CN111711206A - 一种计及热网动态特性的城市热电综合能源系统调度方法 - Google Patents

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CN111711206A CN202010621404.8A CN202010621404A CN111711206A CN 111711206 A CN111711206 A CN 111711206A CN 202010621404 A CN202010621404 A CN 202010621404A CN 111711206 A CN111711206 A CN 111711206A
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Abstract

本发明公开一种计及热网动态特性的城市热电综合能源系统调度方法，包括如下步骤：步骤1：根据选定的城市热电综合能源系统建立供能设备模型；步骤2：根据选定的城市热电综合能源系统中供热网络结构及参数，结合步骤1中的各个供能设备模型，进而建立线性化的城市电力网络模型；步骤3：根据选定的城市热电综合能源系统中供热网络结构及参数，计算各热力节点质流量与各管道传输延时等参数；根据计算的热网参数建立热力管道动态模型、混合节点温度模型和换热站等效管道模型；根据热网模型结合热网拓扑结构建立城市供热网络的整体动态模型等步骤；该方法用以解决风电等可再生能源发电高渗透率接入下城市热电综合能源系统灵活性不足的问题。

Description

一种计及热网动态特性的城市热电综合能源系统调度方法
技术领域
本发明涉及城市热电综合能源系统灵活性调度,特别是涉及计及热网动态特性的城市热电综合能源系统调度。
背景技术
大力发展可再生能源已成为解决人类社会发展过程中日益凸显的能源紧缺与环境保护等诸多难题的必然选择。电力是可再生能源主要的利用方式。但随着可再生能源发电并网比例逐年增加，其随机波动性给电力系统安全稳定运行带来了新的挑战，面向可再生能源发电波动性的电力系统灵活性研究得到了广泛的关注。通过增强电力系统的灵活性，可有效应对高比例可再生能源接入对电力系统安全运行的不利影响，提高可再生能源的利用水平。但仅利用电力系统内的资源，难以适应日益增长的可再生能源消纳需求。综合能源系统(integrated energy system,IES)利用电、热、气等多种能源的互补协同，可以有效提升系统灵活性，促进可再生能源的规模开发。在北欧和中国北方的一些城市里，城市供热网络通过热电联产机组与城市电网共同构建起城市级电-热综合能源系统。通过城市综合能源系统的热-电协同调度，将大大提升系统灵活性，进一步促进可再生能源消纳。
早期的灵活性研究主要限于电力系统本身，主要包括电力系统灵活性的定义与评估，以及优化调度。随着近年来综合能源系统的提出，已有若干通过利用多能源耦合设备来提高可再生能源(如风能、光伏)消纳的研究成果。虽然现有研究在通过电、热联合运行提高电力系统灵活性方面取得了一些研究成果，但很少关注供热网络的传输延迟、温度传导等动态特性的影响。对于城市供热网络，热媒由热源到用户的传输时间可能长达数小时，热网动态延迟特性是不可忽略的，对其合理利用可以增强系统灵活性。另一方面，供热网络中，各个节点的供回水温度可以在一定范围内变化，合理利用将进一步增强供热网络的运行灵活性。因此，对于城市综合能源系统，通过热电联产机组等耦合设备对上述热网动态特性加以利用，可以更好应对风电等可再生能源的波动，显著提高系统灵活性。本文旨在建立一种基于热网动态特性的城市综合能源系统灵活性调度模型。首先，提出了含热网动态特性的城市热电综合能源系统典型结构与关键设备模型。然后，提出了城市热电综合能源系统灵活性的定义与模型，以及灵活性评价指标。随后，建立了计及热网动态特性的城市综合能源系统灵活性调度模型。最后，通过算例验证了所提模型的有效性，并对灵活性调度的适用性和热负荷影响等问题进行了分析。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种计及热网动态特性的城市热电综合能源系统调度模型，用以解决风电等可再生能源发电高渗透率接入下城市热电综合能源系统灵活性不足的问题。
本发明所采用的技术方案是：
步骤1：根据选定的城市热电综合能源系统建立供能设备模型；
所述的供能设备模型建立具体步骤如下：
步骤1-1：根据热电联产机组运行特性，以及其运行成本特性，其热电输出功率模型及运行成本模型如下所示：
Figure BDA0002563145490000021
Figure BDA0002563145490000022
Figure BDA0002563145490000023
Figure BDA0002563145490000024
Figure BDA0002563145490000025
Figure BDA0002563145490000026
Figure BDA0002563145490000027
Figure BDA0002563145490000028
式中，
Figure BDA0002563145490000029
表示在t时刻，CHP机组g当前运行点的热力输出功率和电力输出功率，单位MW；NKg表示CHP机组g可行域的极值点个数；
Figure BDA00025631454900000210
分别表示CHP机组g可行域的第k个极值点的热力输出功率和电力输出功率，单位MW；
Figure BDA00025631454900000211
代表在t时刻，当前运行点对应CHP机组g可行域的第k个极值点的系数。
Figure BDA00025631454900000212
表示CHP机组g的向上/向下爬坡速率，单位MW/h；Δt表示调度时间间隔，单位h；cw表示热水比热容，单位kJ/(kg·℃)；
Figure BDA00025631454900000213
表示热源节点j流出的质流量，单位为kg/s；
Figure BDA00025631454900000214
表示热源节点j的供/回水温度，单位℃；NHS表示热源节点的集合；CHPj表示与热源节点j相连的CHP机组集合；
Figure BDA00025631454900000215
表示热源节点j的最大/最小供水温度，单位℃；
Figure BDA00025631454900000216
表示热源节点j的最大/最小回水温度，单位℃；
Figure BDA00025631454900000217
表示CHP机组g可行域极值点成本系数，单位$。
步骤1-2：常规火电机组的出力约束及运行成本模型如下所示：
Figure BDA00025631454900000218
Figure BDA00025631454900000219
Figure BDA00025631454900000220
式中，
Figure BDA00025631454900000221
表示火电机组g的最小/最大输出电功率，单位MW；
Figure BDA00025631454900000222
表示火电机组g的向上/向下爬坡速率，单位MW/h；
Figure BDA00025631454900000223
表示火电机组g在时刻的电力输出功率，单位MW；ag，bg，cg为火电机组g的成本系数。
步骤2：根据选定的城市热电综合能源系统中供热网络结构及参数，结合步骤1中的各个供能设备模型，进而建立线性化的城市电力网络模型；
所述的线性化的城市电力网络模型，可以表现为如下形式：
Figure BDA00025631454900000224
Figure BDA0002563145490000031
Pij＝gij(Ui-Uj)-bij(θi-θj) (14)
Figure BDA0002563145490000032
Figure BDA0002563145490000033
Umin≤Ui≤Umax (17)
θmin≤θi≤θmax (18)
Pij,min≤Pij≤Pij,max (19)
式中，Pi和Qi分别表示节点i的注入有功、无功功率；Ui为节点i的电压幅值；θij为节点i、j的电压相角差；Yij＝Gij+jBij为节点导纳矩阵的第i行、第j列元素；j∈i表示所有与节点i相连的节点j，包括i＝j；B'ij为不含接地支路的节点导纳矩阵的第i行、第j列元素的虚部；yij＝gij+jbij为支路ij的支路导纳；
Figure BDA0002563145490000034
和
Figure BDA0002563145490000035
表示节点i的常规火电机组在t时刻发出的有功和无功功率；
Figure BDA0002563145490000036
和
Figure BDA0002563145490000037
表示节点i的风电机组在t时刻发出的有功和无功功率；
Figure BDA0002563145490000038
和
Figure BDA0002563145490000039
表示在t时刻节点i处的有功负荷和无功负荷；Umin和Umax分别表示节点允许的电压最小值和最大值；θmin和θmax分别表示节点允许的电压相角最小值和最大值；Pij,min和Pij,max分别表示支路ij允许的功率最小值和最大值。
步骤3：根据选定的城市热电综合能源系统中供热网络结构及参数，计算各热力节点质流量与各管道传输延时等参数；根据计算的热网参数建立热力管道动态模型、混合节点温度模型和换热站等效管道模型；根据热网模型结合热网拓扑结构建立城市供热网络的整体动态模型；
所述的城市供热网络的整体动态模型，具体步骤如下：
步骤3-1：考虑到城市热网中回水网络与供水网络具有相同的性质，且呈对称分布，以供水管道为例，城市供热网络各节点质流量、各管道传输延时计算公式如下所示：
Figure BDA00025631454900000310
Figure BDA00025631454900000311
式中，
Figure BDA00025631454900000312
表示在t时刻，供/回水管道k的质流量，单位kg/s；Pi u/Pi d表示节点i的上/下游管道集合；
Figure BDA00025631454900000313
表示在t时刻，流入供/回水网络中的节点i的质流量，单位kg/s；Ns/Nr表示供/回水网络中的节点集合；
Figure BDA00025631454900000314
表示供水管道k的传输延时数；函数round[·]表示按四舍五入取整；ρw表示热水密度，单位kg/m3；Dk表示管道k的直径，单位m；lk表示管道k长度，单位m；
Figure BDA00025631454900000315
表示供水管道k的质流量，单位kg/s；Δt表示调度时间间隔，单位h。
步骤3-2：根据步骤3-1计算的热网参数，热力管道动态模型、混合节点温度模型和换热站等效管道模型，可以表示为如下形式：
Figure BDA00025631454900000316
Figure BDA0002563145490000041
Figure BDA0002563145490000042
Figure BDA0002563145490000043
Figure BDA0002563145490000044
Figure BDA0002563145490000045
Figure BDA0002563145490000046
式中，
Figure BDA0002563145490000047
表示温度损耗系数，在CF-VT模式下为常数；
Figure BDA0002563145490000048
表示供水管道k的入口/出口温度，单位℃；Ta表示管道环境温度，单位℃；Pi u/Pi d表示节点i的上/下游管道；
Figure BDA0002563145490000049
表示节点i在t时刻的供水温度，单位℃；Ns表示供水网络中的节点集合；
Figure BDA00025631454900000410
表示换热站i在t时刻的热负荷，单位MW；
Figure BDA00025631454900000411
表示流入换热站的质流量，单位kg/s；
Figure BDA00025631454900000412
表示换热站i所在节点在t时刻的供/回水温度，单位℃，本文中
Figure BDA00025631454900000413
指流出换热站的热水温度；NHL表示换热站集合；
Figure BDA00025631454900000414
表示换热站i的供/回水温度，单位℃；
Figure BDA00025631454900000415
表示换热站i的最大/最小供水温度，单位℃；
Figure BDA00025631454900000416
表示换热站i的最大/最小回水温度，单位℃；
Figure BDA00025631454900000417
分别表示换热站i等值管道的入口/出口温度，单位℃。
步骤3-3：根据步骤3-2计算的热网模型结合热网拓扑结构建立城市供热网络的整体动态模型，可以表示为如下形式：
Figure BDA00025631454900000418
Figure BDA00025631454900000419
Figure BDA00025631454900000420
Figure BDA00025631454900000421
Figure BDA00025631454900000422
Figure BDA00025631454900000423
Figure BDA00025631454900000424
式中，NSs供水网络中热源节点集合；
Figure BDA00025631454900000425
表示管道k的起始/终止节点；αh表示与节点h有关的汇流系数；
Figure BDA00025631454900000426
表示节点h的上游管道集合；
Figure BDA00025631454900000427
表示节点j到节点i的第v条路径上的节点集合；
Figure BDA00025631454900000428
表示节点j到节点i的第v条路径上的管道集合；nj,i表示节点j到节点i的路径数量；
Figure BDA0002563145490000051
表示供水网络中节点i的最大/最小温度，单位℃；
Figure BDA0002563145490000052
表示回水网络中节点i的最大/最小温度，单位℃；
步骤4：根据选定的城市热电综合能源系统建立综合能源系统灵活性及其评价指标模型；其中以城市热电综合能源系统在电力负荷峰谷时段总的灵活性最大为目标对各发电机组的逐时电力输出功率和CHP机组的逐时电力输出功率及其供水温度进行优化处理；
所述的综合能源系统灵活性模型及其评价指标，可以表示为如下形式：
Figure BDA0002563145490000053
Figure BDA0002563145490000054
Figure BDA0002563145490000055
Figure BDA0002563145490000056
式中，ft d和ft u分别是t时刻城市综合能源系统的向下灵活性和向上灵活性；Pg,max和Pg,min分别是机组g的最大和最小输出电功率；Ru,g和Rd,g分别是机组g的向上爬坡率和向下爬坡率；Ng是可调节发电机组的数量；Δt是调度时间间隔；T1是电力谷荷时期，T2是电力峰荷时期；ΔPt u和ΔPt d分别是t时刻风电功率的向上波动和向下波动，可以通过将实际风电输出功率与预测输出功率进行比较而获得。
步骤5：根据优化处理结果，根据建立的热电综合能源系统灵活性评价指标判定城市热电综合能源系统灵活性不足率。
有益效果
本发明的计及热网动态特性的城市热电综合能源系统灵活性调度模型，立足于解决城市热电综合能源系统灵活性不足的问题，有效应对风电等可再生能源的波动性，充分利用城市供热网络的管道传输延迟、温度传导特性等动态特性，并结合热电联产机组等能源耦合设备的运行特性得到计及热网动态特性的城市热电综合能源系统灵活性调度模型。
附图说明
图1是城市电-热综合能源系统结构图；
图2是算例热电综合能源系统结构图；
图3是算例电、热负荷曲线；
图4是风电功率曲线；
图5是case 1与case 2系统灵活性对比图；
图6是case 1与case 2供热网络节点温度；
图7是case 1与case 2中CHP机组典型时刻出力对比图；
图8是case 1与case 3系统灵活性对比图；
图9是case 1与case 3热源供回水温度曲线和CHP机组运行情况。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的计及热网动态特性的城市热电综合能源系统灵活性调度做出详细说明。
如图1所示，本发明的计及热网动态特性的城市热电综合能源系统灵活性调度，包括如下步骤：
步骤1：根据选定的城市热电综合能源系统建立供能设备模型；
所述的供能设备模型建立具体步骤如下：
步骤1-1：根据热电联产机组运行特性，以及其运行成本特性，其热电输出功率模型及运行成本模型如下所示：
Figure BDA0002563145490000061
Figure BDA0002563145490000062
Figure BDA0002563145490000063
Figure BDA0002563145490000064
Figure BDA0002563145490000065
Figure BDA0002563145490000066
Figure BDA0002563145490000067
Figure BDA0002563145490000068
式中，
Figure BDA0002563145490000069
表示在t时刻，CHP机组g当前运行点的热力输出功率和电力输出功率，单位MW；NKg表示CHP机组g可行域的极值点个数；
Figure BDA00025631454900000610
分别表示CHP机组g可行域的第k个极值点的热力输出功率和电力输出功率，单位MW；
Figure BDA00025631454900000611
代表在t时刻，当前运行点对应CHP机组g可行域的第k个极值点的系数。
Figure BDA00025631454900000612
表示CHP机组g的向上/向下爬坡速率，单位MW/h；Δt表示调度时间间隔，单位h；cw表示热水比热容，单位kJ/(kg·℃)；
Figure BDA00025631454900000613
表示热源节点j流出的质流量，单位为kg/s；
Figure BDA00025631454900000614
表示热源节点j的供/回水温度，单位℃；NHS表示热源节点的集合；CHPj表示与热源节点j相连的CHP机组集合；
Figure BDA00025631454900000615
表示热源节点j的最大/最小供水温度，单位℃；
Figure BDA00025631454900000616
表示热源节点j的最大/最小回水温度，单位℃；
Figure BDA00025631454900000617
表示CHP机组g可行域极值点成本系数，单位$。
步骤1-2：常规火电机组的出力约束及运行成本模型如下所示：
Figure BDA00025631454900000618
Figure BDA00025631454900000619
Figure BDA00025631454900000620
式中，
Figure BDA0002563145490000071
表示火电机组g的最小/最大输出电功率，单位MW；
Figure BDA0002563145490000072
表示火电机组g的向上/向下爬坡速率，单位MW/h；
Figure BDA0002563145490000073
表示火电机组g在时刻的电力输出功率，单位MW；ag，bg，cg为火电机组g的成本系数。
步骤2：根据选定的城市热电综合能源系统中供热网络结构及参数，结合步骤1中的各个供能设备模型，进而建立线性化的城市电力网络模型；
所述的线性化的城市电力网络模型，可以表现为如下形式：
Figure BDA0002563145490000074
Figure BDA0002563145490000075
Pij＝gij(Ui-Uj)-bij(θi-θj) (14)
Figure BDA0002563145490000076
Figure BDA0002563145490000077
Umin≤Ui≤Umax (17)
θmin≤θi≤θmax (18)
Pij,min≤Pij≤Pij,max (19)
式中，Pi和Qi分别表示节点i的注入有功、无功功率；Ui为节点i的电压幅值；θij为节点i、j的电压相角差；Yij＝Gij+jBij为节点导纳矩阵的第i行、第j列元素；j∈i表示所有与节点i相连的节点j，包括i＝j；B'ij为不含接地支路的节点导纳矩阵的第i行、第j列元素的虚部；yij＝gij+jbij为支路ij的支路导纳；
Figure BDA0002563145490000078
和
Figure BDA0002563145490000079
表示节点i的常规火电机组在t时刻发出的有功和无功功率；
Figure BDA00025631454900000710
和
Figure BDA00025631454900000711
表示节点i的风电机组在t时刻发出的有功和无功功率；
Figure BDA00025631454900000712
和
Figure BDA00025631454900000713
表示在t时刻节点i处的有功负荷和无功负荷；Umin和Umax分别表示节点允许的电压最小值和最大值；θmin和θmax分别表示节点允许的电压相角最小值和最大值；Pij,min和Pij,max分别表示支路ij允许的功率最小值和最大值。
步骤3：根据选定的城市热电综合能源系统中供热网络结构及参数，计算各热力节点质流量与各管道传输延时等参数；根据计算的热网参数建立热力管道动态模型、混合节点温度模型和换热站等效管道模型；根据热网模型结合热网拓扑结构建立城市供热网络的整体动态模型；
所述的城市供热网络的整体动态模型，具体步骤如下：
步骤3-1：考虑到城市热网中回水网络与供水网络具有相同的性质，且呈对称分布，以供水管道为例，城市供热网络各节点质流量、各管道传输延时计算公式如下所示：
Figure BDA00025631454900000714
Figure BDA00025631454900000715
式中，
Figure BDA00025631454900000716
表示在t时刻，供/回水管道k的质流量，单位kg/s；Pi u/Pi d表示节点i的上/下游管道集合；
Figure BDA00025631454900000717
表示在t时刻，流入供/回水网络中的节点i的质流量，单位kg/s；Ns/Nr表示供/回水网络中的节点集合；
Figure BDA0002563145490000081
表示供水管道k的传输延时数；函数round[·]表示按四舍五入取整；ρw表示热水密度，单位kg/m3；Dk表示管道k的直径，单位m；lk表示管道k长度，单位m；
Figure BDA0002563145490000082
表示供水管道k的质流量，单位kg/s；Δt表示调度时间间隔，单位h。
步骤3-2：根据步骤3-1计算的热网参数，热力管道动态模型、混合节点温度模型和换热站等效管道模型，可以表示为如下形式：
Figure BDA0002563145490000083
Figure BDA0002563145490000084
Figure BDA0002563145490000085
Figure BDA0002563145490000086
Figure BDA0002563145490000087
Figure BDA0002563145490000088
Figure BDA0002563145490000089
式中，
Figure BDA00025631454900000810
表示温度损耗系数，在CF-VT模式下为常数；
Figure BDA00025631454900000811
表示供水管道k的入口/出口温度，单位℃；Ta表示管道环境温度，单位℃；Pi u/Pi d表示节点i的上/下游管道；
Figure BDA00025631454900000812
表示节点i在t时刻的供水温度，单位℃；Ns表示供水网络中的节点集合；
Figure BDA00025631454900000813
表示换热站i在t时刻的热负荷，单位MW；
Figure BDA00025631454900000814
表示流入换热站的质流量，单位kg/s；
Figure BDA00025631454900000815
表示换热站i所在节点在t时刻的供/回水温度，单位℃，本文中
Figure BDA00025631454900000816
指流出换热站的热水温度；NHL表示换热站集合；
Figure BDA00025631454900000817
表示换热站i的供/回水温度，单位℃；
Figure BDA00025631454900000818
表示换热站i的最大/最小供水温度，单位℃；
Figure BDA00025631454900000819
表示换热站i的最大/最小回水温度，单位℃；
Figure BDA00025631454900000820
分别表示换热站i等值管道的入口/出口温度，单位℃。
步骤3-3：根据步骤3-2计算的热网模型结合热网拓扑结构建立城市供热网络的整体动态模型，可以表示为如下形式：
Figure BDA00025631454900000821
Figure BDA00025631454900000822
Figure BDA00025631454900000823
Figure BDA00025631454900000824
Figure BDA00025631454900000825
Figure BDA0002563145490000091
Figure BDA0002563145490000092
式中，NSs供水网络中热源节点集合；
Figure BDA0002563145490000093
表示管道k的起始/终止节点；αh表示与节点h有关的汇流系数；
Figure BDA0002563145490000094
表示节点h的上游管道集合；
Figure BDA0002563145490000095
表示节点j到节点i的第v条路径上的节点集合；
Figure BDA0002563145490000096
表示节点j到节点i的第v条路径上的管道集合；nj,i表示节点j到节点i的路径数量；
Figure BDA0002563145490000097
表示供水网络中节点i的最大/最小温度，单位℃；
Figure BDA0002563145490000098
表示回水网络中节点i的最大/最小温度，单位℃；
步骤4：根据选定的城市热电综合能源系统建立综合能源系统灵活性及其评价指标模型；其中以城市热电综合能源系统在电力负荷峰谷时段总的灵活性最大为目标对各发电机组的逐时电力输出功率和CHP机组的逐时电力输出功率及其供水温度进行优化处理；
所述的综合能源系统灵活性模型及其评价指标，可以表示为如下形式：
Figure BDA0002563145490000099
Figure BDA00025631454900000910
Figure BDA00025631454900000911
Figure BDA00025631454900000912
式中，
Figure BDA00025631454900000913
和
Figure BDA00025631454900000914
分别是t时刻城市综合能源系统的向下灵活性和向上灵活性；Pg,max和Pg,min分别是机组g的最大和最小输出电功率；Ru,g和Rd,g分别是机组g的向上爬坡率和向下爬坡率；Ng是可调节发电机组的数量；Δt是调度时间间隔；T1是电力谷荷时期，T2是电力峰荷时期；ΔPt u和ΔPt d分别是t时刻风电功率的向上波动和向下波动，可以通过将实际风电输出功率与预测输出功率进行比较而获得。
步骤5：根据优化处理结果，根据建立的热电综合能源系统灵活性评价指标判定城市热电综合能源系统灵活性不足率。
下面给出具体实施例：
对于本实施例，首先给出一个典型的城市热电综合能源系统结构图，如图1所示。输入城市电力网络和供热网络的拓扑连接关系，其结构图如图2所示，输电线路和供热管道参数见表1和表2，系统包括两个常规火电机组(TPP1,TPP2)，一个CHP机组和一个装机容量为70MW的风电场(W)。常规火电机组和CHP机组参数表3-表5。系统电、热负荷如图3所示，电力谷荷时段(T1)为0:00-6:00，电力峰荷时段(T2)为10:00-20:00。风电功率预测曲线取自实际运行数据，最大功率为50MW，约为电负荷峰值的20％。为验证本文方法的有效性，在风电预测功率的基础上采用威布尔分布来模拟风电实际功率，风电预测及模拟的实际功率曲线如图4所示。执行优化计算的计算机硬件环境为Intel(R)Xeon(R)CPU E5-1620，主频为3.70GHz，内存为32GB；软件环境为Windows 10操作系统。
为分析热网动态特性对系统灵活性的影响，设置如下三种场景进行对比分析：
Case 1：不考虑热网动态特性，以系统灵活性最大为目标进行优化调度；
Case 2：考虑热网动态特性，保持case1供水温度曲线不变，对case1的灵活性调度计划进行分析；
Case 3：为本文所提模型，考虑热网动态特性，以系统灵活性最大为目标进行优化调度。
case 1和case 2的热源供水温度曲线以及对应的系统灵活性曲线如图5所示。通过所提出的城市热电综合能源系统灵活性调度模型，能够在保证系统安全运行的前提下有效提高系统的灵活性水平，进而提高风电等可再生能源的消纳水平。从结果中可以看出，case 1(不考虑热网延迟)的调度结果中，除了4:00-5:00时段外，系统灵活性均能满足需求，谷荷时期的向下灵活性和峰荷时期的向上灵活性不足率分别为9.8％和0％。但在实际运行中，由于热力网存在传输延时特性，会导致CHP机组的实际热出力与计划热出力存在一定偏差，系统的实际灵活性可能会出现很大变化，严重时甚至会影响热力系统的运行安全性。从图5中的case2的灵活性曲线来看，根据case1优化的供水温度曲线对供热系统进行调度，在电力谷荷时段，系统在3:00-6:00的向下灵活性降低，无法满足灵活性需求；在电力峰荷时段，系统在10:00-11:30的向上灵活性降低，无法满足灵活性需求。实际的谷荷时期向下灵活性不足率为29.3％，峰荷时期向上灵活性不足率为2.2％。可以看出，不考虑热网延迟特性会造成系统灵活性出现较大的偏差，影响风电的消纳和电力负荷全额供应。尤其是在4:00-4:45时段，系统的向下灵活性出现负值，说明不考虑热网延迟的调度计划是不可行的。
除灵活性外，不考虑热网动态特性的灵活性调度计划还可能破坏供热系统的运行安全性。图6比较了case1和case2的热网节点供回水温度情况。由图6(a)可看出，在未考虑热网动态特性时，优化的热源回水温度在规定的范围之内；在实际运行当中由于热网传输延迟和温度损耗特性，换热站1和换热站3的回水温度在0:00-6:30越过回水温度下限，换热站2的回水温度在0:00-8:00越过回水温度下限，热源回水温度在3:00-10:00越过回水温度下限，热力系统的运行安全性被破坏，如图6(b)所示。
由于热源回水温度的变化，CHP机组的热力输出也随之发生变化。图7给出了4:00和10:00的case 1和case 2中CHP机组出力调度结果。可以看出，按照case1的供水温度曲线，CHP机组的实际热出力将会超出其可行域，进一步说明不考虑热网动态特性的灵活性调度计划在实际中可能存在不可行的情况。
下面对本文提出的灵活性调度模型的结果进行分析，图8给出了本文模型(case3)的调度结果与case 1的调度结果的系统灵活性水平对比。相比于case 1，本文所提模型将电力谷荷时期的向下灵活性不足率由9.8％降低至0，电力峰荷时期的向上灵活性也有所提高。其中，在0:00-0:45和4:30-10:00时段，case 1和case 3的电力系统灵活性均保持为40MW，这是因为系统灵活性在这些时段受到了各发电机组爬坡率的限制，所有机组在15min内的最大向上或向下的爬坡功率之和为40MW。
以下从热网温度动态特性以及CHP机组出力变化来分析本文所提模型灵活性提升的原因。图9为热源供回水温度曲线和CHP机组运行情况。图9(a)中，HB(62.88MW)为CHP机组可行域B点对应的热功率值。考虑热网动态特性后，CHP机组的热出力不再要求与热负荷时刻保持一致，可以根据不同时段的灵活性需求调整其热出力，提升系统灵活性。由图9(b)可以看出，在电力谷荷0:00-4:00时段，通过调整热源供水温度，使得CHP机组热力输出基本保持在62.88MW(HB点)附近，此时CHP机组具有最大的向下可调节容量；在电力峰荷10:00-16:00时段，热源供水温度基本保持为最小供水温度，以最大可能减少CHP机组热出力，增大电出力向上可调容量。
综上所述，考虑实际的热网动态特性，通过合理调控热源供水温度可以在一定范围内调整CHP机组的热力输出功率，为电力输出功率调整提供更大的裕度，使系统具有更加充足的灵活性来应对可再生能源的波动。
表1供热网络参数
Figure BDA0002563145490000111
表2电力网络参数
Figure BDA0002563145490000112
表3机组参数
Figure BDA0002563145490000113
表4火电机组运行成本系数
Figure BDA0002563145490000121
表5 CHP机组可行域极点及其成本系数
Figure BDA0002563145490000122

Claims (5)

1.一种计及热网动态特性的城市热电综合能源系统调度方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：根据选定的城市热电综合能源系统建立供能设备模型；
步骤2：根据选定的城市热电综合能源系统中供热网络结构及参数，结合步骤1中的各个供能设备模型，进而建立线性化的城市电力网络模型；
步骤3：根据选定的城市热电综合能源系统中供热网络结构及参数，计算各热力节点质流量与各管道传输延时等参数；根据计算的热网参数建立热力管道动态模型、混合节点温度模型和换热站等效管道模型；根据热网模型结合热网拓扑结构建立城市供热网络的整体动态模型；
步骤4：根据选定的城市热电综合能源系统建立综合能源系统灵活性及其评价指标模型；其中以城市热电综合能源系统在电力负荷峰谷时段总的灵活性最大为目标对各发电机组的逐时电力输出功率和CHP机组的逐时电力输出功率及其供水温度进行优化处理；
步骤5：根据优化处理结果，根据建立的热电综合能源系统灵活性评价指标判定城市热电综合能源系统灵活性不足率。
2.根据权利要求1所述的计及热网动态特性的城市热电综合能源系统调度方法，其特征在于，所述的步骤1中的供能设备模型建立具体步骤如下：
步骤2-1：根据热电联产机组运行特性，以及其运行成本特性，其热电输出功率模型及运行成本模型如下所示：
Figure FDA0002563145480000011
Figure FDA0002563145480000012
Figure FDA0002563145480000013
Figure FDA0002563145480000014
Figure FDA0002563145480000015
Figure FDA0002563145480000016
Figure FDA0002563145480000017
Figure FDA0002563145480000018
式中，
Figure FDA0002563145480000019
表示在t时刻，CHP机组g当前运行点的热力输出功率和电力输出功率，单位MW；NKg表示CHP机组g可行域的极值点个数；
Figure FDA00025631454800000110
分别表示CHP机组g可行域的第k个极值点的热力输出功率和电力输出功率，单位MW；
Figure FDA00025631454800000111
代表在t时刻，当前运行点对应CHP机组g可行域的第k个极值点的系数。
Figure FDA00025631454800000112
表示CHP机组g的向上/向下爬坡速率，单位MW/h；Δt表示调度时间间隔，单位h；cw表示热水比热容，单位kJ/(kg·℃)；
Figure FDA00025631454800000113
表示热源节点j流出的质流量，单位为kg/s；
Figure FDA00025631454800000114
表示热源节点j的供/回水温度，单位℃；NHS表示热源节点的集合；CHPj表示与热源节点j相连的CHP机组集合；
Figure FDA0002563145480000021
表示热源节点j的最大/最小供水温度，单位℃；
Figure FDA0002563145480000022
表示热源节点j的最大/最小回水温度，单位℃；
Figure FDA0002563145480000023
表示CHP机组g可行域极值点成本系数，单位$；
步骤2-2：常规火电机组的出力约束及运行成本模型如下所示：
Figure FDA0002563145480000024
Figure FDA0002563145480000025
Figure FDA0002563145480000026
式中，
Figure FDA0002563145480000027
表示火电机组g的最小/最大输出电功率，单位MW；
Figure FDA0002563145480000028
表示火电机组g的向上/向下爬坡速率，单位MW/h；
Figure FDA0002563145480000029
表示火电机组g在时刻的电力输出功率，单位MW；ag，bg，cg为火电机组g的成本系数。
3.根据权利要求1所述的计及热网动态特性的城市热电综合能源系统调度方法，其特征在于，所述的步骤2中的线性化的城市电力网络模型，可以表现为如下形式：
Figure FDA00025631454800000210
Figure FDA00025631454800000211
Pij＝gij(Ui-Uj)-bij(θi-θj) (14)
Figure FDA00025631454800000212
Figure FDA00025631454800000213
Umin≤Ui≤Umax (17)
θmin≤θi≤θmax (18)
Pij,min≤Pij≤Pij,max (19)
式中，Pi和Qi分别表示节点i的注入有功、无功功率；Ui为节点i的电压幅值；θij为节点i、j的电压相角差；Yij＝Gij+jBij为节点导纳矩阵的第i行、第j列元素；j∈i表示所有与节点i相连的节点j，包括i＝j；B′ij为不含接地支路的节点导纳矩阵的第i行、第j列元素的虚部；yij＝gij+jbij为支路ij的支路导纳；
Figure FDA00025631454800000214
和
Figure FDA00025631454800000215
表示节点i的常规火电机组在t时刻发出的有功和无功功率；
Figure FDA00025631454800000216
和
Figure FDA00025631454800000217
表示节点i的风电机组在t时刻发出的有功和无功功率；
Figure FDA00025631454800000218
和
Figure FDA00025631454800000219
表示在t时刻节点i处的有功负荷和无功负荷；Umin和Umax分别表示节点允许的电压最小值和最大值；θmin和θmax分别表示节点允许的电压相角最小值和最大值；Pij,min和Pij,max分别表示支路ij允许的功率最小值和最大值。
4.根据权利要求1所述的计及热网动态特性的城市热电综合能源系统调度方法，其特征在于，步骤3所述的城市供热网络的整体动态模型，具体步骤如下：
步骤4-1：考虑到城市热网中回水网络与供水网络具有相同的性质，且呈对称分布，以供水管道为例，城市供热网络各节点质流量、各管道传输延时计算公式如下所示：
Figure FDA00025631454800000220
Figure FDA0002563145480000031
式中，
Figure FDA0002563145480000032
表示在t时刻，供/回水管道k的质流量，单位kg/s；Pi u/Pi d表示节点i的上/下游管道集合；
Figure FDA0002563145480000033
表示在t时刻，流入供/回水网络中的节点i的质流量，单位kg/s；Ns/Nr表示供/回水网络中的节点集合；
Figure FDA0002563145480000034
表示供水管道k的传输延时数；函数round[·]表示按四舍五入取整；ρw表示热水密度，单位kg/m3；Dk表示管道k的直径，单位m；lk表示管道k长度，单位m；
Figure FDA0002563145480000035
表示供水管道k的质流量，单位kg/s；Δt表示调度时间间隔，单位h。
步骤4-2：根据步骤4-1计算的热网参数，热力管道动态模型、混合节点温度模型和换热站等效管道模型，可以表示为如下形式：
Figure FDA0002563145480000036
Figure FDA0002563145480000037
Figure FDA0002563145480000038
Figure FDA0002563145480000039
Figure FDA00025631454800000310
Figure FDA00025631454800000311
Figure FDA00025631454800000312
式中，
Figure FDA00025631454800000313
表示温度损耗系数，在CF-VT模式下为常数；
Figure FDA00025631454800000314
表示供水管道k的入口/出口温度，单位℃；Ta表示管道环境温度，单位℃；Pi u/Pi d表示节点i的上/下游管道；
Figure FDA00025631454800000315
表示节点i在t时刻的供水温度，单位℃；Ns表示供水网络中的节点集合；
Figure FDA00025631454800000316
表示换热站i在t时刻的热负荷，单位MW；
Figure FDA00025631454800000317
表示流入换热站的质流量，单位kg/s；
Figure FDA00025631454800000318
表示换热站i所在节点在t时刻的供/回水温度，单位℃，本文中
Figure FDA00025631454800000319
指流出换热站的热水温度；NHL表示换热站集合；
Figure FDA00025631454800000320
表示换热站i的供/回水温度，单位℃；
Figure FDA00025631454800000321
表示换热站i的最大/最小供水温度，单位℃；
Figure FDA00025631454800000322
表示换热站i的最大/最小回水温度，单位℃；
Figure FDA00025631454800000323
分别表示换热站i等值管道的入口/出口温度，单位℃。
步骤4-3：根据步骤4-2计算的热网模型结合热网拓扑结构建立城市供热网络的整体动态模型，可以表示为如下形式：
Figure FDA00025631454800000324
Figure FDA00025631454800000325
Figure FDA0002563145480000041
Figure FDA0002563145480000042
Figure FDA0002563145480000043
Figure FDA0002563145480000044
Figure FDA0002563145480000045
式中，NSs供水网络中热源节点集合；
Figure FDA0002563145480000046
表示管道k的起始/终止节点；αh表示与节点h有关的汇流系数；
Figure FDA0002563145480000047
表示节点h的上游管道集合；
Figure FDA0002563145480000048
表示节点j到节点i的第v条路径上的节点集合；
Figure FDA0002563145480000049
表示节点j到节点i的第v条路径上的管道集合；nj,i表示节点j到节点i的路径数量；
Figure FDA00025631454800000410
表示供水网络中节点i的最大/最小温度，单位℃；
Figure FDA00025631454800000411
表示回水网络中节点i的最大/最小温度，单位℃。
5.根据权利要求1所述的计及热网动态特性的城市热电综合能源系统调度方法，其特征在于，步骤4所述的综合能源系统灵活性模型及其评价指标，可以表示为如下形式：
Figure FDA00025631454800000412
Figure FDA00025631454800000413
Figure FDA00025631454800000414
Figure FDA00025631454800000415
式中，ft d和ft u分别是t时刻城市综合能源系统的向下灵活性和向上灵活性；Pg,max和Pg,min分别是机组g的最大和最小输出电功率；Ru,g和Rd,g分别是机组g的向上爬坡率和向下爬坡率；Ng是可调节发电机组的数量；Δt是调度时间间隔；T1是电力谷荷时期，T2是电力峰荷时期；ΔPt u和ΔPt d分别是t时刻风电功率的向上波动和向下波动，可以通过将实际风电输出功率与预测输出功率进行比较而获得。
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