CN213783243U - 一种面向产业园区的综合能源系统运行优化装置 - Google Patents

Abstract

一种面向产业园区的综合能源系统运行优化装置，属于能源配置装置技术领域。包括设置于园区供应端的太阳能设备、电网、光伏发电设备、蓄电池、天然气设备、光热锅炉、储热箱，及设置在园区供需站的电热水锅炉、供热设备、供冷设备及供电设备，所述光伏发电设备和光热锅炉蓄能端连接太阳能设备，通过太阳能设备吸收太阳能，光热锅炉及天然气设备的余热锅炉、燃气锅炉分别连接储热箱及园区供热设备、供冷设备的吸收式制冷机，电网、光伏发电设备、蓄电池及天然气设备的燃气轮机、内燃机分别连接园区供电设备、电热水锅炉、供冷设备的电制冷机，电热水锅炉出水端还连接储热箱。本实用新型有利于多样化能源的综合利用，减少能源损耗和温室气体排放。

Description

一种面向产业园区的综合能源系统运行优化装置

技术领域

本实用新型属于能源配置装置技术领域，特别是涉及一种面向产业园区的综合能源系统运行优化装置。

背景技术

现有陈永龙等人公开的论文文献“基于多方利益博弈的园区级综合能源系统经济优化运行技术研究”，将多方利益主体的诉求纳入园区级综合能源系统经济优化调度装置中，使其更加贴合现实需求。刁涵彬等公开的论文文献“考虑多元储能差异性的区域综合能源系统储能协同优化配置”建立多元储能协同配置装置，提出了包括电、热、冷多元储能差异化的区域综合能源系统储能协同配置装置。吴福保等人公开的论文文献“考虑能量成本和污染排放的综合能源系统优化配置”采用线性加权双目标装置，对分布式综合能源系统的最优容量配置进行探究，并分析了各目标不同权重对容量配置的影响。李鹏等人公开的论文文献“基于谈判博弈的多微网综合能源系统多目标联合优化配置”在多微网的背景下，引入谈判博弈理论，以此分析综合能源系统多目标联合优化配置装置。葛维春等人公开的论文文献提出了“一种双阶段多目标优化的综合能源系统配置方法”，并以某住宅小区为例进行仿真，证实了该装置的有效性。江艺宝公开的论文文献“多重不确定性下区域综合能源系统协同优化运行研究”，研究多重不确定性的区域综合能源系统协同优化装置，为其高效运行提供装置借鉴。王娟等人公开的论文文献“基于改进群搜索优化算法的综合能源系统运行优化”应用改进群搜索优化算法，探究以最低成本为目标的多元储能系统经济运行的优化问题，并通过算例分析印证章装置和改进算法的适用性。于雪风等人公开的论文文献“含电转气及电转热的园区综合能源系统建模与优化运行”利用混合整数线性规划法对建立的系统优化运行装置进行求解，最终得出含电转气与电传热设备的园区综合能源系统经济性优于分供系统及“以电定热”“以热定电”的运行策略。

现有面向产业园区的综合能源系统优化设计和分析涉及到多种能源系统的类型、多类装置以及多种目标，本实用新型在运行优化等方面进行了改进，并结合具体例子对所建装置进行了应用。

实用新型内容

针对上述存在的技术问题，提供一种面向产业园区的综合能源系统运行优化装置，以解决面向产业园区的综合能源系统容量配置问题，能够实现最优经济效益的园区综合能源系统容量配置方案。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种面向产业园区的综合能源系统运行优化装置，包括设置于园区供应端的太阳能设备、电网、光伏发电设备、蓄电池、天然气设备、光热锅炉、储热箱，及设置在园区供需站的电热水锅炉、供热设备、供冷设备及供电设备，所述光伏发电设备和光热锅炉蓄能端连接太阳能设备，通过太阳能设备吸收太阳能，光热锅炉及天然气设备的余热锅炉、燃气锅炉分别连接储热箱及园区供热设备、供冷设备的吸收式制冷机，电网、光伏发电设备、蓄电池及天然气设备的燃气轮机、内燃机分别连接园区供电设备、电热水锅炉、供冷设备的电制冷机，电热水锅炉的出水端还连接储热箱。

优选地，所述天然气设备包括并列设置的燃气轮机、余热锅炉、内燃机和燃气锅炉，其中燃气轮机和内燃机分别连接余热锅炉。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型综合能源系统的发展和应用，有利于多样化能源的综合利用，缓减能源供应矛盾，降低能源转换次数，减少能源损耗和温室气体排放；在满足电力需求的同时实现供热、制冷等多种服务功能，从而有效地实现能源的梯级利用，达到更高的能源综合利用效率，促进能源、社会、经济的可持续发展。但是，综合能源系统存在多种形式的能源子系统，其内部设备结构不同，系统属性、功能和运行特点也有着较大差别。传统的建模仿真技术、运行优化策略、控制和保护技术已经难以解决这种多结构、多层次、多模态、多时空、非线性的综合能源系统所遇到的各种问题。

同时，本实用新型提出了综合能源系统的优化规划设计装置，建立了综合能源系统优化指标体系，在考虑综合能源系统的多种能源形式需求时，建立以电为核心的综合能源系统规划优化装置，将较传统的研究更为高效、快速的优化理论和装置应用于综合能源系统的优化中。

附图说明

图1为本实用新型多目标优化和多属性决策的流程图。

图2为本实用新型园区综合能源系统的能量流图。

图3为本实用新型实施例1园区4个典型日的负荷曲线及太阳辐射密度变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细描述。

实施例1：本实用新型一种面向产业园区的综合能源系统运行优化装置，包括设置于园区供应端的太阳能设备、电网、光伏发电设备、蓄电池、天然气设备、光热锅炉、储热箱，及设置在园区供需站的电热水锅炉、供热设备、供冷设备及供电设备，所述光伏发电设备和光热锅炉蓄能端连接太阳能设备，通过太阳能设备吸收太阳能，光热锅炉及天然气设备的余热锅炉、燃气锅炉分别连接储热箱及园区供热设备、供冷设备的吸收式制冷机，电网、光伏发电设备、蓄电池及天然气设备的燃气轮机、内燃机分别连接园区供电设备、电热水锅炉、供冷设备的电制冷机，电热水锅炉的出水端还连接储热箱。

优选地，所述天然气设备包括并列设置的燃气轮机、余热锅炉、内燃机和燃气锅炉，其中燃气轮机和内燃机分别连接余热锅炉。

系统运行特性装置：

通常情况下，为了简化分析，设备的变工况特性被忽略不计，也就是说设备的效率为常数。但考虑到一些设备的效率随着负载率的减小会发生较大变化，当设备的实际效率过低时，此时设备运行的经济性很低。此处设定了一个负载率边界值，当设备负载率低于该值时，因为其效率过低，系统会选择关闭该设备。P所以，设备的输出功率计算公式为

式中：下标i代表i设备；P_i ⁱⁿ为代表i的输出功率；η_i为设备的功率；l_i为设备的负载率；g_i为设备的负载率边界值。

不同种类能源设备的负载率边界值是根据其相应的变工况特性曲线以及所选取的效率边界值来确定的。以内燃机为例，一般选取内燃机效率值0.25为效率边界值，并认为效率低于0.25时为低效率状态，由此可以确定其负载率边界值为0.25。

储能设备：

储能设备可以运行在3种状态下，分别是充能状态、放能状态和停运状态。充能状态和放能状态的数学装置分别为

式中：下标B代表储能设备的种类，可以是储热、储冷或储电；δ_B为储能过程中的消耗率；

和

分别是输入转化效率和输出转化效率；△t是时间步长；

和

分别是能源输入量和能源输出量。

储能设备的充-放能功率在一定的范围内连续可调，但充-放能过程不能同时进行，因此有下面的约束

式中：

是最大充能功率；

是最大放能功率；X和Y为0-1状态变量。

储能设备应该设定适当的充-放能周期，即在一定周期能，其存储的能量应该释放完，从而避免长期存储带来的能量损失以及过大的存储容量带来的成本增加。因此有下面约束

式中：T是充-放能周期；

是储能设备在储能过程中的消耗功率。

储能设备的运行规则为：1)储能设备的储-放周期取为24h，从而避免能量的过多损失。2)考虑到四季的冷热需求分布，本文设定夏季时多余热量通过吸收式制冷机转化为冷能，存储于蓄冷箱中，而其他季节则直接将多余热量存储于储热箱中。3)为了延长设备的寿命，应适当减少储能设备的充-放电次数，如设定设备最低启动功率、设定设备只在规定时段动作等。4)为了发挥储能设备的削峰填谷作用，可以适当规定设备在负荷高峰期时放能，负荷低谷期进行充能。

两阶段优化装置：

在实际综合能源系统的优化问题中，一方面，不同方案的费用及污染差别较大，而能耗差别很小；另一方面，在实际系统规划中，投资者对系统费用及污染排放的重视程度较高；因此，这里选定费用和污染作为第一阶段多目标优化的优化装置，而能耗作为决策阶段的属性参与到优化中，多目标优化与多属性决策的流程图附在文末的附件中。

第一阶段的优化装置

第一阶段是优化系统中设备的类型及容量，考虑了3个不同的目标，分别是年总成本、年污染排放量和年一次能源消耗量，其相应的装置如下所示。

(a)目标函数

i)年总费用

年总费用是年等额投资成本C_inv和年运行维护成本C_ope的总和，由下面式子计算得到

C_total＝C_inv+C_ope (6)

年等额投资成本C_inv是系统总投资成本通过等额分配到运行周期中的每一年的成本值，其计算如下

式中：I为设备的总数目；P_i ^rated为设备的额定容量；c_i为设备的单位投资成本；f_i为设备的固定运行维护成本系数；α_i为设备的年等额投资折算系数。

式中：m为年利率；N为设备的寿命。

运行费用包括设备的运行维护费用C_om以及燃料费用C_fuel，计算表达式为

式中：H为设备的年总运行小时数；a_i为设备的单位可变运行维护成本；P_i ^h为设备i在第h个小时的出力值；J为输入能源的类型总数；

为第j种能源在第h小时的价格；

为第j种能源在第h小时的使用量。

ii)年污染排放量

采用二氧化碳排放量作为衡量其环境效益的指标，这里主要考虑燃烧天然气、柴油等产生的污染以及电网中通过燃煤发电产生的污染，因此年污染排放总量计算如下

式中μ_j为第j种能源的单位排放系数。若是太阳能等无污染能源，则其取值为0。

iii)年一次能源消耗量

采用年一次能源消耗量作为衡量其能源效益的指标，通过将一次能源转化为等价的标准煤耗量，其总的等价标准煤耗量即为年一次能源消耗量，计算表达式为

式中λ_j为第j种能源的标准煤耗转化系数。

(b)变量及基本约束条件

对于一个园区综合能源系统，其可以使用的能源类型及设备类型有很多，能源转换途径也多种多样，因此可以生成许多种不同的系统配置方案。比如说通过天然气生产电能，就可以采用燃气轮机或内燃机；利用天然气生产冷能，可以通过燃气锅炉再经吸收式制冷产生，也可以通过燃气轮机发电后经电制冷机产生。因此第一阶段的优化变量包括设备的类型选择及额定容量的确定。考虑到市场上设备容量的可选择情况，本文将设备容量划分为2种变量，一种是离散变量，每台设备具有固定的额定容量，优化得到设备的台数；另一种为连续变量，设备容量取值可以是连续的，优化得到的是该种设备的额定容量值。这里将燃气轮机、内燃机取为离散变量，其他设备包括吸收式制冷机、电制冷机和储能设备都设定为连续变量。因此第一阶段优化的变量格式为

式中：N_GT1、N_GT2分别是第1、2种燃气轮机和内燃机的设备台数；

和

分别是燃气锅炉和电制冷机的额定容量。当设备台数或额定容量为0，则代表该种设备不被选择到。

设备的容量选择必须综合考虑资源的多少、可安装场地大小、当前技术可制造的最大容量等因素的影响，因此有下面的约束

0≤N_i≤N_max (13)

式中：N_max为设备可安装的最大台数；P_i ^rated,min和P_i ^rated,max分别是设备额定容量可选择的最小值和最大值。

第二阶段的优化装置

第二阶段优化是对设备的小时出力值进行优化，从而使运行维护成本最小。

(a)目标函数

优化的目标函数是运行维护成本，包括设备运行和维护成本、以及燃料成本，计算如上面式子(9)所示，但为了简化计算，通常采用典型日的负荷数据来代表整年的负荷情况，此处采用4个典型日进行计算，简化后的运行维护成本为

C′_ope＝C′_om+C′_fuel (15)

式中：K为典型日的总数；d_k为第k个典型日代表的总天数。计算时间步长为1h，一个典型日有24个小时，因此t从1到24。

(b)变量及基本约束条件

对一个分布式供能系统的运行，其运行安排表必须包含设备的运行状态和小时出力值。采用二进制变量S来表示设备的运行状态；S＝0时设备不运作，

S＝1时设备处于运行状态；而设备的小时出力值P为连续变量。对于有负载率限制的设备，其实际出力为P^real＝S·P；而对于负载率可以从0连续变化到100％的设备，其实际出力为P，当P＝0时即代表设备没有运作。因此其运行装置为一个混合整数非线性装置。采用下面的线性化装置将该装置转化为混合整数线性装置，最后其优化变量的格式为

式中：

和

分别为燃气轮机在第t个小时的运行状态、输出功率和实际输出功率，

为储热设备的输出功率。

基本约束条件有:

i)运行状态约束

式中

为设备i在第t个小时的运行状态

ii)输出功率约束

式中

和

分别为设备输出功率的最小边界值和最大边界值。

iii)能量平衡约束

在每一时刻，其电、热和冷都需要满足下面约束：

式中：

和

分别是设备的输入电功率、输出电功率和用户的电负荷需求；

和

分别是设备的输入热功率、输出热功率和用户的热负荷需求；

和

分别是设备的输入冷功率、输出冷功率和用户的冷负荷需求。

(c)装置线性化

根据前面对各元件的设计，最终得到的将是一个混合整数非线性优化装置。考虑到非线性装置需要较长的计算时间，因此通过装置线性化将其转化为混合整数线性装置来提高优化速度。线性化装置具体如下。

二进制变量b和连续变量a的乘积可以用一个连续变量y表示为

y＝b·x (24)

然后，在装置中增加下列约束

此时，b＝0时，有y＝0；b＝1时，有y＝x。

通过这种线性化装置，无需任何近似化就可以将原来的混合整数非线性装置转化为混合整数线性装置。

对园区综合能源系统的优化，其总体框架包括多目标优化装置和相应的决策装置。首先，定义3个评估指标来分别评估园区综合能源系统在经济、环境和能源方面的效益。其次，采用多目标粒子群算法(multi-objective particle swarm optimization，MOPSO)对该系统进行优化，得到一系列可行的帕累托解。最后，采用基于证据推理(evidentialreasoning，ER)的多属性决策装置得到帕累托最优解，多目标优化和多属性决策的流程图如图1所示。

基于上述综合能源优化运行理论，并具体分析产业园区电－储互补系统优化、电－热互补系统优化、电－气互补系统优化以及园区多能互补的综合能源系统多目标优化四种多能互补模式，找出适用于不同产业园区综合能源运行优化的最佳策略，以此印证本实用新型技术方案的有效性。

以面向园区微网的综合能源系统多目标优化研究为例，冷热电联供系统算例仿真与结果分析如下：

系统的基本架构及相应的设备参数：

将所提出的园区综合能源系统装置应用于甘肃某一园区的能源供应上。首先，根据调查资料，该地区的负荷需求主要为电负荷、供热负荷和供冷负荷；能源方面，可使用的可再生能源只有太阳能，环境具备安装光伏发电和光热锅炉的条件，可获得管道天然气和一定范围内的电力；设备方面，具备安装吸收式制冷装置、电制冷装置或电制热装置来进行集中供冷和供热的条件，以及允许安装一定容量的储电、储热和储冷装置。因此，可以建立园区综合能源系统的基本架构如图2所示。

其次，选择4个典型日来代表该园区全年的小时负荷情况，并采用多目标粒子群算法进行优化计算，得到一系列可行的方案。最后运用基于证据推理的决策装置得出最优的系统配置方案。

系统参数：该产业园区全年的冷热电负荷需求以及太阳能辐射密度采用四个典型日作为代表，如图3所示。能源的峰谷平价格如表1所示，其中电网购电在峰时刻、平时刻和谷时刻的价格各不相同。表2列明了系统中主要设备的经济及技术参数，包括其效率、成本、寿命和负载范围等数据。表3列明了储能设备的经济及技术参数，包括其效率、成本和寿命等数据。能源的污染排放系数以及其等价为标准煤的转化系数见表4。太阳能可利用面积为80000m2。允许综合能源系统多余电力出售给电网，上网电价取为当前时刻电网电价的0.7倍。

表1能源的峰谷平价格单位：元/kwh

表2设备的经济及技术参数

表3储能设备的经济及技术参数

表4能源的污染排放系数及标准煤耗转化系数

园区综合能源系统必须始终保持正常运行，因此除了用4个典型日来代表一年的负荷数据及太阳能辐射密度数据外，还必须让系统在特定条件下仍能正常运行。此处考虑2种特殊场景：场景1是分布式能源处于最大出力时刻，场景2是系统的冷热电负荷总和处于最大时刻。2种特殊场景的数据如表5所示。在场景1，分布式能源光伏发电及光热锅炉产生的能量必须被完全使用或者储存起来，因此设定了持续时间为4小时，储能设备需要将该时段的多余能量进行存储；在场景2，系统的设备出力必须满足冷热电负荷需求。因此，通过在第一阶段增加相应的约束条件来满足这2个场景的实际要求。

表5特殊场景设置

优化过程结果及分析:

园区综合能源系统通过MOPSO优化给出了8个方案对应的系统配置方案及3个目标的数值。通过优化发现，多个园区综合能源系统的容量配置方案，其经济性和环保性存在着相互冲突的关系，一般是当年总费用较低时，其相应的污染排放量较高。

表6多目标优化得到的8个方案的系统配置

表7多目标优化得到的8个方案目标值

方案	费用/(10<sup>7</sup>元)	排放/(10<sup>7</sup>kg)	能耗/(10<sup>7</sup>kg)	购电/(10<sup>7</sup>kW×h)	天然气/(10<sup>8</sup>kW×h)
						S<sub>1</sub>	10.20	5.59	2.80	2.53	1.64
S<sub>2</sub>	10.29	5.48	2.85	2.26	1.75
						S<sub>3</sub>	10.37	5.23	2.79	2.02	1.77
S<sub>4</sub>	10.47	4.92	2.78	1.46	1.90
						S<sub>5</sub>	10.56	4.85	2.79	1.29	1.96
S<sub>6</sub>	10.64	4.71	2.74	1.16	1.95
						S<sub>7</sub>	10.72	4.60	2.76	0.89	2.04
S<sub>8</sub>	10.83	4.57	2.79	0.70	2.11

根据表7，方案s₁—s₈的年总费用依次递增、年污染排放量依次递减，年能源消耗量并非单向变化，且年污染排放量的变化幅度最大，年能源消耗量的变化幅度最小。当选择方案s₁时，所得到的系统具有很好的经济性，但相应的其环保性不佳；同理，方案s₈具有很好的环保性，但其经济性不高。因此，投资者在建造园区综合能源系统时，必须权衡利弊，从众多可行的投资方案中挑选出最适合的系统配置方案。

结合表6和表7进行分析，可以看出在进行太阳能资源的分配时，当用于光热锅炉的太阳能增加时，其相应的储热及储冷设备的容量也会随着增加，从而存储多余的热量。在设备选择方面，4种天然气发电设备中，系统优先选择内燃机-2，一方面是因为内燃机-2的效率及投资成本比其他3种好，另一方面是因为内燃机-2的电效率及热效率的分配比例更适合于该地区的负荷需求；2种制冷设备中，电制冷机制冷的经济性较高，但因为电网购电污染排放系数较高，导致其环保性较差，而吸收式制冷机的环保性较好；燃气锅炉对比于电锅炉，虽然其经济性更高，但由于这里电锅炉主要利用的是内燃机生产的电能，因此其综合效益更好；储能设备方面，由于蓄电池成本过高以及发电可上网出售，因此蓄电池没有被选择使用，储冷箱被选择用于夏天存储多余热量，储热箱则用于其他3个季节存储多余热量。

综合考虑以及权衡系统容量配置方案的费用、排放和能耗，从待选的8个方案中来求解最终的系统容量配置方案。考虑到经济效益是投资者最重视的一个指标，因此在对各项目标进行权重系数分配时，应该适当加大经济效益的权重系数。因此，对待评估的费用、污染和能耗这3个属性，其分配到的权重系依次是0.5、0.4、0.1。为了更直观地评估这8个方案的优劣，利用效用分析得到每个方案的最大、最小和平均效用值如表8所示。根据这8个方案的平均效用值，可以进行优劣排序，从优到劣的顺序为s4、s1、s3、s6、s5、s7、s2、s8。因此，方案s4为园区综合系统的最优容量配置方案。

表8：8种方案的最大、最小和平均效用值

效用值	S<sub>1</sub>	S<sub>2</sub>	S<sub>3</sub>	S<sub>4</sub>	S<sub>5</sub>	S<sub>6</sub>	S<sub>7</sub>	S<sub>8</sub>
									最大	0.62	0.56	0.60	0.63	0.59	0.60	0.59	0.50
最小	0.53	0.46	0.52	0.55	0.51	0.51	0.50	0.40
									平均	0.58	0.51	0.56	0.59	0.55	0.55	0.55	0.45

园区综合能源系统与其他系统运行策略比较

本装置将得到的园区综合能源系统(IES)与单供系统(SP)、传统“以热定电”(FTL)及“以电定热”(FEL)运行策略下的联供系统进行比较。

冷热电联供(CCHP)系统相比于传统分供(separation production,SP)系统，具有能效高、污染少的优点，可以实现能源的梯级利用等特点，成为未来分布式供能系统的发展趋势。

表9：对比4种不同系统的表现

由表9可知，3种联供系统相比于单供系统，在经济性、环保性及节能性都具有更好的表现。以单供系统作为参考系统，IES系统费用减少16.17％，污染排放减少56.07％，能耗减少32.36％；以热定电(FTL)系统费用减少6.16％，污染排放减少55.89％，能耗减少27.01％；以电定热(FEL)系统费用减少10.01％，污染排放减少64.20％，能耗减少37.71％。因此，IES系统在经济、环保和能源3个方面都高于以热定电(FTL)系统。而以电定热(FEL)系统的环保和能源效益高于IES系统，但其经济效益低于IES系统，考虑到经济效益的重要程度远高于环保和能源效益，以及这2个系统相对于单供系统在3种效益上的改善程度，可以得出结论，IES系统的综合效益高于以电定热(FEL)系统。综上所述，本装置所提出装置优化得到的IES的综合效益最高。

表10 4种场景的设定

场景	太阳能有无	系统联网方式
			场景1	有	自由联网
场景2	有	仅允许购电
			场景3	无	自由联网
场景4	无	仅允许购电

表11表明，自由联网方式下，系统具有更高的经济性，但消耗的天然气较多；而太阳能的利用，可使系统的经济性、环保性和节能性都大幅度提升。

表11：4种场景下的优化方案对比

表12设备的经济及技术参数

表13储能设备的经济及技术参数

可以理解的是，以上关于本实用新型的具体描述，仅用于说明本实用新型而并非受限于本实用新型实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种面向产业园区的综合能源系统运行优化装置，其特征在于：包括设置于园区供应端的太阳能设备、电网、光伏发电设备、蓄电池、天然气设备、光热锅炉、储热箱，及设置在园区供需站的电热水锅炉、供热设备、供冷设备及供电设备，所述光伏发电设备和光热锅炉蓄能端连接太阳能设备，通过太阳能设备吸收太阳能，光热锅炉及天然气设备的余热锅炉、燃气锅炉分别连接储热箱及园区供热设备、供冷设备的吸收式制冷机，电网、光伏发电设备、蓄电池及天然气设备的燃气轮机、内燃机分别连接园区供电设备、电热水锅炉、供冷设备的电制冷机，电热水锅炉的出水端还连接储热箱。

2.根据权利要求1所述面向产业园区的综合能源系统运行优化装置，其特征在于：所述天然气设备包括并列设置的燃气轮机、余热锅炉、内燃机和燃气锅炉，其中燃气轮机和内燃机分别连接余热锅炉。

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