模型包括能量守恒方程和能量传递方程；

S2，获取所述系统中电热泵的效率与热力子系统供热工质质量流量，结合所述微能源系统中的能量平衡约束，所述电力系统、所述热力系统中各装置出力约束，结合所述电力系统中的潮流约束、所述热力系统的传热约束，考虑电力系统网络传输损耗，以所述微能源系统运行成本为优化目标，对所述微能源系统的各装置出力功率、末端节点温度进行运行优化；

S3，计算所述热力系统电热泵局部传热约束，可得到相应支路节点温度、支路质量流量，将新获取的电热泵质量流量重新作为所述热力子系统流经电热泵供热工质质量流量，重复步骤S2至S3，直至收敛，获取最优的流经电热泵工质质量流量；

S4，计算所述热力系统储热装置局部传热约束，得到相应支路节点温度、支路质量流量，判断流经储热装置的供热工质质量流量是否满足小于等于热泵支路的质量流量这一拓扑约束，若大于，则取其上限将热泵支路质量流量作为新的储热装置支路质量流量，将新获取的储热装置支路质量流量重新作为所述热力子系统流经储热装置的供热工质质量流量，重复步骤S2至S4，直至收敛，获取最优的流经储热装置工质质量流量；

S5，根据所述热力子系统热量输运结果得到新的由热泵出口温度和环境温度决定的电热泵的效率，将调整后电热泵的效率重新作为所述电热泵的效率，重复步骤S2至S5，直至收敛，获取电热泵的最佳效率。

优选地，还包括：结合热力系统传热约束与电力系统潮流约束，并能考虑热量输运过程对能量转换装置的影响，所述电力系统的潮流传输模型基于辐射状配电网Distflow线性潮流形式进行建立，所述热力系统的热能传输模型采用热量流法建立。

所述电力系统的潮流传输模型基于辐射状配电网Distflow线性潮流形式进行建立，具体包括：

电力系统功率平衡约束为：

U_j＝U_i-(r_ijP_ij+x_ijQr_ij)，

其中，w(i)为以i节点为首端节点的支路末端节点的集合，m(i)为以i节点为末端节点的支路首端节点的集合；P_ij与Qr_ij分别为从i节点流向j节点的支路有功功率和无功功率；P_pv、P_dis、P_char与P_hp分别为光伏电池、储能电池放电过程、充电过程及电热泵消耗的有功功率，Q_rpv、Qr_dis、Qr_char与Q_rhp为光伏电池产生、储能电池放电过程、充电过程及电热泵消耗的无功，P_load与Q_rload分别为建筑物自身电负荷的有功与无功；r_ij和x_ij分别为线路ij上的电阻与电抗；U_i为节点i上的电压值；

同时，电力系统节点电压满足如下约束：

U_i ^min≤U_i≤U_i ^max，

其中，

和

分别为节点i允许的最大电压下限与电压上限。

优选地，所述热力系统的热能传输模型采用热量流法建立，具体包括：

通过热电比拟，将一个逆流换热器的传热约束写为：

其中，T_h,in与T_c,in分别为逆流换热器的热流体与冷流体的进口温度，Q为换热器的换热量，R为换热器的热量流热阻，热阻的计算式为：

其中，m_h和c_h分别为换热器热流体的质量流量和比热容，m_c和c_c分别为换热器冷流体的质量流量与比热容，k为换热器换热系数，A为换热器的换热面积；

逆流换热器一侧流体的能量守恒由一个附加热动势ε表示：

热力系统热量流法描述了一个换热器两端的进口温差和热流之间的线性关系，而传热约束本身的强非线性特征体现在了换热器热阻中。

优选地，所述微能源系统模型包括储热装置的能量守恒方程，所述储热装置的能量守恒方程具体为：

0≤x≤1，

其中，Q_sc,i即为储热装置的储热功率，Q_TES,i为从储热装置放热功率，M_TES为相变介质的质量，L_TES为相变介质的相变潜热，x为储热装置中相变介质熔化部分占全体相变介质的百分比。

优选地，所述微能源系统模型包括储能电池的能量守恒方程，所述储能电池的能量守恒方程具体为：

E_k,i≤E_max，

P_char,k,i≤P_BAT,max,P_dis,k,i≤P_BAT,max，

其中，E是储能电池现有储存的能量，P_char表示储能电池充电功率，P_dis分别为储能电池的放电功率，η_BAT为充放电过程中的效率，k表示时间节点，E_max表示储能电池有容量限制，P_BAT,max表示充、放电过程中传输功率也存在极限，其传输功率极限定为电池容量的1/3。

优选地，所述微能源系统模型包括燃气锅炉的能量守恒方程，所述燃气锅炉的能量守恒方程具体为：

Q_gb,i＝m_gb,ic_p(T_gb,i,out-T_gb,i,in)，

其中，Q_gb,i表示燃气锅炉消耗天然气的热功率，T_gb,i,in表示燃气锅炉的进口温度，T_gb,i,out表示燃气锅炉的出口温度，m_gb,i、cp分别表示经过燃气锅炉的供热水质量流量与比热容。

优选地，所述微能源系统模型包括太阳能集热器的能量守恒方程，所述太阳能集热器的能量守恒方程具体为：

Q_sc,i＝m_sc,ic_sc(T_sc,i,out-T_sc,i,in)，

其中，Q_sc,i表示太阳能集热器收集的热功率，T_sc,i,in表示太阳能集热器工质的进口温度，T_sc,i,out表示太阳能集热器工质的出口温度，m_sc,i、c_sc分别表示太阳能集热器中循环工质的质量流量与比热容。

优选地，所述微能源系统模型包括电热泵装置的能量守恒方程，所述电热泵的能量守恒方程具体为：

Q_hp,i＝m_hp,ic_p(T_hp,i,out-T_hp,i,in)，

其中，Q_hp,i表示电热泵输出的热功率，T_hp,i,in表示流经电热泵的供热工质进口温度，T_hp,i,out表示流经电热泵的供热工质出口温度，m_hp,i为流经电热泵的供热工质的质量流量。

第二方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现本发明第一方面提供的一种微能源系统调度方法的步骤。

第三方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现本发明第一方面提供的一种微能源系统调度方法的步骤。

本发明实施例提供的一种微能源系统调度方法，可实现微能源系统中多能转换与传输过程的整体建模，在建模过程中考虑到了能量守恒方程和能量传递方程，现有技术中只考虑到了能量守恒方程，没有考虑能量传递方程，而本发明实施例中完整考虑电能、热能传输过程中的非线性特征。同时，由于本发明实施例中考虑到了能量传递方程，可以得到温度的变化，从而考虑到了温度变化对热泵性能的影响。还可考虑微能源系统运行时，热泵等能量转换设备的效率受传输过程的影响。针对上述非线性的系统模型，提出的分层迭代求解策略可有效对系统模型进行求解，实现微能源系统的运行优化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种微能源系统调度方法的流程图；

图2为本发明实施例中一个典型的微能源系统结构示意图；

图3为本发明实施例中储热装置内能量流动的方向示意图；

图4为本发明实施例中储热装置简化后的模型结构图；

图5为本发明实施例中的热路图；

图6为本发明实施例中热量模型的简化示意图；

图7为本发明实施例中微能源系统中热力系统整体的热量流模型示意图；

图8为本发明实施例求解方法的流程图；

图9为本发明实施例提供的一种电子设备的实体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

微能源系统集成了电、热、气等多种形式能源，然而传统电力系统与热力系等却相对独立，一般单独进行规划与运行控制，使得整体微能源系统整体能源利用效率较低。同时，可再生能源存在间歇性与不确定性等特性，传统系统灵活性未进行较好挖掘，甚至会影响可再生能源的消纳。

在微能源系统中，多种形式能源间的转换、存储与传输过程中存在互补特性。因此，对微能源系统进行整体建模，实现综合能量管理，可协同优化与控制各能源子系统，进而提高可再生能源利用率，提升微能源系统总能效。

在微能源系统中，为实现系统综合能量管理，需要对多种形式能流的传输、转换、存储过程进行整体建模。然而，由于电能与热能等不同形式能量的自身特性不同，传统研究一般是将电、热各子系统分开考虑，进行规划与运行控制，不利于各能源系统间进行有机协调，实现多能互补。因此，近年来，综合能源系统的整体建模为研究热点。

然而，能量的传输过程中存在较强的非线性，为建立系统整体模型，部分研究对系统的非线性传输约束进行了简化，约束中考虑系统整体能量平衡，通过热网与电网的传输极限来考虑传输约束，并且给定了一些传输损失系数来度量传输能量的损失。

现有研究很少能完整反映出综合能源系统电能与热能传输过程中的非线性特征。然而，简化的模型并不能准确地反映系统特性。同时，也一般讲电热泵与太阳能集热器等能量转换设备的运行效率取为定值，未考虑其受传输过程的影响。

因此，利用现有研究模型对微能源系统进行建模，势必会带来一定的误差。然而，若要对热力系统中能量的传输进行精确地建模，传热约束中存在的强非线性特征会使得问题非凸性增强，会给后续微能源系统的规划及运行控制带来困难。

针对上述问题，图1为本发明实施例提供的一种微能源系统调度方法的流程图，如图1所示，该方法包括：

S1，对所述微能源系统进行整体建模，获取微能源系统模型，所述微能源系统模型包括所述电力系统的潮流传输模型和所述热力系统的热能传输模型，且所述微能源系统模型包括能量守恒方程和能量传递方程；

S2，获取所述系统中电热泵的效率与热力子系统供热工质质量流量，结合所述微能源系统中的能量平衡约束，所述电力系统、所述热力系统中各装置出力约束，结合所述电力系统中的潮流约束、所述热力系统的传热约束，考虑电力系统网络传输损耗，以所述微能源系统运行成本为优化目标，对所述微能源系统的各装置出力功率、末端节点温度进行运行优化；

S3，计算所述热力系统电热泵局部传热约束，可得到相应支路节点温度、支路质量流量，将新获取的电热泵质量流量重新作为所述热力子系统流经电热泵供热工质质量流量，重复步骤S2至S3，直至收敛，获取最优的流经电热泵工质质量流量；

S4，计算所述热力系统储热装置局部传热约束，得到相应支路节点温度、支路质量流量，判断流经储热装置的供热工质质量流量是否满足小于等于热泵支路的质量流量这一拓扑约束，若大于，则取其上限将热泵支路质量流量作为新的储热装置支路质量流量，将新获取的储热装置支路质量流量重新作为所述热力子系统流经储热装置的供热工质质量流量，重复步骤S2至S4，直至收敛，获取最优的流经储热装置工质质量流量；

S5，根据所述热力子系统热量输运结果得到新的由热泵出口温度和环境温度决定的电热泵的效率，将调整后电热泵的效率重新作为所述电热泵的效率，重复步骤S2至S5，直至收敛，获取电热泵的最佳效率。

首先描述了一个典型的多能综合的微能源系统，图2为本发明实施例中一个典型的微能源系统结构示意图，如图2所示，这是城市住宅小区的一个典型微能源系统，包含电力与热力系统。其中，由图2所示，节点1为平衡节点，连接该微能源系统与外部电网。节点2～6分别表示住宅小区的建筑物1～5栋，节点间距离如图2所示。

对于每一栋建筑物也就是每个除节点1以外的节点，其电负荷为建筑物内自身用电与电热泵装置用电。光伏电池产能与外部传输入的电能共同提供能量。同时，每栋建筑物内配备有一个储能电池。

区别于该微能源系统内建筑物间电力网络是相连接的，建筑物间热网是不连通的，每栋建筑物热力系统相互独立。每栋建筑物的热力系统有相同的配置，包括燃气锅炉、电热泵、太阳能集热器、储热装置、供热网络与热负荷。

燃气锅炉和电热泵分别消耗天然气和电能产生热量。

太阳能集热器将太阳能转换为热能，并存储在储热装置中。太阳能收集器，热泵和燃气锅炉共同为系统提供热量，且太阳能集热器是通过储热装置接入供热管网的。同时，每个建筑物都有许多楼层，每层楼都通过暖气片从供热网络中的水中吸收热量。

如图2所示，回水分别进入每个建筑物中的热泵和燃气锅炉。然后，进入热泵的回水一部分会进入储热装置吸收热量。热泵，燃气锅炉和储热设备可以同时供热，也可以只运行一到两个设备，具体运行情况取决于运行成本。此外，由于建筑物中的供热管路相对较短，可以忽略供热热水在管道中传输的漏热损失。

在该微能源系统中，电力、热力系统间的耦合元件为电热泵。电热泵消耗电能产生热能，且其性能系数(Coefficient ofPerformance，简称COP)受热量传输的影响会发生变化。类似的，太阳能集热器将太阳能转换为热能的效率也受到太阳能集热器出口温度与环境温度的影响。

微能源系统整体建模方法包含了系统各部件建模与电力网络及热力网络的模型建立。具体地，电力系统传输约束模型基于辐射状配电网Distflow线性潮流形式进行建立。

电力系统功率平衡约束为：

U_j＝U_i-(r_ijP_ij+x_ijQr_ij)，(3)

其中，w(i)为以i节点为首端节点的支路末端节点的集合，相应地，m(i)为以i节点为末端节点的支路首端节点的集合；P_ij与Qr_ij分别为从i节点流向j节点的支路有功功率和无功功率；P_pv，P_dis，P_char与P_hp分别为光伏电池，储能电池放电过程，充电过程及电热泵消耗的有功功率，Q_rpv，Qr_dis，Qr_char与Q_rhp为光伏电池产生，储能电池放电过程，充电过程及电热泵消耗的无功，P_load与Q_rload分别为建筑物自身电负荷的有功与无功；r_ij和x_ij分别为线路ij上的电阻与电抗；U_i为节点i上的电压值。

所述的热力网络模型采用热量流法建立。具体地，通过热电比拟，可将一个逆流换热器的传热约束写为：

其中，T_h,in与T_c,in分别为逆流换热器的热流体与冷流体的进口温度，Q为换热器的换热量，R为换热器的热量流热阻，热阻的计算式为：

其中，m_h和c_h分别为换热器热流体的质量流量和比热容。

相应地，m_c和c_c分别为换热器冷流体的质量流量与比热容.k为换热器换热系数。A为换热器的换热面积。

逆流换热器一侧流体的能量守恒可由一个附加热动势ε表示：

热力系统热量流法描述了一个换热器两端的进口温差和热流之间的线性关系，而传热约束本身的强非线性特征体现在了换热器热阻中。

微能源系统中假定储热装置中相变材料(PCM)的温度恒定，该温度处于其相变温度T_pc。储热装置的储热过程可以看作是在等效逆流热交换器中，从太阳能集热器流出的热流体与储热装置中具有无限大比热容的冷流体之间的传热过程。

同样，储热装置的放热过程可以看作是等效逆流换热器中具有无限大比热容的热流体与从热泵流出的供热热水之间的传热过程。储、放热过程的热阻分别为：

其中，T_sc,out和T_hp,out分别是太阳能集热器与热泵装置的工质出口温度，即分别为储热装置中储、放热过程的热流体进口温度与冷流体进口温度。忽略过程漏热，太阳能集热器转化为的热功率Q_sc,i即为储热装置的储热功率，Q_TES,i为从储热装置放热功率。热阻具体表达式为：

其中，m_sc和c_sc分别为太阳能集热器中工质的质量流量和比热容。相应地，m_TES和c_p分别为供热管网流入储热装置的水的质量流量与比热容。k_sc与k_TES为储热装置储、放热过程等效换热系数。A_sc与A_TES为储热装置储、放热过程等效换热面积。

储热装置的能量守恒方程为：

其中，M_TES为相变介质的质量，L_TES为相变介质的相变潜热。x为储热装置中相变介质熔化部分占全体相变介质的百分比，认为相变介质始终处在相变的状态中：

0≤x≤1， (12)

储热装置运行有周期设定，其中储存的热量在一个运行周期后应当与初始状态相同：

x₀＝x_T， (13)

储热装置可看作为热容，利用热量流法可将其比拟为一个电容。图2给出了储热装置的热量流模型。储、放热过程前后，太阳能集热器回路工质与供热热水温度的变化可分别用以下附加热动势表示：

图3为本发明实施例中储热装置内能量流动的方向示意图，如图3所示，热能从太阳能集热器流向储热装置，再从储热装置流向供热热水。从储热装置出来的供热热水与直接来自热泵的热水进行混合，混合的热水温度变化由附加热动势表明：

所述图3中存在一个只有附加电动势的回路，为了避免电流的多解问题我们可将它简化，图4为本发明实施例中储热装置简化后的模型结构图，如图4所示，同时，多了一个电流源来表示热泵输入的能量。图4附加的热动势如下所示：

典型的微能源系统由图2所示，其中建筑物供热是从顶楼逐层向下到底层，用热量流法建模，图5为本发明实施例中的热路图，如图5所示。

每层楼的热阻表示为：

其中，m_h,i为建筑物内供热送水的质量流量。k_h,i与A_h,i分别为各栋换热器换热过程的等效换热系数与换热面积。相应的附加热动势为：

假设建筑物内室内温度T_b不变，且每层楼内温度相同，则整栋楼的换热过程是串联关系，可对相应的热量流模型进行简化，图6为本发明实施例中热量模型的简化示意图，如图6所示，图6中热阻为：

其中：

而附加热动势为：

至此，图7为本发明实施例中微能源系统中热力系统整体的热量流模型示意图，如图7所示，附加热动势为：

应用热量流模型，能直接得出热力系统的拓扑约束为：

T_sc,i,out-T_PC＝R_sc,iQ_sc,i, (25)

Q_hp,i+Q_TES,i+Q_gb,i＝Q_h,i,total， (28)

由热量流法建立热力系统的约束方程，能从热量输运的视角构建整体系统约束，并且完整地考虑传热约束的非线性。同时，还有质量流量的关系：

m_h,i＝m_gb,i+m_hp,i， (29)

m_TES,i≤m_hp.i， (30)

典型微能源系统的部件模型如下。光伏电池产电量一般受光伏电池的温度与太阳辐射强度影响较大，因此本发明实施例根据文献提出的一种实用模型来模拟光伏电池的产电量，该模型提出了五个参数来描述环境因素对光伏电池产电量造成的非线性影响。其中，单个光伏模块的产电量为：

其中H₀和T_pv0分别是标准状态下，太阳辐射的强度和光伏电池温度。相应地，H和T_pv是实际情形的太阳辐射强度和光伏电池温度。I_shc0和V_oc0是在标准状态下的短路电流和开路电压，而I_shc0和V_oc分别是在实际情形下的短路电流和开路电压。

α、β、γ、Rs和nMPP是描述环境因素对光伏电池产电量造成的非线性影响的五个参数。q是库伦电荷。K为波尔茨曼常数。

将单个光伏电池模块构成光伏阵列，其总功率为：

P_a＝N_pN_sP_moduleη_MPPT， (32)

其中，N_p和N_s分别为光伏电池模块并联和串联的个数。η_MPPT代表了光伏电池最大功率的效率。经由逆变器，光伏电池产生的直流电能转变为交流，其中的电能损失用逆变器的效率μ_inv来表示，则光伏装置的最终产电量为：

P_pv＝P_aμ_inv， (33)

同样，由于配电网中的光伏产电装置规模较小且电压较低，认为光伏装置具有恒定功率因数。

所述储能电池的能量守恒方程为：

其中，E是储能电池现有储存的能量，P_char和P_dis分别为储能电池充、放电功率。η_BAT为充放电过程中的效率。k表示时间节点。储能电池有容量限制E_max，且充、放电过程中传输功率也存在极限P_BAT,max，其传输功率极限定为电池容量的1/3：

E_k,i≤E_max， (35)

P_char,k,i≤P_BAT,max,P_dis,k,i≤P_BAT,max， (36)

同储热装置类似，储能电池运行有周期设定，其中储存的热量在一个运行周期后应当与初始状态相同：

E₀＝E_T， (37)

燃气锅炉消耗天然气产热，其热功率为：

Q_gb,i＝η_gbq_gasB_i,gas, (38)

其中，η_gb是燃气锅炉产热的效率，q_gas是天然气的热值，B_i,gas是燃气锅炉中天然气的消耗量。燃气锅炉的能量守恒方程为：

Q_gb,i＝m_gb,ic_p(T_gb,i,out-T_gb,i,in), (39)

其中，T_gb,i,in与T_gb,i,out分别是燃气锅炉的进、出口温度。燃气锅炉热功率存在最大功率极限Q_gb,i,max：

Q_gb,i≤Q_gb,i,max， (40)

太阳能集热器收集的热功率Q_sc,i为：

Q_sc,i＝η_sc,iA_scH, (41)

其中η_sc,i为太阳能集热器转换热量的效率，A_sc为太阳能集热器面积，H为太阳的辐射强度。太阳能集热器的能量转换效率η_sc,i受太阳能集热器进口温度，环境温度和太阳辐射影响，本发明实施例采用如下模型考虑其能量转换效率随热量输运的影响：

其中T_sc,i,in是太阳能集热器工质的进口温度，T_air为环境温度。太阳能集热器的能量守恒方程为：

Q_sc,i＝m_sc,ic_sc(T_sc,i,out-T_sc,i,in)， (43)

电热泵装置为电力、热力系统间的耦合装置，其热功率Q_hp,i,k与消耗电功率P_hp,i,k之间的关系为：

Q_hp,i,k＝η_hpP_hp,i,k， (44)

其中η_hp为热泵的效率即COP，受到热泵装置的热水出口温度T_hp,out与环境温度T_air的影响，具体关系式可拟合为一个显式关系。热泵装置功率也存在最大功率限制：

0≤P_hp,i,k≤P_hp,max. (45)

图8为本发明实施例求解方法的流程图，如图8所示。主要思路是将非线性的优化问题拆分成了线性的优化问题与分层迭代问题的集合，进行反复迭代得到合理优化结果。

首先将整个问题分层，最内层是一个混合整数线性优化(MILP)问题，该层考虑微能源系统中的能量守恒约束与电力、热力系统中各装置出力约束，并结合电力系统潮流约束与如热力系统传热约束，通过包含电力系统网损成本的系统配置及运行成本的优化目标对系统的各装置出力功率及末端节点温度等行优化。

在该层优化里，系统中电热泵的COP与热力系统供热热水各支路质量流量视为定值；

接下来需要根据电热泵COP和供热热水支路质量流量来划分迭代层数，除开电热泵COP需一层迭代，供热热水质量流量迭代层数取决于质量流量未知的个数：在供热热水支路未知的三个质量流量m_TES、m_hp、m_gb中，由式(29)可知，自由度为2，即需要两层来完成质量流量的迭代。则整个问题总共需3次迭代来完成，共分四层；

先考虑较内层迭代m_hp，根据最内层MILP问题优化得到的各装置出力功率及末端节点温度反推热力系统电热泵局部传热约束，可得到相应支路节点温度、支路质量流量，将新获取的电热泵质量流量m_hp重新代入最内层MILP问题，直至收敛；

接下来考虑迭代m_TES，基于较内层得到的流经电热泵质量流量m_hp进行反推，计算得到相应支路流量m_TES，验证该支路流量m_TES可是否满足小于等于热泵支路的质量流量m_hp这一拓扑约束，若大于，则取其上限将热泵支路质量流量作为新的储热装置支路质量流量。将新获取的流经储热装置供热热水质量流量m_TES重新代入最内层MILP问题，直至收敛；

最外层考虑迭代电热泵COP，基于内层得到的热力系统热量输运结果，得到新的由热泵出口温度和环境温度决定的电热泵的效率，将新算得的热泵COP与装置出力极限带入最内层MILP问题优化并进行迭代，最终直至收敛。

利用MATLAB软件及Cplex工具箱，该求解模型及方法可高效实现系统的运行模拟及装置规模优化。

综上可知，本发明实施例提供一种微能源系统中多能转换与传输过程的整体建模与求解方法，可实现微能源系统中多能转换与传输过程的整体建模，并且完善考虑电能、热能传输过程中的非线性特征。同时，还可考虑微能源系统运行时，热泵等能量转换设备的效率受传输过程的影响。针对上述非线性的系统模型，提出的分层迭代求解策略可有效对系统模型进行求解，替代鲁棒性较差的直接非线性优化问题求解，实现微能源系统的运行优化。

图9为本发明实施例提供的一种电子设备的实体结构示意图，如图9所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)901、通信接口(Communications Interface)902、存储器(memory)903和总线904，其中，处理器901，通信接口902，存储器903通过总线904完成相互间的通信。通信接口902可以用于电子设备的信息传输。处理器901可以调用存储器903中的逻辑指令，以执行包括如下的方法：

S1，对所述微能源系统进行整体建模，获取微能源系统模型，所述微能源系统模型包括所述电力系统的潮流传输模型和所述热力系统的热能传输模型，且所述微能源系统模型包括能量守恒方程和能量传递方程；

S2，获取所述系统中电热泵的效率与热力子系统供热工质质量流量，结合所述微能源系统中的能量平衡约束，所述电力系统、所述热力系统中各装置出力约束，结合所述电力系统中的潮流约束、所述热力系统的传热约束，考虑电力系统网络传输损耗，以所述微能源系统运行成本为优化目标，对所述微能源系统的各装置出力功率、末端节点温度进行运行优化；

S3，计算所述热力系统电热泵局部传热约束，可得到相应支路节点温度、支路质量流量，将新获取的电热泵质量流量重新作为所述热力子系统流经电热泵供热工质质量流量，重复步骤S2至S3，直至收敛，获取最优的流经电热泵工质质量流量；

S4，计算所述热力系统储热装置局部传热约束，得到相应支路节点温度、支路质量流量，判断流经储热装置的供热工质质量流量是否满足小于等于热泵支路的质量流量这一拓扑约束，若大于，则取其上限将热泵支路质量流量作为新的储热装置支路质量流量，将新获取的储热装置支路质量流量重新作为所述热力子系统流经储热装置的供热工质质量流量，重复步骤S2至S4，直至收敛，获取最优的流经储热装置工质质量流量；

S5，根据所述热力子系统热量输运结果得到新的由热泵出口温度和环境温度决定的电热泵的效率，将调整后电热泵的效率重新作为所述电热泵的效率，重复步骤S2至S5，直至收敛，获取电热泵的最佳效率。

此外，上述的存储器903中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明上述各方法实施例的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的传输方法，例如包括：

S1，对所述微能源系统进行整体建模，获取微能源系统模型，所述微能源系统模型包括所述电力系统的潮流传输模型和所述热力系统的热能传输模型，且所述微能源系统模型包括能量守恒方程和能量传递方程；

S2，获取所述系统中电热泵的效率与热力子系统供热工质质量流量，结合所述微能源系统中的能量平衡约束，所述电力系统、所述热力系统中各装置出力约束，结合所述电力系统中的潮流约束、所述热力系统的传热约束，考虑电力系统网络传输损耗，以所述微能源系统运行成本为优化目标，对所述微能源系统的各装置出力功率、末端节点温度进行运行优化；

S3，计算所述热力系统电热泵局部传热约束，可得到相应支路节点温度、支路质量流量，将新获取的电热泵质量流量重新作为所述热力子系统流经电热泵供热工质质量流量，重复步骤S2至S3，直至收敛，获取最优的流经电热泵工质质量流量；

S4，计算所述热力系统储热装置局部传热约束，得到相应支路节点温度、支路质量流量，判断流经储热装置的供热工质质量流量是否满足小于等于热泵支路的质量流量这一拓扑约束，若大于，则取其上限将热泵支路质量流量作为新的储热装置支路质量流量，将新获取的储热装置支路质量流量重新作为所述热力子系统流经储热装置的供热工质质量流量，重复步骤S2至S4，直至收敛，获取最优的流经储热装置工质质量流量；

S5，根据所述热力子系统热量输运结果得到新的由热泵出口温度和环境温度决定的电热泵的效率，将调整后电热泵的效率重新作为所述电热泵的效率，重复步骤S2至S5，直至收敛，获取电热泵的最佳效率。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种微能源系统调度方法，微能源系统包括电力系统、热力系统和燃气系统，所述电力系统由光伏电池、储能电池、空气源热泵、电负荷及电力拓扑构成，所述热力系统由太阳能集热器、相变储热装置、燃气锅炉、空气源热泵、建筑物本身热负荷及热力网络构成，所述燃气系统由燃气锅炉构成，其特征在于，包括：

S1，对所述微能源系统进行整体建模，获取微能源系统模型，所述微能源系统模型包括所述电力系统的潮流传输模型和所述热力系统的热能传输模型，且所述微能源系统模型包括能量守恒方程和能量传递方程；

S2，获取所述系统中电热泵的效率与热力子系统供热工质质量流量，结合所述微能源系统中的能量平衡约束，所述电力系统、所述热力系统中各装置出力约束，结合所述电力系统中的潮流约束、所述热力系统的传热约束，考虑电力系统网络传输损耗，以所述微能源系统运行成本为优化目标，对所述微能源系统的各装置出力功率、末端节点温度进行运行优化；

S3，计算所述热力系统电热泵局部传热约束，可得到相应支路节点温度、支路质量流量，将新获取的电热泵质量流量重新作为所述热力子系统流经电热泵供热工质质量流量，重复步骤S2至S3，直至收敛，获取最优的流经电热泵工质质量流量；

S4，计算所述热力系统储热装置局部传热约束，得到相应支路节点温度、支路质量流量，判断流经储热装置的供热工质质量流量是否满足小于等于热泵支路的质量流量这一拓扑约束，若大于，则取其上限将热泵支路质量流量作为新的储热装置支路质量流量，将新获取的储热装置支路质量流量重新作为所述热力子系统流经储热装置的供热工质质量流量，重复步骤S2至S4，直至收敛，获取最优的流经储热装置工质质量流量；

S5，根据所述热力子系统热量输运结果得到新的由热泵出口温度和环境温度决定的电热泵的效率，将调整后电热泵的效率重新作为所述电热泵的效率，重复步骤S2至S5，直至收敛，获取电热泵的最佳效率。

2.根据权利要求1所述的微能源系统调度方法，其特征在于，还包括：

结合热力系统传热约束与电力系统潮流约束，并能考虑热量输运过程对能量转换装置的影响，所述电力系统的潮流传输模型基于辐射状配电网Distflow线性潮流形式进行建立，所述热力系统的热能传输模型采用热量流法建立。

3.根据权利要求1所述的微能源系统调度方法，其特征在于，所述电力系统的潮流传输模型基于辐射状配电网Distflow线性潮流形式进行建立，具体包括：

电力系统功率平衡约束为：

U_j＝U_i-(r_ijP_ij+x_ijQr_ij)，

其中，w(i)为以i节点为首端节点的支路末端节点的集合，m(i)为以i节点为末端节点的支路首端节点的集合；P_ij与Qr_ij分别为从i节点流向j节点的支路有功功率和无功功率；P_pv、P_dis、P_char与P_hp分别为光伏电池、储能电池放电过程、充电过程及电热泵消耗的有功功率，Q_rpv、Qr_dis、Qr_char与Q_rhp为光伏电池产生、储能电池放电过程、充电过程及电热泵消耗的无功，P_load与Q_rload分别为建筑物自身电负荷的有功与无功；r_ij和x_ij分别为线路ij上的电阻与电抗；U_i为节点i上的电压值；

同时，电力系统节点电压满足如下约束：

U_i ^min≤U_i≤U_i ^max，

其中，

和

分别为节点i允许的最大电压下限与电压上限。

4.根据权利要求2所述的微能源系统调度方法，其特征在于，所述热力系统的热能传输模型采用热量流法建立，具体包括：

通过热电比拟，将一个逆流换热器的传热约束写为：

其中，T_h,in与T_c,in分别为逆流换热器的热流体与冷流体的进口温度，Q为换热器的换热量，R为换热器的热量流热阻，热阻的计算式为：

其中，m_h和c_h分别为换热器热流体的质量流量和比热容，m_c和c_c分别为换热器冷流体的质量流量与比热容，k为换热器换热系数，A为换热器的换热面积；

逆流换热器一侧流体的能量守恒由一个附加热动势ε表示：

热力系统热量流法描述了一个换热器两端的进口温差和热流之间的线性关系，而传热约束本身的强非线性特征体现在了换热器热阻中。

5.根据权利要求1所述的微能源系统调度方法，其特征在于，所述微能源系统模型包括储热装置的能量守恒方程，所述储热装置的能量守恒方程具体为：

其中，Q_sc,i即为储热装置的储热功率，Q_TES,i为从储热装置放热功率，M_TES为相变介质的质量，L_TES为相变介质的相变潜热，x为储热装置中相变介质熔化部分占全体相变介质的百分比。

6.根据权利要求1所述的微能源系统调度方法，其特征在于，所述微能源系统模型包括储能电池的能量守恒方程，所述储能电池的能量守恒方程具体为：

E_k,i≤E_max，

P_char,k,i≤P_BAT,max,P_dis,k,i≤P_BAT,max，

其中，E是储能电池现有储存的能量，P_char表示储能电池充电功率，P_dis分别为储能电池的放电功率，η_BAT为充放电过程中的效率，k表示时间节点，E_max表示储能电池有容量限制，P_BAT,max表示充、放电过程中传输功率也存在极限，其传输功率极限定为电池容量的1/3。

7.根据权利要求1所述的微能源系统调度方法，其特征在于，所述微能源系统模型包括燃气锅炉的能量守恒方程，所述燃气锅炉的能量守恒方程具体为：

Q_gb,i＝m_gb,ic_p(T_gb,i,out-T_gb,i,in)，

其中，Q_gb,i表示燃气锅炉消耗天然气的热功率，T_gb,i,in表示燃气锅炉的进口温度，T_gb,i,out表示燃气锅炉的出口温度，m_gb,i、c_p分别表示经过燃气锅炉的供热水质量流量与比热容。

8.根据权利要求1所述的微能源系统调度方法，其特征在于，所述微能源系统模型包括太阳能集热器的能量守恒方程，所述太阳能集热器的能量守恒方程具体为：

Q_sc,i＝m_sc,ic_sc(T_sc,i,out-T_sc,i,in)，

其中，Q_sc,i表示太阳能集热器收集的热功率，T_sc,i,in表示太阳能集热器工质的进口温度，T_sc,i,out表示太阳能集热器工质的出口温度，m_sc,i、c_sc分别表示太阳能集热器中循环工质的质量流量与比热容。

9.根据权利要求1所述的微能源系统调度方法，其特征在于，所述微能源系统模型包括电热泵装置的能量守恒方程，所述电热泵的能量守恒方程具体为：

Q_hp,i＝m_hp,ic_p(T_hp,i,out-T_hp,i,in)，

其中，Q_hp,i表示电热泵输出的热功率，T_hp,i,in表示流经电热泵的供热工质进口温度，T_hp,i,out表示流经电热泵的供热工质出口温度，m_hp,i为流经电热泵的供热工质的质量流量。

10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至9任一项所述微能源系统调度方法的步骤。

Images