综合能源系统运行优化模型的制作方法

1.本发明涉及能源管理技术领域，具体涉及一种综合能源系统运行优化模型。


背景技术：

2.近年来，我国以化石能源为主体的能源消费结构带来了严重的环境和气候问题，节能减排压力也随之增大，提高能源利用效率和以清洁能源为主体的能源结构成为经济可持续发展的必然趋势。作为智能电网和能源互联网建设的前提，综合能源系统正在蓬勃发展，能实现多种能源的优势互补，提高能源的利用效率，成为解决能源问题的具体实现方式。然而，目前电力系统、热力系统、天然气系统等各系统之间的耦合性不强，亟需多系统之间增加耦合，提高系统抗风险能力，保障综合能源系统的安全可靠性运行。
3.目前，针对综合能源系统的运行优化研究，多集中在某一特定场景下为实现低碳、经济等目标，以综合能源系统成本最小作为优化结果，以各系统的功率约束、出力区间约束、储能容量约束和可控机组爬坡出力等作为约束条件，构建综合能源系统的优化模型。文献[1]在构建区域综合能源系统调度成本模型中，考虑了弃风成本、环境污染成本和电、热储能损耗成本等，进而提高调度经济性较差的问题。文献[2]在四种场景下，以供电平衡、供热(冷) 平衡及微型燃气轮机运行等为约束条件，对比各情景下的运行成本。文献[3]以能源供应商和用户的效用最大化为条件，提出了一种基于联盟博弈的综合能源系统优化运行方法，建立了考虑新能源发电机综合需求响应的综合能源系统双层优化模型。文献[4]考虑含电转气的电力系统及天然气系统的能流模型与安全约束，将二氧化碳排放量折算到经济维度和系统的运行成本共同组成综合成本最低的目标函数，从而构建综合能源系统的优化运行模型。文献[5]除考虑综合能源系统运行优化的一般约束之外，将绿证市场售价、绿色证书配额、电气母线平衡、热水母线平衡和蒸汽母线平衡等，建立了含绿色证书跨链交易的综合能源系统优化模型；文献[6]对于社区级综合能源系统优化模型的构建，考虑了功率平衡、发电设备出力限制、储能装置容量和储能装置充放电等约束条件，建立了包含直接运行成本和综合碳成本的目标函数。
[0004]
本文针对综合能源系统的运行优化问题，考虑系统内部电力系统、天然气系统、热力系统三部分单独运行及耦合转化，以综合能源系统总成本最小为目标函数，以各设备出力和功率平衡为约束条件，构建满足系统内电负荷、热负荷、气负荷三类负荷的系统规划模型。


技术实现要素：

[0005]
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种综合能源系统运行优化模型，增加各系统的耦合性，保障综合能源系统的可靠运行，提高能源的利用效率。
[0006]
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
[0007]
一种综合能源系统运行优化模型，包括区域能源系统调控中心和各类生产设备、
转换设备及储存设备，区域能源系统调控中心分别与各类生产设备、转换设备及储存设备连接，储存设备分别与各类生产设备和转换设备连接，区域能源系统调控中心分别连接有能源消费侧模块和能源供应侧模块。
[0008]
按照上述技术方案，生产设备包括可再生发电系统、光伏发电系统、热电联产机组和冷热电联供系统；
[0009]
转换设备包括燃气轮机、燃气锅炉、氢燃料电池；
[0010]
储存设备包括储能电池、储热罐和储气罐。
[0011]
按照上述技术方案，所述的综合能源系统运行优化模型以综合能源系统优化运行成本最低为目标函数进行构建：
[0012]
min q＝k
wt
p
wt
k
pv
p
pv
k
dg
p
dg
k
p2g
p
p2g
k
eb
p
eb
k
gb
p
gb k
es
p
es
k
hs
p
hs
k
gs
p
gs
c
ele
c
gas
c
he
[0013]
其中，p
wt
为24时中风力发电系统电出力最大功率，p
pv
为24时中光伏发电系统最大出力功率，p
dg
为24时中燃气机组最大出力功率，p
p2g
为24时中p2g最大出力功率，p
eb
为 24时中电锅炉最大出力功率，p
gb
为24时中燃气锅炉最大出力功率，p
es
为24时中最大储电功率，p
hs
为24时中最大储氢功率，p
gs
为24时中最大储气功率；
[0014]kwt
为风力发电机组单位造价，k
pv
为光伏机组单位造价，k
dg
为燃气机组单位造价，k
p2g
为p2g设备单位造价，k
eb
为电锅炉单位造价，k
gb
为燃气锅炉单位造价，k
hs
为储热罐单位造价，k
es
为储能蓄电池单位造价，k
gs
为储气罐单位造价，c
ele
为购电成本，c
gas
为购气成本， c
he
为购热成本。
[0015]
按照上述技术方案，综合能源系统的生产设备和转换设备从类别分为电力系统、天然气系统和供热供冷系统，所述的综合能源系统运行优化模型的整个区域内的电力功率需要维持平衡状态，包括电功率平衡、热功率平衡和气功率平衡。
[0016]
按照上述技术方案，电功率平衡：
[0017]
p
pv,t
p
w,t
p
dg,t
＝p
p2g,t
p
es,t
p
ae,t
[0018]
式中，p
ae,t
为用户用电负荷，p
pv,t
为光伏发电系统在t时刻的发电功率，p
w,t
为风力发电系统在t时刻风电输出功率，p
dg,t
为燃气机组功率，p
p2g,t
为p2g电转气生成气体的功率，p
es
为蓄电池t时刻气体留存功率。
[0019]
p
pv,t
＝aiη
pv
[0020]
式中，a为光伏安装容量；i为日照强度；η
pv
为光电转换效率；
[0021]
风力发电系统
[0022]
式中，表示t时刻风电出力额定功率；为风电机组；
[0023][0024][0025]
式中，p
dg,t
为燃气机组功率，为燃气机组功率上限，为燃气机组功率下限，为燃气机组爬坡功率下限，为燃气机组爬坡功率上限；
[0026]
[0027]
式中，p
p2g,t
为p2g电转气生成气体的功率，为输入p2g的电功率，η
p2g
为p2g设备效率；
[0028][0029]
p
es,t
为蓄电池t时刻气体留存功率，为储热罐储热功率，η
est
热力留存效率，为储气罐释放功率，η
erl
为气体释放效率。
[0030]
按照上述技术方案，热功率平衡：
[0031]
p
eb,t
p
gb,t
＝p
ah,t
p
hs,t
[0032]
式中，p
ah,t
为用户用热负荷，p
eb,t
为电锅炉在t时刻的热力出力功率，p
gb,t
为燃气锅炉在t时刻的热力出力功率，p
hs,t
为储热罐t时刻气体留存功率。
[0033][0034]
式中，p
eb,t
为电锅炉热力出力功率，为电锅炉电功率，η
eg
为电锅炉电转热效率；
[0035][0036]
式中，p
gb,t
为燃气锅炉热力出力功率，燃气锅炉气转热效率，η
gg
为燃气锅炉用气功率；
[0037][0038]
p
hs,t
为储热罐t时刻气体留存功率，为储热罐储热功率，η
hst
热力留存效率，为储气罐释放功率，η
hrl
为气体释放效率。
[0039]
按照上述技术方案，气功率平衡：
[0040]
p
p2g,t
＝p
ag,t
p
gs,t
[0041]
式中，p
ag,t
为用户用气负荷，p
p2g,t
为p2g在t时刻电转气生成气体的功率，p
gs,t
为储气罐t时刻气体留存功率。
[0042][0043]
式中，p
p2g,t
为p2g在t时刻电转气生成气体的功率，为输入p2g的电功率，η
p2g
为 p2g设备效率；
[0044][0045]
p
gs,t
为储气罐t时刻气体留存功率，为储气罐储存功率，η
gst
为气体留存效率，为储气罐释放功率，η
grl
为气体释放效率。
[0046]
本发明具有以下有益效果：
[0047]
本发明增加各系统的耦合性，保障综合能源系统的可靠运行，提高能源的利用效
率。
附图说明
[0048]
图1是本发明实施例中综合能源系统运行优化模型的构架图；
[0049]
图2是本发明实施例中用户用电、用热及用气的负荷曲线图；
[0050]
图3是本发明实施例中综合能源系统运行优化模型的各设备分时段的出力曲线图；
[0051]
图4是本发明实施例中综合能源系统运行优化模型的各设备的投资成本立柱图。
具体实施方式
[0052]
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
[0053]
参照图1～图4所示，本发明提供的一个实施例中的综合能源系统运行优化模型，包括区域能源系统调控中心和各类生产设备、转换设备及储存设备，区域能源系统调控中心分别与各类生产设备、转换设备及储存设备连接，储存设备分别与各类生产设备和转换设备连接，区域能源系统调控中心分别连接有能源消费侧模块和能源供应侧模块，区域能源系统调控中心通过能源消费侧模块和能源供应侧模块获得购电成本、购气成本和购热成本及相应的需求量。
[0054]
进一步地，生产设备包括可再生发电系统、分布式光伏发电系统、热电联产机组和冷热电联供系统；可再生发电系统包括风力发电系统；
[0055]
转换设备包括燃气轮机、燃气锅炉、氢燃料电池；转换设备还包括电锅炉和p2g设备；
[0056]
储存设备包括储能电池、储热罐和储气罐。
[0057]
进一步地，所述的综合能源系统运行优化模型以综合能源系统优化运行成本最低为目标函数进行构建：
[0058]
min q＝k
wt
p
wt
k
pv
p
pv
k
dg
p
dg
k
p2g
p
p2g
k
eb
p
eb
k
gb
p
gb k
es
p
es
k
hs
p
hs
k
gs
p
gs
c
ele
c
gas
c
he
[0059]
其中，p
wt
为24时中风力发电系统电出力最大功率，p
pv
为24时中光伏发电系统最大出力功率，p
dg
为24时中燃气机组最大出力功率，p
p2g
为24时中p2g最大出力功率，p
eb
为 24时中电锅炉最大出力功率，p
gb
为24时中燃气锅炉最大出力功率，p
es
为24时中最大储电功率，p
hs
为24时中最大储氢功率，p
gs
为24时中最大储气功率；
[0060]kwt
为风力发电机组单位造价，k
pv
为光伏机组单位造价，k
dg
为燃气机组单位造价，k
p2g
为p2g设备单位造价，k
eb
为电锅炉单位造价，k
gb
为燃气锅炉单位造价，k
hs
为储热罐单位造价，k
es
为储能蓄电池单位造价，k
gs
为储气罐单位造价，c
ele
为购电成本，c
gas
为购气成本， c
he
为购热成本；生产设备和转换设备中包括风电机组、光伏机组、燃气机组、p2g设备、电锅炉和燃气锅炉，储存设备包括储能电池、储热罐和储气罐。
[0061]
进一步地，p2g设备是指可再生能源发电技术设备，利用风力发电、太阳能发电等的剩余电力电解水生成氢，然后提供给现有的燃气管道网络；或者利用电力、水及大气中的co2，通过甲烷化反应制造甲烷，提供燃气。
[0062]
进一步地，综合能源系统的生产设备和转换设备从类别分为电力系统、天然气系
统和供热供冷系统，整个区域内的电力功率需要维持平衡状态，包括电功率平衡、热功率平衡和气功率平衡。
[0063]
进一步地，电功率平衡：
[0064]
p
pv,t
p
w,t
p
dg,t
＝p
p2g,t
p
es,t
p
ae,t
[0065]
式中，p
ae,t
为用户用电负荷，p
pv,t
为光伏发电系统在t时刻的发电功率，p
w,t
为风力发电系统在t时刻风电输出功率，p
dg,t
为燃气机组功率，p
p2g,t
为p2g电转气生成气体的功率，p
es
为蓄电池t时刻气体留存功率。
[0066]
p
pv,t
＝aiη
pv
[0067]
式中，a为光伏安装容量；i为日照强度；η
pv
为光电转换效率；
[0068]
风力发电系统
[0069]
式中，表示t时刻风电出力额定功率；为风电机组；
[0070][0071][0072]
式中，p
dg,t
为燃气机组功率，为燃气机组功率上限，为燃气机组功率下限，为燃气机组爬坡功率下限，为燃气机组爬坡功率上限；
[0073][0074]
式中，p
p2g,t
为p2g电转气生成气体的功率，为输入p2g的电功率，η
p2g
为p2g设备效率；
[0075][0076]
p
es,t
为蓄电池t时刻气体留存功率，为储热罐储热功率，η
est
热力留存效率，为储气罐释放功率，η
erl
为气体释放效率。
[0077]
进一步地，热功率平衡：
[0078]
p
eb,t
p
gb,t
＝p
ah,t
p
hs,t
[0079]
式中，p
ah,t
为用户用热负荷，p
eb,t
为电锅炉在t时刻的热力出力功率，p
gb,t
为燃气锅炉在t时刻的热力出力功率，p
hs,t
为储热罐t时刻气体留存功率。
[0080][0081]
式中，p
eb,t
为电锅炉热力出力功率，为电锅炉电功率，η
eg
为电锅炉电转热效率；
[0082][0083]
式中，p
gb,t
为燃气锅炉热力出力功率，燃气锅炉气转热效率，η
gg
为燃气锅炉用气功率；
[0084][0085]
p
hs,t
为储热罐t时刻气体留存功率，为储热罐储热功率，η
hst
热力留存效率，为储气罐释放功率，η
hrl
为气体释放效率。
[0086]
进一步地，气功率平衡：
[0087]
p
p2g,t
＝p
ag,t
p
gs,t
[0088]
式中，p
ag,t
为用户用气负荷，p
p2g,t
为p2g在t时刻电转气生成气体的功率，p
gs,t
为储气罐t时刻气体留存功率。
[0089][0090]
式中，p
p2g,t
为p2g在t时刻电转气生成气体的功率，为输入p2g的电功率，η
p2g
为 p2g设备效率；
[0091][0092]
p
gs,t
为储气罐t时刻气体留存功率，为储气罐储存功率，η
gst
为气体留存效率，为储气罐释放功率，η
grl
为气体释放效率。
[0093]
本发明的工作原理：综合能源系统是由电力系统、天然气系统和热(冷)系统组成的复 杂的耦合系统，在能源的建设和规划过程中，通过对各类能源的生产、供应、转换、存储和 消费环节对能源进行有机的协调与规划。其基本架构在于综合能源系统的物理构成，即保障 综合能源系统基本运行。科学、全面、准确的描述综合能源系统的基本架构是对综合能源系 统进行多尺度系统建模的基础。本文对综合能源系统基本架构的描述从能源供应侧、输配侧 和消费侧三部分来展开。
[0094]
能源供应侧即上游市场。上游市场一般由电力市场、热力市场和天然气市场组成。其生产的一次能源和二次能源一方面输送到需求侧供用户使用，另一方面，批发到综合能源系统运营商，通过采取多种方式，将一次能源和二次能源高效快捷地转换为各种各样的能源形式，从而满足需求侧不同用户的用能需求。
[0095]
能源输配侧即综合能源系统运营商。综合能源系统运营商由区域能源系统调控中心和各类生产设备、转换设备及储存设备组成。区域能源调控中心一方面接收上游市场及需求侧的能源批发需求响应信息和能源交易需求响应指令，另一方面，遥测生产设备、转换设备和储存设备。生产设备为小规模可再生发电系统，一般有分布式光伏发电、热电联产(combinedheat and power，chp)机组和冷热电联供系统(combined cooling heating and power，cchp) 等。转换设备为包括燃气轮机、燃气锅炉、氢燃料电池等在内的设备。储存设备是包括储能电池、储热罐和储气罐等设备在内的辅助型设备。
[0096]
能源消费侧即需求侧。需求侧一般由典型产业园区用户、典型公共机构用户、典型商业用户和典型居民用户构成。需求侧获得能源的途径一是从上游市场直接购入，二是从综合能源系统运营商通过能源输送网络，包括电网、热网、冷网获得供能服务。此外，需求侧为区域能源调控中心提供交易数据，供区域能源调控中心实施负荷监测。
[0097]
综合能源系统优化运行数学模型构建
[0098]
模型主要考虑燃气轮机、储能等设备满足用户电、热、气的负荷需求，以投运成本最小为目标函数，实现系统经济运行。具体而言，电负荷通过风力发电系统、光伏发电系统、燃气机组满足用户用电需求，热负荷通过燃气锅炉满足用户用热需求，气负荷通过p2g满足用户用气需求。
[0099]
3.1各系统约束
[0100]
在本文中，综合能源系统依靠风力发电系统、光伏发电系统、
[0101]
(1)风力发电系统
[0102][0103]
式中，表示t时刻风电出力额定功率；为风电机组。
[0104]
(2)光伏发电系统
[0105]
p
pv,t
＝aiη
pv
[0106]
式中，a为光伏安装容量；i为日照强度；η
pv
为光电转换效率。
[0107]
(3)燃气机组
[0108]
系统燃气机组由燃气轮机通过天然气压缩以及与燃料室内燃料混合燃烧生成的气体推动转自转动发电，实现气到电的转化。
[0109][0110][0111]
式中，p
dg,t
为燃气机组功率，为燃气机组功率上限，为燃气机组功率下限，为燃气机组爬坡功率下限，为燃气机组爬坡功率上限。
[0112]
(4)p2g
[0113][0114]
式中，p
p2g,t
为p2g电转气生成气体的功率，为输入p2g的电功率，η
p2g
为p2g设备效率。
[0115]
(5)锅炉
[0116]
本模型中锅炉分为电锅炉与燃气锅炉两种，电锅炉实现电到热的转化，燃气锅炉通过燃烧天然气实现气到热的转化。
[0117]
1)电锅炉
[0118][0119]
式中，p
eb,t
为电锅炉热力出力功率，为电锅炉电功率，η
eg
为电锅炉电转热效率。
[0120]
2)燃气锅炉
[0121][0122]
p
gb,t
为燃气锅炉热力出力功率，燃气锅炉气转热效率，η
gg
为燃气锅炉用气功率。
[0123]
(6)储能系统
[0124]
1)储气装置
[0125][0126]
p
gs,t
为储气罐t时刻气体留存功率，为储气罐储存功率，η
gst
气体留存效率，为储气罐释放功率，η
grl
为气体释放效率。
[0127]
2)储热装置
[0128][0129]
p
hs,t
为储热罐t时刻气体留存功率，为储热罐储热功率，η
hst
热力留存效率，为储气罐释放功率，η
hrl
为气体释放效率。
[0130]
3)蓄电池
[0131][0132]
p
es,t
为蓄电池t时刻气体留存功率，为储热罐储热功率，η
est
热力留存效率，为储气罐释放功率，η
erl
为气体释放效率。
[0133]
3.2功率平衡约束
[0134]
除了满足以上各个系统的功率各自约束外，整个区域内的电力功率需要维持平衡状态：
[0135]
(1)电功率平衡
[0136]
p
pv,t
p
w,t
p
dg,t
＝p
p2g,t
p
es,t
p
ae,t
[0137]
式中，p
ae,t
为用户用电负荷。
[0138]
(2)热功率平衡
[0139]
p
eb,t
p
gb,t
＝p
ah,t
p
hs,t
[0140]
式中，p
ah,t
为用户用电负荷。
[0141]
(3)气功率平衡
[0142]
p
p2g,t
＝p
ag,t
p
gs,t
[0143]
式中，p
ag,t
为用户用电负荷。
[0144]
3.3目标函数
[0145]
模型以综合能源系统优化运行成本最低为目标函数：
[0146]
min q＝k
wt
p
wt
k
pv
p
pv
k
dg
p
dg
k
p2g
p
p2g
k
eb
p
eb
k
gb
p
gb k
es
p
es
k
hs
p
hs
k
gs
p
gs
c
ele
c
gas
c
he
[0147]
式中，k
wt
为风电机组单位造价，k
pv
为光伏机组单位造价，k
dg
为燃气机组单位造价，k
p2g
为p2g设备单位造价，k
eb
为电锅炉单位造价，k
gb
为燃气锅炉单位造价，k
hs
为储热罐单位造价，k
es
为蓄电池单位造价，k
gs
为储气罐单位造价，c
ele
为购电成本，c
gas
为购气成本，c
he
为购热成本。
[0148]
4算例分析
[0149]
本文选取某园区综合能源系统进行算例分析，该系统中用户电负荷如图2所示，可知，在该系统内8:00-20:00为用电负荷高峰。
[0150]
系统固定成本由各类设备一次性投资构成，市场各设备单位投资情况及其额定功率如下所示：
[0151]
表1 各设备单位投建成本
[0152]
设备单位投资(元/kw)光伏机组12000燃气轮机8112电制氢设备800电锅炉1047燃气锅炉782
[0153]
综合能源系统与主网购售电价按照当地工业用电电价四段划分，尖峰时段为 11:00—14:00，16:00—18:00，购电价格1.05元/kwh；峰时段为10:00—11:00，14:00—16:00， 18:00—21:00，购电价格0.95元/kwh；平时段为07:00—10:00，21:00—24:00，购电价格0.65 元/kwh；谷时段为00:00—07:00，购电价格0.38元/kwh。
[0154]
利用第三节模型，对该园区综合能源系统进行计算可得出在系统总成本最低下的各设备分时段出力，如图3所示。
[0155]
从图中可以看出，由于燃气轮机单位造价较为经济，系统利用燃气轮机最多，远远高于光伏发电设备。电制氢设备生成的氢气高峰时段与低谷时段均与园区用气负荷曲线趋势相对应，电锅炉产热高峰时段与低谷时段均与园区用热负荷相对应。各设备典型日最大出力如下表所示：
[0156]
表2 各设备典型日最大出力
[0157]
设备最大出力(mw)光伏机组10.374燃气轮机28.773电制氢设备14.214电锅炉13.42储气罐10.432
[0158]
由表中所得最大出力可对园区内综合能源系统进行容量设置，为保证用能高峰供能稳定性以及园区内成本最低，设置出力裕度为1％。
[0159]
结合各设备单位造价成本计算可得综合能源系统规划总成本35.28万元，其中，燃气轮机成本最高，为18.38万元，其次是光伏机组容量成本，为12.57万元，电制氢设备、电锅炉、储气罐成本分别为1.15万元、2.06万元、1.12万元。
[0160]
本文首先分析了园区级电-热-气综合能源系统中各电力主体、热力主体、天然气和储能主体的特性。其次以投运成本最小为目标函数，考虑各系统出力约束，提出综合能源系统优化运行模型。最后选取了某园区综合能源系统进行算例分析，研究在系统总成本最低下的各设备分时段出力情况，结合各设备单位造价成本得出综合能源系统规划成本。
[0161]
综上所述，随着我国环境和气候问题日趋严重，综合能源系统正在蓬勃发展。然
而，各系统之间的耦合性不强，亟需多系统之间增加耦合。本文以综合能源系统总成本最小为目标函数，考虑系统内部电力系统、天然气系统、热力系统三部分单独运行以及耦合转化，构建了满足系统内电负荷、热负荷、气负荷三类负荷的系统规划模型，进而增加系统的耦合性，保障综合能源系统的可靠运行，提高能源的利用效率。
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以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。