CN111967683A - 一种计及用户舒适度的热电耦合网络最优潮流建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种计及用户舒适度的热电耦合网络最优潮流建模方法，包括：步骤1、建立目标函数中的用户舒适度与总热能耗能量；步骤2、建立目标函数中所有热电联产机组的成本函数。本发明的有益效果是：本发明建立了由用户舒适度、总热能耗能量与所有机组的成本函数构成的模型目标函数。用建筑物室内温度和用户设置温度之间的偏差之和，并减少热电厂的供能成本同时该模型为凸模型，可求得全局最优解。针对不同的需求侧设置的权重系数，可以求解不同的机组热电供能方案和热网潮流，同时调控平衡用户舒适度与总能耗，最大化用户效用(温度舒适度)的同时减小热能能耗。本发明充分考虑了用户舒适度与能耗的平衡关系，增加了多能流系统的调度灵活性。

Description

一种计及用户舒适度的热电耦合网络最优潮流建模方法

技术领域

本发明属于多能流系统建模技术领域，尤其涉及一种计及用户舒适度的热电耦合网络最优潮流建模方法。

背景技术

近些年来，区域热网使热电联产的使用更加广泛，可以利用废热发电和各种工业余热以及地热和太阳热能等，灵活地容纳来自各种可再生热源的热量。随着可再生能源的渗透率增加，电力和热网络的相互作用变得更加紧密。电力和热网络的整体建模变得更加重要，在这种多能流网络中的关键问题之一是协同优化、协同调度，其中寻找最优能量流(热潮流、电潮流)问题是我们首要解决的问题。电力系统，网络建模和最佳潮流的研究已经相当成熟，热网的物理建模相关问题是多能流系统中更具挑战性的部分。在此背景下，如何建立了热网与电网的耦合模型，计算网络的最优潮流成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种计及用户舒适度的热电耦合网络最优潮流建模方法。

这种计及用户舒适度的热电耦合网络最优潮流建模方法，包括以下步骤：

步骤1、建立目标函数中的用户舒适度与总热能耗能量：

上式中，i∈N，N为区域热网中建筑物的集合，s_i和r均为权重系数，由用户决定，如果用户需要更高的舒适度，即室温更接近于设定温度，则可以增加s_i并减小r；T_i是建筑物i的室内温度，T_i ^set是建筑物i室内设定温度，U_Ab,i是用户建筑的导热系数，T^o是室外温度；

为用户舒适度，

为总热能耗能量；

步骤2、建立目标函数中所有热电联产机组的成本函数：

热电联产机组(CHP)的成本函数为：

传统发电机组(CON)的成本函数为：

上式(2)至式(4)中，a_1,i和a_2,i是热电联产机组i，i∈G_CHP的成本系数；b₁和b₂是传统发电机组i，i∈G_CON的成本系数；G_CHP和G_CON分别是热电联产机组与传统发电机组的集合；

步骤3、建立区域热网基础模型；

步骤4、建立热网络模型的约束条件；

步骤5、建立发电机组的发电量范围约束：

上式中，P_CHP,i为热电联产机组的功率，P_CON,i为传统发电机组的功率；P _CHP,i是热电联产机组功率的可调节最小值，

是热电联产机组功率的可调节最大值；P _CON,i是传统发电机组功率的可调节最小值，

是传统发电机组功率的可调节最大值，G_CHP与G_CON分别是热电联产机组(CHP)与传统发电机组(CON)的集合；

步骤6、建立背压式热电联产机组(CHP)的产热量与发电量的关系函数约束方程：

上式中，λ和μ均为背压式CHP机组参数，i∈N，N是区域热网中建筑物的集合，U_Ab,i是建筑物i室内和室外空气之间的热导率；T_i是建筑物i的室内温度，T^o是室外温度，P_CHP,k为热电联产机组的功率，k∈G_CHP,G_CHP是传统发电机组(CON)的集合；

步骤7、由步骤1与步骤2中两式相加而建立的用户舒适度与总热能耗能量与机组成本模型的目标函数为：

上式中，T_i是建筑物i的室内温度，T^o是室外温度，P_CHP,i为热电联产机组的功率，i∈N，N是区域热网中建筑物的集合，s_i和r均为权重系数，T_i ^set是建筑物i室内设定温度，U_Ab,i是建筑物i室内和室外空气之间的热导率；

步骤8、用步骤3至步骤6中建立的热电耦合网络模型的约束条件共同构成凸优化模型，通过Cplex求解该凸优化模型，在不同的s_i，r系数组合中，获得不同的热电产量策略与热网潮流。

作为优选，所述步骤3具体包括如下步骤：

步骤3.1、建立质量守恒模型：

上式中，

为从节点j注入节点i的总的热水质量流量；

为从节点i流出到流入节点l的总的热水质量流量；m_i为供给建筑物i中的热水质量流量；其中

和

分别表示流入i节点的节点集与水流离开i节点后注入的节点集；

步骤3.2、建立能量守恒(热平衡)模型：

U_Ab,i(T_i-T^o)＝c_pm_i(T_in,i-T_r,i) (6)

上式中，i∈N，N是区域热网中建筑物的集合，U_Ab,i是建筑物i室内和室外空气之间的热导率，T_i是建筑物i的室内温度，T^o是室外温度，c_p是水的比热容，m_i是供给建筑物i中的热水质量流量，T_in,i是建筑物i的用水入口温度，T_r,i是建筑物i的用水出口温度；

步骤3.3、建立从热动态到稳态的温降模型：

上式中，C_i是第i个管段的比热容，m_i是供给建筑物i中的热水质量流量，T_i是第i个管段外部温度，T_in,i是管道入口处的温度，T_out,i为管道出口处的温度，B_i是第i个管段的热导率，i∈P，P是管段的集合。

作为优选，所述步骤4具体包括如下步骤：

步骤4.1、建立用户建筑流入水温约束：

T_in,i＝αT_s (8)

上式中，通过常系数α(0＜α＜1)与热源厂供水温度T_s的乘积来计算流入用户建筑的水流温度T_in,i；i∈N，N是区域热网中建筑物的集合；

步骤4.2、建立用户所需水流质量流量的范围约束：

上式中，

是供给用户的热水质量流量最小值，

是供给用户的热水质量流量最大值，i∈N，N是区域热网中的建筑物集合；

步骤4.3、建立用户室内温度可调节范围约束：

T_i ^min≤T_i≤T_i ^max (10)

上式中，T_i ^min是室内温度可调节的最小值，T_i ^max是是室内温度可调节的最大值，i∈N，N是区域热网中的建筑物的集合；

步骤4.4、建立热网管道的水流质量流量的范围约束：

上式中，

是热网管道jk允许通过的最大质量流量。

本发明的有益效果是：本发明建立了由用户舒适度、总热能耗能量与所有机组的成本函数构成的模型目标函数。用一种新的方式量化用户热需求，即建筑物室内温度和用户设置温度之间的偏差之和，并且减少热电厂的供能成本同时该模型为凸模型，可以求得全局最优解。针对不同的需求侧设置的权重系数，可以求解不同的机组热电供能方案和热网潮流，同时调控平衡用户舒适度与总能耗，最大化用户效用(温度舒适度)的同时减小热能能耗。本发明充分考虑了用户舒适度与能耗的平衡关系，增加了多能流系统的调度灵活性。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

本发明建立了由热网质量守恒模型、能量守恒(热平衡)模型、温降模型、用户建筑流入水温约束、用户所需水流质量流量的范围约束、用户室内温度可调节范围约束、热网管道的水流质量流量的范围约束、发电机组的发电量范围约束以及背压式CHP机组的产热量与发电量的关系等式构成的实时调度控制模型的约束条件。建立了树状拓扑结构的热网与直流电网的耦合模型，计算整个网络的最优潮流问题。在树状拓扑结构的热网与直流电网的耦合模型中，考虑了热网络与电网络的物理约束，旨在最小化建筑物室内温度和用户设置温度之间的总偏差，量化用户热需求指标，最小化机组耗能成本，目的是最大化用户热需求并提高机组的产能效率。

作为一种实施例，计及用户舒适度的热电耦合网络最优潮流建模方法，包括以下步骤：

步骤1、建立目标函数中的用户舒适度与总热能耗能量：

上式中，i∈N，N为区域热网中建筑物的集合，s_i和r均为权重系数，由用户决定，如果用户需要更高的舒适度，即室温更接近于设定温度，则可以增加s_i并减小r；T_i是建筑物i的室内温度，T_i ^set是建筑物i室内设定温度，U_Ab,i是用户建筑的导热系数，T^o是室外温度；

为用户舒适度，

为总热能耗能量；

步骤2、建立目标函数中所有热电联产机组的成本函数：

热电联产机组(CHP)的成本函数为：

传统发电机组(CON)的成本函数为：

上式(2)至式(4)中，a_1,i和a_2,i是热电联产机组i，i∈G_CHP的成本系数；b₁和b₂是传统发电机组i，i∈G_CON的成本系数；G_CHP和G_CON分别是热电联产机组与传统发电机组的集合；

步骤3、建立区域热网基础模型；

步骤3.1、建立质量守恒模型：

上式中，

为从节点j注入节点i的总的热水质量流量；

为从节点i流出到流入节点l的总的热水质量流量；m_i为供给建筑物i中的热水质量流量；其中

和

分别表示流入i节点的节点集与水流离开i节点后注入的节点集；

步骤3.2、建立能量守恒模型：

U_Ab,i(T_i-T^o)＝c_pm_i(T_in,i-T_r,i) (6)

上式中，i∈N，N是区域热网中建筑物的集合，U_Ab,i是建筑物i室内和室外空气之间的热导率，T_i是建筑物i的室内温度，T^o是室外温度，c_p是水的比热容，m_i是供给建筑物i中的热水质量流量，T_in,i是建筑物i的用水入口温度，T_r,i是建筑物i的用水出口温度；

步骤3.3、建立从热动态到稳态的温降模型：

上式中，C_i是第i个管段的比热容，m_i是供给建筑物i中的热水质量流量，T_i是第i个管段外部温度，T_in,i是管道入口处的温度，T_out,i为管道出口处的温度，B_i是第i个管段的热导率，i∈P，P是管段的集合。

步骤4、建立热网络模型的约束条件：

步骤4.1、建立用户建筑流入水温约束：

T_in,i＝αT_s (8)

上式中，通过常系数α(0＜α＜1)与热源厂供水温度T_s的乘积来计算流入用户建筑的水流温度T_in,i；i∈N，N是区域热网中建筑物的集合；

步骤4.2、建立用户所需水流质量流量的范围约束：

上式中，

是供给用户的热水质量流量最小值，

是供给用户的热水质量流量最大值，i∈N，N是区域热网中的建筑物集合；

步骤4.3、建立用户室内温度范围约束：

T_i ^min≤T_i≤T_i ^max (10)

上式中，T_i ^min是室内温度的最小值，T_i ^max是是室内温度的最大值，i∈N，N是区域热网中的建筑物的集合；

步骤4.4、建立热网管道的水流质量流量的范围约束：

上式中，

是热网管道jk允许通过的最大质量流量。

步骤5、建立发电机组的发电量范围约束：

上式中，P_CHP,i为热电联产机组的功率，P_CON,i为传统发电机组的功率；P _CHP,i是热电联产机组功率的可调节最小值，

是热电联产机组功率的可调节最大值；P _CON,i是传统发电机组功率的可调节最小值，

是传统发电机组功率的可调节最大值，G_CHP与G_CON分别是热电联产机组(CHP)与传统发电机组(CON)的集合；

步骤6、建立背压式热电联产机组(CHP)的产热量与发电量的关系函数约束方程：

上式中，λ和μ均为背压式CHP机组参数，i∈N，N是区域热网中建筑物的集合，U_Ab,i是建筑物i室内和室外空气之间的热导率；T_i是建筑物i的室内温度，T^o是室外温度，P_CHP,k为热电联产机组的功率，k∈G_CHP,G_CHP是传统发电机组(CON)的集合；

步骤7、由步骤1与步骤2中两式相加而建立的用户舒适度与总热能耗能量与机组成本模型的目标函数为：

上式中，T_i是建筑物i的室内温度，T^o是室外温度，P_CHP,i为热电联产机组的功率，i∈N，N是区域热网中建筑物的集合，s_i和r均为权重系数，T_i ^set是建筑物i室内设定温度，U_Ab,i是建筑物i室内和室外空气之间的热导率；

步骤8、用步骤3至步骤6中建立的热电耦合网络模型的约束条件共同构成凸优化模型，通过Cplex求解该凸优化模型，在不同的s_i，r系数组合中，获得不同的热电产量策略与热网潮流。

本发明提出的热电耦合网络最优潮流建模方法：

1)最大化用户效用(温度舒适度)的同时减小热能能耗，用一种新的方式量化用户热需求，即建筑物室内温度和用户设置温度之间的偏差之和，并且减少热电厂的供能成本同时该模型为凸模型，可以求得全局最优解。针对不同的需求侧设置的权重系数，可以求解不同的机组热电供能方案，同时调控平衡用户舒适度与总能耗。

2)本发明的建模方法，建立了由用户舒适度、总热能耗能量与所有机组的成本函数构成的模型目标函数。建立了由热网质量守恒模型、能量守恒(热平衡)模型、温降模型、用户建筑流入水温约束、用户所需水流质量流量的范围约束、用户室内温度可调节范围约束、热网管道的水流质量流量的范围约束、发电机组的发电量范围约束以及背压式CHP机组的产热量与发电量的关系等式构成的实时调度控制模型的约束条件。通过求解该优化模型，获得机组热电供能方案。本发明充分考虑了用户舒适度与能耗的平衡关系，增加了多能流系统的调度灵活性。

Claims (3)

1.一种计及用户舒适度的热电耦合网络最优潮流建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立目标函数中的用户舒适度与总热能耗能量：

上式中，i∈N，N为区域热网中建筑物的集合，s_i和r均为权重系数；T_i是建筑物i的室内温度，T_i ^set是建筑物i室内设定温度，U_Ab,i是用户建筑的导热系数，T^o是室外温度；

为用户舒适度，

为总热能耗能量；

步骤2、建立目标函数中所有热电联产机组的成本函数：

热电联产机组的成本函数为：

传统发电机组的成本函数为：

上式(2)至式(4)中，a_1,i和a_2,i是热电联产机组i，i∈G_CHP的成本系数；b₁和b₂是传统发电机组i，i∈G_CON的成本系数；G_CHP和G_CON分别是热电联产机组与传统发电机组的集合；

步骤3、建立区域热网基础模型；

步骤4、建立热网络模型的约束条件；

步骤5、建立发电机组的发电量范围约束：

上式中，P_CHP,i为热电联产机组的功率，P_CON,i为传统发电机组的功率；P _CHP,i是热电联产机组功率的最小值，

是热电联产机组功率的最大值；P _CON,i是传统发电机组功率的最小值，

是传统发电机组功率的最大值，G_CHP与G_CON分别是热电联产机组与传统发电机组的集合；

步骤6、建立热电联产机组的产热量与发电量的关系函数约束方程：

上式中，λ和μ均为背压式CHP机组参数，i∈N，N是区域热网中建筑物的集合，U_Ab,i是建筑物i室内和室外空气之间的热导率；T_i是建筑物i的室内温度，T^o是室外温度，P_CHP,k为热电联产机组的功率，k∈G_CHP,G_CHP是传统发电机组的集合；

步骤7、由步骤1与步骤2中两式相加而建立的用户舒适度与总热能耗能量与机组成本模型的目标函数为：

上式中，T_i是建筑物i的室内温度，T^o是室外温度，P_CHP,i为热电联产机组的功率，i∈N，N是区域热网中建筑物的集合，s_i和r均为权重系数，T_i ^set是建筑物i室内设定温度，U_Ab,i是建筑物i室内和室外空气之间的热导率；

步骤8、用步骤3至步骤6中建立的热电耦合网络模型的约束条件共同构成凸优化模型，通过Cplex求解该凸优化模型，在不同的s_i，r系数组合中，获得不同的热电产量策略与热网潮流。

2.根据权利要求1所述计及用户舒适度的热电耦合网络最优潮流建模方法，其特征在于，所述步骤3具体包括如下步骤：

步骤3.1、建立质量守恒模型：

上式中，

为从节点j注入节点i的总的热水质量流量；

为从节点i流出到流入节点l的总的热水质量流量；m_i为供给建筑物i中的热水质量流量；其中

和

分别表示流入i节点的节点集与水流离开i节点后注入的节点集；

步骤3.2、建立能量守恒模型：

U_Ab,i(T_i-T^o)＝c_pm_i(T_in,i-T_r,i) (6)

上式中，i∈N，N是区域热网中建筑物的集合，U_Ab,i是建筑物i室内和室外空气之间的热导率，T_i是建筑物i的室内温度，T^o是室外温度，c_p是水的比热容，m_i是供给建筑物i中的热水质量流量，T_in,i是建筑物i的用水入口温度，T_r,i是建筑物i的用水出口温度；

步骤3.3、建立从热动态到稳态的温降模型：

上式中，C_i是第i个管段的比热容，m_i是供给建筑物i中的热水质量流量，T_i是第i个管段外部温度，T_in,i是管道入口处的温度，T_out,i为管道出口处的温度，B_i是第i个管段的热导率，i∈P，P是管段的集合。

3.根据权利要求1所述计及用户舒适度的热电耦合网络最优潮流建模方法，其特征在于，所述步骤4具体包括如下步骤：

步骤4.1、建立用户建筑流入水温约束：

T_in,i＝αT_s (8)

上式中，通过常系数α(0＜α＜1)与热源厂供水温度T_s的乘积来计算流入用户建筑的水流温度T_in,i；i∈N，N是区域热网中建筑物的集合；

步骤4.2、建立用户所需水流质量流量的范围约束：

上式中，

是供给用户的热水质量流量最小值，

是供给用户的热水质量流量最大值，i∈N，N是区域热网中的建筑物集合；

步骤4.3、建立用户室内温度范围约束：

T_i ^min≤T_i≤T_i ^max (10)

上式中，T_i ^min是室内温度的最小值，T_i ^max是是室内温度的最大值，i∈N，N是区域热网中的建筑物的集合；

步骤4.4、建立热网管道的水流质量流量的范围约束：

上式中，

是热网管道jk允许通过的最大质量流量。