CN117035202A - 考虑需求响应的电热综合能源系统双层协同扩展规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种考虑需求响应的电热综合能源系统双层协同扩展规划方法，属于多能流耦合系统规划技术领域；解决了能源设施的最优投资策略和具有DR约束的最优运营问题；包括如下步骤：建立上层投资模型；建立下层运营模式模型；设定规划周期，由全国电力与热力供需形势分析报告得到电、热负荷的年增长率和折扣率；在给定规划周期、典型日、电、热负荷的年增长率数据后，用相应的KKT条件来代替线性的下层运营模式模型，将所提出的由下层运营模式模型组成的BLCEP模型转换为单级混合整数线性优化问题，利用内点法进行求解，得到适应不同场景的投资成本与运行成本；本发明应用于电热综合能源系统的规划。

Description

考虑需求响应的电热综合能源系统双层协同扩展规划方法
技术领域
本发明提供了一种考虑需求响应的电热综合能源系统双层协同扩展规划方法，属于多能流耦合系统的规划技术领域。
背景技术
热电联产（Combined Heat and Power，CHP）机组的广泛布置增强了电力系统和供热系统之间的相互联系，基于这种背景，综合电力和供热系统（TheIntegrated Electricand Heating System，IEHS）近年来受到了广泛关注。IEHS是能源互联网的重要组成部分，因此广泛应用于工业界和学术界。传统的优化运营调度研究利用区域供热系统（TheDistrict Heating System，DHS）的灵活性，以更好的消纳风电出力。但传统的优化运营调度的能源设施是给定的，一旦负荷增加，这些设施便可能无法提供足够的运行灵活性。因此，IEHS的共同扩展规划（The Co-expansion Planning，CEP）是另一个研究重点。
并且，在生产实践中，投资和运营是分别由发电公司和系统运营商决定的。发电公司确定投资策略，并将其提交给系统运营商。系统操作员由此制定了一种具有成本效益的操作策略，对机组运行进行调节。因此，迫切需要开发CEP框架来捕捉这一特性。
考虑到运营策略对投资决策的影响，充分利用IEHS运营中的灵活性资源将产生更有益的规划策略。需求响应（Demand response，DR）可以通过有意修改用户的能源消耗模式来优化负荷曲线，以促进IEHS平衡供需。通过考虑DR在CEP问题上的性能，进一步在需求侧调动灵活资源。因此，本发明提出了一种考虑需求响应的电热综合能源系统双层协同扩展规划方法，最大限度地减少投资和运营费用。
发明内容
本发明为了解决能源设施的最优投资策略和具有DR约束的最优运营问题，提出了一种考虑需求响应的电热综合能源系统双层协同扩展规划方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种考虑需求响应的电热综合能源系统双层协同扩展规划方法，包括如下步骤：
S1：建立上层投资模型，所述上层投资模型包括上层目标函数和上层约束条件，其中上层目标函数以上层投资总成本最小为目标，上层约束条件包括能源设施的重复投资成本和能源设施的年度最大投资额；
S2：建立下层运营模式模型，所述下层运营模式模型包括下层目标函数和下层约束条件，其中下层目标函数以规划周期内设备投资成本及包括发电机燃料成本、弃风成本和DR成本在内的运行成本之和最小为目标，下层约束条件包括热力系统的运行特性方程约束、电力系统的运行特性方程约束和需求响应方程约束；
S3：设定规划周期，每个规划年中有夏季、冬季和过渡季节3个时间步长为1h的典型日数据，由全国电力与热力供需形势分析报告得到电、热负荷的年增长率和折扣率；
S4：在上述步骤S3给定规划周期、典型日和电、热负荷的年增长率数据后，用相应的KKT条件来代替线性的下层运营模式模型，将由S1的上层投资模型与S2的下层运营模式模型组成的BLCEP模型求解转换为单级混合整数线性优化问题，利用内点法进行求解，得到适应不同场景的投资成本与运行成本。
所述步骤S1中上层目标函数的表达式如下：
；
其中：
；
；
上式中：为上层投资总成本，UL为上层投资模型；/>为由发电机、风电场和电锅炉组成的能源设施的投资成本，/>为能源设施的年度运营成本，/>和/>是二进制变量，分别为发电机、风电场和电锅炉的安装状态；下标t为时段，下标g,w,e分别为发电机、风电场和电锅炉的序号，下标y为规划年份；dr为贴现率，Y为最大规划年份，/>、/>、/>分别为火电机组、风电场和电锅炉的投资成本，G为火电机组，WD为风电场，EB为电锅炉，/>为候选常规火电机组的集合，/>为候选热电联产机组的集合，WC为候选风电场的集合，EC为候选电锅炉的集合，ND y 为一年中的天数，T d 为一天内的时段数，C CHP ( )、C CT ( )、C WD ( )分别为热电联产机组、常规火电机组和风电场的成本函数，C DR ( )为补偿用户参与灾难恢复的成本函数，/>、/>分别为表示火电机组和风电场的输出，/>为风电的电出力，/>和/>是通过DR进行的负荷转移，下标b为电负荷的序号，下标i为负荷的序号，LD为负荷。
所述步骤S1中上层约束条件的表达式如下：
；
；
；
；
上式中：分别为火电机组、风电场、电锅炉的重复投资；/>为候选常规火电机组的集合，/>为候选热电联产机组的集合，/>为候选风电场的集合，/>为候选风电场的集合；/>为能源设施的年度最大投资额。
所述步骤S2中下层目标函数的表达式如下：
；
上式中：C LL 为电热综合能源系统规划下层模型的目标函数，LL为电热综合能源系统规划下层模型，分别为热电联产机组、常规火电机组和风电场的成本函数；/>分别为发电机和风电场的输出；/>为补偿用户参与灾难恢复的成本函数，具体表示为：
；
和/>是通过DR进行的负荷转移，并且/>和/>分别为功率和热负荷转移的成本系数。
所述步骤S2中热力系统的运行特性方程约束包括：
热电联产机组、供热站中电锅炉供热设施热量方程约束，其表达式如下：
；
上式中：为电锅炉e中产生的热量，/>为供热站连接节点i中产生的热量，/>和/>分别为热电联产机组和电锅炉的集合，N HS 为与热站相连的节点集合；
电锅炉的出力方程约束，其表达式如下：
；
；
；
上式中：E为电锅炉的集合，为电加热的效率，/>为电锅炉的最大消耗量，/>为电锅炉的耗电量；
热电站产生的热量方程约束和热负荷热量方程约束，其表达式如下：
；
；
上式中：c为水的密度，和/>分别为与供热站中的质量流量和与节点i连接的质量流量，/>为热电站产生的热量，/>为热负荷所需热量，/>和/>分别为供回管道的热节点i处的温度，N LD 为负荷的集合；
供热站和热负荷的节点供回水温度限制方程约束，其表达式如下：
；
；
上式中：和/>分别为供回管道的热节点i处的温度；
流量连续性方程约束，其表达式如下：
；
上式中：和/>分别表示热节点i的管道开端和管道末端集合，/>和/>分别为与热节点i连接的热负荷和热站的集合，/>和/>分别为供水管道和回水管道中的质量流量，/>和/>分别为负载和热站中的质量流量，N为热节点i的集合；
节点混温方程约束，其表达式如下：
；
；
上式中：和/>分别为供水管道p和回水管道p出口处的温度，/>和/>分别为供水管道p和回水管道p入口处的温度；
；
上式中：为比热容，A p 、λ p 和L p 分别为管道的横截面积、导热系数和管道长度，/>为环境中的温度。
所述步骤S2中电力系统的运行特性方程约束包括：
功率平衡方程约束，其表达式如下：
；
上式中：为母线b处电力负荷的实际值，G TU 为火电机组的集合，G CHP 为候选热电联产机组的集合，/>为火电机组的电出力，/>为风电的电出力，/>为电锅炉的耗电量，B为电负荷的集合；
输电线路传输容量方程约束，其表达式如下：
；
上式中：为母线b对线路l的偏移系数，/>、/>、/>、/>分别为与母线b相连的火电机组、热电联产机组、风电场和电锅炉的集合，下标b表示母线的序号，F l 为线路容量；
机组出力方程约束，其表达式如下：
；
；
；
；
上式中：是风电场的预测产量，/>和/>分别是发电机g的功率输出的下限和上限，/>为设备规划状态的二元变量，a为规划位置；
爬坡方程约束，其表达式如下：
；
；
；
；
上式中：RU g 和RD g 分别为发电机g的向上爬坡容量和向下爬坡容量，和/>分别为发电机g的向上旋转储备容量和向下旋转储备容量；
备用方程约束，其表达式如下：
；
上式中：SRU和SRD分别为发电机g的向上和向下备用储容量。
所述步骤S2中需求响应方程约束包括：
功率平衡方程约束，其表达式如下：
；
上式中：和/>分别为作为功率和热负荷的预测值，/>为功率的实际值，/>和/>为需求响应导致的负荷转移量；
容量变化限制约束，其表达式如下：
；
；
上式中：和/>分别为功率和热负荷变化率。
本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明采取考虑需求响应的电热综合能源系统双层协同扩展规划模型，开发了IEHS的BLCEP框架。电力和热源的投资在上层得到优化，而运行问题在下层得到优化。通过这种方式，可以通过上层问题和下层问题的博弈来获得最优结果。同时，将DR引入BLCEP模型，并在目标函数中考虑其成本。DR利用了需求侧的运行灵活性对电力和热负荷曲线进行了优化。通过这种方式，避免了对IEHS设施的不必要的投资。
具体实施方式
本发明的目的是提出一种考虑需求响应的电热综合能源系统双层协同扩展规划方法，为综合电力系统和供热系统开发了一个具有DR约束的双层共扩建规划模型，以最大程度地给出了能源设施的最优投资策略和具有DR约束的最优运营。
本发明提出的考虑需求响应的电热综合能源系统双层协同扩展规划方法，包括以下步骤：
S1：建立上层投资模型，该模型由目标函数和约束条件构成；具体如下：
S1-1：建立上层投资模型的目标函数：
；
其中：
；
；
上式中：为上层投资总成本，UL为上层投资模型；/>为由发电机、风电场和电锅炉组成的能源设施的投资成本，/>为能源设施的年度运营成本，/>和/>是二进制变量，分别为发电机、风电场和电锅炉的安装状态；下标t为时段，下标g,w,e分别为发电机、风电场和电锅炉的序号，下标y为规划年份；dr为贴现率，Y为最大规划年份，/>、/>、/>分别为火电机组、风电场和电锅炉的投资成本，G为火电机组，WD为风电场，EB为电锅炉，/>为候选常规火电机组的集合，/>为候选热电联产机组的集合，WC为候选风电场的集合，EC为候选电锅炉的集合，ND y 为一年中的天数，T d 为一天内的时段数，C CHP ( )、C CT ( )、C WD ( )分别为热电联产机组、常规火电机组和风电场的成本函数，C DR ( )为补偿用户参与灾难恢复的成本函数，/>、/>分别为表示火电机组和风电场的输出，/>为风电的电出力，/>和/>是通过DR进行的负荷转移，下标b为电负荷的序号，下标i为负荷的序号，LD为负荷。
S1-2：确定上层投资模型的约束条件；包括：
；
；
；
；
上式中：分别为火电机组、风电场、电锅炉的重复投资；/>为候选常规火电机组的集合，/>为候选热电联产机组的集合，/>为候选风电场的集合，/>为候选风电场的集合；/>为能源设施的年度最大投资额。
S2：建立下层运营模式模型，该模型由目标函数和约束条件构成；具体如下：
S2-1：建立下层运营模式的目标函数：
以规划周期内设备投资成本及运行成本之和（包括发电机燃料成本、弃风成本和DR成本在内）最小为目标，建立电热综合能源系统规划下层模型的目标函数：
；
上式中：C LL 为电热综合能源系统规划下层模型的目标函数，LL为电热综合能源系统规划下层模型，分别为热电联产机组、常规火电机组和风电场的成本函数；/>分别为发电机和风电场的输出，/>为补偿用户参与灾难恢复的成本函数，具体表示为：
；
上式中：和/>是通过DR进行的负荷转移，并且/>和/>分别为功率和热负荷转移的成本系数。
S2-2：确定下层运营模式的约束条件；包括：
S2-2-1：热力系统的运行特性方程约束，如下：
S2-2-1-1：热电联产机组、供热站中电锅炉等供热设施热量方程约束：
；
上式中：为电锅炉e中产生的热量，/>为供热站连接节点i中产生的热量，/>和/>分别为热电联产机组和电锅炉的集合，N HS 为与热站相连的节点集合。热电联产机组的产热量受到其运行可行域/>的限制，可行域/>表示为：
；
上式中：G CHP 为CHP机组序号的集合。
S2-2-1-2：电锅炉的出力方程约束：
；
；
；
上式中：E为电锅炉的集合。为电加热的效率。/>为电锅炉的最大消耗量。/>为电锅炉的耗电量。
S2-2-1-3：热电站产生的热量方程约束和热负荷热量方程约束：
；
；
上式中：c为水的密度。和/>分别为与供热站中的质量流量和与节点i连接的质量流量。/>为热电站产生的热量，/>为热负荷所需热量，/>和/>分别为供回管道的热节点i处的温度，N LD 为负荷的集合。
S2-2-1-4：供热站和热负荷的节点供回水温度限制方程约束：
；
；
上式中：和/>分别为供回管道的热节点i处的温度。
S2-2-1-5：流量连续性方程约束：
；
上式中：和/>分别表示热节点i的管道开端和管道末端集合。类似地，/>和分别为与热节点i连接的热负荷和热站的集合。/>和/>分别为供水管道和回水管道中的质量流量。/>和/>分别为负载和热站中的质量流量。N为热节点i的集合。
S2-2-1-6：节点混温方程约束：
；
；
上式中：和/>分别为供水管道p和回水管道p出口处的温度。/>和/>分别为供水管道p和回水管道p入口处的温度。此外，热节点处的温度与供回管道入口处的温度相同，即，
S2-2-1-7：管道温降方程约束：
；
上式中：为比热容，A p 、λ p 和L p 分别为管道的横截面积、导热系数和管道长度。/>为环境中的温度。
S2-2-2：电力系统的运行特性方程约束，如下：
S2-2-2-1：功率平衡方程约束：
；
上式中：为母线b处电力负荷的实际值。G TU 为火电机组的集合，G CHP 为候选热电联产机组的集合，/>为火电机组的电出力，/>为风电的电出力，/>为电锅炉的耗电量，B为电负荷的集合。
S2-2-2-2：输电线路传输容量方程约束：
；
上式中：为母线b对线路l的偏移系数。/>、/>、/>、/>分别为与母线b相连的火电机组、热电联产机组、风电场和电锅炉的集合，下标b表示母线的序号，F l 为线路容量。
S2-2-2-3：机组出力方程约束：
；
；
；
；
上式中：是风电场的预测产量。/>和/>分别是发电机g的功率输出的下限和上限。/>为设备规划状态的二元变量，a为规划位置。
S2-2-2-4：爬坡方程约束：
；
；
；
；
上式中：RU g 和RD g 分别为发电机g的向上爬坡容量和向下爬坡容量。和/>分别为发电机g的向上旋转储备容量和向下旋转储备容量。
S2-2-2-5：备用方程约束：
；
上式中：SRU和SRD分别为发电机g的向上备用储备容量和向下备用储容量。
S2-2-3：需求响应方程约束，如下：
S2-2-3-1：功率平衡方程约束：
；
上式中：和/>分别为作为功率和热负荷的预测值。/>为功率的实际值。/>和/>为需求响应导致的负荷转移量。
S2-2-3-2：容量变化限制约束：
；
；
上式中：和/>分别为功率和热负荷变化率。
S3：设定规划周期为10年，每个规划年中有3个时间步长为1h的典型日数据（夏季、冬季和过渡季节）。其中，夏季和冬季为91d/a，过渡季节为183d/a。由全国电力与热力供需形势分析报告得到电、热负荷的年增长率分为15.0%和3.5%，折扣率是8%。
S4：在上述步骤S3给定规划周期、典型日和电、热负荷的年增长率等数据后，用相应的KKT条件来代替线性的下层模型，将所提出的由步骤S1与步骤S2的下层模型组成的BLCEP模型转换为单级混合整数线性优化问题，利用内点法进行求解，得到适应不同场景的投资成本与运行成本。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种考虑需求响应的电热综合能源系统双层协同扩展规划方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：建立上层投资模型，所述上层投资模型包括上层目标函数和上层约束条件，其中上层目标函数以上层投资总成本最小为目标，上层约束条件包括能源设施的重复投资成本和能源设施的年度最大投资额；
S2：建立下层运营模式模型，所述下层运营模式模型包括下层目标函数和下层约束条件，其中下层目标函数以规划周期内设备投资成本及包括发电机燃料成本、弃风成本和DR成本在内的运行成本之和最小为目标，下层约束条件包括热力系统的运行特性方程约束、电力系统的运行特性方程约束和需求响应方程约束；
S3：设定规划周期，每个规划年中有夏季、冬季和过渡季节3个时间步长为1h的典型日数据，由全国电力与热力供需形势分析报告得到电、热负荷的年增长率和折扣率；
S4：在上述步骤S3给定规划周期、典型日和电、热负荷的年增长率数据后，用相应的KKT条件来代替线性的下层运营模式模型，将由S1的上层投资模型与S2的下层运营模式模型组成的BLCEP模型求解转换为单级混合整数线性优化问题，利用内点法进行求解，得到适应不同场景的投资成本与运行成本。
2.根据权利要求1所述的一种考虑需求响应的电热综合能源系统双层协同扩展规划方法，其特征在于：所述步骤S1中上层目标函数的表达式如下：
；
其中：
；
；
上式中：为上层投资总成本，UL为上层投资模型；/>为由发电机、风电场和电锅炉组成的能源设施的投资成本，/>为能源设施的年度运营成本，/>和/>是二进制变量，分别为发电机、风电场和电锅炉的安装状态；下标t为时段，下标g,w,e分别为发电机、风电场和电锅炉的序号，下标y为规划年份；dr为贴现率，Y为最大规划年份，/>、/>、/>分别为火电机组、风电场和电锅炉的投资成本，G为火电机组，WD为风电场，EB为电锅炉，/>为候选常规火电机组的集合，/>为候选热电联产机组的集合，WC为候选风电场的集合，EC为候选电锅炉的集合，ND y 为一年中的天数，T d 为一天内的时段数，C CHP ( )、C CT ( )、C WD ( )分别为热电联产机组、常规火电机组和风电场的成本函数，C DR ( )为补偿用户参与灾难恢复的成本函数，/>、/>分别为表示火电机组和风电场的输出，/>为风电的电出力，/>和/>是通过DR进行的负荷转移，下标b为电负荷的序号，下标i为负荷的序号，LD为负荷。
3.根据权利要求2所述的一种考虑需求响应的电热综合能源系统双层协同扩展规划方法，其特征在于：所述步骤S1中上层约束条件的表达式如下：
；
；
；
；
上式中：分别为火电机组、风电场、电锅炉的重复投资；/>为候选常规火电机组的集合，/>为候选热电联产机组的集合，/>为候选风电场的集合，/>为候选风电场的集合；/>为能源设施的年度最大投资额。
4.根据权利要求3所述的一种考虑需求响应的电热综合能源系统双层协同扩展规划方法，其特征在于：所述步骤S2中下层目标函数的表达式如下：
；
上式中：C LL 为电热综合能源系统规划下层模型的目标函数，LL为电热综合能源系统规划下层模型，分别为热电联产机组、常规火电机组和风电场的成本函数；/>分别为发电机和风电场的输出；/>为补偿用户参与灾难恢复的成本函数，具体表示为：
；
上式中：和/>是通过DR进行的负荷转移，并且/>和/>分别为功率和热负荷转移的成本系数。
5.根据权利要求4所述的一种考虑需求响应的电热综合能源系统双层协同扩展规划方法，其特征在于：所述步骤S2中热力系统的运行特性方程约束包括：
热电联产机组、供热站中电锅炉供热设施热量方程约束，其表达式如下：
；
上式中：为电锅炉e中产生的热量，/>为供热站连接节点i中产生的热量，/>和/>分别为热电联产机组和电锅炉的集合，N HS 为与热站相连的节点集合；
电锅炉的出力方程约束，其表达式如下：
；
；
；
上式中：E为电锅炉的集合，为电加热的效率，/>为电锅炉的最大消耗量，/>为电锅炉的耗电量；
热电站产生的热量方程约束和热负荷热量方程约束，其表达式如下：
；
；
上式中：c为水的密度，和/>分别为与供热站中的质量流量和与节点i连接的质量流量，/>为热电站产生的热量，/>为热负荷所需热量，/>和/>分别为供回管道的热节点i处的温度，N LD 为负荷的集合；
供热站和热负荷的节点供回水温度限制方程约束，其表达式如下：
；
；
上式中：和/>分别为供回管道的热节点i处的温度；
流量连续性方程约束，其表达式如下：
；
上式中：和/>分别表示热节点i的管道开端和管道末端集合，/>和/>分别为与热节点i连接的热负荷和热站的集合，/>和/>分别为供水管道和回水管道中的质量流量，和/>分别为负载和热站中的质量流量，N为热节点i的集合；
节点混温方程约束，其表达式如下：
；
；
上式中：和/>分别为供水管道p和回水管道p出口处的温度，/>和/>分别为供水管道p和回水管道p入口处的温度；
；
上式中：为比热容，A p 、λ p 和L p 分别为管道的横截面积、导热系数和管道长度，/>为环境中的温度。
6.根据权利要求5所述的一种考虑需求响应的电热综合能源系统双层协同扩展规划方法，其特征在于：所述步骤S2中电力系统的运行特性方程约束包括：
功率平衡方程约束，其表达式如下：
；
上式中：为母线b处电力负荷的实际值，G TU 为火电机组的集合，G CHP 为候选热电联产机组的集合，/>为火电机组的电出力，/>为风电的电出力，/>为电锅炉的耗电量，B为电负荷的集合；
输电线路传输容量方程约束，其表达式如下：
；
上式中：为母线b对线路l的偏移系数，/>、/>、/>、/>分别为与母线b相连的火电机组、热电联产机组、风电场和电锅炉的集合，下标b表示母线的序号，F l 为线路容量；
机组出力方程约束，其表达式如下：
；
；
；
；
上式中：是风电场的预测产量，/>和/>分别是发电机g的功率输出的下限和上限，为设备规划状态的二元变量，a为规划位置；
爬坡方程约束，其表达式如下：
；
；
；
；
上式中：RU g 和RD g 分别为发电机g的向上爬坡容量和向下爬坡容量，和/>分别为发电机g的向上旋转储备容量和向下旋转储备容量；
备用方程约束，其表达式如下：
；
上式中：SRU和SRD分别为发电机g的向上和向下备用储容量。
7.根据权利要求6所述的一种考虑需求响应的电热综合能源系统双层协同扩展规划方法，其特征在于：所述步骤S2中需求响应方程约束包括：
功率平衡方程约束，其表达式如下：
；
上式中：和/>分别为作为功率和热负荷的预测值，/>为功率的实际值，/>和为需求响应导致的负荷转移量；
容量变化限制约束，其表达式如下：
；
；
上式中：和/>分别为功率和热负荷变化率。
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