CN112202203A - 一种电热微网能量耦合的梯级利用优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电热微网能量耦合的梯级利用优化方法，本发明利用能量梯级利用原理、电热耦合梯级利用原理，根据不同能源品位，建立能量耦合模型，以及能量品位转换模型，通过能量耦合模型以及能量品位转换模型建立不同母线的能量供需模型，进而建立能量梯级利用的优化模型。本发明数据易于获得，且更接近实际情况，能够增强综合能源***能效利用率，电热微网作为综合能源***的典型形式，可利用不同能源形式特点，实现多能优势互补与协同优化，提升能源***在生产、输配、利用和循环等环节的综合效益，可有效推动能源清洁化发展、支持能源高效利用及节能减排建设。

Description

一种电热微网能量耦合的梯级利用优化方法

技术领域

本发明涉及电网规划技术领域，特别是一种电热微网能量耦合的梯级利用优化方法。

背景技术

在综合能源领域，为促进可再生能源利用，电热微网作为综合能源***的典型形式，提出用能优化策略。电热微网是指面向终端用户电、热等多种用能需求，因地制宜、统筹开发、互补利用传统能源和新能源的一体化集成供能***，电热微网通过电、热多类型机组与储能设备的出力调控，实现电热能源的协同供应，有效提高分布式可再生能源的就地消纳能力，在满足用户需求的前提下减少对外电网和外热网的依赖，节约建设成本并促进区域绿色经济的快速发展。但是，目前能量运用策略单一，缺乏多能源***进行统一优化。

发明内容

本发明的目的是提供一种电热微网能量耦合的梯级利用优化方法，旨在解决现有技术中电微网存在能用运用策略单一、缺乏优化的问题，实现多能优势互补与协同优化，提升能源***在生产、输配、利用和循环等环节的综合效益。

为达到上述技术目的，本发明提供了一种电热微网能量耦合的梯级利用优化方法，所述方法包括以下操作：

S1、利用电热微网***，根据不同能源品位，建立能量耦合模型；

S2、在电能和热能之间、不同品位的热能之间通过电热泵、吸收式热泵以及尖峰加热器设备实现能量品位从高到低的转化，建立能量品位转换模型；

S3、利用能量流耦合模型与能量品位转换模型，从能量梯级利用角度分析不同能源母线上的能量供需情况，建立不同能源母线的能量供需模型；

S4、通过能量梯级利用原理，建立基于能量梯级利用的优化模型，并对模型求解获得各能源优化调度策略。

优选地，所述能量耦合模型包括：燃气轮机的热电联产模型、燃气锅炉制热模型、电热泵与电制冷模型、吸收式热泵与吸收式制冷模型、尖峰加热器模型、太阳能光热设备模型、电储能模型以及冷、热水储能模型。

优选地，所述建立能量品位转换模型具体为：

不同热能品位间的多能耦合关系：

式中，x为能源设备类型；

为输出热能；C_x为能效比常数；

为驱动侧输入能量；

为被加热侧输入热能；

与

分别为驱动侧与被加热侧工质流量；h_in、h_heated、h_out分别为驱动侧输入、被加热侧输入、被加热侧输出热能比焙；h_base为常温水比焙，作为基准；

式中，R_x为被加热侧与驱动侧输入热能之比。

优选地，所述建立不同能源母线的能量供需模型具体为：

各母线上的能源来源：

式中：

分别为电力、蒸汽、高温热水、中文热水、低温热水、冷水母线的能量来源总和。

考虑电、冷、热储能与对应母线的能量交互，各母线的能量消耗模型为：

式中：

分别为电力、蒸汽、高温热水、中温执水、低温热水、冷水母线的能量消耗总和；

分别为电、烝汽、咼温热水、中温热水、冷水负荷。

优选地，所述优化模型的目标为日运行成本最低，目标函数由天然气、电能购买成本与设备运行成本组成：

C_all＝C_ng+C_gnd+C_device

天然气购买成本为：

式中，i表示同类型设备内编号；

微网与主电网处于并网运行状态，依据分时电价从主电网购售电，则电网购售电成本为：

式中，

为分时购电电价；

设备运行成本可分为能源设备运维成本和电池储能折旧成本，设备维护成本由设备单位功率成本定义，电池储能折旧成本与充放电电量相关，假设电储能随着充放电量增加线性折旧，则设备运行成本为：

式中，p_x为不同能源设备单位出力功率成本，c_bat为电储能更换成本，Q_ess,max为蓄电池全生命周期充放电总量。

优选地，所述优化模型的运行约束为：

各母线约束为：

此外，能源设备运行中需要满足最大最小功率与约束爬坡约束：

式中，P_x,min、P_x,max分别为不同能源设备的最小最大运行功率，D_x、B_x分别为不同能源设备向下向上爬坡率。

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

与现有技术相比，本发明利用能量梯级利用原理、电热耦合梯级利用原理，根据不同能源品位，建立能量耦合模型，以及能量品位转换模型，通过能量耦合模型以及能量品位转换模型建立不同母线的能量供需模型，进而建立能量梯级利用的优化模型。本发明数据易于获得，且更接近实际情况，能够增强综合能源***能效利用率，电热微网作为综合能源***的典型形式，可利用不同能源形式特点，实现多能优势互补与协同优化，提升能源***在生产、输配、利用和循环等环节的综合效益，可有效推动能源清洁化发展、支持能源高效利用及节能减排建设。

附图说明

图1为本发明实施例中所提供的一种电热微网能量耦合的梯级利用优化方法流程图；

图2为本发明实施例中所提供的电热微网结构与能量流示意图；

图3为本发明实施例中所提供的燃气轮机的能量梯级利用方法示意图；

图4为本发明实施例中所提供的能量梯级利用中的源荷储关系示意图；

图5为本发明实施例中所提供的电热耦合梯级利用的能量流结构示意图；

图6为本发明实施例中所提供的多品味能量转换示意图。

具体实施方式

为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

下面结合附图对本发明实施例所提供的一种电热微网能量耦合的梯级利用优化方法进行详细说明。

如图1-6所示，本发明公开了一种电热微网能量耦合的梯级利用优化方法，所述方法包括以下操作：

S1、利用电热微网***，根据不同能源品位，建立能量耦合模型，在不同运行情况下，实现异质能流耦合互济。

不同于传统微电网，电热微网中存在多种能量流形式，能量流之间存在多种耦合关系，而充分利用这些关系，在不同运行情况下，实现异质能流耦合互济是提高能源综合利用效率以及节约运行成本的有效方法。

燃气轮机的热电联产模型如下：

式中，

为燃气轮机的功率；λ为天然气低位燃烧热值；

为燃气轮机的进气量；η_GT为燃气轮机发电效率；

为从废气回收的热功率；η_exh是余热回收效率；

是抽气蒸汽热功率；η_ext为抽气系数；上角标t表示时间。

燃气锅炉同样消耗天然气，燃烧产生高温蒸汽直接供热，其制热模型为：

H_GB(t)＝η_GB·λF_GB(t)

式中，F_GB为燃气锅炉的进气量；H_GB为燃气锅炉产生的蒸汽所含热能；η_GB为燃气锅炉效率；t表示时间。

电热泵与电制冷工作原理相似，其模型可用能效比系数表示：

式中，

为电热泵制热功率；

为电热泵耗电功率；C_HP为电热泵能效比；

为电制冷制冷功率；

为电制冷耗电功率；C_RE为电制冷能效比；上角标t表示时间。

吸收式热泵与吸收式制冷工作原理相似，其数学模型为：

式中，

为吸收式热泵制热功率；C_AHP为吸收式热泵能效比；

为吸收式热泵消耗蒸汽热功率；

为吸收式制冷制冷功率；C_ACH为吸收式制冷能效比；

为吸收式制冷产生的低温热能；k_ACH为基于吸收式制冷设备特性的比例常数；上角标t表示时间。

尖峰加热器能够利用蒸汽将热水加热至高温，在数学模型上与换热器模型相似：

式中，

为尖峰加热器传递的热能；C_PH为换热效率；

为尖峰加热器消耗的蒸汽热能；上角标t表示时间。

对于太阳能光热设备，其利用太阳光聚焦产生高温蒸汽，一部分通过蒸汽轮机发电，剩余部分用于供热，其数学模型为：

式中，P_PT为光热发电功率；η_ST为蒸汽轮机发电效率；E_solar为集热***提供热能；x_p为进入蒸气轮机热能比例系数；H_{PT_H}为光热产热功率；η_ex为换热器效率；η_WH为蒸气轮机余热回收效率。

对于电储能，其数学模型用荷电状态表示：

式中，

为电储能荷电状态；

为充放电功率(充电为正，放电为负)；E_ess.max为容量；η_chr为充电效率；η_dch为放电效率；σ_ess为自放电系数；Δt为时间间隔；上角标t表示时间。

对于冷、热水储能，其为恒温储存，储水量的变化反映蓄能状态，其数学模型为：

式中，

为水箱的存储的热能；σ_M为热自损耗系数；

为水箱热功率，正为输入，负为输出；

为水箱的存储的冷能；σ_C为冷自损耗系数；

为水箱冷功率，正为输入，负为输出；上角标t表示时间。

S2、利用电能和热能之间、不同品位的热能之间通过电热泵、吸收式热泵以及尖峰加热器等设备实现能量品位从高到低的转化，建立能量品位转换模型，实现电能和热能之间、不同品位热能之间的能量互济。

基于能量守恒定理与热能比焙定义，分析不同热能品位间的多能耦合关系：

式中，x为能源设备类型；

为输出热能；C_x为能效比常数；

为驱动侧输入能量；

为被加热侧输入热能；

与

分别为驱动侧与被加热侧工质流量；h_in、h_heated、h_out分别为驱动侧输入、被加热侧输入、被加热侧输出热能比焙；h_base为常温水比焙，作为基准。

式中，R_x为被加热侧与驱动侧输入热能之比，该比例系数取决于设备的能效比与设计输入输出比焰，对于特定设备可视作常数。

式中，R_x为比例系数。

分析不同热能品位间的耦合转化关系，即基于原有数学模型改写电热泵、吸收式热泵、尖峰加热器的输入输出数学模型，限于篇幅不在此赘述。

S3、利用能量流耦合模型与能量品位转换模型，从能量梯级利用角度分析不同能源母线上的能量供需情况，建立不同能源母线的能量供需模型。

各母线上的能源来源：

式中：

分别为电力、蒸汽、高温热水、中文热水、低温热水、冷水母线的能量来源总和。

考虑电、冷、热储能与对应母线的能量交互，各母线的能量消耗模型为：

式中：

分别为电力、蒸汽、高温热水、中温执水、低温热水、冷水母线的能量消耗总和；

分别为电、烝汽、咼温热水、中温热水、冷水负荷。

S4、通过能量梯级利用原理，建立基于能量梯级利用的优化模型，并对模型求解获得各能源优化调度策略。

优化策略的目标为日运行成本最低，目标函数由天然气、电能购买成本与设备运行成本组成：

C_all＝C_ng+C_gnd+C_device

天然气由燃气轮机与燃气锅炉消耗组成，则天然气购买成本为：

式中，i表示同类型设备内编号。

微网与主电网处于并网运行状态，依据分时电价从主电网购售电，则电网购售电成本为：

式中，

为分时购电电价。

设备运行成本可分为能源设备运维成本和电池储能折旧成本，设备维护成本由设备单位功率成本定义，电池储能折旧成本与充放电电量相关，假设电储能随着充放电量增加线性折旧，则设备运行成本为：

式中，p_x为不同能源设备单位出力功率成本，c_bat为电储能更换成本，Q_ess,max为蓄电池全生命周期充放电总量。

低温热水大量存储经济性差，且未考虑厂区空间热负荷、锅炉回水加热等，因此约束上设定供大于需，运行时需要保证各母线上能量供需平衡，各母线约束为：

此外，能源设备运行中需要满足最大最小功率与约束爬坡约束：

式中，P_x,min、P_x,max分别为不同能源设备的最小最大运行功率，D_x、B_x分别为不同能源设备向下向上爬坡率。

基于线性化建模，属于混合整数线性规划问题，可采用商业求解器Gurobi求解。基于Matlab平台与Yalmip工具箱构建综合能源***的能流数学模型与约束，在仿真过程中，将一天分为96个时间节点，以日运行成本最低为目标，制定各设备的调度计划。

在求解过程中，同类型多台设备由于约束定义相同，求解器在选择出力设备的时候存在一定随机性，为了使设备的选择具有区分度，处理同类型设备的运行维护费用，即同类型设备的运行费用依次增加，从而优先选择编号靠前的设备。其中x代表设备类型，i为设备编号，e_r为费用增幅，费用增幅仅起到区分的作用，因此定义数值极小，对最后求解结果影响可忽略，本文中取值为10^-4。

p_x,i+1＝p_x·(1+i·e_r)

本发明实施例利用能量梯级利用原理、电热耦合梯级利用原理，根据不同能源品位，建立能量耦合模型，以及能量品位转换模型，通过能量耦合模型以及能量品位转换模型建立不同母线的能量供需模型，进而建立能量梯级利用的优化模型。本发明数据易于获得，且更接近实际情况，能够增强综合能源***能效利用率，电热微网作为综合能源***的典型形式，可利用不同能源形式特点，实现多能优势互补与协同优化，提升能源***在生产、输配、利用和循环等环节的综合效益，可有效推动能源清洁化发展、支持能源高效利用及节能减排建设。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电热微网能量耦合的梯级利用优化方法，其特征在于，所述方法包括以下操作：

S1、利用电热微网***，根据不同能源品位，建立能量耦合模型；

S2、在电能和热能之间、不同品位的热能之间通过电热泵、吸收式热泵以及尖峰加热器设备实现能量品位从高到低的转化，建立能量品位转换模型；

S3、利用能量流耦合模型与能量品位转换模型，从能量梯级利用角度分析不同能源母线上的能量供需情况，建立不同能源母线的能量供需模型；

S4、通过能量梯级利用原理，建立基于能量梯级利用的优化模型，并对模型求解获得各能源优化调度策略。

2.根据权利要求1所述的一种电热微网能量耦合的梯级利用优化方法，其特征在于，所述能量耦合模型包括：燃气轮机的热电联产模型、燃气锅炉制热模型、电热泵与电制冷模型、吸收式热泵与吸收式制冷模型、尖峰加热器模型、太阳能光热设备模型、电储能模型以及冷、热水储能模型。

3.根据权利要求1所述的一种电热微网能量耦合的梯级利用优化方法，其特征在于，所述建立能量品位转换模型具体为：

不同热能品位间的多能耦合关系：

式中，x为能源设备类型；

为输出热能；C_x为能效比常数；

为驱动侧输入能量；

为被加热侧输入热能；

与

分别为驱动侧与被加热侧工质流量；h_in、h_heated、h_out分别为驱动侧输入、被加热侧输入、被加热侧输出热能比焙；h_base为常温水比焙，作为基准；

式中，R_x为被加热侧与驱动侧输入热能之比。

4.根据权利要求1所述的一种电热微网能量耦合的梯级利用优化方法，其特征在于，所述建立不同能源母线的能量供需模型具体为：

各母线上的能源来源：

式中：

分别为电力、蒸汽、高温热水、中文热水、低温热水、冷水母线的能量来源总和；

考虑电、冷、热储能与对应母线的能量交互，各母线的能量消耗模型为：

式中：

分别为电力、蒸汽、高温热水、中温执水、低温热水、冷水母线的能量消耗总和；

分别为电、烝汽、咼温热水、中温热水、冷水负荷。

5.根据权利要求1所述的一种电热微网能量耦合的梯级利用优化方法，其特征在于，所述优化模型的目标为日运行成本最低，目标函数由天然气、电能购买成本与设备运行成本组成：

C_all＝C_ng+C_gnd+C_device

天然气购买成本为：

式中，i表示同类型设备内编号；

微网与主电网处于并网运行状态，依据分时电价从主电网购售电，则电网购售电成本为：

式中，

为分时购电电价；

设备运行成本可分为能源设备运维成本和电池储能折旧成本，设备维护成本由设备单位功率成本定义，电池储能折旧成本与充放电电量相关，假设电储能随着充放电量增加线性折旧，则设备运行成本为：

式中，p_x为不同能源设备单位出力功率成本，c_bat为电储能更换成本，Q_ess,max为蓄电池全生命周期充放电总量。

6.根据权利要求1所述的一种电热微网能量耦合的梯级利用优化方法，其特征在于，所述优化模型的运行约束为：

各母线约束为：

此外，能源设备运行中需要满足最大最小功率与约束爬坡约束：

式中，P_x,min、P_x,max分别为不同能源设备的最小最大运行功率，D_x、B_x分别为不同能源设备向下向上爬坡率。

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