考虑管网动态及设备变效率特性的综合能源系统规划方法与流程

1.本发明涉及能源研究领域，特别是一种考虑管网动态及设备变效率特性的综合能源系统规划方法。


背景技术：

2.在国际能源研究领域中，能源的梯级利用能够大幅度提高能源利用率，消纳更多的可再生能源同时提升能源系统的运行稳定性与安全性。现如今，综合能源系统规划运行已经成为能源研究领域中的一个重要方向。随着研究的深入，综合能源系统中考虑的设备以及网络模型不再是简单的等效模型，模型的精细化能够提高对综合能源系统规划运行研究的精确性，但这也会加大对优化模型的求解难度。供热系统作为综合能源系统中重要的组成部分，越来越多的研究将目光集中到对综合能源系统供热管网的研究上。
3.现有技术中，已有利用热传输理论建立供热供冷管道的通用模型，然而，这些研究都未真正的将综合能源统规划以及优化运行考虑进去。另外，现有技术所建立的设备模型的效率均是恒定的，一方面模型的精度有待提高，另一方面没有考虑设备在运行过程中的变效率特性。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种考虑管网动态及设备变效率特性的综合能源系统规划方法，该考虑管网动态及设备变效率特性的综合能源系统规划方法在考虑设备变效率特性的同时，对热源点质量流量以及设备容量进行优化，从而在保证供热管网运行可靠的情况下，节省成本。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
6.一种考虑管网动态及设备变效率特性的综合能源系统规划方法，包括如下步骤。
7.步骤1、求解最佳输入热功率：以热源点的输入质量流量为优化变量，以热流管道温度与基准温度差值之和最小为上层目标函数，采用粒子种群算法对上层目标函数进行求解，得到最佳输入热功率。
8.步骤2、求解最优容量分配：将步骤1求解的最佳输入热功率，作为容量规划的约束条件，得到最优容量分配。
9.步骤1中，供热管网包括a个热源点和b个负荷点，共形成a b个管网节点；热源点与负荷点之间以及负荷点与负荷点之间均通过一根热流管道相连接，热流管道的总数量为p，并将每根热流管道均沿水流方向按照
△
x的间隔，分为c等份；则第i根热流管道的第x等份在当前t时刻的温度为t
ipipe
(x,t)；其中，1≤i≤p，1≤x≤c；上层目标函数的表达式为：
[0010][0011]
其中，f
sec
表示热流管道温度与基准温度的差值之和。
[0012]
t
standard
表示基准温度，为设定值。
[0013]
t表示供热管网的总供热时间。
[0014]
采用粒子种群算法对上层目标函数进行求解的方法，包括如下步骤：
[0015]
步骤11、根据稳态下的水力计算模型，建立热源点输入质量流量与热流管道质量流量的关系模型。
[0016]
步骤12、在供热管网水力特性不变的情况下，根据供热管网的动态热传输模型，建立关于热流管道质量流量的t
ipipe
(x,t)计算模型：
[0017]
步骤13、联立步骤11建立的热源点输入质量流量与热流管道质量流量的关系模型和步骤12建立的t
ipipe
(x,t)计算模型，将热源点输入质量流量作为随机粒子种群，对上层目标函数进行求解，得到最佳热源点输入质量流量以及最佳热源点输入质量流量所对应的最佳输入热功率。
[0018]
步骤11中，热源点输入质量流量与热流管道质量流量关系模型的建立方法，包括如下步骤：
[0019]
步骤11a、选择热松弛节点：从a个热源点中任意选择一个作为热松弛节点，假设选择第a个热源点作为热松弛节点。
[0020]
步骤11b、建立如下式的t时刻的去除热松弛节点的管网节点质量流量集
[0021][0022]
式中：为第1个热源点的质量流量，待优化变量；为第2个热源点的质量流量，待优化变量；为第3个热源点的质量流量，待优化变量；为第a
‑
1个热源点的质量流量，待优化变量；为第1个负荷点的质量流量；为第2个负荷点的质量流量；为第b个负荷点的质量流量。
[0023]
步骤11c、建立如下式的t时刻的热流管道质量流量集
[0024][0025]
式中：为第1根热流管道的质量流量；为第2根热流管道的质量流量；为第3根热流管道的质量流量；为第i根热流管道的质量流量；为第p根热流管道的质量流量。
[0026]
步骤11d、建立热源点输入质量流量与热流管道质量流量的关系模型为：
[0027][0028][0029][0030]
式中，k为迭代次数；j为水力计算的雅可比矩阵；δf为水力失配矢量；a
r
为去除松
弛节点后的基本关联矩阵；b为基本回路矩阵；k为热流管道阻力系数向量。
[0031]
步骤11d中，迭代次数k根据如下收敛公式进行确定：
[0032][0033]
式中，ζ为给定的收敛系数值；为第i个管网节点在t时刻的质量流量；当第i个管网节点为热源点时，当第i个管网节点为负荷点时，其中，负荷点的初始质量流量根据设计供、回水温度以及需求热功率计算得到。
[0034]
步骤11d中，还需满足如下质量流量约束条件：
[0035][0036][0037]
表示第i根热流管道中允许通过的最大质量流量；v
max
为供热管网中热水的最大流速。
[0038]
步骤12中，t
ipipe
(x,t)的计算模型公式为：
[0039][0040]
其中：t
ipipe
(x,t
‑△
t)表示第i根热流管道的第x等份在前t
‑△
t时刻的温度。
[0041]
表示第i根热流管道在当前t时刻的质量流量。
[0042]
△
t表示时间间隔。
[0043]
ρ表示供热管网中热水密度。
[0044]
c
p
表示供热管网中热水热容。
[0045]
a
i
表示第i根热流管道的截面积。
[0046]
t
ipipe
(x
‑△
x,t)表示第i根热流管道的第x
‑△
x等份在当前t时刻的温度。
[0047]
r
i
表示第i根热流管道的导热系数。
[0048]
t
e
表示供热管网处的环境温度。
[0049]
步骤2中，容量规划时，通过建立以设备容量为优化变量的下层目标函数，并对下层目标函数求解，进而得到热源设备的最优容量分配；在供热管网中，每个热源点均具有至少一组热源设备，热源设备的总数量为n；其中，n≥1；则下层目标函数minf
eco
为：
[0050]
min f
eco
＝f
inv
f
om
f
fuel
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0051][0052]
[0053][0054]
其中：f
eco
是供热管网中设备总投入成本；f
inv
是设备安装成本；f
om
是设备维护成本；f
fuel
是设备运营成本；i
j
是第j个热源设备的单位容量成本；γ
j
是第j个热源设备的折现率；α
j
是第j个热源设备的使用寿命；x
cap,j
为第j个热源设备的设备容量。
[0055]
o
om,j
是第j个热源设备的维护成本；d
j
是第j个热源设备的运行天数；是第j个热源设备在t时刻且考虑变效率特性后的输出功率。
[0056]
v
gas,j
是第j个热源设备的天然气消耗量；e
lectricity,j
是第j个热源设备与外部电网的电力交换；p
gas
是天然气价格；p
electricity
是电价格。
[0057]
步骤2中，下层目标函数求解时，还需满足如下约束条件：
[0058][0059][0060][0061]
和分别是第j个热源设备的设备容量上限和下限；是规划区域电网最大通道容量。
[0062]
的计算公式为：
[0063][0064]
其中，为第j个热源设备在t时刻的最佳热输入功率；η
j,t
(δ
j,t
)为第j个热源设备在t时刻的运行效率，是负荷率的函数；δ
j,t
为第j个热源设备在t时刻的负荷率。
[0065]
本发明具有如下有益效果：
[0066]
1、本技术采用上层和下层两层优化规划设计，首先通过上层优化，以管网运行高效性为目标函数得到管网热源处的最佳输入热功率。其次，将上层优化结果传递到下层，作为容量规划的约束条件，得到最优设备容量分配。
[0067]
2、本技术通过上层优化，对热源点质量流量进行优化，从而能够保证供热管网运行可靠，防止供热管网失效运行。
[0068]
3、在考虑设备变效率特性的同时，对设备容量进行下层优化，以经济性最优为目标函数，从而节省成本。
附图说明
[0069]
图1显示了本实施例中供热管网的布设示意图。
[0070]
图2显示了热流管道中温度计算方法的物理表达形式示意图。
[0071]
图3显示了现有技术中热源点质量流量未优化前的各热流管道出口温度变化示意图。
[0072]
图4显示了本实施例中热源点质量流量优化后的各热流管道出口温度变化示意
图。
[0073]
图5显示了本实施例中热源设备容量优化结果示意图。
具体实施方式
[0074]
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0075]
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
[0076]
供热管网包括a个热源点和b个负荷点，共形成a b个管网节点；热源点与负荷点之间以及负荷点与负荷点之间均通过一根热流管道相连接，热流管道的总数量为p。
[0077]
在本实施例中，如图1所示，优选a＝2，b＝3，p＝5。
[0078]
2个热源点分别为第1热源点和第2热源点；其中，第一热源点记为eh1或source1,对应管网节点编号为node4；第二热源点记为eh2或source2,对应管网节点编号为node5。
[0079]
3个负荷点分别为第1负荷点、第2负荷点和第3负荷点；对应负载编号依次为load1、load2和load3；对应管网节点编号为node1、node2和node3。
[0080]
一种考虑管网动态及设备变效率特性的综合能源系统规划方法，包括如下步骤。
[0081]
步骤1、求解最佳输入热功率：以热源点的输入质量流量为优化变量，以热流管道温度与基准温度差值之和最小为上层目标函数，采用粒子种群算法对上层目标函数进行求解，得到最佳输入热功率。
[0082]
采用粒子种群算法对上层目标函数进行求解的方法，具体包括如下步骤：
[0083]
步骤11、根据稳态下的水力计算模型，建立热源点输入质量流量与热流管道质量流量的关系模型。
[0084]
上述热源点输入质量流量与热流管道质量流量关系模型的建立方法，包括如下步骤：
[0085]
步骤11a、选择热松弛节点：从a个热源点中任意选择一个作为热松弛节点，假设选择第a个热源点作为热松弛节点。
[0086]
本实施例中，选择第二2热源点为热松弛节点。
[0087]
步骤11b、建立如下式的t时刻的去除热松弛节点的管网节点质量流量集
[0088][0089]
式中：为第1个热源点的质量流量，待优化变量；为第2个热源点的质量流量，待优化变量；为第3个热源点的质量流量，待优化变量；为第a
‑
1个热源点的质量流量，待优化变量；为第1个负荷点的质量流量；为第2个负荷点的质量流量；为第b个负荷点的质量流量。
[0090]
本实施例中，的表达式优选为：其中，为待优化变量，通过粒子种群算法，进行初始随机粒子种群赋值与迭代优化获得。
[0091]
步骤11c、建立如下式的t时刻的热流管道质量流量集
[0092][0093]
式中：为第1根热流管道的质量流量；为第2根热流管道的质量流量；为第3根热流管道的质量流量；为第i根热流管道的质量流量；为第p根热流管道的质量流量。
[0094]
本实施例中，的表达式优选为：
[0095]
步骤11d、建立热源点输入质量流量与热流管道质量流量的关系模型为：
[0096][0097][0098][0099]
式中，k为迭代次数；j为水力计算的雅可比矩阵；δf为水力失配矢量；a
r
为去除松弛节点后的基本关联矩阵；b为基本回路矩阵；k为热流管道阻力系数向量，为预先输入的已知参数集。
[0100]
在本实施例中，优选ar＝[1 1 0 0 0；0
‑
1 1 0 0；0 0 0 1 1；0 0
ꢀ‑1ꢀ‑
1 0]；b＝[1
ꢀ‑1ꢀ‑
1 1
ꢀ‑
1]。
[0101]
上述迭代次数k根据如下收敛公式进行确定：
[0102][0103]
式中，ζ为给定的收敛系数值；为第i个管网节点在t时刻的质量流量；当第i个管网节点为热源点时，当第i个管网节点为负荷点时，
[0104]
上述负荷点的初始质量流量根据设计供、回水温度以及需求热功率计算得到，具体计算公式为：
[0105][0106]
式中，为第h个负荷点的需求输入热功率，其中，1≤h≤b；为第h个负荷点的质量流量；和分别是第h个负荷点的的供回水温度，初始值为稳定的设定值。
[0107]
本实施例中，设定供水温度为80℃，回水温度为50℃，通过上式计算，得
到的初始值如表1所示。
[0108]
表1负荷节点流量(kg/s)
[0109]
时间(h)node1node2node314.2653055.6870744.26530524.1870795.5827734.18707934.1628265.5504354.16282644.0711265.4281694.07112654.1271855.5029134.12718564.1160315.4880424.11603174.2257535.6343374.22575384.8989686.5319584.89896898.18801910.917368.1880191010.5244114.0325410.524411127.7254736.967327.725471227.9558437.2744627.955841327.7300636.9734127.730061427.5850236.7800327.585021527.5333836.7111627.533381626.9320835.9094526.932081726.9612835.9483726.961281828.4393337.9191128.439331929.3672739.1563629.36727203040302129.7876939.7169129.787692226.8923235.8564326.89232239.96447613.285979.964476245.2579267.0105685.257926
[0110]
进一步，上述计算得到的还需满足如下质量流量约束条件：
[0111][0112][0113]
表示第i根热流管道中允许通过的最大质量流量；v
max
为供热管网中热水的最大流速，取工程上常用的经济流速1.4m/s。
[0114]
步骤12、在供热管网水力特性不变的情况下，根据供热管网的动态热传输模型，建立关于热流管道质量流量的t
ipipe
(x,t)计算模型。
[0115]
如图2所示，将每根热流管道均沿水流方向按照
△
x的间隔，分为c等份；则第i根热流管道的第x等份在当前t时刻的温度为t
ipipe
(x,t)；其中，1≤i≤p，1≤x≤c。
[0116]
上述t
ipipe
(x,t)的计算模型公式为：
[0117][0118]
其中：t
ipipe
(x,t
‑△
t)表示第i根热流管道的第x等份在前t
‑△
t时刻的温度。
[0119]
表示第i根热流管道在当前t时刻的质量流量。
[0120]
△
t表示时间间隔。
[0121]
ρ表示供热管网中热水密度。
[0122]
c
p
表示供热管网中热水热容。
[0123]
a
i
表示第i根热流管道的截面积。
[0124]
t
ipipe
(x
‑△
x,t)表示第i根热流管道的第x
‑△
x等份在当前t时刻的温度。
[0125]
r
i
表示第i根热流管道的导热系数。
[0126]
t
e
表示供热管网处的环境温度。
[0127]
步骤13、联立步骤11建立的热源点输入质量流量与热流管道质量流量的关系模型和步骤12建立的t
ipipe
(x,t)计算模型，将热源点输入质量流量作为随机粒子种群，对上层目标函数进行求解，得到最佳热源点输入质量流量以及最佳热源点输入质量流量所对应的最佳输入热功率。
[0128]
其中，上层目标函数的表达式为：
[0129][0130]
其中，f
sec
表示热流管道温度与基准温度的差值之和。
[0131]
t
standard
表示基准温度，为设定值。
[0132]
t表示供热管网的总供热时间。
[0133]
步骤2、求解最优容量分配：将步骤1求解的最佳输入热功率，作为容量规划的约束条件，得到最优容量分配。
[0134]
上述容量规划时，通过建立以设备容量为优化变量的下层目标函数，并对下层目标函数求解，进而得到热源设备的最优容量分配；在供热管网中，每个热源点均具有至少一组热源设备，热源设备的总数量为n；其中，n≥1；则下层目标函数minf
eco
为：
[0135]
min f
eco
＝f
inv
f
om
f
fuel
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0136][0137][0138][0139]
其中：f
eco
是供热管网中设备总投入成本；f
inv
是设备安装成本；f
om
是设备维护成本；f
fuel
是设备运营成本；i
j
是第j个热源设备的单位容量成本；γ
j
是第j个热源设备的折现率；α
j
是第j个热源设备的使用寿命；x
cap,j
为第j个热源设备的设备容量。
[0140]
o
om,j
是第j个热源设备的维护成本；d
j
是第j个热源设备的运行天数；是第j个热源设备在t时刻且考虑变效率特性后的输出功率。
[0141]
v
gas,j
是第j个热源设备的天然气消耗量；e
lectricity,j
是第j个热源设备与外部电网的电力交换；p
gas
是天然气价格；p
electricity
是电价格。
[0142]
上述下层目标函数求解时，还需满足如下约束条件：
[0143][0144][0145][0146]
和分别是第j个热源设备的设备容量上限和下限；是规划区域电网最大通道容量。
[0147]
的计算公式为：
[0148][0149]
其中，为第j个热源设备在t时刻的最佳热输入功率；η
j,t
(δ
j,t
)为第j个热源设备在t时刻的运行效率，是负荷率的函数；δ
j,t
为第j个热源设备在t时刻的负荷率。
[0150]
下面给出热电联产机组(chp)以及电加热锅炉(eb)的变效率函数分别为：
[0151][0152][0153]
η
eb
(t)＝0.18
·
δ
eb
(t) 0.82
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14
‑
3)
[0154]
其中：为热电联产机组chp一在t时刻的运行效率；为热电联产机组chp二在t时刻的运行效率；δ
chp
(t)为热电联产机组chp二在t时刻的负荷率；η
eb
(t)为电加热锅炉eb在t时刻的运行效率；δ
eb
(t)为电加热锅炉eb在t时刻的负荷率。
[0155]
具体实例验证
[0156]
一、供热管网优化运行
[0157]
在图1中，每根管道长度1km，管径0.15m，采暖期主要在冬季，选取冬季典型日作为研究代表。供热系统包括三个负荷点和两个热源。热源装置的类型包括热电联产机组、电锅炉、风力发电机组和光伏发电机组。
[0158]
根据上层目标函数，结合第1部分的热网模型，对热源点流量以及各热流管道流量分布进行了优化。为便于比较，随机生成一组热源点的输入质量流量，未优化的管道运行结果如图3所示，上层目标函数值为20.8609℃。经过计算，2号管pipe2内的质量流量很小，导致温度下降很多。2号管道pipe2在0
‑
10h的温度约为53℃，接近设定的回水温度50℃，2号管道pipe2面临着运行失效的问题。
[0159]
在此基础上，对热源点的质量流量进行了优化，其上目标函数为13.9576℃。优化
结果如图4所示。从图4可以看出，1号管道pipe1和5号管道pipe5的温度变化较小，主要是两管直接与第2热源点相连，质量流量较大，温度变化较小。3号管道pipe3中的质量流量是通过混合4号管道pipe4和第1热源点的质量流量获得的，所以流量很大温度变化较小。由于节点1和节点3中的消耗了大部分流量，所以2号管道和4号管道中的质量流量减少，温度下降更多。但2、4号管道最低温度仅为76.7℃，远高于回水温度，不存在管道运行失效问题。
[0160]
二、容量优化结果分析
[0161]
在得到两个热源点的质量流量后，结合下层优化目标，进行容量优化。本文所要优化的设备由热电联产机组(chp)、电锅炉(eb)、风力发电机组(wt)和光伏发电机组(pv)组成，系统接入电网。由于不涉及蓄热装置，供热系统的调节能力相对较差，因此采用了以热定电的运行策略。为了便于分析，在两个热源处都设置了两个方案作为对照，在方案1(case1)中，考虑了设备的可变效率；方案2(case2)中，设备效率不变，chp电效率为0.35，热效率为0.55，eb热效率为0.9。优化结果如图5所示。
[0162]
在热源点1处，方案1的wt、pv和chp的容量小于方案2，只有eb容量较大，wt和pv是主要的供电设备。这是因为热源1处的热负荷较低，主要负荷为电力负荷。只需要小容量的chp和eb就可以满足热负荷需求，而需要大容量的wt和pv来满足电力负荷需求。在热源点2处，方案1与方案2相比，chp和eb的容量较小，wt和pv的容量较大。
[0163]
三、经济性结果分析
[0164]
在热源点1处，由于设备容量小，方案1的投资成本比方案2低43.45％。方案1的运行费用较高，比方案2高22.5％。这是因为chp、wt和pv设备的容量较小，而eb的容量较大，因此耗电量较大，导致系统需要从电网购买更多的电力，相应的售电量也随之减少。同样，方案2的维护成本比方案1低2.47％，方案2的总成本比方案1高3.37％。
[0165]
在热源点2处，方案1的投资成本比方案2高5.28％。虽然方案1中的chp、eb和wt的容量较小，但pv容量远大于案例2，且这两种设备的安装成本高于chp和eb，因此投资成本略高。方案1的运行费用比方案2高5.6％。主要原因是方案1购电多卖电少，维护成本比方案2高4.42％，总成本低4.14％。
[0166]
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。