CN112883571A - 一种考虑动态多能需求响应的综合能源系统规划方法 - Google Patents

Abstract

一种考虑动态多能需求响应的综合能源系统规划方法，建立动态多能源需求响应模型；根据动态多能源需求响应模型，建立考虑动态多能需求响应的综合能源系统的经济最优规划模型；求解考虑动态多能需求响应的综合能源系统的经济最优规划模型，得到综合能源系统中动态多能需求响应的响应方案。本发明能考虑非线性的成本曲线，同时考虑多能源参与的需求响应的影响，在此基础上提出的考虑动态多能需求响应的综合能源系统的经济最优规划模型，可以很好地反映不同失负荷量的更严重经济损失，并能根据该方法确定不同最优负荷响应量和最优补偿价格，进一步降低综合能源系统的总成本。

Description

一种考虑动态多能需求响应的综合能源系统规划方法

技术领域

本发明属于综合能源系统规划领域，涉及一种考虑动态多能需求响应的综合能源系统规划方法。

背景技术

全球环境问题日趋严峻，能源供需矛盾也逐渐增加，这种情况下，清洁能源与可再生能源的消费比例开始增加，能源互联网的概念开始出现，多能源互联系统也开始变得越来越重要。

在未来的能源消费结构中，天然气作为一种高效又清洁的能源，发电比例将越来越高，特别是在开采技术日渐成熟的今天，燃气发电将大大减少发电的成本。近年来，随着电热设备、气热设备、热电联产机组的广泛应用，电力系统、天然气系统和供热系统的联系日益紧密。随着热电联产机组和PtG技术日趋成熟，应用也越来越广泛，这使得能量在两大系统中的流动不仅仅是气网向电网的单向流动，能量与信息的双向流动成为主要趋势，天然气网络和电力系统的耦合程度极大提高。因此，电力与天然气网络的综合协同规划引起了国内外学者的重视与关注。通过对各种能源系统进行协同规划，使得其在满足用户的电、气、热多重需求的同时，能够对发电过程中浪费的能量收集再利用，从而提升能源利用率，促进能源梯级利用。同时，在满足能源消费需求的情况下，尽量减少系统的建设费用和运行费用，是综合能源系统规划优化的主要目标。

目前，已有的综合能源系统规划存在以下问题：

(1)现有的综合能源系统规划往往忽视需求响应的影响，或是仅仅考虑电网的需求响应。随着需求侧的参与逐步提高，需求侧各种形式能源都将参与响应，提高综合能源系统的利用效率和运行稳定性，进一步降低系统的各项成本。

(2)现有需求响应的定价方案较为简单，定价和削减负荷量为简单的线性关系。实际系统中，不同负荷的重要程度不同，某些重要负荷的削减量增多，会产生额外的经济损失，此时其削负荷成本就不是简单的线性关系。因此，需要根据不同负荷削减量制定可调整定价的最优补贴方案。

发明内容

本发明的目的在于针对缺少需求响应成本分析的精细化建模问题，提出一种考虑动态多能需求响应的综合能源系统规划方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种考虑动态多能需求响应的综合能源系统规划方法，包括以下步骤：

1)建立动态多能源需求响应模型；

2)根据动态多能源需求响应模型，建立考虑动态多能需求响应的综合能源系统的经济最优规划模型；

3)求解考虑动态多能需求响应的综合能源系统的经济最优规划模型，得到综合能源系统中动态多能需求响应的响应方案。

本发明进一步的改进在于，动态多能源需求响应模型如下：

式中：ΔP_i,t,d,h代表转移电负荷量；ΔG_i,t,d,h代表转移气负荷量；ΔH_i,t,d,h代表转移热负荷量；t代表规划年份；d代表典型日；h代表小时数；i代表节点编号。

本发明进一步的改进在于，根据转移电负荷量ΔP_i,t,d,h、转移气负荷量ΔG_i,t,d,h与转移热负荷量ΔH_i,t,d,h，得到代表电、气、热的单位响应负荷量的补贴费用λ^e，λ^g，λ^h；

λ^e＝a^e|ΔP_i,t,d,h|+b^e (2)

λ^g＝a^g|ΔG_i,t,d,h|+b^g (3)

λ^h＝a^h|ΔH_i,t,d,h|+b^h (4)

式中，λ^e，λ^g，λ^h分别代表电、气、热的单位响应负荷量的补贴费用；b^e为反映单位响应电负荷量的固定补贴费用，b^g为反映单位响应气负荷量的固定补贴费用，b^h为反映单位响应热负荷量的固定补贴费用。

本发明进一步的改进在于，反映电负荷的重要程度a^e、反映气负荷的重要程度a^g、反映热负荷的重要程度a^h、反映单位响应电负荷量的固定补贴费用b^e、反映单位响应气负荷量的固定补贴费用b^g与反映单位响应热负荷量的固定补贴费用b^h由历史数据拟合和实际响应目标确定。

本发明进一步的改进在于，根据历史数据，采用最小二乘法进行拟合，得到曲线，根据曲线得到反映电负荷的重要程度a^e、反映气负荷的重要程度a^g、反映热负荷的重要程度a^h、反映单位响应电负荷量的固定补贴费用b^e、反映单位响应气负荷量的固定补贴费用b^g与反映单位响应热负荷量的固定补贴费用b^h。

本发明进一步的改进在于，综合能源系统包括电力系统、天然气系统和耦合环节；其中，燃气/非燃气发电机组、分布式电源和热电联产机组供给用户的电需求，天然气网络供给用户的天然气需求，热电联产机组和锅炉供给用户的热需求。

本发明进一步的改进在于，考虑动态多能需求响应的综合能源系统的经济最优规划模型的目标函数为：

minF＝INV+OPR+DR (21)

式中：F代表总费用；INV代表元件投资费用；OPR代表运行费用；DR代表需求响应的补贴费用。

本发明进一步的改进在于，考虑动态多能需求响应的综合能源系统的经济最优规划模型的约束条件包括电力系统有功功率平衡、天然气节点m的气流平衡以及热平衡；

电力系统有功功率平衡方程为：

式中：

代表需求响应后常规电负荷消耗有功功率；p_j,t,d,h代表节点j净注入的有功功率；p_gi,t,d,h代表发电机的有功功率输出；p_drg,t,d,h代表由可再生能源集成器集成的有功功率；p_chp,t,d,h代表CHP机组的输出功率；p_eb,t,d,h代表电锅炉消耗的有功功率；gi代表发电机组；gs代表天然气源；drg代表分布式电源；chp代表热电联产机组；eb代表电锅炉；

天然气节点m的气流平衡方程为：

式中：

代表需求响应后常规天然气负荷；GFG代表燃气发电机组；g_gb,t,d,h代表燃气锅炉消耗的天然气；g_gi,t,d,h代表燃气发电机组消耗的天然气；g_chp,t,d,h代表热电联产机组消耗的天然气；g_mn,t,d,h代表节点m所连管道中传输的天然气流量；gi代表发电机组；gs代表天然气源；chp代表热电联产机组；gb代表燃气锅炉。

热平衡方程为：

式中：

代表需求响应后供热区域的常规热负荷；z代表供热区域；h_chp,t,d,h代表CHP机组的产热；h_gb,t,d,h代表气锅炉的产热；h_eb,t,d,h代表电锅炉的产热。

与现有方法相比，本发明具有的有益效果：本发明能考虑非线性的成本曲线，同时考虑多能源参与的需求响应的影响，在此基础上提出的考虑动态多能需求响应的综合能源系统的经济最优规划模型，可以很好地反映不同失负荷量的更严重经济损失，并能根据该方法确定不同最优负荷响应量和最优补偿价格，进一步降低综合能源系统的总成本。

附图说明

图1为本发明中的综合能源系统的系统框架示意图。

图2为动态多能需求响应后的电、气、热负荷曲线。其中，(a)为需求响应前后的电负荷曲线，(b)需求响应前后的天然气负荷曲线，(c)为需求响应前后的热负荷曲线。

图3为动态多能需求响应中对各节点、各时间段不同响应负荷的最优补贴价格。其中，(a)为各节点、各时间段不同响应电负荷的最优补贴价格，(b)为各节点、各时间段不同响应天然气负荷的最优补贴价格，(c)为各节点、各时间段不同响应热负荷的最优补贴价格。

具体实施方式

下面结合附图和具体算例对本发明作进一步详细说明。

本发明有如下改进：该方法在需求响应的建模中考虑了非线性的成本曲线，建立了响应负荷量和定价的二次函数关系，反映了不同失负荷量的更严重经济损失。使用该非线性成本曲线，对于不同的响应量，将有最优的定价方案，同时对于不同的定价，也能确定最优的负荷削减量；该方法在综合能源系统规划中考虑了多能源参与的需求响应，电、气、热负荷均参与需求侧响应，优化综合能源系统负荷曲线，充分挖掘需求侧潜力，进一步降低系统总成本。

1)建立动态多能源需求响应模型

根据电、气、热等各类负荷的响应意愿和期望响应价格的调研数据的确定需求成本函数和最大影响范围。可采用二次函数等凸函数描述响应价格随响应负荷规模不断上涨的趋势。由调研不同负荷不同损失量面临的经济损失，通过最小二乘等方法确定函数系数的取值。

考虑到需求响应的补偿费用与转移负荷量的非线性关系，需求响应的补贴费用建模为转移负荷量的二次函数，如下式：

式中：ΔP_i,t,d,h代表转移电负荷量；ΔG_i,t,d,h代表转移气负荷量；ΔH_i,t,d,h代表转移热负荷量；t代表规划年份；d代表典型日；h代表小时数；i代表节点编号。

在此模型中，电、气、热均作为可调度需求侧资源参与需求响应。无响应时，相应没有补贴费用，所以该成本函数不含常数项。该模型认为一天内总用能需求不变，所以将需求响应成本除以2，以得到真实的补偿费用。

单位响应负荷量的补贴费用可看作固定补贴费用加上可变补贴费用；

λ^e＝a^e|ΔP_i,t,d,h|+b^e (2)

λ^g＝a^g|ΔG_i,t,d,h|+b^g (3)

λ^h＝a^h|ΔH_i,t,d,h|+b^h (4)

式中λ^e，λ^g，λ^h分别代表电、气、热的单位响应负荷量的补贴费用；常数项b^e、b^g、b^h反映单位响应负荷量的固定补贴费用，具体的，b^e为反映单位响应电负荷量的固定补贴费用，b^g为反映单位响应气负荷量的固定补贴费用，b^h为反映单位响应热负荷量的固定补贴费用。

非常数项系数a^e、a^g、a^h反映不同负荷的重要程度，a^e为反映电负荷的重要程度；a^g为反映气负荷的重要程度；a^h为反映热负荷的重要程度；

对于不同类型的负荷，转移一定的负荷量，将需要额外的补贴费用。反映电负荷的重要程度a^e、反映气负荷的重要程度a^g、反映热负荷的重要程度a^h、反映单位响应电负荷量的固定补贴费用b^e、反映单位响应气负荷量的固定补贴费用b^g与反映单位响应热负荷量的固定补贴费用b^h可由历史数据拟合和实际响应目标确定。

根据历史数据，采用最小二乘法进行拟合，得到曲线，根据该曲线，得到反映电负荷的重要程度a^e、反映气负荷的重要程度a^g、反映热负荷的重要程度a^h、反映单位响应电负荷量的固定补贴费用b^e、反映单位响应气负荷量的固定补贴费用b^g与反映单位响应热负荷量的固定补贴费用b^h。

下面阐述所提出的需求响应模型(1)式中各变量需要满足的约束条件。本发明考虑需求响应实现负荷转移、削峰填谷的目的。为满足用户的消费需求，需求响应前后的总用能量应相等，如下式：

式中：

代表需求响应后的节点有功负荷量；

代表需求响应前的节点有功负荷量；

代表需求响应后的节点气负荷量；

代表需求响应前的节点气负荷量；

代表需求响应后的节点热负荷量；

代表需求响应后的节点热负荷量；i代表节点编号。

由于实际电力系统中，无功功率可以由系统中的无功电源与补偿装置灵活调节，所以模型中只考虑有功功率的需求响应。

考虑到实际系统中用户的用能行为，各节点参与需求响应的负荷量应满足一定的上下限

式中：res^e,res^g,res^h分别代表电、气、热负荷参与需求响应的负荷占比，满足

0≤res^e≤1 (11)

0≤res^g≤1 (12)

0≤res^h≤1 (13)

转移负荷量计算为响应前后的负荷量之差：

由于DR表达式中含有二次项，为提高求解效率，用分段线性化的方法将之进行线性化处理，将ΔP_i,t,d,h取值区间分成N段，每一段上看作是线性关系，以电为例：

f_i＝a^e|ΔP_{i，t，d，h}|²+b^e|ΔP_{i，t，d，h}| (17)

δ_i,k+1≤w_i,k≤δ_i,k (20)

式中：f_i代表节点i的电需求响应补贴费用；N代表设置的转移负荷量范围区间的分段数；δ_i,k是连续变量，范围为[0,1]，表示第k个区间上的取值在区间上的落点；w_i,k是{0,1}二元变量，代表是否在第k个区间取值；f_i,k代表f_i在第k个区间的起始值；ΔP_i,t,d,h,k代表第i个节点在第t年第d典型日第h小时响应电负荷量在第k个区间的起始值。天然气和热的需求响应费用处理与之相同，不再赘述。

2)修正规划模型中的目标函数和约束条件，考虑动态多能需求响应的综合能源系统的经济最优规划模型

基于典型日的需求响应成本计算特定规划期的需求响应总成本，转化为等年值，计入多能源系统优化规划的目标函数。同时，在约束条件中计入需求响应的响应范围约束，考虑需求响应对电、气、热的实时功率平衡约束进行修正。

如图1所示，本发明所提出的综合能源系统由三部分构成，分别为电力系统、天然气系统和耦合环节。其中，燃气/非燃气发电机组、分布式电源和热电联产机组供给用户的电需求，天然气网络供给用户的天然气需求，热电联产机组和锅炉供给用户的热需求。

(1)目标函数

本发明针对的规划问题的目标函数是综合系统的总费用取最小，将需求响应补贴费用加入到规划模型的目标函数中，如下式

minF＝INV+OPR+DR (21)

式中：F代表总费用；INV代表元件投资费用；OPR代表运行费用；DR代表需求响应的补贴费用，即步骤Ⅰ中建立的DR模型。

(2)供需平衡约束条件

考虑需求响应影响，电力系统有功功率平衡方程修正为：

式中：

代表需求响应后常规电负荷消耗有功功率；p_j,t,d,h代表节点j净注入的有功功率；p_gi,t,d,h代表发电机的有功功率输出；p_drg,t,d,h代表由可再生能源集成器集成的有功功率；p_chp,t,d,h代表CHP机组的输出功率；p_eb,t,d,h代表电锅炉消耗的有功功率；gi代表发电机组；gs代表天然气源；drg代表分布式电源；chp代表热电联产机组；eb代表电锅炉。

天然气节点m的气流平衡方程修正为：

式中：

代表需求响应后常规天然气负荷；GFG代表燃气发电机组；g_gb,t,d,h代表燃气锅炉消耗的天然气；g_gi,t,d,h代表燃气发电机组消耗的天然气；g_chp,t,d,h代表热电联产机组消耗的天然气，以上参数可通过他们的热输出和电功率输出来计算得到；g_mn,t,d,h代表节点m所连管道中传输的天然气流量；gi代表发电机组；gs代表天然气源；chp代表热电联产机组；gb代表燃气锅炉。

对于确定的供热区域，热电联产机组、电锅炉和燃气锅炉输出的热量应当满足热需求，热平衡方程修正为下式：

式中：

代表需求响应后供热区域的常规热负荷；z代表供热区域；h_chp,t,d,h代表CHP机组的产热；h_gb,t,d,h代表气锅炉的产热；h_eb,t,d,h代表电锅炉的产热。

此外，模型还需满足其他的常规约束条件，如状态变量约束、各参数上下限约束等，在此不再赘述。

3)模型求解

公式(1)-(24)为所建立的考虑动态多能需求响应的综合能源系统规划模型，它是混合整数线性规划问题，可以采用商业求解器gurobi直接求解，得到综合能源系统中动态多能需求响应的响应方案。

用混合整数规划求解该模型，确定系统扩建方案以及不同类型负荷的响应范围。特别地，为加速模型求解，可采用分段线性化的方法对所提出多能需求响应模型进行线性化处理，提高求解效率。

下面用一个实际算例说明本发明提出的模型。

本发明选取的算例是基于某实际园区综合能源系统搭建。

典型日负荷数据如表1所示：

表1典型负荷数据

调研实际数据，得到部分负荷不同转移量面临的经济损失如下：

表2不同转移量面临的经济损失

转移电负荷量/MW	1	2	4	8
					经济损失/元	120	240	600	1500
转移气负荷量/kkcf	0.1	0.2	0.4	0.6
					经济损失/元	440	960	2240	4000
转移热负荷量/Mbtu	1	4	8	16
					经济损失/元	100	410	820	1700

根据最小二乘法拟合得出a^e＝10,a^g＝4000,a^h＝0.2,b^e＝100,b^g＝4000,b^h＝100。需求响应总成本为

算例的计算结果如附图所示：

图2中(a)、(b)和(c)为需求响应后的电、气、热日负荷曲线，可以看出动态多能需求响应能有效改善各种能源负荷曲线，起到削峰填谷的作用；图3中(a)、(b)和(c)为各时间段、各节点对单位响应能源的补贴费用，可以看出对于不同节点、不同时间的响应负荷量，都能相应制定最优的补贴费用。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种考虑动态多能需求响应的综合能源系统规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立动态多能源需求响应模型；

2)根据动态多能源需求响应模型，建立考虑动态多能需求响应的综合能源系统的经济最优规划模型；

3)求解考虑动态多能需求响应的综合能源系统的经济最优规划模型，得到综合能源系统中动态多能需求响应的响应方案。

2.根据权利要求1所述的一种考虑动态多能需求响应的综合能源系统规划方法,其特征在于，动态多能源需求响应模型如下：

式中：ΔP_i,t,d,h代表转移电负荷量；ΔG_i,t,d,h代表转移气负荷量；ΔH_i,t,d,h代表转移热负荷量；t代表规划年份；d代表典型日；h代表小时数；i代表节点编号。

3.根据权利要求2所述的一种考虑动态多能需求响应的综合能源系统规划方法,其特征在于，根据转移电负荷量ΔP_i,t,d,h、转移气负荷量ΔG_i,t,d,h与转移热负荷量ΔH_i,t,d,h，得到代表电、气、热的单位响应负荷量的补贴费用λ^e，λ^g，λ^h；λ^e＝a^e|ΔP_i,t,d,h|+b^e(2)

λ^g＝a^g|ΔG_i,t,d,h|+b^g (3)

λ^h＝a^h|ΔH_i,t,d,h|+b^h (4)

式中，λ^e，λ^g，λ^h分别代表电、气、热的单位响应负荷量的补贴费用；b^e为反映单位响应电负荷量的固定补贴费用，b^g为反映单位响应气负荷量的固定补贴费用，b^h为反映单位响应热负荷量的固定补贴费用。

4.根据权利要求3所述的一种考虑动态多能需求响应的综合能源系统规划方法,其特征在于，反映电负荷的重要程度a^e、反映气负荷的重要程度a^g、反映热负荷的重要程度a^h、反映单位响应电负荷量的固定补贴费用b^e、反映单位响应气负荷量的固定补贴费用b^g与反映单位响应热负荷量的固定补贴费用b^h由历史数据拟合和实际响应目标确定。

5.根据权利要求3所述的一种考虑动态多能需求响应的综合能源系统规划方法,其特征在于，根据历史数据，采用最小二乘法进行拟合，得到曲线，根据曲线得到反映电负荷的重要程度a^e、反映气负荷的重要程度a^g、反映热负荷的重要程度a^h、反映单位响应电负荷量的固定补贴费用b^e、反映单位响应气负荷量的固定补贴费用b^g与反映单位响应热负荷量的固定补贴费用b^h。

6.根据权利要求1所述的一种考虑动态多能需求响应的综合能源系统规划方法,其特征在于，综合能源系统包括电力系统、天然气系统和耦合环节；其中，燃气/非燃气发电机组、分布式电源和热电联产机组供给用户的电需求，天然气网络供给用户的天然气需求，热电联产机组和锅炉供给用户的热需求。

7.根据权利要求2所述的一种考虑动态多能需求响应的综合能源系统规划方法,其特征在于，考虑动态多能需求响应的综合能源系统的经济最优规划模型的目标函数为：

minF＝INV+OPR+DR(21)

式中：F代表总费用；INV代表元件投资费用；OPR代表运行费用；DR代表需求响应的补贴费用。

8.根据权利要求2所述的一种考虑动态多能需求响应的综合能源系统规划方法,其特征在于，考虑动态多能需求响应的综合能源系统的经济最优规划模型的约束条件包括电力系统有功功率平衡、天然气节点m的气流平衡以及热平衡；

电力系统有功功率平衡方程为：

式中：

代表需求响应后常规电负荷消耗有功功率；p_j,t,d,h代表节点j净注入的有功功率；p_gi,t,d,h代表发电机的有功功率输出；p_drg,t,d,h代表由可再生能源集成器集成的有功功率；p_chp,t,d,h代表CHP机组的输出功率；p_eb,t,d,h代表电锅炉消耗的有功功率；gi代表发电机组；gs代表天然气源；drg代表分布式电源；chp代表热电联产机组；eb代表电锅炉；

天然气节点m的气流平衡方程为：

式中：

代表需求响应后常规天然气负荷；GFG代表燃气发电机组；g_gb,t,d,h代表燃气锅炉消耗的天然气；g_gi,t,d,h代表燃气发电机组消耗的天然气；g_chp,t,d,h代表热电联产机组消耗的天然气；g_mn,t,d,h代表节点m所连管道中传输的天然气流量；gi代表发电机组；gs代表天然气源；chp代表热电联产机组；gb代表燃气锅炉；

热平衡方程为：

式中：

代表需求响应后供热区域的常规热负荷；z代表供热区域；h_chp,t,d,h代表CHP机组的产热；h_gb,t,d,h代表气锅炉的产热；h_eb,t,d,h代表电锅炉的产热。

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