CN117933500A - 一种基于能量路由器的园区多元能源优化调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及园区多元能源优化调度技术领域，公开了一种基于能量路由器的园区多元能源优化调度方法，步骤如下：构建园区综合能源系统。建立电、气、热、冷的能量等效转化模型、储能通用模型，以及能量流平衡模型。构建多目标函数、多约束条件的园区综合能源优化调度模型并求解。本发明解决多元能源子系统孤立运行导致的能源利用率低问题，耦合电、气、热、冷多种能源，实现多种能源之间的互补阶梯利用，解决了各种能量流汇聚时的定性、定量分析问题，实现了各种能量流的灵活聚合，解决了各种多能设备在每一时段的最优耗能、产能问题，实现了园区综合能源系统最优运行。

Description

一种基于能量路由器的园区多元能源优化调度方法

技术领域

本发明涉及园区多元能源优化调度技术领域，尤其涉及一种基于能量路由器的园区多元能源优化调度方法。

背景技术

能源是人类生存发展的基础，近年来，为有效应对能源需求持续增长、化石能源逐步枯竭、生态环境日益恶化等问题，我国积极发展并大范围推广光伏、风电等可再生能源，为解决能源短缺危机与环境污染问题提供了可能。

然而，针对当前国内园区能源消费结构，大多园区仅将可再生能源围绕电能和电力网络进行生产、转换与消费，用能结构单一；部分园区具备电网配电、新能源发电、水蓄热、水蓄冷，以及输气管道等系统，但上述电、气、热、冷各子系统往往孤立设计和运行，尚未实现多元能源灵活聚合，导致能源利用率低下。

能源趋势新形势下，如何构建生态，高效、经济的多样化用能需求通道，实现多种异质能源子系统之间的协调规划、优化运行、协同管理、交互响应和互补互济，是能源企业亟需探索的方向。

为此，本发明针对所在园区，提出一种基于能量路由器的园区多元能源优化调度方法。具体地，基于能量路由器，构建一种由配电网联络线、天然气管道、光伏、风电、储能，以及冷热电联供设备组成的园区综合能源系统，耦合电、气、热、冷多种能源，在满足园区多种用能需求的基础上，实现多元能源的互补阶梯利用与优化调度，有效提高能源利用率并减少环境污染。主要专业术语如下。

1.能量路由器：以电能为主要控制对象，具备三个或以上电能端口，具备不同电气参数的电能之间变换、传递和路由功能，并实现电气物理系统与信息系统的融合，能控制和协调其管理的电源、储能和负荷，是支撑能源互联网的核心装备之一。

2.PCS：指交直流微网变流器（Power Conversion System），具有整流和逆变功能的双向变流器，可实现DC750V与AC380V之间的转换。

3.微网控制器：集量测数据采集、设备状态监测、通信组网管理、就地分析决策、协同计算等功能于一体的智能化终端设备，可部署或嵌入于能量路由器或PCS。

发明内容

本发明针对当前园区用能结构单一，以及多元能源子系统孤立运行，导致的能源利用率低问题，提供了一种基于能量路由器的园区多元能源优化调度方法，可耦合电、气、热、冷多种能源，在满足园区多种用能需求的基础上，实现多元能源的互补阶梯利用与优化调度，有效提高能源利用率并减少环境污染。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现。

如图1所示，一种基于能量路由器的园区多元能源优化调度方法，包括以下步骤。

S1：基于能量路由器、PCS，以及微网控制器，构建园区综合能源系统。

园区综合能源系统包括配电网联络线、天然气管道、光伏设备、风电设备、储能设备，以及冷热电联供设备。

S2：分别建立电、气、热、冷的能量等效转化模型、储能通用模型，以及能量流平衡模型。

S3：基于S2，构建一种多目标函数、多约束条件的园区综合能源优化调度模型并求解。

根据求解结果购电与购气，根据上述模型，以最低成本、最高的能源利用率运行园区综合能源系统。

优选地，S1中，所述能量路由器可实现AC10kV与DC750V之间的转换。

优选地，S1中，所述PCS可实现DC750V与AC380V之间的转换。

优选地，所述系统中的光伏设备、储能电池、直流充电桩、直流负载，以及PCS挂接于750V直流母线上。

优选地，S1中，所述微网控制器包括能量路由器侧一级微网控制器与PCS侧二级微网控制器；一级微网控制器负责采集能量路由器、光伏设备、储能电池、直流充电桩、直流负载，以及二级微网控制器信息，同时进行统一控制并上传控制结果至主站；二级微网控制器负责采集PCS、天然气管道阀门及其他设备信息，同时进行统一控制并上传控制结果至一级微网控制器。

优选地，S1中，所述园区综合能源系统包括电转气设备、燃气轮机、燃气锅炉、电制冷机、吸收式制冷机，以及储电装置、储气装置、储热装置、水蓄冷空调。

优选地，S2中，所述能量流包括直流电能流、交流电能流、冷能流、热能流、天然气流。

优选地，S3中，所述多目标函数中的目标包括最小化购电成本、最小化购气成本，以及最小化碳排放成本。

优选地，S3中，所述多约束条件包括能量转换约束、储能设备约束、能量流平衡约束、设备出力约束，以及外部电网、气网功率交换约束。

本发明的有益技术效果。

1.构建了园区综合能源系统架构，解决多元能源子系统孤立运行导致的能源利用率低问题，耦合电、气、热、冷多种能源，实现多种能源之间的互补阶梯利用。

2.分别建立电、气、热、冷的能量等效转化模型、储能通用模型，以及能量流平衡模型，解决了各种能量流汇聚时的定性、定量分析问题，实现了各种能量流的灵活聚合。

3.构建一种多目标函数、多约束条件的园区多元能源优化调度模型并求解，解决了各种多能设备在每一时段的最优耗能、产能问题，实现了园区综合能源系统最优运行。

附图说明

图1为本发明总体流程图。

图2为本发明基于能量路由器的园区综合能源系统架构。

图3为本发明光伏、风电功率预测及电热冷负荷预测曲线。

图4为本发明电能流优化调度结果。

图5为本发明气能流优化调度结果。

图6为本发明热能流优化调度结果。

图7为本发明冷能流优化调度结果。

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用以解释本发明，并不限定本发明。

实施例：1.园区综合能源系统能量流建模。

1.1.能量等效转化模型。

1.1.1.天然气等效转化模型。

基于能量路由器的园区综合能源系统架构如图2所示。令24h中某时刻t，园区综合 能源系统从外部气网购买的天然气量为，进入燃气轮机、燃气锅炉的天然气量分别为、。

天然气通过燃气轮机转化为电能，可表示如下。

(1)

其中，表示转化效率，表示燃气轮机发电功率。

天然气通过燃气轮机与燃气锅炉转化为热能，用、分别表示燃气轮机与 燃气锅炉的产热效率，和分别表示燃气轮机与燃气锅炉的产热量，则天然气对热能 的等效转化可表示如下。

(2)

(3)

1.1.2.电能等效转化模型。

园区综合能源系统通过能量路由器与外部电网进行电能交换，当电力不足时，从 外部电网购买所需电能，当电力过剩时，将多余的电量出售给外部电网。若用表示购电 （为正值），表示售电（为负值），则有下式。

(4)

其中，表示能量路由器与外部电网交换的电量，为能量路由器效率。

电能通过电转气设备转化为天然气，为电转气设备转化效率，表示电转 气设备制气量，则电能对天然气的等效转化可表示如下。

(5)

电能通过电制冷机转化为冷能，为电制冷机制冷系数，表示电制冷机制 冷量，则电能对冷能的等效转化可表示如下。

(6)

此外，水蓄冷空调可以在用电低谷时期，使用电能制作冷水存储起来，在用电高峰期通过释放冷水为用户供冷，以实现削峰填谷，可表示如下。

(7)

其中，为水蓄冷空调耗电功率，为水蓄冷空调制冷系数，为水蓄冷空 调制冷功率。

1.1.3.热能对冷能的等效转化模型。

热能可以通过吸收式制冷机转化为冷能，用表示吸收式制冷机制冷系数，表示吸收式制冷机制冷量，则热能对冷能的等效转化可表示如下。

(8)

1.2.储能通用模型。

储能装置可将某时段多余能量或廉价能量进行存储，在能量需求时刻或高价时刻进行释放，从而降低用能成本，实现能量高效利用。

广义的储能包括储电、储气、储热，以及储冷，其动态模型可表示如下。

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

其中，下标x表示能量类型，电、气、热、冷能下标分别用es、gs、hs、cs表示。为 充/放能后的储能量，为充/放能前的储能量，为储能系统能量损失率，为t时刻的 充能功率，为t时刻的放能功率，、分别表示充能、放能效率。为0-1型约束变 量，确保充能、放能不同时进行，、分别为最小、最大储能量。表示结束时 刻与初始时刻的储能量相等，设置调度周期为24h，时间步长为1h。

1.3.能量流平衡模型。

1.3.1.电能流能量平衡。

针对电能流能量平衡，在能量路由器侧，有下式。

(14)

(15)

(16)

其中，等式（14）的左边表示各时刻电能流能量的输入，包括园区综合能源系统购 入电量、售出电量、直流光伏发电量与直流储电装置放电量；右边表示各时 刻电能流流量的输出，包括直流储电装置充电量、直流充电桩充电量、直流负载 耗电量、PCS馈入交流电量、PCS馈出直流电量，为PCS效率。此外，为保证 每一时刻购电和售电不同时进行，需满足不等式（15）和（16），其中，为引入的0-1变量，（正值）为购电功率最大值，（负值）的绝对值为售电功率的最大值。

在PCS侧，有下式。

(17)

(18)

(19)

其中，等式（17）的左边表示各时刻电能流能量的输入，包括PCS馈入交流电量、PCS馈出直流电量、光伏发电量、风机发电量、燃气轮机发电量与储电 装置放电量；右边表示各时刻电能流流量的输出，包括电转气设备耗电量、电制冷 机耗电量、储电装置充电量、水蓄冷空调耗电量与电负荷。此外，为保证每一 时刻PCS馈入、馈出电量不同时进行，需满足不等式（18）和（19），其中，为引入的0-1变 量，（正值）为馈入交流功率最大值，（负值）的绝对值为馈出直流功率的最大值。

合并公式（14）与公式（17），可得下式。

(20)

假设=、=、=、==，则式（20）可简化如下。

(21)

1.3.2.气能流能量平衡。

针对气能流能量平衡，可表示如下。

(22)

其中，等式（22）的左边表示各时刻气能流流量的输入，包括园区综合能源系统购 入的天然气量、电转气设备制造的天然气量、储气设备放出的天然气量；右边 表示各时刻气能流能量的输出，包括燃气轮机消耗的天然气量、燃气锅炉消耗的天然气 量、储气设备充入的天然气量。

1.3.3.热能流能量平衡。

针对热能流流量平衡，可表示如下。

(23)

其中，等式（23）的左边表示各时刻热能流流量的输入，包括燃气轮机的产热量 、燃气锅炉的产热量、储热装置放热量；右边表示各时刻热能流流量的输出，包括吸 收式制冷机耗热量、储热装置充入热量、热负荷。

1.3.4.冷能流能量平衡。

针对冷能流流量平衡，可表示如下。

(24)

其中，等式（24）的左边表示各时刻冷能流流量的输入，包括电制冷机制冷量、 吸收式制冷机制冷量、水蓄冷空调制冷量；右边表示各时刻冷能流流量的输出，包 括冷负荷。

2.园区综合能源系统优化运行模型。

2.1.目标函数。

建立一种由最低购电成本、最低购气成本，以及最低碳排放成本所组 成的多目标函数，各类成本的权重系数设为1:1:1，则园区综合能源系统总体最优日运行成 本可表示如下。

(25)

(26)

(27)

(28)

其中，、分别为t时刻的购电电价和购电功率（正值），、分别为t时刻的 售电电价和售电功率（负值），电价单位为元/（kW*h），功率单位为kW，为时间步长，值为 1；为天然气固定价格，为t时刻从外部气网购买的天然气量；、分别表示购电和 购气的等效排放系数，单位为kg/（kW*h），表示CO₂的处理费用，单位为元/kg。

2.2.约束条件。

2.2.1.能量转换约束。

能量转换设备满足式（1）—式（8）。

2.2.2.储能设备约束。

储能设备约束满足式（9）—式（13）。

2.2.3.能量流平衡约束。

能量流平衡约束见式（14）—式（24）。

2.2.4.设备出力约束。

所有设备均需要工作在允许的范围内，出力不可超过最大功率，其中，、 、、、、、分别表示燃气轮机发电、燃气轮机产热、燃气锅炉、吸收式 制冷机、电制冷机、水蓄冷空调、电转气设备最大功率。则t时刻各设备出力需满足下式。

(29)

2.2.5.外部电网、天然气网功率交换约束。

为保证外部电网及天然气网稳定运行，园区综合能源系统与外部电网、气网交换的能量需分别满足下式。

(30)

其中，、、、分别为售电功率最小值、购电功率最大值、购气功率 最小值、购气功率最大值。

3.算例分析。

上述优化调度模型为混合整数线性规划问题，基于Matlab与Yalmip，编程构建优化模型，并利用Intlinprog求解器进行优化问题求解。

3.1.园区综合能源系统算例参数。

园区综合能源系统采用分时电价，数据见下表。

表1、本实施例中园区综合能源系统的分时电价数据

园区综合能源系统内的光伏电源、风电机组日前预测输出功率，以及电、热、冷预测负荷数据如图3所示。

园区综合能源系统主要参数如下。

表2、本实施例中园区综合能源系统的主要参数

3.2.园区综合能源系统算例分析。

园区综合能源系统实现了电、气、热、冷各种能量流的调度与分配，图4、图5、图6、图7分别描述了电、气、热、冷能量流的优化调度结果。坐标轴横轴上半部分表示能量流的供给，下半部分则表示能量流的消耗。由于各时刻能量保持平衡，因此能量流优化结果关于横轴对称。

根据图4电能流优化调度结果可知，在电价低谷时段，园区综合能源系统主要从外部电网购电以满足电负荷需求，不足的部分由燃气轮机供电。在电价高峰时段，为降低运行成本，电力主要由燃气轮机供应，光伏和风电被完全消纳，且储电设备进行放电以降低运行成本，缓解供电压力，电力不足时从外部电网购电。由于购电电价高于天然气价格，且电转气设备转化效率较低，为节约系统运行成本，电转气设备几乎不运行。

在图5气能流优化调度结果中，电价低谷时，主要从外部电网购电，燃气轮机基本未使用天然气发电，此时，购买的天然气用于燃气锅炉产热，并将富余天然气充入储气设备。电价高峰时段，为降低运行成本，购买的天然气基本用于燃气轮机发电，且储气设备进行放气以降低运行成本，缓解供气压力。

根据图6、图7热能流、冷能流优化调度结果可知，在电价低谷时段，热负荷主要由燃气锅炉供热，冷负荷主要由电制冷机供冷。在电价高峰时段，燃气轮机发电量较大，产热量较多，热负荷主要由燃气轮机满足；受吸收式制冷机最大功率约束，以及为降低运行成本，冷负荷则由电制冷机、吸收式制冷机，以及水蓄冷空调共同满足。

在该算例中，光伏及风电被完全消纳；在热量富余时，储热设备蓄热，电量富余时，水蓄冷空调制作冷水蓄冷；而热、冷不足时，储热设备放热，水蓄冷空调释放冷水制冷，以满足部分热、冷需求。

结合上述分析，园区综合能源系统优势主要体现在，可通过电、气能源的相互替代，储能设备的适时充、放能量，以及各种能源转化设备的协调优化运行，实现能量的梯级利用，降低系统运行成本，促进多能互补和新能源就地消纳。

上述实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可做出各种变换和变化以得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应归入本发明的专利保护范围。

Claims (9)

1.一种基于能量路由器的园区多元能源优化调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：基于能量路由器、PCS，以及微网控制器，构建园区综合能源系统；

园区综合能源系统包括配电网联络线、天然气管道、光伏设备、风电设备、储能设备，以及冷热电联供设备；

S2：分别建立电、气、热、冷的能量等效转化模型、储能通用模型，以及能量流平衡模型；

S3：基于S2，构建一种多目标函数、多约束条件的园区综合能源优化调度模型并求解；

根据求解结果购电与购气，根据上述模型，以最低成本、最高的能源利用率运行园区综合能源系统。

2.根据权利要求1所述的一种基于能量路由器的园区多元能源优化调度方法，其特征在于，S1中，所述能量路由器可实现AC10kV与DC750V之间的转换。

3.根据权利要求1所述的一种基于能量路由器的园区多元能源优化调度方法，其特征在于，S1中，所述PCS可实现DC750V与AC380V之间的转换。

4.根据权利要求1所述的一种基于能量路由器的园区多元能源优化调度方法，其特征在于，所述系统中的光伏设备、储能电池、直流充电桩、直流负载，以及PCS挂接于750V直流母线上。

5.根据权利要求4所述的一种基于能量路由器的园区多元能源优化调度方法，其特征在于，S1中，所述微网控制器包括能量路由器侧一级微网控制器与PCS侧二级微网控制器；一级微网控制器负责采集能量路由器、光伏设备、储能电池、直流充电桩、直流负载，以及二级微网控制器信息，同时进行统一控制并上传控制结果至主站；二级微网控制器负责采集PCS、天然气管道阀门及其他设备信息，同时进行统一控制并上传控制结果至一级微网控制器。

6.根据权利要求1所述的一种基于能量路由器的园区多元能源优化调度方法，其特征在于，S1中，所述园区综合能源系统包括电转气设备、燃气轮机、燃气锅炉、电制冷机、吸收式制冷机，以及储电装置、储气装置、储热装置、水蓄冷空调。

7.根据权利要求1所述的一种基于能量路由器的园区多元能源优化调度方法，其特征在于，S2中，所述能量流包括直流电能流、交流电能流、冷能流、热能流、天然气流。

8.根据权利要求1所述的一种基于能量路由器的园区多元能源优化调度方法，其特征在于，S3中，所述多目标函数中的目标包括最小化购电成本、最小化购气成本，以及最小化碳排放成本。

9.根据权利要求1所述的一种基于能量路由器的园区多元能源优化调度方法，其特征在于，S3中，所述多约束条件包括能量转换约束、储能设备约束、能量流平衡约束、设备出力约束，以及外部电网、气网功率交换约束。