CN114757469A - 考虑多能流设备的区域综合能源系统日前优化调度方法 - Google Patents
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Abstract
一种考虑多能流设备的区域综合能源系统日前优化调度方法，包括以下步骤：(1)建立区域综合能源系统微能网群架构；(2)建立典型多能流设备模型；(3)建立区域综合能源系统优化调度模型；(4)使用优化软件GAMS对步骤(1)至(3)建立的模型进行求解；(5)根据步骤(4)的求解结果对系统进行调度。本发明针对区域综合能源内多能流设备的不同输入输出特性，建立了考虑多能流设备运行特性的区域综合能源系统模型，利用多能量流的交互，发挥能源间相互转化的优势和时空多能互补的潜力，实现系统的最优经济运行。
Description
技术领域
本发明属于能源运营调度领域，为一种考虑多能流设备的区域综合能源系统日前优化调度方法。
背景技术
能源为人类生活与生产提供能量来源，每一次工业革命都离不开能源类型和使用方式的革新。近年来，中国能源行业取得了令世人瞩目的成就，但也面临严峻挑战。此外能源安全、环境污染、气候变化、社会发展等都对能源系统提出了新要求。
区域综合能源系统通常结合多能流设备组件，如可再生能源、储能和热电联产装置，通过能源间相互转化与互补互济，实现冷、热、电、气等多元能源的综合利用，有效地提高了电力系统的可靠性和利用效率。有助于推进能源结构调整和缓解化石能源短缺的问题。然而，由于不同能源供应系统的运行特性各异，不同能源系统耦合存在一定困难，需要研究不同能流转化设备的输入输出特性，充分发挥多能互补潜力。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种考虑多能流设备的区域综合能源系统日前优化调度方法，用以实现区域综合能源系统之间的能量互补互济。
本发明的技术方案为：一种考虑多能流设备的区域综合能源系统日前优化调度方法，包括以下步骤：
1)建立冷热电多能流型区域综合能源系统微能网群架构；
2)建立多能流设备模型，包括地源热泵模型、斯特林光热模型、高温相变复合储热模型、预制舱梯次储能模型和液化空气储能模型；
3)建立区域综合能源系统优化调度模型，包括：
3.1)确定模型目标函数：
日前经济调度的优化目标为：在满足综合能源系统中各设备运行约束的前提下实现经济最优，即运行成本最低，园区总运行成本FDA包括能源购买成本和切负荷成本，即：
式中：λE,t和λG,t为t时段上级电网/天然气网络的单位价格，
和
表示日前调度阶段园区在t时段从上级电网/气网的购电/气功率，PEload,t、QHload,t和QCload,t分别表示t时段额定的园区电负荷、园区热负荷和园区冷负荷，δE,t、δH,t和δC,t分别表示t时段单位切电负荷、热负荷和冷负荷成本，
和
分别为对应的日前阶段的t时段切负荷率；
3.2)日前优化调度的运行约束：
日前优化调度的运行约束包括各能源转换设备约束和功率平衡约束，有：
式中：
为t时段日前预测的电网购电和可再生能源出力，
和
分别为t时段日前调度中气-电设备转化输出的电功率、电-气设备转化消耗的电功率、电- 热设备转化消耗的电功率和电-冷设备转化消耗的电功率，
和
为t时段日前调度中气网购气、电-气设备转化输出的天然气、气-热设备转化消耗的天然气和气-冷设备转化消耗的天然气，
和
为t时段日前调度中电-热设备转化输出的热功率和气-热设备转化输出的热功率，
为t时段日前调度中电-冷设备转化输出的冷功率，PEload,t、QHload,t和QCload,t分别表示t时段额定的园区电负荷、园区热负荷和园区冷负荷，
和
分别为对应的日前阶段的t时段切负荷率；
4)根据步骤1)的区域综合能源系统微能网群架构，结合步骤2)的架构中的多能流设备模型，在步骤3)的优化目标及运行约束下，使用优化软件GAMS对区域综合能源系统进行优化求解；
5)根据步骤4)的求解结果对冷热电多能流型区域综合能源系统进行调度。
有益效果：本发明考虑了不同能源设备之间的能量交互，建立了综合能源多能流设备协同运行模型，构建了多能流型区域综合能源系统优化模型，充分利用了能源间相互转化的优势和时空多能互补的潜力，实现了系统的最优经济运行。
附图说明
图1为本发明的区域综合能源系统结构图。
图2为本发明实施例的园区购电量分析图。
具体实施方式
本发明一种考虑多能流设备的区域综合能源系统日前优化调度方法，包括以下步骤。
1)建立冷热电多能流型区域综合能源系统微能网群架构，如图1所示，包括地源热泵模型、斯特林光热模型、高温相变复合储热模型、预制舱梯次储能模型和液化空气储能模型，对应园区的冷、热、电多种需求。地源热泵用于满足园区冷、热负荷需求，斯特林光热模型、高温相变复合储热模型用于满足园区电、热负荷需求，预制舱梯次储能模型主要用于满足电负荷需求，液化空气储能模型用于满足冷、热、电负荷需求，使多种能源系统在不同时间尺度上具有相关性和互补性，实现冷热电多能流型区域综合能源系统。
进一步的，区域综合能源系统微能网群架构包括多个用户侧微能网和外部供能系统。
2)建立多能流设备模型。
本发明构建了区域综合能源系统典型多能流设备模型，具体如下。
2.1：建立地源热泵模型：
HGP,t＝ΔTVGPρckGP
式中：
和PGP,t分别为t时段地源热泵从外部环境吸收的冷/热功率和消耗的电能，ΔT 为温差，VGP、ρ、c和kGP分别为地源热泵储能罐体积、水密度、水比热容和转换效率，ηGP为电热消耗比。
和SGP,t为t时段地源热泵输出的冷/热功率和储能量，
为最大储能量，
为最大传输功率。
和
表示t时段地源热泵的二元状态变量。
2.2：建立蝶式斯特林光热模型：
HST,t＝PST,tkSTηST
0≤PST,t≤Psolar,t
式中：PST,t和HST,t为t时段光热系统输出的电能与热能，kST和ηST为热电比和热效率，Psolar,t表示根据实时太阳能辐射计算得到的t时段最大发电量。
2.3：建立高温相变复合储热系统模型：
SHP,N＝SHP,1＝0
式中：
和PHP,t表示t时段流入储热模块的热能和电热元件消耗的电能，keh和ηHX为电热元件转换效率和热交换效率，
和
表示t时段流入/出储热模块的热功率，HHPL,t表示t时段送入用户侧的热功率。SHP,t表示t时段储热功率，kHL为热损耗系数，
和
表示最大储热量和传输热量。
和
表示t时段高温相变复合储热系统的二元状态变量。
2.4：建立预制舱梯次储能模型：
SES,1＝SES,N
式中：
和
为t时段流入和流出ES的电功率，SES,t为t时段ES存储的能量，kES表示自然损耗系数。
和
分别表示最大储能量和最大传输功率。
2.5：建立液化空气储能模型：
SLAS,N＝SLAS,1＝0
式中：PLAS,t和
表示t时段压缩机消耗的电能与产生的热能(流入储热罐的热能)，kcom为压缩机压缩比，
和SLAS,t为t时段流出储热罐的总热能和存储的热能，kL为热损耗系数，Δt为时间间隔，
为储热罐存储上限。
和
表示t时段储热罐的二元状态变量。 HHST_EG,t和HHST_LB,t分别为t时段储热罐流到膨胀发电机和溴化锂机组的热能。ηEG、ηEG_E和ηEG_C分别为膨胀发电机热能转换效率、热电转换效率和热冷转换效率，PEG,t和QEG,t分别为t 时段输出的电能和冷。ηLB、ηLB_H和ηLB_C分别为溴化锂机组热能转换效率、热转换效率和冷转换效率，HLB,t和QLB,t分别为t时段转换的热和冷。
3)建立区域综合能源系统优化调度模型，包括如下步骤。
步骤3.1：确定模型目标函数：
日前经济调度的优化目标为在满足综合能源系统中各设备运行约束的前提下实现经济最优，即运行成本最低。园区总运行成本FDA包括能源购买成本和切负荷成本。本发明优化的目标即最小化FDA：
式中：λE,t和λG,t为t时段上级电网/天然气网络的单位价格，下标E表示电网，G表示天然气，n1为优化的总时间段。
和
表示日前调度阶段园区在t时段从上级电网的购电功率以及从上级气网的购气功率。PEload,t、QHload,t和QCload,t分别表示t时段额定的园区电负荷、园区热负荷和园区冷负荷。δE,t、δH,t和δC,t分别表示t时段单位切电负荷、热负荷和冷负荷成本，
和
分别为对应的日前阶段的t时段切负荷率。
步骤3.2：日前优化调度的运行约束：
日前优化调度的运行约束包括各能源转换设备约束和功率平衡约束，即：
式中：
为t时段日前预测的电网购电和可再生能源出力，
和
分别为t时段日前调度中气-电设备转化输出的电功率、电-气设备转化消耗的电功率、电- 热设备转化消耗的电功率和电-冷设备转化消耗的电功率。
和
为t时段日前调度中气网购气、电-气设备转化输出的天然气、气-热设备转化消耗的天然气和气-冷设备转化消耗的天然气。
和
为t时段日前调度中电-热设备转化输出的热功率和气-热设备转化输出的热功率。
为t时段日前调度中电-冷设备转化输出的冷功率。PEload,t、QHload,t和QCload,t分别表示t时段额定的园区电负荷、园区热负荷和园区冷负荷，
和
分别为对应的日前阶段的t时段切负荷率。
4)根据步骤1)的区域综合能源系统微能网群架构，结合步骤2)的架构中的多能流设备模型，在步骤3)的优化目标及运行约束下，使用优化软件通用代数建模系统GAMS(TheGeneral Algebraic Modeling System)进行优化求解；
5)根据步骤4)的求解结果对区域综合能源系统进行调度，实现优化运行。
下面结合附图介绍本发明的一个具体实施例。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
下面以一实际的区域综合能源系统为例介绍本发明：
表1协调优化运行前后的效果对比
可以看出，经过考虑多能流设备的综合能源系统日前优化调度后，园区的三个运行指标(用能成本、能源损耗和可再生能源消纳)都得到了改善。综合而言，园区的协调优化有着较好的效果，实现较好的社会效益和经济效益。
从图2可以看出，由于园区内的可再生能源发电无法保证自给自足，因此同里园区需要全天候从上级电网购买能源以保证园区的冷和电负荷需求。其中，5:00、9:00-12:00、14:00、16:00 和18:00共计5个时段的电能购买量超过了400kWh。这是由于该时段中，园区的电负荷为较高水平，而此时风电机组的出力较低且装机容量较小。而1:00-4:00和19:00-24:00两个时段的购电量则相对较低，一方面由于园区的冷、热电负荷较低，另一方面，园区调用地源热泵和电储能等设备对能源进行补充。
以上仿真结果验证了本发明所构模型有效性和实用性。说明通过虑多能流设备的区域综合能源系统日前优化调度方法，能够合理地实现多能流资源之间能量互补，且能保证满足综合能源系统约束与优化调度，从而促进分布式能源的有效消纳，具有良好经济效益。
Claims (7)
1.一种考虑多能流设备的区域综合能源系统日前优化调度方法，其特征是包括以下步骤：
1)建立冷热电多能流型区域综合能源系统微能网群架构；
2)建立多能流设备模型，包括地源热泵模型、斯特林光热模型、高温相变复合储热模型、预制舱梯次储能模型和液化空气储能模型；
3)建立区域综合能源系统优化调度模型，包括：
3.1)确定模型目标函数：
日前经济调度的优化目标为：在满足综合能源系统中各设备运行约束的前提下实现经济最优，即运行成本最低，园区总运行成本FDA包括能源购买成本和切负荷成本，即：
式中：λE,t和λG,t为t时段上级电网/天然气网络的单位价格，
和
表示日前调度阶段园区在t时段从上级电网/气网的购电/气功率，PEload,t、QHload,t和QCload,t分别表示t时段额定的园区电负荷、园区热负荷和园区冷负荷，δE,t、δH,t和δC,t分别表示t时段单位切电负荷、热负荷和冷负荷成本，
和
分别为对应的日前阶段的t时段切负荷率；
3.2)日前优化调度的运行约束：
日前优化调度的运行约束包括各能源转换设备约束和功率平衡约束，有：
式中：
为t时段日前预测的电网购电和可再生能源出力，
和
分别为t时段日前调度中气-电设备转化输出的电功率、电-气设备转化消耗的电功率、电-热设备转化消耗的电功率和电-冷设备转化消耗的电功率，
和
为t时段日前调度中气网购气、电-气设备转化输出的天然气、气-热设备转化消耗的天然气和气-冷设备转化消耗的天然气，
和
为t时段日前调度中电-热设备转化输出的热功率和气-热设备转化输出的热功率，
为t时段日前调度中电-冷设备转化输出的冷功率，PEload,t、QHload,t和QCload,t分别表示t时段额定的园区电负荷、园区热负荷和园区冷负荷，
和
分别为对应的日前阶段的t时段切负荷率；
4)根据步骤1)的区域综合能源系统微能网群架构，结合步骤2)的架构中的多能流设备模型，在步骤3)的优化目标及运行约束下，使用优化软件GAMS对区域综合能源系统进行优化求解；
5)根据步骤4)的求解结果对冷热电多能流型区域综合能源系统进行调度。
2.根据权利要求1所述的一种考虑多能流设备的区域综合能源系统日前优化调度方法，其特征是所述区域综合能源系统微能网群架构包括多个用户侧微能网和外部供能系统。
3.根据权利要求1所述的一种考虑多能流设备的区域综合能源系统日前优化调度方法，其特征是区域综合能源系统多能流设备模型中，地源热泵模型为：
HGP,t＝ΔTVGPρckGP
式中：
和PGP,t分别为t时段地源热泵从外部环境吸收的冷/热功率和消耗的电能，ΔT为温差，VGP、ρ、c和kGP分别为地源热泵储能罐体积、水密度、水比热容和转换效率，ηGP为电热消耗比，
和SGP,t为t时段地源热泵输出的冷/热功率和储能量，
为最大储能量，
为最大传输功率，
和
表示t时段地源热泵的二元状态变量。
4.根据权利要求1所述的一种考虑多能流设备的区域综合能源系统日前优化调度方法，其特征是区域综合能源系统多能流设备模型中，斯特林光热模型为蝶式蝶式斯特林光热模型：
HST,t＝PST,tkSTηST
0≤PST,t≤Psolar,t
式中：PST,t和HST,t为t时段光热系统输出的电能与热能，kST和ηST为热电比和热效率，Psolar,t表示根据实时太阳能辐射计算得到的t时段最大发电量。
5.根据权利要求1所述的一种考虑多能流设备的区域综合能源系统日前优化调度方法，其特征是区域综合能源系统多能流设备模型中，高温相变复合储热系统模型为：
SHP,N＝SHP,1＝0
式中：
和PHP,t表示t时段流入储热模块的热能和电热元件消耗的电能，keh和ηHX为电热元件转换效率和热交换效率，
和
表示t时段流入/出储热模块的热功率，HHPL,t表示t时段送入用户侧的热功率，SHP,t表示t时段储热功率，kHL为热损耗系数，
和
表示最大储热量和传输热量，
和
表示t时段高温相变复合储热系统的二元状态变量。
6.根据权利要求1所述的一种考虑多能流设备的区域综合能源系统日前优化调度方法，其特征是区域综合能源系统多能流设备模型中，预制舱梯次储能模型为：
SES,1＝SES,N
式中：
和
为t时段流入和流出ES的电功率，SES,t为t时段ES存储的能量，kES表示自然损耗系数，
和
分别表示最大储能量和最大传输功率。
7.根据权利要求1所述的一种考虑多能流设备的区域综合能源系统日前优化调度方法，其特征是区域综合能源系统多能流设备模型中，液化空气储能模型为：
SLAS,N＝SLAS,1＝0
式中：PLAS,t和
表示t时段压缩机消耗的电能与产生的热能，即流入储热罐的热能，kcom为压缩机压缩比，
和SLAS,t为t时段流出储热罐的总热能和存储的热能，kL为热损耗系数，Δt为时间间隔，
为储热罐存储上限，
和
表示t时段储热罐的二元状态变量，HHST_EG,t和HHST_LB,t分别为t时段储热罐流到膨胀发电机和溴化锂机组的热能，ηEG、ηEG_E和ηEG_C分别为膨胀发电机热能转换效率、热电转换效率和热冷转换效率，PEG,t和QEG,t分别为t时段输出的电能和冷，ηLB、ηLB_H和ηLB_C分别为溴化锂机组热能转换效率、热转换效率和冷转换效率，HLB,t和QLB,t分别为t时段转换的热和冷。
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