CN117077368B - 计及工业综合需求响应的综合能源系统众目标规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种计及工业综合需求响应的综合能源系统众目标规划方法，属于综合能源系统规划领域，为进一步提升作为综合能源系统区域负荷的工业侧参与激励响应的合作意愿，该方法提出了基于工业侧初期生产计划与新生产计划之间差异的综合能源系统服务质量的表征方式，实现了综合能源系统获取工业侧激励响应后服务质量的计算，实现了对工业侧生产干扰程度尽可能低的同时，对工业侧补贴适度的激励费用，实现综合能源系统设备容量的合理配置，并使得综合能源系统的各项性能得到均衡考虑，为涉及工业综合需求响应的综合能源系统众目标规划问题提供技术性参考。
Description
技术领域
本发明属于综合能源系统规划领域，更具体地，涉及一种计及工业综合需求响应的综合能源系统众目标规划方法。
背景技术
综合能源系统通常耦合了电、热、氢、天然气等多种能源，为促进可再生能源消纳、提高能源利用率、减少碳排放等方面提供了有效途径，在近年获得快速发展与广泛应用。然而可再生能源的波动性、间歇性使得综合能源系统比由纯化石能源供给的传统电力系统在规划问题上更为复杂，尤其是在大规模可再生能源渗透的情况下需要考虑的目标层面愈发众多。
需求侧响应依据响应方式可分为价格型需求响应与激励型需求响应，在综合能源系统中进一步推广为综合需求响应。工业侧作为区域综合能源系统的主体用户，研究其参与需求响应在促进综合能源系统消纳可再生能源、减少碳排放等方面有着重要作用。现有研究对于综合能源系统的工业侧建模多集中于宏观层面，工业侧在生产过程中具体耗能行为未能获得足够重视，同时工业侧与综合能源系统合作的有效性能未能充分挖掘和讨论，且工业侧在需求响应后受到的影响程度并未得到有效表征。从而导致工业侧在实际需求响应过程中生产计划易受到较大影响，使工业侧参与需求响应的意愿下降。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种计及工业综合需求响应的综合能源系统众目标规划方法，可实现工业侧在生产计划变动较小前提下耗能成本有所下降，同时使综合能源系统配置更合理，系统性能更均衡。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种计及工业综合需求响应的综合能源系统众目标规划方法，包括：
S1，根据综合能源系统的分时电价及分时热价，确定工业侧的初期生产计划；
S2，根据所述初期生产计划，以总投资成本、能源自给量、弃风弃光量、碳排放量及服务质量最小为总目标函数，并在预设约束条件下求解所述总目标函数，得到在激励策略下，综合能源系统的容量配置及工业侧的新生产计划；
其中，所述激励策略包括激励补贴费用及服务质量；所述总投资成本包括激励补贴费用；所述服务质量通过工业初期生产计划与新生产计划之间的差异进行表征。
按照本发明的第二方面，提供了一种计及工业综合需求响应的综合能源系统众目标规划系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如第一方面所述的方法。
按照本发明的第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行如第一方面所述的方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
相较于传统的综合能源系统多目标规划，本发明提供的方法将工业侧综合需求响应与综合能源系统众目标规划结合，提出了考虑工业综合需求响应的综合能源系统众目标规划框架，实现了在均衡考虑总投资成本、弃风弃光量、服务质量、能源自给和碳排放的众指标考量下综合能源系统整体性能的提升。为进一步提升工业侧参与激励响应的合作意愿，提出了基于工业侧初期生产计划与新生产计划之间差异的综合能源系统服务质量的表征方式及衡量方法，实现了综合能源系统获取工业侧激励响应后服务质量的计算。本发明提供的方法实现了对工业侧生产干扰程度尽可能低的同时，对工业侧补贴适度的激励费用，并最终完成综合能源系统在目标要求众多情况下关键设备容量的合理配置。
附图说明
图1为本发明实施例提供的计及工业综合需求响应的综合能源系统众目标规划框架结构示意图。
图2为本发明实施例提供的工业侧的结构框图。
图3为本发明实施例提供的综合能源系统能源供需结构框图。
图4为本发明实施例提供的优化框架求解后获得的非劣解集示意图。
图5为本发明实施例提供的不同非劣解下服务质量SQ与工业侧成本缩减率的关系示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供一种计及工业综合需求响应的综合能源系统众目标规划方法，如图1所示，包括：
S1，根据综合能源系统的分时电价及分时热价，确定工业侧的初期生产计划。
具体地，构建电热需求的工业侧精细化模型，包含产品线生产规律与相关约束，以生产计划上加工单元与缓存单元上的生产对象数目为变量，以工业侧按照分时电价和分时热价计算得到的总耗能费用最低为初步目标以制定出初期生产计划。
S2，根据所述初期生产计划，以总投资成本、能源自给量、弃风弃光量、碳排放量及服务质量最小为总目标函数，并在预设约束条件下求解所述总目标函数，得到在激励策略下，综合能源系统的容量配置及工业侧的新生产计划；
其中，所述激励策略包括激励补贴费用及服务质量；所述总投资成本包括激励补贴费用；所述服务质量通过工业初期生产计划与新生产计划之间的差异进行表征。
具体地，步骤S2包括：
S21.综合能源系统通过激励策略刺激工业侧参与激励响应，获得对工业侧部分的生产计划支配权；
S22.构建综合能源系统各关键设备以及外部气网、外部电网的模型；
优选地，所述综合能源系统的关键设备包括：风力发电机组、光伏发电机组、燃料电池、燃气锅炉、储热罐、电解槽、甲烷化装置及储氢罐；
S23.构建综合能源系统各关键设备模型：包括风力发电机组、光伏发电机组、燃料电池、燃气锅炉、储热罐、电解槽、甲烷化装置、储氢罐、外部气网、外部电网；
S24.通过构建众目标优化框架以获取方案集，框架以综合能源系统的总投资成本、碳排放、服务质量、能源自给、弃风弃光量为优化目标；其中，对工业侧的激励策略由补贴费用外加服务质量构成；综合能源系统的服务质量通过工业初期生产计划与新生产计划之间差异进行表征；总投资成本包括综合能源系统的建设初期的投入成本及运营维护成本，特别的，还包含对工业侧按照激励响应前后耗能费用差异进行补贴的激励费用；
S25.利用决策方法从方案集中选出最终方案，完成综合能源系统的容量配置工作任务以及生成工业侧的新生产计划。
图2为工业侧获取初期生产计划阶段的模型框架，其目标函数为总耗能成本，即：
其中，M代表加工单元，B代表缓存单元，T为每天的调度周期，Ft M和Ft B分别为t时刻每条工业侧生产线上所有加工单元和所有缓存单元的耗能费用，K为工业侧生产线的数目。
所有加工单元和缓存单元的耗能费用：
其中，和/>分别为t时刻综合能源系统给予的电价和热价；/>和/>分别为生产计划上t时刻i加工单元和缓存单元处理的生产对象数目；/>和/>分别为i加工单元处理单位数目的生产对象所需的电功率和热功率；/>和/>分别为i缓存单元存储单位数目的生产对象所需的电功率和热功率；NM和NB分别为每条工业侧生产线上加工单元和缓存单元的数目；Δt为调度时段。
进一步地，工业侧的约束条件为：
其中，为工业侧生产线末端的加工单元在t时刻处理的生产对象数目；WTar为每条工业侧生产线的T周期内产品目标数目，/>为t时刻i加工单元处理的最大生产对象数目；/>为t时刻i缓存单元暂存的最大生产对象数目。
进一步地，工业侧获取初期生产计划的模型分别为：
通过商业CPLEX即可求解。
图3为综合能源系统能源供需关系结构图，其关键设备的模型分别为：
风力发电机组：
其中，为t时刻风力发电机组的最大功率输出；/>为风力发电机组配置的额定容量；vin、vout、vrate和vt分别为切入风速、切出风速、额定风速和t时刻风速；hWT为风速计的测量高度；hsta为风速计的标准测量高度；vsta为风速计在标准测量高度下测得的风速；γ为摩擦系数。
光伏发电机组：
其中，为t时刻最大功率输出；/>为t时刻太阳的辐照度；/>为标准条件下太阳辐照度；/>为光伏发电机组配置的额定容量；ηpv为综合效率系数。
甲烷化装置：
其中，为t时刻甲烷化装置消耗的氢气质量；/>为甲烷的摩尔质量；Vt MET为t时刻甲烷化装置生成标准状况下甲烷的气功率，N·m3/h；Vmol为标准状况下气体的摩尔体积；kMET为氢气转为甲烷的折算系数；ηMET为甲烷化装置的效率。
电解槽：
其中，Wt EC为电解槽消耗电能产生氢气的质量；ηEC为电解槽的效率；Pt EC为电解槽在t时刻消耗的电功率；ω为电能折算为氢能的单位等效换算系数。
燃料电池：
其中，Pt FC和Wt FC分别为t时刻燃料电池产生的电功率和消耗的氢气质量；ηFC为燃料电池的效率。
燃气锅炉：
其中，和Vt GB分别为t时刻燃气锅炉产生的热功率和消耗的气功率；LNG为天然气热值；ηGB为燃气锅炉的效率。
储氢罐：
其中，Wt HS为储氢罐在t时刻存储氢气的质量。
储热罐：
其中，为储热罐在t时刻存储的热能；/>和/>分别为储热罐在t时刻的储热功率和放热功率；ηQchr和ηQdis分别为储热罐的储热效率和放热效率。
进一步地，综合能源系统的五目标函数分别为：
总投资成本：
其中，第一项为建设初期的投入成本，第二项为运营维护成本，第三项为对工业侧激励费用；Ωj为关键设备的集合，包括风力发电机组、光伏发电机组、燃料电池、电解槽、储氢罐、甲烷化装置、储热罐和燃气锅炉；和Uj分别为综合能源系统配置的第j种关键设备的额定装机容量和单位装机容量成本；r为年利率；yj为第j种关键设备的使用年限；S为研究期间的季节周期，本发明取夏季、冬季和过渡季三季；Dd为d季节的典型日数；/>和/>分别为d季节典型日下t时刻风力发电机组和光伏发电机组的实际功率输出；和/>分别为风力发电机组、光伏发电机组、甲烷化装置、燃料电池、电解槽、储热罐和燃气锅炉的单位出力运营维护成本；储氢罐由于运营维护成本相对较低，故忽略不计；pEPN和pEGN分别为综合能源系统从外部电网和外部气网获得的电价和气价；/>和/>分别为综合能源系统在d季节典型日下t时刻从外部电网和外部气网获得的电功率和气功率；/>为工业侧的最优耗能成本；ξ为激励补贴系数，元/kW·h。
能源自给量：
弃风弃光量：
服务质量：
其中，和/>分别为工业侧在价格型需求响应后作出的初期生产计划所对应的加工单元和缓存单元的数目，可通过式/>进行求解。由于该目标中存在绝对值形式，可对其进行线性化。以加工单元为例，线性化过程如下式所示，缓存单元同理可得，此处不再赘述。
其中，是为实现线性化而额外引入的辅助变量。
可以理解的是，服务质量采用初期生产计划与新生产计划之间的差异进行表征，因此，差异越小，服务质量越高。
碳排放量：
其中，ζEPN和ζGB分别为外部电网供电和燃气锅炉供热的碳排放系数。
进一步地，综合能源系统的约束为：
工业侧的约束条件：
激励松弛约束：
其中，δ为激励松弛因子，取值为一较小正数。电功率平衡约束：
热功率平衡约束：
气功率平衡约束：
其中，为外部气网最大的供气功率。
外部网络出力限制：
可再生能源出力限制：
燃气锅炉和甲烷化装置出力限制：
其中，和/>分别为燃气锅炉和甲烷化装置配置的额定装机容量。
电解槽和燃料电池出力限制与协作约束：
其中，和/>分别为电解槽和燃料电池配置的额定装机容量；/>和/>分别为d季节典型日下t时刻电解槽和燃料电池出力的状态位，为0-1变量。由于该式存在变量相乘的形式，采用大M法对其进行线性化后可得到下式。
其中，Mbig为一足够大的正数。
设备容量限制：
其中，为第j种关键设备的最大装机容量。
储热罐约束：
其中，和/>分别为储热罐最大的蓄热功率和放热功率；/>和/>分别为d季节典型日下t时刻储热罐充放热的状态位，为0-1变量。
储氢罐和储热罐能量状态限制：
其中，和/>分别为储氢罐和储热罐配置的额定装机容量；/>和/>分别为储氢罐和储热罐运行的初始状态。
进一步地，综合能源系统的最终模型为：
经过线性化处理后，该问题转为混合整数线性规划问题中的众目标优化问题，通过AUGMECON算法结合商业求解器CPLEX即可求解。求解后通过模糊隶属函数法从获得的非劣解集中选出最终的配置方案。即得到求解结果及/>
基于所提出的框架，设置模型参数。
设工业侧有加工生产线共20条，每条生产线单日的目标产量为22件，运行参数如表1所示。表2为综合能源系统设备的经济参数。综合能源系统提供给工业侧的电价和热价如表3所示。从外部电网获得的电价取0.49元/kW·h，从外部气网获得的天然气价格取2.5元/m3。甲烷化装置效率为0.8，燃气锅炉效率为0.8，电解槽效率为0.75，燃料电池效率取0.5，储热罐充放热效率取0.82，年利率取5％，激励松弛因子取0.05，激励补贴系数取1.05元/kW·h。
表1单条生产线的运行参数
表2设备的经济参数
表3分时价格
该实施例中的众目标优化结果如图4所示。是否响应激励策略对综合能源系统目标值和容量配置的影响如表4和表5所示。
表4是否响应激励策略时目标值差异对比
表5是否响应激励策略时容量配置结果对比
图4表明：计及工业综合需求响应的综合能源系统众目标规划框架能均衡考虑总投资成本TIC、弃风弃光量REC、服务质量SQ、能源自给ES和碳排放CE。特别的，工业侧不响应激励策略，意味着综合能源系统不需要改变工业侧的生产安排即可完成关键设备的容量配置，此时服务质量SQ值为0。表4与表5说明：在工业侧响应所提出的激励策略下，综合能源系统通过改变工业侧的耗能习惯使得综合能源系统的容量配置更加合理，系统整体的目标性能得到更均衡的考虑。此外，工业侧在未响应激励策略前耗能费用为2411.89万元，在响应激励策略后耗能费用为2493.18万元，而激励费用为85.36万元，则生产成本下降了0.1687％，这说明工业侧在自身生产计划的干扰程度相对低的同时，也降低了耗能费用。
图5表明：随着SQ越大，工业侧成本缩减率总体呈震荡上升趋势，说明PIES切实考虑了不同SQ对工业侧利益的补偿力度；当SQ为0，即无需工业侧响应激励措施时，不存在激励补贴费用，这确保了PIES利益不受损；相同SQ可能有着不同工业侧成本缩减率，这是由于虽然生产计划差异值相同，但加工单元和缓存单元在各时刻处理的产品数目不严格相同，导致工业侧耗能费用差异不同，获得补贴不同，工业侧成本缩减率也就不同，但这也为PIES获取工业侧生产计划支配权提供了更丰富的方案。
本发明实施例提供一种计及工业综合需求响应的综合能源系统众目标规划系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如上述任一实施例所述的方法。
本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行如上述任一实施例所述的方法。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种计及工业综合需求响应的综合能源系统众目标规划方法，其特征在于，包括：
S1，根据综合能源系统的分时电价及分时热价，确定工业侧的初期生产计划；
S2，根据所述初期生产计划，以总投资成本、能源自给量、弃风弃光量、碳排放量及服务质量最小为总目标函数，并在预设约束条件下求解所述总目标函数，得到在激励策略下，综合能源系统的容量配置及工业侧的新生产计划；
其中，所述激励策略包括激励补贴费用及服务质量；所述总投资成本包括激励补贴费用；所述服务质量通过工业初期生产计划与新生产计划之间的差异进行表征；
步骤S1中，根据所述分时电价及分时热价，以最小化工业侧的总耗能成本为目标函数，在工业侧的约束条件下求解所述目标函数，得到初期生产计划；
所述目标函数为：
其中，M代表加工单元，B代表缓存单元，T为每天的调度周期，Ft M和Ft B分别为t时刻每条工业侧生产线上所有加工单元和所有缓存单元的耗能费用， 和/>分别为t时刻综合能源系统给予的电价和热价；/>和/>分别为生产计划上t时刻i加工单元和缓存单元处理的生产对象数目；/>和/>分别为i加工单元处理单位数目的生产对象所需的电功率和热功率；/>和/>分别为i缓存单元存储单位数目的生产对象所需的电功率和热功率；NM和NB分别为每条工业侧生产线上加工单元和缓存单元的数目；Δt为调度时段；K为工业侧生产线的数目；
所述工业侧的约束条件为：
其中，为工业侧生产线末端的加工单元在t时刻处理的生产对象数目；WTar为每条工业侧生产线的T周期内产品目标数目，/>为t时刻i加工单元处理的最大生产对象数目；/>为t时刻i缓存单元暂存的最大生产对象数目。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述服务质量F4的计算公式为：
其中，和/>分别为工业侧初期生产计划中加工单元和缓存单元上的生产对象数目，/>和/>分别为工业侧新生产计划中加工单元和缓存单元上的生产对象数目；Dd为d季节的典型日数，S为研究期间的季节周期；K为工业侧生产线的数目，T为工业侧生产线的周期；NM和NB分别为每条工业侧生产线上加工单元和缓存单元的数目。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S2之前，还包括：
建立所述综合能源系统中各关键设备的模型；
其中，当所述综合能源系统中的关键设备包括：风力发电机组、光伏发电机组、燃料电池、燃气锅炉、储热罐、电解槽、甲烷化装置及储氢罐时，所述风力发电机组的模型为：
其中，为t时刻风力发电机组的最大功率输出；/>为风力发电机组配置的额定容量；vin、vout、vrate和vt分别为切入风速、切出风速、额定风速和t时刻风速；hWT为风速计的测量高度；hsta为风速计的标准测量高度；vsta为风速计在标准测量高度下测得的风速；γ为摩擦系数；
所述光伏发电机组的模型为：
其中，为t时刻最大功率输出；/>为t时刻太阳的辐照度；/>为标准条件下太阳辐照度；/>为光伏发电机组配置的额定容量；ηpv为综合效率系数；
所述甲烷化装置的模型为：
其中，为t时刻甲烷化装置消耗的氢气质量；/>为甲烷的摩尔质量；Vt MET为t时刻甲烷化装置生成标准状况下甲烷的气功率，N·m3/h；Vmol为标准状况下气体的摩尔体积；kMET为氢气转为甲烷的折算系数；ηMET为甲烷化装置的效率；
所述电解槽的模型为：
其中，Wt EC为电解槽消耗电能产生氢气的质量；ηEC为电解槽的效率；Pt EC为电解槽在t时刻消耗的电功率；ω为电能折算为氢能的单位等效换算系数；
所述燃料电池的模型为：
Pt FCΔt＝ωηFCWt FC
其中，Pt FC和Wt FC分别为t时刻燃料电池产生的电功率和消耗的氢气质量；ηFC为燃料电池的效率；
所述燃气锅炉的模型为：
Qt GB＝ηGBLNGVt GB
其中，Qt GB和Vt GB分别为t时刻燃气锅炉产生的热功率和消耗的气功率；LNG为天然气热值；ηGB为燃气锅炉的效率；
所述储氢罐的模型为：
其中，Wt HS为储氢罐在t时刻存储氢气的质量；
所述储热罐的模型为：
其中，Qt HeatS为储热罐在t时刻存储的热能；和/>分别为储热罐在t时刻的储热功率和放热功率；ηQchr和ηQdis分别为储热罐的储热效率和放热效率。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述总投资成本
其中，为激励补贴费用，Ωj为综合能源系统的关键设备的集合，/>和Uj分别为综合能源系统配置的第j种关键设备的额定装机容量和单位装机容量成本；r为年利率；yj为第j种关键设备的使用年限；S为研究期间的季节周期；Dd为d季节的典型日数；/>和/>分别为d季节典型日下t时刻风力发电机组和光伏发电机组的实际功率输出；/>和/>分别为风力发电机组、光伏发电机组、甲烷化装置、燃料电池、电解槽、储热罐和燃气锅炉的单位出力运营维护成本；pEPN和pEGN分别为综合能源系统从外部电网和外部气网获得的电价和气价；/>和/>分别为综合能源系统在d季节典型日下t时刻从外部电网和外部气网获得的电功率和气功率；为工业侧的最优耗能成本；ξ为激励补贴系数；
所述能源自给量
所述弃风弃光量
所述碳排放量
其中，ζEPN和ζGB分别为外部电网供电和燃气锅炉供热的碳排放系数；
所述总目标函数为：min{F1,F2,F3,F4,F5}。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述预设约束条件包括：工业侧的约束条件：
激励松弛约束：
其中，δ为激励松弛因子，取值为一较小正数；
电功率平衡约束：
热功率平衡约束：
气功率平衡约束：
其中，为外部气网最大的供气功率；
外部网络出力限制约束：
可再生能源出力限制约束：
燃气锅炉和甲烷化装置出力限制约束：
其中，和/>分别为燃气锅炉和甲烷化装置配置的额定装机容量；
电解槽和燃料电池出力限制与协作约束：
其中，和/>分别为电解槽和燃料电池配置的额定装机容量；/>和/>分别为d季节典型日下t时刻电解槽和燃料电池出力的状态位，为0-1变量；
设备容量限制约束：
其中，为第j种关键设备的最大装机容量；
储热罐约束：
其中，和/>分别为储热罐最大的蓄热功率和放热功率；/>和/>分别为d季节典型日下t时刻储热罐充放热的状态位，为0-1变量；
储氢罐和储热罐能量状态限制约束：
其中，和/>分别为储氢罐和储热罐配置的额定装机容量；/>和/>分别为储氢罐和储热罐运行的初始状态。
6.一种计及工业需求响应的综合能源系统众目标规划系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如权利要求1-5任一项所述的方法。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行如权利要求1-5任一项所述的方法。
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