一种综合能源微网互联系统及其调度方法与流程

1.本发明涉及能源技术领域，尤其涉及一种综合能源微网互联系统及其调度方法，主要适用于提高能效利用水平。


背景技术：

2.随着能源危机的发展，光伏、风电等分布式能源受到广泛关注，其分散化、间歇性和波动性等缺点使其无法大规模应用。传统上，电能、热能、天然气等能源管理系统都是相互独立的，各种能源之间没有交互，能源综合利用率低，易出现弃能的情况，随之能源互联网的概念被提出。能源互联网是能量与信息紧密耦合实现安全高效协调共享的新型能源利用体系，可以灵活高效的利用多种能源，缓解能源危机，同时也符合低碳、绿色、可持续的发展理念。能源路由器作为能源互联网中的重要装备，是一个可以操控能量输配和调控能源的插件，它融合了现代电力电子技术和信息通信技术，将电力电子变压器、能量转换器、分布式能源、储能装置、负荷、信息采集和传输装置等集成，使信息网络领域对等开放、即插即用和开放互联的特点在能源领域得以延伸。
3.随着能源需求呈现多样化和分布化趋势，多能源系统互联成为能源互联网的重要发展方向。在能量生产、传输、存储和利用等各个方面，都需要考虑运用互联集成、协同调度、灵活配置的方法来分析整个能源系统，加强能源互联，促进多种能源协同优化互补成为未来能源系统发展的必然趋势。在以往的能源系统中，规划与设计大多是单独进行的，忽略了多种能源系统之间的相关性；对于考虑能源耦合的能源系统中，较多针对于单个综合能源系统的优化运行和能量管理，没有考虑多区域下综合能源系统的互联互通，对能源互联网的特性挖掘不够。
4.综上所述，当前对于能源互联网中多个综合能源系统协同运行优化的研究较少，在能源互联网相关研究飞速发展的背景下，综合能源微网互联系统的能量管理策略具有重要的研究价值和应用前景。


技术实现要素：

5.本发明的目的是克服现有技术中存在的能效利用水平低的缺陷与问题，提供一种能效利用水平高的综合能源微网互联系统及其调度方法。
6.为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种综合能源微网互联系统的调度方法，该方法包括以下步骤：s1、获取综合能源微网互联系统参数信息；s2、建立能源耦合设备模型，能源耦合设备模型包括热电联供系统模型、燃气锅炉模型、电转气设备模型、电热锅炉模型与储能设备模型，所述热电联供系统模型包括燃气轮机模型与余热锅炉模型；s3、建立能源路由器模型；s4、建立电力、热力、天然气系统统一稳态潮流模型；
s5、建立综合能源微网互联系统优化调度模型；s6、对综合能源微网互联系统优化调度模型进行求解，获取最优调度策略。
7.步骤s1中，所述参数信息包括能源耦合设备参数、能源路由器参数、微网内部子能源系统参数、互联拓扑结构信息、经济成本信息、碳排放信息、安全运行约束信息、各类微网负荷信息。
8.步骤s2中，燃气轮机模型为：步骤s2中，燃气轮机模型为：式中，为燃气轮机发电效率，为燃气轮机余热回收效率，为燃气轮机排气余热回收功率，为燃气轮机的发电功率，为运行时间内燃气轮机所消耗的天然气量，为天然气热值；余热锅炉模型为：式中，为余热锅炉的输出功率，为燃气轮机排气余热回收功率，为余热锅炉的热转化效率；燃气锅炉模型为：式中，为燃气锅炉的热功率，为燃气锅炉在时间段消耗的燃气量，为燃气锅炉的热效率；电转气设备模型为：式中，为电转气设备的天然气产生量，为电转气设备消耗电量，为电转气设备的工作效率，为能量转换系数，为高发热值；电热锅炉模型为：式中，为电热锅炉的输出制热功率，为电制冷机的输入电功率，为电制冷机的能效比；储能设备模型为：式中，为储能设备在时段储存的能量，为时段到时段的时间间隔，为时段储能的功率，为储能设备的储能效率，为时段放能的功率，为储能设备自身向环境散能损失或自损耗的能量系数，为储能设备的放能效率。
9.步骤s3中，能源路由器模型为：步骤s3中，能源路由器模型为：式中，为能源路由器的输入矩阵，为能源路由器的转化与传输矩阵，为能源路由器的输出矩阵，和分别为第种能源的输出和输入，非对角元素为能源和能源之间的转换系数，对角线元素为同种能源的分配与损耗系数；的分配与损耗系数；式中，和为分配系数，同种能源分配系数和为1，；为能源耦合设备转换效率；为同种能源之间的传输损耗系数。
10.步骤s4中，电力、热力、天然气系统统一稳态潮流模型包括：热力系统模型为：热力系统模型为：式中，为节点处的热源供应热功率或热负荷需求热功率，为热水比热容，为流出热源或流进热负荷节点的水流质量，为余热锅炉的输出热功率，为燃气锅炉的输出热功率，为电热锅炉的输出热功率，为能源路由器热能端口的热功率，为热负荷功率，为节点处热水流出热源或流进热负荷时的温度，为节点处热水流进热源或流出热负荷时的温度；热能在热力管道传输中的损耗由管道中水流温度降落描述：式中，、、分别为管道所处环境温度、首端温度、末端温度，、、分别为管道的传热系数、管道长度、质量流量；在管道交汇节点处，热水满足能量守恒定律，节点汇合处流入流出关系如下式：
式中，、分别为流进节点处管道末端的热水温度、质量流量，、分别为流出节点处管道始端的热水温度、质量流量；天然气系统模型为：式中，、、、分别为天然气流量、管道特征参数、天然气流量方向变量、压强；下标、、分别为管道首端节点、管道末端节点、管道；压缩机模型为：式中，为压缩机产生的压强；、、分别为压缩机特征参数、压缩机消耗的流量、压缩机因子相关参数；下标为压缩机；、、为压缩机耗量特征曲线参数；天然气系统中的节点满足流量守恒定律，即：式中，为购气量，为连接到配气网节点的设备集合，为配气网中以为首端节点的支路末端节点集合，为配气网中以为末端节点的支路首端节点集合，为流入末端节点的天然气量，为流入首端节点的天然气量，为时段气负荷的预测值，、、分别为时段燃气轮机的天然气消耗量、燃气锅炉的天然气消耗量、电转气设备的天然气产生量；电力系统模型为：
式中，、、分别为节点至节点支路的有功功率、无功功率、电流；和分别为节点至节点支路的有功功率和无功功率；和分别为支路的电阻和电抗；和分别为节点和节点的电压；和分别为微网内部功率支撑设备的有功功率和无功功率；和分别为微网内部负荷的有功功率和无功功率；和分别为热电联供系统发出的有功功率和无功功率；和分别为电转气设备消耗的有功功率和无功功率；和分别为电热锅炉消耗的有功功率和无功功率；表示支路的起点为，终点为。
11.步骤s5中，综合能源微网互联系统优化调度模型的目标函数为最小化系统的运行成本，如下式：式中，为购气成本，为购电成本，为供热成本，为能源耦合设备运行维护成本，为能源网络损耗成本，为弃风弃光惩罚成本；购气成本为：式中，为天然气价格，为第种天然气设备的购气量；购电成本为：式中，为电价，为第种电力设备的购电功率；供热成本为：
式中，为供热价格，为第种热设备的热功率需求；能源耦合设备运行维护成本为：式中，为第种设备维护费用系数，为第种能源耦合设备的功率；能源网络损耗成本为：式中，为天然气的网络损耗，为电力的网络损耗，为热能的网络损耗；弃风弃光惩罚成本为：式中，为弃风功率，为弃光功率。
12.步骤s5中，综合能源微网互联系统优化调度模型的约束条件包括能源耦合设备运行约束、综合能源微网系统运行约束与功率平衡约束；（1）能源耦合设备运行约束能源耦合设备的功率约束为：式中，为第类能源耦合设备，为第类能源耦合设备在时段的功率，为功率下限，为功率上限；对于储能设备，容量约束为：式中，为储能设备在时段储存的能量，为储能设备容量下限，为储能设备容量上限；（2）综合能源微网互联系统运行约束热力系统的运行约束为：
式中，和分别为节点供水热水温度的下限和上限，和分别为节点回水热水温度的下限和上限，和分别为热力管道质量流量的下限和上限；天然气系统的运行约束为：式中，和分别为节点压强的下限和上限，和分别为管道天然气流量的下限和上限，和分别为压缩机的压缩比下限和上限；电力系统的运行约束为：电力系统的运行约束为：式中，和分别为节点电压的下限和上限，为支路的电流值上限。
13.步骤s6中，采用改进的量子粒子群算法对综合能源微网互联系统优化调度模型进行求解，求解步骤为：（1）输入初始数据；（2）按照量子位的概率幅初始化粒子种群；（3）求解各微网内部的电、热、气综合潮流，并判断优化调度是否有解，若无解，则将适应度函数值设为无穷大；否则，保存解；（4）计算适应度函数值；（5）检验迭代次数是否达到上限，若是，输出最优调度策略；否则，更新粒子，返回步骤（3）。
14.步骤s6中，量子粒子群算法改进如下：（1）粒子编码改进量子粒子群算法采用量子位的概率幅作为粒子的当前位置编码，公式如下：式中，为第个粒子位置；为解空间维度；和分别为第个粒子第维对应的余弦位置和正弦位置；
将粒子两个单位空间位置转换为优化问题的解空间正弦位置和余弦位置，转换公式如下式：式中，和分别为量子的第个位置的最大值和最小值；（2）粒子位置更新用量子行为位置更新方程式对更优位置进行位置的更新，之后返回值，从而构成更新的第个粒子的正弦位置和余弦位置，进而构成新一代第个粒子的当前位置编码；位置更新方程如下式：码；位置更新方程如下式：码；位置更新方程如下式：码；位置更新方程如下式：式中，为当前粒子编号，为第次迭代，和分别为粒子个体最优位置和种群全局最优位置，和均为上的随机数，为种群的大小，为种群中所有粒子个体最优位置的平均值，为收缩-扩展因子。
15.一种综合能源微网互联系统，系统包括综合能源微网与能源路由器，所述综合能源微网包括电力网络、热力网络、天然气网络、热电联供系统、电热锅炉、燃气锅炉与电转气设备，所述电力网络通过电热锅炉与热力网络连接，电力网络通过电转气设备与天然气网络连接，电力网络通过热电联供系统与天然气网络、热力网络连接，所述天然气网络通过燃气锅炉与热力网络连接，所述热电联供系统包括燃气轮机与余热锅炉，所述综合能源微网之间通过能源路由器互相连接，所述能源路由器包括电能端口、热能端口、燃气端口、电能变换功率模块、能量转化功率模块与管控中心，所述管控中心分别与电能变换功率模块、能量转换功率模块连接。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明一种综合能源微网互联系统及其调度方法中，通过强化微网内部以及微网之间电、热、气等不同能流形式之间的耦合互补关系，对电力、热力、天然气系统进行协同调度，可以发挥多能协调互补效益潜力，提升互联系统的经济性、低碳性和灵活性，提高资源优化配置的能力；电热气系统的互联为运行调度提供了更多的灵活性，分布式优化实现了兼顾各区域、平衡低碳和经济目标的协调优化调度。因此，本发明提高了系统能效利用水平，从而提升了综合能源微网的环境效益和经济效益。
附图说明
17.图1是本发明综合能源微网互联系统的调度方法的流程图。
18.图2是本发明综合能源微网互联系统的结构示意图。
19.图3是本发明中能源路由器的结构示意图。
20.图4是本发明中电/热/气能量转化示意图。
21.图5是本发明中综合能源微网互联系统优化调度模型的求解流程示意图。
具体实施方式
22.以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
23.参见图1，一种综合能源微网互联系统的调度方法，该方法包括以下步骤：s1、获取综合能源微网互联系统参数信息；所述参数信息包括能源耦合设备参数、能源路由器参数、微网内部子能源系统参数、互联拓扑结构信息、经济成本信息、碳排放信息、安全运行约束信息、各类微网负荷信息；s2、建立能源耦合设备模型，能源耦合设备模型包括热电联供系统模型、燃气锅炉模型、电转气设备模型、电热锅炉模型与储能设备模型，所述热电联供系统模型包括燃气轮机模型与余热锅炉模型；燃气轮机模型为：燃气轮机模型为：式中，为燃气轮机发电效率，为燃气轮机余热回收效率，为燃气轮机排气余热回收功率，为燃气轮机的发电功率，为运行时间内燃气轮机所消耗的天然气量；为天然气热值，一般取9.7kw
×
h/m3；余热锅炉将燃气轮机产生的余热收集起来，输出功率与余热锅炉的效率有关，余热锅炉模型为：式中，为余热锅炉的输出功率，为燃气轮机排气余热回收功率，为余热锅炉的热转化效率；燃气锅炉产生的热量与锅炉效率、燃料量有关，燃气锅炉模型为：式中，为燃气锅炉的热功率，为燃气锅炉在时间段消耗的燃气量，为燃气锅炉的热效率；电转气设备在天然气网络中被视作气源，在电力系统中被视作负荷，电转气设备模型为：
式中，为电转气设备的天然气产生量，为电转气设备消耗电量，为电转气设备的工作效率；为能量转换系数，通常取值为；为高发热值，其值取；电热锅炉提供的制热功率与输入电功率和能效比有关，电热锅炉模型为：式中，为电热锅炉的输出制热功率，为电制冷机的输入电功率，为电制冷机的能效比；储能设备包括多种能源的能量存储设备，包括储热、储电、储气设备等，储能设备模型为：式中，为储能设备在时段储存的能量，为时段到时段的时间间隔，为时段储能的功率，为储能设备的储能效率，为时段放能的功率，为储能设备自身向环境散能损失或自损耗的能量系数，为储能设备的放能效率；储能设备在某个时间段内储存和释放能量不能同时发生；s3、建立能源路由器模型，能源路由器模型包括多种能量的传输与转化模型；能源路由器如图3所示，采用矩阵来描述能源路由器中能量流动特性，将多种能源的输入、转化和输出连接在一起，更能直观体现出能量交互和耦合，能源路由器模型为：化和输出连接在一起，更能直观体现出能量交互和耦合，能源路由器模型为：式中，为能源路由器的输入矩阵，为能源路由器的转化与传输矩阵，为能源路由器的输出矩阵，和分别为第种能源的输出和输入；非对角元素为能源和能源之间的转换系数，转换系数主要包括能源分配系数和能源元件的效率，其中分配系数即输入的能源按比例分配到不同的能源转换设备；对角线元素为同种能源的分配与损耗系数；耗系数；式中，和为分配系数，同种能源分配系数和为1，；为能源耦合设备转换效率；为同种能源之间的传输损耗系数；
s4、建立电力、热力、天然气系统统一稳态潮流模型；电力、热力、天然气系统统一稳态潮流模型包括：热力系统一般由热源、热网和热负荷组成，热力系统传输或消耗的热能决定于水流流量和温度，热力系统模型为：流流量和温度，热力系统模型为：式中，为节点处的热源供应热功率或热负荷需求热功率，为热水比热容，为流出热源或流进热负荷节点的水流质量，为余热锅炉的输出热功率，为燃气锅炉的输出热功率，为电热锅炉的输出热功率，为能源路由器热能端口的热功率，为热负荷功率，为节点处热水流出热源或流进热负荷时的温度，为节点处热水流进热源或流出热负荷时的温度；热能在热力管道传输中的损耗由管道中水流温度降落描述：式中，、、分别为管道所处环境温度、首端温度、末端温度，、、分别为管道的传热系数、管道长度、质量流量；在管道交汇节点处，热水满足能量守恒定律，节点汇合处流入流出关系如下式：在管道交汇节点处，热水满足能量守恒定律，节点汇合处流入流出关系如下式：在管道交汇节点处，热水满足能量守恒定律，节点汇合处流入流出关系如下式：式中，由于流入节点的不同管道水流质量和温度不尽相同，从节点流出的水流温度相同，、分别为流进节点处管道末端的热水温度、质量流量，、分别为流出节点处管道始端的热水温度、质量流量；天然气系统主要由天然气管道、加压站、气负荷、调节阀等组成；通过调节调压阀等可以有效地实现对天然气管道气流量的控制，天然气管道气流量与管道两侧节点的压力以及管道传输条件密切相关，天然气系统模型为：式中，、、、分别为天然气流量、管道特征参数、天然气流量方向变量、压强；下标、、分别为管道首端节点、管道末端节点、管道；当时，；否则，
；加压站由燃气轮机、发动机和压缩机构成，通过对管道中的天然气加压来抵消输送过程中消耗的压力，燃气轮机从加油站汲取天然气为压缩机工作提供所需电能，压缩机模型为：式中，为压缩机产生的压强；、、分别为压缩机特征参数、压缩机消耗的流量、压缩机因子相关参数；下标为压缩机；、、为压缩机耗量特征曲线参数；天然气系统中的节点满足流量守恒定律，即：式中，为购气量，为连接到配气网节点的设备集合，为配气网中以为首端节点的支路末端节点集合，为配气网中以为末端节点的支路首端节点集合，为流入末端节点的天然气量，为流入首端节点的天然气量，为时段气负荷的预测值，、、分别为时段燃气轮机的天然气消耗量、燃气锅炉的天然气消耗量、电转气设备的天然气产生量；电力系统采用交流配电网的distflow潮流模型，电力系统模型为：式中，、、分别为节点至节点支路的有功功率、无功功率、电流；和分别为节点至节点支路的有功功率和无功功率；和分别为支路的电阻和电抗；和分别为节点和节点的电压；和分别为微网内部功率支
撑设备的有功功率和无功功率；和分别为微网内部负荷的有功功率和无功功率；和分别为热电联供系统发出的有功功率和无功功率；和分别为电转气设备消耗的有功功率和无功功率；和分别为电热锅炉消耗的有功功率和无功功率；表示支路的起点为，终点为，功率的参考方向为起点至终点；s5、建立综合能源微网互联系统优化调度模型；综合能源微网互联系统优化调度模型的目标函数为最小化系统的运行成本，如下式：式中，为购气成本，为购电成本，为供热成本，为能源耦合设备运行维护成本，为能源网络损耗成本，为弃风弃光惩罚成本；购气成本为：式中，为天然气价格，为第种天然气设备的购气量；购电成本为：式中，为电价，为第种电力设备的购电功率；供热成本为：式中，为供热价格，为第种热设备的热功率需求；能源耦合设备运行维护成本为：式中，为第种设备维护费用系数；为第种能源耦合设备的功率，包括电转气设备、热电联供系统、燃气锅炉、电热锅炉、能源路由器；能源网络损耗成本为：
式中，为天然气的网络损耗，为电力的网络损耗，为热能的网络损耗；弃风弃光惩罚成本为：式中，为弃风功率，为弃光功率；综合能源微网互联系统优化调度模型的约束条件包括能源耦合设备运行约束、综合能源微网系统运行约束与功率平衡约束；（1）能源耦合设备运行约束能源耦合设备包括燃气轮机、余热锅炉、燃气锅炉、电转气设备、电热锅炉、储能设备，能源耦合设备运行约束主要包括能源耦合设备的功率约束为：式中，为第类能源耦合设备，为第类能源耦合设备在时段的功率，为功率下限，为功率上限；对于储能设备，容量约束为：式中，为储能设备在时段储存的能量，为储能设备容量下限，为储能设备容量上限；（2）综合能源微网互联系统运行约束热力系统的运行约束为：式中，和分别为节点供水热水温度的下限和上限，和分别为节点回水热水温度的下限和上限，和分别为热力管道质量流量的下限和上限；天然气系统的运行约束为：式中，和分别为节点压强的下限和上限，和分别为管道天然气流量的
下限和上限，和分别为压缩机的压缩比下限和上限；电力系统的运行约束为：电力系统的运行约束为：式中，和分别为节点电压的下限和上限，为支路的电流值上限；s6、对综合能源微网互联系统优化调度模型进行求解，得到能源耦合设备出力、能源路由器各端口功率，从而获取最优调度策略；参见图5，采用改进的量子粒子群算法对综合能源微网互联系统优化调度模型进行求解，求解步骤为：（1）输入初始数据；包括电价、气价、热价，电力网络、热力网络及天然气网络网络结构、原始参数及运行约束，微网内部光伏、风电日前预测出力数据；（2）按照量子位的概率幅初始化粒子种群；包括电转气设备、电热锅炉、热电联供系统、燃气锅炉以及能源路由器各个端口的功率；（3）求解各微网内部的电、热、气综合潮流，并判断优化调度是否有解，若无解，则将适应度函数值设为无穷大；否则，保存解；（4）计算适应度函数值；（5）检验迭代次数是否达到上限，若是，输出最优调度策略；否则，更新粒子，返回步骤（3）。
24.量子粒子群算法改进如下：（1）粒子编码改进量子粒子群算法采用量子位的概率幅作为粒子的当前位置编码，公式如下：式中，为第个粒子位置；为解空间维度；和分别为第个粒子第维对应的余弦位置和正弦位置，余弦位置和正弦位置分别对应着量子态和的概率幅；如此对粒子的当前位置进行编码，使得一个粒子能同时表示两种状态，对应两个解空间的位置，可以加快算法的收敛速度并提高算法的搜索精度；将粒子两个单位空间位置转换为优化问题的解空间正弦位置和余弦位置，转换公式如下式：式中，和分别为量子的第个位置（对于优化问题的第个变量）的最大值和最小值；
（2）粒子位置更新用量子行为位置更新方程式对更优位置进行位置的更新，之后返回值，从而构成更新的第个粒子的正弦位置和余弦位置，进而构成新一代第个粒子的当前位置编码；位置更新方程如下式：码；位置更新方程如下式：码；位置更新方程如下式：码；位置更新方程如下式：式中，为当前粒子编号，为第次迭代，和分别为粒子个体最优位置和种群全局最优位置，和均为上的随机数，为种群的大小，为种群中所有粒子个体最优位置的平均值；为收缩-扩展因子，通常线性减小。
25.参见图2，一种综合能源微网互联系统，该系统包括综合能源微网与能源路由器，所述综合能源微网包括电力网络、热力网络、天然气网络、热电联供系统、电热锅炉、燃气锅炉、电转气设备及电热气等多能源负荷，各设备之间的耦合关系如图4所示，所述电力网络通过电热锅炉与热力网络连接，电力网络通过电转气设备与天然气网络连接，电力网络通过热电联供系统与天然气网络、热力网络连接，所述天然气网络通过燃气锅炉与热力网络连接，所述热电联供系统包括燃气轮机与余热锅炉等能量转换装置，所述综合能源微网之间通过能源路由器互相连接；参见图3，所述能源路由器包括电能端口、热能端口、燃气端口、电能变换功率模块、能量转化功率模块与管控中心，所述管控中心分别与电能变换功率模块、能量转换功率模块连接。能源路由器可以采集外部信息，如负荷数据、网络结构等系统参数，同时具有能量优化、能量管理、风险评估、路径寻优、感知保护以及电气量测等功能，将能源路由器应用于能源互联网，可以提高能源的转化、传输与利用效率。
26.本发明在综合能源微网的任一调度周期内获取各能源设备的设备参数总集，能源网络结构参数和在预设时长所采集的多能负荷数据；构建能源设备动态效率模型、能源路由器能量传输与转换模型以及多能流网络稳态潮流模型，进一步构建环保经济系统运行模型获取最优调度方案。
27.本发明构建了区域分布式能源互联网拓扑结构、设备配置与运行策略的协同优化数学模型，从而可以提高系统的综合能源利用效率。本发明包括微网内部的优化调度和微网之间的优化调度；对微网内部的优化调度包括能源耦合设备的出力，能够保证微网内部的能量优化；对微网之间的调度包括不同微网的电力、热力、天然气系统通过能源路由器实现能量的转化与传输，从而实现不同区域的能量互补，进一步降低整个互联系统的运行成本，提高经济效益和环境效益。