CN112907098B - 园区综合能源系统的多阶段容量配置方法及配置系统 - Google Patents

Abstract

一种园区综合能源系统的多阶段容量配置方法及配置系统。首先分析典型园区综合能源系统的建设特点，将园区综合能源系统的规划周期划分为多个阶段，并根据负荷的逐年增长特征逐步增加该园区中每台设备的配置容量，建立园区综合能源系统的多阶段容量配置模型；然后，在已知园区综合能源系统拓扑的基础上，建立各能源转换设备运行模型，同时考虑包括能量平衡、设备出力、储能充放电等在内的各种约束条件；其次，考虑系统的投资成本、运行维护成本、设备残值，建立经济型优化目标函数；最后，通过算例分析验证了所述模型与方法对园区综合能源系统容量配置方面的有效性与合理性，本发明可为园区综合能源系统的规划、设备容量配置提供参考。

Description

园区综合能源系统的多阶段容量配置方法及配置系统

技术领域

本发明属于能源系统优化配置技术领域，具体涉及一种园区综合能源系统的多阶段容量配置方法和配置系统。

背景技术

与传统的能源供应系统相比，园区综合能源系统具有更高的能源综合利用效率，是能源领域的重要发展趋势。因此，园区综合能源系统的规划对于促进能源结构的转变具有重要意义。然而，目前广泛采用的园区综合能源系统规划方案往往将园区内需要的设备一次性规划好，均假设在整个规划周期内园区的负荷是维持不变的，没有考虑到负荷的逐年增长特性，使得园区综合能源系统在运行阶段的经济性与设计阶段的预期目标不符，存在超前施工，运行初期设备闲置，运行后期设备老化，容量不足等问题，严重限制了园区综合能源系统的运行经济性和能源供应效率。

因此在园区综合能源系统的规划中考虑建设时序，将园区的规划周期分为多个阶段进行，具有重大的实际意义。本发明提出一种区域综合能源系统的多阶段容量配置方法，根据负荷的逐年增长特征逐步增加该园区中每台设备的配置容量，建立园区综合能源系统的多阶段容量配置模型、园区各设备运行模型和考虑建设经济性的园区规划优化模型。相比于未考虑建设时序的传统规划方法，此方法可以提高园区内各设备的综合利用率，避免设备闲置，进而减少园区设备的配置容量，是提高园区综合能源系统规划与运行经济性的有效手段。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提出一种园区综合能源系统的多阶段容量配置方法及配置系统，以期减少园区设备的配置容量，降低系统规划与运行成本，增大供用能设备的利用率，避免设备闲置。

为实现上述发明目的，本发明具体采用以下技术方案。

一种园区综合能源系统的多阶段容量配置方法，其特征在于，所述多阶段容量配置方法包括以下步骤：

(1)采集园区综合能源系统信息；

(2)建立园区综合能源系统的多阶段规划模型；

(3)建立园区综合能源系统各供用能设备运行模型，包括光伏(PV)模型、燃气轮机(CHP)模型、热泵(HP)模型、燃气锅炉(GB)模型、电锅炉(EB)模型、电制冷机(ER)模型、吸附式(AR)制冷机模型、储能系统模型，其中，所述储能系统包括电储能ES、热储能HS与冷储能CS三种模型；

(4)设置园区综合能源系统稳定运行约束条件，包括功率平衡约束、设备出力约束、储能充放约束；

(5)建立包含投资成本、运行维护成本、设备残值在内的单目标优化模型；

(6)对区域综合能源系统的多阶段容量配置模型进行求解。所述园区综合能源系统的多阶段容量配置模型包括步骤(2)中的园区综合能源系统多阶段规划模型，步骤(3)中各供用能设备的运行模型，步骤(4)中设置的约束条件以及步骤(5)中设定的目标函数。

本发明进一步包括以下优选方案。

在步骤(1)中，所采集的园区综合能源系统信息包括当前的网络拓扑结构、规划周期、当前园区内的分时电价、当前园区内的天然气价格、园区综合能源系统中的设备参数和园区内的当前各类负荷信息。

在步骤(2)，园区综合能源系统中设备种类数为M，园区综合能源系统的规划周期为K年，将园区综合能源系统的规划周期划分为N个阶段；按照下式建立园区综合能源系统中每一种类设备的多阶段容量配置模型：

式中：S_n,m是从规划初始阶段到阶段n所配置的第m类设备的总容量，P_n',m是阶段n'中所配置的m类设备容量，其中，m≤M。

在步骤(3)中，所述的燃气轮机模型数学表达式如下：

式中：

是燃气轮机CHP消耗的天然气功率，

和

分别是CHP产生的电能与热能，η^P,CHP和η^H,CHP分别是CHP的电能与热能转换效率。

在步骤(3)中，所述热泵消耗电能并逐渐提高热源的温度，热泵模型如下：

式中：

为热泵的输出热功率；η^HP为热泵的热效率；

为热泵消耗的电功率；

所述电锅炉通过消耗电能并产生热能向用户供热，电锅炉模型如下：

式中：

为电锅炉的输出热功率；η^EB为电锅炉的热效率；

为电锅炉消耗的电功率。

在步骤(3)中，所述燃气锅炉通过消耗天然气来产生热量，燃气锅炉模型如下：

式中：

和

分别表示燃气锅炉产生的热功率与消耗的天然气功率；η^GB表示锅炉的热效率；HV^gas为天然气热值。

在步骤(3)中，所述电制冷机通过消耗电能来产生冷能，电制冷机模型如下：

式中：

和

分别表示电制冷机产生的冷功率与消耗的电功率；η^ER表示电制冷机的转换效率；

所述吸附式制冷机通过回收废热产生冷能，吸附式制冷剂模型如下：

式中：

和

分别表示吸附式制冷机产生的冷功率与消耗的余热功率；η^AR表示吸附式制冷机的转换效率。

在步骤(3)中，所述的储能系统包括储电、储热和储冷系统，储能系统模型表达式如下：

m”∈{ES,HS,CS}

式中：E_m”,t是第m”种储能设备在t时刻的储能量，E_m”，t-1第m”种储能设备在t-1时刻的储能量，σ_m”是自耗能率，

和

是第m”种储能设备的充能与放能功率，

和

是第m”种储能设备的充能与放能效率；ES,HS,CS分别表示储电、储热和储冷。

在步骤(4)中，设置园区综合能源系统的功率平衡约束电功率平衡、热功率平衡、冷功率平衡和天然气功率平衡，表达式分别如下：

电功率平衡表达式：

P_t ^grid+P_t ^CHP+P_t ^PV+P_t ^ES，d＝P_t ^L+P_t ^HP+P_t ^ES，c+P_t ^EB+P_t ^ER

式中：P_t ^grid、P_t ^PV、P_t ^CHP和P_t ^ES，d分别为外部电网、光伏系统、燃气轮机和储能放电为园区输送的功率，P_t ^HP、P_t ^ES，c、P_t ^EB和P_t ^ER分别为热泵、储能充电、电锅炉和电制冷机消耗的电功率，P_t ^L为电负荷；

热功率平衡表达式：

式中：

和

分别为燃气轮机、热泵、电锅炉、燃气锅炉和储能放热为园区提供的热功率，

和

分别储能充热和吸附式制冷机消耗的热功率，

为热负荷；

冷功率平衡表达式：

式中：

和

分别为电制冷机、吸附式制冷机和储能放冷为园区提供的冷功率，

为储能充冷消耗的冷功率，

为冷负荷；

天然气功率平衡表达式：

式中：

为外部天然气网为园区输送的天然气，

和

为燃气轮机和燃气锅炉消耗的天然气功率；

在步骤(4)中，所述的设备出力约束，要求各设备出力不应大于到此阶段累计装配的容量，表达式如下：

O_n，m,t≤S_n,m

m∈M

式中：O_n，m，t为第m种设备在t时段发出的功率；S_n，m是从规划初始阶段到阶段n所配置的第m累设备的总容量。

在步骤(4)中，所述的储能充放约束，包括调度周期始末储能量平衡约束，储能量上下限约束以及充、放能功率上下限约束，并且充能与放能不能同时进行，表达式如下：

式中：μ _m”和

分别为储能设备的储能量状态上下限，

和

分别为储能设备充能与放能的上限，v为0-1变量，E_m”,1和E_m”,24分别表示调度周期始末储能设备m”的储能量，S_m”是储能设备m”在任意一个规划阶段累计已安装的储能设备容量。

在步骤(5)中，所述优化目标模型的函数表达式如下：

min C＝C^inv+C^ope-C^rv

式中：C^inv为投资成本，C^ope为运行维护成本，C^rv为设备残值；

其中，所述投资成本为：

式中：R_n为规划阶段n的初始年折现系数，

和P_n,m分别是第m种设备在规划阶段n的投资成本与配置容量；

所述运行维护成本为：

R_k＝(1+r)^-k

式中：R_k表示第k年的折现系数；

和

分别表示时段t的分时电价和天然气价格，

和

分别为外部电网和天然气网在时段t向园区输送的电功率和天然气功率，

和P_k,m分别为第m种设备在第k年的维护成本与消耗的功率，r为折现率；

所述设备残值为：

式中：R_N为规划最后一阶段的初始年折现系数，δ_m和A_m分别为第m种设备的净残值率和寿命，T_m是第m种设备从装配到园区规划结束所经历的总年数，表达式如下：

T_m＝K+1-Y_n

式中：Y_n是规划阶段n的初始年。

在步骤(6)中，根据各供用能设备运行模型、园区综合能源系统稳定运行约束条件以及优化目标模型对园区综合能源系统的多阶段容量配置模型；求解园区综合能源系统的多阶段容量配置模型具体包括以下步骤：

6.1对于本发明所考虑的优化目标：

min C(x)＝C^inv+C^ope-C^rv

subject to R_i(x)≤0,i＝1,...,I

Ax＝b

其中：x表示的是决策变量，如某种设备的配置容量，从外部电网的购电功率等等；第二个式子与第三个式子分别用来表示本发明中的不等式约束与等式约束，不等式约束包括各供用能设备的出力上下限约束，储能设备的容量约束以及储能设备充放电功率约束等，等式约束包括园区综合能源系统的功率平衡约束和储能设备调度周期始末储能量平衡约束等，I是总的不等式约束的个数；

6.2在原始的目标函数中添加一个障碍函数来代替约束条件中的不等式约束；

subject to Ax＝b

6.3将障碍函数f(u)取为：

f(u)＝-(1/l)log(-u)

式中：l是用于确定近似程度的参数，对数log以10为底，则原问题转化为：

min lC(x)+φ(x)

subject to Ax＝b

其中：

6.4置迭代次数k＝0；

6.5给定变量初值x^(k),l^(k)＞0，比例因子μ＞1，设置误差阈值ε＞0；

6.6从x^(k)开始，在Ax＝b的约束下极小化lC(x)+φ(x)，并确定最优解x^*(l^(k))；

6.7更新x的值，令x＝x^*(l^(k))；

6.8若I/l^(k)＜ε，则退出迭代，x^*即为最优解，否则，置k＝k+1，并增加l的值，令l^{(k +1)}＝μl^(k)，返回6.5重新迭代。

在本发明中，l的初值取为1，比例因子μ取10。

本申请同时公开了一种利用前述多阶段容量配置方法的园区综合能源系统的多阶段容量配置，包括数据采集单元、配置模型构建单元、用能设备模型构建单元、稳定运行约束条件计算单元、目标优化模型设置单元和多阶段容量配置模型计算单元；其特征在于：

所述数据采集单元采集园区综合能源系统当前的网络拓扑结构、规划周期、当前园区内的分时电价、当前园区内的天然气价格、园区综合能源系统中的设备参数和园区内的当前各类负荷信息；

所述配置模型构建单元建立园区综合能源系统中每一种类设备的多阶段容量配置模型；

所述用能设备模型构建单元建立各种供用能设备运行模型；

所述稳定运行约束条件计算单元用于确定园区综合能源系统稳定运行约束条件；

所述目标优化模型设置单元建立园区综合能源系统的目标优模型；

多阶段容量配置模型计算单元根据各供用能设备运行模型、园区综合能源系统稳定运行约束条件以及优化目标模型对园区综合能源系统的多阶段容量配置模型进行求解。有益的技术效果：

本发明提出一种园区综合能源系统的多阶段容量配置方法，其益处在于：(1)提高供用能设备的综合利用效率，避免设备闲置，进而降低园区内各设备的配置容量，并降低园区投资成本；(2)减少从外部电网的购电量和天然气网的购气量，降低园区运行成本；(3)优化负荷曲线，降低负荷的峰谷差；(4)促进可再生能源消纳，缓解弃风弃光等问题。本发明的模型和方法可为园区综合能源系统的规划、设备容量配置提供参考。

附图说明

图1为本发明园区综合能源系统的多阶段容量配置方法的流程示意图；

图2为园区综合能源系统的算例结构图；

图3为园区各典型日的负荷与光伏预测出力曲线图；

图4为优化前与优化后园区综合能源系统容量配置柱状图；

图5为优化前与优化后园区规划投资成本；

图6为优化前与优化后园区运行维护成本；

图7为优化前与优化后园区折旧成本；

图8为优化前与优化后园区规划总成本；

图9为本发明园区综合能源系统的多阶段容量配置系统的结构框图；

图10本发明所提模型求解的收敛过程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

一种园区综合能源系统的多阶段容量配置方法，其流程如图1所示，包括以下步骤：

(1)采集园区综合能源系统的网络拓扑结构、规划周期、园区内的分时电价、园区内的天然气价格、园区综合能源系统中的设备参数和园区内的当前各类负荷信息，并建立园区综合能源系统稳定运行约束条件。

(2)建立园区综合能源系统的多阶段规划模型；

将园区综合能源系统的规划周期K年划分为N个阶段，N的设置方式为：在园区综合能源系统的负荷增长较为快速的时期，N的取值应较大，即划分的阶段数应较多，且每个阶段持续时间短，若某一时期负荷增长趋于平稳，则反之，如模型所述，规划周期的后一阶段各设备配置容量应在前一阶段配置容量的基础上累积。

式中：S_n，m是从规划初始阶段到阶段n所配置的第m类设备的总容量，P_n'，m是阶段n'中所配置的m类设备容量，其中m≤M。

(3)建立园区综合能源系统各供用能设备运行模型

A、燃气轮机模型

燃气轮机是综合能源系统中常见的发电设备，通过燃烧天然气同时产生电能和热能，燃气轮机模型如下：

式中：

是燃气轮机CHP消耗的天然气功率，

和

分别是CHP产生的电能与热能，η^P，CHP和η^H，CHP分别是CHP的电能与热能转换效率。

B、热泵模型

热泵消耗电能并逐渐提高热源的温度，热泵模型如下：

式中：

为热泵的输出热功率；η^HP为热泵的热效率；

为热泵消耗的电功率。

C、电锅炉模型

电锅炉通过消耗电能并产生热能向用户供热，电锅炉模型如下：

式中：

为电锅炉的输出热功率；η^EB为电锅炉的热效率；

为电锅炉消耗的电功率。

D、燃气锅炉模型

燃气锅炉通过消耗天然气来产生热量，燃气锅炉模型如下：

式中：

和

分别表示燃气锅炉产生的热功率与消耗的天然气功率；η^GB表示锅炉的热效率；HV^gas为天然气热值。

E、电制冷机模型

电制冷机通过消耗电能来产生冷能，电制冷机模型如下：

式中：

和

分别表示电制冷机产生的冷功率与消耗的电功率；η^ER表示电制冷机的转换效率。

F、吸附式制冷机模型

吸附式制冷机通过回收废热产生冷能，吸附式制冷剂模型如下：

式中：

和

分别表示吸附式制冷机产生的冷功率与消耗的余热功率；η^AR表示吸附式制冷机的转换效率。

G、储能模型

储能包括储电，储热和储冷系统，这些设备的数学模型相似，储能系统表达式如下：

m”∈{ES，HS，CS}

式中：E_m”,t是第m”种储能设备在t时段的储能量，E_m”，t-1是第m”种储能设备在t-1时段的储能量，σ_m”是自耗能率，

和

是第m”种储能设备的充能与放能功率，

和

是第m”种储能设备的充能与放能效率。

(4)设置园区综合能源系统各约束条件

A、功率平衡约束

A1、电功率平衡约束

P_t ^grid+P_t ^CHP+P_t ^PV+P_t ^ES，d＝P_t ^L+P_t ^HP+P_t ^ES，c+P_t ^EB+P_t ^ER

式中：P_t ^grid、P_t ^PV、P_t ^CHP和P_t ^ES，d分别为外部电网、光伏系统、燃气轮机和储能放电为园区输送的功率，P_t ^HP、P_t ^ES，c、P_t ^EB和P_t ^ER分别为热泵、储能充电、电锅炉和电制冷机消耗的电功率，P_t ^L为电负荷。

A2、热功率平衡约束

式中：

和

分别为燃气轮机、热泵、电锅炉、燃气锅炉和储能放热为园区提供的热功率，

和

分别储能充热和吸附式制冷机消耗的热功率，

为热负荷。

A3、冷功率平衡约束

式中：

和

分别为电制冷机、吸附式制冷机和储能放冷为园区提供的冷功率，

为储能充冷消耗的冷功率，

为冷负荷。

A4、天然气功率平衡约束

式中：

为外部天然气网为园区输送的天然气，

和

为燃气轮机和燃气锅炉消耗的天然气功率。

B、设备出力约束

O_n，m，t≤S_n，m

m∈M

式中：O_n,m,t为第m种设备在t时段发出的功率。

C、储能充放约束

式中：μ _m”和

分别为储能设备的储能量状态上下限，

和

分别为储能设备充能与放能的上限，ν为0-1变量，E_m”,1和E_m”,24分别表示调度周期始末储能设备m”的储能量，S_m”是储能设备m”在任意一个规划阶段累计已安装的储能设备容量。

(5)建立目标优化模型

本发明建立包含投资成本、运行维护成本、设备残值在内的经济型单目标优化模型，使园区综合能源系统以最经济的方式运行：

minC＝C^inv+C^ope-C^rv

A、投资成本

式中：R_n为规划阶段n初始年的折现系数，

和P_n,m分别是第m种设备在规划阶段n的投资成本与配置容量。

B、运行维护成本

R_k＝(1+r)^-k

式中：R_k表示第k年的折现系数；

和

分别表示时段t的分时电压和天然气价格，

和

分别为外部电网和天然气网在时段t向园区输送的电功率和天然气功率，

和P_k,m分别为第m种设备在第k年的维护成本与消耗的功率，r为折现率。

C、设备残值

式中：R_N为规划最后一阶段的初始年折现系数，δ_m和A_m分别为第m种设备的净残值率和寿命，T_m是第m种设备从装配到园区规划结束所经历的总年数，表达式如下：

T_m＝K+1-Y_n

式中：Y_n是规划阶段n的初始年。

(6)求解园区综合能源系统的多阶段容量配置模型，所述园区综合能源系统的多阶段容量配置模型包括步骤(2)中的园区综合能源系统多阶段规划模型，步骤(3)中各供用能设备的运行模型，步骤(4)中设置的约束条件以及步骤(5)中设定的目标函数。

本领域技术人员清楚，对步骤(2)中的园区综合能源系统多阶段规划模型，步骤(3)中各供用能设备的运行模型，步骤(4)中设置的约束条件以及步骤(5)中设定的目标函数联立即可求解园区综合能源系统的多阶段容量配置模型。

本发明中建立的园区综合能源系统的多阶段容量配置模型从数学概念上理解是混合整数二次规划模型，现有技术中的计算方法均能取得有益的技术效果。为了达到更优的技术效果，使得求解混合整数二次规划模型时不会受制于模型的形式与性质，本发明实施例优先为所建立的园区综合能源系统的多阶段容量配置模型使用内点法-障碍函数法。但需要说明的是，该实施例也只是优选实施例，而并非是对本发明精神的限制。

采用内点法-障碍函数法只是为取得更优效果的优选方法，并非是对发明精神的限制，本领域技术人员还可以采用原对偶内点法、启发式算法等进行求解，但这些方法均能解决本发明所述的技术问题，并能取得预定的技术效果，但也同时存在一些小的不足，如原对偶内点法收敛步长的选取较为麻烦。本发明所使用的内点法-障碍函数法流程如下：A、对于本发明所考虑的优化目标：

min C(x)＝C^inv+C^ope-C^rv

subject to R_i(x)≤0,i＝1,...,I

Ax＝b

其中：x表示的是决策变量，如某种设备的配置容量，从外部电网的购电功率等等；第二个式子与第三个式子分别用来表示本发明中的不等式约束与等式约束，不等式约束包括各供用能设备的出力上下限约束，储能设备的容量约束以及储能设备充放电功率约束等，等式约束包括园区综合能源系统的功率平衡约束和储能设备调度周期始末储能量平衡约束等，I是总的不等式约束的个数；

B、在原始的目标函数中添加一个障碍函数来代替约束条件中的不等式约束；

subject to Ax＝b

C、将障碍函数f(u)取为：

f(u)＝-(1/l)log(-u)

式中：l是用于确定近似程度的参数，对数log以10为底，则原问题转化为：

min lC(x)+φ(x)

subject to Ax＝b

其中：

D、置迭代次数k＝0；

E、给定变量初值x^(k),l^(k)＞0，比例因子μ＞1，设置误差阈值ε＞0；

F、从x^(k)开始，在Ax＝b的约束下极小化lC(x)+φ(x)，并确定最优解x^*(l^(k))；

G、更新x的值，令x＝x^*(l^(k))；

H、若I/l^(k)＜ε，则退出迭代，x^*即为最优解，否则，置k＝k+1，并增加l的值，令l^(k+1)＝μl^(k)，返回步骤E重新迭代。

在本发明中，l的初值取为1，比例因子μ取10。

通过求解得到园区综合能源系统信息，包括购电量、购气量、光伏设备容量、储能设备容量、燃气轮机容量、热泵容量、燃气锅炉容量、电锅炉容量、电制冷机容量、吸附式制冷机容量等信息。

算例分析

具体实施例：

本发明中算例以图2所示的园区综合能源系统为例，优化其容量配置。园区总建设时间为K＝15年。假设该区域的负荷在初始阶段迅速增加，中期负荷的增长率下降，而在后期阶段负荷水平逐渐稳定，则可以将规划周期分为三个阶段，即N＝3。每个阶段的持续时间分别为3年，5年和7年。

为了真实反映此园区各设备的运行状况，在夏季，冬季和过渡季节各选择典型的一天。以一天为一个调度周期，每天分为24个时间段，则该园区的负荷和PV预测出力曲线如图3所示，园区实时电价数据如表1所示，每个阶段的最大负荷信息如表2所示，天然气价格为2.71元/m³，热值为9.7kWh/m³。折现率r取8％，设备净残值率δ_m取6％。各设备的相关经济技术参数如表3、表4所示。

表1分时电价

表2园区各阶段最大负荷

表3能源转换设备参数

表4储能设备参数

本发明基于LINGO18.0软件平台编写模型程序，并调用全局求解器对所述实施例进行求解。

两种情况下园区的容量配置如图4所示。从图中可以看出，不论是采用传统方法还是本发明所述优化后的方法，本实施例在规划中均不需要GB，EB和CS设备，对于其他设备，优化前的需求大多高于优化后的需求，尤其是对于储能设备。此外，优化前在使用传统方法规划时，负荷的峰谷差过大，说明园区中的设备配置情况不能很好地与负荷相匹配，并且在能源供应过程中存在许多不合理的地方。

对于CHP，HP，ER和AR等设备，采用优化前与优化后的方法配置容量差别不大，甚至在优化后的配置方法中，制冷设备ER和AR的配置容量都比优化前要大一点。优化后的PV配置容量比优化前大得多，如图4所示，这意味着在优化后的园区综合能源系统运行过程中出现电能短缺时，首先使用PV代替外部电网供电，优化后的PV的利用能力远大于优化前的，使用优化后的方法从外部电网和天然气网络购能量少于优化前的。同时，优化后的方法还促进了可再生能源的消纳。

两种情况下每个规划阶段的投资和运营成本分别如图5和图6所示。通过比较发现，优化前的方法仅在第一阶段进行投资，而在第二阶段和第三阶段没有进行投资。优化后的方法根据系统的负荷水平在每个阶段都配置了新设备。由于负载增长的特性，优化前的总投资成本比优化后高11％。而对于运行维护成本，由于在本发明所提方法中设备是分阶段配置的，因此避免了规划初期设备闲置和后期设备容量不足的问题，并且随着规划的进行，运营成本逐渐增加，而传统方法由于在计划开始时就已经配置了所有的设备，因此三个阶段的运行维护成本总是比优化后的高。在园区运行的初期，优化前的方法设备配置容量相对较大，导致设备折旧成本较大，如图7所示。随着规划的逐步推进，在优化前的方法中园区的设备配置能力逐渐无法满足负荷需求，因此能源购买成本逐渐增加，系统的运行成本也随之增加。在规划的后期，尽管在优化后的方法中园区的折旧成本高于优化前，但由于合理的设备容量配置，节省了较高的运行维护成本。优化前的总运营成本比优化后高16％。

如图9所示，本申请同时公开了一种利用前述多阶段容量配置方法的园区综合能源系统的多阶段容量配置，包括数据采集单元、配置模型构建单元、用能设备模型构建单元、稳定运行约束条件计算单元、目标优化模型设置单元和多阶段容量配置模型计算单元。

所述数据采集单元采集园区综合能源系统当前的网络拓扑结构、规划周期、当前园区内的分时电价、当前园区内的天然气价格、园区综合能源系统中的设备参数和园区内的当前各类负荷信息；所述配置模型构建单元建立园区综合能源系统中每一种类设备的多阶段容量配置模型；所述用能设备模型构建单元建立各种供用能设备运行模型；所述稳定运行约束条件计算单元用于确定园区综合能源系统稳定运行约束条件；所述目标优化模型设置单元建立园区综合能源系统的目标优模型；多阶段容量配置模型计算单元根据各供用能设备运行模型、园区综合能源系统稳定运行约束条件以及优化目标模型对园区综合能源系统的多阶段容量配置模型进行求解。使用传统方法与本发明所提方法的园区规划总成本如图8所示。通过比较，可以发现优化前的总成本比优化后高28％，这表明园区综合能源系统的多阶段规划方法可以很好地考虑系统负荷增长特性，设备的配置容量也更好地满足了各个阶段的负荷需求。因此，采用本发明提出的方法对园区进行规划具有比传统方法更好的经济效益。

本发明所述内点法-障碍函数法对园区综合能源系统的多阶段容量配置模型的迭代求解过程如图10所示。根据给定的初值，算法第一次迭代得到的目标较大，约为3.7×10⁷元，然后随着迭代次数的增加，优化目标即系统的总成本也逐渐降低，在经过17次迭代后，目标基本稳定在3.15×10⁷元，不再随着迭代的继续而发生改变，即为本发明所述实施例的最小成本。

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而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (14)

1.一种园区综合能源系统的多阶段容量配置方法，其特征在于，所述多阶段容量配置方法包括以下步骤：

(1)采集园区综合能源系统信息；

(2)建立园区综合能源系统的多阶段规划模型；

(3)建立园区综合能源系统各供用能设备运行模型，包括光伏模型、燃气轮机模型、热泵模型、燃气锅炉模型、电锅炉模型、电制冷机模型、吸附式制冷机模型、储能系统模型，其中，所述储能系统包括电储能、热储能与冷储能三种模型；

(4)设置园区综合能源系统稳定运行约束条件，包括功率平衡约束、设备出力约束、储能充放约束；其中储能约束如下式所示：

式中：μ _m”和

分别为储能设备的储能量状态上下限，

和

分别为储能设备充能与放能的上限，

和

分别 表示第t时刻储能设备充能与放能功率，ν为0-1变量，E_m”,1和E_m”,24分别表示调度周期始末储能设备m”的储能量，E_m”,t表示t时刻储能设备m”的储能量，S_m”是储能设备m”在任意一个规划阶段累计已安装的储能设备容量；

(5)建立包含投资成本、运行维护成本、设备残值在内的单目标优化模型；其中设备残值模型按下式计算

式中：R_N为规划最后一阶段的初始年折现系数，δ_m和A_m分别为第m种设备的净残值率和寿命，T_m是第m种设备从装配到园区规划结束所经历的总年数，N为规划周期设定的阶段数，M为设备种类数，

和P_n,m分别是第m种设备在规划阶段n的投资成本与配置容量；

(6)采用内点法-障碍函数法对园区综合能源系统的多阶段容量配置模型进行求解，其中，所述园区综合能源系统的多阶段容量配置模型包括园区综合能源系统多阶段规划模型、各供用能设备的运行模型、园区综合能源系统稳定运行约束条件以及单目标优化模型，具体包括：

6.1建立优化目标函数：

min C(x)＝C^inv+C^ope-C^rv

R_i(x)≤0,i＝1,...,I

Ax＝b

其中：x表示的是决策变量，包括某种设备的配置容量、从外部电网的购电功率；C^inv为投资成本，C^ope为运行维护成本，C^rv为设备残值；第二个式子与第三个式子分别用来表示约束条件中的不等式约束与等式约束，不等式约束包括各供用能设备的出力上下限约束，储能设备的容量约束以及储能设备充放电功率约束，等式约束包括园区综合能源系统的功率平衡约束和储能设备调度周期始末储能量平衡约束，I是总的不等式约束的个数；

6.2在6.1的优化目标函数中添加一个障碍函数来代替约束条件中的不等式约束；

Ax＝b

6.3将障碍函数f(u)取为：

f(u)＝-(1/l)log(-u)

式中：l是用于确定近似程度的参数，对数log以10为底，则优化目标求解转化为：

min lC(x)+φ(x)

subject to Ax＝b

其中：

6.4置迭代次数k＝0；

6.5给定变量初值x^(k),l^(k)＞0，比例因子μ＞1，设置误差阈值ε＞0；

6.6从x^(k)开始，在Ax＝b的约束下极小化lC(x)+φ(x)，并确定最优解x^*(l^(k))；

6.7更新x的值，令x＝x^*(l^(k))；

6.8若I/l^(k)＜ε，则退出迭代，x^*即为最优解，否则，置k＝k+1，并增加l的值，令l^(k+1)＝μl^(k)，返回6.5重新迭代。

2.根据权利要求1所述的园区综合能源系统的多阶段容量配置方法，其特征在于：

在步骤(1)中，所采集的园区综合能源系统信息包括当前的网络拓扑结构、规划周期、当前园区内的分时电价、当前园区内的天然气价格、园区综合能源系统中的设备参数和园区内的当前各类负荷信息。

3.根据权利要求1所述的园区综合能源系统的多阶段容量配置方法，其特征在于：

在步骤(2)中，园区综合能源系统中设备种类数为M，园区综合能源系统的规划周期为K年，将园区综合能源系统的规划周期划分为N个阶段；按照下式建立园区综合能源系统中每一种类设备的多阶段容量配置模型即规划模型：

式中：S_n,m是从规划初始阶段到阶段n所配置的第m类设备的总容量，P_n',m是阶段n'中所配置的m类设备容量，其中，m≤M。

4.根据权利要求1或3所述的园区综合能源系统的多阶段容量配置方法，其特征在于：

在步骤(3)中，所述的燃气轮机模型数学表达式如下：

式中：

是燃气轮机消耗的天然气功率，

和

分别是燃气轮机产生的电能与热能，η^P,CHP和η^H,CHP分别是燃气轮机的电能与热能转换效率。

5.根据权利要求4所述的园区综合能源系统的多阶段容量配置方法，其特征在于：

在步骤(3)中，所述热泵消耗电能并逐渐提高热源的温度，热泵模型如下：

式中：

为热泵的输出热功率；η^HP为热泵的热效率；

为热泵消耗的电功率；

所述电锅炉通过消耗电能并产生热能向用户供热，电锅炉模型如下：

式中：

为电锅炉的输出热功率；η^EB为电锅炉的热效率；

为电锅炉消耗的电功率。

6.根据权利要求5所述的园区综合能源系统的多阶段容量配置方法，其特征在于：

在步骤(3)中，所述燃气锅炉通过消耗天然气来产生热量，燃气锅炉模型如下：

式中：

和

分别表示燃气锅炉产生的热功率与消耗的天然气功率；η^GB表示锅炉的热效率；HV^gas为天然气热值。

7.根据权利要求6所述的园区综合能源系统的多阶段容量配置方法，其特征在于：

在步骤(3)中，所述电制冷机通过消耗电能来产生冷能，电制冷机模型如下：

式中：

和

分别表示电制冷机产生的冷功率与消耗的电功率；η^ER表示电制冷机的转换效率；

所述吸附式制冷机通过回收废热产生冷能，吸附式制冷剂模型如下：

式中：

和

分别表示吸附式制冷机产生的冷功率与消耗的余热功率；η^AR表示吸附式制冷机的转换效率。

8.根据权利要求7所述的园区综合能源系统的多阶段容量配置方法，其特征在于：

在步骤(3)中，所述的储能系统包括储电、储热和储冷系统，储能系统模型表达式如下：

m”∈{ES,HS,CS}

式中：E_m”,t是第m”种储能设备在t时刻的储能量，E_m”,t-1第m”种储能设备在t-1时刻的储能量，σ_mx是自耗能率，

和

是第m”种储能设备的充能与放能功率，

和

是第m”种储能设备的充能与放能效率；ES,HS,CS分别表示储电、储热和储冷。

9.根据权利要求8所述的园区综合能源系统的多阶段容量配置方法，其特征在于：

在步骤(4)中，设置园区综合能源系统的功率平衡约束电功率平衡、热功率平衡、冷功率平衡和天然气功率平衡，表达式分别如下：

电功率平衡表达式：

P_t ^grid+P_t ^CHP+P_t ^PV+P_t ^ES,d＝P_t ^L+P_t ^HP+P_t ^ES,c+P_t ^EB+P_t ^ER

式中：P_t ^grid、P_t ^PV、P_t ^CHP和P_t ^ES,d分别为外部电网、光伏系统、燃气轮机和储能放电为园区输送的功率，P_t ^HP、P_t ^ES,c、P_t ^EB和P_t ^ER分别为热泵、储能充电、电锅炉和电制冷机消耗的电功率，P_t ^L为电负荷；

热功率平衡表达式：

式中：

和

分别为燃气轮机、热泵、电锅炉、燃气锅炉和储能放热为园区提供的热功率，

和

分别储能充热和吸附式制冷机消耗的热功率，

为热负荷；

冷功率平衡表达式：

式中：

和

分别为电制冷机、吸附式制冷机和储能放冷为园区提供的冷功率，

为储能充冷消耗的冷功率，

为冷负荷；

天然气功率平衡表达式：

式中：

为外部天然气网为园区输送的天然气，

和

为燃气轮机和燃气锅炉消耗的天然气功率；

10.根据权利要求9所述的园区综合能源系统的多阶段容量配置方法，其特征在于：

在步骤(4)中，所述的设备出力约束，要求各设备出力不应大于到此阶段累计装配的容量，表达式如下：

O_n,m,t≤S_n,m

m∈M

式中：O_n,m,t为第m种设备在t时段发出的功率；S_n,m是从规划初始阶段到阶段n所配置的第m类设备的总容量。

11.根据权利要求1所述的园区综合能源系统的多阶段容量配置方法，其特征在于：

在步骤(5)中，所述优化目标模型的函数表达式如下：

min C(x)＝C^inv+C^ope-C^rv

式中：C^inv为投资成本，C^ope为运行维护成本，C^rv为设备残值；

其中，所述投资成本为：

式中：R_n为规划阶段n的初始年折现系数，

和P_n,m分别是第m种设备在规划阶段n的投资成本与配置容量；

所述运行维护成本为：

R_k＝(1+r)^-k

式中：R_k表示第k年的折现系数；

和

分别表示时段t的分时电价和天然气价格，

和

分别为外部电网和天然气网在时段t向园区输送的电功率和天然气功率，

和P_k,m分别为第m种设备在第k年的维护成本与消耗的功率，r为折现率。

12.根据权利要求11所述的园区综合能源系统的多阶段容量配置方法，其特征在于：

在步骤(6)中，根据各供用能设备运行模型、园区综合能源系统稳定运行约束条件以及优化目标模型对园区综合能源系统的多阶段容量规划模型进行求解，得到不同阶段容量配置参数。

13.根据权利要求12所述的园区综合能源系统的多阶段容量配置方法，其特征在于：

在步骤6中，l的初值取为1，比例因子μ取10。

14.一种利用权利要求1-13任一权利要求所述的多阶段容量配置方法的园区综合能源系统的多阶段容量配置系统，包括数据采集单元、配置模型构建单元、用能设备模型构建单元、稳定运行约束条件计算单元、目标优化模型设置单元和多阶段容量配置模型计算单元；其特征在于：

所述数据采集单元采集园区综合能源系统当前的网络拓扑结构、规划周期、当前园区内的分时电价、当前园区内的天然气价格、园区综合能源系统中的设备参数和园区内的当前各类负荷信息；

所述配置模型构建单元建立园区综合能源系统中每一种类设备的多阶段容量配置模型；

所述用能设备模型构建单元建立各种供用能设备运行模型；

所述稳定运行约束条件计算单元用于确定园区综合能源系统稳定运行约束条件；

所述目标优化模型设置单元建立园区综合能源系统的目标优模型；

多阶段容量配置模型计算单元根据各供用能设备运行模型、园区综合能源系统稳定运行约束条件以及优化目标模型对园区综合能源系统的多阶段容量配置模型进行求解。

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