CN111953018A - 一种分布式多能互补供能系统及功率分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分布式多能互补供能系统及功率分配方法，该系统利用光伏发电装置、储能系统、微型燃气轮机和配电网供电，利用电热泵和吸收式制冷装置供热，利用电制冷机和吸收式制冷装置制冷，通过将各种能源供给形式转化电能供给，在购售电实行分时电价的背景下，以经济性为目标，在满足用户电、冷、热需求的基础上，对多能互补供能系统的功率分配进行优化，降低系统用能成本，提高经济效益。

Description

一种分布式多能互补供能系统及功率分配方法
技术领域
本发明涉及能源领域，具体涉及一种分布式多能互补供能系统及功率分配方法。
背景技术
多能互补供能系统通过将电、热、冷、气等多种供能系统互补运行，形成一体化能源供求互动的网络，通过供能方式转化供给缓解不同形式能源暂时性短缺，提高供能可靠性与经济性，促进新能源消纳，发挥综合效益，有利于促进建设清洁低碳、安全高效现代能源体系。分布式多能互补供能系统是多能互补工程建设的一种重要形式，主要用于园区、居民小区等终端用户。目前分布式多能互补系统多以“以热定电”、“以电定热”的模式运行，难以满足用户的电、冷、热负荷需求。因此，有必要发明一种新的多能互补供能系统及功率分配方法。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是提供一种多能互补供能系统及功率分配方法，在满足用户的电、冷、热负荷需求的基础上，降低系统用能成本。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种分布式多能互补供能系统，包括光伏发电装置、储能系统、电热泵、微型燃气轮机、吸收式制冷装置、电制冷机和配电网，所述光伏发电装置、储能系统、微型燃气轮机的输出端以及配电网均与母线相连接，通过母线向电负荷供电；所述电热泵的输入端连接母线，利用电能供热；所述电制冷机的输入端连接母线，利用电能制冷；所述吸收式制冷装置通过吸收微型燃气轮机的余热进行制冷或供热。
根据本发明的第一方面，所述吸收式制冷装置采用单独的吸收式制冷机或吸收式热泵实现制冷或供热。
根据本发明的第一方面，所述配电网通过并网开关连接母线。
本发明的第二方面提供了一种用于分布式多能互补供能系统的功率分配方法，其特征在于，该功率分配方法包括
步骤一，确定功率分配的目标函数；
步骤二，确定系统平衡条件和设备运行约束条件；
步骤三，根据目标函数、系统平衡条件及设备运行约束条件进行计算；
步骤四，根据计算结果进行功率分配，输出功率分配结果。
根据本发明的第二方面，所述目标函数为所述系统的每日最低用能成本。
根据本发明的第二方面，所述目标函数为每日购电成本和每日微型燃气轮机耗气成本之和。
根据本发明的第二方面，所述系统平衡条件为所述系统的电功率、冷功率和热功率达到平衡。
根据本发明的第二方面，所述设备运行约束条件包括与配电网交互功率约束、光伏发电约束、储能运行约束、电热泵运行约束、电制冷机运行约束、微型燃气轮机运行约束、吸收式制冷运行约束。
根据本发明的第二方面，在步骤三中，利用目标函数、等式约束条件、不等式约束条件及各个变量构建混合整数非线性规划模型，利用混合整数非线性规划算法求解，得到计算结果。
根据本发明的第二方面，在步骤四中，根据计算结果，得到每日光伏发电装置、储能系统、电热泵、电制冷机、微型燃气轮机、吸收式制冷装置的功率指令曲线，通过控制所述光伏发电装置、微型燃气轮机、储能系统、电热泵、吸收式制冷装置和电制冷机进行功率分配。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本发明将各种能源供给形式转化电能供给，在购售电实行分时电价的背景下，以经济性为目标，在满足用户电、冷、热需求的基础上，对多能互补供能系统的功率分配进行优化，降低系统用能成本，提高经济效益。
附图说明
图1是根据本发明一个实施方式的分布式多能互补供能系统的架构图；
图2是根据本发明一个实施方式的分布式多能互补供能系统的功率分配方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
图1示出了一种分布式多能互补供能系统的系统架构图。如图1所示，该分布式多能互补供能系统包括光伏发电装置1、储能系统2、电热泵3、微型燃气轮机4、吸收式制冷装置5、电制冷机6和配电网10。光伏发电装置1为分布式光伏发电装置，电热泵3将电能转化为热能，微型燃气轮机4通过燃气实现供电，吸收式制冷5吸收微型燃气轮机的余热进行制冷或供热，配电网10通过并网开关接入系统。光伏发电装置1、储能系统2、微型燃气轮机4、配电网10可用于向电负荷7供电。电热泵3、吸收式制冷5可用于向热负荷8供热。电制冷机6、吸收式制冷5可用于向冷负荷9制冷。光伏发电装置装置1、储能系统2、微型燃气轮机4的输出端以及配电网10均与母线相连接，通过母线向电负荷供电；所述电热泵3的输入端连接母线，利用电能供热；所述电制冷机6的输入端连接母线，利用电能制冷；所述吸收式制冷装置5通过吸收微型燃气轮机4的余热进行制冷或供热。
另外，可以用单独的吸收式制冷机或吸收式热泵来替代吸收式制冷装置，同时实现制冷或供热。
图2示出了一种用于分布式多能互补供能系统的功率分配方法，该功率分配方法包括以下四个步骤。
S1：确定目标函数。
该功率分配方法采用的目标函数是系统每日最低用能成本。用能成本包括每日购电成本和微型燃气轮机耗气成本。目标函数的表达式如公式1所示：
min CT＝C1+C2 (公式1)
其中，C1为每日购电成本，C2为每日微型燃气轮机耗气成本。对于C1，可以用公式2表示：
Figure BDA0002621668670000041
其中，
Figure BDA0002621668670000042
为向电网购电功率(kW)，购电电价为
Figure BDA0002621668670000043
Figure BDA0002621668670000044
为向电网售电功率(kW)，售电电价为
Figure BDA0002621668670000051
购售电电价均采用分时电价，Δt为1h。
对于C2，可以用公式3表示：
Figure BDA0002621668670000052
其中，φg为天然气购买价格(元/m3)，各地稍有不同，为固定值。
Figure BDA0002621668670000053
为燃气轮机t时刻发电功率(kW)，ηMT为燃气轮机发电效率，取0.9；β为天燃气低位热值，取10.0kWh/m3。Δt为1h。
S2：确定平衡及约束条件。
系统运行需要满足电、冷、热功率平衡，并且，设备运行均要求遵循自身正常运行的约束条件。
设备运行约束如下：
(1)与配电网交互功率约束
购电功率和售电功率满足以下条件：
Figure BDA0002621668670000054
Figure BDA0002621668670000055
其中，
Figure BDA0002621668670000056
为最大购电功率，
Figure BDA0002621668670000057
为最大售电功率。
(2)光伏发电约束
光伏发电功率受日照、温度影响，其功率值是可以光伏发电预测手段获取，光伏发电功率为
Figure BDA0002621668670000058
在系统运行中全部消纳。光伏发电的出力范围为：
Figure BDA0002621668670000059
其中，
Figure BDA00026216686700000510
为光伏出力的最大值，为固定值。
(3)储能运行约束
储能系统充电功率为
Figure BDA00026216686700000511
放电功率记为
Figure BDA00026216686700000512
充电过程约束为：
Figure BDA0002621668670000061
Figure BDA0002621668670000062
SOCmin≤SOCt≤SOCmax (公式6)
其中，
Figure BDA0002621668670000063
为最小充电功率，
Figure BDA0002621668670000064
为最大充电功率，SOCt为t时刻储能系统荷电状态，ηbc为充电效率，Sbc为储能系统额定容量(kWh)；SOCmin为储能系统荷电状态下限值，SOCmax为储能系统荷电状态上限值。
放电过程约束为：
Figure BDA0002621668670000065
Figure BDA0002621668670000066
SOCmin≤SOCt≤SOCmax (公式7)
其中，
Figure BDA0002621668670000067
为最小放电功率，
Figure BDA0002621668670000068
为最大放电功率，ηbd为放电效率。
(4)电热泵运行约束
电热泵的制热功率满足以下约束条件：
Figure BDA0002621668670000069
Figure BDA00026216686700000610
其中，
Figure BDA00026216686700000611
为t时刻电热制热功率，
Figure BDA00026216686700000612
为t时刻电热泵输入电功率；
Figure BDA00026216686700000613
为电热泵制热系数，
Figure BDA00026216686700000614
和
Figure BDA00026216686700000615
分别表示电热泵最小和最大制热功率约束。
(5)电制冷机运行约束
电制冷机的制冷功率满足以下约束条件：
Figure BDA00026216686700000616
Figure BDA00026216686700000617
其中，
Figure BDA00026216686700000618
为t时刻电制冷剂制冷功率；
Figure BDA00026216686700000619
为t时刻电制冷机输入电功率，
Figure BDA00026216686700000620
为t时刻电制冷剂制冷系数；
Figure BDA00026216686700000621
为电制冷机最小制冷功率；
Figure BDA0002621668670000071
表示电制冷机最大制冷功率。
(6)微型燃气轮机运行约束
微型燃气轮机同时输出电能和热能，满足以下约束条件：
Figure BDA0002621668670000072
Figure BDA0002621668670000073
其中，
Figure BDA0002621668670000074
为燃气轮机的最小输出电功率，
Figure BDA0002621668670000075
为燃气轮机的最大输出电功率；
Figure BDA0002621668670000076
为燃气轮机的最小输出热功率，
Figure BDA0002621668670000077
为燃气轮机的最大输出热功率。
Figure BDA0002621668670000078
为燃气轮机输出热功率。
(7)吸收式制冷运行约束
吸收式制冷可制冷或供热，但是不能同时工作于制冷和供热状态，因此，其约束条件为：
Figure BDA0002621668670000079
Figure BDA00026216686700000710
Figure BDA00026216686700000711
Figure BDA00026216686700000712
Figure BDA00026216686700000713
其中，
Figure BDA00026216686700000714
为t时刻吸收式制冷机制冷功率，
Figure BDA00026216686700000715
为吸收式制冷机输入热功率，
Figure BDA00026216686700000716
为吸收式制冷机制冷系数；
Figure BDA00026216686700000717
为吸收式制冷机最小制冷功率，
Figure BDA00026216686700000718
为吸收式制冷机最大制冷功率。
Figure BDA00026216686700000719
为t时刻吸收式制冷机制热功率，
Figure BDA00026216686700000720
为吸收式制冷机制热系数，
Figure BDA00026216686700000721
为吸收式制冷机最小制热功率，
Figure BDA00026216686700000722
为吸收式制冷机最大制热功率。
(8)系统平衡约束
系统平衡包括电平衡、热平衡和冷平衡，满足以下约束条件：
电平衡的约束条件为
Figure BDA00026216686700000723
其中，
Figure BDA00026216686700000724
为电负荷功率。
热平衡的约束条件为
Figure BDA0002621668670000081
其中，
Figure BDA0002621668670000082
为热负荷功率。
冷平衡的约束条件为
Figure BDA0002621668670000083
其中，
Figure BDA0002621668670000084
为冷负荷功率。
S3:求解计算。
该种类型求解属于线性规划问题。计算模块利用混合整数非线性规划(Mixed-Integer Nonlinear Programming，简称MINLP)算法求解，利用目标函数、等式约束条件、不等式约束条件及各个变量构建MINLP模型，计算求解。
S4:输出功率分配结果。
根据计算模块计算结果，得到每日微型燃气轮机、储能系统、电热泵、吸收式制冷、电制冷机的功率指令曲线，通过控制微型燃气轮机、储能系统、电热泵、吸收式制冷、电制冷机进行功率分配。
本发明旨在保护一种分布式多能互补供能系统，包括光伏发电装置、储能系统、电热泵、微型燃气轮机、吸收式制冷装置、电制冷机和配电网，所述光伏发电装置、储能系统、微型燃气轮机的输出端以及配电网均与母线相连接，通过母线向电负荷供电；所述电热泵的输入端连接母线，利用电能供热；所述电制冷机的输入端连接母线，利用电能制冷；所述吸收式制冷装置通过吸收微型燃气轮机的余热进行制冷或供热。本发明还保护一种用于分布式多能互补供能系统的功率分配方法，包括首先确定功率分配的目标函数，确定系统平衡条件和设备运行约束条件，然后根据目标函数、系统平衡条件及设备运行约束条件进行计算，最后根据计算结果进行功率分配，输出功率分配结果。本发明将各种能源供给形式转化电能供给，在购售电实行分时电价的背景下，以经济性为目标，在满足用户电、冷、热需求的基础上，对多能互补供能系统的功率分配进行优化，降低系统用能成本，提高经济效益。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种分布式多能互补供能系统，包括光伏发电装置、储能系统、电热泵、微型燃气轮机、吸收式制冷装置、电制冷机和配电网，所述光伏发电装置、储能系统、微型燃气轮机的输出端以及配电网均与母线相连接，通过母线向电负荷供电；所述电热泵的输入端连接母线，利用电能供热；所述电制冷机的输入端连接母线，利用电能制冷；所述吸收式制冷装置通过吸收微型燃气轮机的余热进行制冷或供热。
2.根据权利要求1所述的分布式多能互补供能系统，其特征在于，
所述吸收式制冷装置采用单独的吸收式制冷机或吸收式热泵实现制冷或供热。
3.根据权利要求1所述的分布式多能互补供能系统，其特征在于，所述配电网通过并网开关连接母线。
4.一种用于权利要求1-4之一的分布式多能互补供能系统的功率分配方法，其特征在于，该功率分配方法包括
步骤一，确定功率分配的目标函数；
步骤二，确定系统平衡条件和设备运行约束条件；
步骤三，根据目标函数、系统平衡条件及设备运行约束条件进行计算；
步骤四，根据计算结果进行功率分配，输出功率分配结果。
5.根据权利要求4的功率分配方法，其特征在于，所述目标函数为所述系统的每日最低用能成本。
6.根据权利要求5的功率分配方法，其特征在于，所述目标函数为每日购电成本和每日微型燃气轮机耗气成本之和。
7.根据权利要求4的功率分配方法，其特征在于，所述系统平衡条件为所述系统的电功率、冷功率和热功率达到平衡。
8.根据权利要求4的功率分配方法，其特征在于，所述设备运行约束条件包括与配电网交互功率约束、光伏发电约束、储能运行约束、电热泵运行约束、电制冷机运行约束、微型燃气轮机运行约束、吸收式制冷运行约束。
9.根据权利要求4的功率分配方法，其特征在于，在步骤三中，利用目标函数、等式约束条件、不等式约束条件及各个变量构建混合整数非线性规划模型，利用混合整数非线性规划算法求解，得到计算结果。
10.根据权利要求4的功率分配方法，其特征在于，在步骤四中，根据计算结果，得到每日光伏发电装置、储能系统、电热泵、电制冷机、微型燃气轮机、吸收式制冷装置的功率指令曲线，通过控制所述光伏发电装置、微型燃气轮机、储能系统、电热泵、吸收式制冷装置和电制冷机进行功率分配。
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