CN115511661A - 一种考虑多重热惯性的电热综合系统日前调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种调度方法,尤其是涉及一种考虑多重热惯性的电热综合系统日前调度方法首先采集系统数据,包括热网管道数据信息、节点温度、管道水的质量流率、室内温度,室外温度、热负荷、电负荷、风力发电数据;然后将采集的系统数据输入至考虑多重热惯性的电热综合调度目标函数,并结合约束条件,输出最优调度参数,包括CHP机组输出的电功率和热功率。因此,本发明具有如下优点:1、将热建筑物的热惯性与热负荷的弹性结合起来,有效地解放了热负荷的限制,将热负荷由最初的曲线转换为可以上下波动的区间,从而最大化电热调度的灵活性。2、将不同热惯性组合起来,解除CHP机组以热定电的限制,实现CHP机组调度的灵活性最大化。
Description
技术领域
本发明涉及一种调度方法,尤其是涉及一种考虑多重热惯性的电热综合系统日前调度方法。
背景技术
目前对于电热系统的热惯性挖掘较少,仅有的研究主要集中在单一热惯性的建模上,而本专利将建筑物热惯性与热负荷弹性结合在一起,通过热负荷弹性带来的温度约束优化散热器的散热量,从而实现解除热负荷需求严格跟踪预测曲线的限制,增加负荷的柔性调节能力,提高调度的灵活性。
发明内容
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的:
一种考虑多重热惯性的电热综合系统日前调度方法,其特征在于,
采集系统数据,包括热网管道数据信息、节点温度、管道水的质量流率、室内温度,室外温度、热负荷、电负荷、风力发电数据;
将采集的系统数据输入至考虑多重热惯性的电热综合调度目标函数,并结合约束条件,输出最优调度参数,包括CHP机组输出的电功率和热功率;
所述目标函数为考虑经济调度和风电消纳目标最小化的综合目标函数,约束条件包括供能网络安全、功率平衡、新能源出力、热电联产机组、机组爬坡以及电网约束条件。
在上述的一种考虑多重热惯性的电热综合系统日前调度方法,经济调度目标是实现系统运行燃料成本的最小化,即:
其中,αi、βi、γi、θi、δi、ζi为热电机组i的运行成本系数,为热电联产机组i在t时刻的电出力,单位MW;为热电联产机组i在t时刻的热出力,单位MW;上式对于抽凝机组和纯凝机组同理;CW,i、为新能源发电的单位功率运维成本;表示t时刻第i台热电联产机组的成本,表示t时刻第i台风电机组的发电成本。
在上述的一种考虑多重热惯性的电热综合系统日前调度方法,风电消纳目标是结合弃风功率惩罚系数将弃风最小化目标转化为弃风惩罚最小化目标,即:
在上述的一种考虑多重热惯性的电热综合系统日前调度方法,目标函数为综合目标
minF=ω1F1+ω2F2
其中,ω1和ω2分别表示目标函数的权重系数。
在上述的一种考虑多重热惯性的电热综合系统日前调度方法,供能网络安全约束基于以下公式
Tr,min≤Tr,t≤Tr,max
Ts,min≤Ts,t≤Ts,max
Tout,min≤Tout,t≤Tout,max
Vi,min≤Vi≤Vi,max;Tr,min表示所属于回水温度的最小值,Tr,t表示第t时刻的所属于回水温度,Tr,max表示所属于回水温度的最大值,Ts,min表示所属于供水温度的最小值,Ts,t表示第t时刻的所属于供水温度,Ts,max表示所属于供水温度的最大值,Tout,min表示所属于节点的出口温度的最小值,Tout,t第t时刻的出口温度,Tout,max表示所属于节点的出口温度的最大值;Vi,min表示第i个节点的电压幅值的最小值,Vi表示第i个节点的电压幅值,Vi,max表示第i个节点的电压幅值的最大值。
在上述的一种考虑多重热惯性的电热综合系统日前调度方法,功率平衡约束基于以下公式
和分别表示节点i的热负荷功率、有功负荷和无功负荷,单位MW;Pi t和分别表示节点i注入的热功率、有功功率和无功功率;表示第i台风电机组在t时刻的调度并网的电出力,和分别表示节点i注入的热电联产机组输出的热功率、有功功率和无功功率。
在上述的一种考虑多重热惯性的电热综合系统日前调度方法,新能源出力约束基于以下公式
在上述的一种考虑多重热惯性的电热综合系统日前调度方法,热电联产机组约束基于以下公式
PCHPmin≤PCHP≤PCHPmax
HCHPmin≤HCHP≤HCHPmax;PCHPmin表示CHP机组的电出力的最小值,PCHPmax表示CHP机组的电出力的最大值,HCHPmin表示CHP机组的热出力的最小值,HCHPmax表示CHP机组的热出力的最大值。
在上述的一种考虑多重热惯性的电热综合系统日前调度方法,机组爬坡约束基于以下公式
在上述的一种考虑多重热惯性的电热综合系统日前调度方法,电网约束基于以下公式
Gij、Bij分别为节点导纳矩阵的实部和虚部;
因此,本发明具有如下优点:1、将热建筑物的热惯性与热负荷的弹性结合起来,有效地解放了热负荷的限制,将热负荷由最初的曲线转换为可以上下波动的区间,从而最大化电热调度的灵活性。2、将不同热惯性组合起来,解除CHP机组以热定电的限制,实现CHP机组调度的灵活性最大化。
附图说明
附图1是热力系统的结构图;
附图2是PMV指标示意图;
附图3是本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面通过实施例,并结合附图,对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例:
本发明考虑多重热惯性体现在以下两个方面:
热力系统管道热传输延迟带来的热惯性和热负荷中的建筑物群储热带来的热惯性。
将热网和建筑物视为储热装置,即通过热网和建筑物的储热能力,在用户热舒适度范围内,调整供热系统的运行方式,使系统供热量在时间轴上具有灵活可调节性,可以有效降低电热联合供能系统中的电热耦合强度,提升电热协调能力。IES(Integrated energysystem)中热能具有惯性特征,一方面,由于传输管道较长,热源与热负荷间存在几分钟到几小时的热时滞;另一方面,热负荷可在舒适度区间内运行,即使热源处停止供热,由于热惯性,热负荷也能在长时间内维持舒适温度。
定义IES热惯性为:热源供热瞬间变化时,由于热管道时滞、热负荷惯性存在,热负荷温度变化相对滞后,可在一定时间内维持舒适温度。以下内容分别对这两点进行阐述。
下面分别予以说明。
一、热力系统管道热惯性。
如果单纯对热力系统只考虑了热力平衡,没有涉及其具体的网络结构,那么热网和建筑物通常被当做静态热负荷节点,没有对其热动态特性进行考虑。而实际中利用现有的热网热力输送延迟特性和建筑物具有的储热能力,可在无需额外投资的情况下实现实际热负荷的等效平移和削峰填谷,提高电-热综合能源系统的调峰能力,从而促进风电的消纳,也是一种提高灵活性的能力。
如图1可见,热力系统的结构分为热源、管网、热交换站、热负荷。
与电力系统类似,热力系统分为传输系统(一次管网)和分配系统(二次管网),其中,一次管网将热源与热交换站连接起来,将热源产生的热量通过载热介质(载热介质主要有热水或蒸汽,目前我国均采用热水输送至热交换);二次管网将热交换站和热用户连接起来,将传输至热交换站的热能通过载热介质合理分配给热用户。降温后的热媒通过回水管道回流,形成闭合回路。通常二次管网较短,能耗可以忽略不计,因此仅对一次管网建模。
现有热力系统主要采用质调节方式、量调节方式或者两者并调的调节方式。质调节方式即水质流率和压力都保持不变,只有温度是可控量。而量调节方式即通过调节热网的循环水质量流量以及压力等方式保证供热量满足用户取暖需求,主要涉及二次热网的用户端,本发明主要考虑一次热网,因此采用质调节。
由于热能传输动态过程具有很大的时间尺度,同一时段进入和流出管道的热水热量未必相等,热网可起缓冲能量、延时响应的作用,从而对外表现出类似于储能系统的虚拟储能充放电特性。一次热网中的循环水经过换热首站温度会升高,升高的值与热源热出力的大小有关,而循环水经过换热站温度会降低,降低的值与用户热负荷的大小有关。在一个调度时段内,若热源热出力大于(小于)用户热需求,热网虚拟储能系统发挥储能(或放能)作用,通过回水温度较上一时段温度升高(或降低)来体现。
对于热网热惯性,以热网管道温度为约束,可在电网需要提高电力消耗时段来临前,优化热网的储、放热。
热力系统与电力系统结构上存在一定相似性,因此可以将每一个热源、热交换站和管道连接点作一个节点,每条管道作为一条支路,管道内水的流动方向定义为该支路方向,借鉴电力系统方法对热力系统进行建模。
从入口到出口传输需要一定时间,所以热交换站的温度相对于热源处会有一定时延,这个参数的计算如下:
其中,τt,s和τt,r分别代表供水管道和回水管道的传输延时时间,Ns和Nr表示供水管道和回水管道集合,li表示第i条管道的长度,和分别表示第i条供水/回水管道在t时刻的水流速度,和分别表示t时刻第i条供水/回水管道的流量,ρ为水密度,di为第i条管道的直径。
节点法的主要思想是跟踪管道入口的一段水流,在某个确定的时刻到达管道出口,基于管道中其它各节点的历史温度序列,可以计算出每一段水流的入口温度,再考虑管道温度传导损耗,可以计算出这段水流的出口温度。也即是先考虑时延,再在基础上考虑损耗。
以上所定义的热延时时间又可以称为热惯性时间常数,对于第i条管道而言,可以表示为:
从管道入口到出口会有热量损耗,温度会降低,此段温差的计算选择的是苏霍夫温降公式,即:
所以可以得到t时刻管道出口温度为:
也即是
二、建筑物热惯性。
在风电等可再生资源低谷时段,热电联产机组的热出力和电出力可以在传统的“以热定电”运行模式的基础上适当升高,高于热负荷的超额热量可以存储在建筑物围护结构和热网热媒中,建筑物室内温度随之升高。在风电等可再生资源高峰时段,热电联产机组的热出力和电出力可以在传统的“以热定电"运行模式强迫出力的基础上进一步降低,供热量的缺额由存储在建筑物和热网中的热能释放进行部分补充,建筑物室内温度随之下降。由于建筑物的热惯性及热网的延迟特性,使得建筑物的室内温度变化较为缓慢。热电联产机组的供热量在一定时段和范围内变化时,若控制得当,则可使建筑物的室内温度控制在可接受范围之内,不影响用户供热质量。因此在无需额外投资且不影响供热质量的前提下,利用建筑物与热网储热可以实现热电联产机组调峰能力的提高。
供暖建筑的动态热力过程是以建筑围护结构的动态传热为基础,并受室内外各种扰量(如太阳辐射强度、室外空气温度、大气、地面热辐射等)影响的一种非常复杂的热工过程。由于准确的建筑动态热力模型涉及众多随机波动或难以确定的参数,因此,本文基于集总热容法并简化建筑的传热过程建立建筑的动态热力模型。集总参数法的建模思路是将每个建筑的室内温度假设为一个平均温度,并与散热器和室外进行换热。
描述供热系统热动态过程的方程可以表示为:
其中,C为比热容,Qs为热网对建筑物的供热量,也即是散热器的供热量,Qloss为室内热损失。将供热量等价为总热负荷,通过调节散热器来改变室内温度。
已知
Qs=cm(Ts-Tr)
Qloss=sγ(Tn-Te)
其中,c为水的比热容,m为水流量,Ts为供水温度,Tr为回水温度,Tn为室内温度,s为供热面积,γ为室内热损失系数。
根据上述分析,供热区域可看作一个一阶惯性环节,利用这种热惯性,在弃风时段来临前加大供热,弃风时段适当降低供热,由于建筑物热惯性,温度不会因为供热瞬间减少而瞬间降低,所以此时温度一般会有一定的延迟特性。那么在保证供热区域室内温度需求的基础上,就可以适当提高风电消纳量。
供热区域从热网中获得能量,满足室内温度需求。经前文分析可知供热区域中散热器散热量和被供暖区域的温度之间可以看作一个大惯性环节。若在热电联合调度中增加散热器作为被控对象,通过调节散热器的散热量,维持供热区域的室内温度在一定范围内,同时优化热负荷,降低风电高峰期的热负荷强度,促进风电消纳。
为了将建筑物的热惯性应用到最小调度周期的电力系统优化运行中,针对各调度周期开始时刻,需要将控制建筑物热惯性的连续函数进行离散化,得到建筑物热惯性的差分化模型。
整理可以得到:
Δt为调度时间间隔,k1、k2、k3为相应的系数。
建筑物的热惯性时间可以定义为从初始的室内温度提高到用户所允许的最高室温所需要的时间,可以表示为:
τbuilding为建筑物热惯性时间常数,Tn,s为建筑物初始室内温度,Tn,max为户所允许的最高室温。
引入新热源可以提高热电联供系统的调度灵活性,有助于提高间歇性可再生能源的吸纳率,但是大量灵活性热源意味着增加投资。事实上,用户供热舒适度具有模糊性,因此用户的热负荷需求并非是一条固定曲线,而是一个区间;而供热系统的温度参数,如热网供水、回水温度等也是多时段的耦合量,利用供热网络管网的储热特性,可以有效解除供热出力和热负荷需求之间的瞬时平衡约束,从而提高热电联供系统的灵活性。基于这种热感知的模糊性与采暖建筑的热惯性,采暖热负荷可视为电力系统的灵活“电源”,利用热负荷的弹性,牺牲用户部分可接受范围内的热舒适度,能够为风电提供更多的弹性上网空间,增强系统在风电高发时段的消纳能力,提高整个系统的运行经济性。
用户对温度舒适程度的感知具有一定的模糊性,在一定范围内降低或者提高温度,用户不易觉察,但利用这一点可以增加负荷的柔性调节能力。文献(NOUREDINE H.有源智能配电网[M].陶顺,肖湘宁,彭骋,译.北京:中国电力出版社,2012.)指出温度负荷对电力系统来说是一种非常灵活的“电源”,住宅楼中使用可控电暖器的用户约为30%,将住宅加热器停用30min后,隔热效果差的住宅理论上温度下降0.95℃,隔热效果中等的下降0.89℃,隔热效果好的下降0.83℃,因此对普通用户可接受的断电时间大约是1h,这时的温度变化仍然可以满足用户的舒适度要求。用户对热环境质量的要求一般用热舒适度来表征。热舒适度就是对室内热环境的主观评价和感受,温度、相对湿度、空气流速、平均辐射温度、新陈代谢率和服装热阻等均会对热舒适度产生影响。热舒适度有很多评价指标,其中PMV指标是最常用的一种。
如图2所示,PMV指标表征了同一环境中多数人冷热感觉的平均值,以7级标尺对应人体的7种感觉,PMV为0对应室内热环境最佳热舒适状态,PMV为+1,+2,+3分别表示稍暖、暖与热,PMV为-1,-2,-3分别表示稍凉、凉与冷[17-18]。ISO7730推荐PMV值在±0.5之间,中国现有《采暖通风与空气调节设计规范》规定PMV宜处于±1之间。
由于该指标受多种因素影响,计算十分复杂,工程上常忽略空气流速及空气湿度等影响,对其进行简化处理:
M为人体代谢率,住宅内一般可以取为80W/m2
Id为服装热阻,冬季可以取为0.11(m2℃)/W
ts为舒适时的人体皮肤平均温度,可以近似取为33.5℃,ta为人体周围空气温度。
由于用户在白天活动频繁,热感知能力相对夜间更为灵敏,对舒适度的要求相对较高,而夜间对舒适度要求可适当放宽,故为更精确,可以对PMV值进行分时限定。在已知未来一天24个时段的室外温度Te以后,在参杂其他影响因素的基础上,可以预测未来24个时段的热负荷Qs,在建筑物热惯性的基础上,可以得到室内温度与室外温度以及热负荷的关系,如:
也即是可以得到24个时段的室内温度Tn。
在定义PMV的范围以后,可以得到室内温度上下界,tamin和tamax是通过PMV指标计算得到的人体皮肤平均温度上下界。
此时定义偏差率:
其中T表示的就是标准供热环境的空气温度,也即是不考虑热负荷弹性的确切温度,也即是我前面得到的24个时段的室内温度Tn。
然后就可以得到从确定的热负荷推导的热负荷区间。
三、结合上述的考虑多重热惯性,得到电热综合系统日前调度目标函数和相关约束条件。
1、目标函数。
1.1、经济调度目标。
对于电热联合系统,经济调度目标主要旨在实现系统运行燃料成本的最小化,即:
minF1=FCHP+FW
其中,αi、βi、γi、θi、δi、ζi为热电机组i的运行成本系数,为热电联产机组i在t时刻的电出力,MW;为热电联产机组i在t时刻的热出力,MW。上式对于抽凝机组和纯凝机组同理。CW,i、为新能源发电的单位功率运维成本。
1.2、风电消纳目标。
通常结合弃风功率惩罚系数将弃风最小化目标转化为弃风惩罚最小化目标,即:
1.3、综合目标。
minF=ω1F1+ω2F2
其中,ω1和ω2分别表示目标函数的权重系数。
2、约束条件。
2.1、供能网络安全约束。
Tr,min≤Tr,t≤Tr,max
Ts,min≤Ts,t≤Ts,max
Tout,min≤Tout,t≤Tout,max
Vi,min≤Vi≤Vi,max
Vi,min≤Vi≤Vi,max;Tr,min表示所属于回水温度的最小值,Tr,t表示第t时刻的所属于回水温度,Tr,max表示所属于回水温度的最大值,Ts,min表示所属于供水温度的最小值,Ts,t表示第t时刻的所属于供水温度,Ts,max表示所属于供水温度的最大值,Tout,min表示所属于节点的出口温度的最小值,Tout,t第t时刻的出口温度,Tout,max表示所属于节点的出口温度的最大值;Vi,min表示第i个节点的电压幅值的最小值,Vi表示第i个节点的电压幅值,Vi,max表示第i个节点的电压幅值的最大值。
2.2、功率平衡约束。
和分别表示节点i的热负荷功率、有功负荷和无功负荷,单位MW;Pi t和分别表示节点i注入的热功率、有功功率和无功功率;表示第i台风电机组在t时刻的调度并网的电出力,和分别表示节点i注入的热电联产机组输出的热功率、有功功率和无功功率。
2.3、新能源出力约束
2.4、热电联产机组约束.
PCHPmin≤PCHP≤PCHPmax
HCHPmin≤HCHP≤HCHPmax
PCHPmin表示CHP机组的电出力的最小值,PCHPmax表示CHP机组的电出力的最大值,HCHPmin表示CHP机组的热出力的最小值,HCHPmax表示CHP机组的热出力的最大值。
2.5、机组爬坡约束。
2.6、电网约束.
Gij、Bij分别为节点导纳矩阵的实部和虚部;
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (10)
1.一种考虑多重热惯性的电热综合系统日前调度方法,其特征在于,
采集系统数据,包括热网管道数据信息、节点温度、管道水的质量流率、室内温度,室外温度、热负荷、电负荷、风力发电数据;
将采集的系统数据输入至考虑多重热惯性的电热综合调度目标函数,并结合约束条件,输出最优调度参数,包括CHP机组输出的电功率和热功率;
所述目标函数为考虑经济调度和风电消纳目标最小化的综合目标函数,约束条件包括供能网络安全、功率平衡、新能源出力、热电联产机组、机组爬坡以及电网约束条件。
4.根据权利要求1所述的一种考虑多重热惯性的电热综合系统日前调度方法,其特征在于,目标函数为综合目标
minF=ω1F1+ω2F2
其中,ω1和ω2分别表示目标函数的权重系数。
5.根据权利要求1所述的一种考虑多重热惯性的电热综合系统日前调度方法,其特征在于,供能网络安全约束基于以下公式
Tr,min≤Tr,t≤Tr,max
Ts,min≤Ts,t≤Ts,max
Tout,min≤Tout,t≤Tout,max
Vi,min≤Vi≤Vi,max;Tr,min表示所属于回水温度的最小值,Tr,t表示第t时刻的所属于回水温度,Tr,max表示所属于回水温度的最大值,Ts,min表示所属于供水温度的最小值,Ts,t表示第t时刻的所属于供水温度,Ts,max表示所属于供水温度的最大值,Tout,min表示所属于节点的出口温度的最小值,Tout,t第t时刻的出口温度,Tout,max表示所属于节点的出口温度的最大值;Vi,min表示第i个节点的电压幅值的最小值,Vi表示第i个节点的电压幅值,Vi,max表示第i个节点的电压幅值的最大值。
8.根据权利要求1所述的一种考虑多重热惯性的电热综合系统日前调度方法,其特征在于,热电联产机组约束基于以下公式
PCHPmin≤PCHP≤PCHPmax
HCHPmin≤HCHP≤HCHPmax;
PCHPmin表示CHP机组的电出力的最小值,PCHPmax表示CHP机组的电出力的最大值,HCHPmin表示CHP机组的热出力的最小值,HCHPmax表示CHP机组的热出力的最大值。
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