CN112347628B - 一种冷热双蓄式热泵设备规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种冷热双蓄式热泵设备规划方法，属于清洁供暖和制冷、能源系统规划技术领域。本发明实现方法为：根据全年电、热、冷负荷的数据以及电网结构，对风电机组、火电机组、冷热电联产机组、热泵机组、冷热双蓄装置建模，依据电、热、冷负荷供需关系构建含冷热双蓄式热泵设备的电热综合能源系统模型；通过智能算法，以新建成本最低和系统整体煤耗最小为目标对冷热双蓄式热泵设备的容量及安装地点进行规划；按照火电机组、冷热电联产机组、热泵机组、冷热双蓄装置最大出力的裕值作为其合理规划的额定功率和容量值。本发明能够降低系统的投资成本、运行成本，有效缓解供热、制冷和风能利用方面的矛盾，提高风电利用率。

Description

一种冷热双蓄式热泵设备规划方法
技术领域
本发明涉及一种冷热双蓄式热泵设备规划方法，适用于含热泵与冷热双蓄装置的电热综合能源系统，属于清洁供暖和制冷、能源系统规划技术领域。
背景技术
风能作为一种清洁可再生能源，其规模化使用凸显较高经济和环保潜力。目前我国风电机组的装机容量和使用规模日渐增加，但风电规模化使用同时带来了严重的弃风问题。根据国家能源局统计，2019年全国新增风电装机2574万千瓦，全国平均弃风率4％。其中“三北”地区仍是我国弃风最为严重的地区，“三北”地区总弃风电量占全国总弃风电量的81％。热电厂在供热期因“以热定电”模式而导致系统调峰能力急剧下降是导致该地区限电弃风的一个主要原因。在供热期为满足热负荷需求，热电联产机组采用“以热定电”的模式运行，发电出力可调节范围有限，加大了系统调峰能力不足的矛盾，产生大量停机弃风。
因此，改善弃风问题、减少发电燃煤消耗是风能利用亟待解决的关键问题。目前，主要解决方法包括：1)通过增设电热耦合设备提升机组调峰能力；2)通过电网深度调度提升系统调峰能力。增设电热耦合设备主要是通过在系统中增设电锅炉、电热泵等电制热装置，改变传统供热形式，解耦以往只有热电联产机组出现的热电强联关系，通过利用原本的弃风电量产生热能，改变电负荷、热负荷两者的比例，从而可以增加热电联产机组的调节能力，既可提升系统弃风消纳的能力又可减少燃煤消耗。而电网深度调度主要是通过精细化调度促进电热协调，挖掘提升系统的调峰能力，基于调度系统设备的精细化建模，考虑电源、电网、负荷特性，通过统筹协调多类型电源、上下级调控结构、多时序调度周期等方式，实现电网精益化调度。
应用含冷热双蓄式热泵设备的电热综合能源系统，热泵能够满足制热和制冷两种要求，通过热泵装置增加电热系统电负荷水平，为风电消纳提供额外空间。冷热双蓄装置既可以蓄热供热、又可以蓄冰供冷，可为系统提供较强的可控性以及可中断性，实现削峰填谷，利于电网的灵活运行。从电网运行和风电利用的角度出发，在电热综合能源系统中通过增设冷热双蓄式热泵和冷热电机组协调配合，进行联合供冷/供热，虽然实现了提升电网调峰能力和风电消纳空间的效果，然而却忽略了供能设备出力及容量的合理规划对提升电网调峰能力和风电消纳空间的效果。同时，新增冷热双蓄式热泵设备时不可忽略安装地点的布置，需要平衡安装地点同风电并网点以及热负荷中心的关系。当安装地点靠近热负荷中心时，则会减少新建线路的投资，但相应的会增加网路传输上的压力，需要综合考虑各种因素来确定安装地点。因此，研究电热综合能源系统中冷热双蓄式热泵设备的规划方法非常必要。截止目前，与冷热双蓄式热泵设备容量规划研究相关的专利鲜有公开。
发明内容
针对现有技术中风电规模化使用产生的弃风问题以及发电燃煤消耗等问题，本发明公开的一种冷热双蓄式热泵设备规划方法要解决的技术问题是：通过对冷热双蓄式热泵设备规划，减少风电规模化使用产生的弃风问题，降低发电燃煤消耗，且能够降低电热综合能源系统的投资成本、运行成本，有效缓解供热、供冷和风能利用方面的矛盾，提高风电利用率。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明公开的一种冷热双蓄式热泵设备规划方法，根据全年电、热、冷负荷的数据以及电网结构，对风电机组、火电机组、冷热电联产机组、热泵机组、冷热双蓄装置建模，依据电、热、冷负荷供需关系构建含冷热双蓄式热泵设备的电热综合能源系统模型，通过智能算法，以新建成本最低和系统整体煤耗最小为目标对冷热双蓄式热泵设备的容量及安装地点进行规划。按照火电机组、冷热电联产机组、热泵机组、冷热双蓄装置最大出力的裕值作为其合理规划的额定功率和容量值。本发明提出的含冷热双蓄式热泵设备的电热综合能源规划方法能够降低系统的投资成本、运行成本，有效缓解供热、制冷和风能利用方面的矛盾，提高风电利用率。
本发明公开的一种冷热双蓄式热泵设备规划方法，包括如下步骤：
步骤一：基于风电机组、火电机组、冷热电联产机组装置的出力特性，对各机组进行建模，给出机组的约束条件。
含冷热双蓄式热泵设备的电热综合能源系统由电网和供冷、供热管网组成。供热时，该电热综合能源系统电网与热网之间协同运行，各电源在调度时间内既要满足用户电负荷需求，同时还要满足热网中热泵机组的电能消耗，用户热负荷由热电联产、热泵及冷热双蓄装置共同提供。其中电网侧的电能分别来自风电机组、火电机组、热电联产机组。在需要进行供冷时，通过改变电热综合能源系统中热电联产机组的工作模式进行冷电联产，配合冷热双蓄式热泵设备供给系统冷负荷。
步骤1.1：对风电机组建模。
风电机组的有功输出主要由其风能产生的功率决定，由于风能产生自身所具有的随机性决定了风电机组有功输出的随机性。当具有随机波动特性的风电机组大规模并入电网之后，会给电力系统的安全运行带来巨大影响。因此，可用的风电出力需受式(1)风电机组最大出力来约束：
Figure BDA0002749302720000021
式中，pi,t WP为风电机组可用的发电功率，MW；Pi,t WP为风电机组可用的最大发电功率，MW。
步骤1.2：对火电机组建模。
火电机组的发电功率受式(2)自身额定发电功率的约束以及式(3)爬坡约束：
Figure BDA0002749302720000031
Figure BDA0002749302720000032
式中，Pi,t TP为火电机组的发电功率，MW；Pi,max TP、Pi,min TP为火电机组出力值的上下限，MW；RUi TP、RDi TP为火电机组出力的变化速率上下限，MW/h；ΔT为变化时间。
步骤1.3：对冷热电联产机组建模。
冷热电联产机组(combined cooling heating and power,CCHP)是指锅炉产生的蒸汽在背压汽轮机或调节抽汽式汽轮机做功发电，其排汽或抽汽，除满足供热等各种热负荷外，还用做吸收式制冷机的工作蒸汽，利用热能产生冷水用于制冷。供热时进行热电联产，配合冷热双蓄式热泵设备为系统供热。而在需要进行供冷时，通过改变电热综合能源系统中热电联产机组的工作模式进行冷电联产，配合冷热双蓄式热泵设备供给系统冷负荷。
热电联产机组、冷电联产机组两种机组的出力特性均由式(4)和(5)表示。
Figure BDA0002749302720000033
Figure BDA0002749302720000034
0≤αi,t≤1
式中，Pi,t CCHP为冷热电联产机组的发电功率，MW；Qi,t CCHP为冷热电联产机组的供冷/热功率，MW；Pi CCHP，Qi CCHP为冷热电联产机组的额定电、冷/热功率，MW；αi,t为冷热电联产机组出力系数。
此外，与火电机组类似，冷热电联产机组的出力需受式(6)自身额定功率的约束以及式(7)爬坡约束：
Figure BDA0002749302720000035
Figure BDA0002749302720000036
式中，Pi,t CCHP为冷热电联产机组的发电功率，MW；Pi,max CCHP、Pi,min CCHP为冷热电联产机组出力值的上下限，MW；RUi CCHP、RDi CCHP为冷热电联产机组出力的变化速率上下限，MW/h；ΔT为变化时间。
步骤二：基于热网侧热泵、冷热双蓄装置的出力特性，建立热网侧的供冷/供热系统模型，并给出约束条件；在电热综合能源系统中引入冷热双蓄装置，解耦冷电/热电之间因传统冷电/热电联产“以冷/热定电”导致的强相互关系，进一步地加强供电与供冷/供热系统之间的协调能力，降低电热综合能源系统的运行成本。
为用户提供的冷/热量来自热管网中的热泵(electric heat pumps,EHP)、冷热双蓄装置(heat and ice storage,HIS)、冷热电联产机组。
步骤2.1：对热泵机组建模。
热泵设备供热时，通过电机驱动压缩机使循环工质通过蒸发器不断地从低温环境中吸热，通过冷凝器向高温环境放热，从而达到持续供热的循环过程。供冷时，室内空调末端制冷，室内换热器吸收的热量连同压缩机工作时产生的热量一起流向室外环境。
热泵供冷/热功率表达式如式(8)所示。
Figure BDA0002749302720000041
式中，Qi,t EHP为热泵制冷/制热功率，MW；Pi,t EHP为热泵耗电功率，MW；COP为热泵能效系数。
此外，热泵的制冷/制热功率应受式(9)自身额定功率的约束：
Figure BDA0002749302720000042
式中，Qi,t EHP为热泵制冷/制热功率，MW；Qi,max EHP、Qi,min EHP为热泵制冷/制热功率的上下限，MW。
步骤2.2：对冷热双蓄装置建模。
在电热综合能源系统中引入冷热双蓄装置，解耦冷电/热电之间因传统冷电/热电联产“以冷/热定电”导致的强相互关系，进一步地加强供电与供冷/供热系统之间的协调能力，降低电热综合能源系统的运行成本。
冷热双蓄装置建设在供冷/供热系统的源侧，连接源与供冷/供热网络。冷热双蓄装置的运行受式(10)-(12)容量约束以及蓄、放能力约束：
Figure BDA0002749302720000043
Figure BDA0002749302720000044
Figure BDA0002749302720000045
式中，Si,t HIS为冷热双蓄装置容量，MW·h；Si,max HIS、Si,min HIS为冷热双蓄装置容量的上下限，MW·h；Qi,t,c HIS、Qi,t,f HIS为冷热双蓄装置的蓄、放功率，MW；Qi,c,max HIS、Qi,f,max HIS为冷热双蓄装置的最大极限蓄、放功率，MW。
步骤三：构建电热综合能源系统的电、热、冷负荷供需平衡关系，并提出使冷热双蓄式热泵设备及供热/供冷管网的新建成本最低、且使电热综合能源系统煤耗最低的多目标函数。
基于直流潮流方式建立电力系统模型，每个调度时段中电力有功功率需按式(13)保持平衡：
Figure BDA0002749302720000046
式中，Pi,t TP为火电机组的发电功率，MW；Pi,t WP为风电机组可用的最大发电功率，MW；Pi,t CCHP为冷热电联产机组的发电功率，MW；Pi,t load为系统中电用户的用电负荷，MW；Pi,t EHP为热泵耗电功率，MW。
冷/热功率需满足式(14)网络中用户的供冷/供热负荷：
Figure BDA0002749302720000051
式中，Qi,t load为系统中用户的冷/热负荷需求，MW；Qi,t CCHP为冷热电联产机组的供冷/热功率，MW；Qi,t EHP为热泵制冷/制热功率，MW；Qi,t HIS为冷热双蓄装置的蓄放功率，MW。
电热能源综合系统的约束条件由上述各组件的运行条件式(1)-(12)以及系统供电和供冷/供热平衡条件式(13)和式(14)所组成。
提出的含冷热双蓄式热泵设备的电热综合能源系统模型的目标是在满足电热综合能源系统的运行条件下，合理规划出热泵及冷热双蓄装置的容量与安装地点，使得电热综合能源系统的新建成本最低及系统的总煤耗最小，其目标函数如式(15)-(20)所示：
Figure BDA0002749302720000052
Figure BDA0002749302720000053
Figure BDA0002749302720000054
Figure BDA0002749302720000055
Figure BDA0002749302720000056
Figure BDA0002749302720000057
式中，Ii EHP、Ij HIS为热泵、冷热双蓄装置的新建成本，$；λEHP、λHIS为热泵、冷热双蓄装置的新建折算系数；Pi EHP为热泵耗电功率，MW；Qj HIS为冷热双蓄装置的额定蓄放功率，MW；Ci,t TP、Ci,t CCHP为火电机组、冷热电联产机组的运行成本，$；μTP为火电机组供电的标煤折算系数；Pi,t TP为火电机组的发电功率，MW；Pi,t CCHP为冷热电联产机组的发电功率，MW；Qi,t CCHP为冷热电联产机组的供冷/热功率，MW；μP CCHP、μQ CCHP为冷热电联产机组的供电、供冷/供热的标煤折算系数。
步骤四：综合上述三个步骤构建出含冷热双蓄式热泵设备的电热综合能源系统模型，通过步骤一、二所述的约束条件和步骤三所述的电、热、冷负荷供需平衡关系及多目标函数，对冷热双蓄式热泵设备的容量及安装地点进行规划，解除热泵机组出力及容量限制，使更多的弃风得到消纳，有效促进全年风电能源的合理利用；并且使冷热双蓄式热泵设备及供热/供冷管网的新建成本和电热综合能源系统煤耗最低，提高整个电热综合能源系统的合理性、经济性、环保性和可靠性。
含冷热双蓄式热泵设备的电热综合能源系统的规划过程描述为在满足电网潮流、火电机组爬坡、冷热电联产机组爬坡、风电场发电、热泵电转化、冷热双蓄装置蓄放速率以及供冷/供热系统供需平衡约束条件下，使得冷热双蓄式热泵设备及供热/供冷管网的新建成本及电热综合能源系统总煤耗最少，建立的模型为：
Figure BDA0002749302720000061
Figure BDA0002749302720000062
Figure BDA0002749302720000063
由式(21)-(23)构成典型的含有不等式约束的非线性多目标规划问题，该问题需通过智能算法进行计算。求得各出力单元的出力情况后，按照最大出力的裕值，即能够确定出火电机组、冷热电联产机组、热泵机组、冷热双蓄装置合理规划的额定功率和容量值以及冷热双蓄式热泵设备的安装地点。
对冷热双蓄式热泵设备的容量及安装地点进行规划，解除热泵机组出力及容量限制，使更多的弃风得到消纳，有效促进全年风电能源的合理利用；并且使冷热双蓄式热泵设备及供热/供冷管网的新建成本和系统煤耗最低，提高整个电热综合能源系统的合理性、经济性、环保性和可靠性。
作为优选，所述的裕值取105％。
有益效果：
1、本发明公开的一种冷热双蓄式热泵设备规划方法，在电热综合能源系统中引入冷热双蓄装置，解耦冷电/热电之间因传统冷电/热电联产“以冷/热定电”导致的强相互关系，进一步地加强供电与供冷/供热系统之间的协调能力，增加电热综合能源系统的经济优势。
2、本发明公开的一种冷热双蓄式热泵设备规划方法，根据各机组运行约束和电、热、冷负荷供需平衡关系构建含冷热双蓄式热泵设备的电热综合能源系统模型，并提出使冷热双蓄式热泵设备及供热/供冷管网的新建成本最低、且使系统煤耗最低的多目标函数，进而对冷热双蓄式热泵设备的容量及安装地点进行规划，解除热泵机组出力及容量限制，使更多的弃风得到消纳，有效促进全年风电能源的合理利用；并且使冷热双蓄式热泵设备及供热/供冷管网的新建成本和系统煤耗最低，提高整个电热综合能源系统的合理性、经济性、环保性和可靠性。
附图说明
图1是本发明所述的一种冷热双蓄式热泵设备规划方法示意图。
图2是本发明所述的含冷热双蓄式热泵设备的电热综合能源系统示意图。
图3是本发明冷热双蓄式热泵设备配置地点示意图。
图4是本发明实例的冬季典型日电热负荷和风电出力曲线图。
图5是本发明实例步骤五的模式1各单元电出力。
图6是本发明实例步骤五的模式1各单元热出力。
图7是本发明实例步骤五的模式1风电使用情况。
图8是本发明实例步骤五的模式2各单元电出力。
图9是本发明实例步骤五的模式2各单元热出力。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
选择冬季典型供暖日数据，即图4所示的日电负荷、日热负荷及日风电功率曲线，进行某区域冷热双蓄式热泵设备冬季供暖时的容量规划分析，使得此区域冬季供电供暖的煤耗最小。
如图1所示，本实施例公开的一种冷热双蓄式热泵设备规划方法，具体实现步骤如下：
步骤一：根据冬季供暖典型日的各单元电负荷峰值和谷值，除风电机组外，负荷峰值、谷值分别作为各单元的最大、最小出力。基于风电机组、火电机组、热电联产机组装置的出力特性，对各机组进行建模，给出机组的约束条件。
步骤1.1：对风电机组建模。
风电机组可用的风电发电功率需受式(1)可用最大发电功率来约束：
Figure BDA0002749302720000071
式中，pi,t WP为风电机组可用的发电功率，MW。
步骤1.2：对火电机组建模。
火电机组的发电功率受式(2)自身额定发电功率的约束以及式(3)爬坡约束：
Figure BDA0002749302720000072
Figure BDA0002749302720000073
式中，Pi,t TP为火电机组的发电功率，MW。
步骤1.3：对热电联产机组建模。
热电联产机组的出力特性均可由式(4)和(5)表示。
Figure BDA0002749302720000074
Figure BDA0002749302720000081
0≤αi,t≤1
式中，Pi,t CCHP为热电联产机组的发电功率，MW；Qi,t CCHP为热电联产机组的供热功率，MW；Pi CCHP，Qi CCHP为热电联产机组的额定电、热功率，MW；αi,t为热电联产机组出力系数。
热电联产机组的出力需受式(6)自身额定功率的约束以及式(7)爬坡约束：
Figure BDA0002749302720000082
Figure BDA0002749302720000083
式中，Pi,t CCHP为热电联产机组的发电功率，MW。
步骤二：基于热网侧热泵、冷热双蓄装置的出力特性，建立热网侧的供热系统模型，并给出约束条件；在电热综合能源系统中引入冷热双蓄装置，解耦热电之间因传统热电联产“以热定电”导致的强相互关系，进一步地加强供电与供热系统之间的协调能力，降低电热综合能源系统的运行成本。
一般集中供热系统中包含热源、一次管网、换热站、二次管网和热用户，但由于实际集中供热系统中热用户分布的范围十分广泛，对应的二次管网线路也十分复杂，因此本例在进行供热系统网络建模中未将复杂的供热管网纳入其中，只针对热源及热用户进行建模，这里的用户热负荷指的是每个调度时段集中供暖范围内所有用户的热负荷之和。
步骤2.1：对热泵机组建模。
热泵供热功率由式(8)求得：
Figure BDA0002749302720000084
式中，Qi,t EHP为热泵产热功率，MW；Pi,t EHP为热泵耗电功率，MW；COP为热泵能效系数。
热泵的产热功率应受式(9)自身额定产热功率的约束：
Figure BDA0002749302720000085
式中，Qi,t EHP为热泵产热功率，MW。
步骤2.2：对冷热双蓄装置建模。
以往研究发现，冷热双蓄装置冬季蓄热的日热损失不足1％，故在本例建模时不做考虑。冷热双蓄装置的运行受式(10)-(12)容量约束以及蓄、放热能力约束：
Figure BDA0002749302720000086
Figure BDA0002749302720000087
Figure BDA0002749302720000088
式中，Si,t HIS为冷热双蓄装置容量，MW·h；Si,max HIS、Si,min HIS为冷热双蓄装置容量的上下限，MW·h；Qi,t,c HIS、Qi,t,f HIS为冷热双蓄装置的蓄、放热功率，MW；Qi,c,max HIS、Qi,f,max HIS为冷热双蓄装置的最大极限蓄、放热功率，MW。
步骤三：构建电热综合能源系统的电、热负荷供需平衡关系，并提出使含冷热双蓄式热泵设备的电热综合能源系统煤耗最低的多目标函数。
每个调度时段中电力有功功率需按式(13)保持平衡：
Figure BDA0002749302720000091
式中，Pi,t TP为火电机组的发电功率，MW；Pi,t WP为风电机组可用的最大发电功率，MW；Pi,t CCHP为热电联产机组的发电功率，MW；Pi,t load为系统中电用户的用电负荷，MW；Pi,t EHP为热泵耗电功率，MW。
热功率需满足式(14)此区域中用户的热负荷：
Figure BDA0002749302720000092
式中，Qi,t load为系统中用户的热负荷需求，MW；Qi,t CCHP为热电联产机组的供热功率，MW；Qi,t EHP为热泵制热功率，MW；Qi,t HIS为冷热双蓄装置的蓄放功率，MW。
根据典型日的负荷数据得μTP＝0.4MW，μP CCHP＝0.38MW，μQ CCHP＝0.11MW。含冷热双蓄式热泵设备的电热综合能源模型的煤耗最低目标函数如式(15)-(17)所示：
Figure BDA0002749302720000093
Figure BDA0002749302720000094
Figure BDA0002749302720000095
式中，Ci,t TP、Ci,t CCHP为火电机组、热电联产机组的运行成本，$；Pi,t TP为火电机组的发电功率，MW；Pi,t CCHP为热电联产机组的发电功率，MW；Qi,t CCHP为热电联产机组的供热功率，MW。
步骤四：综合上述三个步骤构建出含冷热双蓄式热泵设备的电热综合能源系统模型，通过步骤一、二所述的约束条件和步骤三所述的电、热负荷供需平衡关系及目标函数，对冷热双蓄式热泵设备的容量进行规划，解除热泵机组出力及容量限制，使更多的弃风得到消纳，有效促进全年风电能源的合理利用；并且使电热综合能源系统煤耗最低，提高整个电热综合能源系统的合理性、经济性、环保性和可靠性。
根据冬季典型日负荷数据建立的含热泵和冷热双储装置的电热综合能源系统的容量规划数学模型为：
Figure BDA0002749302720000096
Figure BDA0002749302720000101
由式(18)-(19)构成典型的含有不等式约束的非线性多目标规划问题，该问题需通过智能算法进行计算。求得各出力单元的出力情况后，按照最大出力的裕值，即能够确定出火电机组、冷热电联产机组、热泵机组、冷热双蓄装置合理规划的额定功率和容量值。
所述的裕值取105％。
步骤五：与含热泵的传统热电联调调度模式在风电消纳量方面进行比较，验证基于容量规划的含冷热双蓄式热泵的电热综合能源调度模式的优越性。
模式1给定供能单元的容量Pi,max TP＝12MW、Pi,max CCHP＝12MW、Qi,max EHP＝6MW。在供热系统中引入热泵机组辅助供热后，模式1一定程度上可缓解热电联产机组“以热定电”的供能模式。在供热高峰期，取代部分由热电联产机组承担的热负荷，消减热电联产机组的电出力，释放电力系统接纳风电的容量，减小系统的弃风电量。如图5所示，由于火电机组、热电机组和热泵机组的出力限制，会产生过剩电量，需反馈至外部电网。如图6所示，热泵大部分时间工作在最大负荷，热泵可靠性会受到极大挑战，系统会出现弃风情况，如图7所示模式1下弃风量达14.07％。
模式2是在模式1的基础上引入冷热双蓄装置，并根据各供能设备的出力特性，合理地规划各供能单元出力，如图8所示，系统能够实现供电与耗电的内部平衡，不会产生过剩电量，规划后供能单元的容量为Pi,max TP＝0MW、Pi,max CCHP＝12.8MW、Qi,max EHP＝9.5MW、Si,max HIS＝26.7MW·h。由图9可知，在解除热泵机组出力及容量限制后，热泵出力值增加，模式1在23:00-次日6:00出现的弃风得到消纳，从而实现整个系统100％的风电消纳。
含冷热双蓄式热泵的电热综合能源系统的电出力以及热出力相对于原始日电负荷、日热负荷需求变得更加平滑，实现了热负荷及电负荷的“削峰填谷”，提升了电热综合能源系统的灵活性。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，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。

Claims (6)

1.一种冷热双蓄式热泵设备规划方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：基于风电机组、火电机组、冷热电联产机组装置的出力特性，对各机组进行建模，给出机组的约束条件；
含冷热双蓄式热泵设备的电热综合能源系统由电网和供冷、供热管网组成；供热时，该电热综合能源系统电网与热网之间协同运行，各电源在调度时间内既要满足用户电负荷需求，同时还要满足热网中热泵机组的电能消耗，用户热负荷由热电联产、热泵及冷热双蓄装置共同提供；其中电网侧的电能分别来自风电机组、火电机组、热电联产机组；在需要进行供冷时，通过改变电热综合能源系统中热电联产机组的工作模式进行冷电联产，配合冷热双蓄式热泵设备供给系统冷负荷；
步骤二：基于热网侧热泵、冷热双蓄装置的出力特性，建立热网侧的供冷/供热系统模型，并给出约束条件；在电热综合能源系统中引入冷热双蓄装置，解耦冷电/热电之间因传统冷电/热电联产“以冷/热定电”导致的强相互关系，进一步地加强供电与供冷/供热系统之间的协调能力，降低电热综合能源系统的运行成本；
步骤三：构建电热综合能源系统的电、热、冷负荷供需平衡关系，并提出使冷热双蓄式热泵设备及供热/供冷管网的新建成本最低、且使电热综合能源系统煤耗最低的多目标函数；
步骤四：综合上述三个步骤构建出含冷热双蓄式热泵设备的电热综合能源系统模型，通过步骤一、二所述的约束条件和步骤三所述的电、热、冷负荷供需平衡关系及多目标函数，对冷热双蓄式热泵设备的容量及安装地点进行规划，解除热泵机组出力及容量限制，使更多的弃风得到消纳，有效促进全年风电能源的合理利用；并且使冷热双蓄式热泵设备及供热/供冷管网的新建成本和电热综合能源系统煤耗最低，提高整个电热综合能源系统的合理性、经济性、环保性和可靠性。
2.如权利要求1所述的一种冷热双蓄式热泵设备规划方法，其特征在于：步骤一实现方法为，
步骤1.1：对风电机组建模；
风电机组的有功输出主要由其风能产生的功率决定，由于风能产生自身所具有的随机性决定了风电机组有功输出的随机性；当具有随机波动特性的风电机组大规模并入电网之后，会给电力系统的安全运行带来巨大影响；因此，可用的风电出力需受式(1)风电机组最大出力来约束：
Figure FDA0004185391240000011
式中，pi,t WP为风电机组可用的发电功率，MW；Pi,t WP为风电机组可用的最大发电功率，MW；
步骤1.2：对火电机组建模；
火电机组的发电功率受式(2)自身额定发电功率的约束以及式(3)爬坡约束：
Figure FDA0004185391240000021
Figure FDA0004185391240000022
式中，Pi,t TP为火电机组的发电功率，MW；Pi,max TP、Pi,min TP为火电机组出力值的上下限，MW；RUi TP、RDi TP为火电机组出力的变化速率上下限，MW/h；ΔT为变化时间；
步骤1.3：对冷热电联产机组建模；
冷热电联产机组(combined cooling heating andpower,CCHP)是指锅炉产生的蒸汽在背压汽轮机或调节抽汽式汽轮机做功发电，其排汽或抽汽，除满足包括供热的各种热负荷外，还用做吸收式制冷机的工作蒸汽，利用热能产生冷水用于制冷；供热时进行热电联产，配合冷热双蓄式热泵设备为系统供热；而在需要进行供冷时，通过改变电热综合能源系统中热电联产机组的工作模式进行冷电联产，配合冷热双蓄式热泵设备供给系统冷负荷；
热电联产机组、冷电联产机组两种机组的出力特性均由式(4)和(5)表示；
Figure FDA0004185391240000023
Figure FDA0004185391240000024
0≤αi,t≤1
式中，Pi,t CCHP为冷热电联产机组的发电功率，MW；Qi,t CCHP为冷热电联产机组的供冷/热功率，MW；Pi CCHP，Qi CCHP为冷热电联产机组的额定电、冷/热功率，MW；αi,t为冷热电联产机组出力系数；
此外，与火电机组类似，冷热电联产机组的出力需受式(6)自身额定功率的约束以及式(7)爬坡约束：
Figure FDA0004185391240000025
Figure FDA0004185391240000026
式中，Pi,t CCHP为冷热电联产机组的发电功率，MW；Pi,max CCHP、Pi,min CCHP为冷热电联产机组出力值的上下限，MW；RUi CCHP、RDi CCHP为冷热电联产机组出力的变化速率上下限，MW/h；ΔT为变化时间。
3.如权利要求2所述的一种冷热双蓄式热泵设备规划方法，其特征在于：为用户提供的冷/热量来自热管网中的热泵(electric heat pumps,EHP)、冷热双蓄装置(heat and icestorage,HIS)、冷热电联产机组；
步骤二实现方法为，
步骤2.1：对热泵机组建模；
热泵设备供热时，通过电机驱动压缩机使循环工质通过蒸发器不断地从低温环境中吸热，通过冷凝器向高温环境放热，从而达到持续供热的循环过程；供冷时，室内空调末端制冷，室内换热器吸收的热量连同压缩机工作时产生的热量一起流向室外环境；
热泵供冷/热功率表达式如式(8)所示；
Figure FDA0004185391240000031
式中，Qi,t EHP为热泵制冷/制热功率，MW；Pi,t EHP为热泵耗电功率，MW；COP为热泵能效系数；
此外，热泵的制冷/制热功率应受式(9)自身额定功率的约束：
Figure FDA0004185391240000032
式中，Qi,t EHP为热泵制冷/制热功率，MW；Qi,max EHP、Qi,min EHP为热泵制冷/制热功率的上下限，MW；
步骤2.2：对冷热双蓄装置建模；
在电热综合能源系统中引入冷热双蓄装置，解耦冷电/热电之间因传统冷电/热电联产“以冷/热定电”导致的强相互关系，进一步地加强供电与供冷/供热系统之间的协调能力，降低电热综合能源系统的运行成本；
冷热双蓄装置建设在供冷/供热系统的源侧，连接源与供冷/供热网络；冷热双蓄装置的运行受式(10)-(12)容量约束以及蓄、放能力约束：
Figure FDA0004185391240000033
Figure FDA0004185391240000034
Figure FDA0004185391240000035
式中，Si,t HIS为冷热双蓄装置容量，MW·h；Si,max HIS、Si,min HIS为冷热双蓄装置容量的上下限，MW·h；Qi,t,c HIS、Qi,t,f HIS为冷热双蓄装置的蓄、放功率，MW；Qi,c,max HIS、Qi,f,max HIS为冷热双蓄装置的最大极限蓄、放功率，MW。
4.如权利要求3所述的一种冷热双蓄式热泵设备规划方法，其特征在于：步骤三实现方法为，
基于直流潮流方式建立电力系统模型，每个调度时段中电力有功功率需按式(13)保持平衡：
Figure FDA0004185391240000036
式中，Pi,t TP为火电机组的发电功率，MW；Pi,t WP为风电机组可用的最大发电功率，MW；Pi,t CCHP为冷热电联产机组的发电功率，MW；Pi,t load为系统中电用户的用电负荷，MW；Pi,t EHP为热泵耗电功率，MW；
冷/热功率需满足式(14)网络中用户的供冷/供热负荷：
Figure FDA0004185391240000037
式中，Qi,t load为系统中用户的冷/热负荷需求，MW；Qi,t CCHP为冷热电联产机组的供冷/热功率，MW；Qi,t EHP为热泵制冷/制热功率，MW；Qi,t HIS为冷热双蓄装置的蓄放功率，MW；
电热能源综合系统的约束条件由上述各组件的运行条件式(1)-(12)以及系统供电和供冷/供热平衡条件式(13)和式(14)所组成；
提出的含冷热双蓄式热泵设备的电热综合能源系统模型的目标是在满足电热综合能源系统的运行条件下，合理规划出热泵及冷热双蓄装置的容量与安装地点，使得电热综合能源系统的新建成本最低及系统的总煤耗最小，其目标函数如式(15)-(20)所示：
Figure FDA0004185391240000041
Figure FDA0004185391240000042
Figure FDA0004185391240000043
Figure FDA0004185391240000044
Figure FDA0004185391240000045
Figure FDA0004185391240000046
式中，Ii EHP、Ij HIS为热泵、冷热双蓄装置的新建成本，$；λEHP、λHIS为热泵、冷热双蓄装置的新建折算系数；Pi EHP为热泵耗电功率，MW；Qj HIS为冷热双蓄装置的额定蓄放功率，MW；Ci,t TP、Ci,t CCHP为火电机组、冷热电联产机组的运行成本，$；μTP为火电机组供电的标煤折算系数；Pi,t TP为火电机组的发电功率，MW；Pi,t CCHP为冷热电联产机组的发电功率，MW；Qi,t CCHP为冷热电联产机组的供冷/热功率，MW；μP CCHP、μQ CCHP为冷热电联产机组的供电、供冷/供热的标煤折算系数。
5.如权利要求4所述的一种冷热双蓄式热泵设备规划方法，其特征在于：步骤四实现方法为，
含冷热双蓄式热泵设备的电热综合能源系统的规划过程描述为在满足电网潮流、火电机组爬坡、冷热电联产机组爬坡、风电场发电、热泵电转化、冷热双蓄装置蓄放速率以及供冷/供热系统供需平衡约束条件下，使得冷热双蓄式热泵设备及供热/供冷管网的新建成本及电热综合能源系统总煤耗最少，建立的模型为：
Figure FDA0004185391240000047
Figure FDA0004185391240000048
Figure FDA0004185391240000049
由式(21)-(23)构成典型的含有不等式约束的非线性多目标规划问题，该问题需通过智能算法进行计算；求得各出力单元的出力情况后，按照最大出力的裕值，即能够确定出火电机组、冷热电联产机组、热泵机组、冷热双蓄装置合理规划的额定功率和容量值以及冷热双蓄式热泵设备的安装地点；
对冷热双蓄式热泵设备的容量及安装地点进行规划，解除热泵机组出力及容量限制，使更多的弃风得到消纳，有效促进全年风电能源的合理利用；并且使冷热双蓄式热泵设备及供热/供冷管网的新建成本和系统煤耗最低，提高整个电热综合能源系统的合理性、经济性、环保性和可靠性。
6.如权利要求5所述的一种冷热双蓄式热泵设备规划方法，其特征在于：所述的裕值取105％。
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