CN113610305B - 一种综合能源系统的优化调度方法 - Google Patents
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Abstract
一种综合能源系统的优化调度方法，包括以下步骤：步骤1，建立热网管道动态模型；步骤2，建立一级网与二级网换热过程的模型；步骤3，促进风电消纳，在系统运行总成本中加入弃风惩罚，建立以使系统总运行成本最低的目标函数；步骤4，设置综合能源系统约束条件，步骤5，以步骤4的约束条件，对步骤1至3的模型求解，考虑热网蓄热后，可使热电联产根据系统风电预测出力和电负荷需求调整自身出力，实现系统热负荷跨时段转移，最终达到提升系统风电消纳水平、降低系统一天内用能总成本的目标。充分考虑供热管网的天然储热能力，促进风电消纳提升。
Description
技术领域
本发明属于综合能源领域，更具体地，涉及一种综合能源系统的优化调度方法。
背景技术
现有技术中，储热热电联产与电锅炉协调供热时的经济性。现有技术文件1(CN105447599B)公开了一种基于储热热电联产机组与电锅炉的弃风消纳协调调度模型，包括：1)弃风消纳空间数学模型的建立；2)极限消纳弃风的电锅炉供热功率建模；3)弃风消纳协调调度建模；以及4)弃风消纳协调调度模型求解。
该现有技术在分析含储热热电联产机组工作原理基础上，提出极限消纳弃风电量的电锅炉供热量计算，对比了储热装置不同工作方式以及含储热热电联产与电锅炉协调供热时的经济性。
然而，现有技术文件1虽然通过热电联产机组与电锅炉、储热装置等设备的联合运行，达到了消纳风电、一定程度上提高系统经济性的效果，但这些方案仍然需要较大额外投资和设备建设用地。
而电–热联合系统中，电力系统和热力系统的物理特性互补性强。电力系统中能量相对容易传输但较难存储，而热力系统中能量较易存储但较难传输。电力系统的传输性能使得其在能源的大空间范围输送和优化配置上具有天然的优势；而热力系统中建筑围护结构和输配管网都具备一定的天然储热特性，相对于电力系统而言是一个惯性很大的系统，其自身对于电能输入的波动和短时间歇就具有一定的平抑和耐受功能。
考虑到热网具有热惯性，可以被视为一种天然储热装置，因此可以利用热网蓄热能力解除热电联产的部分热电耦合约束以提升风电消纳能力。该类方案的显著优势在于热网已存在于城镇集中供热系统中而无需较大额外投资。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种综合能源系统的优化调度方法，充分考虑供热管网的天然储热能力，促进风电消纳提升。
本发明采用如下的技术方案。一种综合能源系统的优化调度方法，包括以下步骤：
步骤1，建立热网管道动态模型；
步骤2，建立一级网与二级网换热过程的模型；
步骤3，促进风电消纳，在系统运行总成本中加入弃风惩罚，建立以使系统总运行成本最低的目标函数；
步骤4，设置综合能源系统约束条件，
步骤5，以步骤4的约束条件，对步骤1至3的模型求解，考虑热网蓄热后，可使热电联产根据系统风电预测出力和电负荷需求调整自身出力，实现系统热负荷跨时段转移，最终达到提升系统风电消纳水平、降低系统一天内用能总成本的目标。
优选地，步骤1中，以如下公式表示热网管道动态模型，
Acp(Ti,j+1-Ti,j)Δx+ρAcpU(Ti,j-Ti-1,j)Δτ+kπD(Ti,j+1-Ts)ΔxΔτ＝0
式中：
i表示供热管道的物理节点；
j表示时间节点；
ρ表示密度；
A表示供热管道的截面积；
cp表示工质比热容；
Δx表示沿供热管道位置变化量；
Ti,j表示物理节点i在时间节点j的温度；
U表示工质流速；
Δτ表示时间变化量；
k表示传热系数；
D表示供热管道的直径；
Ts表示土壤温度。
优选地，热网模型可以简化为以如下公式表示，
式中：
Γi,j＝Ti,j-Ts表示供热管道的物理节点i在时间节点j与土壤温度之差。
优选地，步骤2中，以如下公式表示立一级网与二级网换热过程的模型，
Hhs＝ρhsmstm,hs
Hhs≤Hhs,max
式中：
Hhs表示一级管网换热站热功率；
ρhs表示工质热质比；
mstm,hs表示一级管网换热站蒸汽流量；
Hhs,max表示一级管网换热站最大热功率；
Hhl表示二级管网换热站热功率；
Thl,in表示二级管网入口温度；
Tb表示建筑物温度；
Ren,hl表示二级管网侧换热器热阻；
Ren,b表示建筑物侧换热器热阻；
mhl表示二级管网换热站工质流量；
cp表示工质比热容；
mp,hl表示二级管网供热管道工质流量；
khl表示二级管网换热站传热系数；
Ahl表示二级管网换热站面积；
kb表示建筑物传热系数；
Ab表示建筑物面积。
优选地，步骤3中，以如下公式表示目标函数，
式中：
N表示总时段数量；
Ntp表示火电机组数量；
NCHP表示CHP机组数量；
Nhs表示燃煤机组数量；
Ctp,γ,j表示火电机组j时段发电成本，为发电出力的正比例函数；
SU,γ,j表示火电机组j时段启动成本；
SD,γ,j表示火电机组j时段停机成本；
CCHP,P,γ,j表示CHP机组j时段发电出力成本为，发电出力的正比例函数；
CCHP,Q,γ,j表示CHP机组j时段供热出力成本，为供热出力的正比例函数；
Chs,γ,j表示一级管网换热站j时段成本，为换热功率的正比例函数；
CW表示弃风电量的惩罚项，
式中：
Kcut表示弃风惩罚；
Pj,pre表示j时段预测功率；
Pj表示j时段风电消纳功率。
优选地，步骤4中，包括：热电机组约束、燃煤机组约束、火电机组约束和电力网络约束，具体约束条件为功率守恒和不超过安全运行功率。
优选地，步骤5中，可以使用电-热直接潮流法和改进遗传算法进行求解。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，热电联产机组作为电热耦合元件联系起电力系统和热力系统，热泵通过电热负荷转换来解除热电联产机组部分电热耦合。在该系统内，可充分利用电力和热力的互补特性实现风电消纳和能源经济利用。
附图说明
图1为本发明所述一种综合能源系统的优化调度方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1所示，本发明提供了一种综合能源系统的优化调度方法，包括以下步骤：
步骤1，热力系统包括：热源、热网和热负荷，其中热网又由拓扑结构完全相同的供水网络和回水网络组成，在步骤1中重点考虑热网建模。
实际供热生产中，每个热电厂，在综合能源系统中，可以是热电联产机组和/或热泵固定供给特定地区热负荷，各热电厂之间一般不相连，或者通过常闭状态的管道相连接，由此导致，热网结构与环网结构的输电网不同，而是与电力系统中辐射状结构的配电网更加相似，且单方向流动热功率，一个优选但非限制性的实施方式为，参考辐射状结构的配电网建模热力系统。
热网具备蓄热特性，原因在于，其能够缓冲能量、延时响应。调度周期期间，管道中热水储存的总热量升高意味着储热过程，管道中热水储存的总热量降低意味着储热放热过程，而总热量能够通过工质的温度来表征。由此可知，将热网蓄热纳入到综合能源优化调度，能够明显有益于风电消纳。
进一步地，通过质调节和量调节可以调节热网运行方式，质调节是指保持热源节点出口流量不变，通过调节热源出口温度来适应热负荷变化；量调节是指保持热源出口温度不变，通过调节热源节点出口流量来适应热负荷变化。相较于量调节，质调节能够避免频繁动作阀门，降低对阀门损耗。
对热网建模时，将热网抽象为具有多个物理节点的供热管道，并且考虑不同时间节点下各个物理节点温度变化与工质、土壤之间的关联。综上，本发明一个优选但非限制性的实施方式为，建立热网管道模型，以如下公式表示，
Acp(Ti,j+1-Ti,j)Δx+ρAcpU(Ti,j-Ti-1,j)Δτ+kπD(Ti,j+1-Ts)ΔxΔτ＝0
式中：
i表示供热管道的物理节点；
j表示时间节点；
ρ表示密度；
A表示供热管道的截面积；
cp表示工质比热容；
Δx表示沿供热管道位置变化量；
Ti,j表示物理节点i在时间节点j的温度；
U表示工质流速；
Δτ表示时间变化量；
k表示传热系数；
D表示供热管道的直径；
Ts表示土壤温度。
进一步地，热网模型可以简化为以如下公式表示，
式中：
Γi,j＝Ti,j-Ts表示供热管道的物理节点i在时间节点j与土壤温度之差。
值得注意的是，与现有技术显著不同的是，本发明中，基于能量守恒定理建立了热力管网的热量传输动态微分方程之后，进行了省略简化，减少了中间变量，并为热电一体化系统进行优化运行提供了可能性；能够反映瞬态传热过程，通过简化后的方程，可以将出口温度表示为仅关于进口温度与初始温度的函数。
步骤2，在步骤1的基础上，考虑热量进入管道的建模，热网包括：一级管网和二级管网，在电力系统和热力系统耦合的部分，一般为热电联产机组和/或热泵，通过第一换热装置送入一级管网，在一级管网与二级管网之间通过第二换热装置，进入二级管网，而后进入热负荷区域。因此，步骤2的重点是，在一级管网和二级管网之间的建模，用于表征热量向负荷传递的过程。具体地，以如下公式表示立一级网与二级网换热过程的模型，
Hhs＝ρhsmstm,hs
Hhs≤Hhs,max
式中：
Hhs表示一级管网换热站热功率；
ρhs表示工质热质比；
mstm,hs表示一级管网换热站蒸汽流量；
Hhs,max表示一级管网换热站最大热功率；
Hhl表示二级管网换热站热功率；
Thl,in表示二级管网入口温度；
Tb表示建筑物温度；
Ren,hl表示二级管网侧换热器热阻；
Ren,b表示建筑物侧换热器热阻；
mhl表示二级管网换热站工质流量；
cp表示工质比热容；
mp,hl表示二级管网供热管道工质流量；
khl表示二级管网换热站传热系数；
Ahl表示二级管网换热站面积；
kb表示建筑物传热系数；
Ab表示建筑物面积。
值得注意的是，分析热网蓄热特性，对热能传输动态过程进行建模，以更加进一步反映了热网蓄热特性。
步骤3，对于本发明的综合能源系统，考虑了热网蓄热特性，将综合能源系统的运行成本最低作为优化目标，求解优化目标之后，安排风电、光伏以及其它能源设备的出力即实现优化调度。作为本发明一个突出的有益效果，促进风电消纳，在系统运行总成本中加入弃风惩罚，建立以使系统总运行成本最低的目标函数。以如下公式表示，
式中：
N表示总时段数量；
Ntp表示火电机组数量；
NCHP表示CHP机组数量；
Nhs表示燃煤机组数量；
Ctp,γ,j表示火电机组j时段发电成本，为发电出力的正比例函数；
SU,γ,j表示火电机组j时段启动成本；
SD,γ,j表示火电机组j时段停机成本；
CCHP,P,γ,j表示CHP机组j时段发电出力成本为，发电出力的正比例函数；
CCHP,Q,γ,j表示CHP机组j时段供热出力成本，为供热出力的正比例函数；
Chs,γ,j表示一级管网换热站j时段成本，为换热功率的正比例函数；
CW表示弃风电量的惩罚项，
式中：
Kcut表示弃风惩罚；
Pj,pre表示j时段预测功率；
Pj表示j时段风电消纳功率。
步骤4，设置约束条件，包括：热电机组约束、燃煤机组约束、风电机组约束、火电机组约束和电力网络约束。具体约束条件为功率守恒和不超过安全运行功率。
在本发明的综合能源系统中可以包括多台热电联产机组，因此构建热电联产机组约束矩阵，以如下公式表示，
式中：
αk,βk,γk表示第k台热点联产机组的不等式约束系数，
表示第k台热点联产机组j时段的电功率，
表示第k台热点联产机组j时段的热功率。
在本发明的综合能源系统中可以包括多台燃煤机组，因此构建燃煤机组约束矩阵，以如下公式表示，
式中：
表示第k台燃煤机组j时段的热功率，
表示第k台燃煤机组额定热功率。
步骤5，模型求解，可以使用电-热直接潮流法和改进遗传算法进行求解，将综合能源系统内各个能源设备的出力下发，各个能源根据优化后的出力执行出力。值得注意的是，在数学上属非线性规划问题。目前此类问题的求解算法很多，遗传算法为最有效的之一，除此之外，还包括：CPSO算法、基于Tent映射混沌优化NSGA-Ⅱ算法、基于分层次DBSCAN-VBSO算法等等。考虑热网蓄热后，可使热电联产根据系统风电预测出力和电负荷需求调整自身出力，实现系统热负荷跨时段转移，最终达到提升系统风电消纳水平、降低系统一天内用能总成本的目标。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，热电联产机组作为电热耦合元件联系起电力系统和热力系统，热泵通过电热负荷转换来解除热电联产机组部分电热耦合。在该系统内，可充分利用电力和热力的互补特性实现风电消纳和能源经济利用。解决了刻画评估热力管网所具备的调节能力，面临电热系统动态建模难以兼容、异质能源系统运行机制难以协调等瓶颈技术问题。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种综合能源系统的优化调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，建立热网管道动态模型；以如下公式表示：
Acp(Ti,j+1-Ti,j)Δx+ρAcpU(Ti,j-Ti-1,j)Δτ+kπD(Ti,j+1-Ts)ΔxΔτ＝0
式中：i表示供热管道的物理节点；j表示时间节点；ρ表示密度；A表示供热管道的截面积；cp表示工质比热容；Δx表示沿供热管道位置变化量；Ti,j表示物理节点i在时间节点j的温度；U表示工质流速；Δτ表示时间变化量；k表示传热系数；D表示供热管道的直径；Ts表示土壤温度；
步骤2，建立一级网与二级网换热过程的模型；以如下公式表示：
Hhs＝ρhsmstm,hs
Hhs≤Hhs,max
式中：Hhs表示一级管网换热站热功率；ρhs表示工质热质比；mstm,hs表示一级管网换热站蒸汽流量；Hhs,max表示一级管网换热站最大热功率；Hhl表示二级管网换热站热功率；Thl,in表示二级管网入口温度；Tb表示建筑物温度；Ren,hl表示二级管网侧换热器热阻；Ren,b表示建筑物侧换热器热阻；mhl表示二级管网换热站工质流量；cp表示工质比热容；mp,hl表示二级管网供热管道工质流量；khl表示二级管网换热站传热系数；Ahl表示二级管网换热站面积；kb表示建筑物传热系数；Ab表示建筑物面积；
步骤3，促进风电消纳，在系统运行总成本中加入弃风惩罚，建立以使系统总运行成本最低的目标函数；以如下公式表示：
式中：N表示总时段数量；Ntp表示火电机组数量；NCHP表示CHP机组数量；Nhs表示燃煤机组数量；Ctp,γ,j表示火电机组j时段发电成本，为发电出力的正比例函数；SU,γ,j表示火电机组j时段启动成本；SD,γ,j表示火电机组j时段停机成本；CCHP,P,γ,j表示CHP机组j时段发电出力成本为，发电出力的正比例函数；
CCHP,Q,γ,j表示CHP机组j时段供热出力成本，为供热出力的正比例函数；Chs,γ,j表示一级管网换热站j时段成本，为换热功率的正比例函数；CW表示弃风电量的惩罚项，以如下公式表示：
式中：Kcut表示弃风惩罚；Pj,pre表示j时段预测功率；Pj表示j时段风电消纳功率；
步骤4，设置综合能源系统约束条件；
步骤5，以步骤4的约束条件，对步骤1至3的模型求解，考虑热网蓄热后，可使热电联产根据系统风电预测出力和电负荷需求调整自身出力，实现系统热负荷跨时段转移，最终达到提升系统风电消纳水平、降低系统一天内用能总成本的目标。
2.根据权利要求1所述的一种综合能源系统的优化调度方法，其特征在于：
热网管道动态模型可以简化为以如下公式表示，
式中：
Γi,j＝Ti,j-Ts表示供热管道的物理节点i在时间节点j与土壤温度之差。
3.根据权利要求2所述的一种综合能源系统的优化调度方法，其特征在于：
步骤4中，包括：热电机组约束、燃煤机组约束、火电机组约束和电力网络约束，具体约束条件为功率守恒和不超过安全运行功率。
4.根据权利要求2所述的一种综合能源系统的优化调度方法，其特征在于：
步骤5中，可以使用电-热直接潮流法和改进遗传算法进行求解。
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