WO2023134254A1

WO2023134254A1 - 一种能源互联系统的设备选型方法

Info

Publication number: WO2023134254A1
Application number: PCT/CN2022/127022
Authority: WO
Inventors: 罗恩博; 陆海; 杨天国; 张�浩; 唐立军; 王达达
Original assignee: 云南电网有限责任公司电力科学研究院
Priority date: 2022-01-11
Filing date: 2022-10-24
Publication date: 2023-07-20
Also published as: CN114362168B; CN114362168A

Abstract

一种能源互联系统的设备选型方法，通过上层规划模型考虑设备的投资成本以及设备的运行约束，通过下层规划模型考虑综合能源系统规划设备的运行收益及综合能源系统的供能可靠性影响和碳排放。通过上层与下层规划模型的联动，输出综合能源系统的整体规划方案。在规划过程中考虑二氧化碳减排效应，能够更好地实现低碳目标。规划过程中考虑了可靠性成本，通过断供的负荷量以及单位断供负荷惩罚因子来计算可靠性成本，设置可靠性成本之后，规划得到的综合能源系统供能方案具备更好的供能可靠性。

Description

一种能源互联系统的设备选型方法

技术领域

本申请涉及能源互联系统技术领域，尤其涉及一种能源互联系统的设备选型方法。

背景技术

地球上处处都需要能源，能源以各种形式为我们的生活提供便利，例如：天然气、热能、电能等,它们都是人类社会不可缺少的。在日常生活中，通过能源供应系统供应生活中所需要的各种形式的能源。

传统的能源供应系统侧重于电力的供应，随着经济的发展与人民生活水平的提高，除了对电力的需求外，负荷侧还涉及冷、热、气等多种非电能源的需求。在传统供能系统中，配用电系统、天然气系统、冷/热供应系统是各自独立规划和运行的，极易造成重复投资和资源浪费，因此采用综合能源系统规划。然而，在综合能源系统规划技术层面存在对能源供应的可靠性缺乏有效关注的问题，导致能源供应系统的投资成本、运行经济性以及供能可靠性等方面缺乏有力的保障。

申请内容

本申请提供了一种能源互联系统的设备选型方法，以解决能源供应系统的投资成本、运行经济性以及供能可靠性缺乏保障的问题。

本申请提供一种能源互联系统的设备选型方法，应用于综合能源系统，所述综合能源系统包括待规划设备；根据所述综合能源系统的多能负荷平衡和设备选型建立上层约束条件；将所述综合能源系统中满足所述上层约束条件的所述待规划设备放入第一集合；在所述第一集合中以设备投资总成本最低为目标建立上层规划模型；将所述第一集合中满足所述上层规划模型的待规划设备放入第一目标集合；根据所述综合能源系统中各个设备运行的约束关系建立下层约束条件；将所述综合能源系统中满足所述下层约束条件的的待规划设备放入第二集合；在所述第二集合中根据所述设备运行的销售收益、储能收益、新能源发电补贴收益、碳排放成本以及可靠性成本，以总收益最大化为目标建立下层规划模型；将所述第二集合中满足所述下层规划模型的待规划设备放入第二目标集合；输出所述第一目标集合和第二目标集合中相同的待规划设备的型号。

其中，规划设备的多能供应需保持供大于求；因此，所述综合能源系统的多能负荷需求满足下式：

式中,

为第i类设备的备选容量选型集合；

为集合

中选型的编号；L _s,h是在运行场景s中，时刻h的区域综合能源系统的多能负荷需求；C ^i,j是第i种设备的第j种容量选型的多能能量输入；

是第i种设备的第j种容量选型的转化矩阵；

为i种设备的第j种容量选型的最大多能输入，属于已知参数；x ^i,j为设备选型0-1变量。

其中，建立上层规划模型包括：从所述待规划设备中获取各个设备投资成本；计算设备投资总成本，所述投资总成本为所述各个设备投资成本之和；建立所述设备投资总成本最低的目标函数；所述设备投资总成本最低的目标函数为：

式中，I _i为所述综合能源系统中各个设备的投资成本。上层规划模型的目标函数为使得设备总成本最低。

可选的，所述获取各个设备的投资成本包括：以投资成本的函数计算所述各个设备的投资成本，所述投资成本的函数为：

式中，dr是设备折现率，T是设备使用年限；dr与T和设备种类有关，不同设备的k值有对应下标；ψ _s表示可投资的设备集合，

表示选型第α的第i台设备的造价，

表示选型为α的第i台设备的规划变量：值为0表示系统中不会投资所述设备；值为1表示投资所述设备。

可选的，建立下层约束条件包括：建立综合能源系统的功率平衡关系，即系统各个节点的流入功率等于流出功率。所述功率平衡关系为：

式中，k为网络节点序号；NK为多能系统包含的网络节点数；A _k,n为多能网络支路节点关联矩阵元素；B _k,n为多能网络设备组节点关联矩阵元素；P _k,s,t为t时段s场景第k条支路功率；P _d,n,s,t为t时段s场景第n节点的负荷；

参考电力系统事件风险定义方式，结合综合能源系统风险特点，根据各风险指标定义及对应事故集建立风险评价指标的可靠性约束，所述可靠性约束为：

X _f是系统的运行方式；E _i是第i个故障；P _r(E _i)是故障E _i发生的概率；S _ev(E _i,X _f)是在X _f的运行方式下发生第i个故障后系统的严重程度；R _isk(X _f)是系统在X _f运行方式下的运行风险指标；R _set是系统该运行风险指标的上限值；

设备运行需要满足最小允许连续运行持续时间、连续停机持续时间；建立备用设备最小启停时间约束，所述最小启停时间约束为：

式中：T _on,i为设备i的允许最小连续运行持续时间；T _off,i为设备i的允许最小连续停机持续时间；X _on,i,s,t-1为s场景下设备初始状态设备i已经连续运行的时间；X _off,i,s,t-1为s场景下设备初始状态设备i已经连续停机的的时间；

建立储能充放功率约束，所述储能充放功率约束为：

对于电储能方面：

式中，

为充电电流、

为放电电流、

为储存的电能、

为充电效率、

为放电效率；反映了储能存储能量、放出能量的能量平衡方程。还需要满足储能存储能量的上下限：

式中，上标N表示设备选型N，包含储电、储热、储冷；

为对应储能设备的运行决策变量，y＝1为运行，y＝0为不运行；

分别为对应储能设备的容量上限及下限；

所述下层约束条件为同时满足功率平衡关系、可靠性约束、最小启停时间约束和储能充放功率约束。

其中，建立下层规划模型包括：建立总收益最大化的目标函数；所述总收益最大化的目标函数为：

式中：M _shouyi为下层总收益，

表示所述设备在运行过程中销售冷热电产品带来的收益与购买天然气等运行成本之差，M _ES为电储能系统在参与峰谷平电价储能过程中带来的峰谷差收益，

为光伏发电补贴收益，

为新能源发电补贴收益，

为考虑碳税的碳排放成本，Re _fak为可靠性罚款成本，即能源停供产生的罚款成本。

可选的，所述新能源发电补贴收益的计算方法为：计算新能源发电补贴收益：

式中：γ表示单位发电量新能源发电补贴收益；P _i与T _i为新能源的实时出力以及持续发电时间；8760为一年所含小时数。

其中，所述碳排放成本的计算方法为：计算碳排放成本：

式中，

为碳交易初始配额，λ _CO2为单位碳排放交易价格；

式中，F _CO2,g为电网基准线排放因子；P _web,s,t为t时刻s场景下从外部电网购买的电力；

F _CO2,g＝F _C,g*N

式中，E _CO2为天然气燃烧的CO ₂排放量；F _CO2为天然气基于最低热值的CO ₂排放因子；P _CHP,s,t、P _GB,s,t分别为CHP、锅炉t时s场景下输出功率；N为CO ₂与碳的摩尔比；η _CHP、η _GB分别为CHP发电效率和燃气锅炉发热效率。

其中，所述可靠性罚款成本的计算方法为：

式中，θ _i为断供负荷的惩罚因子，下标i代表供能类型；·P _i,s为场景s下的断供功率，t _i,s为场景s下的断供持续时间。

本申请提供一种能源互联系统的设备选型方法，通过上层规划模型考虑设备投资成本以及设备运行约束，通过下层规划模型考虑综合能源系统规划设备的运行收益及综合能源系统的供能可靠性影响。通过上层与下层规划模型的联动，输出综合能源系统的整体规划方案。使投资成本最低的同时保证总收益最大。且在规划过程中考虑了二氧化碳减排效应，能够更好的实现低碳目标；并通过断供的负荷量以及单位断供负荷惩罚因子来计算可靠性成本，使规划方案具备更好的供能可靠性。

实施本申请实施例，将具有如下有益效果：

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：

图1为一种能源互联系统的设备选型方法的流程图。

具体实施方式

下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。

本申请提供的一种能源互联系统的设备选型方法，所述综合能源系统由用电系统、天然气系统和冷/热供应系统构成；所述待规划设备为用电系统、天然气系统、冷/热供应系统中需要的设备。

在综合能源系统规划技术方面，规划与运行缺乏有效衔接，导致能源供应系统的投资成本、运行经济性以及供能可靠性等方面缺乏有力的保障。

为了解决上述问题，本申请提供一种能源互联系统的设备选型方法，所述方法应用于综合能源系统，所述综合能源系统包括待规划设备；参见图1，所述方法包括：

在待规划设备中，建立上层规划模型：

由于待规划设备的多能供应需要保持供大于求，建立上层约束条件，所述上层约束条件为：综合能源系统的多能负荷需求应满足下式：

式中,

为第i类设备的备选容量选型集合；

为集合

是第i种设备的第j种容量选型的转化矩阵；

加入设备选型0-1变量后，增加以下条件：

式中,

是第i种设备的第j种容量选型的转化矩阵；

可见，当x ^i,j＝1时，

最大值为

否则

下式对于第i种设备只有1种建设方案可被选中，避免了重复建设，属于建设逻辑约束，该式也可根据实际情况拓展。

在满足上层约束条件下，以设备投资总成本最低为目标建立上层规划模型；建立上层规划模型包括：

从待规划设备中获取各个设备投资成本，计算方法为：

表示选型第α的第i台设备的造价，

例如：综合能源系统内待规划的可选择设备有：

(1)CCHP机组：

式中ψ _CCHP表示可投资的CCHP机组集合，

表示选型为α的第i台CCHP的容量造价，

表示选型为α的第i台CCHP的规划变量：值为0表示系统中不会投资该热泵；值为1表示投资该机组。

(2)燃气锅炉：

式中

表示选型为β的第j台燃气锅炉的造价，ψ _GB表示可投资的燃气锅炉集合，

表示选型为β的第j台燃气锅炉的规划变量：值为0表示系统中不会投资该热泵；值为1表示投资该机组。

(3)电制冷空调：

式中

表示选型为γ的第k台电制冷空调的造价，ψ _AC表示可投资的电制冷空调机组集合，

表示选型为γ的第k台电制冷空调的规划变量：值为0表示系统中不会投资该热泵；值为1表示投资该机组。

(4)热泵：

式中

表示选型为ε的第m台热泵的造价，ψ _HP表示可投资的热泵机组集合，

表示选型为ε的第m台热泵的规划变量：值为0表示系统中不会投资该热泵；值为1表示投资该机组。

(5)溴化锂吸收式制冷机组：

式中

表示选型为ζ的第n台溴化锂吸收式制冷机组的造价，ψ _LB表示可投资的溴化锂机组集合，

表示选型为ζ的第n台溴化锂的规划变量：值为0表示系统中不会投资该溴化锂制冷机组；值为1表示投资该机组。

(6)电储能：

式中

表示选型为λ的第p台电储能的造价，ψ _ES表示可投资的电储能集合，

表示选型为λ的第p台电储能的规划变量：值为0表示系统中不会投资该储能；值为1表示投资该储能。

(7)风机：

式中

表示选型为ξ的第w台风力发电机的造价，ψ _WT表示可投资的风机机组集合，

表示选型为ξ的第w台风机的规划变量：值为0表示系统中不会投资该风机机组；值为1表示投资该机组。

(8)光伏：

式中

表示选型为ρ的第z台太阳能光伏的造价，ψ _PV表示可投资的光伏机组集合，

表示选型为ρ的第z台光伏的规划变量：值为0表示系统中不会投资该光伏；值为1表示投资该机组。

计算各个设备投资成本之和，即设备投资总成本；建立设备总成本最低的目标函数：

式中，I _i为所述综合能源系统中各个设备的投资成本。

将综合能源系统中满足上层函数的待规划设备放入第一目标集合；然后在待规划设备中，建立下层规划模型，包括：根据综合能源系统中各个设备运行的约束，建立下层约束条件，建立下层约束条件包括：

由于系统各个节点的流入功率需等于流出功率，建立功率平衡关系：

式中，k为网络节点序号；NK为多能系统包含的网络节点数；A _k,n为多能网络支路节点关联矩阵元素；B _k,n为多能网络设备组节点关联矩阵元素；P _k,s,t为t时段s场景第k条支路功率；P _d,n,s,t为t时段s场景第n节点的负荷。

参考电力系统事件风险定义方式，结合综合能源系统的风险特点，建立可靠性约束；其中，各风险指标定义及对应事故集如下：

式中：X _f是系统的运行方式；E _i是第i个故障；P _r(E _i)是故障E _i发生的概率；S _ev(E _i,X _f)是在X _f的运行方式下发生第i个故障后系统的严重程度；R _isk(X _f)是系统在X _f运行方式下的运行风险指标。

因此，综合能源系统可靠性约束条件可以归纳为：

式中：X _f是系统的运行方式；E _i是第i个故障；P _r(E _i)是故障E _i发生的概率；S _ev(E _i,X _f)是在X _f的运行方式下发生第i个故障后系统的严重程度；R _isk(X _f)是系统在X _f运行方式下的运行风险指标；R _set是系统该运行风险指标的上限值。

由于机组运行需要满足最小允许连续运行持续时间、连续停机持续时间，建立最小启停时间约束：

式中：T _on,i为设备i的允许最小连续运行持续时间；T _off,i为设备i的允许最小连续停机持续时间；X _on,i,s,t-1为s场景下设备初始状态设备i已经连续运行的时间；X _off,i,s,t-1为s场景下设备初始状态设备i已经连续停机的的时间。

此外，还考虑设备运行中能量的储存与放出，建立储能充放功率约束：

对于电储能，应满足：

式中，

为充电电流、

为放电电流、

为储存的电能、

为充电效率、

为放电效率；反映了储能存储能量、放出能量的能量平衡方程。

在运行中，还需要满足储能存储能量的上下限约束：

式中，上标N表示设备选型N，包含储电、储热、储冷；

分别为对应储能设备的容量上限及下限。

下层约束条件为同时满足功率平衡关系、可靠性约束、最小启停时间约束和储能充放功率约束。在满足下层约束条件下，以总收益最大为目标建立下层规划模型；建立下层规划模型包括：计算新能源发电补贴收益，由新能源补贴单位发电容量的发电补贴指标值乘以容量：

计算碳排放成本：

综合能源系统CO ₂排放量计算为：

式中，E _CO2为天然气燃烧的CO ₂排放量；F _CO2为天然气基于最低热值的CO ₂排放因子；P _CHP,s,t、P _GB,s,t分别为CHP、锅炉t时s场景下输出功率；η _CHP、η _GB分别为CHP发电效率和燃气锅炉发热效率。

由于CO ₂和碳的摩尔比为常数，则有CO ₂与碳排放的关系如下：

当综合能源系统与市电并网并从电网购电时，需要计算外购电力CO ₂排放量。计算中可采用国家发改委每年定期公布的中国区域电网基准线排放因子，外购电力CO ₂排放量计算公式：

式中，F _CO2,g为电网基准线排放因子；P _web.s,t为t时刻s场景下从外部电网购买的电力；因此，规划期的综合能源系统的实际CO ₂排放量为：

因此，碳排放成本为：

式中，

为碳交易初始配额；λ _CO2为单位碳排放交易价格；其中，碳交易即碳排放权交易，指政府为了控制碳排放分配一定的排放额度给各企业，并鼓励企业参与碳排放额度市场交易的手段。当前，中国以清洁发展机制作为碳市场的交易方式，具体模式为：当企业排放源的实际碳排放小于政府分配的额度，企业可以选择将多余的排放额度卖入市场；当实际碳排放超过政府分配额度，企业需要从碳排放交易市场买入缺少的额度，否则就须缴纳高额罚金。碳交易机制实质上是碳排放量化之后的奖惩机制，对企业的节能减排起到有效的促进作用。

此外，当综合能源系统在进行能源供应时出现供冷/供电/供热中断，会影响用户的用能体验；为提高综合能源系统的能源供应可靠性，设置了可靠性罚款成本。可靠性罚款成本通过断供的负荷量以及单位断供负荷惩罚因子来计算；所述可靠性罚款成本的计算方法为：

建立总收益最大化的目标函数；所述总收益最大化的目标函数为：

式中：M _shouyi为下层总收益，

为光伏发电补贴收益，

为新能源发电补贴收益，

将综合能源系统中满足下层目标函数的待规划设备放入第二目标集合；输出所述第一目标集合和第二目标集合中相同的待规划设备的型号，输出的设备型号为设备选型的整体规划方案。

由以上技术方案可知，本申请提供一种能源互联系统的设备选型方法，上层规划模型中考虑设备投资成本以及设备运行约束，下层规划模型考虑综合能源系统规划设备的运行收益及综合能源系统的供能可靠性影响。通过上层与下层规划模型的联动，输出综合能源系统的整体规划方案。使投资成本最低的同时保证总收益最大。且在规划过程中考虑了二氧化碳减排效应，能够更好的实现低碳目标；并通过断供的负荷量以及单位断供负荷惩罚因子来计算可靠性成本，使规划方案具备更好的供能可靠性。

本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims

一种能源互联系统的设备选型方法，其特征在于，包括：

所述方法应用于综合能源系统，所述综合能源系统包括待规划设备；

建立上层约束条件，所述上层约束条件根据所述综合能源系统的多能负荷平衡和设备选型建立；

将所述综合能源系统中满足所述上层约束条件的所述待规划设备放入第一集合；

在所述第一集合中以设备投资总成本最低为目标建立上层规划模型；

将所述第一集合中满足所述上层规划模型的待规划设备放入第一目标集合；

建立下层约束条件，所述下层约束条件根据所述综合能源系统中各个设备运行的约束关系建立；

将所述综合能源系统中满足所述下层约束条件的待规划设备放入第二集合；

在所述第二集合中计算所述设备运行的销售收益、储能收益、新能源发电补贴收益、碳排放成本以及可靠性成本，以总收益最大化为目标建立下层规划模型；

将所述第二集合中满足所述下层规划模型的待规划设备放入第二目标集合；

输出所述第一目标集合和第二目标集合中相同的待规划设备的型号。
根据权利要求1所述的一种能源互联系统的设备选型方法，其特征在于，所述建立上层约束条件的步骤中，所述综合能源系统的多能负荷需求满足下式：

式中，为第i类设备的备选容量选型集合；
为集合
中选型的编号；L _s,h是在运行场景s中，时刻h的区域综合能源系统的多能负荷需求；C ^i,j是第i种设备的第j种容量选型的多能能量输入；
是第i种设备的第j种容量选型的转化矩阵；
为i种设备的第j种容量选型的最大多能输入；x ^i,j为设备选型0-1变量。
根据权利要求1所述的一种能源互联系统的设备选型方法，其特征在于，建立上层规划模型包括：

从所述待规划设备中获取各个设备投资成本；

计算设备投资总成本，所述投资总成本为所述各个设备投资成本之和；

建立所述设备投资总成本最低的目标函数；

所述设备投资总成本最低的目标函数为：

式中，Ii为所述综合能源系统中各个设备的投资成本。
根据权利要求3所述的一种能源互联系统的设备选型方法，其特征在于，所述获取各个设备的投资成本包括：

以投资成本的函数计算所述各个设备的投资成本，所述投资成本的函数为：

式中，dr是设备折现率，T是设备使用年限；ψ _s表示可投资的设备集合，
表示选型第α的第i台设备的造价，
表示选型为α的第i台设备的规划变量：值为0表示系统中不会投资所述设备；值为1表示投资所述设备。
根据权利要求1所述的一种能源互联系统的设备选型方法，其特征在于，所述建立下层约束条件包括：

建立综合能源系统的功率平衡关系，所述功率平衡关系为：

式中，k为网络节点序号；NK为多能系统包含的网络节点数；A _k,n为多能网络支路节点关联矩阵元素；B _k,n为多能网络设备组节点关联矩阵元素；P _k,s,t为t时段s场景第k条支路功率；P _d,n,s,t为t时段s场景第n节点的负荷；

建立风险评价指标的可靠性约束，所述可靠性约束为：

X _f是系统的运行方式；E _i是第i个故障；P _r(E _i)是故障E _i发生的概率；S _ev(E _i,X _f)是在X _f的运行方式下发生第i个故障后系统的严重程度；R _isk(X _f)是系统在X _f运行方式下的运行风险指标；R _set是系统该运行风险指标的上限值；

建立备用设备最小启停时间约束，所述最小启停时间约束为：

式中：T _on,i为设备i的允许最小连续运行持续时间；T _off,i为设备i的允许最小连续停机持续时间；X _on,i,s,t为s场景下设备初始状态设备i已经连续运行的时间；X _off,i,s,t为s场景下设备初始状态设备i已经连续停机的的时间；

建立储能充放功率约束，所述储能充放功率约束为：

式中，
为充电电流、
为放电电流、
为储存的电能、
为充电效率、
为放电效率；上标N表示设备选型N，包含储电、储热、储冷；
为对应储能设备的运行决策变量，y＝1为运行，y＝0为不运行；
分别为对应储能设备的容量上限及下限；

所述下层约束条件为同时满足功率平衡关系、可靠性约束、最小启停时间约束和储能充放功率约束。
根据权利要求1所述的一种能源互联系统的设备选型方法，其特征在于，所述建立下层规划模型包括：

建立总收益最大化的目标函数；

所述总收益最大化的目标函数为：

式中：M _shouyi为下层总收益，
表示所述设备在运行过程中销售冷热电产品带来的收益与购买天然气等运行成本之差，M _ES为电储能系统在参与峰谷平电价储能过程中带来的峰谷差收益，
为光伏发电补贴收益，
为新能源发电补贴收益，C _CO2为考虑碳税的碳排放成本，Re _fak为可靠性罚款成本，即能源停供产生的罚款成本。
根据权利要求1所述的一种能源互联系统的设备选型方法，其特征在于，所述新能源发电补贴收益的计算方法为：

式中：γ表示单位发电量新能源发电补贴收益；P _i与T _i为新能源的实时出力以及持续发电时间。
根据权利要求1所述的一种能源互联系统的设备选型方法，其特征在于，所述碳排放成本的计算方法为：

式中，
为碳交易初始配额，λ _CO2为单位碳排放交易价格；

式中，F _CO2,g为电网基准线排放因子；P _web.s,t为t时刻s场景下从外部电网购买的电力；

F _CO2,g＝F _C,g*N

式中，E _CO2为天然气燃烧的CO ₂排放量；F _CO2为天然气基于最低热值的CO ₂排放因子；P _CHP,s,t、P _GB,s,t分别为CHP、锅炉t时s场景下输出功率；N为CO ₂与碳的摩尔比；η _CHP、η _GB分别为CHP发电效率和燃气锅炉发热效率。
根据权利要求1所述的一种能源互联系统的设备选型方法，其特征在于，所述可靠性罚款成本的计算方法为：

式中，θ _i为断供负荷的惩罚因子，下标i代表供能类型；P _i,s为场景s下的断供功率，t _i,S为场景s下的断供持续时间。