CN115330021A - 一种考虑沼气电热利用比的综合能源运行优化系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑沼气电热利用比的综合能源运行优化系统及方法，包括集成沼气能源监测、能源数据分析、能源调度管理等功能为一体，具有精确预测负荷和能源消费量、资源分配智能调度控制、能源系统优化运行等功能的区域能源系统能源运行优化管控平台及优化运行方法，最终达到实时数据采集、能源供应态势感知、能源利用效益最优，建立含沼气发电系统的区域能源系统整体运行模型，智能调整沼气电热利用比，生成区域能源系统用能经济性最优为目标的资源分配策略。本发明的优点：改变传统沼气资源无序使用方式，充分发挥沼气在区域能源系统中的灵活利用能力，提高区域能源系统综合供能能力，提升系统经济运行水平。
Description
技术领域
本发明属于能源综合利用优化调度领域，具体涉及一种考虑沼气电热利用比 的综合能源运行优化系统构建及优化运行方法。
背景技术
中国作为传统的农业大国，农村农业用能需求大、范围广，近年来，对于农 村能源的高效利用方式日益受到重视。农业领域的能源利用形式落后，严重依赖 传统化石能源。传统农业供能的主要形式为通过外部电网为用户提供电能，利用 煤炭、秸秆等一次性能源来提供热能。这种传统的供能模式能源利用率低、环境 污染严重且供能的可靠性和安全性较低。此外能源综合利用率低下，浪费严重。 沼气作为一种可再生能源，广泛存在于农村地区并逐渐成为乡村能源体系中重要 的清洁能源。
现有技术存在的问题是，乡村地区沼气资源丰富，用能需求日益增加，但目 前乡村综合能源系统正处在发展阶段，清洁能源的利用方式粗放，缺乏高效经济 的乡村综合能源系统，无法发挥沼气的电热灵活利用能力，难以形成安全、可靠、 经济、绿色的能源供给模式。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种考虑沼气电热利用比的综合能源运行 优化系统及方法，包括集成沼气能源监测、能源数据分析、能源调度管理等功能 为一体，具有精确预测负荷和能源消费量、资源分配智能调度控制、能源系统优 化运行等功能的区域能源系统能源运行优化管控平台及优化运行方法，最终达到 实时数据采集、能源供应态势感知、能源利用效益最优、系统安全可靠运行的目 标。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种考虑沼气电热利用比的综合能源运行优化系统及方法，其特征在于，所 述运行优化控制系统包括：信息采集模块、数据存储模块、逻辑处理单元和控制 执行单元。信息采集模块采集传感计量模块的检测的数据后，将数据存储于数据 存储模块，同时将数据传输至逻辑处理单元，逻辑处理单元根据系统优化模型运 行优化算法并于控制执行单元连接，通过处理采集的数据输出相应控制指令至控 制执行单元；
进一步的，所述信息采集模块包括环境参数传感器、分别与电网及热力管网 连接的沼气流量计、沼气压力计、沼气燃气轮机机组温度计、电能质量监测装置、 水温传感器、转速传感器和智能电表；
进一步的，所述数据存储模块为一套布置于云端的基于SQLite的嵌入式时 序数据库，用以存储所需各类统一时间指标下顺序排列的数据列；所述逻辑处理 单元为高主频多核心计算平台，用以实时运行优化算法，同时向控制执行单元发 送调度指令并实时呈现系统运行状态；
进一步的，所述控制执行单元包括：分别与逻辑处理单元连接的沼气储罐电 控比例阀门、燃气发电机组并网柔性控制装置和供热机组混合气电控比例阀门；
进一步的，根据沼气场站历史沼气产量数据及所在区域能源系统历史电热负 荷需求数据，生成日前沼气产量及电热负荷预测模型。
进一步的，获取并存储沼气场站及电网的运行状态信息包括：沼气数据、环 境数据、热力管网数据和电网数据；所述沼气数据包括：沼气制备存储设备中气 罐压力、沼气产量历史数据及实时数据；所述环境数据包括：沼气场站周边环境 气温数据、湿度数据；所述热力管网数据包括：供热设备沼气使用量、供热设备 水温数据、热力管网压力数据、热力网各节点负荷需求历史数据及实时数据；所 述电网数据包括：沼气发电设备沼气使用量、发电设备发电量、电压电流等电能 质量评价数据、电网各节点负荷需求历史数据及实时数据；
进一步的，所述运行优化方法包括如下步骤：
步骤1)根据区域能源系统电热需求及沼气场站历史生产数据，生成日前沼 气产量及电热负荷需求预测模型。
步骤2)获取并存储沼气场站及电网的运行状态信息，建立含沼气发电系统 的区域能源系统整体运行模型；
步骤3)根据建立的区域能源系统整体运行模型、电热负荷侧需求和采集的 沼气场站及电网的实时运行状态信息，以用能成本最低为控制目标，以沼气电热 利用比为决策变量，考虑沼气场站与区域能源系统相关参数与运行约束，确定沼 气资源最优分配策略，生成考虑沼气电热利用比的区域综合能源优化运行方案；
进一步的，所述运行优化模型包括：沼气场站设备运行模型，区域综合能源 系统电网潮流模型，系统运行模型，系统热功率平衡模型及目标函数；
所述系统运行模型中
其中Rt为 沼气利用热电比，ηe为机组的发电效率，ηh为机组的热效率，ηt为换热器效率， ηb为沼气锅炉的热效率，
为t时刻供热消耗的沼气量，
为t时刻供电消耗的 沼气量，Ke为定义的沼气燃气轮机的热系数，Kh为定义的沼气锅炉的热系数；
所述目标函数
其 中，Cbiogas、
分别为沼气价格及电网分时电价，
为系统外售电电价，
为系统售电量，
为系统外购电电量；
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明所提出的考虑沼气电热利用比的综合能源运行优化系统及方法，通过 考虑区域能源系统电热需求及沼气场站历史生产数据，根据沼气场站与区域能源 系统相关参数与运行约束，建立含沼气发电系统的区域能源系统整体运行模型， 智能调整沼气电热利用比，生成区域能源系统用能经济性最优为目标的资源分配 策略。利用区域能源系统电热需求及沼气生产历史数据进行引导，通过调整沼气 电热利用比，建立以沼气综合利用为核心的区域能源系统，改变传统沼气资源无 序使用方式，充分发挥沼气在区域能源系统中的灵活利用能力，提高区域能源系 统综合供能能力，提升系统经济运行水平。
附图说明
图1为本发明算例中区域能源系统的典型日风机、光伏出力情况；
图2为本发明算例中沼气场站的日前沼气产量预测值；
图3为本发明算例中区域能源系统的电功率平衡情况；
图4为本发明算例中区域能源系统的热功率平衡情况；
图5为本发明算例中沼气的电热利用比变化曲线图；
图6为本发明的工作原理图。
具体实施方式
结合附图，本发明通过以下具体实施方式实现：
1.考虑沼气电热利用比的综合能源运行优化系统架构及优化思路
1.1系统构建架构
考虑沼气电热利用比的综合能源运行优化系统主要由信息采集模块、数据存 储模块、逻辑处理单元和控制执行单元。信息采集模块采集传感计量模块的检测 的数据后，将数据存储于数据存储模块，同时将数据传输至逻辑处理单元，逻辑 处理单元根据系统优化模型运行优化算法并于控制执行单元连接，通过处理采集 的数据输出相应控制指令至控制执行单元。其中逻辑处理单元作为该系统组成的 一部分，在处理各采集单元传输的数据的同时，考虑系统内电热负荷需求，根据 设置的优化运行方法实时运算，为控制执行单元生成并下达调度指令；控制执行 单元根据不同设备物理架构及特性，以控制沼气储罐电、热用沼气输出比例为主， 辅以控制燃气发电机输出方式及供热机组出力等，满足系统电热负荷及安全经济 运行需求。
考虑沼气电热利用比的综合能源运行优化系统并不是单一的不同环节设备 的叠加组合，而是以逻辑处理单元为系统核心，通过改变沼气的电热利用比，充 分发挥沼气利用的灵活性，降低综合能源系统运行成本，提升沼气的综合利用率 及系统运行的经济性和安全性。
1.2运行优化思路
运行要优先以满足系统内的冷热电负荷为目标，并用沼气电热利用比进行响 应，以能量供需平衡、设备能量转换效率、系统运行安全等条件作为系统运行约 束，达到减少运行成本、提升沼气资源利用效率的优化目标。根据数据存储单元 内历史数据及系统实时获取数据，提交下一日的沼气用量预测、负荷状况预测和 供热、供电设备出力预测，参考下一日的负荷预测曲线，并以满足电热负荷为目 标，安排下一日燃机、锅炉出力曲线，并下发给系统内各个能源设备。各能源设 备收到下一日的出力曲线，灵活调整沼气电热利用比例，调整各自的出力。
考虑沼气电热利用比的综合能源运行优化系统将以沼气电热利用比作为能 源输出量作为出发点，调整系统各设备的出力运行状况，以达到提高系统综合能 源利用效率、降低用能成本以及提升沼气利用效率的目的。
2.考虑沼气电热利用比的综合能源运行优化系统运行模型构建
1)根据区域能源系统电热需求及沼气场站历史数据，建立日前沼气产量及 电热负荷需求预测模型。
2)获取并存储沼气场站及电网的运行状态信息，建立含沼气发电系统的区 域能源系统整体运行模型，具体包括沼气场站设备运行约束，区域综合能源系统 电网潮流约束，系统运行安全约束，系统热功率平衡约束及目标函数；
3)沼气场站设备运行约束具体如下所示：
a.沼气燃气轮机
t时刻沼气燃气轮机机组的发电量
为：
式中，ηe为机组的发电效率，ηh为机组的热效率，
为t时刻供电消耗的沼 气量。
则t时刻机组的余热回收量
为：
式中，ηt为换热器效率。
b.沼气锅炉
t时刻沼气锅炉机组的产热量
为：
式中，ηb为沼气锅炉的热效率，
为t时刻供热消耗的沼气量。
则t时刻沼气的热电比Rt可表示为：
式中，Ke为沼气燃气轮机的热系数，Kh为沼气锅炉的热系数。
c.储气罐
式中，
分别为表示储气和放气的二进制变量，储气和放气不能同时进 行；
为t时刻储气罐的气量，
分别为t时刻储气罐的储气流量和放 气流量，Δt为时间步长；GGT，c，max、GGT，d，max分别为储气罐储放气最大流量限制， EGT，max为储气罐的容量上限；为保证系统运行的安全性，式(11)表示储气罐在一 个周期结束时刻的剩余气量和初始储气量相等。
本文近似认为一天内沼气总产量是一定的，即：
式中，T为调度总时段，Gday为日前沼气总产量预测值。
4)区域综合能源系统电网潮流约束具体如下所示：
对于区域综合能源系统中的配电节点i，其非线性电力潮流约束如下所示：
式中，
分别为t时刻流过线路ij首端的有功功率和无功功率；rki， xki分别为线路ki的电阻值和电抗值。Iki，t为t时刻流过线路ki的电流。a(i)为以节 点i为末节点的线路首节点集合，b(i)为以节点i为首节点的线路末节点集合。Ui，t为t时刻节点i的电压幅值。Pi，t和Qi，t分别为t时刻注入节点i的有功功率和无功功 率，具体表示为公式(16)，
为系统外购电，
为可再生能源 有功出力及无功出力，
为系统售电量，
为系统电负荷需求。
5)系统运行安全约束具体如下所示：
配电节点的电压幅值和综合能源系统的外部购电量在调度期间必须满足容 量安全约束，如式(17)-(19)所示：
Umin≤Ui，t≤Umax#(17)
Pgrid，min≤Pt grid≤Pgrid，max#(18)
6)系统热功率平衡约束具体如下所示：
式中，
为系统热负荷需求
7)目标函数具体如下所示：
式中，Cbiogas、
分别为沼气价格及电网分时电价，
为系统外售电电 价。
8)根据建立的区域能源系统整体运行模型、负荷侧电热需求、沼气场站及 电网的实时运行状态信息，以用能成本最低为优化目标，以沼气电热利用比为决 策变量，考虑沼气场站与区域能源系统相关参数与运行约束，确定沼气资源最优 分配策略，生成考虑沼气电热利用比的区域综合能源优化运行方案。
仿真验证：
为了验证本发明的有效性与实用性，在MATLAB中建立小时级区域能源系 统优化运行模型，算例采用改进的18节点配网系统以及区域供热系统，并在13、 17节点配置光伏和风力发电系统，在6节点配置沼气场站，沼气场站主要由燃 气轮机、余热回收装置、燃气锅炉和储气罐等设备组成。为保证供气的稳定性与 安全性，本算例假设沼气在进入燃气设备前已经过脱水、脱硫等预先处理。
基于可再生能源发电预测、负荷预测、沼气产量预测模型，得到日前典型日 风机、光伏出力预测值，如图1所示。以及沼气场站日前沼气产量预测值，如图 2所示。考虑沼气资源分配的电热利用比，以系统运行经济性为目标建立含沼气 发电系统的区域能源系统优化运行模型，生成基于沼气动态电热利用比的区域 能源系统优化运行方案，设备调度情况如图3-4所示。基于沼气场站设备的出力 情况进而得到小时级沼气最优电热利用比变化曲线，如图5所示。
综上，本发明所述技术方案具有以下优点：通过一种考虑沼气电热利用比的 综合能源运行优化系统及方法，可改变传统沼气资源无序的使用方式，充分发挥 沼气对于电热需求的灵活互补能力，以满足用户多样化优化需求，并提高区域能 源系统综合供能可靠性和系统经济运行水平。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示 的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领 域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的 设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种考虑沼气电热利用比的综合能源运行优化系统及方法，其特征在于，所述运行优化控制系统包括：信息采集模块、数据存储模块、逻辑处理单元和控制执行单元。信息采集模块采集传感计量模块的检测的数据后，将数据存储于数据存储模块，同时将数据传输至逻辑处理单元，逻辑处理单元根据系统优化模型运行优化算法并于控制执行单元连接，通过处理采集的数据输出相应控制指令至控制执行单元。
2.根据权利要求1所述的一种考虑沼气电热利用比的综合能源运行优化系统及方法，其特征在于：所述信息采集模块包括环境参数传感器、分别与电网及热力管网连接的沼气流量计、沼气压力计、沼气燃气轮机机组温度计、电能质量监测装置、水温传感器、转速传感器和智能电表。
3.根据权利要求1所述的一种考虑沼气电热利用比的综合能源运行优化系统及方法，其特征在于：
所述数据存储模块为一套布置于云端的基于SQLite的嵌入式时序数据库，用以存储所需各类统一时间指标下顺序排列的数据列；
所述逻辑处理单元为高主频多核心计算平台，用以实时运行优化算法，同时向控制执行单元发送调度指令并实时呈现系统运行状态。
4.根据权利要求1所述的一种考虑沼气电热利用比的综合能源运行优化系统及方法，其特征在于：所述控制执行单元包括：分别与逻辑处理单元连接的沼气储罐电控比例阀门、燃气发电机组并网柔性控制装置和供热机组混合气电控比例阀门。
5.根据权利要求1所述的一种考虑沼气电热利用比的综合能源运行优化系统及方法，其特征在于：根据沼气场站历史沼气产量数据及所在区域能源系统历史电热负荷需求数据，生成日前沼气产量及电热负荷预测模型。
6.根据权利要求1所述的一种考虑沼气电热利用比的综合能源运行优化系统及方法，其特征在于：获取并存储沼气场站及电网的运行状态信息包括：沼气数据、环境数据、热力管网数据和电网数据；
所述沼气数据包括：沼气制备存储设备中气罐压力、沼气产量历史数据及实时数据；
所述环境数据包括：沼气场站周边环境气温数据、湿度数据；
所述热力管网数据包括：供热设备沼气使用量、供热设备水温数据、热力管网压力数据、热力网各节点负荷需求历史数据及实时数据；
所述电网数据包括：沼气发电设备沼气使用量、发电设备发电量、电压电流等电能质量评价数据、电网各节点负荷需求历史数据及实时数据。
7.根据权利要求1所述的一种考虑沼气电热利用比的综合能源运行优化系统及方法，其特征在于，所述运行优化方法包括如下步骤：
步骤一：根据区域能源系统电热需求及沼气场站历史生产数据，生成日前沼气产量及电热负荷需求预测模型；
步骤二：获取并存储沼气场站及电网的运行状态信息，建立含沼气发电系统的区域能源系统整体运行模型；
步骤三：根据建立的区域能源系统整体运行模型、电热负荷侧需求和采集的沼气场站及电网的实时运行状态信息，以用能成本最低为控制目标，以沼气电热利用比为决策变量，考虑沼气场站与区域能源系统相关参数与运行约束，确定沼气资源最优分配策略，生成考虑沼气电热利用比的区域综合能源优化运行方案。
8.根据权利要求1所述的一种考虑沼气电热利用比的综合能源运行优化系统及方法，其特征在于：所述运行优化模型包括：沼气场站设备运行模型，区域综合能源系统电网潮流模型，系统运行模型，系统热功率平衡模型及目标函数；
所述系统运行模型中
其中Rt为沼气利用热电比，ηe为机组的发电效率，ηh为机组的热效率，ηt为换热器效率，ηb为沼气锅炉的热效率，
为t时刻供热消耗的沼气量，
为t时刻供电消耗的沼气量，Ke为定义的沼气燃气轮机的热系数，Kh为定义的沼气锅炉的热系数；
所述目标函数
其中，Cbiogas、
分别为沼气价格及电网分时电价，
为系统外售电电价，
为系统售电量，
为系统外购电电量。
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|---|---|---|---|---|
| CN115860583A (zh) * | 2023-02-28 | 2023-03-28 | 深圳市同创环保科技有限公司 | 一种基于大数据的填埋场沼气收集评估方法、系统和介质 |
| CN116090358A (zh) * | 2023-04-10 | 2023-05-09 | 成都千嘉科技股份有限公司 | 一种半连续沼气场站产储供联动调优的方法 |
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2022
- 2022-07-12 CN CN202210817067.9A patent/CN115330021A/zh active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115860583A (zh) * | 2023-02-28 | 2023-03-28 | 深圳市同创环保科技有限公司 | 一种基于大数据的填埋场沼气收集评估方法、系统和介质 |
| CN116090358A (zh) * | 2023-04-10 | 2023-05-09 | 成都千嘉科技股份有限公司 | 一种半连续沼气场站产储供联动调优的方法 |
| CN116090358B (zh) * | 2023-04-10 | 2023-06-23 | 成都千嘉科技股份有限公司 | 一种半连续沼气场站产储供联动调优的方法 |
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