CN113449987A - 可再生能源配额制下的园区能源系统优化调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可再生能源配额制下的园区能源系统优化调度方法，包括以下步骤：S1：构建园区能源系统的系统模型；S2：基于系统模型建立可再生能源配额制下的系统模型优化运行的目标函数；S3：获取系统模型的优化约束条件；S4：基于约束条件对目标函数进行优化求解，获取园区能源系统的优化调度结果。与现有技术相比，本发明合理的促进可再生能源的消纳利用，平衡可再生资源在空间和时间上的分布上的不均匀。
Description
技术领域
本发明涉及能源优化领域，尤其是涉及一种可再生能源配额制下的园区能源系统优化调度方法。
背景技术
综合能源系统(integrated energy systems，IES)由电气热冷等多种能源耦合而成的，其能源供应主要有电力、天然气，能源需求主要有电力、热能、冷能等形式。区域综合能源系统的覆盖范围通常为城市或城镇，可以有多个园区级别的综合能源系统组成。IES根据电、热、气等多种能源类型的互补特性以及能量梯级利用原则，对多能系统进行统一规划和协调优化运行，是提高能源利用率的重要途径。IES优化调度是IES能量产生、利用并实现供需平衡的前提。目前，IES建模难以精细化、模型求解难度大，目前的研究中多是以单一指标作为区域综合能源系统的调度目标，忽略了可再生能源配额制下RPS及绿色证书交易机制对综合能源系统的影响。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可再生能源配额制下的园区能源系统优化调度方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种可再生能源配额制下的园区能源系统优化调度方法，包括以下步骤：
S1：构建园区能源系统的系统模型；
S2：基于系统模型建立可再生能源配额制下的系统模型优化运行的目标函数；
S3：获取系统模型的优化约束条件；
S4：基于约束条件对目标函数进行优化求解，获取园区能源系统的优化调度结果。
优选地，所述的目标函数为：
C＝Ce+Cgas+Cdr-Cgre
式中：Ce表示园区的购电费用、Cgas为园区的购气费用、Cdr为园区削减负荷所产生的成本、Cgre为绿证交易收益。
优选地，所述的园区的购电费用的计算公式为：
其中，m为一个调度周期内总时刻数，n为设备类型的数量，Prie，i为实时电价，Pgrid，i为交易的电量，
所述的园区的购气费用的计算公式为：
其中，Prig为购买天然气的单位热值的价格，PMT，i、QGB，i分别为第i个IES在t时刻MT的发电功率和GB的产热功率，rMT、ηGB分别对应设备的工作效率。
优选地，所述的园区削减负荷所产生的成本的计算公式为：
其中，a为电负荷削减成本系数，Pe，i-DR为为削减掉的电负荷，b为热负荷削减成本系数，Ph，i-DR为为削减掉的热负荷。
优选地，所述的绿证交易收益的计算公式为：
其中，Cgre-sell为售出绿证利润，Cgre-buy为买进绿证成本，Prigre单本为绿证交易价格，Gi，t-sell、Gi，t-buy分别表示第i个1ES系统在t时刻出售和买入的绿证数量。
优选地，所述的优化约束条件包括绿色证书配额约束、电功率平衡约束、热功率平衡约束、换热器热平衡约束、设备出力约束、电储能约束和电热负荷需求响应约束。
优选地，所述的绿色证书配额约束为：
G(i，t)Ren+G(i，t)buy-G(i，t)sell＝λi*P(i，t)/1000
G(i，t)Ren＝(PWP(i，t)+PPV(i，t))/1000
其中，G(i，t)Ren表示第i个1ES内部由可再生资源风和光产生的发电量可以兑换的绿证数量，λi为第i个IES的可再生能源配额，G(i，t)buy为买入绿证的数量(本)，G(i，t)sell为售出绿证的数量(本)，P(i，t)为可再生能源发电量，PWP(i，t)为第i个IES在t时刻的风电出力的放电功率，PPV(i，t)为第i个1ES在t时刻的光伏出力的放电功率。
优选地，所述的电功率平衡约束为：
PGT(i，t)+PWP(i，t)+PPV(i，t)+PGrid(i，t)+PES-dis(i，t)-PES-ch(i，t)＝Le(i，t)
其中，PGT(i，t)、PWP(i，t)、PPV(i，t)、PES-dis(i，t)、PES-ch(i，t)、Le(i，t)分别是第i个IES在t时刻的燃气轮机出力、风电出力、光伏出力、储能设备的放电功率、储能设备的充电功率和IES内部电负荷，PGrid(i，t)是第i个1ES在t时刻与外界电网交换的能量。
优选地，所述的热功率平衡约束为：
QGB(i，t)+QHX(i，t)＝Lh(i，t)
其中，QGB(i，t)、QHX(i，t)分别是第i个1ES在t时刻余热锅炉、换热器产生的热量，Lh(i，t)是第i个IES在t时刻的热需求。
优选地，所述的换热器热平衡约束为：
QHX/0.9＝PGT*1.47*0.8
其中，QHX为换热器的热量，PGT为燃气轮机发电量。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)基于可再生能源配额制，充分考虑考虑负荷的需求响应和可再生能源配额以及绿证交易，利用绿证交易体系，通过该调度手段对综合能源系统内部的可再生能源发电进行调度，合理的促进可再生能源的消纳利用，平衡可再生资源在空间和时间上的分布上的不均匀，在环保方面可以提高可再生能源的消纳、促进清洁电能的发展，在经济方面可为发电企业增加创收；
(2)本发明的优化调度方法既可以促进单个系统之内的可再生能源消纳，又可以通过大电网将将多个综合能源系统连在一起，促进多个综合能源系统之间的可再生资源发电消纳，改善由于地理位置和自然条件的不同，不同综合能源系统内部的可再生资源发电在时间和空间上对大电网带来的扰动。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明实施例中园区的系统模型结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例
一种可再生能源配额制下的园区能源系统优化调度方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：构建园区能源系统的系统模型。
综合能源系统在园区级或是区域级多考虑冷热电联供系统，其构成包括市电网、市气网、风机、光伏、燃气轮机、蓄电池、电制冷机、电锅炉、燃气锅炉、换热装置、余热回收装置、电转气装置、储气罐、电冷热负荷、冷负荷、热负荷。由于冷负荷所需的冷能可以通过热能获得，本实施例中所考虑的多园区综合能源系统将冷负荷考虑为热负荷的一部分。具体的，如图2所示，包括余热锅炉出力、GT出力(燃气轮机出力)、热负荷、可再生能源出力、综合能源系统发电模块、蓄电池模块、需求响应后的园区符合需求、园区负荷需求模块，其中，通过外部天然气网为余热锅炉出力、GT出力供气，通过外界电网为综合能源系统发电模块供电，余热锅炉出力、GT出力模块为热负荷供热，综合能源系统发电模块为蓄电池冲电并利用蓄电池的储电，综合能源系统发电模块为需求响应后的园区负荷需求供电。
本实施例中，园区的需求响应为：
电力需求响应
激励用户参与需求响应用户的经济补偿成本模型为二次函数，如下式所示：
Pdr，i，min(t)≤Pdr，i(t)≤Pdr，i，max(t)
式中：Cdr，i(t)表示第i个激励型需求响应集群用户在第t时段的需求响应成本；Pdr，i(t)表示第i个激励型需求响应集群用户在第t时段的需求响应削减功率；adr，i表示第i个激励型需求响应用户补偿金额的二次项系数；bdr，i表示第i个激励型需求响应用户补偿金额的一次项系数。其中：Pdr，i，max(t)、Pdr，i，min(t)分别表示第i个集群用户在第t时段需求响应能力上下限。
本发明中涉及的RPS及绿色证书交易机制为：RPS指一个国家或地区通过采取法律等强制性手段规定可再生能源发电市场的市场份额。
绿色证书(green certificates)是指对发电商颁发的一种凭证，以证明发电商所发电能来自于可再生能源，并代表一定数量的绿色电量，可用于市场交易。绿色证书具有很强的时效性，其价格受到短期的供求关系制约。绿色证书数量的计算公式为：
G＝PsΔt/1000
其中，G为参与交易的绿色证书的数量(单位为本/(MW·h))；Ps为第s个可再生能源发电设备的实际出力(单位为kW)；Δt为调度时段时长(单位为h)。
绿色证书交易制度是一种基于RPS的政策工具，是对非水可再生能源电量生产和消费的有效凭证。发电企业每生产一定数量的可再生电能，就可以获得相应数量的绿色证书，可再生能源同时参与绿色证书市场和电力批发市场。当电力生产商生产或用户消纳的可再生能源超过分配指标时，可将剩余的绿色证书在市场上出售而获利；若电力生产商或用户未完成配额指标，可在市场中购买相应数量的绿色证书，从而达到配额指标。
S2：基于系统模型建立可再生能源配额制下的系统模型优化运行的目标函数。
所述的目标函数为：
C＝Ce+Cgas+Cdr-Cgre
式中：Ce表示园区的购电费用、Cgas为园区的购气费用、Cdr为园区削减负荷所产生的成本、Cgre为绿证交易收益。
园区的购电费用的计算公式为：
其中，m为一个调度周期内总时刻数，n为设备类型的数量，Prie，i为实时电价，Pgrid，i为交易的电量，
园区的购气费用的计算公式为：
其中，Prig为购买天然气的单位热值的价格，PMT，i、QGB，i分别为第i个IES在t时刻MT的发电功率和GB的产热功率，ηMT、ηGB分别对应设备的工作效率。
所述的园区削减负荷所产生的成本的计算公式为：
其中，a为，Pe，i-DR为为削减掉的电负荷，b为热负荷削减成本系数，Ph，i-DR为为削减掉的热负荷。
绿证交易收益的计算公式为：
其中，Cgre-sell为售出绿证利润，Cgre-buy为买进绿证成本，Prigre单本为绿证交易价格，Gi，t-sell、Gi，t-buy分别表示第i个IES系统在t时刻出售和买入的绿证数量。
S3：获取系统模型的优化约束条件。
本实施例中，优化约束条件包括绿色证书配额约束、电功率平衡约束、热功率平衡约束、换热器热平衡约束、设备出力约束、电储能约束和电热负荷需求响应约束。
绿色证书配额约束为：
G(i，t)Ren+G(i，t)buy-G(i，t)sell＝λi*P(i，t)/1000
G(i，t)Ren＝(PWP(i，t)+PPV(i，t))/1000
其中，G(i，t)Ren表示第i个IES内部由可再生资源风和光产生的发电量可以兑换的绿证数量，λi为第i个IES的可再生能源配额，G(i，t)buy为买入绿证的数量(本)，G(i，t)sell为售出绿证的数量(本)，P(i，t)为可再生能源发电量，PWP(i，t)为第i个IES在t时刻的风电出力的放电功率，PPV(i，t)为第i个IES在t时刻的光伏出力的放电功率。
电功率平衡约束为：
PGT(i，t)+PWP(i，t)+PPV(i，t)+PGrid(i，t)+PES-dis(i，t)-PES-ch(i，t)＝Le(i，t)
其中，PGT(i，t)、PWP(i，t)、PPV(i，t)、PES-dis(i，t)、PES-ch(i，t)、Le(i，t)分别是第i个IES在t时刻的燃气轮机出力、风电出力、光伏出力、储能设备的放电功率、储能设备的充电功率和IES内部电负荷，PGrid(i，t)是第i个IES在t时刻与外界电网交换的能量。
热功率平衡约束为：
QGB(i，t)+QHX(i，t)＝Lh(i，t)
其中，QGB(i，t)、QHX(i，t)分别是第i个IES在t时刻余热锅炉、换热器产生的热量，Lh(i，t)是第i个IES在t时刻的热需求。
换热器热平衡约束为：
QHX/0.9＝PGT*1.47*0.8
其中，QHX为换热器的热量，PGT为燃气轮机发电量。
设备出力约束：
风电出力上下限约束：
0≤PWP，i≤PWP，i-max
光伏出力上下限约束：
0≤PPV，i≤PWP，i-max
燃气轮机出力上下限约束：
0≤PGT，i≤PGT，i-max
换热器出力上下限约束：
0≤QHX，i≤QHX，i-max
燃气锅炉出力上下限：
0≤QGB，i≤QGB，i-max
向外电网购电量上下限约束：
0≤PGrid，i≤PGrid，i-max
其中，PWP，i-max、PPV，i-max、PGT，i-max、QHX，i-max、QGB，i-max、PGrid，i-max分别为风力发电机最大出力、光伏发电最大出力、燃气轮机最大热功率、换热器最大热功率、燃气锅炉最大出力、最大购入电量。
电储能约束：
在综合能源系统中，由于风力发电和光伏发电的出力受自然因素影响很大，自身存在先天的不足，输出功率的不稳定性和间歇性，配置一定的电储能可以提高供电的可靠性，减少大量的弃风和弃光现象，充分发挥利用可再生能源进行发电的优势。目前运用较为广泛的电储能设备是蓄电池，其化学过程是可逆的，充电时将电能转化成化学能，放电时将化学能转化为电能。依据运行状态的不同可对蓄电池的整个工作过程进行划分：充电过程、放电过程以及仅存储电能的过程。通常用储能蓄电池的状态(State ofCharge，SOC)来表示上述的三种过程。
充电过程：
放电过程：
式中：S(i，t)为储能i电池在t时刻的储能状态，δe为蓄电池自身电能消耗率；P in为蓄电池的电能存入功率；Pout为蓄电池的电能释放功率；S(t)为第t个时间段后蓄电池的容量；S(t-1)为第t-1个时间段后蓄电池的剩余电量；
为蓄电池的电能额定存入效率；
为蓄电池的电能额定释放效率；
为蓄电池的额定容量。
IES电热负荷需求响应约束：
电功率平衡约束：
Le，i＝Le0，i+Pe，i-DR
Le，i为需求响应后的电功率，Le0为负荷需求响应前的电负荷、Pe，i-DR为第i个IES的可平移电功率，其上下限约束条件为：
0≤Pe，i-DR≤0.2*Le0，i
热功率平衡约束：
Lh，i＝Lh0，i+Ph，i-DR
Lh，i为需求响应后的热功率，Lh0，i为负荷需求响应前的热负荷、Ph-DR为第i个1ES的可平移热功率，其上下限约束条件为：
0≤Ph，i-DR≤0.2*Lh0，i
S4：基于约束条件对目标函数进行优化求解，获取园区能源系统的优化调度结果。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。
Claims (10)
1.一种可再生能源配额制下的园区能源系统优化调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：构建园区能源系统的系统模型；
S2：基于系统模型建立可再生能源配额制下的系统模型优化运行的目标函数；
S3：获取系统模型的优化约束条件；
S4：基于约束条件对目标函数进行优化求解，获取园区能源系统的优化调度结果。
2.根据权利要求1所述的一种可再生能源配额制下的园区能源系统优化调度方法，其特征在于，所述的目标函数为：
C＝Ce+Cgas+Cdr-Cgre
式中：Ce表示园区的购电费用、Cgas为园区的购气费用、Cdr为园区削减负荷所产生的成本、Cgre为绿证交易收益。
3.根据权利要求2所述的一种可再生能源配额制下的园区能源系统优化调度方法，其特征在于，所述的园区的购电费用的计算公式为：
其中，m为一个调度周期内总时刻数，n为设备类型的数量，Prie，i为实时电价，Pgrid，i为交易的电量，
所述的园区的购气费用的计算公式为：
其中，Prig为购买天然气的单位热值的价格，PMT，i、QGB，i分别为第i个IES在t时刻MT的发电功率和GB的产热功率，ηMT、ηGB分别对应设备的工作效率。
4.根据权利要求2所述的一种可再生能源配额制下的园区能源系统优化调度方法，其特征在于，所述的园区削减负荷所产生的成本的计算公式为：
其中，a为电负荷削减成本系数，Pe，i-DR为为削减掉的电负荷，b为热负荷削减成本系数，Ph，i-DR为为削减掉的热负荷。
5.根据权利要求2所述的一种可再生能源配额制下的园区能源系统优化调度方法，其特征在于，所述的绿证交易收益的计算公式为：
其中，Cgre-sell为售出绿证利润，Cgre-buy为买进绿证成本，Prigre单本为绿证交易价格，Gi，t-sell、Gi，t-buy分别表示第i个IES系统在t时刻出售和买入的绿证数量。
6.根据权利要求1所述的一种可再生能源配额制下的园区能源系统优化调度方法，其特征在于，所述的优化约束条件包括绿色证书配额约束、电功率平衡约束、热功率平衡约束、换热器热平衡约束、设备出力约束、电储能约束和电热负荷需求响应约束。
7.根据权利要求6所述的一种可再生能源配额制下的园区能源系统优化调度方法，其特征在于，所述的绿色证书配额约束为：
G(i，t)Ren+G(i，t)buy-G(i，t)sell＝λi*P(i，t)/1000
G(i，t)Ren＝(PWP(i，t)+PPV(i，t))/1000
其中，G(i，t)Ren表示第i个IES内部由可再生资源风和光产生的发电量可以兑换的绿证数量，λi为第i个IES的可再生能源配额，G(i，t)buy为买入绿证的数量(本)，G(i，t)sell为售出绿证的数量(本)，P(i，t)为可再生能源发电量，PWP(i，t)为第i个IES在t时刻的风电出力的放电功率，PPV(i，t)为第i个IES在t时刻的光伏出力的放电功率。
8.根据权利要求6所述的一种可再生能源配额制下的园区能源系统优化调度方法，其特征在于，所述的电功率平衡约束为：
PGT(i，t)+PWP(i，t)+PPV(i，t)+PGrid(i，t)+PES-dis(i，t)-PES-ch(i，t)＝Le(i，t)
其中，PGT(i，t)、PWP(i，t)、PPV(i，t)、PES-dis(i，t)、PES-ch(i，t)、Le(i，t)分别是第i个IES在t时刻的燃气轮机出力、风电出力、光伏出力、储能设备的放电功率、储能设备的充电功率和IES内部电负荷，PGrid(i，t)是第i个IES在t时刻与外界电网交换的能量。
9.根据权利要求6所述的一种可再生能源配额制下的园区能源系统优化调度方法，其特征在于，所述的热功率平衡约束为：
QGB(i，t)+QHX(i，t)＝Lh(i，t)
其中，QGB(i，t)、QHX(i，t)分别是第i个IES在t时刻余热锅炉、换热器产生的热量，Lh(i，t)是第i个IES在t时刻的热需求。
10.根据权利要求6所述的一种可再生能源配额制下的园区能源系统优化调度方法，其特征在于，所述的换热器热平衡约束为：
QHX/0.9＝PGT*1.47*0.8
其中，QHX为换热器的热量，PGT为燃气轮机发电量。
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