CN112434915A - 面向弃风消纳的区域综合能源系统灵活性优化配置方法 - Google Patents

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CN112434915A CN202011236541.6A CN202011236541A CN112434915A CN 112434915 A CN112434915 A CN 112434915A CN 202011236541 A CN202011236541 A CN 202011236541A CN 112434915 A CN112434915 A CN 112434915A
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Abstract

本发明属于综合能源系统优化运行技术领域，特别涉及一种面向弃风消纳的区域综合能源系统灵活性优化配置方法。包括以下步骤：(1)确定能源枢纽的结构，包括能源传输设备、能源转换设备和能源存储设备，设置灵活性选项SW1；(2)根据典型日负荷与风电数据确定控制变量的上下限与控制变量初值；(3)设置目标函数选项SW2，根据步骤(2)的得到的控制变量初值以及上线限约束内，建立以运行成本、弃风惩罚成本和购售电成本最少为目标的优化配置模型；(4)在各设备的约束条件下，通过非线性规划求解方法求解优化配置模型的目标函数，得出区域综合能源系统优化运行方案。提高对弃风的消纳能力，提高能源使用效率，降低区域综合能源系统的运行费用。

Description

面向弃风消纳的区域综合能源系统灵活性优化配置方法
技术领域
本发明属于综合能源系统优化运行技术领域，特别涉及一种面向弃风消纳的区域综合能源系统灵活性优化配置方法。
背景技术
大规模接入可再生能源给电力系统的灵活、可靠、经济运行带来了新的问题与挑战。可再生能源在一定程度上会影响电力系统的安全稳定运行，但可控性较强的可再生能源在一定情况下可以转化成灵活性资源，会对电力系统灵活性产生积极的作用。在保证可再生能源稳定出力的情况下，合适容量的可再生能源并网可以减少传统机组的出力，改善电力系统运行的状态，从而提高电力系统的调节能力。理论上，可再生能源的渗透率越高，系统所能提供的灵活性数量越多，但其所带来的不确定也越多，因此，可再生能源作为灵活性需求和作为灵活性资源时有转换条件或要求，如何保证不确定性和灵活性之间的平衡是有效利用可再生能源提高灵活性的重点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种面向弃风消纳的区域综合能源系统灵活性优化配置方法，提高对弃风的消纳能力，提高能源使用效率，降低区域综合能源系统的运行费用。
本发明是这样实现的，一种面向弃风消纳的区域综合能源系统灵活性优化配置方法，包括以下步骤：
(1)确定能源枢纽的结构，包括能源传输设备、能源转换设备和能源存储设备，设置灵活性选项SW1；
(2)根据典型日负荷与风电数据确定控制变量的上下限与控制变量初值；
(3)设置目标函数选项SW2，根据步骤(2)的得到的控制变量初值以及上线限约束内，建立以运行成本、弃风惩罚成本和购售电成本最少为目标的优化配置模型；
(4)在各设备的约束条件下，通过非线性规划求解方法求解优化配置模型的目标函数，得出区域综合能源系统优化运行方案。
进一步地，步骤(2)中的数据包括风电出力数据以及典型日需求数据，通过步骤2确定控制变量的上下限与控制变量初值。
进一步地，步骤(3)各设备的优化配置模型包括：锅炉的电热转换模型为：
Qeb＝ηeb·Peb
式中，Qeb为电锅炉供热功率；Peb为电锅炉的电功率；ηeb为电锅炉的热效率；
热泵的热电转换系数COP的数学表达式为:
Figure BDA0002766895740000021
式中，Q0为热泵从低品位热源吸收的能量；Php为热泵的输入功率。
储热装置热量由CHP和电制热设备提供，根据综合能源系统需求侧变化及风电波动情况进行蓄热或放热，储热装置模型为：
Rs,t-Rs,t-1-Qloss,t＝Qs,t
Qloss,t＝ηs·Rs,t-1
Figure BDA0002766895740000022
Figure BDA0002766895740000023
式中，Rs,t表示在t时刻存储的总热量，Qloss,t表示在t时刻的热量损失，Qs,t是在t时刻吸热/放热的热量，ηs表示损耗因子。
进一步地，步骤(3)中所述优化配置模型的目标函数为：
Figure BDA0002766895740000024
Fchp为CHP的运行成本：
Figure BDA0002766895740000031
λchp为煤耗价格，T表示总的时段数，n表示CHP的机组数，
Figure BDA0002766895740000032
表示t时刻第i台CHP的煤耗量。
Figure BDA0002766895740000033
为弃风惩罚成本：
Figure BDA0002766895740000034
Figure BDA0002766895740000035
为弃风的惩罚系数，m为风电机组数，
Figure BDA0002766895740000036
是表示t时刻第j台风电机组的弃风量；
Fex为购售电成本：
Figure BDA0002766895740000037
λex,t表示t时刻购售电价格，Pex,t表示t时刻与外电网功率。
进一步地，步骤(3)所述优化配置模型约束条件为：
电功率平衡约束：
Figure BDA0002766895740000038
式中，
Figure BDA0002766895740000039
表示在t时刻第j台风机实际的发电量，Pex,t表示外电网的交换电量，Peb,t表示在t时刻第k台电锅炉的耗电量；Php,t表示在t时刻第h台热泵的耗电量，
Figure BDA00027668957400000310
表示参与需求响应后的电负荷需求，
Figure BDA00027668957400000311
表示t时刻网损；
热功率平衡约束：
Figure BDA00027668957400000312
Figure BDA00027668957400000313
表示第k台电锅炉的产热量，
Figure BDA00027668957400000314
分别表示第h台热泵的产热量，
Figure BDA00027668957400000315
表示第g台储热的吸放热量，
Figure BDA00027668957400000316
参与需求响应后的热负荷需求，
Figure BDA00027668957400000317
表示t时刻热损；
CHP热电耦合运行约束：
Figure BDA0002766895740000041
Figure BDA0002766895740000042
max(Cv·Qchp,t+Pchp,D,Cm·Qchp,t+Pchp,C)≤Pchp,t≤(Cv·Qchp,t+Pchp,A)
式中，Pchp,t表示t时刻CHP的电功率和Qchp,t表示t时刻CHP的热功率；Pchp 表示CHP电功率的下限和
Figure BDA0002766895740000043
表示CHP电功率的上限，Qchp 表示CHP热功率的下限，
Figure BDA0002766895740000044
表示CHP热功率的上限，Cv以及Cm为CHP的热电耦合参数。
风电出力约束：
Figure BDA0002766895740000045
式中，
Figure BDA0002766895740000046
为t时刻风电的预测发电量，
Figure BDA0002766895740000047
为t时刻风电的实际发电量，两者之差为t时刻风电的弃风量：
Figure BDA0002766895740000048
式中，
Figure BDA0002766895740000049
为t时刻风电的弃风量。
储热约束：
储热装置的热平衡约束为：
Rs,t-Rs,t-1-Qloss,t＝Qs,t
Qloss,t＝ηs·Rs,t-1
Figure BDA00027668957400000410
Figure BDA00027668957400000411
式中，Rs,t表示在t时刻存储的总热量，Qloss,t表示在t时刻的热量损失，Qs,t是在t时刻吸热/放热的热量，ηs表示损耗因子，Rs 表示储热存储热量的下限，
Figure BDA00027668957400000412
表示储热存储热量的上限，Qs 表示储热和放热的下限和
Figure BDA00027668957400000413
表示储热和放热的上限；
热泵的容量约束为：
Figure BDA0002766895740000051
式中，Qhp 表示热泵热输出的下限，
Figure BDA0002766895740000052
表示热泵热输出的上限；
电锅炉也通过消耗电能来产生热量，电锅炉模型为：
Figure BDA0002766895740000053
Qeb,t＝ηeb·Peb,t
式中，Qeb 表示了电锅炉热输出的下限，
Figure BDA0002766895740000054
表示了电锅炉热输出的上限，Qeb,t表示t时刻电锅炉的热输出，Peb,t表示电锅炉的电功率。ηeb为电锅炉的热效率。
进一步地，步骤(4)采用Matlab中的fmincon函数对所设计的优化配置模型进行求解。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
在综合能源系统中加入电制热、储热以及电力需求侧管理等灵活性及其组合，与CHP、风电场等优化运行，能够在很大程度上促进风电的消纳，减少系统运行成本，特别是在冬季效果尤为明显。
除了电锅炉、热泵、储热等灵活性外，也可以考虑负荷侧的灵活性调整，本发明建立的热负荷时滞性模型，在不增加投资的情况下，在一定程度上提高了弃风消纳率。
对于一个孤立的综合能源系统，多种灵活性都采用时优化运行后结果好于单一的灵活性，弃风大大减少，运行成本下降。如果综合能源系统与外电网相连且允许交换功率，弃风将进一步减少，如果电网对电力交换没有限制，并且如果售电价格合适，可以达到弃风完全消纳。
本发明构建了以电热综合能源系统灵活性为决策变量、以系统运行安全为约束条件、以减少运行成本、弃风成本、购售电成本等为目标的灵活性优化运行模型，可以显著增加消纳风电的能力，减少系统运行成本，实现节能与环保。
本发明在综合能源系统中加入电锅炉、热泵、储热以及电力需求侧响应等灵活性及其组合，与CHP、风电场等优化运行，能够在很大程度上促进风电的消纳。
附图说明
图1是本发明提供的流程图；
图2为综合能源系统的能源枢纽结构；
图3为区域综合能源系统四季典型日需求侧曲线；
图4为不同季节各种灵活性组合下系统的弃风率；
图5为不同季节各种灵活性组合下系统的运行成本。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。如图1所示，本发明提供的面向弃风消纳的区域综合能源系统灵活性优化配置方法包含下述步骤：
(1)确定能源枢纽的结构，包括能源传输设备、能源转换设备和能源存储设备，设置灵活性选项SW1；
(2)根据典型日负荷与风电数据确定控制变量的上下限与控制变量初值；
(3)设置目标函数选项SW2，根据步骤(2)的得到的控制变量初值以及上线限约束内，建立以运行成本(SW2＝1)、弃风惩罚成本(SW2＝2)和购售电成本(SW2＝3)最少为目标的优化配置模型；
(3)建立以运行成本、弃风惩罚成本和购售电成本最少为目标的步骤1确定的各设备的优化配置模型；
(4)在各设备的约束条件下，通过非线性规划求解方法求解优化配置模型的目标函数，得出区域综合能源系统优化运行方案。
具体地，
1、确定能源枢纽的结构，如图2所示。其中的灵活性设备包括热泵(Heat Pump，HP)、电锅炉(Electric Boiler，EB)、储热(Heat Storage，HS)设备等。
所涉及设备模型建立如下：
电锅炉是一种将电能转化为热能的电加热装置。电锅炉的电热转换模型为：
Qeb＝ηeb·Peb
式中，Qeb为电锅炉供热功率；Peb为电锅炉的电功率；ηeb为电锅炉的热效率，即热电之间转换效率，通常电锅炉的热效率为95％以上。
热泵是近年来在能源系统广泛应用的一种高效节能装置，热泵的性能通过热电转换系数COP来评价，它是指热泵为系统提供的热量与所消耗的电能或热能的比值。不考虑装置散热损失，根据热量守恒原理，热电转换系数COP的数学表达式为:
Figure BDA0002766895740000071
式中，Q0为热泵从低品位热源吸收的能量；Php为热泵的输入功率。
储热装置热量由CHP和电制热设备提供，根据综合能源系统需求侧变化及风电波动情况进行蓄热或放热。储热装置模型为：
Rs,t-Rs,t-1-Qloss,t＝Qs,t
Qloss,t＝ηs·Rs,t-1
Figure BDA0002766895740000072
Figure BDA0002766895740000073
式中，Rs,t表示在t时刻存储的总热量，Qloss,t表示在t时刻的热量损失，Qs,t是在t时刻吸热/放热的热量。ηs表示损耗因子。
2、通过典型日负荷与风电数据确定控制变量的上下限与控制变量初值，表1中给出的价格示例对应于研究区域中的煤炭价格，正常电力交换的价格和风力限电的罚款价格。
表1系统参数
Figure BDA0002766895740000081
3、构建以运行成本、弃风成本、购电成本等综合成本为优化目标的优化模型：
(1)
Figure BDA0002766895740000082
Fchp为CHP的运行成本：
Figure BDA0002766895740000083
λchp为煤耗价格，T表示总的时段数，n表示CHP的机组数，
Figure BDA0002766895740000084
表示t时刻第i台CHP的煤耗量。
Figure BDA0002766895740000085
为弃风惩罚成本：
Figure BDA0002766895740000086
Figure BDA0002766895740000091
为弃风的惩罚系数，m为风电机组数，
Figure BDA0002766895740000092
是表示t时刻第j台风电机组的弃风量。
Fex为购售电成本：
Figure BDA0002766895740000093
λex,t、Pex,t表示t时刻购售电价格及与外电网功率。
(2)约束条件为
电功率平衡约束：
Figure BDA0002766895740000094
式中，
Figure BDA0002766895740000095
表示在t时刻第j台风机实际的发电量，Pex,t表示外电网的交换电量，Peb,t和Php,t分别表示在t时刻第k台电锅炉和第h台和热泵的耗电量，
Figure BDA0002766895740000096
表示参与需求响应后的电负荷需求，
Figure BDA0002766895740000097
表示t时刻网损。
热功率平衡约束：
Figure BDA0002766895740000098
Figure BDA0002766895740000099
和
Figure BDA00027668957400000910
分别表示第k台电锅炉和第h台热泵的产热量，
Figure BDA00027668957400000911
表示第g台储热的吸放热量，
Figure BDA00027668957400000912
参与需求响应后的热负荷需求，
Figure BDA00027668957400000913
表示t时刻热损。
CHP热电耦合运行约束：
Figure BDA00027668957400000914
Figure BDA00027668957400000915
max(Cv·Qchp,t+Pchp,D,Cm·Qchp,t+Pchp,C)≤Pchp,t≤(Cv·Qchp,t+Pchp,A)
式中，Pchp,t和Qchp,t表示t时刻CHP的电功率和热功率；Pchp 和
Figure BDA00027668957400000916
表示CHP电功率的下限和上限，Qchp 和
Figure BDA00027668957400000917
表示CHP热功率的下限和上限。Cv、Cm为CHP的热电耦合参数。
风电出力约束：
Figure BDA00027668957400000918
式中，
Figure BDA0002766895740000101
为t时刻风电的预测发电量，
Figure BDA0002766895740000102
为t时刻风电的实际发电量，两者之差为t时刻风电的弃风量：
Figure BDA0002766895740000103
式中，
Figure BDA0002766895740000104
为t时刻风电的弃风量。
储热约束：
储热装置的热平衡约束为：
Rs,t-Rs,t-1-Qloss,t＝Qs,t
Qloss,t＝ηs·Rs,t-1
Figure BDA0002766895740000105
Figure BDA0002766895740000106
式中，Rs,t表示在t时刻存储的总热量，Qloss,t表示在t时刻的热量损失，Qs,t是在t时刻吸热/放热的热量。ηs表示损耗因子，由于储热设备的隔热非常好，通常该值很小。Rs 和
Figure BDA0002766895740000107
和表示储热存储热量的下限和上限，Qs 和
Figure BDA0002766895740000108
表示储热和放热的下限和上限。
热泵的容量约束为：
Figure BDA0002766895740000109
式中，Qhp 和
Figure BDA00027668957400001010
表示热泵热输出的下限和上限。
电锅炉也通过消耗电能来产生热量，电锅炉模型为：
Figure BDA00027668957400001011
Qeb,t＝ηeb·Peb,t
式中，Qeb 和
Figure BDA00027668957400001012
和表示了电锅炉热输出的下限和上限，Qeb,t表示t时刻电锅炉的热输出，Peb,t表示电锅炉的电功率。ηeb为电锅炉的热效率。
4、通过Matlab中的fmincon函数对所设计的优化模型进行求解，所研究的区域综合能源系统需求侧一年四季的典型日电力和热力需求曲线如图3的蓝线和红线所示，风力发电如绿线所示。热需求有明显的季节变化，而电需求在各个季节保持相对稳定。图4显示了不同季节各种灵活性组合下系统的弃风率。图5为不同季节各种灵活性组合下系统的运行成本，结果表明，在综合能源系统中加入电制热、储热以及电力需求侧管理等灵活性及其组合，与CHP、风电场等优化运行，能够在很大程度上促进风电的消纳，减少系统运行成本，特别是在冬季效果尤为明显。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种面向弃风消纳的区域综合能源系统灵活性优化配置方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)确定能源枢纽的结构，包括能源传输设备、能源转换设备和能源存储设备，设置灵活性选项SW1；
(2)根据典型日负荷与风电数据确定控制变量的上下限与控制变量初值；
(3)设置目标函数选项SW2，根据步骤(2)的得到的控制变量初值以及上线限约束内，建立以运行成本、弃风惩罚成本和购售电成本最少为目标的优化配置模型；
(4)在各设备的约束条件下，通过非线性规划求解方法求解优化配置模型的目标函数，得出区域综合能源系统优化运行方案。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，
步骤(2)中的数据包括风电出力数据以及典型日需求数据，通过步骤2确定控制变量的上下限与控制变量初值。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)各设备的优化配置模型包括：锅炉的电热转换模型为：
Qeb＝ηeb·Peb
式中，Qeb为电锅炉供热功率；Peb为电锅炉的电功率；ηeb为电锅炉的热效率；
热泵的热电转换系数COP的数学表达式为:
Figure FDA0002766895730000011
式中，Q0为热泵从低品位热源吸收的能量；Php为热泵的输入功率。
储热装置热量由CHP和电制热设备提供，根据综合能源系统需求侧变化及风电波动情况进行蓄热或放热，储热装置模型为：
Rs,t-Rs,t-1-Qloss,t＝Qs,t
Qloss,t＝ηs·Rs,t-1
Figure FDA0002766895730000021
Figure FDA0002766895730000022
式中，Rs,t表示在t时刻存储的总热量，Qloss,t表示在t时刻的热量损失，Qs,t是在t时刻吸热/放热的热量，ηs表示损耗因子。
4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述优化配置模型的目标函数为：
Figure FDA0002766895730000023
Fchp为CHP的运行成本：
Figure FDA0002766895730000024
λchp为煤耗价格，T表示总的时段数，n表示CHP的机组数，
Figure FDA0002766895730000025
表示t时刻第i台CHP的煤耗量。
Figure FDA0002766895730000026
为弃风惩罚成本：
Figure FDA0002766895730000027
Figure FDA0002766895730000028
为弃风的惩罚系数，m为风电机组数，
Figure FDA0002766895730000029
是表示t时刻第j台风电机组的弃风量；
Fex为购售电成本：
Figure FDA00027668957300000210
λex,t表示t时刻购售电价格，Pex,t表示t时刻与外电网功率。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，
步骤(3)所述优化配置模型约束条件为：
电功率平衡约束：
Figure FDA0002766895730000031
式中，
Figure FDA0002766895730000032
表示在t时刻第j台风机实际的发电量，Pex,t表示外电网的交换电量，Peb,t表示在t时刻第k台电锅炉的耗电量；Php,t表示在t时刻第h台热泵的耗电量，
Figure FDA0002766895730000033
表示参与需求响应后的电负荷需求，
Figure FDA0002766895730000034
表示t时刻网损；
热功率平衡约束：
Figure FDA0002766895730000035
Figure FDA0002766895730000036
表示第k台电锅炉的产热量，
Figure FDA0002766895730000037
分别表示第h台热泵的产热量，
Figure FDA0002766895730000038
表示第g台储热的吸放热量，
Figure FDA0002766895730000039
参与需求响应后的热负荷需求，
Figure FDA00027668957300000310
表示t时刻热损；
CHP热电耦合运行约束：
Figure FDA00027668957300000311
Figure FDA00027668957300000312
max(Cv·Qchp,t+Pchp,D,Cm·Qchp,t+Pchp,C)≤Pchp,t≤(Cv·Qchp,t+Pchp,A)
式中，Pchp,t表示t时刻CHP的电功率和Qchp,t表示t时刻CHP的热功率；Pchp 表示CHP电功率的下限和
Figure FDA00027668957300000313
表示CHP电功率的上限，Qchp 表示CHP热功率的下限，
Figure FDA00027668957300000314
表示CHP热功率的上限，Cv以及Cm为CHP的热电耦合参数。
风电出力约束：
Figure FDA00027668957300000315
式中，
Figure FDA00027668957300000316
为t时刻风电的预测发电量，
Figure FDA00027668957300000317
为t时刻风电的实际发电量，两者之差为t时刻风电的弃风量：
Figure FDA00027668957300000318
式中，
Figure FDA00027668957300000319
为t时刻风电的弃风量。
储热约束：
储热装置的热平衡约束为：
Rs,t-Rs,t-1-Qloss,t＝Qs,t
Qloss,t＝ηs·Rs,t-1
Figure FDA0002766895730000041
Figure FDA0002766895730000042
式中，Rs,t表示在t时刻存储的总热量，Qloss,t表示在t时刻的热量损失，Qs,t是在t时刻吸热/放热的热量，ηs表示损耗因子，Rs 表示储热存储热量的下限，
Figure FDA0002766895730000043
表示储热存储热量的上限，Qs 表示储热和放热的下限和
Figure FDA0002766895730000044
表示储热和放热的上限；
热泵的容量约束为：
Figure FDA0002766895730000045
式中，Qhp 表示热泵热输出的下限，
Figure FDA0002766895730000046
表示热泵热输出的上限；
电锅炉也通过消耗电能来产生热量，电锅炉模型为：
Figure FDA0002766895730000047
Qeb,t＝ηeb·Peb,t
式中，Qeb 表示了电锅炉热输出的下限，
Figure FDA0002766895730000048
表示了电锅炉热输出的上限，Qeb,t表示t时刻电锅炉的热输出，Peb,t表示电锅炉的电功率。ηeb为电锅炉的热效率。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)采用Matlab中的fmincon函数对所设计的优化配置模型进行求解。
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