CN115470564A - 一种公共建筑能源系统协调控制方法及其控制组件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种公共建筑能源系统协调控制方法及其控制组件，首先构建碳排因子计算公式，并基于碳排因子计算建筑购电碳排放量，再根据光伏和热电联产构建需求侧电力‑建筑耦合碳成本的成本计算模型，接着构建房间热平衡方程，再建立房间温度准动态变化模型，随后基于建立好的房间温度准动态变化模型，将房间热惯性设为虚拟储能系统；本发明利用了电力系统碳排因子对建筑用户释放用能碳排信息，并考虑了建筑BIM模型中围护结构和外界温度等对建筑用能需求的差异化作用，还充分考虑了电力系统碳排强度的时空差异性，建立了兼顾建筑与电力碳排的建筑用能系统整体目标函数能提升建筑与电力系统综合降碳的能力，适合被广泛推广和使用。
Description
技术领域
本发明涉及综合能源系统需求侧优化控制技术领域，具体涉及一种公共建筑能源系统协调控制方法及其控制组件。
背景技术
建筑与能源领域节能降碳是实现全球范围内碳中和目标的重要途径。建筑领域最终能源消耗约占全球的33%，直接和间接二氧化碳排放量约占全球的40%。从能源供需的角度来看，建筑用能处在能源系统的需求侧，需求侧资源参与能源系统实现源荷协同优化是推动零碳目标实现的重要一环，因此建筑运行阶段利用清洁能源实现碳替代、利用系统优化调度实现碳减排符合能源领域的降碳路径。
随着社会经济的发展和城镇化建设的推进，既有建筑负荷与用电量增长迅猛，特别是不同气候条件下满足用户冷/热需求的用能负荷占比越来越高，给电力系统的经济、安全运行带来很大的挑战，也对电力市场的稳定运行造成影响。与此同时，随着可再生能源建筑一体化技术的发展，与建筑相关的分布式新能源发电规模越来越大，需求侧的新能源出力面临着由供需不匹配带来的消纳问题。此外，在建筑与能源领域低碳发展问题中，碳排放的统计和计算问题十分重要，用户在减少建筑碳排放中的作用没有被充分激发。
目前，建筑能源管控普遍是通过将建筑碳排作为衡量经济效益的一部分融入经济目标函数，再通过求解优化问题实现能源成本和碳排放之间的权衡，但这类研究通常仅考虑建筑自身的降碳与经济化运行，缺乏考虑与电力系统互动降低整体碳排放；随着碳机制的全球化普及，未实现零碳的电力系统承担的碳排放成本难以忽视，现行机制中外购电的碳排成本由发电企业承担，但一定会通过某种成本疏导的方式让需求侧的建筑用户承担其所应该承担的碳排放成本；此外，随着城市建筑用能在能源总消耗的占比不断增加，对配电网的运行和稳定供电也提出了挑战；因此，需要设计一种公共建筑能源系统协调控制方法及其控制组件。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中通常仅考虑建筑自身的降碳与经济化运行，缺乏考虑与电力系统互动降低整体碳排放的问题，提供了一种公共建筑能源系统协调控制方法及其控制组件，其首先利用电力系统碳排因子对建筑用户释放用能碳排信息，并考虑了建筑BIM模型中围护结构和外界温度等对建筑用能需求的差异化作用，接着建立了兼顾建筑与电力碳排的建筑用能系统整体目标函数能提升建筑与电力系统综合降碳的能力。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种公共建筑能源系统协调控制方法及其控制组件，包括以下步骤，
步骤（A），构建碳排因子计算公式，并基于碳排因子计算建筑购电碳排放量，再根据光伏和热电联产构建需求侧电力-建筑耦合碳成本的成本计算模型；
步骤（B），构建房间热平衡方程，再建立房间温度准动态变化模型；
步骤（C），基于建立好的房间温度准动态变化模型，将房间热惯性设为虚拟储能系统，并利用房间温度表示热负荷；
步骤（D），基于虚拟储能系统，依据建筑用能的能耗计算建筑用能的购电成本，再构建设备运行维护成本计算模型，并设置用户新能源弃电惩罚项；
步骤（E），基于电力-建筑耦合碳成本、建筑用能的购电成本、设备运行维护成本和新能源弃电惩罚项建立建筑用能系统整体目标函数；
步骤（F），建立建筑用能系统整体目标函数所要满足的约束并应用，再利用建筑用能系统整体目标函数完成对公共建筑能源系统的协调控制。
优选的，步骤（A），构建碳排因子计算公式，并基于碳排因子计算建筑购电碳排放量，再根据光伏和热电联产构建需求侧电力-建筑耦合碳成本的成本计算模型，具体步骤如下，
步骤（A1），构建碳排因子计算公式，碳排因子的计算公式如公式（1）所示，
其中，
为区域电网i在时段t的动态碳排放因子，Z为区域电网i覆盖范围内的节点集合，
为节点j在时段t的负荷量，
为节点j的碳势大小；
步骤（A2），基于碳排因子计算建筑购电碳排放量，建筑购电碳排放量的计算公式如公式（2）所示，
其中，
为建筑用户k的购电碳排放量，
为建筑用户k在时段t的购电量；
步骤（A3），根据光伏和热电联产构建需求侧电力-建筑耦合碳成本的成本计算模型，需求侧电力-建筑耦合碳成本的成本计算模型如公式（3）所示，
其中，
为需求侧电力-建筑耦合碳成本，
为碳排放权的交易价格，
为电网动态碳排放因子，
为上级电网的供电功率，
、
和
为热电联产的碳排放计算系数，
为热电联产设备的安装数量，
为热电联产的发电功率，
为单位调度时间。
优选的，步骤（B），构建房间热平衡方程，再建立房间温度准动态变化模型，具体步骤如下，
步骤（B1），构建房间热平衡方程，房间热平衡方程如公式（4）所示，
其中，
为房间热容量系数，
为房间温度，
为进入房间的热量，
为房间对外散热量，
为房间从围护结构自然对外的散热量；
步骤（B2），建立房间温度准动态变化模型，房间温度准动态变化模型如公式（5）所示，
其中，
和
分别为t+1和t时刻的房间温度，
为房间外空气温度，
为时段t的供暖功率，
为空气热传导系数，
为调度时间段时长，
为调度周期。
优选的，步骤（C），基于建立好的房间温度准动态变化模型，将房间热惯性设为虚拟储能系统，并利用房间温度表示热负荷，具体步骤如下，
步骤（C1），将房间热惯性设为虚拟储能系统，虚拟储能系统的充放电功率如公式（6）所示，
其中，
为房间虚拟储能的充放功率，若
的值为正时处于储能状态，若
的值为负时则处于放能状态；
为人体舒适度的实际热负荷；
为日前预测热负荷；
步骤（C2），利用房间温度表示热负荷，热负荷的表达公式如公式（7）所示，
优选的，步骤（D），基于虚拟储能系统，依据建筑用能的能耗计算建筑用能的购电成本，再构建设备运行维护成本计算模型，并设置用户新能源弃电惩罚项，具体步骤下，
步骤（D1），依据建筑用能的能耗计算建筑用能的购电成本，建筑用能购电成本的计算公式如公式（8）所示，
其中，
为建筑用能购电成本，
为天然气的购买价格，
为热电联产设备的安装数量，
、
和
均为热电联产的耗气成本计算系数，
为热电联产的发电功率，
为购买市电的价格，
为上级电网的供电功率，
为单位调度时间，
、
和
为i时刻热电联产的耗气成本计算系数；
步骤（D2），构建设备运行维护成本计算模型，设备运行维护成本计算模型如公式（9）所示，
其中，
为设备运行维护成本，
为热电联产设备在时刻t的输出功率，
为光伏设备在时刻t的输出功率，
为电锅炉在时刻t的用电功率，
为制冷机在时刻t的用电功率，
为储能设备在时刻t的充放电功率，
、
、
、
和
分别为热电联产、光伏、电锅炉、制冷机和储能的单位功率运维成本；
步骤（D3），设置用户新能源弃电惩罚项，用户新能源弃电惩罚项如公式（10）所示，
其中，
为新能源弃电惩罚项，
为新能源的发电功率，
为新能源的调度出力，
为弃光惩罚系数。
优选的，步骤（E），基于电力-建筑耦合碳成本、建筑用能购电成本、设备运行维护成本和新能源弃电惩罚项建立建筑用能系统整体目标函数，且建筑用能系统整体目标函数如公式（11）所示，
其中，
为建筑用能购电成本，
为设备运行维护成本，
为新能源弃电惩罚项，
电力-建筑耦合碳成本。
优选的，步骤（F），建立建筑用能系统整体目标函数所要满足的约束并应用，再利用建筑用能系统整体目标函数完成对公共建筑能源系统的协调控制，其中建筑用能系统整体目标函数所要满足的约束包括能量平衡约束、与上级网络的能量交互约束、新能源出力约束、设备运行约束和储能运行约束，具体步骤如下，
步骤（F1），构建能量平衡约束，能量平衡约束如公式（12）所示，
其中，
为时段t的节点购电功率，
、
和
分别为热电联产发电功率、储能设备发电功率和电锅炉发电功率，
为时段t的节点电负荷需求，
为时段t的节点注入功率，
为时段t的节点热负荷需求，
为时段t的节点注入热功率；
步骤（F2），构建与上级网络的能量交互约束，上级网络包括电网和输气网络，具体步骤如下，
步骤（F21），构建与上级电网的能量交互约束，与上级电网的能量交互约束如公式（13）所示，
其中，
为时段t的电网功率传输上限；
步骤（F22），构建与上级输气网络的能量交互约束，与上级输气网络的能量交互约束如公式（14）所示，
其中，
为t时段的实际天然气速率，
为时段t购买的天然气速率上限；
步骤（F3），构建新能源出力约束，新能源出力约束如公式（15）所示，
其中，
为时段t的新能源出力上限；
步骤（F4），构建设备运行约束，其中包括热电联产机组运行约束、电锅炉运行约束和制冷系统运行约束，具体步骤如下，
步骤（F41），构建热电联产机组运行约束，热电联产机组运行约束如公式（16）所示，
其中，
、
和
均为热电联产特性系数，
为热电联产供热功率，
和
分别为热电联产最大上爬坡出力和最大下爬坡出力；
步骤（F42），构建电锅炉运行约束，电锅炉运行约束如公式（17）所示，
其中，
为电锅炉的供热功率，
为电锅炉的电热转换效率；
为电锅炉的耗电功率，
为电锅炉的额定功率；
步骤（F43），构建制冷系统运行约束，设室内温度
允许波动范围为
，且制冷系统的运行时间为
，则制冷系统运行约束如公式（18）所示，
步骤（F5），构建储能运行约束，储能运行约束如公式（19）所示，
其中，
为电储能消纳的弃电量，
为电储能的额定容量，
为电储能的充放效率，
为
时段电储能的荷电状态变化量，
为储能电池的额定输出功率。
优选的，包括信息获取模块、决策模块和运行模块；
所述信息获取模块，用于获取建筑内温度、设备用能参数和外界天气量测值；
所述决策模块，用于根据信息获取模块获取的信息采用上述协调控制方法，并按照预设目标提出建筑内设备的控制策略；
所述运行模块，用于发布控制策略方案，并执行控制策略发出的设备遥控指令。
本发明的有益效果是：本发明的一种公共建筑能源系统协调控制方法及其控制组件，首先考虑精细化建筑本体结构对建筑热负荷的影响，还充分考虑了电力系统碳排强度的时空差异性，建立了兼顾建筑与电力碳排的建筑用能系统整体目标函数能提升建筑与电力系统综合降碳的能力，且多能系统负荷侧建筑虚拟储能与分时电价需求侧响应可实现有效协同，接着系统各调度时段的碳排放速率可优化调整从而使得整个调度周期内的总碳排放量可有效减少，再通过在目标函数内纳入动态用能碳交易成本，将减碳的目标信号传递给了用户，这就使得新能源的波动性和其他能量随机行为得以被考虑在动态碳负荷因子中，避免了由于分时电价难以动态调整，从而导致电价无法完整反应碳排放变化的问题，且直接与用户的用电行为挂钩，避免了需要考虑政策、用能随机性和舆论引导复杂因素的机制建模。
附图说明
图1是本发明的公共建筑能源系统框架图；
图2是本发明的建筑所在地区气温图；
图3是本发明的年用能需求预测图；
图4是本发明的光伏出力曲线图；
图5是本发明的为电需求曲线图和实时电价与动态碳排因子柱状图；
图6是本发明的不考虑碳排因子建筑用能系统整体目标函数计算结果图；
图7是本发明的考虑碳排因子建筑用能系统整体目标函数计算结果图；
图8是本发明的储能与光伏设备调度结果图；
图9是本发明的协调控制组件示意图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明的一种公共建筑能源系统协调控制方法及其控制组件，包括以下步骤，
步骤（A），构建碳排因子计算公式，并基于碳排因子计算建筑购电碳排放量，再根据光伏和热电联产构建需求侧电力-建筑耦合碳成本的成本计算模型，具体步骤如下，
其中，电力系统作为重要的碳排放源，有着迫切地低碳转型需求，但基于原有区域平均碳排放因子的碳排放分析中，碳排放仅根据发电口径的全年燃料消耗数据进行统计；随着系统高比例新能源接入，系统内不同区域不同时间段的清洁能源电量占比显著不同，在需求侧不同节点、不同时段的用户用能行为，其单位用电量所对应的电网发电碳排放量也应有明显差异，但是现有平均碳排放因子无法表征这一差异，需要考虑电网碳排放时空动态信息设置动态的碳排放因子；接着随着用户侧资源参与负荷调节，用户侧对于减少电力系统碳排放的作用愈发明显，但平均发电碳排因子并没有体现用户侧对于电力系统减排的间接影响，用户自身也难以通过现有碳排放衡量方式中感知到不同时段用电行为产生的碳排放量差异，缺乏调节自身用能行为的动力，需要利用动态碳排放因子建立需求侧电力-建筑耦合碳成本的成本计算模型；
步骤（A1），构建碳排因子计算公式，碳排因子的计算公式如公式（1）所示，
其中，
为区域电网i在时段t的动态碳排放因子，Z为区域电网i覆盖范围内的节点集合，
为节点j在时段t的负荷量，
为节点j的碳势大小；
从建筑用户的角度看，建筑用能碳排放量与其消纳电量的来源密切相关；电网系统传递到各节点的电能既有火电等传统发电机组，也有水电、光伏、风电机组等新能源机组，不同机组的碳排放信息并不相同，需要依据源侧的发电信息、节点负荷的能源消纳信息、线路潮流信息、线路损耗信息等将电网的直接碳排放量实时分配到网侧和荷侧，并厘清不同负荷节点不同用电行为的用电碳排放责任差异；
步骤（A2），基于碳排因子计算建筑购电碳排放量，建筑购电碳排放量的计算公式如公式（2）所示，
其中，
为建筑用户k的购电碳排放量，
为建筑用户k在时段t的购电量；
步骤（A3），根据光伏和热电联产构建需求侧电力-建筑耦合碳成本的成本计算模型，需求侧电力-建筑耦合碳成本的成本计算模型如公式（3）所示，
其中，
为需求侧电力-建筑耦合碳成本，
为碳排放权的交易价格，
为电网动态碳排放因子，
为上级电网的供电功率，
、
和
为热电联产的碳排放计算系数，
为热电联产设备的安装数量，
为热电联产的发电功率，
为单位调度时间；
随着需求侧多种分布式能源的接入，建筑用户在用能端存在更多选择；利用光伏、冷热电联产等设备可以减少市电购入，同时也在需求侧产生新的碳排放，仅考虑网络节点碳排放量不能完整评价用户用能行为对系统整体碳排放的影响；而利用电价激励信号调整用户用电行为的传统需求响应机制，也难以衡量用户侧的碳排放；因此，本发明设置需求侧电力-建筑耦合碳成本的成本计算模型，以类似电费的形式让用户承担用能产生的碳排放成本，将用户侧供能设备的碳排放成本纳入建筑用户的用能策略中。
步骤（B），构建房间热平衡方程，再建立房间温度准动态变化模型，具体步骤如下，
建筑本体存在一定的热惯性，且在进行供热/冷时，由于围护结构带来的隔热效果使得建筑可以通过变换用能策略平衡各时刻的用能，这种利用建筑自身热延时特征达到储能效果的方法称为虚拟储能；通过计算建筑虚拟储能可以进一步增加用户用能策略的灵活性，同时利用调度时段的时空变换尽量减少电力和碳排放高峰的建筑用能需求；根据能量守恒定律和热平衡原理，房间蓄热量的变化为时段内进入房间的热量减去房间流出的能量；
步骤（B1），构建房间热平衡方程，房间热平衡方程如公式（4）所示，
其中，
为房间热容量系数，
为房间温度，
为进入房间的热量，
为房间对外散热量，
为房间从围护结构自然对外的散热量；
步骤（B2），建立房间温度准动态变化模型，房间温度准动态变化模型如公式（5）所示，
其中，
和
分别为t+1和t时刻的房间温度，
为房间外空气温度，
为时段t的供暖功率，
为空气热传导系数，
为调度时间段时长，
为调度周期；
当不考虑人为通风行为时，即便进入房间的热量发生变化，房间的蓄热量也将在一段时间内维持相应水平，温度不会立刻发生巨变，这也是房间热惯性的体现；根据热传导原理，可在供暖条件下考虑热惯性得到简化的房间温度准动态变化一般模型，其主要与室外温度和供暖功率有关。
步骤（C），基于建立好的房间温度准动态变化模型，将房间热惯性设为虚拟储能系统，并利用房间温度表示热负荷，具体步骤如下，
步骤（C1），将房间热惯性设为虚拟储能系统，虚拟储能系统的充放电功率如公式（6）所示，
其中，
为房间虚拟储能的充放功率，若
的值为正时处于储能状态，若
的值为负时则处于放能状态；
为人体舒适度的实际热负荷；
为日前预测热负荷；
房间温度的准动态变化使得房间具备了一定的蓄热能力，在考虑人体舒适度的前提下，房间的室内温度只需维持在一定范围内即可，无需时刻保持最舒适温度；因此，考虑到房间的蓄热能力，其对外表现出类似于储能系统的充放特性，房间的室内温度可以根据人体舒适度的要求在一定范围内进行调节，热负荷也变为一个可优化变量，参与到电热气系统的运行优化中；
步骤（C2），利用房间温度表示热负荷，热负荷的表达公式如公式（7）所示，
其中，当实际热负荷与日前预测热负荷相等时，房间不储能也不放能；当实际热负荷大于日前预测热负荷，房间虚拟储能处于储能状态，并且当房间温度设定为允许最高温度时，储能功率可达到最大；当实际热负荷小于日前预测热负荷，房间虚拟储能处于放能状态，并且当房间温度设定为允许最低温度时，放能功率可达到最大；
步骤（D），基于虚拟储能系统，依据建筑用能的能耗计算建筑用能的购电成本，再构建设备运行维护成本计算模型，并设置用户新能源弃电惩罚项，具体步骤下，
步骤（D1），依据建筑用能的能耗计算建筑用能的购电成本，建筑用能购电成本的计算公式如公式（8）所示，
其中，
为建筑用能购电成本，
为天然气的购买价格，
为热电联产设备的安装数量，
、
和
均为热电联产的耗气成本计算系数，
为热电联产的发电功率，
为购买市电的价格，
为上级电网的供电功率，
为单位调度时间，
、
和
为i时刻热电联产的耗气成本计算系数；
当考虑了建筑自身虚拟储能后能进行建筑运行阶段的用能成本计算；本发明包含光伏发电设备、微型热电联产设备、电锅炉设备、制冷设备以及其他照明、动力、办公等负荷，运行阶段成本包括建筑购电/气能耗成本、设备运行维护成本、光伏弃电惩罚成本等；
步骤（D2），构建设备运行维护成本计算模型，设备运行维护成本计算模型如公式（9）所示，
其中，
为设备运行维护成本，
为热电联产设备在时刻t的输出功率，
为光伏设备在时刻t的输出功率，
为电锅炉在时刻t的用电功率，
为制冷机在时刻t的用电功率，
为储能设备在时刻t的充放电功率，
、
、
、
和
分别为热电联产、光伏、电锅炉、制冷机和储能的单位功率运维成本；
步骤（D3），设置用户新能源弃电惩罚项，用户新能源弃电惩罚项如公式（10）所示，
其中，
为新能源弃电惩罚项，
为新能源的发电功率，
为新能源的调度出力，
为弃光惩罚系数；
为了保证新能源设备的充分消纳，减少光伏发电设备的弃光率，增加用户新能源弃电惩罚项。
步骤（E），基于电力-建筑耦合碳成本、建筑用能购电成本、设备运行维护成本和新能源弃电惩罚项建立建筑用能系统整体目标函数，且建筑用能系统整体目标函数如公式（11）所示，
其中，
为建筑用能购电成本，
为设备运行维护成本，
为新能源弃电惩罚项，
电力-建筑耦合碳成本。
步骤（F），建立建筑用能系统整体目标函数所要满足的约束并应用，再利用建筑用能系统整体目标函数完成对公共建筑能源系统的协调控制，其中建筑用能系统整体目标函数所要满足的约束包括能量平衡约束、与上级网络的能量交互约束、新能源出力约束、设备运行约束和储能运行约束，具体步骤如下，
步骤（F1），构建能量平衡约束，能量平衡约束如公式（12）所示，
其中，
为时段t的节点购电功率，
、
和
分别为热电联产发电功率、储能设备发电功率和电锅炉发电功率，
为时段t的节点电负荷需求，
为时段t的节点注入功率，
为时段t的节点热负荷需求，
为时段t的节点注入热功率；
步骤（F2），构建与上级网络的能量交互约束，上级网络包括电网和输气网络，具体步骤如下，
步骤（F21），构建与上级电网的能量交互约束，与上级电网的能量交互约束如公式（13）所示，
其中，
为时段t的电网功率传输上限；
步骤（F22），构建与上级输气网络的能量交互约束，与上级输气网络的能量交互约束如公式（14）所示，
其中，
为t时段的实际天然气速率，
为时段t购买的天然气速率上限；
步骤（F3），构建新能源出力约束，新能源出力约束如公式（15）所示，
其中，
为时段t的新能源出力上限；
步骤（F4），构建设备运行约束，其中包括热电联产机组运行约束、电锅炉运行约束和制冷系统运行约束，具体步骤如下，
步骤（F41），构建热电联产机组运行约束，热电联产机组运行约束如公式（16）所示，
其中，
、
和
均为热电联产特性系数，
为热电联产供热功率，
和
分别为热电联产最大上爬坡出力和最大下爬坡出力；
步骤（F42），构建电锅炉运行约束，电锅炉运行约束如公式（17）所示，
其中，
为电锅炉的供热功率，
为电锅炉的电热转换效率；
为电锅炉的耗电功率，
为电锅炉的额定功率；
步骤（F43），构建制冷系统运行约束，设室内温度
允许波动范围为
，且制冷系统的运行时间为
，则制冷系统运行约束如公式（18）所示，
步骤（F5），构建储能运行约束，储能运行约束如公式（19）所示，
其中，
为电储能消纳的弃电量，
为电储能的额定容量，
为电储能的充放效率，
为
时段电储能的荷电状态变化量，
为储能电池的额定输出功率。
如图9所示，协调控制组件包括信息获取模块、决策模块和运行模块；
所述信息获取模块，用于获取建筑内温度、设备用能参数和外界天气量测值；
所述决策模块，用于根据信息获取模块获取的信息采用上述协调控制方法，并按照预设目标提出建筑内设备的控制策略；
所述运行模块，用于发布控制策略方案，并执行控制策略发出的设备遥控指令。
为了更好的阐述本发明的使用效果，下面介绍本发明的一个具体实施例；
在既有建筑围护结构低碳改造的基础上，考虑光伏系统，并利用可再生能源一体化建筑进行经济调度和综合减碳管理。以夏热冬冷地区某高校低碳建筑能源系统为例，进行含可再生能源建筑一体化系统的经济优化调度分析。典型低碳智慧建筑多能系统包括屋顶光伏系统、冷热电等异质能源转换与储存设备以及多形态用能负荷等，不仅涉及能量的调度和存储，还涉及能量类型间的相互转换，且相互作用机制又会因能源供需形式、系统流程搭配方案和建筑间能量互动模态的不同而迥异，低碳建筑的典型多能流系统如图1所示。
该建筑不仅具有冷热电多元用能需求，还具有多能负荷及光伏可再生能源设备，且在用电高峰期需要依靠市电与天然气维持用能需求，而在用电低谷期又会存在弃风弃光问题，具有多能源、多设备、多需求、供需波动性强和非线性化明显等特征，应用场景与独立设备单元工况运行相比差异显著。因此，实施例中考虑微型热电联产机组、电锅炉、压缩式制冷机、蓄电池等设备实现能源的转换与存储，同时考虑建筑的其他用能负荷，如办公负荷、照明负荷和动力负荷以及自身的热惯性，这样依靠低碳需求响应实现了多能系统经济调度，减少了源荷不匹配的矛盾，提高了建筑节能减碳能力。
实施例的基本参数设置包括：
1、全年室外气候温度曲线，如图2所示；
2、目标建筑冷热负荷需求预测曲线，设置夏季室内需求温度26℃，冬季室内需求温度20℃，改造后的年负荷需求如图3所示；
3、新能源出力曲线如图4所示，上级电网购电电价为系统购电电价为峰段(17:00~22:00)0.75元/(kW·h)、平段(07:00~17:00)0.52元/(kW·h)、谷段(22:00~07:00)0.3元/( kW·h)，分时电价、电力系统动态碳排放系数和各典型日电负荷需求如图5所示，碳交易价格为50元/t，购气价格为3.5元/m3，弃电惩罚系数取0.4元/( kW·h)，室内冬季舒适温度取20~22℃，夏季舒适温度取25~27℃；
4、热电联产、电锅炉和光伏的设备参数详如表1和表2所示，热电联产机组耗气成本参数
，电储能的额定功率、容量等参数如表3所示。
模拟过程有四个步骤：
第一步：系统碳排因子与碳成本计算。
第二步：房间动态虚拟储能计算。
第三步：运行成本计算。
第四步：系统整体成本迭代寻优。计算得到的建筑运行协调控制结果如图6和图7所示。
从图6和图7中可以发现，在考虑动态碳排放因子后，用户可以通过不同时段的碳排放信号感受到用能行为对于建筑碳排量的作用，因此在考虑运行策略时尝试平衡分时电价和碳排因子对于系统用能成本的作用。相较未考虑碳排成本时，建筑运行购入配网市电的时段显著减少，且在0：00~9：00的电价低谷时段，考虑到碳排因子较大，场景3中的建筑用能策略仍选择回避在此时间段用电。虽然因此造成用户整体经济成本的提升，但通过在目标函数内纳入动态用能碳交易成本，将减碳的目标信号传递给了用户，这一方法使得新能源的波动性和其他能量随机行为得以被考虑在动态碳负荷因子中，避免了分时电价难以动态调整导致电价无法完整反应碳排放变化的问题，且随着用户行为的进一步引导，用户的净负荷响应低谷和动态碳排因子将可能逐渐重合，甚至将碳排放因子完全纳入电价需求响应的机制中，这样在未来的低碳需求响应中，经济性问题将会逐步得到改善。
从图8中可以发现，考虑新能源出力时，CHP机组出力较小，且由于用电高峰时段与新能源出力高峰存在重叠，在8：00~22：00时段甚至可以减小CHP机组出力。而在不考虑新能源设备的情况下，CHP机组必须在高峰时段提高机组出力，才能在尽量不购买市电的情况下保证用电需求平衡。同时，由于利用了电储能设备就地消纳了光伏出力高峰时段11:00~15:00的电能，在光伏出力低谷时段18:00~24:00可以有效调用储能设备中的多余电能，实现了源荷的跨时段平衡。另外，通过对比图6和图7中热力子系统的优化结果，可以发现房间虚拟储能对于优化系统用能做出的贡献。通过考虑建筑固有的蓄热能力，其对外表现出类似于储能系统的充放特性，因此房间的室内温度可以在一定范围内进行提前调节，房间的热负荷需求也变为一个可优化变量，参与到多能系统的运行优化中。
观察图6和图7可以发现，在4：00~6：00时段，此时建筑还未出现采暖需求，但通过对当天热需求时段的预测，系统提前启动CHP机组对建筑内进行供暖，同时将产生的多余电力存入储能设备。当实际热负荷需求在8:00~15:00时段增加时，由于建筑虚拟储能的效应，供热负荷不用完全与需求匹配，供热负荷可以滞后于热需求的增长，减小供热压力。在电价高峰时段利用储能和光伏出力带动空调负荷运行，有效规避了购买市电带来的成本增加。同理，在16:00~19:00时段，系统提前利用制热设备对建筑进行供暖，避免了在19：00~22：00时段因为光伏和储能设备难以提供充足电负荷导致的热需求无法满足的情况。
另一方面，结合图6、图7和图8发现，当不考虑储能和新能源发电的情况下，不考虑建筑虚拟储能的影响时，系统的热需求需要实时平衡，系统热平衡调度显著缺乏灵活性。CHP机组的各时段热出力都要明显高于考虑新能源和储能的场景，并且系统的用能成本增加13.91%，碳排放成本提高19.41%。可见，不考虑储能和新能源的系统运行方式会增加建筑的整体用能成本，并提高系统的碳排放量。
综上所述，本发明的一种公共建筑能源系统协调控制方法及其控制组件，首先构建碳排因子计算公式，并基于碳排因子计算建筑购电碳排放量，再根据光伏和热电联产构建需求侧电力-建筑耦合碳成本的成本计算模型，接着构建房间热平衡方程，再建立房间温度准动态变化模型，随后基于建立好的房间温度准动态变化模型，将房间热惯性设为虚拟储能系统，并利用房间温度表示热负荷，然后基于虚拟储能系统，依据建筑用能的能耗计算建筑用能的购电成本，再构建设备运行维护成本计算模型，并设置用户新能源弃电惩罚项，紧接着基于电力-建筑耦合碳成本、建筑用能的购电成本、设备运行维护成本和新能源弃电惩罚项建立建筑用能系统整体目标函数，最后建立建筑用能系统整体目标函数所要满足的约束并应用，再利用建筑用能系统整体目标函数完成对公共建筑能源系统的协调控制；本发明利用了电力系统碳排因子对建筑用户释放用能碳排信息，并考虑了建筑BIM模型中围护结构和外界温度等对建筑用能需求的差异化作用，还充分考虑了电力系统碳排强度的时空差异性，这样建立了兼顾建筑与电力碳排的建筑用能系统整体目标函数能提升建筑与电力系统综合降碳的能力。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种公共建筑能源系统协调控制方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤（A），构建碳排因子计算公式，并基于碳排因子计算建筑购电碳排放量，再根据光伏和热电联产构建需求侧电力-建筑耦合碳成本的成本计算模型；
步骤（B），构建房间热平衡方程，再建立房间温度准动态变化模型；
步骤（C），基于建立好的房间温度准动态变化模型，将房间热惯性设为虚拟储能系统，并利用房间温度表示热负荷；
步骤（D），基于虚拟储能系统，依据建筑用能的能耗计算建筑用能的购电成本，再构建设备运行维护成本计算模型，并设置用户新能源弃电惩罚项；
步骤（E），基于电力-建筑耦合碳成本、建筑用能的购电成本、设备运行维护成本和新能源弃电惩罚项建立建筑用能系统整体目标函数；
步骤（F），建立建筑用能系统整体目标函数所要满足的约束并应用，再利用建筑用能系统整体目标函数完成对公共建筑能源系统的协调控制。
2.根据权利要求1所述的一种公共建筑能源系统协调控制方法，其特征在于：步骤（A），构建碳排因子计算公式，并基于碳排因子计算建筑购电碳排放量，再根据光伏和热电联产构建需求侧电力-建筑耦合碳成本的成本计算模型，具体步骤如下，
步骤（A1），构建碳排因子计算公式，碳排因子的计算公式如公式（1）所示，
其中，
为区域电网i在时段t的动态碳排放因子，
为区域电网i覆盖范围内的节点集合，
为节点j在时段t的负荷量，
为节点j的碳势大小；
步骤（A2），基于碳排因子计算建筑购电碳排放量，建筑购电碳排放量的计算公式如公式（2）所示，
其中，
为建筑用户k的购电碳排放量，
为建筑用户k在时段t的购电量；
步骤（A3），根据光伏和热电联产构建需求侧电力-建筑耦合碳成本的成本计算模型，需求侧电力-建筑耦合碳成本的成本计算模型如公式（3）所示，
其中，
为需求侧电力-建筑耦合碳成本，
为碳排放权的交易价格，
为电网动态碳排放因子，
为上级电网的供电功率，
、
和
为热电联产的碳排放计算系数，
为热电联产设备的安装数量，
为热电联产的发电功率，
为单位调度时间。
3.根据权利要求2所述的一种公共建筑能源系统协调控制方法，其特征在于：步骤（B），构建房间热平衡方程，再建立房间温度准动态变化模型，具体步骤如下，
步骤（B1），构建房间热平衡方程，房间热平衡方程如公式（4）所示，
其中，
为房间热容量系数，
为房间温度，
为进入房间的热量，
为房间对外散热量，
为房间从围护结构自然对外的散热量；
步骤（B2），建立房间温度准动态变化模型，房间温度准动态变化模型如公式（5）所示，
其中，
和
分别为t+1和t时刻的房间温度，
为房间外空气温度，
为时段t的供暖功率，
为空气热传导系数，
为调度时间段时长，
为调度周期。
4.根据权利要求3所述的一种公共建筑能源系统协调控制方法，其特征在于：步骤（C），基于建立好的房间温度准动态变化模型，将房间热惯性设为虚拟储能系统，并利用房间温度表示热负荷，具体步骤如下，
步骤（C1），将房间热惯性设为虚拟储能系统，虚拟储能系统的充放电功率如公式（6）所示，
其中，
为房间虚拟储能的充放功率，若
的值为正时处于储能状态，若
的值为负时则处于放能状态；
为人体舒适度的实际热负荷；
为日前预测热负荷；
步骤（C2），利用房间温度表示热负荷，热负荷的表达公式如公式（7）所示，
5.根据权利要求4所述的一种公共建筑能源系统协调控制方法，其特征在于：步骤（D），基于虚拟储能系统，依据建筑用能的能耗计算建筑用能的购电成本，再构建设备运行维护成本计算模型，并设置用户新能源弃电惩罚项，具体步骤下，
步骤（D1），依据建筑用能的能耗计算建筑用能的购电成本，建筑用能购电成本的计算公式如公式（8）所示，
其中，
为建筑用能购电成本，
为天然气的购买价格，
为热电联产设备的安装数量，
、 
和 
均为热电联产的耗气成本计算系数，
为热电联产的发电功率，
为购买市电的价格，
为上级电网的供电功率，
为单位调度时间，
、
和
为i时刻热电联产的耗气成本计算系数；
步骤（D2），构建设备运行维护成本计算模型，设备运行维护成本计算模型如公式（9）所示，
其中，
为设备运行维护成本，
为热电联产设备在时刻t的输出功率，
为光伏设备在时刻t的输出功率，
为电锅炉在时刻t的用电功率，
为制冷机在时刻t的用电功率，
为储能设备在时刻t的充放电功率，
、 
、
、
和
分别为热电联产、光伏、电锅炉、制冷机和储能的单位功率运维成本；
步骤（D3），设置用户新能源弃电惩罚项，用户新能源弃电惩罚项如公式（10）所示，
其中，
为新能源弃电惩罚项，
为新能源的发电功率，
为新能源的调度出力，
为弃光惩罚系数。
6.根据权利要求5所述的一种公共建筑能源系统协调控制方法，其特征在于：步骤（E），基于电力-建筑耦合碳成本、建筑用能购电成本、设备运行维护成本和新能源弃电惩罚项建立建筑用能系统整体目标函数，且建筑用能系统整体目标函数如公式（11）所示，
其中，
为建筑用能购电成本，
为设备运行维护成本，
为新能源弃电惩罚项，
电力-建筑耦合碳成本。
7.根据权利要求6所述的一种公共建筑能源系统协调控制方法，其特征在于：步骤（F），建立建筑用能系统整体目标函数所要满足的约束并应用，再利用建筑用能系统整体目标函数完成对公共建筑能源系统的协调控制，其中建筑用能系统整体目标函数所要满足的约束包括能量平衡约束、与上级网络的能量交互约束、新能源出力约束、设备运行约束和储能运行约束，具体步骤如下，
步骤（F1），构建能量平衡约束，能量平衡约束如公式（12）所示，
其中，
为时段t的节点购电功率，
、
和
分别为热电联产发电功率、储能设备发电功率和电锅炉发电功率，
为时段t的节点电负荷需求，
为时段t的节点注入功率，
为时段t的节点热负荷需求，
为时段t的节点注入热功率；
步骤（F2），构建与上级网络的能量交互约束，上级网络包括电网和输气网络，具体步骤如下，
步骤（F21），构建与上级电网的能量交互约束，与上级电网的能量交互约束如公式（13）所示，
其中，
为时段t的电网功率传输上限；
步骤（F22），构建与上级输气网络的能量交互约束，与上级输气网络的能量交互约束如公式（14）所示，
其中，
为t时段的实际天然气速率，
为时段t购买的天然气速率上限；
步骤（F3），构建新能源出力约束，新能源出力约束如公式（15）所示，
其中，
为时段t的新能源出力上限；
步骤（F4），构建设备运行约束，其中包括热电联产机组运行约束、电锅炉运行约束和制冷系统运行约束，具体步骤如下，
步骤（F41），构建热电联产机组运行约束，热电联产机组运行约束如公式（16）所示，
其中，
、
和
均为热电联产特性系数，
为热电联产供热功率，
和
分别为热电联产最大上爬坡出力和最大下爬坡出力；
步骤（F42），构建电锅炉运行约束，电锅炉运行约束如公式（17）所示，
其中，
为电锅炉的供热功率，
为电锅炉的电热转换效率；
为电锅炉的耗电功率，
为电锅炉的额定功率；
步骤（F43），构建制冷系统运行约束，设室内温度
允许波动范围为
，且制冷系统的运行时间为
，则制冷系统运行约束如公式（18）所示，
步骤（F5），构建储能运行约束，储能运行约束如公式（19）所示，
其中，
为电储能消纳的弃电量，
为电储能的额定容量，
为电储能的充放效率，
为[T1，T2]时段电储能的荷电状态变化量，
为储能电池的额定输出功率。
8.一种公共建筑能源系统协调控制组件，其特征在于：包括信息获取模块、决策模块和运行模块；
所述信息获取模块，用于获取建筑内温度、设备用能参数和外界天气量测值；
所述决策模块，用于根据信息获取模块获取的信息采用如权利要求1-7所述的协调控制方法，并按照预设目标提出建筑内设备的控制策略；
所述运行模块，用于发布控制策略方案，并执行控制策略发出的设备遥控指令。
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