一种考虑综合性能的综合能源系统混合运行方法与流程

1.本发明涉及综合能源系统运行优化技术领域，具体涉及一种考虑综合性能的综合能源系统混合运行方法。


背景技术：

2.随着“双碳”目标的提出，我国的能源结构转型已刻不容缓，作为能源互联网的物理载体，综合能源系统的推广应用将成为我国能源结构转型的重要抓手，同时对于保障能源安全，实现绿色可持续发展具有重要意义。
3.在综合能源系统运行优化的过程中，运行策略是否合理是其能否高效经济运行的关键。在综合能源系统运行策略应用方面，目前，应用最广泛的是传统以热定电(following hybrid load，fhl)和以电定热(following electric load,ftl)运行策略。若综合能源系统按照以热定电运行策略运行，当系统热电比较大时，会产生多余的电能，若蓄电装置容量过小，在无法上网的情况下，会出现电能浪费的情况，蓄电装置容量过大则会增加系统投资；若系统按照以电定热运行策略运行，当系统热电比较小时，会产生多余的热能，储热装置容量选取过小会造成热量浪费，储热装置容量过大则会增加系统投资，降低系统经济性，因此在热电负荷变动的情况下采用固定的运行策略限制了综合能源系统的经济运行。
4.在这两种运行策略的基础上，衍生了相应的改进策略。但对于目前的改进运行策略来讲，在同一种运行策略下应用不同负荷曲线的综合能源系统会产生不同的性能表现，因此各类运行策略的好坏目前并无统一定论；另外，目前关于改进运行策略的相关发明仅考虑系统某一方面的运行性能，考虑综合性能的综合能源系统运行策略的相关发明未见报道。


技术实现要素：

5.为了有效解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提出一种考虑综合性能的综合能源系统混合运行方法，是一种结合以热定电和以电定热的混合运行策略，该运行策略以考虑系统能效性、经济性、环保性和可靠性的综合性能指标为评价标准，实现了以热定电和以电定热两种运行策略的优势互补，综合能源系统按照该混合运行策略运行，在不造成能量浪费的同时，达到综合性能最优。
6.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种考虑综合性能的综合能源系统混合运行方法，其具体步骤如下：
8.(一)建立综合能源系统分步运行策略；
9.(二)建立综合能源系统逐时综合性能指标，该综合性能指标考虑系统能效性、经济性、环保性和可靠性；
10.(三)建立综合能源系统混合运行策略，综合能源系统按照该混合运行策略运行，实现其综合性能最优。
11.所述步骤(一)中，建立综合能源系统分步运行策略。综合能源系统分步运行策略
分为以电定热(following electric load,ftl)和以热定电(following thermal load,ftl)两种运行策略，在这两种运行策略中，优先使用由可再生能源转化而成的电量和热量即优先使用由光伏发电产生的电量和光热系统产生的热量；
12.在以电定热运行策略中：
13.1)若i时刻光伏发电量e
pv
(i)大于等于综合能源系统i时刻的电负荷需求量e
ies
(i)，运行2)；否则，运行5)；
14.2)若i
‑
1时刻蓄电池储电量n
es
(i
‑
1)大于等于蓄电池最大储电容量则运行3)；否则，运行4)；
15.3)系统电负荷仅由光伏发电满足，i时刻蓄电池的储电量n
es
(i)达到蓄电池最大储电容量此时剩余电量排空处理；
16.4)系统电负荷仅由光伏发电满足，将光伏发电在i时刻的多发电量e
es
(i)储存于蓄电池中；
17.5)若i时刻光伏发电量e
pv
(i)与i
‑
1时刻蓄电池储电量n
es
(i
‑
1)之和大于等于i时刻的系统电负荷需求量e
ies
(i)，运行6)；否则，运行7)；
18.6)系统电负荷由光伏发电和蓄电池部分放电共同满足；
19.7)i时刻光伏发电量e
pv
(i)与i
‑
1时刻蓄电池储电量n
es
(i
‑
1)与i时刻燃气轮机发电量e
gt
(i)之和大于等于i时刻的系统电负荷需求量e
ies
(i)，则运行8)；否则，运行11)；
20.8)若燃气轮机i时刻的运行负荷率plr(i)小于等于燃气轮机最低运行负荷率plr
min
，运行9)；否则运行10)；
21.9)系统电负荷需求由光伏发电、蓄电池全部放电和从电网购电共同满足；
22.10)系统电负荷需求由光伏发电、蓄电池全部放电和燃气轮机部分负荷运行共同满足；
23.11)系统电负荷需求由光伏发电、蓄电池全部放电、燃气轮机满负荷运行和电网购电共同满足；
24.12)若i时刻太阳能集热器供热量h
shc
(i)与i时刻余热锅炉供热量h
whb
(i)之和大于等于i时刻的系统热负荷需求量h
ies
(i),运行13)；否则运行16)；
25.13)若i
‑
1时刻储热罐储热量n
hs
(i
‑
1)大于等于储热罐最大储热容量运行14)，否则运行15)；
26.14)系统热负荷需求由太阳能集热器和燃机余热共同满足，i时刻储热罐的储热量n
hs
(i)达到储热罐最大储热容量此时剩余热量排空处理；
27.15)系统热负荷需求由太阳能集热器和燃机余热共同满足，i时刻剩余热量h
hs
(i)存储于储热罐中；
28.16)若i时刻太阳能集热器供热量h
shc
(i)与i时刻余热锅炉供热量h
whb
(i)与i
‑
1时刻储热罐储热量n
hs
(i
‑
1)之和大于等于i时刻的系统热负荷需求量h
ies
(i)，运行17)；否则运行18)；
29.17)系统热负荷需求由太阳能集热器、燃机余热和储热罐部分放热共同满足；
30.18)系统热负荷需求由太阳能集热器、燃机余热、储热罐全部放热以及补燃锅炉共同满足；
31.在以热定电运行策略中：
32.1)若i时刻太阳能集热器供热量h
shc
(i)大于等于综合能源系统i时刻热负荷需求h
ies
(i)，运行2)；否则，运行5)；
33.2)若i
‑
1时刻储热罐的储热量n
hs
(i
‑
1)大于等于储热罐的最大储热量运行3)；否则，运行4)；
34.3)系统热负荷需求由太阳能集热器供热满足，i时刻储热罐储热量n
hs
(i
‑
1)达到储热罐最大储热容量太阳能集热器产生的剩余热量排空处理；
35.4)系统热负荷需求由太阳能集热器供热满足，将太阳能集热器在i时刻产生的剩余热量h
hs
(i)储存于储热罐中；
36.5)若i时刻太阳能集热器供热量h
shc
(i)与i
‑
1时刻储热罐储热量n
hs
(i
‑
1)之和大于等于综合能源系统i时刻热负荷需求h
ies
(i)，运行6)；否则，运行7)；
37.6)系统热负荷需求由太阳能集热器与储热罐部分放热共同满足；
38.7)若i时刻太阳能集热器供热量h
shc
(i)与i
‑
1时刻储热罐储热量n
hs
(i
‑
1)与i时刻余热锅炉供热量h
whb
(i)之和大于等于综合能源系统i时刻热负荷需求h
ies
(i)，运行8)；否则，运行11)；
39.8)若燃气轮机i时刻的运行负荷率plr(i)小于等于燃气轮机最低运行负荷率plr
min
，运行9)；否则运行10)；
40.9)系统热负荷需求由太阳能集热器、储热罐全部放热以及燃气锅炉补燃共同满足；
41.10)系统热负荷需求由太阳能集热器、储热罐全部放热以及燃气轮机部分负荷运行产生余热共同满足；
42.11)系统热负荷需求由太阳能集热器、储热罐全部放热、燃气轮机满负荷运行产生余热以及燃气锅炉补燃共同满足；
43.12)若i时刻光伏发电量e
pv
(i)与i时刻燃气轮机发电量e
gt
(i)之和大于等于i时刻的系统电负荷需求量e
ies
(i)，运行13)；否则，运行16)；
44.13)若i
‑
1时刻蓄电池储电量n
es
(i
‑
1)大于等于蓄电池最大储电容量则运行14)；否则，运行15)；
45.14)系统电负荷由光伏发电和燃机发电共同满足，i时刻蓄电池的储电量n
es
(i)达到蓄电池最大储电容量此时剩余电量排空处理；
46.15)系统电负荷由光伏发电和燃机发电共同满足，将i时刻多发电量e
es
(i)储存于蓄电池中；
47.16)若i时刻光伏发电量e
pv
(i)、i时刻燃气轮机发电量e
gt
(i)与i
‑
1时刻蓄电池储电量n
es
(i
‑
1)之和大于等于i时刻的系统电负荷需求量e
ies
(i)，运行17)；否则，运行18)；
48.17)系统电负荷由光伏发电、燃机发电以及蓄电池部分放电共同满足；
49.18)系统电负荷由光伏发电、燃机发电、蓄电池全部放电以及电网购电共同满足；
50.所述步骤(二)中，建立综合能源系统逐时综合性能指标，该综合性能指标考虑系统能效性、经济性、环保性和可靠性。
51.能效性指标为第i小时的一次能源节约率pesr(i)：
[0052][0053]
式中：f
ies
(i)表示综合能源系统第i小时的一次能源消耗量，kw
·
h，指天然气和电网购电量，可再生能源作为替代能源不计入一次能源消耗中；f
sps
(i)表示传统分供系统第i小时的一次能源消耗量，kw
·
h；
[0054]
经济性指标为第i小时的运行费用节约率ocsr(i)：
[0055][0056]
式中：oc
ies
(i)表示综合能源系统第i小时的运行费用，元；oc
sps
(i)表示传统分供系统第i小时的运行费用，元；
[0057]
环保性指标为第i小时的二氧化碳当量减排率gesr(i):
[0058][0059]
式中：ge
sps
(i)表示传统分供系统第i小时的co2当量排放量，g；ge
ies
(i)表示综合能源系统第i小时的co2当量排放量，g；
[0060]
可靠性指标为第i小时的电网依赖性降低率gdsr(i)：
[0061][0062]
式中：e
grid
(i)表示综合能源系统第i小时的电网购电量/kw
·
h；e
ies
(i)表示综合能源系统第i小时的总电负荷，kw
·
h；
[0063]
cpi(i)＝ω1pesr(i) ω2ocsr(i) ω3gesr(i) ω4gdsr(i)
[0064]
式中：cpi(i)表示综合能源系统第i小时的综合性能指标；ω1、ω2、ω3、ω4分别表示pesr(i)、ocsr(i)、gesr(i)和gdsr(i)的权重；
[0065]
所述步骤(三)中，建立综合能源系统混合运行策略；获取综合能源系统全年8760h的逐时电热负荷，系统以满足全年逐时电热负荷为约束条件，分别在以热定电和以电定热两种运行策略下进行运行模拟，分别获得系统各时刻在两种运行策略下的综合性能指标cpi
ftl
(i)和cpi
fel
(i)，将这两个指标相减获得综合性能指标差值
△
cpi(i)：
[0066]
δcpi(i)＝cpi
ftl
(i)
‑
cpi
fel
(i)
[0067]
若
△
cpi(i)大于0，说明系统在第i小时按照以热定电策略运行获得的综合性能优于按照以电定热策略运行获得的综合性能，因此系统决策在第i小时按照以热定电的运行策略运行；
[0068]
若
△
cpi(i)等于0，说明系统在第i小时按照以电定热策略运行获得的综合性能指标与按照以热定电策略运行获得的综合性能指标相等，考虑到不增加策略切换的难度，因此系统决策在第i小时按照上一个时段的运行策略运行；
[0069]
若
△
cpi(i)小于0，说明系统在第i小时按照以电定热策略运行获得的综合性能优于按照以热定电策略运行获得的综合性能，因此系统决策在第i小时按照以电定热的运行策略运行。
[0070]
本发明适用于综合能源系统运行优化，与现有技术相比，本发明构建了结合以热
定电和以电定热的混合运行策略，该运行策略以考虑系统能效性、经济性、环保性和可靠性的综合性能指标为评价标准，实现了以热定电和以电定热两种运行策略的优势互补，综合能源系统按照该混合运行策略运行，在不造成能量浪费的同时，达到综合性能最优。在上述技术效果的基础上，本发明方便简单，容易实现，应用性强。
附图说明
[0071]
图1是综合能源系统拓扑示意图。
[0072]
图2是以电定热运行策略中的电负荷满足策略图。
[0073]
图3是以电定热运行策略中的热负荷满足策略图。
[0074]
图4是以热定电运行策略中的热负荷满足策略图。
[0075]
图5是以热定电运行策略在的电负荷满足策略图。
[0076]
图6是传统分供系统拓扑示意图。
[0077]
图7是混合运行策略流程图。
[0078]
图8是分步运行策略时间占比图。
具体实施方式
[0079]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
[0080]
一种考虑综合性能的综合能源系统混合运行策略，具体包括以下步骤：
[0081]
第一步：以图1所示的某园区综合能源系统拓扑示意图为例，建立该系统以电定热和以热定电的分步运行策略。在这两种运行策略中，优先使用由可再生能源转化而成的电量和热量即优先使用由光伏发电产生的电量和光热系统产生的热量，采用下式将用户电热冷负荷转换为系统电热负荷：
[0082]
e
ies
＝e e
p
e
ec
[0083]
q
ies
＝q q
ac
[0084]
式中：e
ies
——系统电负荷需求/kw
·
h；e——用户电负荷需求/kw
·
h；e
p
——辅助设备耗电量/kw
·
h；e
ec
——电制冷机所需电量/kw
·
h；q
ies
——系统热负荷需求/kw
·
h；q——用户热负荷需求/kw
·
h；q
ac
——吸收式制冷机所需热量/kw
·
h；
[0085]
在以电定热运行策略中，电负荷满足策略如图2所示，热负荷满足策略如图3所示：
[0086]
1)若i时刻光伏发电量e
pv
(i)大于等于综合能源系统i时刻的电负荷需求量e
ies
(i)，运行2)；否则，运行5)；
[0087]
2)若i
‑
1时刻蓄电池储电量n
es
(i
‑
1)大于等于蓄电池最大储电容量则运行3)；否则，运行4)；
[0088]
3)系统电负荷仅由光伏发电满足，i时刻蓄电池的储电量n
es
(i)达到蓄电池最大储电容量此时剩余电量排空处理；
[0089]
4)系统电负荷仅由光伏发电满足，将光伏发电在i时刻的多发电量e
es
(i)储存于蓄电池中；
[0090]
5)若i时刻光伏发电量e
pv
(i)与i
‑
1时刻蓄电池储电量n
es
(i
‑
1)之和大于等于i时刻的系统电负荷需求量e
ies
(i)，运行6)；否则，运行7)；
[0091]
6)系统电负荷由光伏发电和蓄电池部分放电共同满足；
[0092]
7)i时刻光伏发电量e
pv
(i)与i
‑
1时刻蓄电池储电量n
es
(i
‑
1)与i时刻燃气轮机发电量e
gt
(i)之和大于等于i时刻的系统电负荷需求量e
ies
(i)，则运行8)；否则，运行11)；
[0093]
8)若燃气轮机i时刻的运行负荷率plr(i)小于等于燃气轮机最低运行负荷率plr
min
，运行9)；否则运行10)；
[0094]
9)系统电负荷需求由光伏发电、蓄电池全部放电和从电网购电共同满足；
[0095]
10)系统电负荷需求由光伏发电、蓄电池全部放电和燃气轮机部分负荷运行共同满足；
[0096]
11)系统电负荷需求由光伏发电、蓄电池全部放电、燃气轮机满负荷运行和电网购电共同满足；
[0097]
12)若i时刻太阳能集热器供热量h
shc
(i)与i时刻余热锅炉供热量h
whb
(i)之和大于等于i时刻的系统热负荷需求量h
ies
(i)，运行13)；否则运行16)；
[0098]
13)若i
‑
1时刻储热罐储热量n
hs
(i
‑
1)大于等于储热罐最大储热容量运行14)，否则运行15)；
[0099]
14)系统热负荷需求由太阳能集热器和燃机余热共同满足，i时刻储热罐的储热量n
hs
(i)达到储热罐最大储热容量此时剩余热量排空处理；
[0100]
15)系统热负荷需求由太阳能集热器和燃机余热共同满足，i时刻剩余热量h
hs
(i)存储于储热罐中；
[0101]
16)若i时刻太阳能集热器供热量h
shc
(i)与i时刻余热锅炉供热量h
whb
(i)与i
‑
1时刻储热罐储热量n
hs
(i
‑
1)之和大于等于i时刻的系统热负荷需求量h
ies
(i)，运行17)；否则运行18)；
[0102]
17)系统热负荷需求由太阳能集热器、燃机余热和储热罐部分放热共同满足；
[0103]
18)系统热负荷需求由太阳能集热器、燃机余热、储热罐全部放热以及补燃锅炉共同满足；
[0104]
在以热定电运行策略中，热负荷满足策略如图4所示，电负荷满足策略如图5所示：
[0105]
1)若i时刻太阳能集热器供热量h
shc
(i)大于等于综合能源系统i时刻热负荷需求h
ies
(i)，运行2)；否则，运行5)；
[0106]
2)若i
‑
1时刻储热罐的储热量n
hs
(i
‑
1)大于等于储热罐的最大储热量运行3)；否则，运行4)；
[0107]
3)系统热负荷需求由太阳能集热器供热满足，i时刻储热罐储热量n
hs
(i
‑
1)达到储热罐最大储热容量太阳能集热器产生的剩余热量排空处理；
[0108]
4)系统热负荷需求由太阳能集热器供热满足，将太阳能集热器在i时刻产生的剩余热量h
hs
(i)储存于储热罐中；
[0109]
5)若i时刻太阳能集热器供热量h
shc
(i)与i
‑
1时刻储热罐储热量n
hs
(i
‑
1)之和大于等于综合能源系统i时刻热负荷需求h
ies
(i)，运行6)；否则，运行7)；
[0110]
6)系统热负荷需求由太阳能集热器与储热罐部分放热共同满足；
[0111]
7)若i时刻太阳能集热器供热量h
shc
(i)与i
‑
1时刻储热罐储热量n
hs
(i
‑
1)与i时刻余热锅炉供热量h
whb
(i)之和大于等于综合能源系统i时刻热负荷需求h
ies
(i)，运行8)；否
则，运行11)；
[0112]
8)若燃气轮机i时刻的运行负荷率plr(i)小于等于燃气轮机最低运行负荷率plr
min
，运行9)；否则运行10)；
[0113]
9)系统热负荷需求由太阳能集热器、储热罐全部放热以及燃气锅炉补燃共同满足；
[0114]
10)系统热负荷需求由太阳能集热器、储热罐全部放热以及燃气轮机部分负荷运行产生余热共同满足；
[0115]
11)系统热负荷需求由太阳能集热器、储热罐全部放热、燃气轮机满负荷运行产生余热以及燃气锅炉补燃共同满足；
[0116]
12)若i时刻光伏发电量e
pv
(i)与i时刻燃气轮机发电量e
gt
(i)之和大于等于i时刻的系统电负荷需求量e
ies
(i)，运行13)；否则，运行16)；
[0117]
13)若i
‑
1时刻蓄电池储电量n
es
(i
‑
1)大于等于蓄电池最大储电容量则运行14)；否则，运行15)；
[0118]
14)系统电负荷由光伏发电和燃机发电共同满足，i时刻蓄电池的储电量n
es
(i)达到蓄电池最大储电容量此时剩余电量排空处理；
[0119]
15)系统电负荷由光伏发电和燃机发电共同满足，将i时刻多发电量e
es
(i)储存于蓄电池中；
[0120]
16)若i时刻光伏发电量e
pv
(i)、i时刻燃气轮机发电量e
gt
(i)与i
‑
1时刻蓄电池储电量n
es
(i
‑
1)之和大于等于i时刻的系统电负荷需求量e
ies
(i)，运行17)；否则，运行18)；
[0121]
17)系统电负荷由光伏发电、燃机发电以及蓄电池部分放电共同满足；
[0122]
18)系统电负荷由光伏发电、燃机发电、蓄电池全部放电以及电网购电共同满足；
[0123]
第二步：建立综合能源系统逐时综合性能指标，该综合性能指标考虑系统能效性、经济性、环保性和可靠性，各方面性能指标均与传统分供系统对比获得相对变化指标，传统分供系统示意图如图6所示。
[0124]
能效性指标为第i小时的一次能源节约率pesr(i)：
[0125][0126]
式中：f
ies
(i)表示综合能源系统第i小时的一次能源消耗量，kw
·
h，指天然气和电网购电量，可再生能源作为替代能源不计入一次能源消耗中；f
sps
(i)表示传统分供系统第i小时的一次能源消耗量，kw
·
h；
[0127]
经济性指标为第i小时的运行费用节约率ocsr(i)：
[0128][0129]
式中：oc
ies
(i)表示综合能源系统第i小时的运行费用，元；oc
sps
(i)表示传统分供系统第i小时的运行费用，元；
[0130]
环保性指标为第i小时的二氧化碳当量减排率gesr(i):
[0131]
[0132]
式中：ge
sps
(i)表示传统分供系统第i小时的co2当量排放量，g；ge
ies
(i)表示综合能源系统第i小时的co2当量排放量，g；
[0133]
可靠性指标为第i小时的电网依赖性降低率gdsr(i)：
[0134][0135]
式中：e
grid
(i)表示综合能源系统第i小时的电网购电量/kw
·
h；e
ies
(i)表示综合能源系统第i小时的总电负荷，kw
·
h；
[0136]
cpi(i)＝ω1pesr(i) ω2ocsr(i) ω3gesr(i) ω4gdsr(i)
[0137]
式中：cpi(i)表示综合能源系统第i小时的综合性能指标；ω1、ω2、ω3、ω4分别表示pesr(i)、ocsr(i)、gesr(i)和gdsr(i)的权重，ω1＝ω2＝ω3＝ω4＝0.25。
[0138]
第三步：建立综合能源系统混合运行策略，流程示意图如图7所示。获取综合能源系统全年8760h的逐时电热负荷，系统以满足全年逐时电热负荷为约束条件，分别在以热定电和以电定热两种运行策略下进行运行模拟，分别获得系统各时刻在两种运行策略下的综合性能指标cpi
ftl
(i)和cpi
fel
(i)，将这两个指标相减获得综合性能指标差值
△
cpi(i)：
[0139]
δcpi(i)＝cpi
ftl
(i)
‑
cpi
fel
(i)
[0140]
若
△
cpi(i)大于0，说明系统在第i小时按照以热定电策略运行获得的综合性能优于按照以电定热策略运行获得的综合性能，因此系统决策在第i小时按照以热定电的运行策略运行；
[0141]
若
△
cpi(i)等于0，说明系统在第i小时按照以电定热策略运行获得的综合性能指标与按照以热定电策略运行获得的综合性能指标相等，考虑到不增加策略切换的难度，因此系统决策在第i小时按照上一个时段的运行策略运行；
[0142]
若
△
cpi(i)小于0，说明系统在第i小时按照以电定热策略运行获得的综合性能优于按照以热定电策略运行获得的综合性能，因此系统决策在第i小时按照以电定热的运行策略运行。
[0143]
该综合能源系统分别采用以电定热、以热定电和混合运行策略三种运行策略运行，对比运行结果。图8所示为在混合运行策略中分步运行策略的时间占比示意图，正是因为混合运行策略综合了以电定热和以热定电两种运行策略在各方面的优质表现，使得在混合运行策略下运行的综合能源系统的综合性能指标最优，达到24.3％，验证了混合运行策略在提升系统综合性能方面的优势，综合性能指标对比如表1所示。
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表1综合性能指标对比表
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运行策略种类以热定电以电定热混合运行策略综合性能指标19.3％20.4％24.3％
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需要说明的是：本发明方便简单，应用性强，用于综合能源系统运行优化，与现有技术相比，本发明构建了结合以热定电和以电定热的混合运行策略，该运行策略以考虑系统能效性、经济性、环保性和可靠性的综合性能指标为评价标准，实现了以热定电和以电定热两种运行策略的优势互补，综合能源系统按照该混合运行策略运行，在不造成能量浪费的同时，达到综合性能最优。
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以上所述为本发明的具体实施方式，不用于限制本发明，凡在本发明原则之内所
作的修改等同替换等，均应在本发明的保护范围之内。