CN114330835A - 一种综合能源微网中电/热混合储能系统的优化配置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种综合能源微网中电/热混合储能系统的优化配置方法，其包括如下步骤：步骤1、确定综合能源微网；步骤2、建立以运行成本为目标的综合能源系统的优化运行目标函数；步骤3、获取系统的约束条件，并转化为混合整数规划的形式；步骤4、建立电/热混合储能的优化配置模型。本发明计及了系统的经济性，在保证系统经济运行的同时，可以降低系统的碳排放，提高供电和供热平衡的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于综合能源系统领域，具体涉及一种综合能源微网中电/热混合储能系统的优化配置方法。
背景技术
环境污染和化石能源枯竭引起了人们对分布式能源系统的广泛关注，尤其是综合能源系统成为近来的研究热点。综合能源系统不仅可以通过节能梯级利用提高能源利用效率，还可以整合多种能源载体，如天然气、可再生能源和电网。
传统的综合能源系统使用天然气和电网作为能源输入，这导致了过量的二氧化碳排放和年度运营成本较高。风能、太阳能等可再生能源的整合可以减少碳排放，提高可再生能源在系统中的渗透率。然而，可再生能源固有的可变性和间歇性降低了系统的运行稳定性，导致系统优化运行和设备容量确定困难，以蓄电池、蓄热槽为主要代表的电/热混合储能系统是综合能源系统的重要组成部分，也为系统的稳定和经济运行起到重要作用。
现有规划方法没有考虑到系统的碳排放和系统稳定性问题，因此，对综合能源系统中的电/热混合储能系统进行合理配置是十分必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种计及了系统的经济性，在保证系统经济运行的同时，可以降低系统的碳排放，提高供电和供热平衡的稳定性的综合能源微网中电/热混合储能系统的优化配置方法。
本发明采用如下技术方案：
一种综合能源微网中电/热混合储能系统的优化配置方法，其包括如下步骤：
步骤1、确定综合能源微网；
步骤2、建立以运行成本为目标的综合能源系统的优化运行目标函数；
步骤3、获取系统的约束条件，并转化为混合整数规划的形式；
步骤4、建立电/热混合储能的优化配置模型。
进一步的，步骤1确定一个园区或建筑的能源网络包含的设备或负荷类型。
进一步的，所述设备或负荷类型包括太阳能发电、燃气锅炉、微燃气轮机、蓄热槽、蓄电池、吸收式制冷机、电制冷机、电负荷、热负荷和冷负荷。
进一步的，所述步骤2中以运行成本为目标的综合能源系统的优化运行目标函数为运行成本的目标函数，综合能源微网的运行成本包括从电网购电成本和购买天然气的成本，运行收益为向电网售电的收益，公式为：
Cope＝Cgrid+Cfuel-Csold
其中，Cope为运行成本，Cgrid为电网购电成本，Cfuel为购买天然气的成本，Csold为向电网售电的收益，单位均为元。
进一步的，所述从电网购电成本的计算公式为：
所述购买天然气的成本的计算公式为：
所述向电网售电的收益的计算公式为：
其中，pgrid,t是电网的电价，元/kW；Pgrid,t为购电功率，kW；Δt是时间间隔，小时；png,t为天然气价格，元/立方米；Ggt,t为微燃气轮机的燃气热值，kWh；Ggb,t为燃气锅炉的燃气热值，kWh；Hng为天然气热值，kWh/立方米；psold,t为售电价格，元/kW；Psold,t为售电功率，kW。
进一步的，步骤3中，系统的约束条件包括：冷功率平衡约束条件、热功率平衡约束条件、电功率平衡约束条件、微燃气轮机约束条件、电储能系统约束条件和热储能系统约束条件。
进一步的，
冷功率平衡约束条件：
COacHac,t+COecPec,t＝CL
其中，COac为吸收式制冷机的制冷系数；Hac,t为输入吸收式制冷机的热功率，kW；COec电制冷机系数；Pec,t输入电制冷机的电功率，kW；CL为冷负荷，kW；
热功率平衡约束条件：
Hhr,t+Hgb,t-Hac,t+Htst,ch,t-Htst,disch,t＝HL,t/ηhe
其中，Hhr,t为微燃气轮机发出的热功率，Hgb,t为燃气锅炉产生的热功率，Hac,t为输入吸收式制冷机的热功率，Htst,ch,t为热储能系统的充热热功率，Htst,disch,t为热储能系统的放热热功率，HL,t为热负荷，以上单位均为kW；ηhe为热交换器效率；
电功率平衡约束条件：
Pmt,t+Pgrid,t-Pec,t+Pb,ch,t-Pb,disch,t-Psold,t＝PL,t-PPV,t-PW,t
其中，Pmt,t为微燃气轮机输出功率，Pgrid,t为从电网购电的功率，Pec,t为电制冷机输入电功率，Pb,ch,t为电储能系统充电功率，Pb,disch,t为电储能系统放电功率，Psold,t为电网售电， PL,t为用户用电需求，PPV,t为光伏发电功率，PW,t为风力发电功率，单位均为kW；
微燃气轮机约束条件：
其中，ηmt为微燃气轮机效率；
为燃气轮机最小功率，kW；
为微燃气轮机最大功率，kW；
电储能系统约束条件：
其中，Eb,t、Eb,t-1分别为电储能系统在t和t-1时刻的能量，kWh；σb、ηb,ch和ηb,disch分别为电储能系统的自放电系数、充电效率和放电效率；
为电储能系统的最大充放电功率，kW；
和
分别为电储能系统的最小和最大能量，kWh；
热储能系统的运行约束条件：
其中，Etst,t、Etst,t-1分别为热储能系统在t和t-1时刻的能量，kWh；σtst、ηtst,ch和ηtst,disch分别为热储能系统的自放热系数、充热效率和放热效率；
为热储能系统的最大充放热功率，kW；
和
分别为热储能系统的最小和最大能量，kWh。
进一步的，电储能系统约束条件的混合整数规划形式为：
a1为电储能系统的0～1变量；
热储能系统约束条件的混合整数规划形式为：
a2为热储能系统的0～1变量。
进一步的，步骤4中，电/热混合储能的优化配置模型为：
minF＝λ1F1+λ2F2+λ3F3
其中，F为总的优化目标，F1为系统的总成本，F2为碳排放，F3为系统稳定性系数，λ1、λ2、λ3分别为系统的总成本、碳排放和稳定性的权重系数。
进一步的，所述系统的总成本的计算公式为：
F1＝Cinv+Cope+Cm
所述投资成本的计算公式为：
Cinv＝(cb,pPb,N+cb,eEb,N)+ctst,eEtst,N
所述维护成本的计算公式为：
Cm＝(cb,m,pPb,N+cb,m,eEb,N)+ctst,m,eEtst,N
其中，cb,p为电储能系统的功率，元/kW；cb,e、ctst,e分别为能量和热储能系统能量的单位投资成本，元/kWh；cb,m,p为电储能系统的功率，元/kW；cb,m,e、ctst,m,e分别为能量和热储能系统能量的单位维护成本，元/kWh；Pb,N为电储能系统的配置功率，kW；Eb,N、Etst,N分别为能量和热储能系统的配置能量，kWh；
所述系统的碳排放F2的计算公式为：
其中，EZ是系统的直接碳排放，EJ是系统的间接碳排放，εmt为燃气轮机的二氧化碳排放系数，kg/立方米；εgb为燃气锅炉的二氧化碳排放系数，kg/立方米。εg为从电网购电的二氧化碳排放系数，kg/kW；
所述系统稳定性系数F3的计算公式为：
其中，PL,loss,t、CL,loss,t和HL.loss,t分别为电负荷、冷负荷和热负荷的损失负荷，单位均为 kW。
本发明的有益效果在于：目前的研究和专利等文献中，综合能源微网中的电储能和热储能的优化配置，没有综合考虑系统的总成本、碳排放和系统稳定系数，虽然考虑系统的经济性是目前规划需要考虑的主要问题，但是在电能供给稍显不足的大背景下，系统的碳排放和稳定运行也成为非常重要的指标。本发明计及了系统的经济性，在保证系统经济运行的同时，可以降低系统的碳排放，提高供电和供热平衡的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施综合能源微网中电/热储能系统的优化配置方法框图
图2为综合能源微网示意图。
图3为配置电储能前的系统的电功率曲线。
图4为配置电储能后的系统的电功率曲线。
具体实施方式
现结合附图对本发明做进一步详细说明。
根据本发明的综合能源微网中电/热储能系统的优化配置方法，给出综合能源系统优化的具体过程。
图1为本发明实施综合能源微网中电/热储能系统的优化配置方法框图。如图所示，所述方法包括以下步骤：
步骤1、确定综合能源微网。
综合能源微网中所包含的设备或负荷类型，本发明中综合能源微网是指一个园区或建筑的能源网络，包括但不限于太阳能发电、燃气锅炉、微燃气轮机、蓄热槽、蓄电池、吸收式制冷机、电制冷机、电负荷、热负荷和冷负荷。
步骤2、建立以运行成本为目标的综合能源系统的优化运行目标函数。
本发明中，建立以运行成本为目标的综合能源微网的优化运行模型，具体的优化运行模型包括目标函数，如公式(1)～(4)所示。
所述综合能源微网的运行成本包括从电网购电成本Cgrid和购买天然气的成本Cfuel，运行收益为向电网售电的收益Csold。
运行成本的目标函数为：
Cope＝Cgrid+Cfuel-Csold (1)
所述从电网购电成本的计算公式为：
所述购买天然气的成本的计算公式为：
所述向电网售电的收益的计算公式为：
其中，Cope为运行成本，Cgrid为电网购电成本，Cfuel为购买天然气的成本，Csold为向电网售电的收益，单位均为元。pgrid,t是电网的电价(元/kW)，Pgrid,t为购电功率(kW)，Δt是时间间隔(小时)，png,t为天然气价格(元/立方米)，Ggt,t为微燃气轮机的燃气热值(kWh)，Ggb,t为燃气锅炉的燃气热值(kWh)，Hng为天然气热值(kWh/立方米)。psold,t为售电价格 (元/kW)，Psold,t为售电功率(kW)。
步骤3、获取系统的约束条件，并转化为混合整数规划的形式。
本发明中，建立综合能源微网的优化运行的约束条件，包括：冷功率平衡约束条件、热功率平衡约束条件、电功率平衡约束条件、微燃气轮机约束条件、电储能系统约束条件和热储能系统约束条件。
冷功率平衡约束条件：
COacHac,t+COecPec,t＝CL (5)
其中，COac为吸收式制冷机的制冷系数，Hac,t为输入吸收式制冷机的热功率(kW)，COec电制冷机系数，Pec,t输入电制冷机的电功率(kW)，CL为冷负荷(kW)。
热功率平衡约束条件：
Hhr,t+Hgb,t-Hac,t+Htst,ch,t-Htst,disch,t＝HL,t/ηhe (6)
其中，Hhr,t为微燃气轮机发出的热功率，Hgb,t为燃气锅炉产生的热功率，Hac,t为输入吸收式制冷机的热功率，Htst,ch,t为热储能系统的充热热功率，Htst,disch,t为热储能系统的放热热功率，HL,t为热负荷，以上单位均为kW，ηhe为热交换器效率。
电功率平衡约束条件：
Pmt,t+Pgrid,t-Pec,t+Pb,ch,t-Pb,disch,t-Psold,t＝PL,t-PPV,t-PW,t (7)
其中，Pmt,t为微燃气轮机输出功率，Pgrid,t为从电网购电的功率，Pec,t为电制冷机输入电功率，Pb,ch,t为电储能系统充电功率，Pb,disch,t为电储能系统放电功率，Psold,t为电网售电， PL,t为用户用电需求，PPV,t为光伏发电功率，PW,t为风力发电功率。单位均为kW。
微燃气轮机约束条件：
其中，ηmt为微燃气轮机效率，
为燃气轮机最小功率(kW)，
为微燃气轮机最大功率(kW)。
电储能系统约束条件：
电储能系统约束条件的混合整数规划形式为：
其中，Eb,t、Eb,t-1分别为电储能系统在t和t-1时刻的能量(kWh)，σb、ηb,ch和ηb,disch分别为电储能系统的自放电系数、充电效率和放电效率。
为电储能系统的最大充放电功率(kW)，
和
分别为电储能系统的最小和最大能量(kWh)。a1为电储能系统的 0～1变量。
热储能系统的运行约束条件：
热储能系统约束条件的混合整数规划形式为：
其中，Etst,t、Etst,t-1分别为热储能系统在t和t-1时刻的能量(kWh)，σtst、ηtst,ch和ηtst,disch分别为热储能系统的自放热系数、充热效率和放热效率。
为热储能系统的最大充放热功率(kW)，
和
分别为热储能系统的最小和最大能量(kWh)。a2为热储能系统的0～1变量。
步骤4、以投资运行成本、碳排放和系统稳定性为目标，建立电/热混合储能的优化配置模型。
本发明中，建立综合能源微网中电储能系统和热储能系统的优化配置的目标函数，式 (13)，可以同时优化配置电储能系统和热储能系统，目标函数包括系统产生的总成本F1、碳排放F2和系统稳定性系数F3，F为总的优化目标。
minF＝λ1F1+λ2F2+λ3F3 (13)
系统的总成本包括投资成本Cinv、运行成本Cope和维护成本Cm，所述系统的总成本的计算公式为：
F1＝Cinv+Cope+Cm (14)
所述投资成本的计算公式为：
Cinv＝(cb,pPb,N+cb,eEb,N)+ctst,eEtst,N (15)
所述维护成本的计算公式为：
Cm＝(cb,m,pPb,N+cb,m,eEb,N)+ctst,m,eEtst,N (16)
其中，λ1、λ2、λ3分别为系统成本、碳排放和稳定性的权重系数。cb,p、cb,e、ctst,e分别为电储能系统的功率、能量和热储能系统能量的单位投资成本(元/kW、元/kWh、元 /kWh)，cb,m,p、cb,m,e、ctst,m,e分别为电储能系统的功率、能量和热储能系统能量的单位维护成本(元/kW、元/kWh、元/kWh)。Pb,N、Eb,N、Etst,N分别为电储能系统的配置功率、能量和热储能系统的配置能量(kW、kWh、kWh)。
系统的碳排放包括燃气轮机和燃气锅炉消耗天然气产生的直接碳排放和购买电力产生的间接碳排放，所述系统的碳排放F2的计算公式为：
其中，EZ是系统的直接碳排放，由微燃气轮机和燃气锅炉产生，EJ是系统的间接碳排放，由从电网购买电能产生，εmt、εgb和εg分别为燃气轮机、燃气锅炉的二氧化碳排放系数和从电网购电的二氧化碳排放系数(kg/立方米、kg/立方米、kg/kW)。
系统稳定性系数为系统损失的电负荷比例、冷负荷比例和热负荷比例，该系数大于0，其值越小，系统稳定性越强。所述系统稳定性系数F3的计算公式为：
其中，PL,loss,t、CL,loss,t和HL.loss,t分别为电负荷、冷负荷和热负荷的损失负荷(kW)。
本发明中，通过配置电储能系统，可以减少系统电能不足的情况。在配置电储能系统前，如图3所示，光伏发电、风电可以为电负荷提供电能，也可以从电网购买电能，可以购买的最大功率为300kW，在8:00,11:00-12:00和16:00-20:00，光伏、风电和最大购电功率相加仍小于电负荷功率，存在缺电的情况，负荷需求得不到满足。在配置电储能系统后，图4所示，电储能功率为正时，电储能充电；电储能功率为负时，电储能放电。通过电储能适时的充放电，可以使缺负荷的功率均为零。
步骤5：综合能源微网中电/热混合储能系统的优化配置模型求解方法
由于本发明的目标函数是线性的，除了式(9)和式(11)外，其它约束条件也是线性的，但在步骤3中，将式(9)和式(11)转化为式(10)和式(12)的混合整数的形式，因此，本发明采用混合整数线性规划的求解算法求解优化配置模型。确定自变量a1、 a2为整数自变量和其余自变量为连续自变量，然后，采用分支定界法逐次确定每一个分支和节点的最小值，直到没有节点的目标函数值更小为止，并输出优化配置的最优解。
Claims (10)
1.一种综合能源微网中电/热混合储能系统的优化配置方法，其特征在于，其包括如下步骤：
步骤1、确定综合能源微网；
步骤2、建立以运行成本为目标的综合能源系统的优化运行目标函数；
步骤3、获取系统的约束条件，并转化为混合整数规划的形式；
步骤4、建立电/热混合储能的优化配置模型。
2.根据权利要求1所述的一种综合能源微网中电/热混合储能系统的优化配置方法，其特征在于，步骤1确定一个园区或建筑的能源网络包含的设备或负荷类型。
3.根据权利要求2所述的一种综合能源微网中电/热混合储能系统的优化配置方法，其特征在于，所述设备或负荷类型包括太阳能发电、燃气锅炉、微燃气轮机、蓄热槽、蓄电池、吸收式制冷机、电制冷机、电负荷、热负荷和冷负荷。
4.根据权利要求3所述的一种综合能源微网中电/热混合储能系统的优化配置方法，其特征在于，所述步骤2中以运行成本为目标的综合能源系统的优化运行目标函数为运行成本的目标函数，综合能源微网的运行成本包括从电网购电成本和购买天然气的成本，运行收益为向电网售电的收益，公式为：
Cope＝Cgrid+Cfuel-Csold
其中，Cope为运行成本，Cgrid为电网购电成本，Cfuel为购买天然气的成本，Csold为向电网售电的收益，单位均为元。
5.根据权利要求4所述的一种综合能源微网中电/热混合储能系统的优化配置方法，其特征在于，所述从电网购电成本的计算公式为：
所述购买天然气的成本的计算公式为：
所述向电网售电的收益的计算公式为：
其中，pgrid,t是电网的电价，元/kW；Pgrid,t为购电功率，kW；Δt是时间间隔，小时；png,t为天然气价格，元/立方米；Ggt,t为微燃气轮机的燃气热值，kWh；Ggb,t为燃气锅炉的燃气热值，kWh；Hng为天然气热值，kWh/立方米；psold,t为售电价格，元/kW；Psold,t为售电功率，kW。
6.根据权利要求5所述的一种综合能源微网中电/热混合储能系统的优化配置方法，其特征在于，步骤3中，系统的约束条件包括：冷功率平衡约束条件、热功率平衡约束条件、电功率平衡约束条件、微燃气轮机约束条件、电储能系统约束条件和热储能系统约束条件。
7.根据权利要求6所述的一种综合能源微网中电/热混合储能系统的优化配置方法，其特征在于，
冷功率平衡约束条件：
COacHac,t+COecPec,t＝CL
其中，COac为吸收式制冷机的制冷系数；Hac,t为输入吸收式制冷机的热功率，kW；COec电制冷机系数；Pec,t输入电制冷机的电功率，kW；CL为冷负荷，kW；
热功率平衡约束条件：
Hhr,t+Hgb,t-Hac,t+Htst,ch,t-Htst,disch,t＝HL,t/ηhe
其中，Hhr,t为微燃气轮机发出的热功率，Hgb,t为燃气锅炉产生的热功率，Hac,t为输入吸收式制冷机的热功率，Htst,ch,t为热储能系统的充热热功率，Htst,disch,t为热储能系统的放热热功率，HL,t为热负荷，以上单位均为kW；ηhe为热交换器效率；
电功率平衡约束条件：
Pmt,t+Pgrid,t-Pec,t+Pb,ch,t-Pb,disch,t-Psold,t＝PL,t-PPV,t-PW,t
其中，Pmt,t为微燃气轮机输出功率，Pgrid,t为从电网购电的功率，Pec,t为电制冷机输入电功率，Pb,ch,t为电储能系统充电功率，Pb,disch,t为电储能系统放电功率，Psold,t为电网售电，PL,t为用户用电需求，PPV,t为光伏发电功率，PW,t为风力发电功率，单位均为kW；
微燃气轮机约束条件：
其中，ηmt为微燃气轮机效率；
为燃气轮机最小功率，kW；
为微燃气轮机最大功率，kW；
电储能系统约束条件：
其中，Eb,t、Eb,t-1分别为电储能系统在t和t-1时刻的能量，kWh；σb、ηb,ch和ηb,disch分别为电储能系统的自放电系数、充电效率和放电效率；
为电储能系统的最大充放电功率，kW；
和
分别为电储能系统的最小和最大能量，kWh；
热储能系统的运行约束条件：
其中，Etst,t、Etst,t-1分别为热储能系统在t和t-1时刻的能量，kWh；σtst、ηtst,ch和ηtst,disch分别为热储能系统的自放热系数、充热效率和放热效率；
为热储能系统的最大充放热功率，kW；
和
分别为热储能系统的最小和最大能量，kWh。
8.根据权利要求7所述的一种综合能源微网中电/热混合储能系统的优化配置方法，其特征在于，
电储能系统约束条件的混合整数规划形式为：
a1为电储能系统的0～1变量；
热储能系统约束条件的混合整数规划形式为：
a2为热储能系统的0～1变量。
9.根据权利要求8所述的一种综合能源微网中电/热混合储能系统的优化配置方法，其特征在于，步骤4中，电/热混合储能的优化配置模型为
min F＝λ1F1+λ2F2+λ3F3
其中，F为总的优化目标，F1为系统的总成本，F2为碳排放，F3为系统稳定性系数，λ1、λ2、λ3分别为系统的总成本、碳排放和稳定性的权重系数。
10.根据权利要求9所述的一种综合能源微网中电/热混合储能系统的优化配置方法，其特征在于，
所述系统的总成本的计算公式为：
F1＝Cinv+Cope+Cm
所述投资成本的计算公式为：
Cinv＝(cb,pPb,N+cb,eEb,N)+ctst,eEtst,N
所述维护成本的计算公式为：
Cm＝(cb,m,pPb,N+cb,m,eEb,N)+ctst,m,eEtst,N
其中，cb,p为电储能系统的功率，元/kW；cb,e、ctst,e分别为能量和热储能系统能量的单位投资成本，元/kWh；cb,m,p为电储能系统的功率，元/kW；cb,m,e、ctst,m,e分别为能量和热储能系统能量的单位维护成本，元/kWh；Pb,N为电储能系统的配置功率，kW；Eb,N、Etst,N分别为能量和热储能系统的配置能量，kWh；
所述系统的碳排放F2的计算公式为：
其中，EZ是系统的直接碳排放，EJ是系统的间接碳排放，εmt为燃气轮机的二氧化碳排放系数，kg/立方米；εgb为燃气锅炉的二氧化碳排放系数，kg/立方米。εg为从电网购电的二氧化碳排放系数，kg/kW；
所述系统稳定性系数F3的计算公式为：
其中，PL,loss,t、CL,loss,t和HL.loss,t分别为电负荷、冷负荷和热负荷的损失负荷，单位均为kW。
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| CN202111482608.9A CN114330835A (zh) | 2021-12-07 | 2021-12-07 | 一种综合能源微网中电/热混合储能系统的优化配置方法 |
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| CN202111482608.9A CN114330835A (zh) | 2021-12-07 | 2021-12-07 | 一种综合能源微网中电/热混合储能系统的优化配置方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116345549A (zh) * | 2023-03-15 | 2023-06-27 | 国网北京市电力公司 | 一种园区微电网优化运行方法、装置、设备及介质 |
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2021
- 2021-12-07 CN CN202111482608.9A patent/CN114330835A/zh active Pending
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