CN113344357B - 基于频域动态指标的综合能源系统的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频域动态指标的综合能源系统的设计方法，涉及综合能源系统规划设计技术领域，解决了现有综合能源系统在进行规划设计时没有考虑动态特性的影响的技术问题，其技术方案要点是本发明提出了一种反映设备出力变化及动态响应速度的频域可控性指标构建方法，针对综合能源系统规划设计问题，在频域领域提出了描述设备可控性的量化指标。综合考虑了规划设计过程的经济性、环保性和频域动态可控性指标项，以权重的方式建立了综合能源系统的设备容量规划模型。能够更为全面地考虑规划设计方案的动态特性，从频域分析的角度，增加配置负荷响应更为快速的设备容量，提高整个综合能源系统对于负荷需求的响应速度。

Description

基于频域动态指标的综合能源系统的设计方法

技术领域

本公开涉及综合能源系统规划设计技术领域，尤其涉及一种基于频域动态指标的综合能源系统的设计方法。

背景技术

能源是人类赖以生存与发展的基础，是整个国民经济的命脉，与此同时，传统化石能源在发展过程中所产生的环境压力也不断增加，如何在确保社会能源可持续供应的基础上减少产能过程的环境污染问题，愈发受到我国政府的重视。为此，综合能源系统能够根据用户冷、热、电实际负荷需求，进行“量身定制”，能够在系统规划、运行中实现不同能源的优势互补，从而有助于可再生分布式能源的大规模接入与高效利用，提高能源的综合利用效率，是新一代电力系统中不可或缺的组成部分，是国家以及国际上能源领域未来重要的战略方向。

然而，综合能源系统中包含多种可再生能源，各个能源在能量密度、时空分布上具有较大的差异，当综合能源系统中可再生能源渗透比例不断增大，可再生能源的不确定性也不断增加；而综合能源系统中设备类型众多，动态特性差异较大，在可再生能源渗透比例增大的趋势下，系统的协同运行变得更为困难。而在以往的规划设计研究中，没有考虑配置方案中负荷供给过程的动态差异。受制于本身大惯性、大延迟特性，某些热工设备难以在短时间内满足其需求负荷，其配置方案将难以达到预期的设计效果。而在整个综合能源系统设计、调度、控制的流程中，一旦系统的配置方案确定，系统中设备的大惯性、大延迟特性将难以改变，换句话说，在设计阶段考虑动态特性对配置方案的影响是必要的。在设计阶段，考虑各个设备的动态特性的差异，通过引入动态可控性指标，在设计阶段改进综合能源系统的动态特性，从而得到设备可控性更好的容量配置方案，为后续的调度优化及控制设计提供更为优化的基础条件。

然而，目前主要的设计方法主要基于能效与成本计算的稳态模型进行优化，尚没有考虑动态特性对于配置方案的影响，更没有从频域分析的角度构建设备的动态可控性指标，从而探究考虑可控性之后对系统配置优化方案的影响。

发明内容

本公开提供了一种基于频域动态指标的综合能源系统的设计方法，其技术目的是在对综合能源系统进行规划设计时，考虑动态特性对配置方案的影响，并从频域分析的角度构建设备的动态可控性指标，从而实现对综合能源系统配置的优化。

本公开的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种基于频域动态指标的综合能源系统的设计方法，该综合能源系统包括供热设备、供电设备、供冷设备和储能设备，所述供电设备包括光伏、风机、微型燃气轮机、燃气内燃机、燃料电池中的一种或几种设备，所述供热设备包括燃气锅炉、热泵和余热锅炉中的一种或多种设备，所述供冷设备包括以溴化锂为代表的吸收式制冷机和电制冷机，所述储能设备包括电储能设备、热储能设备和冷储能设备，该方法包括：

构建所述综合能源系统中各个设备的数学模型；

根据所述数学模型，构建各个设备的闭环控制系统；

根据各个设备的闭环控制系统，构建反映各个设备出力变化及动态响应速度的频域动态可控性指标项；

构建以经济性指标、频域动态可控性指标项、环保性指标为目标函数的综合能源系统的规划模型；

向所述规划模型输入初始参数；

根据地域负荷，通过Gurobi求解器对所述规划模型进行求解；

根据实际需求选择最合适的综合能源系统的设备容量配置方案。

本公开的有益效果在于：

(1)本发明提出了一种反映设备出力变化及动态响应速度的频域可控性指标构建方法，针对综合能源系统规划设计问题，在频域领域提出了描述设备可控性的量化指标。

(2)本发明在综合能源系统规划设计阶段，综合考虑了规划设计过程的经济性、环保性和频域动态可控性指标项，以权重的方式建立了综合能源系统的设备容量规划模型。本发明所公开的设计方法，相较于现有的规划方法而言，能够更为全面地考虑规划设计方案的动态特性，从频域分析的角度，增加配置负荷响应更为快速的设备容量，提高整个综合能源系统对于负荷需求的响应速度。

(3)本发明充分考虑了异质能源时间尺度上的差异，相较于传统的规划设计方法而言，更注重热负荷、冷负荷的供能设备的动态差异，满足用户的多元负荷需求。

(4)本发明运用Gurobi求解器对上述规划模型进行求解，求解更为高效、快速。

附图说明

图1为本发明所述方法的流程图；

图2为综合能源系统的结构示意图；

图3是设备闭环频率特性曲线示意图；

图4是不同阻尼比下的谐振峰值与超调量变化趋势示意图；

图5是输入信号阶跃变化时输出信号的输出幅频特性曲线示意图；

图6是输入信号阶跃变化时输出信号的输出相频特性曲线示意图；

图7是不同设定值时的频域与时域出力性能指标对比示意图；

图8是谐振频率ω_r、t_s与谐振峰值M_r之间的关系表达曲线图；

图9是典型日的负荷曲线与光伏可用功率曲线；

图10是多目标规划设计模型的解集分布图；

图11是方案A下各个电设备的电负荷出力平衡图；

图12是方案A下各个热设备的热负荷出力平衡图；

图13是方案A下各个冷设备的冷负荷出力平衡图；

图14是方案B下各个电设备的电负荷出力平衡图；

图15是方案B下各个热设备的热负荷出力平衡图；

图16是方案B下各个冷设备的冷负荷出力平衡图。

具体实施方式

下面将结合附图对本公开技术方案进行详细说明。

图1为本发明所述方法的流程图，如图1所示，一种基于频域动态指标的综合能源系统的设计方法，该综合能源系统包括热设备、电设备、冷设备、可再生能源设备、储能设备和能量转化设备，所述储能设备包括电储能设备和热储能设备，如图2所示。

该方法包括：步骤S1：构建所述综合能源系统中各个设备的数学模型。

各个设备的数学模型的约束条件包括能量平衡约束和设备特性约束，能量平衡约束又包括电能平衡约束、热能平衡约束和冷能平衡约束，具体包括：

式(1)中，分别表示微型燃气轮机的电输出功率、风机的电输出功率、光伏的电输出功率、电储能设备的放电功率及电储能设备的充电功率；/>表示热泵的耗电功率；/>分别表示热泵的热输出功率、燃气锅炉的热输出功率、热储能设备的放热功率及热储能设备的储热功率；/>表示溴化锂制冷机的冷输出功率；/>分别表示用户的电负荷、热负荷和冷负荷；分别表示电储能设备的放电状态、电储能设备的充电状态、热储能设备的放热状态、热储能设备的储热状态。

微型燃气轮机的特性约束包括：

式(2)中，分别表示微型燃气轮机功率输出的下限和上限；/>表示微型燃气轮机运行所需的天然气热量；/>表示微型燃气轮机的热功率；η_MGT表示微型燃气轮机的能效系数。

燃气锅炉的特性约束包括：

式(3)中，和/>分别表示燃气锅炉运行过程中的供热功率下限与上限；/>表示天然气供给燃气锅炉运行的热量；η_GB表示燃气锅炉的能效系数。

热泵的特性约束包括：

式(4)中，分别表示热泵运行过程中热功率输出的下限和上限；COP_HP表示热泵的能效系数。

溴化锂制冷机的特性约束包括：

式(5)中，分别表示溴化锂制冷机输出功率的下限和上限；COP_AC表示溴化锂制冷机的能效系数；/>表示供给溴化锂制冷机运行的热量。

电储能设备的特性约束包括：

式(6)中，分别表示电储能设备放电功率的下限和上限；/>分别表示第j个小时和第(j-1)个小时的蓄电电量；C_ESS表示电储能设备的容量；η_ESS,ch、η_ESS,dis分别表示电储能设备的充电效率、放电效率。

热储能设备的特性约束包括：

式(7)中，分别表示热储能设备储热放热功率的下限和上限；分别表示第j个小时和第(j-1)个小时的热储能设备的热容量；C_HSS表示热储能设备的规划容量。

其中，i表示第i个典型日，j表示第j个小时。

步骤S2：根据所述数学模型，构建各个设备的闭环控制系统。

本申请通过PI控制器构建闭环控制系统，例如电设备(微型燃气轮机)将电功率作为反馈信号、能量转换设备(空气源热泵)以出水温度作为反馈信号、热设备(燃气锅炉)以锅炉出水温度作为反馈信号，建立单个设备的单回路反馈调节系统，则单个设备的单回路反馈调节系统的传递函数表示为：

式(8)中，G(s)表示单个设备的单回路反馈调节系统的传递函数模型；Y(s)表示单回路反馈调节系统的输出信号；R(s)表示单回路反馈调节系统的设定值；G_a(s)表示单回路反馈调节系统的调节器；G_o(s)表示单回路反馈调节系统的被控对象。

式(9)中，δ＝2.2δ_k,T_i＝0.85T_k；δ_k是使得第k个设备的控制回路实现等幅振荡的临界比例带，即频率特性曲线经过(-1，j0)点；ω_k表示第k个设备的频率；通过临界比例带法等工程确定每个设备的控制器参数。

步骤S3：根据各个设备的闭环控制系统，构建反映各个设备出力变化及动态响应速度的频域动态可控性指标项。

步骤S3中，关键在于构建描述设备出力变化与动态响应速度这两个特征的频域特征量。闭环控制系统的频率特性曲线如图3所示，其主要分为幅频特性与相频特性两个部分。在幅频特性曲线中，当频率ω由0到∞变化时，幅频特性曲线中，幅值A(ω)也随之变化，且存在最大值，该最大值称为谐振峰值M_r(M_r即构建出力变化)。谐振峰值M_r越大，表明闭环控制系统对于某个频率的正弦输入信号反映强烈，有谐振趋势，意味着闭环控制系统的相对稳定性较差，在时域分析中，闭环控制系统的阶跃响应将有较大的超调量，即设备的谐振峰值M_r与时域指标超调量均能够表示系统的稳定程度，两者存在对应关系。

当闭环控制系统阻尼比变化时，谐振峰值M_r与超调量的变化趋势如图4所示，从图4中可以看出，谐振峰值M_r与超调量具有相同的变化趋势，谐振峰值M_r也能够反映闭环控制系统动态变化过程的相对稳定程度。

为了构建描述闭环控制系统出力变化的特征值，假定设备设定的出力信号呈比例变化，其输出信号的幅值变化如图5所示、相位变化如图6所示。从图5、图6中可以看出，闭环控制系统输出的幅值也随之呈比例变化，且谐振频率不变，而输出信号的相位却没有发生改变。因此，当设定的出力信号变化P倍时，根据时域指标中超调量与动态变化过程中峰值关系的启发，在频域分析中，使用P-M_r反映设备出力变化，该指标与时域指标中的峰值的对应关系如图7所示，从图7中可以看出，频域指标与峰值的变化趋势相同，且两者的比值为定值，因此可以使用该指标表示不同工况变动时出力的差异。对于高阶系统而言，其超调量与谐振峰值M_r的经验关系如式(17)所示，即高阶系统的超调量σ％随着谐振峰值M_r增大而增大，该结论与上述结论均相同。

σ％＝[0.16+0.4(M_r-1)]×100％；1≤M_r≤1.8；(17)

在设备的时域分析中，其动态响应速度的快慢经常使用调节时间进行表示，调节时间越短，其响应速度越快。例如对于一个二阶系统而言，闭环控制系统的调节时间可以表示为：/>则该二阶振荡环节的谐振角频率可以表示为：/>

将式(18)和式(19)联系起来，即可得到式(20)所示的函数关系，并进一步得到ω_rt_s和M_r之间的函数关系，如图8所示。

由图8可知，对于给定的谐振峰值M_r，调节时间t_s与谐振频率ω_r呈反比，谐振频率越大，则表明闭环控制系统自身的“惯性”小，因此闭环控制系统的调节时间短，动作过程更加迅速，闭环控制系统的快速性好，因此，可以使用谐振频率ω_r表示设备的动态响应速度。

综上，频域动态可控性指标项可表示为：

式(10)中，f_c表示综合能源系统规划模型的频域动态可控性指标项；n表示一年内典型日类型的个数；m表示综合能源系统中的设备数量；D_i表示第i个典型日的天数；表示第k个设备在第i个典型日时的第j个小时的出力；M_r,k表示第k个设备的谐振峰值；ω_r,k表示第k个设备的谐振频率。

步骤S4：构建以经济性指标、频域动态可控性指标项、环保性指标为目标函数的综合能源系统的规划模型。

具体地，目标函数包括：

式(11)中，f表示综合能源系统规划模型的目标函数；λ₁、λ₂、λ₃分别表示经济性指标、频域动态可控性指标项、环保性指标的权重系数；f_economy表示综合能源系统规划模型的经济性成本；f_emission表示综合能源系统规划模型的环保性指标。

式(12)中，R表示资金回收率；ε_in,k表示各个设备的投资成本系数；ε_om,k表示各个设备的运行维护成本系数；ε_fuel表示天然气的成本系数；C_k表示各个设备的容量；表示电设备的输出功率；/>表示热设备的输出功率；η_MGT表示电设备的发电效率；η_GB表示热设备的热效率；LHV表示天然气的低位发热量；/>表示第k个设备的输出功率。

式(13)中，表示以天然气为燃料时的CO₂的排放系数。

则多目标函数表示为：

根据目标函数和多目标函数得到综合能源系统的规划模型，包括：

单目标规划模型建模表示为：

多目标规划模型建模表示为：

其中，g_m(x)表示规划模型的不等式约束；h_n(x)表示规划模型的等式约束。

步骤S5：向所述规划模型输入初始参数。

具体地，输入的初始参数为用户特定案例的数据，具体包括：用户特定案例的典型工况日的可再生能源设备的出力数据，典型工况日的冷热电负荷数据。

步骤S6：根据地域负荷，通过Gurobi求解器对所述规划模型进行求解。

步骤S7：根据实际需求选择最合适的综合能源系统的设备容量配置方案。通过选取不同目标的偏好或者权重系数，对不同的容量配置方案进行选择，从而决定最终的综合能源系统中设备容量配置方案。

作为具体实施例地，本申请基于某地区办公楼宇的负荷数据为基础进行综合能源系统设备容量配置。该综合能源系统的结构如图2所示，其主要的供应能源为天然气，周边无其他热源影响，且不接入电网。根据当地的气候特点，全年可以分为三个典型工况日，春秋季、夏季、冬季，输入的典型工况日的负荷需求与光伏出力如图9所示。该实施例中，分别设定三个典型工况日的时长为125、127与113天。本实施例中，综合能源系统中的设备经济性参数与能效性参数如表1所示。天然气的购买价格为2.8￥/m3,天然气燃烧所产生的CO₂的排放系数为0.002kg/m³。

表1中，微燃机即供电设备，燃气锅炉、热泵为供热设备，蓄电池为电储能设备，蓄热罐为热储能设备，溴化锂制冷机为供冷设备，光伏表示可再生能源设备。

按照上述实施方案的具体步骤，对综合能源系统的规划模型进行求解。单目标规划模型的优化结果如表2所示，多目标规划模型的解集三维分布如图10所示。在求解过程中，决策者可以根据自身的喜好与需求分配经济性、频域动态可控性与环保性指标的系数，从而确定综合能源系统的容量配置方案。由于本申请的核心点之一在于规划设计阶段考虑了可控性，因此，在单目标规划模型中，本实施例中分别取可控性的权重系数λ₂为0.3与0.5，分别确定两种容量配置方案A(λ₁＝0.5,λ₂＝0.3,λ₃＝0.2)与方案B(λ₁＝0.3,λ₂＝0.5,λ₃＝0.2)，其容量配置结果如表2所示，用以比较考虑频域可控性指标项后容量配置方案的变化。图11、图12、图13分别表示在方案A下各个电设备的电负荷出力平衡图、各个热设备的热负荷出力平衡图、各个冷设备的冷负荷出力平衡图；图14、图15、图16分别表示在方案B下各个电设备的电负荷出力平衡图、各个热设备的热负荷出力平衡图、各个冷设备的冷负荷出力平衡图。

表1

从表2可以看出，可控性权重λ₂增大后，动态特性较快的热泵在容量上有了较为明显的增加，而响应速度较慢的燃气锅炉的容量则相应地减少，供热的主体设备也逐渐由经济性更好的燃气锅炉向响应速度更快的热泵进行过渡。热泵的容量增大后，其总体的耗电量也随之增加，因此微型燃气轮机(微燃机)的容量也随之增大，以满足热泵耗电量增大而带来的用电负荷需求。

表2

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但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技术范围内提出的其他实施例或简单置换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于频域动态指标的综合能源系统的设计方法，其特征在于，该综合能源系统包括供热设备、供电设备、供冷设备和储能设备，所述供电设备包括光伏、风机和微型燃气轮机，所述供热设备包括燃气锅炉和热泵，所述供冷设备包括溴化锂制冷机和电制冷机，所述储能设备包括电储能设备、热储能设备和冷储能设备，该方法包括：

构建所述综合能源系统中各个设备的数学模型；

根据所述数学模型，构建各个设备的闭环控制系统；

根据各个设备的闭环控制系统，构建反映各个设备出力变化及动态响应速度的频域动态可控性指标项；

构建以经济性指标、频域动态可控性指标项、环保性指标为目标函数的综合能源系统的规划模型；

向所述规划模型输入初始参数；

根据地域负荷，通过Gurobi求解器对所述规划模型进行求解；

根据实际需求选择最合适的综合能源系统的设备容量配置方案；

其中，所述根据所述数学模型，构建各个设备的闭环控制系统，包括：通过PI控制器构建闭环控制系统，则单个设备的单回路反馈调节系统的传递函数表示为：

式(8)中，G(s)表示单个设备的单回路反馈调节系统的传递函数模型；Y(s)表示单回路反馈调节系统的输出信号；R(s)表示单回路反馈调节系统的设定值；G_a(s)表示单回路反馈调节系统的调节器；G_o(s)表示单回路反馈调节系统的被控对象；

式(9)中，δ＝2.2δ_k,T_i＝0.85T_k；δ_k是使得第k个设备的控制回路实现等幅振荡的临界比例带，即频率特性曲线经过(-1，j0)点；ω_k表示第k个设备的频率；

则所述频域动态可控性指标项表示为：

式(10)中，f_c表示综合能源系统规划模型的频域动态可控性指标项；n表示一年内典型日类型的个数；m表示综合能源系统中的设备数量；D_i表示第i个典型日的天数；表示第k个设备在第i个典型日时的第j个小时的出力；M_r,k表示第k个设备的谐振峰值；ω_r,k表示第k个设备的谐振频率；

所述目标函数包括：

式(11)中，f表示综合能源系统规划模型的目标函数；λ₁、λ₂、λ₃分别表示经济性指标、频域动态可控性指标项、环保性指标的权重系数；f_economy表示综合能源系统规划模型的经济性成本；f_emission表示综合能源系统规划模型的环保性指标；

式(12)中，R表示资金回收率；ε_in,k表示各个设备的投资成本系数；ε_om,k表示各个设备的运行维护成本系数；ε_fuel表示天然气的成本系数；C_k表示各个设备的容量；表示电设备的输出功率；/>表示热设备的输出功率；η_MGT表示电设备的发电效率；η_GB表示热设备的热效率；LHV表示天然气的低位发热量；/>表示第k个设备的输出功率；

式(13)中，表示以天然气为燃料时的CO₂的排放系数；

则多目标函数表示为：

根据所述目标函数和所述多目标函数得到所述综合能源系统的规划模型，包括：

单目标规划模型建模表示为：

多目标规划模型建模表示为：

其中，g_m(x)表示规划模型的不等式约束；h_n(x)表示规划模型的等式约束。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述各个设备的数学模型的约束条件包括能量平衡约束和设备特性约束；

所述能量平衡约束包括电能平衡约束、热能平衡约束和冷能平衡约束，具体为：

式(1)中，分别表示微型燃气轮机的电输出功率、风机的电输出功率、光伏的电输出功率、电储能设备的放电功率及电储能设备的充电功率；表示热泵的耗电功率；/>分别表示热泵的热输出功率、燃气锅炉的热输出功率、热储能设备的放热功率及热储能设备的储热功率；/>表示溴化锂制冷机的冷输出功率；/>分别表示用户的电负荷、热负荷和冷负荷；分别表示电储能设备的放电状态、电储能设备的充电状态、热储能设备的放热状态、热储能设备的储热状态；

所述微型燃气轮机设备的特性约束包括：

式(2)中，分别表示微型燃气轮机功率输出的下限和上限；/>表示微型燃气轮机运行所需的天然气热量；/>表示微型燃气轮机的热功率；η_MGT表示微型燃气轮机的能效系数；

所述燃气锅炉的特性约束包括：

式(3)中，和/>分别表示燃气锅炉运行过程中的供热功率下限与上限；/>表示天然气供给燃气锅炉运行的热量；η_GB表示燃气锅炉的能效系数；

所述热泵的特性约束包括：

式(4)中，分别表示热泵运行过程中热功率输出的下限和上限；COP_HP表示热泵的能效系数；

所述溴化锂制冷机的特性约束包括：

式(5)中，分别表示溴化锂制冷机输出功率的下限和上限；COP_AC表示溴化锂制冷机的能效系数；/>表示供给溴化锂制冷机运行的热量；

所述电储能设备的特性约束包括：

式(6)中，分别表示电储能设备放电功率的下限和上限；/>分别表示第j个小时和第(j-1)个小时的蓄电电量；C_ESS表示电储能设备的容量；η_ESS,ch、η_ESS,dis分别表示电储能设备的充电效率、放电效率；

所述热储能设备的特性约束包括：

式(7)中，分别表示热储能设备储热放热功率的下限和上限；/>分别表示第j个小时和第(j-1)个小时的热储能设备的热容量；C_HSS表示热储能设备的规划容量；

其中，i表示第i个典型日，j表示第j个小时。