WO2018130231A1 - 一种基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法,包括以下步骤:步骤10)分别建立考虑传输延时的热网模型以及考虑蓄热特性的建筑物模型;步骤20)结合冷热电联供系统模型、热网模型及建筑物模型,建立综合能源系统优化模型;步骤30)运用综合能源系统优化模型求解得到最优调度计划,并按照该最优调度计划,控制燃气轮机和燃气锅炉每小时的出力,并向电网与风电场购电。该方法将热网与用户均纳入调度范畴,能实现多自由度的负荷调整,提高系统运行灵活,从而为消纳风电提供更大的裕度。

Description

一种基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法 技术领域
本发明属于综合区域能源系统热电联合调度领域,具体来说,涉及一种基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法。
背景技术
近年来,风电作为一种可再生能源由于其技术成熟,经济性较好且能源效率较高得到了快速发展。截止2015年底,全球风电总装机容量达到423GW,新增装机容量为63GW,其中,中国占30.5GW。中国风电的发展主要在三北地区,三北地区风力资源丰富且冬季热负荷需求极大。然而,随着风电的快速发展,风电消纳却由于热电联供中热出力与电出力的强耦合关系受到了限制。在吉林省,约有70%的热负荷由集中式热电联供机组(对应英文combined heating and power,文中简称CHP)供应。热电联供机组在冬季一般运行在“以热定电”模式。这种运行模式极大的限制了CHP机组的电出力。在夜间,热负荷较高而电负荷较低,CHP机组运行在“以热定电”模式下则电力供应供过于求,因此导致此时段弃风严重。根据国家能源局数据显示,2016年上半年,全国平均风电利用小时数为917h,弃风量为323TWh,平均风电消纳率为21%。总之,风电消纳已成为风电行业可持续发展的关键问题。为解决风电消纳问题,电力人员已进行了大量的研究,例如采用蓄电池、电锅炉等。考虑到风电与热负荷在时间与空间上的关系,即风力资源丰富的地区与时间一般也是热负荷需求较大的地区与时间,故从整体能源消费的角度看,可以利用热力系统为风电消纳提供空间。
发明内容
技术问题:本发明所要解决的技术问题是:提出一种基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法,该方法既能利用热网传输延时通过在时间尺度上错开供需,又能利用房屋蓄热特性改变负荷分布,提高热电联供系统运行灵活性,有效改善弃风问题,提升系统整体经济性。
技术方案:为解决上述技术问题,本发明实施例提供一种基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法,该方法包括以下步骤:
步骤10)分别建立考虑传输延时的热网模型以及考虑蓄热特性的建筑物模型;
步骤20)结合冷热电联供系统模型、热网模型及建筑物模型,建立综合能源系统优化模型;
步骤30)运用综合能源系统优化模型求解得到最优调度计划,并按照该最优调度计划,控制燃气轮机和燃气锅炉每小时的出力,并向电网与风电场购电。
作为优选例,所述的步骤10)中,建立热网模型的过程为:
步骤101)建立热网管道模型,具体包括步骤1011)—步骤1015):
步骤1011)建立节点流量平衡方程,如式(1)和式(2)所示:
Figure PCTCN2018074412-appb-000001
Figure PCTCN2018074412-appb-000002
式中:q ps,k,t表示第k段供水管道在t时刻的流量,单位:kg/h;q pr,k,t表示第k段回水管道在t时刻的流量,单位:kg/h;
Figure PCTCN2018074412-appb-000003
表示以节点i为终点的供水管道集合;
Figure PCTCN2018074412-appb-000004
表示以节点i为终点的回水管道集合,
Figure PCTCN2018074412-appb-000005
表示以节点i为起点的供水管道集合,
Figure PCTCN2018074412-appb-000006
表示以节点i为起点的供水管道集合,S ns表示供水管道节点集合,S nr表示回水管道节点集合,S t表示调度时间段集合。
步骤1012)建立管道压损方程,如式(3)至式(5)所示:
Figure PCTCN2018074412-appb-000007
Figure PCTCN2018074412-appb-000008
Figure PCTCN2018074412-appb-000009
式中:Δp ps,k,t表示第k段供水管道在t时刻的压力损失,单位:m;μ p表示压损因子,S ps表示供水管道集合,Δp pr,k,t表示第k段回水管道在t时刻的压力损失,单位:m;S pr表示回水管道集合,Δp pu,i,t表示第i个水泵在t时刻提供的压力,S pu表示管道中水泵集合;
步骤1013)建立温度-流量-热量方程,如式(6)和式(7)所示:
Figure PCTCN2018074412-appb-000010
Figure PCTCN2018074412-appb-000011
式中:
Figure PCTCN2018074412-appb-000012
表示第k段供水管道t时刻入口热量,单位:kW;C表示水的比热容;
Figure PCTCN2018074412-appb-000013
表示第k段供水管道t时刻入口温度,单位:℃;λ表示单位换算因子;
Figure PCTCN2018074412-appb-000014
表示第k段供水管道t时刻出口热量,单位:kW;
Figure PCTCN2018074412-appb-000015
表示第k段供水管道t时刻出口温度,单位:℃;
Figure PCTCN2018074412-appb-000016
表示第k段回水管道t时刻入口热量,单位:kW;
Figure PCTCN2018074412-appb-000017
表示第k段回水水管道t时刻入口温度,单位:℃;
Figure PCTCN2018074412-appb-000018
表示第k段回水管道t时刻出口热量,单位:kW;
Figure PCTCN2018074412-appb-000019
表示第k段回水水管道t时刻出口温度,单位:℃;
步骤1014)建立温度融合方程:根据热力学第一定律,设以节点i为终点的各管道流量在节点i处融合后形成一个稳定的温度场,则以节点i为起点的管道入口温度均相等且等于节点温度,如式(8)至式(11)所示:
Figure PCTCN2018074412-appb-000020
Figure PCTCN2018074412-appb-000021
Figure PCTCN2018074412-appb-000022
Figure PCTCN2018074412-appb-000023
式中:T ns,i,t表示供水管道节点i在t时刻的温度,单位:℃;T nr,i,t表示回水管道节点i在t时刻的温度,单位:℃;
步骤1015)建立热网传输延时方程:
计算管道热水流速,如式(12)和式(13)所示:
Figure PCTCN2018074412-appb-000024
Figure PCTCN2018074412-appb-000025
式中:v ps,k,t表示第k段供水管道内的热水在t时刻的流速,单位:m/s;ρ表示热水密度;d k表示第k段管道内径,单位:m;v pr,k,t表示第k段回水管道内的热水在t时刻的流速,单位:m/s;
热水流速约束条件满足式(14)和式(15):
Figure PCTCN2018074412-appb-000026
Figure PCTCN2018074412-appb-000027
式中:
Figure PCTCN2018074412-appb-000028
表示第k段供水管道在t时刻热水流速下限,单位:m/s;v ps,k,t表示第k段供水管道在t时刻热水流速,单位:m/s;
Figure PCTCN2018074412-appb-000029
表示第k段供水管道在t时刻热水流速上限,单位:m/s;
Figure PCTCN2018074412-appb-000030
表示第k段回水管道在t时刻热水流速下限,单位:m/s;v pr,k,t表示第k段回水管道在t时刻热水流速,单位:m/s;
Figure PCTCN2018074412-appb-000031
表示第k段回水管道在t时刻热水流速上限,单位:m/s;
计算管道热水传输时间,如式(16)和式(17)所示:
Figure PCTCN2018074412-appb-000032
Figure PCTCN2018074412-appb-000033
式中:τ ps,k,t表示第k段供水管道在t时刻的传输时间,单位:h;l j表示第j段管道的长度,单位,m;v ps,j,t表示第j段供水管道t时刻的热水流速,单位:m/s;S ps,k表示热水从热源与第k段供水管道之间的管道集合;τ pr,k,t表示第k段回水管道在t时刻的传输时间,单位:h;S pr,k表示热水从热源流与第k段回水管道之间的管道集合;v pr,j,t表示第j段回水管道在t时刻的热水流速,单位:m/s;
对式(16)和式(17)计算的实际传输时间做取整处理,如式(18)和式(19)所示:
Figure PCTCN2018074412-appb-000034
Figure PCTCN2018074412-appb-000035
式中:
Figure PCTCN2018074412-appb-000036
表示第k段供水管道在t时刻的传输时间段,单位:h;
Figure PCTCN2018074412-appb-000037
表示第k段回水管道在t时刻的传输时间段,单位:h;△t表示调度时间尺度,单位:h;
考虑热网传输延时及传输热损后,管道入口及出口温度满足如式(20)和式(21)所示约束:
Figure PCTCN2018074412-appb-000038
Figure PCTCN2018074412-appb-000039
式中:
Figure PCTCN2018074412-appb-000040
表示供水管道k 1在t时刻入口处热量,单位:kW;
Figure PCTCN2018074412-appb-000041
表示供水管道k2在
Figure PCTCN2018074412-appb-000042
时刻出口处热量,单位:kW;μ hn表示热网热损率;
Figure PCTCN2018074412-appb-000043
表示热源与供水管道k 2之间的管道集合;S ps,hs表示与热源相连的供水管道集合;
Figure PCTCN2018074412-appb-000044
表示回水管道k 1在t时刻入口处热量,单位:kW;
Figure PCTCN2018074412-appb-000045
表示回水管道k 2
Figure PCTCN2018074412-appb-000046
时刻出口处热量,单位:kW;
Figure PCTCN2018074412-appb-000047
表示热源与回水管道k 2之间的管道集合;S pr,m表示与第m个换热器相连的回水管道集合;
Figure PCTCN2018074412-appb-000048
表示t时刻从热源流出的热水至第k 2段供水管道的延时时间段;
Figure PCTCN2018074412-appb-000049
表示t时刻从第k 2段回水管道流至热源的延时时间段;l j表示第j条管道的长度,单位:m;
步骤102)建立换热器模型:
热网中,一级换热器耦合热源与一级供热网,模型如式(22)和式(23)所示:
Figure PCTCN2018074412-appb-000050
Figure PCTCN2018074412-appb-000051
式中:
Figure PCTCN2018074412-appb-000052
表示供水管道k 1在t时刻入口处热量,单位:kW;
Figure PCTCN2018074412-appb-000053
表示回水管道k 2在t时刻出口处热量,单位:kW;Q gt,t表示燃气轮机在t时刻的热出力,单位:kW;Q gb,t表示燃气锅炉在t时刻的热出力,单位:kW;η ex,1表示一级热交换器的换热效率;
Figure PCTCN2018074412-appb-000054
表示第k 1段供水管道在t时刻的热水流量,单位:kg/h;
Figure PCTCN2018074412-appb-000055
表示第k 2段回水管道在t时刻的热水流量,单位:kg/h;S pr,hs表示与热源相连的回水管道集合;
二级换热器耦合一级供热网与二级供热网,模型如式(24)和式(25)所示:
Figure PCTCN2018074412-appb-000056
Figure PCTCN2018074412-appb-000057
式中:
Figure PCTCN2018074412-appb-000058
表示供水管道k 1在t时刻出口处热量,单位:kW;
Figure PCTCN2018074412-appb-000059
表示回水管道k 2在t时刻出口处热量,单位:kW;Q ra,n,t表示第n个用户散热器在t时刻的散热功率,单位:kW;η ex,2表示二级换热器的换热效率;S ps,m表示与第m个二级换热器相连的供水管道集合;S pr,m表示与第m个二级换热器相连的回水管道集合。
作为优选例,所述的Δt=0.5h,λ=3600,C=4.168kJ/(kg·℃);ρ=960kg/m 3
作为优选例,所述的步骤10)中,建立房屋模型的过程为:
步骤111)建立房屋温度变化模型,如式(26)和式(27)所示:
Figure PCTCN2018074412-appb-000060
Figure PCTCN2018074412-appb-000061
式中:
Figure PCTCN2018074412-appb-000062
表示第n个建筑物t+1时刻的室内温度,单位:℃;
Figure PCTCN2018074412-appb-000063
表示第n个建筑物t时刻室外温度,单位:℃;η air表示空气导热率,单位:kW/℃;T c表示调度周期;
Figure PCTCN2018074412-appb-000064
表示第n个建筑物t时刻的室内温度,单位:℃;U she,m,t表示第m个二级换热器在t时刻的开关状态,即U she,m,t=1表示第m个二级换热器在t时刻打开,U she,m,t=0表示第m个二级换热器在t时刻关闭;
Figure PCTCN2018074412-appb-000065
表示t时刻房屋温度下限,单位:℃;
Figure PCTCN2018074412-appb-000066
表示t时刻房屋温度上限,单位:℃;
步骤112)计算供热指标,如式(28)和式(29)所示:
Figure PCTCN2018074412-appb-000067
Figure PCTCN2018074412-appb-000068
式中:
Figure PCTCN2018074412-appb-000069
表示第n个建筑物t时刻的设计热负荷,单位:kW;
Figure PCTCN2018074412-appb-000070
表示第n个建筑物的面积热指标,单位:W/m 2;A n表示第n个建筑物面积,单位,m 2
作为优选例,所述的步骤20)包括以下过程:
步骤201)建立目标函数,如式(30)所示:
Figure PCTCN2018074412-appb-000071
式中:C total表示日运行总费用,单位:¥;C e表示日运行购电费用,单位:¥;C g表示日运行购买燃气费用,单位:¥;C om表示日运行维护费用,单位:¥;C wt表示日运行弃风惩罚,单位:¥;P gd,t表示t时刻从电网购电量,单位:kW;K gd,e,t表示t时刻从电网购电电费,单位:¥/kWh;P wt,t表示t时刻从风电场购电量,单位:kW;K wt,e,t表示t时刻从风电场购电电费,单位:¥/kWh;η gb,h表示燃气锅炉发热效率;P gt,t表示表示燃气轮机在t时刻的出力,单位:kW;η gt,e表示燃气轮机发电效率;K g表示燃气单价,单位:¥/m 3;H ng为燃气热值,单位:kWh/m 3;K gt,om表示燃气轮机运行维护费用,单位:¥/kWh;K gb,om表示燃气锅炉运行维护费用,单位:¥/kWh;δ表示风电惩罚成本,单位:¥/kWh;
Figure PCTCN2018074412-appb-000072
表示t时刻风电预测出力,单位:kW;
步骤202)建立约束条件,包括步骤2021)至步骤2024):
步骤2021)建立电功率平衡约束,如式(31)所示:
Figure PCTCN2018074412-appb-000073
式中:S she表示二级换热器集合;S ra,m表示与第m个二级换热器相连的用户散热器集合;P n,t表示第n个建筑物的电负荷,单位:kW;
步骤2022)建立燃气轮机运行约束,如式(32)至式(34)所示:
Q gt,t=P gt,t(1-η gt,egt,losshr,hgt,e式(32)
Figure PCTCN2018074412-appb-000074
Figure PCTCN2018074412-appb-000075
式中:η gt,loss表示燃气轮机损失率;η hr,h表示热回收器回收效率;
Figure PCTCN2018074412-appb-000076
表示燃气 轮机t时刻运行功率上限,单位:kW;
Figure PCTCN2018074412-appb-000077
表示燃气轮机t时刻运行功率下限,单位:kW;
Figure PCTCN2018074412-appb-000078
表示燃气轮机下坡上限约束,单位:kW;
Figure PCTCN2018074412-appb-000079
表示燃气轮机爬坡上限约束,单位:kW;P gt,t-1表示燃气轮机在t-1时刻的出力,单位:kW;
步骤2023)建立最小启停时间约束:包括式(35)所示的燃气轮机的最小运行时间约束,式(36)所示的燃气轮机的停止时间约束,式(37)所示的二级换热器的最小运行时间约束,式(38)所示的二级换热器的停止时间约束:
Figure PCTCN2018074412-appb-000080
Figure PCTCN2018074412-appb-000081
Figure PCTCN2018074412-appb-000082
Figure PCTCN2018074412-appb-000083
式中:
Figure PCTCN2018074412-appb-000084
表示截止t时刻燃气轮机连续启动时间,单位:h;
Figure PCTCN2018074412-appb-000085
表示截止t-1时刻燃气轮机连续启动时间,单位:h;U gt,t表示t时刻燃气轮机的运行状态,U gt,t=1表示t时刻燃气轮机正在运行,U gt,t=0表示t时刻燃气轮机停机;
Figure PCTCN2018074412-appb-000086
表示截止t时刻燃气轮机连续停机时间,单位:h;
Figure PCTCN2018074412-appb-000087
表示截止t-1时刻燃气轮机连续停机时间,单位:h;
Figure PCTCN2018074412-appb-000088
表示燃气轮机连续启动时间下限,单位:h;
Figure PCTCN2018074412-appb-000089
表示燃气轮机连续停机时间下限,单位:h;
Figure PCTCN2018074412-appb-000090
表示截止t时刻二级换热器连续启动时间,单位:h;
Figure PCTCN2018074412-appb-000091
表示截止t-1时刻二级换热器连续启动时间,单位:h;U she,m,t表示第m个二级换热器t时刻的开关状态,U she,m,t=1表示第m个二级换热器t时刻开启,U she,m,t=0表示第m个二级换热器t时刻关闭;
Figure PCTCN2018074412-appb-000092
表示截止t时刻二级换热器连续停止时间,单位:h;
Figure PCTCN2018074412-appb-000093
表示截止t-1时刻二级换热器连续停止时间,单位:h;
Figure PCTCN2018074412-appb-000094
表示二级换热器连续启动时间下限,单位:h;
Figure PCTCN2018074412-appb-000095
表示二级换热器连续停止时间下限,单位:h;
步骤2024)建立联络线功率约束,如式(39)所示:
Figure PCTCN2018074412-appb-000096
式中:
Figure PCTCN2018074412-appb-000097
表示从电网购电下限,单位:kW;
Figure PCTCN2018074412-appb-000098
表示从电网购电上限,单位:kW。
作为优选例,所述的步骤30)中,将热网参数代入式(12)和式(13),求得各管段流速;将热网参数与所求流速代入式(16)和式(17),求得各管段具体延时;将具体延时代入式(18)和式(19)得到个管段延时时间段;最后将各管道延时时间段、热网参数以及系统参数代入综合能源系统优化模型求解,得最优调度计划;按照此最优调度计划控制燃气轮机、燃气锅炉出力,并向电网及风电场购电。
有益效果:与现有技术相比,本发明实施例具有以下优点:本发明实施例提出的基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法,首先建立了完整的区域热网模型,包括节点流量平衡、压力损失方程、节点温度融合方程以及热网传输延时等热网运行约束。其次,将房屋视为蓄热单位纳入调度范畴实际操作性更高,且无需另外加装蓄热槽等其他设备能有效提高经济性。最后,结合热网模型与房屋模型建立完整的涉及综合能源系统内源-网-荷各部分的优化运行模型。该模型能够实现多自由度的调度,有效提高系统运行灵活性。该优化模型,既可以通过热网改变机组出力,又可以通过用户侧改变机组出力。例如,需求侧响应就是一个自由度的调度,是源与荷的协同优化。而本模型是源-网-荷的协同优化,有网-荷两个自由度,调节范围更大,系统运行灵活性更高。该综合能源系统优化运行模型能够大幅提高风电消纳率,且有较好的经济性。考虑房屋的蓄热特性可以通过改变热负荷分布,在风电出力小的白天,提高热负荷供应,将热量存储在建筑物中,在风电出力大的夜间,建筑物散热从而减小CHP机组出力,增加风电消纳。考虑热网延时可以在时间尺度上错开热的供应与需求,不改变热负荷分布,而直接改变机组出力,实现更大时间尺度以及更大容量的出力调整。
附图说明
图1是本发明实施例中的综合能源系统结构图;
图2是本发明实施例中的区域热网结构图;
图3是本发明实施例中的热网传输延时示意图;
图4是本发明实施例中的房屋模型示意图;
图5是本发明实施例中的模型结构图;
图6是本发明实施例中的一级供热管网分布图。
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案例对本发明进行深入地详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施案例仅仅用以解释本发明,并不用于限定发明。
以冷热电联供系统为例,综合能源系统结构如图1所示。假定一区域能源供应商管理CHP机组的运行以满足该区域用户的热电负荷。供热系统与供电系统均包括源-网-荷三部分。由CHP发出的热经过一级换热器进入一级热网,而后经过二级换热器进入各个二级热网,二级换热器中的热水通过各个散热器向建筑物供热。不足热负荷由燃气锅炉补充。由CHP发出的电,经过变压器进入110kV输电网,而后经过配变进入10kV配网,最后送至用户。不足的电负荷可以通过从电网买电补充,也可从风电场买电补充。
本发明实施例的一种基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法,包括以下步骤:
步骤10)分别建立考虑传输延时的热网模型以及考虑蓄热特性的建筑物模型;
步骤20)结合冷热电联供系统模型、热网模型及建筑物模型,建立综合能源系统优化模型;
步骤30)运用综合能源系统优化模型求解得到最优调度计划,并按照该最优调度计划,控制燃气轮机和燃气锅炉每小时的出力,并向电网与风电场购电。
上述实施例中,所述的步骤10)中,建立热网模型的过程为:
步骤101)建立热网管道模型,具体包括步骤1011)—步骤1015):
步骤1011)建立节点流量平衡方程:如图2所示热网管道结构图,根据基尔霍夫定律,流向某一节点的流量之和等于流出该节点的流量之和,故对于供回水管道分别有如式(1)和式(2)所示的平衡方程:
Figure PCTCN2018074412-appb-000099
Figure PCTCN2018074412-appb-000100
式中:q ps,k,t表示第k段供水管道在t时刻的流量,单位:kg/h;q pr,k,t表示第k段回 水管道在t时刻的流量,单位:kg/h;
Figure PCTCN2018074412-appb-000101
表示以节点i为终点的供水管道集合;
Figure PCTCN2018074412-appb-000102
表示以节点i为终点的回水管道集合,
Figure PCTCN2018074412-appb-000103
表示以节点i为起点的供水管道集合;
Figure PCTCN2018074412-appb-000104
表示以节点i为起点的回水管道集合;S ns表示供水管道节点集合,S nr表示回水管道节点集合,S t表示调度时间段集合。
步骤1012)建立管道压损方程:管道的压力损失正比于该管道内流量的平方,如式(3)和式(4)所示;根据基尔霍夫定律,管道压降之和等于各水泵提供的压力之和,如式(5)所示:
Figure PCTCN2018074412-appb-000105
Figure PCTCN2018074412-appb-000106
Figure PCTCN2018074412-appb-000107
式中:Δp ps,k,t表示第k段供水管道在t时刻的压力损失,单位:m;μ p表示压损因子,S ps表示供水管道集合,Δp pr,k,t表示第k段回水管道在t时刻的压力损失,单位:m;S pr表示回水管道集合,Δp pu,i,t表示第i个水泵在t时刻提供的压力,S pu表示管道中水泵集合;
步骤1013)由于热网中存在热损,故管道入口温度与出口温度不同。因此一条管道有两个温度变量,两个热量变量与一个流量变量。建立温度-流量-热量方程,如式(6)和式(7)所示:
Figure PCTCN2018074412-appb-000108
Figure PCTCN2018074412-appb-000109
式中:
Figure PCTCN2018074412-appb-000110
表示第k段供水管道t时刻入口热量,单位:kW;C表示水的比热容;作为优选,C=4.168kJ/(kg·℃)。
Figure PCTCN2018074412-appb-000111
表示第k段供水管道t时刻入口温度,单位:℃;λ表示单位换算因子;本实施例中,λ优选为3600。
Figure PCTCN2018074412-appb-000112
表示第k段供水管道t时刻出口热量,单位:kW;
Figure PCTCN2018074412-appb-000113
表示第k段供水管道t时刻出口温度,单位:℃;
Figure PCTCN2018074412-appb-000114
表示第k段回水管道t时刻入口热量,单位:kW;
Figure PCTCN2018074412-appb-000115
表示第k段回水水管道t时刻入口温度,单位:℃;
Figure PCTCN2018074412-appb-000116
表示第k段回水管道t时刻出口热量,单位:kW;
Figure PCTCN2018074412-appb-000117
表示第k段回水水管道t时刻出口温度,单位:℃;
步骤1014)建立温度融合方程:如图2所示热网管道结构图,根据热力学第一定律,流入某一节点的热量与流出该节点的热量相等。设以节点i为终点的各管道流量在节点i处融合后形成一个稳定的温度场,则以节点i为起点的管道入口温度均相等且等于节点温度,如式(8)至式(11)所示:
Figure PCTCN2018074412-appb-000118
Figure PCTCN2018074412-appb-000119
Figure PCTCN2018074412-appb-000120
Figure PCTCN2018074412-appb-000121
式中:T ns,i,t表示供水管道节点i在t时刻的温度,单位:℃;T nr,i,t表示回水管道节点i在t时刻的温度,单位:℃;
步骤1015)建立热网传输延时方程:
如图3所示热网传输延时示意图,计算管道热水流速,管道热水流速正比于管道流量,如式(12)和式(13)所示:
Figure PCTCN2018074412-appb-000122
Figure PCTCN2018074412-appb-000123
式中:v ps,k,t表示第k段供水管道内的热水在t时刻的流速,单位:m/s;ρ表示热水密度;本实施例中,ρ=960kg/m 3;d k表示第k段管道内径,单位:m;v pr,k,t表示第k段回水管道内的热水在t时刻的流速,单位:m/s;
水流过快会导致管道水力工况不稳定,水流过慢会影响供热效果。建立热水流速约束条件满足式(14)和式(15):
Figure PCTCN2018074412-appb-000124
Figure PCTCN2018074412-appb-000125
式中:
Figure PCTCN2018074412-appb-000126
表示第k段供水管道在t时刻热水流速下限,单位:m/s;v ps,k,t表示第k段 供水管道在t时刻热水流速,单位:m/s;
Figure PCTCN2018074412-appb-000127
表示第k段供水管道在t时刻热水流速上限,单位:m/s;
Figure PCTCN2018074412-appb-000128
表示第k段回水管道在t时刻热水流速下限,单位:m/s;v pr,k,t表示第k段回水管道在t时刻热水流速,单位:m/s;
Figure PCTCN2018074412-appb-000129
表示第k段回水管道在t时刻热水流速上限,单位:m/s;
计算管道热水传输时间,如式(16)和式(17)所示:
Figure PCTCN2018074412-appb-000130
Figure PCTCN2018074412-appb-000131
式中:τ ps,k,t表示第k段供水管道在t时刻的传输时间,单位:h;l j表示第j段管道的长度,单位,m;v ps,j,t表示第j段回水管道在t时刻的热水流速,单位:m/s;S ps,k表示热水从热源与第k段供水管道之间的管道集合;τ pr,k,t表示第k段回水管道在t时刻的传输时间,单位:h;S pr,k表示热水从热源流与第k段回水管道之间的管道集合;v pr,j,t表示第j段回水管道在t时刻的热水流速,单位:m/s;
由于式(16)和式(17)计算的为实际传输时间,而在调度优化模型中以整数时间段为单位执行调度指令,故对式(16)和式(17)计算的实际传输时间做取整处理,如式(18)和式(19)所示:
Figure PCTCN2018074412-appb-000132
Figure PCTCN2018074412-appb-000133
式中:
Figure PCTCN2018074412-appb-000134
表示第k段供水管道在t时刻的传输时间段,单位:h;
Figure PCTCN2018074412-appb-000135
表示第k段回水管道在t时刻的传输时间段,单位:h;△t表示调度时间尺度,单位:h;作为优选,Δt=0.5h。
如图4所示热网传输延时示意图,考虑热网传输延时及传输热损后,管道入口及出口温度满足如式(20)和式(21)所示约束:
Figure PCTCN2018074412-appb-000136
Figure PCTCN2018074412-appb-000137
式中:
Figure PCTCN2018074412-appb-000138
表示供水管道k 1在t时刻入口处热量,单位:kW;
Figure PCTCN2018074412-appb-000139
表示供水管道k2在
Figure PCTCN2018074412-appb-000140
时刻出口处热量,单位:kW;μ hn表示热网热损率;
Figure PCTCN2018074412-appb-000141
表示热源与供水管道k 2之间的管道集合;S ps,hs表示与热源相连的供水管道集合;
Figure PCTCN2018074412-appb-000142
表示回水管道k 1在t时刻入口处热量,单位:kW;
Figure PCTCN2018074412-appb-000143
表示回水管道k 2
Figure PCTCN2018074412-appb-000144
时刻出口处热量,单位:kW;
Figure PCTCN2018074412-appb-000145
表示热源与回水管道k 2之间的管道集合;S pr,m表示与第m个换热器相连的回水管道集合;
Figure PCTCN2018074412-appb-000146
表示t时刻从热源流出的热水至第k 2段供水管道的延时时间段;
Figure PCTCN2018074412-appb-000147
表示t时刻从第k 2段回水管道流至热源的延时时间段;l j表示第j条管道的长度,单位:m;
步骤102)建立换热器模型:
热网中,CHP产生的热量通过一级换热器耦合热源进入一级供热网,模型如式(22)所示:
Figure PCTCN2018074412-appb-000148
保证一级换热器内的供回水管道流量平衡,如式(23)所示:
Figure PCTCN2018074412-appb-000149
式中:
Figure PCTCN2018074412-appb-000150
表示供水管道k 1在t时刻入口处热量,单位:kW;
Figure PCTCN2018074412-appb-000151
表示回水管道k 2在t时刻出口处热量,单位:kW;Q gt,t表示燃气轮机在t时刻的热出力,单位:kW;Q gb,t表示燃气锅炉在t时刻的热出力,单位:kW;η ex,1表示一级热交换器的换热效率;
Figure PCTCN2018074412-appb-000152
表示第k 1段供水管道在t时刻的热水流量,单位:kg/h;
Figure PCTCN2018074412-appb-000153
表示第k 2段回水管道在t时刻的热水流量,单位:kg/h;S pr,hs表示与热源相连的回水管道集合;
二级换热器耦合一级供热网与二级供热网,模型如式(24)所示:
Figure PCTCN2018074412-appb-000154
为保证二级换热器内的供回水管道流量平衡,如式(25)所示:
Figure PCTCN2018074412-appb-000155
式中:
Figure PCTCN2018074412-appb-000156
表示供水管道k 1在t时刻出口处热量,单位:kW;
Figure PCTCN2018074412-appb-000157
表示回水管道k 2在t时刻出口处热量,单位:kW;Q ra,n,t表示第n个用户散热器在t时刻的散热功率,单位:kW;η ex,2表示二级换热器的换热效率;S ps,m表示与第m个二级换热器相连的供水管道集合;S pr,m表示与第m个二级换热器相连的回水管道集合。
在上述实施例中,所述的步骤10)中,建立房屋模型的过程为:
步骤111)建立房屋温度变化模型,
考虑到居民供暖是热负荷的主要组成部分且具有巨大的可调节潜能,故本实施例中的热负荷即为居民供暖热负荷。如图4所示房屋模型示意图,通过调节二级换热器的开关,实现小片区居民的热负荷的调节。假定第m个二级换热器下有N m个用户,其中第n个用户的室内温度的变化可表述为式(26),且为保证居民供暖舒适度,要求温度满足式(27)。
如式(26)和式(27)所示:
Figure PCTCN2018074412-appb-000158
Figure PCTCN2018074412-appb-000159
式中:
Figure PCTCN2018074412-appb-000160
表示第n个建筑物t+1时刻的室内温度,单位:℃;
Figure PCTCN2018074412-appb-000161
表示第n个建筑物t时刻室外温度,单位:℃;η air表示空气导热率,单位:kW/℃;T c表示调度周期;作为优选,T c=24h。
Figure PCTCN2018074412-appb-000162
表示第n个建筑物t时刻的室内温度,单位:℃;U she,m,t表示第m个二级换热器在t时刻的开关状态,即U she,m,t=1表示第m个二级换热器在t时刻打开,U she,m,t=0表示第m个二级换热器在t时刻关闭;
Figure PCTCN2018074412-appb-000163
表示t时刻房屋温度下限,单位:℃;
Figure PCTCN2018074412-appb-000164
表示t时刻房屋温度上限,单位:℃;
步骤112)计算供热指标:式(28)为居民供暖设计热负荷的面积热指标算法;为保证居民供热质量,要求在调节居民热负荷的同时保证供热总量等于设计热负荷总量,如式(29)所示:
如式(28)和式(29)所示:
Figure PCTCN2018074412-appb-000165
Figure PCTCN2018074412-appb-000166
式中:
Figure PCTCN2018074412-appb-000167
表示第n个建筑物t时刻的设计热负荷,单位:kW;
Figure PCTCN2018074412-appb-000168
表示第n个建筑物的面积热指标,单位:W/m 2;A n表示第n个建筑物面积,单位,m 2
在上述实施例中,所述的步骤20)包括以下过程:
如图5所示优化模型结构示意图,其中区域能源供应商(district energy supply agent)建立优化模型,求解机组日前调度计划以及供电计划以达到最优经济性。由于上述热网模型中,传输延时变量是一个与时间相关的变量,而又需要与时间变量叠加,无法由一般商业优化软件求解,且考虑到在实际热网运行中,一般采用质调节模式,即保证流量固定而调节热水温度,且该固定流量一般为设计流量。因此,当管道设计流量确定了,则每段管道的传输延时也确定了,可以作为参数输入模型,该模型即可由一般商业软件求解。其中,管道设计流量可通过查询采暖通风空调设计规范(GB50019-2003)得知。
步骤201)建立目标函数,优化模型以经济性为目标,包括购电费用、运行维护费用、购燃气费用以及弃风惩罚费用,如式(30)所示:
Figure PCTCN2018074412-appb-000169
式中:C total表示日运行总费用,单位:¥;C e表示日运行购电费用,单位:¥;C g表示日运行购买燃气费用,单位:¥;C om表示日运行维护费用,单位:¥;C wt表示日运行弃风惩罚,单位:¥;P gd,t表示t时刻从电网购电量,单位:kW;K gd,e,t表示t时刻从电网购电电费,单位:¥/kWh;P wt,t表示t时刻从风电场购电量,单位:kW;K wt,e,t表示t时刻从风电场购电电费,单位:¥/kWh;η gb,h表示燃气锅炉发热效率;P gt,t表示表示燃气轮机在t时刻的出力,单位:kW;η gt,e表示燃气轮机发电效率; K g表示燃气单价,单位:¥/m 3;H ng为燃气热值,单位:kWh/m 3;K gt,om表示燃气轮机运行维护费用,单位:¥/kWh;K gb,om表示燃气锅炉运行维护费用,单位:¥/kWh;δ表示风电惩罚成本,单位:¥/kWh;
Figure PCTCN2018074412-appb-000170
表示t时刻风电预测出力,单位:kW;
步骤202)建立约束条件,包括步骤2021)至步骤2024):
步骤2021)建立电功率平衡约束,如式(31)所示:
Figure PCTCN2018074412-appb-000171
式中:S she表示二级换热器集合;S ra,m表示与第m个二级换热器相连的用户散热器集合;P n,t表示第n个建筑物的电负荷,单位:kW;
步骤2022)建立燃气轮机运行约束,如式(32)至式(34)所示:
Q gt,t=P gt,t(1-η gt,egt,losshr,hgt,e式(32)
Figure PCTCN2018074412-appb-000172
Figure PCTCN2018074412-appb-000173
式中:η gt,loss表示燃气轮机损失率;η hr,h表示热回收器回收效率;
Figure PCTCN2018074412-appb-000174
表示燃气轮机t时刻运行功率上限,单位:kW;
Figure PCTCN2018074412-appb-000175
表示燃气轮机t时刻运行功率下限,单位:kW;
Figure PCTCN2018074412-appb-000176
表示燃气轮机下坡上限约束,单位:kW;
Figure PCTCN2018074412-appb-000177
表示燃气轮机爬坡上限约束,单位:kW;P gt,t-1表示燃气轮机在t-1时刻的出力,单位:kW;
步骤2023)建立最小启停时间约束:为防止频繁的启停对燃气轮机以及二级换热器造成的机械劳损,需要限制建立燃气轮机的最小运行和停止时间,以及限制二级换热器的最小运行和停止时间,具体包括式(35)所示的燃气轮机的最小运行时间约束,式(36)所示的燃气轮机的停止时间约束,式(37)所示的二级换热器的最小运行时间约束,式(38)所示的二级换热器的停止时间约束:
Figure PCTCN2018074412-appb-000178
Figure PCTCN2018074412-appb-000179
Figure PCTCN2018074412-appb-000180
Figure PCTCN2018074412-appb-000181
式中:
Figure PCTCN2018074412-appb-000182
表示截止t时刻燃气轮机连续启动时间,单位:h;
Figure PCTCN2018074412-appb-000183
表示截止t-1时刻燃气轮机连续启动时间,单位:h;U gt,t表示t时刻燃气轮机的运行状态,U gt,t=1表示t时刻燃气轮机正在运行,U gt,t=0表示t时刻燃气轮机停机;
Figure PCTCN2018074412-appb-000184
表示截止t时刻燃气轮机连续停机时间,单位:h;
Figure PCTCN2018074412-appb-000185
表示截止t-1时刻燃气轮机连续停机时间,单位:h;
Figure PCTCN2018074412-appb-000186
表示燃气轮机连续启动时间下限,单位:h;
Figure PCTCN2018074412-appb-000187
表示燃气轮机连续停机时间下限,单位:h;
Figure PCTCN2018074412-appb-000188
表示截止t时刻二级换热器连续启动时间,单位:h;
Figure PCTCN2018074412-appb-000189
表示截止t-1时刻二级换热器连续启动时间,单位:h;U she,m,t表示第m个二级换热器t时刻的开关状态,U she,m,t=1表示第m个二级换热器t时刻开启,U she,m,t=0表示第m个二级换热器t时刻关闭;
Figure PCTCN2018074412-appb-000190
表示截止t时刻二级换热器连续停止时间,单位:h;
Figure PCTCN2018074412-appb-000191
表示截止t-1时刻二级换热器连续停止时间,单位:h;
Figure PCTCN2018074412-appb-000192
表示二级换热器连续启动时间下限,单位:h;
Figure PCTCN2018074412-appb-000193
表示二级换热器连续停止时间下限,单位:h;
步骤2024)建立联络线功率约束,如式(39)所示:
Figure PCTCN2018074412-appb-000194
式中:
Figure PCTCN2018074412-appb-000195
表示从电网购电下限,单位:kW;
Figure PCTCN2018074412-appb-000196
表示从电网购电上限,单位:kW。
在上述实施例中,所述的步骤30)中,将热网参数代入式(12)和式(13),求得各管段流速;将热网参数与所求流速代入式(16)和式(17),求得各管段具体延时;将具体延时代入式(18)和式(19)得到个管段延时时间段;最后将各管道延时时间段、热网参数以及系统参数代入综合能源系统优化模型求解,得最优调度计划;按照此最优调度计划控制燃气轮机、燃气锅炉出力,并向电网及风电场购电。
该实施例中,运行优化模型的目标函数与约束均为线性,故本发明实施例中建立的综合能源系统优化运行模型为一个典型的混合整数线性规划模型。该实施例中,需 要优化的变量包括机组日前出力计划,购电计划,热网运行管道温度以及二级换热器的控制状态。
该实施例首先建立了包含节点流量平衡、节点温度融合、传输延时、传输热损等约束的热网模型,其次将房屋作为蓄热单位且结合热网模型,建立了综合能源系统运行优化模型。本发明实施例将热网与用户纳入调度,利用热电耦合,从热力系统的角度促进风电消纳,不仅能够大幅改善风电消纳,又能有效降低系统运行成本。结合建筑物蓄热特性是通过改变热负荷分布,从而改变联供机组出力分布以实现更多的夜间风电消纳;而在运行优化模型中考虑热网延时则是通过错开联供机组出力与用户热负荷,在时间尺度上形成供应超前延时,从而提高风电消纳与系统运行经济性。
下面例举一实施例。
以吉林省某一实际供热区域为例,该区域一级热网管道布置如图6所示,共有50条管道,24个节点以及26个二级换热器。该区域除区域综合能源供应商(文中简称:DESA)外还有一独立热源为供热高峰时的备用,V1/V2为调峰截止阀。吉林省风电总装机容量为5000MW,由许多个区域消纳,为便于研究单个区域的风电消纳能力,本案例研究设置一5MW虚拟风机通过10kV配网接入。该地区燃气价格为2.3元/m3,电价为5.25元/kWh,风电惩罚费用为0.2元/kWh。为便于比较分析:设置案例1为基本案例,该基础案例既不考虑热网延时,也不考虑房屋蓄热特性;案例2仅考虑房屋蓄热特性;案例3为本发明实施例所提模型。案例运行结果如表1所示。
表1
Figure PCTCN2018074412-appb-000197
1)经济性分析
由表1可知,案例2的日运行费用相对于案例1节省了¥3900,节省率2.5%。其中,案例2由于考虑了房屋蓄热,即引入了蓄热装置,通过重新调节热负荷分布,消纳更多的风电,增加了购电费用,但同时降低了弃风惩罚费用。此外,由于引入了蓄热装置,在电负荷大的白天时段提高出力,将热能存储于房屋中,而在电负荷低的夜间时段降低出力,释放房屋存储的热能,从而优化机组出力,降低燃气与运维费用, 提升经济性。案例3日运行费用相对于案例2节省了¥10700,节省率7.0%,相对于案例1节省了¥14600元,节省率9.3%。由此可知,考虑热网传输延时可为风电消纳提供更大空间。
2)风电消纳分析
案例1风电消纳量为30.51MWh,消纳率为51.6%;案例2风电消纳量为51.04MWh,相对于案例1提升了风电消纳率35.3%;案例3风电消纳量为56.93MWh,消纳率为96.2%,相对于案例1提升了风电消纳率44.6%,相对于案例2提升了风电消纳率9.3%。在白天时段(07:00-21:00),此时电负荷较大而热负荷较低,风机出力较低,此时段风电在3个案例中均能消纳。在夜间(21:00-24:00)与凌晨(00:00-07:00),此时电负荷低,风机出力大,故在案例1中此时段发生严重弃风;而案例2由于考虑房屋蓄热特性以及热网延时,故此时段风电消纳得到大幅提升。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应该指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

  1. 一种基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
    步骤10)分别建立考虑传输延时的热网模型以及考虑蓄热特性的建筑物模型;
    步骤20)结合冷热电联供系统模型、热网模型及建筑物模型,建立综合能源系统优化模型;
    步骤30)运用综合能源系统优化模型求解得到最优调度计划,并按照该最优调度计划,控制燃气轮机和燃气锅炉每小时的出力,并向电网与风电场购电。
  2. 按照权利要求1所述的基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法,其特征在于,所述的步骤10)中,建立热网模型的过程为:
    步骤101)建立热网管道模型,具体包括步骤1011)—步骤1015):
    步骤1011)建立节点流量平衡方程,如式(1)和式(2)所示:
    Figure PCTCN2018074412-appb-100001
    Figure PCTCN2018074412-appb-100002
    式中:q ps,k,t表示第k段供水管道在t时刻的流量,单位:kg/h;q pr,k,t表示第k段回水管道在t时刻的流量,单位:kg/h;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100003
    表示以节点i为终点的供水管道集合;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100004
    表示以节点i为终点的回水管道集合,
    Figure PCTCN2018074412-appb-100005
    表示以节点i为起点的供水管道集合,
    Figure PCTCN2018074412-appb-100006
    表示以节点i为起点的供水管道集合,S ns表示供水管道节点集合,S nr表示回水管道节点集合,S t表示调度时间段集合。
    步骤1012)建立管道压损方程,如式(3)至式(5)所示:
    Figure PCTCN2018074412-appb-100007
    Figure PCTCN2018074412-appb-100008
    Figure PCTCN2018074412-appb-100009
    式中:Δp ps,k,t表示第k段供水管道在t时刻的压力损失,单位:m;μ p表示压损因子,S ps表示供水管道集合,Δp pr,k,t表示第k段回水管道在t时刻的压力损失,单位:m;S pr表示回水管道集合,Δp pu,i,t表示第i个水泵在t时刻提供的压力,S pu表示管道中水泵集 合;
    步骤1013)建立温度-流量-热量方程,如式(6)和式(7)所示:
    Figure PCTCN2018074412-appb-100010
    Figure PCTCN2018074412-appb-100011
    式中:
    Figure PCTCN2018074412-appb-100012
    表示第k段供水管道t时刻入口热量,单位:kW;C表示水的比热容;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100013
    表示第k段供水管道t时刻入口温度,单位:℃;λ表示单位换算因子;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100014
    表示第k段供水管道t时刻出口热量,单位:kW;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100015
    表示第k段供水管道t时刻出口温度,单位:℃;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100016
    表示第k段回水管道t时刻入口热量,单位:kW;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100017
    表示第k段回水水管道t时刻入口温度,单位:℃;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100018
    表示第k段回水管道t时刻出口热量,单位:kW;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100019
    表示第k段回水水管道t时刻出口温度,单位:℃;
    步骤1014)建立温度融合方程:根据热力学第一定律,设以节点i为终点的各管道流量在节点i处融合后形成一个稳定的温度场,则以节点i为起点的管道入口温度均相等且等于节点温度,如式(8)至式(11)所示:
    Figure PCTCN2018074412-appb-100020
    Figure PCTCN2018074412-appb-100021
    Figure PCTCN2018074412-appb-100022
    Figure PCTCN2018074412-appb-100023
    式中:T ns,i,t表示供水管道节点i在t时刻的温度,单位:℃;T nr,i,t表示回水管道节点i在t时刻的温度,单位:℃;
    步骤1015)建立热网传输延时方程:
    计算管道热水流速,如式(12)和式(13)所示:
    Figure PCTCN2018074412-appb-100024
    Figure PCTCN2018074412-appb-100025
    式中:v ps,k,t表示第k段供水管道内的热水在t时刻的流速,单位:m/s;ρ表示热水密度;d k表示第k段管道内径,单位:m;v pr,k,t表示第k段回水管道内的热水在t时刻的流速,单位:m/s;
    热水流速约束条件满足式(14)和式(15):
    Figure PCTCN2018074412-appb-100026
    Figure PCTCN2018074412-appb-100027
    式中:
    Figure PCTCN2018074412-appb-100028
    表示第k段供水管道在t时刻热水流速下限,单位:m/s;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100029
    表示第k段供水管道在t时刻热水流速,单位:m/s;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100030
    表示第k段供水管道在t时刻热水流速上限,单位:m/s;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100031
    表示第k段回水管道在t时刻热水流速下限,单位:m/s;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100032
    表示第k段回水管道在t时刻热水流速,单位:m/s;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100033
    表示第k段回水管道在t时刻热水流速上限,单位:m/s;
    计算管道热水传输时间,如式(16)和式(17)所示:
    Figure PCTCN2018074412-appb-100034
    Figure PCTCN2018074412-appb-100035
    式中:
    Figure PCTCN2018074412-appb-100036
    表示第k段供水管道在t时刻的传输时间,单位:h;l j表示第j段管道的长度,单位,m;v ps,j,t表示第j段供水管道t时刻的热水流速,单位:m/s;S ps,k表示热水从热源与第k段供水管道之间的管道集合;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100037
    表示第k段回水管道在t时刻的传输时间,单位:h;S pr,k表示热水从热源流与第k段回水管道之间的管道集合;v pr,j,t表示第j段回水管道在t时刻的热水流速,单位:m/s;
    对式(16)和式(17)计算的实际传输时间做取整处理,如式(18)和式(19)所示:
    Figure PCTCN2018074412-appb-100038
    Figure PCTCN2018074412-appb-100039
    式中:
    Figure PCTCN2018074412-appb-100040
    表示第k段供水管道在t时刻的传输时间段,单位:h;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100041
    表示第k段回 水管道在t时刻的传输时间段,单位:h;△t表示调度时间尺度,单位:h;
    考虑热网传输延时及传输热损后,管道入口及出口温度满足如式(20)和式(21)所示约束:
    Figure PCTCN2018074412-appb-100042
    Figure PCTCN2018074412-appb-100043
    式中:
    Figure PCTCN2018074412-appb-100044
    表示供水管道k 1在t时刻入口处热量,单位:kW;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100045
    表示供水管道k2在
    Figure PCTCN2018074412-appb-100046
    时刻出口处热量,单位:kW;μ hn表示热网热损率;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100047
    表示热源与供水管道k 2之间的管道集合;S ps,hs表示与热源相连的供水管道集合;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100048
    表示回水管道k 1在t时刻入口处热量,单位:kW;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100049
    表示回水管道k 2
    Figure PCTCN2018074412-appb-100050
    时刻出口处热量,单位:kW;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100051
    表示热源与回水管道k 2之间的管道集合;S pr,m表示与第m个换热器相连的回水管道集合;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100052
    表示t时刻从热源流出的热水至第k 2段供水管道的延时时间段;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100053
    表示t时刻从第k 2段回水管道流至热源的延时时间段;l j表示第j条管道的长度,单位:m;
    步骤102)建立换热器模型:
    热网中,一级换热器耦合热源与一级供热网,模型如式(22)和式(23)所示:
    Figure PCTCN2018074412-appb-100054
    Figure PCTCN2018074412-appb-100055
    式中:
    Figure PCTCN2018074412-appb-100056
    表示供水管道k 1在t时刻入口处热量,单位:kW;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100057
    表示回水管道k 2在t时刻出口处热量,单位:kW;Q gt,t表示燃气轮机在t时刻的热出力,单位:kW;Q gb,t表示燃气锅炉在t时刻的热出力,单位:kW;η ex,1表示一级热交换器的换热效率;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100058
    表示第k 1段供水管道在t时刻的热水流量,单位:kg/h;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100059
    表示第k 2段回水管道在t时刻的热水流量,单位:kg/h;S pr,hs表示与热源相连的回水管道集合;
    二级换热器耦合一级供热网与二级供热网,模型如式(24)和式(25)所示:
    Figure PCTCN2018074412-appb-100060
    Figure PCTCN2018074412-appb-100061
    式中:
    Figure PCTCN2018074412-appb-100062
    表示供水管道k 1在t时刻出口处热量,单位:kW;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100063
    表示回水管道k 2在t时刻出口处热量,单位:kW;Q ra,n,t表示第n个用户散热器在t时刻的散热功率,单位:kW;η ex,2表示二级换热器的换热效率;S ps,m表示与第m个二级换热器相连的供水管道集合;S pr,m表示与第m个二级换热器相连的回水管道集合。
  3. 按照权利要求2所述的基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法,其特征在于,所述的△t=0.5h,λ=3600,C=4.168kJ/(kg·℃);ρ=960kg/m 3
  4. 按照权利要求1所述的基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法,其特征在于,所述的步骤10)中,建立房屋模型的过程为:
    步骤111)建立房屋温度变化模型,如式(26)和式(27)所示:
    Figure PCTCN2018074412-appb-100064
    Figure PCTCN2018074412-appb-100065
    式中:
    Figure PCTCN2018074412-appb-100066
    表示第n个建筑物t+1时刻的室内温度,单位:℃;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100067
    表示第n个建筑物t时刻室外温度,单位:℃;η air表示空气导热率,单位:kW/℃;T c表示调度周期;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100068
    表示第n个建筑物t时刻的室内温度,单位:℃;U she,m,t表示第m个二级换热器在t时刻的开关状态,即U she,m,t=1表示第m个二级换热器在t时刻打开,U she,m,t=0表示第m个二级换热器在t时刻关闭;T t min表示t时刻房屋温度下限,单位:℃;T t max表示t时刻房屋温度上限,单位:℃;
    步骤112)计算供热指标,如式(28)和式(29)所示:
    Figure PCTCN2018074412-appb-100069
    Figure PCTCN2018074412-appb-100070
    式中:
    Figure PCTCN2018074412-appb-100071
    表示第n个建筑物t时刻的设计热负荷,单位:kW;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100072
    表示第n个建筑 物的面积热指标,单位:W/m 2;A n表示第n个建筑物面积,单位,m 2
  5. 按照权利要求1所述的基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法,其特征在于,所述的步骤20)包括以下过程:
    步骤201)建立目标函数,如式(30)所示:
    Figure PCTCN2018074412-appb-100073
    式中:C total表示日运行总费用,单位:¥;C e表示日运行购电费用,单位:¥;C g表示日运行购买燃气费用,单位:¥;C om表示日运行维护费用,单位:¥;C wt表示日运行弃风惩罚,单位:¥;P gd,t表示t时刻从电网购电量,单位:kW;K gd,e,t表示t时刻从电网购电电费,单位:¥/kWh;P wt,t表示t时刻从风电场购电量,单位:kW;K wt,e,t表示t时刻从风电场购电电费,单位:¥/kWh;η gb,h表示燃气锅炉发热效率;P gt,t表示表示燃气轮机在t时刻的出力,单位:kW;η gt,e表示燃气轮机发电效率;K g表示燃气单价,单位:¥/m 3;H ng为燃气热值,单位:kWh/m 3;K gt,om表示燃气轮机运行维护费用,单位:¥/kWh;K gb,om表示燃气锅炉运行维护费用,单位:¥/kWh;δ表示风电惩罚成本,单位:¥/kWh;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100074
    表示t时刻风电预测出力,单位:kW;
    步骤202)建立约束条件,包括步骤2021)至步骤2024):
    步骤2021)建立电功率平衡约束,如式(31)所示:
    Figure PCTCN2018074412-appb-100075
    式中:S she表示二级换热器集合;S ra,m表示与第m个二级换热器相连的用户散热器集合;P n,t表示第n个建筑物的电负荷,单位:kW;
    步骤2022)建立燃气轮机运行约束,如式(32)至式(34)所示:
    Q gt,t=P gt,t(1-η gt,egt,losshr,hgt,e式(32)
    Figure PCTCN2018074412-appb-100076
    Figure PCTCN2018074412-appb-100077
    式中:η gt,loss表示燃气轮机损失率;η hr,h表示热回收器回收效率;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100078
    表示燃气轮机t时刻运行功率上限,单位:kW;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100079
    表示燃气轮机t时刻运行功率下限,单位:kW;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100080
    表示燃气轮机下坡上限约束,单位:kW;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100081
    表示燃气轮机爬坡上限约束,单位:kW;P gt,t-1表示燃气轮机在t-1时刻的出力,单位:kW;
    步骤2023)建立最小启停时间约束:包括式(35)所示的燃气轮机的最小运行时间约束,式(36)所示的燃气轮机的停止时间约束,式(37)所示的二级换热器的最小运行时间约束,式(38)所示的二级换热器的停止时间约束:
    Figure PCTCN2018074412-appb-100082
    Figure PCTCN2018074412-appb-100083
    Figure PCTCN2018074412-appb-100084
    Figure PCTCN2018074412-appb-100085
    式中:
    Figure PCTCN2018074412-appb-100086
    表示截止t时刻燃气轮机连续启动时间,单位:h;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100087
    表示截止t-1时刻燃气轮机连续启动时间,单位:h;U gt,t表示t时刻燃气轮机的运行状态,U gt,t=1表示t时刻燃气轮机正在运行,U gt,t=0表示t时刻燃气轮机停机;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100088
    表示截止t时刻燃气轮机连续停机时间,单位:h;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100089
    表示截止t-1时刻燃气轮机连续停机时间,单位:h;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100090
    表示燃气轮机连续启动时间下限,单位:h;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100091
    表示燃气轮机连续停机时间下限,单位:h;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100092
    表示截止t时刻二级换热器连续启动时间,单位:h;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100093
    表示截止t-1时刻二级换热器连续启动时间,单位:h;U she,m,t表示第m个二级换热器t时 刻的开关状态,U she,m,t=1表示第m个二级换热器t时刻开启,U she,m,t=0表示第m个二级换热器t时刻关闭;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100094
    表示截止t时刻二级换热器连续停止时间,单位:h;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100095
    表示截止t-1时刻二级换热器连续停止时间,单位:h;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100096
    表示二级换热器连续启动时间下限,单位:h;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100097
    表示二级换热器连续停止时间下限,单位:h;
    步骤2024)建立联络线功率约束,如式(39)所示:
    Figure PCTCN2018074412-appb-100098
    式中:
    Figure PCTCN2018074412-appb-100099
    表示从电网购电下限,单位:kW;
    Figure PCTCN2018074412-appb-100100
    表示从电网购电上限,单位:kW。
  6. 按照权利要求1所述的基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法,其特征在于,所述的步骤30)中,将热网参数代入式(12)和式(13),求得各管段流速;将热网参数与所求流速代入式(16)和式(17),求得各管段具体延时;将具体延时代入式(18)和式(19)得到个管段延时时间段;最后将各管道延时时间段、热网参数以及系统参数代入综合能源系统优化模型求解,得最优调度计划;按照此最优调度计划控制燃气轮机、燃气锅炉出力,并向电网及风电场购电。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106845701B (zh) * 2017-01-11 2019-11-08 东南大学 一种基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法
CN107909509A (zh) * 2017-10-25 2018-04-13 广东电网有限责任公司电力调度控制中心 一种用于信息协同交互的电力与天然气联合调度方法
CN109726876A (zh) * 2017-10-27 2019-05-07 中国石油化工集团公司 供暖热负荷评价方法及系统
CN107844861B (zh) * 2017-11-07 2020-12-01 国网浙江省电力公司经济技术研究院 面向开放售电市场的用户侧综合能源供给最优策略及系统
CN108280302A (zh) * 2018-01-26 2018-07-13 清华大学 一种热网热流计算方法
CN111219767A (zh) * 2019-11-29 2020-06-02 长沙理工大学 一种考虑热负荷需求响应的电—气—热综合能源系统调控方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103400042A (zh) * 2013-08-07 2013-11-20 东南大学 一种冷热电联供型微电网优化配置方法
CN105807633A (zh) * 2016-05-10 2016-07-27 大连理工大学 基于集中供热管网和建筑物储能消纳风电的热电联合系统调度方法
EP3082010A1 (en) * 2015-04-17 2016-10-19 Fourdeg Oy A system for dynamically balancing a heat load and a method thereof
CN106845701A (zh) * 2017-01-11 2017-06-13 东南大学 一种基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9244444B2 (en) * 2011-03-07 2016-01-26 Callida Energy Llc Systems and methods for optimizing energy and resource management for building systems
US9098876B2 (en) * 2013-05-06 2015-08-04 Viridity Energy, Inc. Facilitating revenue generation from wholesale electricity markets based on a self-tuning energy asset model
US20170314800A1 (en) * 2014-11-12 2017-11-02 Carrier Corporation Automated functional tests for diagnostics and control

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103400042A (zh) * 2013-08-07 2013-11-20 东南大学 一种冷热电联供型微电网优化配置方法
EP3082010A1 (en) * 2015-04-17 2016-10-19 Fourdeg Oy A system for dynamically balancing a heat load and a method thereof
CN105807633A (zh) * 2016-05-10 2016-07-27 大连理工大学 基于集中供热管网和建筑物储能消纳风电的热电联合系统调度方法
CN106845701A (zh) * 2017-01-11 2017-06-13 东南大学 一种基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法

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