CN113570128A - 一种包含地源热能的能源枢纽模型的最佳配置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种包含地源热能的能源枢纽模型的最佳配置方法,包括如下步骤:1.建立包含地源热能的能源枢纽模型;2.确定能源耦合关系;3.制定能源枢纽配置方案;步骤4.建立能源枢纽的评价指标;5.确定能源枢纽模型的最佳配置方案:根据步骤3所制定的配置方案和步骤4建立的评价指标,计算出各方案的不同评价指标,采用AHP的灰色关联分析评价方法对各方案的不同指标进行评价,得到最大关联度max Ra,进一步确定能源枢纽模型的最佳配置方案。本发明在能源枢纽系统的建设上,可以减少设备投入与运行成本,增强系统的稳定性,提高能源的利用效率,降低对环境的污染程度。
Description
技术领域
本发明属于综合能源系统领域,尤其是涉及一种包含地源热能的能源枢纽模型的最佳配置方法。
背景技术
近年来,随着全球社会的快速发展,对能源的需求日益增加,传统化石能源的 逐渐枯竭以及自然环境的日益恶化等现象越发显著。如何实现可再生能源的稳定 应用,保障能源的安全供应,提高能源的综合利用率,减少环境污染,已成为世 界范围内能源领域的重要发展方向。为满足能源系统中的多负荷需求,一场能源 结构的大革命早已在全世界范围紧张的进行着,能够有效解决清洁能源消纳问题、 实现多能源之间协调互补的能源枢纽系统受到了广泛的关注。与传统电力系统相 比,能源枢纽系统更为复杂和抽象,这就使得多能源输入的能源枢纽系统的配置 变得更加困难。
对综合能源系统进行统一的规划设计、配置和运行,既是人类为了解决长期发 展而面临种种难题的必然选择,也是社会能源行业技术前进的进一步体现。目前, 国内外对于能源枢纽系统的配置、规划和优化运行方面进行了大量研究。
在北美地区,美国能源部在2001年提出了综合能源系统发展规划,目的是提 高清洁能源的利用率,进一步推广可再生能源应用、提高社会供能系统的可靠性 和经济性;2007年美国发布能源独立法和安全法,要求社会主要供能系统务必制 定综合能源发展计划,并在未来的五年间追加专项经费6.5亿美元支持综合能源 发展计划的研究;2011年,美国政府提出,将用20年时间将煤炭石油等一次能源 发电量的占比降低到20%以下,在全社会实现清洁能源的普及。
2009年,加拿大国会审议并通过了旨在推动加拿大综合能源系统相关的报告, 同年9月,能源内阁委员会颁布了Integrated Community Energy Solutions:A Roadmap forAction指导意见,在其中明确指出构建覆盖全国的社区综合能源系 统(ICES),用来应对日益严峻的能源危机和温室效应,并将ICES技术的研究与 工程建设列为国家的能源战略。
欧洲是最先对综合能源系统开展研究并付诸以实践的地区。自2014年启动的 地平线2020研究计划,与综合能源系统相关的“安全、清洁和高效能源”和“智 能、绿色和综合交通”等项目所获得的研究经费,约占整个研究计划投资的六分 之一,可见欧洲地区对能源领域的重视程度。英国也开展大量与可再生能源同电 力网间的协调的相关项目,如HDPS(Highly Distributed Power Systems)、 HiDEF(Highly Distributed Power EnergyFuture)和ITRC(Infrastructure Transitions Research Consortium)等项目。
自从2011年起,德国在环境部和经济与技术部等机构的共同规划下,决定加 大投资力度,从能源的供应端和需求端方面,开展对能源系统的优化协调,进一 步推动能源产业发展,提高全社会的经济效益。丹麦制定了在2050年完成100% 利用可再生能源进行发电的计划,大力发展电/气/热耦合系统。
在亚洲各国中,日本是最早开展关于综合能源系统研究的国家,由于地理环境 的限制,日本资源严重匮乏,每年从国外大量进口煤炭、石油等,从国家能源安 全角度出发,2009年日本政府发布了其2020年、2030年、和2050年温室气体的 减排目标,并认为构建覆盖全国的中能源系统、促进可再生能源大规模利用、并 实现能源效率提高和系统结构优化、是完成这一目标的必经之路。
我国对综合能源系统的研究高度重视,国家发布了多项相关的政策。2017年 以来,国家稳步推进综合能源系统相关工程的建设,确定首批55个示范项目,符 合我国国家发展战略。国家电网公司等企业,各科研院所和高等院校已经对综合 能源系统关键技术、规划运行等不同层面开展了大量的研究。
现阶段,城市中小规模的能源枢纽系统建设已初见成效。但在对能源的规划上 略显不过,同时未完全利用区域优势,很少考虑多能源之间的互补以及对地源热 能的利用。能源枢纽的运营商为追求最大的经济效益而建立单目标的枢纽模型。 这就使得所配置的能源枢纽系统功能过于单一、运行成本高、污染大及效率低等 问题。能源枢纽系统要达到高效的能源利用率,发挥其节能减排的作用,合理的配 置方案必不可少。由于能源枢纽系统能源的多样性和技术的复杂性,对系统的配 置也多种多样,为得到更好的能源枢纽系统配置方案,本发明提出了一种包含地源 热能的能源枢纽模型的最佳配置方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种包含地源热能的能源枢纽模型的最佳配 置方法,通过AHP的灰色关联分析评价方法,对所制定的能源枢纽方案进行评价 并确定最佳配置方案。本发明应用在能源枢纽系统的建设上,可以减少设备投入 与运行成本,增强系统的稳定性,提高能源的利用效率,降低对环境的污染程度。
为了解决现有技术存在的问题,本发明采用的技术方案如下:
一种包含地源热能的能源枢纽模型的最佳配置方法,包括如下步骤:
步骤1:建立包含地源热能的能源枢纽模型:所述能源枢纽模型包括四部分, 第一部分是能源输入部分,第二部分是能源转换设备,第三部分是储能设备,第 四部分是能源负荷部分;
步骤2:确定能源耦合关系:根据步骤1所建立的能源枢纽模型,得到模型中 电、热和冷的耦合关系表达式,L=ληE,λη分别表示能源分配比例矩阵和转换设 备效率矩阵;L表示转换输出的能量,E表示输入转换设备的能量;
步骤3:对能源枢纽模型中的能源转换设备和储能设备进行编号,确定各设备 的数量,其中各个能源转换设备的数量为1-4个,储能设备的数量均为1个,得 到能源枢纽配置方案65536种;
步骤4:确定能源枢纽的四种评价指标,分别为经济性指标、可靠性指标、能 源利用效率指标和环保性指标;
步骤5:确定能源枢纽模型的最佳配置方案:根据步骤3所制定的配置方案和 步骤4建立的评价指标,计算出各方案的不同评价指标,构造判断矩阵A,计算各 能源枢纽的评价指标的权重系数,检验判断矩阵A是否具有满意的一致性,根据 计算出的各方案的不同评价指标,采用AHP的灰色关联分析评价方法对各方案的 不同指标进行评价,得到最大关联度maxRa,确定能源枢纽模型的最佳配置方案。
其中:所述能源输入部分包括太阳能、风能、电网、天然气网和地源热能; 所述能源转换设备包括PV、WT、电锅炉、空气源热泵、CHP、燃气锅炉、燃气轮机 和地源热泵;所述储能设备包括储电设备、储热设备和储冷设备;所述能源负荷 部分包括电负荷、热负荷和冷负荷。
其中:所述的步骤2中能源枢纽模型将一个包含地源热能的多能源系统的电、 热和冷进行耦合的数学表达式如下:
简记为:
L=ληE
其中, Le表示转换输出 电能,Lh表示转换输出热能,Lc表示转换输出冷能,λη分别表示能源分配比例矩 阵和转换设备效率矩阵,λ1表示太阳能和风能中太阳能的分配比例,λ2表示太阳 能和风能中风能的分配比例,λ3表示电锅炉分配电能的比例,λ4表示空气源热泵 分配电能的比例,λ5表示热电联产机组分配天然气的比例,λ6表示燃气锅炉分配 天然气的比例,λ7表示燃气轮机分配天然气的比例,ηPV表示光伏发电的效率,ηWT表示风电机组的发电效率,ηeb表示电锅炉的发热效率,表示空气热源泵的发热 效率,表示空气热源泵的制冷效率,表示热电联产机组的发电效率,表 示热电联产机组的发热效率,ηgb表示燃气锅炉的发热效率,ηgt表示燃气轮机的发 电效率,ηt表示变压器的效率,表示地源热泵的发热效率,表示地源热泵的 制冷效率,Er表示输入的太阳能和风能的总量,Ee表示电网输入的电量,Eg表示天然气网输入的燃气量,EG表示地源热能输入的能量。
其中:所述步骤4中的经济性指标的数学表达式如下:
C=Cd+Csr+Cb
上式中,C表示能源枢纽模型的总成本,Cd表示能源设备的采购成本,Cdi表 示第i号能源设备采购单价,Ni表示第i号能源设备采购数量,π表示能源设备折现 率,取0.05,mi表示第i号能源设备的使用年限,Csr表示设备的安装与运行维护 成本,表示第i号能源设备安装费用,表示第i号能源设备单位时间的运行维 护费用,T表示能源设备的运行时间,ΔT表示单位时间,Cb表示能源枢纽采购电 和天然气的成本,Ce表示能源枢纽单位时间从电网购买的电量,Cg表示能源枢纽 单位时间从天热气网购买的天然气量,ζe,t表示购电的实时价格,ζg,t表示购气的实 时价格。
其中:所述步骤4中的可靠性指标的数学表达式如下:
上式中,ΔLel表示枢纽供电短缺量,ΔLhl表示枢纽供热短缺量,ΔLcl表示枢纽供冷短缺量,Ue表示用户的电负荷需求,Uh用户的热负荷需求,Uc用户的冷负荷需 求,fdi,k表示第i号能源设备发生k类故障的故障率,表示能源设备平均故障率,V表示设备的故障类型的数目。
其中:所述步骤4中的能源利用效率指标的数学表达式如下:
Efei=Er+Eg+EG
其中:所述步骤4中的环保性指标的数学表达式如下:
本发明所具有的优点与有益效果是:
本发明基于能源枢纽模型,在考虑地源热能的条件下,根据不同形式的能源输入,负荷用户的需求,制定多个包含地源热能的能源枢纽模型的配置方案,建立 最佳配置指标,采用AHP的灰色关联分析评价方法,确定最佳的配置方案。本发 明充分利用一次能源,尤其利用了地源热能,多方面的考虑影响配置能源枢纽的 因素,如经济因素、环境因素,安全因素等,特别的利用了AHP的灰色关联分析 评价方法,确定了最佳的配置方案。本发明在能源枢纽的建设上,可以减少设备 投入与运行成本,增强系统的稳定性,提高能源的利用效率,降低对环境的污染 程度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明一种包含地源热能的能源枢纽模型的最佳配置方法的流程图;
图2为本发明能源枢纽模型结构示意图;
图3为本发明配置方案图;
图4为本发明购电和购气的价格图;
图5为本发明512组配置方案的仿真图;
图6为本发明周期最大关联度的仿真图。
具体实施方式
如图1所示,本发明一种包含地源热能的能源枢纽模型的最佳配置方法,包括 以下步骤:
步骤1:建立包含地源热能的能源枢纽模型:如图2所示,所述能源枢纽模型 共包括四部分:第一部分是包括太阳能、风能、电网、天然气网和地源热能的能 源输入部分;第二部分是包括光伏发电PV、风力发电机组WT、电锅炉、空气源热 泵、热电联产机组CHP、燃气锅炉、燃气轮机和地源热泵的能源转换设备;第三部 分是包括储电设备、储热设备和储冷设备的储能设备;第四部分是包括电负荷、 热负荷和冷负荷的能源负荷部分。
步骤2:确定能源耦合关系:根据步骤1所建立的能源枢纽模型,将一个包含 地源热能的多能源系统的电、热和冷进行耦合,其数学表达式如下:
简记为:
L=ληE,其中,L示转换输出的能量,E表示输入转换设备的能量;
其中, Le表示转换输出电能,已知值,通过计算获得,Lh表示转换输出热能, 已知值,通过计算获得,Lc表示转换输出冷能,已知值,通过计算获得,λη分别 表示能源分配比例矩阵和转换设备效率矩阵,λ1表示太阳能和风能中太阳能的分配 比例,λ2表示太阳能和风能中风能的分配比例,λ3表示电锅炉分配电能的比例,λ4表示空气源热泵分配电能的比例,λ5表示热电联产机组分配天然气的比例,λ6表 示燃气锅炉分配天然气的比例,λ7表示燃气轮机分配天然气的比例,ηPV表示光伏 发电的效率,ηWT表示风电机组的发电效率,ηeb表示电锅炉的发热效率,表示 空气热源泵的发热效率,表示空气热源泵的制冷效率,表示热电联产机组 的发电效率,表示热电联产机组的发热效率,ηgb表示燃气锅炉的发热效率,ηgt表示燃气轮机的发电效率,ηt表示变压器的效率,为0.98,表示地源热泵的发 热效率,表示地源热泵的制冷效率,Er表示输入的太阳能和风能的总量,已知 值,Ee表示电网输入的电量,已知值,Eg表示天然气网输入的燃气量,已知值,EG表示地源热能输入的能量,已知值。
表1能源设备参数
步骤3:制定能源枢纽配置方案:如图2所示,对能源枢纽模型中的能源 转换设备和储能设备进行编号,并确定各设备的数量,其中PV为设备1,WT为设 备2,电锅炉为设备3,空气源热泵为设备4,CHP为设备5,燃气锅炉为设备6, 燃气轮机为设备7,地源热泵为设备8,储电设备为设备9,储热设备为设备10, 储冷设备为设备11,如图3所示,本发明中各个能源转换设备数量至多4个至少 1个,储能设备数量均为1个,得到能源枢纽配置方案,共有配置方案65536种。
步骤4:建立能源枢纽的评价指标:能源枢纽评价指标包括四种,分别为:经 济性指标、可靠性指标、能源利用效率指标和环保性指标,其经济性指标数学表 达式如下:
C=Cd+Csr+Cb
上式中,C表示能源枢纽模型的总成本,Cd表示能源设备的采购成本,Cdi表 示第i号能源设备采购单价,Ni表示第i号能源设备采购数量,π表示能源设备折现 率,取0.05,mi表示第i号能源设备的使用年限,为10年,Csr表示设备的安装与 运行维护成本,表示第i号能源设备安装费用,表示第i号能源设备单位时间 的运行维护费用,T表示能源设备的运行时间,为24小时,ΔT表示单位时间,Cb表示能源枢纽采购电和天然气的成本,Ce表示能源枢纽单位时间从电网购买的电 量,已知值,Cg表示能源枢纽单位时间从天热气网购买的天然气量,已知值,ζe,t表 示购电的实时价格,ζg,t表示购气的实时价格,购电和购气的价格如图4所示。
可靠性指标,其数学表达式如下:
上式中,ΔLel表示枢纽供电短缺量,通过测量获得,ΔLhl表示枢纽供热短缺量,通过测量获得,ΔLcl表示枢纽供冷短缺量,通过测量获得,Ue表示用户的电负荷需 求,通过测量获得,Uh用户的热负荷需求,通过测量获得,Uc用户的冷负荷需求, 通过测量获得,fdi,k表示第i号能源设备发生k类故障的故障率,表示能源设备平 均故障率,V表示设备的故障类型的数目,为2。
能源利用效率指标,其数学表达式如下:
Efei=Er+Eg+EG
环保性指标,其数学表达式如下:
其中,表示第i号设备二氧化碳的排放系数,Pri表示第i号设备能源设备运行的额定功率,为6.46×10-4kg/(kW·h),为6.23×10-4kg/(kW·h),为 6.19×10-4kg/(kW·h)。
表2能源设备成本
步骤5:根据步骤3所制定的配置方案和步骤4建立的评价指标,计算出各方 案的不同评价指标,构造判断矩阵A,计算各能源枢纽的评价指标的权重系数,检 验判断矩阵A是否具有满意的一致性,根据计算出的各方案的不同评价指标,采 用AHP的灰色关联分析评价方法对各方案的不同指标进行评价,得到最大关联度 maxRa,进一步确定能源枢纽模型的最佳配置方案,其具体过程如下;
针对经济性指标、可靠性指标、能源利用效率指标和环保性指标构造判断矩 阵A:
计算判断矩阵A的最大特征值的特征向量并归一化可以得出经济性指标、可 靠性指标、能源利用效率指标和环保性指标的权重系数;
W*=[0.080 0.240 0.132 0.548]T
判断矩阵A一致性检验;
①计算一致性指标CI:
上式中,CI为一致性指标,CI=0,有完全的一致性;CI越接近0,有满意的 一致性;CI越大,一致性越小,βmax为判断矩阵A的最大特征值,本发明中n为4。
②计算随机一致性比率CR:
上式中,RI为平均随机一致性指标,本发明中取0.90,CR<0.1,说明判断矩 阵A具有满意的一致性。
基于AHP的灰色关联度分析模型;
①本发明由65536个配置方案和4个评价指标构成,则65536个配置方案的原 始评价指标矩阵D:
②确定最优方案指标集:
最优方案指标集D0=[8.1210 0.9905 0.6000 35.5452],式中8.1210为经济性指标 的最优值,0.9905为可靠性指标的最优值,0.6000为能源利用效率指标的最优值,35.5452为环保性指标的最优值,构造矩阵D′;
③指标值的规范化处理:
对D′进行规范化处理,则规范化矩阵D*;
关联系数矩阵H的确定;
根据灰色关联分析法,确定第a个方案的第b个评价指标与第b个最优指标的关联系数εab;
上式中,ρ为分辨系数,ρ∈[0,1],本发明取0.5,由εab可到关联系数矩阵H:
灰色关联度的确定;
根据关联系数的行向量和指标权重向量W*,得到各方案的关联度Ra(a=1,2,...,65536):
Ra=HaW*
maxRa=0.9213,a=4,则配置方案4,为本发明的最佳配置方案。
图5中,横坐标为本发明的配置方案,选取方案数由1到512,纵坐标为本发 明关联度R;从图6中容易看出,每256组方案构成一个关联度周期,共有256个 关联度周期,当其他能源转换设备的数量不变时,关联度R随着地源热泵设备数 量的增加而增加,当地源热泵设备的数量不变时,关联度R随着其他能源转换设 备数量的增加而减少,同时在一个关联度R周期内除地源热泵设备外,其他能源 转换设备数量的增加,会使关联度R呈下降的趋势;从图6中可以看出,在第一 个关联度周期内出现关联度R最大值,在最后一个关联度周期内出现关联度R最 小值。
Claims (7)
1.一种包含地源热能的能源枢纽模型的最佳配置方法,其特征在于包括如下步骤:
步骤1:建立包含地源热能的能源枢纽模型:所述能源枢纽模型包括四部分,第一部分是能源输入部分,第二部分是能源转换设备,第三部分是储能设备,第四部分是能源负荷部分;
步骤2:确定能源耦合关系:根据步骤1所建立的能源枢纽模型,得到模型中电、热和冷的耦合关系表达式,L=ληE,λη分别表示能源分配比例矩阵和转换设备效率矩阵;L表示转换输出的能量,E表示输入转换设备的能量;
步骤3:对能源枢纽模型中的能源转换设备和储能设备进行编号,确定各设备的数量,其中各个能源转换设备的数量为1-4个,储能设备的数量均为1个,得到能源枢纽配置方案65536种;
步骤4:确定能源枢纽的四种评价指标,分别为经济性指标、可靠性指标、能源利用效率指标和环保性指标;
步骤5:确定能源枢纽模型的最佳配置方案:根据步骤3所制定的配置方案和步骤4建立的评价指标,计算出各方案的不同评价指标,构造判断矩阵A,计算各能源枢纽的评价指标的权重系数,检验判断矩阵A是否具有满意的一致性,根据计算出的各方案的不同评价指标,采用AHP的灰色关联分析评价方法对各方案的不同指标进行评价,得到最大关联度maxRa,确定能源枢纽模型的最佳配置方案。
2.根据权利要求1所述的包含地源热能的能源枢纽模型的最佳配置方法,其特征在于:所述能源输入部分包括太阳能、风能、电网、天然气网和地源热能;所述能源转换设备包括PV、WT、电锅炉、空气源热泵、CHP、燃气锅炉、燃气轮机和地源热泵;所述储能设备包括储电设备、储热设备和储冷设备;所述能源负荷部分包括电负荷、热负荷和冷负荷。
3.根据权利要求1所述的包含地源热能的能源枢纽模型的最佳配置方法,其特征在于:所述的步骤2中能源枢纽模型将一个包含地源热能的多能源系统的电、热和冷进行耦合的数学表达式如下:
简记为:
L=ληE
其中, Le表示转换输出电能,Lh表示转换输出热能,Lc表示转换输出冷能,λη分别表示能源分配比例矩阵和转换设备效率矩阵,λ1表示太阳能和风能中太阳能的分配比例,λ2表示太阳能和风能中风能的分配比例,λ3表示电锅炉分配电能的比例,λ4表示空气源热泵分配电能的比例,λ5表示热电联产机组分配天然气的比例,λ6表示燃气锅炉分配天然气的比例,λ7表示燃气轮机分配天然气的比例,ηPV表示光伏发电的效率,ηWT表示风电机组的发电效率,ηeb表示电锅炉的发热效率,表示空气热源泵的发热效率,表示空气热源泵的制冷效率,表示热电联产机组的发电效率,表示热电联产机组的发热效率,ηgb表示燃气锅炉的发热效率,ηgt表示燃气轮机的发电效率,ηt表示变压器的效率,表示地源热泵的发热效率,表示地源热泵的制冷效率,Er表示输入的太阳能和风能的总量,Ee表示电网输入的电量,Eg表示天然气网输入的燃气量,EG表示地源热能输入的能量。
4.根据权利要求1所述的包含地源热能的能源枢纽模型的最佳配置方法,其特征在于:所述步骤4中的经济性指标的数学表达式如下:
C=Cd+Csr+Cb
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