CN112132332A - 清洁供暖能源系统优化调度方法 - Google Patents

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祝振鹏
华柳
瞿超杰
周学贵
刘培欣
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Abstract

提供一种清洁供暖能源系统优化调度方法，属于能源优化调度技术领域，本发明以清洁供暖能源系统运行成本最小为优化目标，通过设计成本函数、负荷预测模型和清洁供暖系统设备模型，推导出清洁供暖系统成本约束条件，根据系统运行约束条件，结合预测的负荷需求进行优化调度，确定清洁供暖能源系统中供暖计划指令，实现清洁供暖能源系统运行成本最小化，使供暖过程中消耗的使总运行成本最低。

Description

清洁供暖能源系统优化调度方法
技术领域
本发明属于能源优化调度技术领域，具体涉及一种清洁供暖能源系统优化调度方法。
背景技术
在国家大力倡导清洁能源供暖的浪潮下，使风、水、光能等清洁能源发电的装机容量规模成为世界第一。清洁能源供暖的设备投资就比较高，同时所采用能源方式存在诸多限制，这些都是自然硬性存在的问题，不能在短时间内得到有效解决。然而清洁能源供暖面临的最主要问题之一还有系统运行成本的问题。清洁供暖能源系统包括了电锅炉、空气源热泵机组、地源热泵机组等设备，这些设备在运行过程中如若不进行更有效控制，会大大提高系统运行成本。在清洁供暖能源系统中，为降低总运行成本，实现优化目标，就需要对能源系统进行优化调度，通过优化调度使总运行成本最低。因此提出此改进。
发明内容
本发明解决的技术问题：提供一种清洁供暖能源系统优化调度方法，本发明中以清洁供暖能源系统运行成本最小为优化目标，通过设计成本函数、负荷预测模型和清洁供暖系统设备模型，推导出清洁供暖系统成本约束条件，实现清洁供暖能源系统运行成本最小化，使供暖过程中消耗的使总运行成本最低。
本发明采用的技术方案：清洁供暖能源系统优化调度方法，以清洁供暖能源系统运行成本最小为优化目标，根据系统运行约束条件，结合预测的负荷需求进行优化调度，确定清洁供暖能源系统中供暖计划指令；
具体包括以下步骤：
步骤一：优化调度层的优化调度为日前调度，取调度周期为15min，1天有96个调度周期，系统优化调度目标函数也就是成本函数为：
Figure BDA0002682872550000021
其中：pt、Qt分别为t时刻清洁供暖能源系统中电力价格、电力消耗量；清洁供暖能源系统电力来源于可再生能源和市电，约束条件包括系统的供能设备运行约束、负荷平衡约束，根据未来24h负荷预测结果，对上述模型进行求解，形成优化调度计划，实现清洁供暖能源系统经济运行；
步骤二：对采暖负荷的预测
室内温度的状态方程为：
Figure BDA0002682872550000022
式中：
Figure BDA0002682872550000023
——输入热量；
Figure BDA0002682872550000024
——t时刻的室内温度；
Figure BDA0002682872550000025
——t时刻的室外温度；
R——楼宇的热阻；
Cari——空气比热容；
通过输入热量，满足采暖负荷需求，维持室内温度恒定，因此，采暖负荷即输入热量
Figure BDA0002682872550000031
为：
Figure BDA0002682872550000032
步骤三：清洁供暖系统设备模型
1)电锅炉
电锅炉电能消耗费用与机组的出力关系为：
Figure BDA0002682872550000033
式中：Celectricboiler——电锅炉的耗电成本；
Pelectriboiler——电锅炉的功率；
ηelectricboiler——电锅炉的热效率；
Pelectric——市电价；
△t——时间段长度；
2)空气源热泵机组
空气源热泵机组电能消耗费用与机组的出力关系为：
Figure BDA0002682872550000034
式中：CACHP——空气源热泵机组的耗电成本；
PACHP——空气源热泵机组的功率；
ηACHP——空气源热泵机组的热效率；
Pelectric——电价；
Δt——时间段长度；
3)地源热泵机组
地源热泵机组电能消耗费用与机组的出力关系为：
Figure BDA0002682872550000041
式中：CCSHP——地源热泵机组的耗电成本；
PGSHP——地源热泵机组的功率；
ηGSHP——地源热泵机组的热效率；
Pelectric——电价；
Δt——时间段长度；
4)电蓄热TES
储热、放热通常会引起热损失，以储热状态方程形式描述为：
Figure BDA0002682872550000042
式中：
Figure BDA0002682872550000043
——t+1时刻TES的容量；
Figure BDA0002682872550000044
——t时刻TES的容量；
γ——衰减系数；
Figure BDA0002682872550000051
——分别为t时刻TES的储热、放热功率；
ηin、ηdr——储热、放热效率；
其电能消耗费用与机组的出力关系为：
Figure BDA0002682872550000052
步骤四：清洁供暖系统成本模型
清洁供暖系统以最小化系统运行成本为目标，其成本函数Cc为：
Cc＝Celectricboiler+CACHP+CGSHP+CTES
目标函数为：
MIN(Cc)＝MIN(Celectricboiler+CACHP+CGSHP+CTES)约束条件：
1)热平衡
Figure BDA0002682872550000053
2)设备运行功率须在设备允许范围之内
0≤Pelectriboiler≤Pelectriboiler，max
0≤PACHP≤PACHP，max
0≤PGSHP≤PGSHP，max
Figure BDA0002682872550000054
式中，Pelectriboiler，max、PACHP，max、PGSHP，max、
Figure BDA0002682872550000061
为电锅炉、空气源热泵、地源热泵、电蓄热额定容量。
通过上述条件对热平衡和设备运行功率进行约束，实现清洁供暖能源系统运行成本最小化。
本发明与现有技术相比的优点：
本方案以清洁供暖能源系统运行成本最小为优化目标，通过设计成本函数、负荷预测模型和清洁供暖系统设备模型，推导出清洁供暖系统成本约束条件，根据系统运行约束条件，结合预测的负荷需求进行优化调度，确定清洁供暖能源系统中供暖计划指令，实现清洁供暖能源系统运行成本最小化，使供暖过程中消耗的使总运行成本最低。
具体实施方式
以下对本发明实施例作进一步详细描述：
清洁供暖能源系统优化调度方法，以清洁供暖能源系统运行成本最小为优化目标，根据系统运行约束条件，结合预测的负荷需求进行优化调度，确定清洁供暖能源系统中供暖计划指令；
具体包括以下步骤：
步骤一：优化调度层的优化调度为日前调度，取调度周期为15min，1天有96个调度周期，系统优化调度目标函数也就是成本函数为：
Figure BDA0002682872550000062
其中：pt、Qt分别为t时刻清洁供暖能源系统中电力价格、电力消耗量；清洁供暖能源系统电力来源于可再生能源和市电，约束条件包括系统的供能设备运行约束、负荷平衡约束，根据未来24h负荷预测结果，对上述模型进行求解，形成优化调度计划，实现清洁供暖能源系统经济运行；
步骤二：对采暖负荷的预测
室内温度的状态方程为：
Figure BDA0002682872550000071
式中：
Figure BDA0002682872550000072
——输入热量；
Figure BDA0002682872550000073
——t时刻的室内温度；
Figure BDA0002682872550000074
——t时刻的室外温度；
R——楼宇的热阻；
Cair——空气比热容；
通过输入热量，满足采暖负荷需求，维持室内温度恒定，因此，采暖负荷即输入热量
Figure BDA0002682872550000075
为：
Figure BDA0002682872550000076
步骤三：清洁供暖系统设备模型
1)电锅炉
电锅炉电能消耗费用与机组的出力关系为：
Figure BDA0002682872550000077
式中：Celectricboiler——电锅炉的耗电成本；
Pelectriboiler——电锅炉的功率；
ηelectricboiler——电锅炉的热效率；
Pelectric——市电价；
Δt——时间段长度；
2)空气源热泵机组
空气源热泵机组电能消耗费用与机组的出力关系为：
Figure BDA0002682872550000081
式中：CACHP——空气源热泵机组的耗电成本；
PACHP——空气源热泵机组的功率；
ηACHP——空气源热泵机组的热效率；
Pelectric——电价；
Δt——时间段长度；
3)地源热泵机组
地源热泵机组电能消耗费用与机组的出力关系为：
Figure BDA0002682872550000082
式中：CCSHP——地源热泵机组的耗电成本；
PGSHP——地源热泵机组的功率；
ηGSHP——地源热泵机组的热效率；
Pelectric——电价；
Δt——时间段长度；
4)电蓄热(TES：Thermal Energy Storage)
储热、放热通常会引起热损失，以储热状态方程形式描述为：
Figure BDA0002682872550000091
式中：
Figure BDA0002682872550000092
——t+1时刻TES的容量；
Figure BDA0002682872550000093
——t时刻TES的容量；
γ——衰减系数；
Figure BDA0002682872550000094
——分别为t时刻TES的储热、放热功率；
ηin、ηdr——储热、放热效率；
其电能消耗费用与机组的出力关系为：
Figure BDA0002682872550000095
步骤四：清洁供暖系统成本模型
清洁供暖系统以最小化系统运行成本为目标，其成本函数Cc为：
Cc＝Celectricboiler+CACHP+CGSHP+CTES
目标函数为：
MIN(Cc)＝MIN(Celectricboiler+CACHP+CGSHP+CTES)
约束条件：
1)热平衡
Figure BDA0002682872550000101
2)设备运行功率须在设备允许范围之内
0≤Pelectriboiler≤Pelectriboiler，max
0≤PACHP≤PACHP，max
0≤PGSHP≤PGSHP，max
Figure BDA0002682872550000102
式中，Pelectriboiler，max、PACHP，max、PGSHP，max、
Figure BDA0002682872550000103
为电锅炉、空气源热泵、地源热泵、电蓄热额定容量。
通过上述条件对热平衡和设备运行功率进行约束，实现清洁供暖能源系统运行成本最小化。
本发明以清洁供暖能源系统运行成本最小为优化目标，通过设计成本函数、负荷预测模型和清洁供暖系统设备模型，推导出清洁供暖系统成本约束条件，根据系统运行约束条件，结合预测的负荷需求进行优化调度，确定清洁供暖能源系统中供暖计划指令，实现清洁供暖能源系统运行成本最小化，使供暖过程中消耗的使总运行成本最低
上述实施例，只是本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明实施范围，故凡以本发明权利要求所述内容所做的等效变化，均应包括在本发明权利要求范围之内。

Claims (1)

1.清洁供暖能源系统优化调度方法，其特征在于：以清洁供暖能源系统运行成本最小为优化目标，根据系统运行约束条件，结合预测的负荷需求进行优化调度，确定清洁供暖能源系统中供暖计划指令；
具体包括以下步骤：
步骤一：优化调度层的优化调度为日前调度，取调度周期为15min，1天有96个调度周期，系统优化调度目标函数也就是成本函数为：
Figure FDA0002682872540000011
其中：pt、Qt分别为t时刻清洁供暖能源系统中电力价格、电力消耗量；清洁供暖能源系统电力来源于可再生能源和市电，约束条件包括系统的供能设备运行约束、负荷平衡约束；根据未来24h负荷预测结果，对上述模型进行求解，形成优化调度计划，实现清洁供暖能源系统经济运行；
步骤二：对采暖负荷的预测
室内温度的状态方程为：
Figure FDA0002682872540000012
式中：
Figure FDA0002682872540000013
——输入热量；
Figure FDA0002682872540000014
——t时刻的室内温度；
Figure FDA0002682872540000015
——t时刻的室外温度；
R——楼宇的热阻；
Cair——空气比热容；
通过输入热量，满足采暖负荷需求，维持室内温度恒定，因此，采暖负荷即输入热量
Figure FDA0002682872540000021
为：
Figure FDA0002682872540000022
步骤三：清洁供暖系统设备模型
1)电锅炉
电锅炉电能消耗费用与机组的出力关系为：
Figure FDA0002682872540000023
式中：Celectricboiler——电锅炉的耗电成本；
Pelectriboiler——电锅炉的功率；
ηelectricboiler——电锅炉的热效率；
Pelectric——市电价；
Δt——时间段长度；
2)空气源热泵机组
空气源热泵机组电能消耗费用与机组的出力关系为：
Figure FDA0002682872540000024
式中：CACHP——空气源热泵机组的耗电成本；
PACHP——空气源热泵机组的功率；
ηACHP——空气源热泵机组的热效率；
Pelectric——电价；
Δt——时间段长度；
3)地源热泵机组
地源热泵机组的电能消耗费用与机组的出力关系为：
Figure FDA0002682872540000031
式中：CGSHP——地源热泵机组的耗电成本；
PGSHP——地源热泵机组的功率；
ηGSHP——地源热泵机组的热效率；
Pelectric——电价；
Δt——时间段长度；
4)电蓄热TES
储热、放热通常会引起热损失，以储热状态方程形式描述为：
Figure FDA0002682872540000032
式中：
Figure FDA0002682872540000033
——t+1时刻TES的容量；
Figure FDA0002682872540000034
——t时刻TES的容量；
γ——衰减系数；
Figure FDA0002682872540000041
——分别为t时刻TES的储热、放热功率；
ηin、ηdr——储热、放热效率；
其电能消耗费用与机组的出力关系为：
Figure FDA0002682872540000042
步骤四：清洁供暖系统成本模型
清洁供暖系统以最小化系统运行成本为目标，其成本函数Cc为：
Cc＝Celectricboiler+CACHP+CGSHP+CTES
目标函数为：
MIN(Cc)＝MIN(Celectricboiler+CACHP+CGSHP+CTES)
约束条件：
1)热平衡
Figure FDA0002682872540000043
2)设备运行功率须在设备允许范围之内
0≤Pelectriboiler≤Pelectriboiler，max
0≤PACHP≤PACHP，max
0≤PGSHP≤PGSHP，max
Figure FDA0002682872540000044
式中，Pelectriboiler，max、PACHP，max、PGSHP，max、
Figure FDA0002682872540000045
为电锅炉、空气源热泵、地源热泵、电蓄热额定容量。
通过上述条件对热平衡和设备运行功率进行约束，实现清洁供暖能源系统运行成本最小化。
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