CN113011714A - 热电联产机组组合配置方法及系统 - Google Patents

热电联产机组组合配置方法及系统 Download PDF

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CN113011714A CN202110210818.6A CN202110210818A CN113011714A CN 113011714 A CN113011714 A CN 113011714A CN 202110210818 A CN202110210818 A CN 202110210818A CN 113011714 A CN113011714 A CN 113011714A
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张玉敏
尹孜阳
张晓�
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Abstract

本发明提供一种热电联产机组组合配置方法及系统，属于电气热综合能源系统技术领域，获取机组组合配置的约束条件，包括电网约束、气网约束、热网约束以及耦合约束；根据约束条件，以热电联产机组的运行成本之和最小为目标函数，建立机组组合配置模型；运行成本包括发电成本、二次调频成本、气源出力成本以及失负荷成本；采用增量分段线性化方法优化机组组合配置模型，求解机组组合配置模型，进行热电联产机组组合配置。本发明考虑了一次调频和二次调频，对系统及其耦合进行数学建模，引入增量分段线性化方法，将非线性非凸规划问题转化为混合整数线性规划问题，降低了综合能源系统运行成本提高了能源利用率以及系统运行的经济性、安全可靠性。

Description

热电联产机组组合配置方法及系统
技术领域
本发明涉及电气热综合能源系统技术领域，具体涉及一种热电联产机组组合配置方法及系统。
背景技术
随着全球环境问题的加剧，能源变革趋势也发生明显转变，可再生能源发电也成为当今社会的热点话题。热电联产机组(Combined Heat and Power，CHP)传统的运行方式灵活性较差，严重制约了风电并网发电，并且由于风电的波动性较强等特点，造成了严重的弃风现象。因此，为了提高可再生能源的消纳能力，能源互联是有效的途径之一。
然而，传统的电力系统、天然气系统与热力系统相互分离、独立运行，各系统之间缺乏统一调度管理，无法充分发挥能源利用率，导致资源浪费。因此，有必要将电、热、气三种系统考虑成统一的系统进行协调优化，充分挖掘不同系统的潜力，做到优势互补，提高整个系统的经济性与安全性。将电-气-热系统的统一协调优化，利用各系统之间的耦合，实现电能、燃气和热能之间的相互转换。研究三者之间的耦合互补关系，有利于从全社会层面实现清洁、高效、可靠供能的目标，从而推动多能耦合、各级电网协调发展，加速我国新时期能源发展和电网建设。
现有的研究电气热综合系统的方法有：研究电力系统与天然气系统统一协调优化问题、考虑电转气并考虑天然气系统优化运行的电-气IES系统双层优化调度模型、电-气-热综合能源系统日前调度、基于混合整数线性规划的电力和天然气运行优化模型、计及综合能效的电-气-热综合能源优化调度模型、针对电-气-热网络的建模的区域IES系统的运行优化、将区域热网热惯性与建筑物热惯性相结合的综合能源系统优化运行模型、针对区域综合能源系统经济运行中的容量规划与运行耦合问题提出的两阶段优化方法以及考虑双向能量流动的电-气综合能源系统的日前优化调度方案，通过SOCP松弛，将原来的非线性非凸问题转化为凸问题。上述研究方法主要针对日前调度层面研究了综合能源系统的优化调度问题，并没有考虑综合能源系统参与系统调度同样会影响机组状态的改变，因此，有必要对考虑综合能源系统的机组组合进行深入研究。
对综合能源系统的分析是一个优化问题，针对机组组合与综合能源系统的互联，目前已有一些研究。例如，对电力和热力系统的组合进行建模，与单独运行的电力和热力系统相比，可以提高集成能源系统的经济效率。对IES系统的随机机组组合问题进行了建模，研究电气综合能源系统的协调运行和机组的爬坡问题。考虑常规电力系统与地区级综合能源系统相互作用的机组组合问题。然而上述研究主要针对电-气或电-热系统的机组组合分析，没有将电-气-热系统进行综合考虑。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在机组组合中综合考虑电、气、热三种系统的协调优化问题，提高能源利用效率和提高系统运行的经济性的热电联产机组组合配置方法及系统，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一方面，本发明提供的一种热电联产机组组合配置方法，包括：
获取机组组合配置的约束条件，所述约束条件包括电网约束、气网约束、热网约束以及电网、气网和热网之间的耦合约束；
根据所述机组组合配置的约束条件，以热电联产机组的运行成本之和最小为目标函数，建立机组组合配置模型；其中，所述运行成本包括发电成本、二次调频成本、气源出力成本以及失负荷成本；
采用增量分段线性化方法优化所述机组组合配置模型；
对优化后的机组组合配置模型求解，进行热电联产机组组合配置。
优选的，所述电网约束包括：有功功率平衡约束、机组出力上下限约束、爬坡速率约束、最小启停时间约束、节点功率平衡及传输容量约束、考虑一次调频和二次调频的功率平衡约束电网频率质量约束、一次调频约束、二次调频约束、机组输出功率上下限约束以及风电出力上下限约束。
优选的，所述气网约束包括：节点流量平衡约束、气源出力约束、节点压力约束、加压站约束以及管道流量约束。
优选的，所述热网约束包括：热功率平衡约束、机组出力约束、换热站约束、热力网络约束。
优选的，所述耦合约束包括：机组耦合约束和燃气轮机耦合约束。
优选的，采用增量分段线性化方法优化所述机组组合配置模型包括：
根据非线性模型的规模，结合求解的计算量，确定分段数，在自变量的定义域内求解各分段离散点；求解各分段离散点对应的函数值；引入辅助变量分段区间位置、二进制变量进行线性化，将气网中的管道平均流量线性化表示。
优选的，以热电联产机组的运行成本之和最小为目标函数包括：
Figure BDA0002952216640000031
其中，FT表示输电网的目标函数；GT、HT分别是气网成本、热网成本；Pg,t表示火电机组g在t时刻的出力；ug,t、Sg,t分别为火电机组g在t时刻的启停状态、启动成本；
Figure BDA0002952216640000032
分别为t时刻机组g二次调频的上、下调备；
Figure BDA0002952216640000033
分别为二次调频的上、下调备对应的成本系数；
Figure BDA0002952216640000034
分别为电网的失电负荷、气网的失气负荷、热网的失热负荷；
Figure BDA0002952216640000041
Cnsp、Cnsg、Cnsh分别为气源成本、失电负荷成本、气负荷成本、热负荷成本的成本系数。
第二方面，本发明提供一种热电联产机组组合配置系统，包括：
获取模块，用于获取机组组合配置的约束条件，所述约束条件包括电网约束、气网约束、热网约束以及电网、气网和热网之间的耦合约束；
构建模块，用于根据所述机组组合配置的约束条件，以热电联产机组的运行成本之和最小为目标，建立机组组合配置模型；其中，所述运行成本包括发电成本、二次调频成本、气源出力成本以及失负荷成本；
优化模块，用于采用增量分段线性化方法优化所述机组组合配置模型；
配置模块，用于对优化后的机组组合配置模型求解，进行热电联产机组组合配置。
第三方面，本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质包括用于执行如上所述的热电联产机组组合配置方法的指令。
第四方面，本发明提供一种电子设备，包括如上所述的非暂态计算机可读存储介质；以及能够执行所述非暂态计算机可读存储介质的所述指令的一个或多个处理器。
本发明有益效果：考虑了一次调频和二次调频的影响，对各子系统及其耦合进行数学建模，引入增量分段线性化方法处理管道气流量，将非线性非凸规划问题转化为混合整数线性规划问题，并利用GAMS求解模型，配置综合能源系统机组组合，降低了综合能源系统运行成本，可根据系统波动自适应调节，提高了能源利用率，提高了系统运行的经济性以及安全可靠性。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1所述的热电联产机组组合配置系统功能原理框图。
图2为本发明实施例1所述的热电联产机组系统结构示意图。
图3为本发明实施例2所述的增量分段线性化处理分段示意图。
图4为本发明实施例2所述的热电联产机组系统节点连接示意图。
图5为本发明实施例2所述的负荷及风电预测曲线示意图。
图6为本发明实施例2所述的不同场景机组组合结果示意图。
图7为本发明实施例2所述的不同场景下火电机组出力对比示意图。
图8为本发明实施例2所述的不同场景下矢电负荷示意图。
具体实施方式
下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。
实施例1
如图1所示，本发明实施例1提供一种热电联产机组组合配置系统，该系统包括：
获取模块，用于获取机组组合配置的约束条件，所述约束条件包括电网约束、气网约束、热网约束以及电网、气网和热网之间的耦合约束；
构建模块，用于根据所述机组组合配置的约束条件，以热电联产机组的运行成本之和最小为目标，建立机组组合配置模型；其中，所述运行成本包括发电成本、二次调频成本、气源出力成本以及失负荷成本；
优化模块，用于采用增量分段线性化方法优化所述机组组合配置模型；
配置模块，用于对优化后的机组组合配置模型求解，进行热电联产机组组合配置。
在本实施例1中，针对如图2所示的电气热综合能源系统(热电联产机组系统)，对互联系统元件、网络及负荷建模，进行支持电力、热力、燃气及可再生能源的多能源互联系统建模，建立电力系统、热力系统、燃气系统及风机等可再生能源的物理模型；根据IES中关键元件的数学模型，分别对电力系统、天然气系统、热力系统以及不同系统之间的耦合元件进行建模，利用上述的热电联产机组组合配置系统，实现了一种热电联产机组组合配置方法。
在本实施例1中，所述的热电联产机组组合配置方法包括如下流程步骤：
首先，获取机组组合配置的约束条件，所述约束条件包括电网约束、气网约束、热网约束以及电网、气网和热网之间的耦合约束；
器材，根据所述机组组合配置的约束条件，以热电联产机组的运行成本之和最小为目标函数，建立机组组合配置模型；其中，所述运行成本包括发电成本、二次调频成本、气源出力成本以及失负荷成本；
然后，采用增量分段线性化方法优化所述机组组合配置模型；
最后，对优化后的机组组合配置模型求解，进行热电联产机组组合配置。
在本实施例1中，所述电网约束包括：有功功率平衡约束、机组出力上下限约束、爬坡速率约束、最小启停时间约束、节点功率平衡及传输容量约束、考虑一次调频和二次调频的功率平衡约束电网频率质量约束、一次调频约束、二次调频约束、机组输出功率上下限约束以及风电出力上下限约束。
所述气网约束包括：节点流量平衡约束、气源出力约束、节点压力约束、加压站约束以及管道流量约束。
所述热网约束包括：热功率平衡约束、机组出力约束、换热站约束、热力网络约束。
所述耦合约束包括：机组耦合约束和燃气轮机耦合约束。
在本实施例1中，采用增量分段线性化方法优化所述机组组合配置模型包括：
根据非线性模型的规模，结合求解的计算量，确定分段数，在自变量的定义域内求解各分段离散点；求解各分段离散点对应的函数值；引入辅助变量分段区间位置、二进制变量进行线性化，将气网中的管道平均流量线性化表示。
以热电联产机组的运行成本之和最小为目标函数包括：
Figure BDA0002952216640000081
其中，FT表示输电网的目标函数；GT、HT分别是气网成本、热网成本；Pg,t表示火电机组g在t时刻的出力；ug,t、Sg,t分别为火电机组g在t时刻的启停状态、启动成本；
Figure BDA0002952216640000082
分别为t时刻机组g二次调频的上、下调备；
Figure BDA0002952216640000083
分别为二次调频的上、下调备对应的成本系数；
Figure BDA0002952216640000084
分别为电网的失电负荷、气网的失气负荷、热网的失热负荷；
Figure BDA0002952216640000085
Cnsp、Cnsg、Cnsh分别为气源成本、失电负荷成本、气负荷成本、热负荷成本的成本系数。
实施例2
本实施例2提出一种计及综合能源的输电网机组组合模型，输电网考虑一次调频和二次调频的影响，首先对各子系统及其耦合进行数学建模，然后在引入增量分段线性化方法处理管道气流量，将非线性非凸规划问题转化为混合整数线性规划问题(MixedInteger Linear Programming,MILP)，并利用GAMS求解模型。最后通过算例对计及综合能源对系统经济性和可靠性的效果进行分析，并对考虑一次调频、二次调频后的调频效果进行分析，验证了本文所提出的模型的正确性。
在本实施例2中，数学模型的构建包括：
1、综合能源系统调度模型
互联系统元件、网络及负荷建模研究。研究支持电力、热力、燃气及可再生能源的多能源互联系统建模，建立电力系统、热力系统、燃气系统及风机等可再生能源的物理模型；根据IES中关键元件的数学模型，分别对电力系统、天然气系统、热力系统以及不同系统之间的耦合元件进行建模。
2、目标函数
在研究周期内，以各系统运行成本之和最小为目标，包括火电机组发电成本、二次调频成本、气源出力成本与失负荷成本。
Figure BDA0002952216640000091
其中，FT表示输电网的目标函数；GT、HT分别是气网成本、热网成本；Pg,t表示火电机组g在t时刻的出力；ug,t、Sg,t分别为火电机组g在t时刻的启停状态、启动成本；
Figure BDA0002952216640000092
分别为t时刻机组g二次调频的上、下调备；
Figure BDA0002952216640000093
分别为二次调频的上、下调备对应的成本系数；
Figure BDA0002952216640000094
分别为电网的失电负荷、气网的失气负荷、热网的失热负荷；
Figure BDA0002952216640000095
Cnsp、Cnsg、Cnsh分别为气源成本、失电负荷成本、气负荷成本、热负荷成本的成本系数。
在本实施例2中，机组组合配置模型构建的约束条件包括：
约束条件包括输电网约束、天然气网约束、热网约束以及它们之间的耦合约束。
输电网约束包括：
1)有功功率平衡约束：
Figure BDA0002952216640000101
式中，
Figure BDA0002952216640000102
为时段t内chp机组c的出力；
Figure BDA0002952216640000103
为时段t内燃气轮机u的出力；Pw,t为时段t内风机w的出力预测值；Dd,t为负荷d在时段t的预测值。
2)机组出力上下限约束：
Figure BDA0002952216640000104
式中，ug,t为机组g在时段t的启停状态，1代表开启，0代表关闭；
Figure BDA0002952216640000105
Figure BDA0002952216640000106
分别为机组g出力上、下限。
3)爬坡速率约束
Figure BDA0002952216640000107
Figure BDA0002952216640000108
式中，
Figure BDA0002952216640000109
分别是机组g向上、向下的爬坡速率。
4)最小开启停时间约束
Figure BDA00029522166400001010
Figure BDA00029522166400001011
式中，
Figure BDA00029522166400001012
分别为机组g初始时刻已开机、停机的时间；
Figure BDA00029522166400001013
分别为机组g的最小开、停机时间。
5)节点功率平衡及传输容量约束
Figure BDA00029522166400001014
Figure BDA00029522166400001015
Figure BDA00029522166400001016
Figure BDA00029522166400001017
Figure BDA00029522166400001018
式中，fij,t为节点i与节点j间输电线路的有功传输功率；θi,t节点i在t时段的相角；Bij为节点i与节点j之间的线路导纳；Fl max为输电线路有功传输功率的上限值。
6)考虑不确定性的功率平衡约束
式(2)中的负荷的实际功率往往会偏离预测值。在不确定性场景下，计及一次、二次调频特性的平衡约束：
Figure BDA0002952216640000111
将ΔDd,t不确定区间设为
Figure BDA0002952216640000112
由此，式(13)可等效为式(14)和式(15)的形式。
Figure BDA0002952216640000113
Figure BDA0002952216640000114
式中，
Figure BDA0002952216640000115
分别为机组g一次、二次调频的上调备用和下调备用；Δft up、Δft dn分别为电网频率相对于额定频率偏差的最大、小值。
7)电网频率质量约束
-Δfmax≤Δfdn≤0≤Δfup≤Δfmax (16)
式中，Δfmax为电网频率相对额定频率的最大允许偏差。
8)机组一次调频约束
Figure BDA0002952216640000116
式中，Rg为机组g频率调节系数。
9)机组二次调频约束
Figure BDA0002952216640000117
式中，Δg为不确定性场景下，AGC机组g二次调整功率最大调整量，对于非AGC机组，不满足二次调频约束，即Δg＝0。
10)机组输出功率上下限约束
Figure BDA0002952216640000121
Figure BDA0002952216640000122
11)风电出力上下限约束
Figure BDA0002952216640000123
式中，
Figure BDA0002952216640000124
为时段t内风机w的出力预测值。
天然气网约束包括：
天然气系统主要包含气源、输气管道、加压站(压缩机)、天然气负荷用户等。天然气系统运行时要满足以下条件：
1)节点流量平衡
Figure BDA0002952216640000125
式中，
Figure BDA0002952216640000126
是时段t气源s的输出气流量；
Figure BDA0002952216640000127
分别是时段t管道kl出口与入口处的气体流量，由于不计及天然气网动态特性，所以管道入口的气体流量与出口的气体流量相等；
Figure BDA0002952216640000128
是t时刻节点k未为满足的气流量；
Figure BDA0002952216640000129
是节点k的天然气负荷流量；
Figure BDA00029522166400001210
为燃气轮机g的天然气耗量；
Figure BDA00029522166400001211
为燃气chp机组的天然气耗量。
2)气源出力约束
Figure BDA00029522166400001212
式中，
Figure BDA00029522166400001213
分别为气源出力的上下限。
3)节点压力约束
Figure BDA00029522166400001214
式中，pk,t是t时刻天然气节点k的压力；
Figure BDA00029522166400001215
分别是天然气节点k的压力上、下限。
4)加压站约束
在天然气输送的过程中，由于管壁摩擦等原因产生压力损耗，为了弥补此损失，天然气节点间通过加压站来连接。
pl,t≤βcompk,t (25)
式中，βcom是加压站的加压系数。pk,t、pl,t为t时刻加压站首、末端节点k、l的压力。
5)管道流量约束
Figure BDA0002952216640000131
Figure BDA0002952216640000132
式中，Gkl是管道kl的平均流量；Δxkl、Dkl分别为管道kl的长度和直径；Fkl为管道kl的摩擦系数；R是气体常数；Tg是天然气温度；Z是天然气压缩因子；ρ是标准条件下的天然气温度；
Figure BDA0002952216640000133
分别是管道kl的流量上、下限。
热网约束包括：
热力系统由热源CHP、一次管网、换热站、二次管网与用户组成。其中换热站连接了一次管网与二次管网，热量从换热站的二次侧分配到最终用户。由于二次管网相对较短、储能容量较小，仅对一次管网建模。
1)热功率平衡约束
Figure BDA0002952216640000134
式中，
Figure BDA0002952216640000135
为chp机组的热出力，
Figure BDA0002952216640000136
是未满足的热功率，
Figure BDA0002952216640000137
为换热站所需的热功率。
2)chp出力约束
chp热功率输出：
Figure BDA0002952216640000138
式中，c为水的比热容；
Figure BDA0002952216640000139
分别为CHP机组出口处的热水流量、供水温度与回水温度。
出口处的供水管温度约束为：
Figure BDA0002952216640000141
式中，
Figure BDA0002952216640000142
分别为CHP机组出口处的供水温度上、下限。
3)换热站约束
Figure BDA0002952216640000143
式中，
Figure BDA0002952216640000144
分别为换热站入口处的热水流量、供水温度与回水温度。
入口处的回水管温度约束为：
Figure BDA0002952216640000145
式中：
Figure BDA0002952216640000146
分别为换热站入口处的回水温度上、下限。
4)热力网络约束
在管道交汇点处，注入该节点的管道的出口热水温度在此混合，该混合温度等于所有流出该节点的管道的入口温度：
Figure BDA0002952216640000147
Figure BDA0002952216640000148
Figure BDA0002952216640000149
Figure BDA00029522166400001410
式中，Ωpipe-、Ωpipe+分别表示以节点m为终止节点、起始节点的管道；mp,t为管道p在t时刻的水流量；
Figure BDA00029522166400001411
分别为供水管道p的入口温度与出口温度；
Figure BDA00029522166400001412
分别为回水管道p的入口温度与出口温度；
Figure BDA00029522166400001413
分别为t时刻供水管与回水管上节点m处的混合温度。
耦合约束包括：
耦合元件为CHP机组与燃气轮机。
1)CHP机组耦合约束
CHP机组的电、热出力关系可表示为：
Figure BDA0002952216640000151
式中，
Figure BDA0002952216640000152
为机组电热比。
CHP机组的耗量特性：
Figure BDA0002952216640000153
式中，ηchp是CHP的转换效率，HGV是天然气的高热值，取值为39MJ/m3。
2)燃气轮机耦合约束
燃气轮机的耗量特性：
Figure BDA0002952216640000154
式中，ηgu是燃气轮机的转换效率。
天然气管道流量约束是一个非线性规划问题，增加了模型求解的难度。为了降低综合能源系统求解的难度，本实施例2中，采用增量分段线性化的方法对天然气管道气流方程线性化，线性化分段如图3所示，将非线性规划问题转化为混合整数线性规划问题。下面对增量线性化方法进行介绍。
1)根据非线性模型的规模，合理考虑求解的计算量，然后确定分段数，如n-1；
2)在自变量x的定义域内求解各分段离散点x1,x2,…,xn；
3)求解各分段点x对应的函数值f(x)；
4)引入辅助变量ν、μ将x和f(x)按如下步骤线性化表示。
Figure BDA0002952216640000155
Figure BDA0002952216640000156
νk+1≤μk,μk≤νk,k＝1,2,…,n-2 (42)
0≤νk≤1,k＝1,2,…,n-1 (43)
式中，νk为第k个分段区间上的位置，用0-1变量表示；μk为二进制变量；其中式(42)表示分段时必须连续填充分段区间，不得间断。
采用如上方法，将节点压力平方项用一个新变量
Figure BDA0002952216640000167
来代替，非线性项G2 kl,t可以引入辅助变量ν、μ将方程线性化，如式(44)-(48)所示：
Figure BDA0002952216640000161
Figure BDA0002952216640000162
Figure BDA0002952216640000163
Figure BDA0002952216640000164
Figure BDA0002952216640000165
本实施例2中，以IEEE 24节点电力系统、20节点天然气系统与16节点热力系统为例，对本实施例计及综合能源的输电网机组组合模型进行分析。如图4所示，该系统由1个输电网、1个天然气网和1个热网组成。其中，输电网包含4台火电机组(TU1-TU4)、34条线路，17个电负荷；天然气网包含6个气源(W1-W6)、2个加压站、8个气负荷、24条天然气管道；热网包含8个换热站(HES1-HES8)、14条热水管道。通过CHP机组和燃气轮机将三个子系统耦合，形成互联的综合能源系统。各系统机组参数如表1所示，设置失负荷成本系数为100$/MWh，调度周期为24h。负荷及风电的预测值如图5所示。
表1
Figure BDA0002952216640000166
Figure BDA0002952216640000171
各场景机组组合结果如图6所示，其中，case1：输电网机组组合；case2：输电网机组组合只考虑气网；case3：输电网机组组合只考虑热网；case4：输电网机组组合同时考虑气、热网。
由图6的运行结果分析可知，case1当不计及综合能源天然气网和热网时，机组1在4-5h关闭，机组3在2-3h、24h时关闭，机组4在2-6h、8h、22-24h处于关闭状态；case2将天然气网加入输电网机组组合中，增加了气源出力和燃气轮机在负荷高峰时进行调峰，在23-24h时段关闭机组1，在5-9h、16-21h时段，关闭机组4以减少火电机组发电成本；在case3中考虑了热力系统约束，计及热电联产机组之后，增加了电力供应，机组4在2h后连续停机，机组3在1-9h不启动，相比于case1或者case2，机组启动状态骤减，节省大量发电成本；case4综合考虑气网与热网后，负荷供应主要由机组2、3来承担，由于初始状态设置，机组4仅在1h时段启动，且机组4最小运行时间为1h，满足最小停机约束，所以从2h时段开始停机。
不同场景下(case1-case4)，机组出力依据负荷波动变化，各场景下的机组出力情况如图7所示。
相对于case1输电网来说，机组出力变化趋势同于负荷的变化，计及气网后的火电机组出力变化与case1一致，总体出力水平低于case1，然而在第1时段，case2的火电机组出力还要略高于case1，这是由于气源成本要远大于火电机组的发电成本；对比case1和case3可知，由于考虑了热电联产机组，在负荷低谷时，火电机组出力明显下降，然而在2-7h时，此时仅由机组1承担出力，热电联产机组出力与风电出力波动频繁；case4同时计及气网与热网之后，火电机组出力水平明显低于case2和case1，这是由于case4考虑了燃气轮机、热电联产机组以及天然气产气设备，所以火电机组出力得到优化，即使在电负荷处于“峰”时，机组出力水平也明显降低，然而由于case3为节省成本，机组出力变化出现波动，在2h时，case4的机组出力高于case3，分析可知当同时计及综合能源气网与热网时，将电、热、气三种系统考虑成统一的系统进行协调优化，充分挖掘不同系统的潜力，能源利用效率提高，提高整个系统的经济性。
本实施例2中，为了研究计及综合能源的机组组合对输电网运行的影响，主要对比了各种场景下失电负荷的大小，如图8所示。
如图8的各场景失电负荷所示，不计及综合能源的传统输电网机组组合(case1)时，有706.055MW电负荷不能被满足，失电负荷的主要原因是在用电负荷高峰(9-13h)(19-21h)时，火电机组1-3基本处于满发状态，但机组4由于在负荷低谷时停机后重新启动，由于机组运行成本昂贵和爬坡速率的限制，导致失电负荷增加；单独计及热网(case3)时，电网在负荷高峰时仍有约30.812MW的电负荷未被满足，然而计及气网(case2)和同时计及气网与热网的case4，达到零失电负荷，充分说明，考虑热网后，失电负荷下降约95.6％，当考虑气网后，失电负荷为零，同时在case3的基础上考虑了气网，制定了case4方案，失电负荷也下降了30.812MW。计及气网(case2)与同时计及气网与热网(case4)都没出现失气负荷，因此，当计及综能源就，电气热三个子系统协调优化时总体的运行灵活性能提高，使得系统供能安全性更高、用能经济性更优。
当考虑负荷不确定性计及综合能源的机组组合的影响时，固定负荷的预测误差为σd＝5％，假设机组1-4为AGC机组，所有机组均参与一次调频，火电机组调差系数取为4％。系统频率允许变化范围为50±0.1Hz，为了研究计及综合能源的机组组合应对不确定性的能力，采用一次和二次调频作为输电网应对不确定性的手段。一次和二次频率调节的调度结果如表2所示。
表2
Figure BDA0002952216640000191
可以看出，火电厂所有机组一次调频的上调备用、下调备用分别为244.749MW和324MW，二次调频总上调备用1551.5MW，下调备用1462.2MW，因此，在允许的频率变化范围内，电力系统的调频效果可以作为一种调节资源来应对负荷的不确定性。与传统的的经济调度相比，即假设频率不变的情况，本文模型可以扩大调度解的空间，避免调度中无解但在实践中可行的情况，以适应可再生能源发电的不确定性。
各场景下电力系统运行成本及其相对于case1的成本减小比例如表3所示。
表3
Figure BDA0002952216640000192
Figure BDA0002952216640000201
由表3分析可知，case2相比case1成本减小的主要原因在于，考虑气网传输特性后，16-24h时段火电机组出力较少，给风电提供上网空间，并且燃气轮机进行电力调峰，从而失电成本降低，因此供电成本降低；而case3相比case1成本减小的主要原因在于，考虑热网特性后，热电联产机组电出力缓解了火电机组的压力，电负荷供应得到保障，从而运行成本降低。而case4综合考虑了气热后，因此运行成本最低。
实施例3
本实施例3提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质包括用于执行如上所述的热电联产机组组合配置方法的指令，热电联产机组组合配置方法包括：
获取机组组合配置的约束条件，所述约束条件包括电网约束、气网约束、热网约束以及电网、气网和热网之间的耦合约束；
根据所述机组组合配置的约束条件，以热电联产机组的运行成本之和最小为目标函数，建立机组组合配置模型；其中，所述运行成本包括发电成本、二次调频成本、气源出力成本以及失负荷成本；
采用增量分段线性化方法优化所述机组组合配置模型；
对优化后的机组组合配置模型求解，进行热电联产机组组合配置。
实施例4
本实施例4提供一种电子设备，包括如实施例3所述的非暂态计算机可读存储介质；以及能够执行所述非暂态计算机可读存储介质的所述指令的一个或多个处理器。
实施例5
本实施例5提供一种电子设备，所述电子设备包括用于执行如上所述的热电联产机组组合配置方法的装置。
热电联产机组组合配置方法包括：
获取机组组合配置的约束条件，所述约束条件包括电网约束、气网约束、热网约束以及电网、气网和热网之间的耦合约束；
根据所述机组组合配置的约束条件，以热电联产机组的运行成本之和最小为目标函数，建立机组组合配置模型；其中，所述运行成本包括发电成本、二次调频成本、气源出力成本以及失负荷成本；
采用增量分段线性化方法优化所述机组组合配置模型；
对优化后的机组组合配置模型求解，进行热电联产机组组合配置。
综上所述，本发明实施例所述的计及综合能源系统的输电网机组组合模型，并分析其对机组组合和运行性能的影响。采用电气热24-20-16节点系统算例，验证了计及综合能源后提高了系统运行的经济性，同时电、气、热系统互联运行能够提高能源利用效率，并且计及一次和二次调频后，应对不确定性的能力明显改善。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅为本公开的优选实施例，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热电联产机组组合配置方法，其特征在于，包括：
获取机组组合配置的约束条件，所述约束条件包括电网约束、气网约束、热网约束以及电网、气网和热网之间的耦合约束；
根据所述机组组合配置的约束条件，以热电联产机组的运行成本之和最小为目标函数，建立机组组合配置模型；其中，所述运行成本包括发电成本、二次调频成本、气源出力成本以及失负荷成本；
采用增量分段线性化方法优化所述机组组合配置模型；
对优化后的机组组合配置模型求解，进行热电联产机组组合配置。
2.根据权利要求1所述的热点联产机组组合配置方法，其特征在于，所述电网约束包括：有功功率平衡约束、机组出力上下限约束、爬坡速率约束、最小启停时间约束、节点功率平衡及传输容量约束、考虑一次调频和二次调频的功率平衡约束电网频率质量约束、一次调频约束、二次调频约束、机组输出功率上下限约束以及风电出力上下限约束。
3.根据权利要求1所述的热电联产机组组合配置方法，其特征在于，所述气网约束包括：节点流量平衡约束、气源出力约束、节点压力约束、加压站约束以及管道流量约束。
4.根据权利要求1所述的热电联产机组组合配置方法，其特征在于，所述热网约束包括：热功率平衡约束、机组出力约束、换热站约束、热力网络约束。
5.根据权利要求1所述的热点联产机组组合配置方法，其特征在于，所述耦合约束包括：机组耦合约束和燃气轮机耦合约束。
6.根据权利要求1-5任一项所述的热电联产机组组合配置方法，其特征在于，采用增量分段线性化方法优化所述机组组合配置模型包括：
根据非线性模型的规模，结合求解的计算量，确定分段数，在自变量的定义域内求解各分段离散点；求解各分段离散点对应的函数值；引入辅助变量分段区间位置、二进制变量进行线性化，将气网中的管道平均流量线性化表示。
7.根据权利要求6所述的热电联产机组组合配置方法，其特征在于，以热电联产机组的运行成本之和最小为目标函数包括：
Figure FDA0002952216630000021
其中，FT表示输电网的目标函数；GT、HT分别是气网成本、热网成本；Pg,t表示火电机组g在t时刻的出力；ug,t、Sg,t分别为火电机组g在t时刻的启停状态、启动成本；
Figure FDA0002952216630000022
分别为t时刻机组g二次调频的上、下调备；
Figure FDA0002952216630000023
分别为二次调频的上、下调备对应的成本系数；
Figure FDA0002952216630000024
分别为电网的失电负荷、气网的失气负荷、热网的失热负荷；
Figure FDA0002952216630000025
Cnsp、Cnsg、Cnsh分别为气源成本、失电负荷成本、气负荷成本、热负荷成本的成本系数。
8.一种热电联产机组组合配置系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取机组组合配置的约束条件，所述约束条件包括电网约束、气网约束、热网约束以及电网、气网和热网之间的耦合约束；
构建模块，用于根据所述机组组合配置的约束条件，以热电联产机组的运行成本之和最小为目标，建立机组组合配置模型；其中，所述运行成本包括发电成本、二次调频成本、气源出力成本以及失负荷成本；
优化模块，用于采用增量分段线性化方法优化所述机组组合配置模型；
配置模块，用于对优化后的机组组合配置模型求解，进行热电联产机组组合配置。
9.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质包括用于执行如权利要求1-7任一项所述的热电联产机组组合配置方法的指令。
10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求9所述的非暂态计算机可读存储介质；以及能够执行所述非暂态计算机可读存储介质的所述指令的一个或多个处理器。
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