CN113078684B - 一种基于双层优化的区域能源社区规划方法 - Google Patents

Abstract

一种基于双层优化的区域能源社区规划方法，该方法根据区域能源社区的供能结构，构建区域能源社区中能源设备的出力约束；建立区域能源社区的双层优化模型，规划层以年综合成本最低为目标，各设备的安装容量为优化变量，约束条件为安装容量的上下限；运行层以年运行成本最低为目标，各时段设备的调度值为优化变量，同时要满足区域能源社区运行时的电功率平衡、热功率平衡约束条件；基于获得的新能源典型日数据、负荷历史数据、设备参数对区域能社区进行求解，得到区域能源社区最优配置结果。优点是：通过各个能源***间的协调互补，以提高各种设备、能源的利用效率和***综合效益。

Description

一种基于双层优化的区域能源社区规划方法

技术领域

本发明属于区域能源社区规划领域，具体涉及一种基于双层优化的区域能源社区规划方法。

背景技术

近年来，世界各国环境污染情况不断恶化，保护环境、减少污染的需求急剧增加，长时间以来主要依靠化石能源开采、利用的能源格局，逐渐向为化石能源、可再生能源协调开发、互相补充的新格局转变。能源生产与需求呈现的逆向分布特点，造成了能源供应采用远距离输送的现状，进而引起了传输过程中大量的能量损耗，并导致了能源利用率的降低。因此，开发新能源、大规模发展可再生能源、提高能源利用效率成为解决能源需求增长与供应不足的关键，进一步整合各类供能***，对各类能源***的进行统一规划、设计和调度，构建社会综合能源供应体系，是人类的能源社会可持续发展的必由之路。

其中，热电联产(CHP)作为提高一次能源利用效率的代表性技术，已被世界各国广泛应用；而风能、太阳能等可再生能源也在近十年来得到了大规模的发展。CHP技术的原理是利用汽轮机中做过功的蒸汽进行供热，提高机组的能源综合利用效率。然而，这一技术使热电机组的电出力和热出力之间建立了较强的耦合关系。在“以热定电”的运行模式下，用户热负荷决定了机组热出力，导致热电机组在供热季的电出力调节能力降低。此时，具有较强波动性的可再生能源接入电力***就会面临消纳困难的问题。其中，我国北方地区的冬季弃风问题就是典型代表。这种情况下，CHP虽然提升了机组自身的能源利用效率，但从全部电力***来看，反而降低了整体能源利用效率。当前针对区域能源社区协同规划的研究主要以电-热区域能源社区为研究对象，缺少对包含大容量CHP机组的电-热区域能源社区协同电源规划的研究。在当前管理体制下，区域供热***与电力***电源规划独立进行。这意味着大容量的CHP机组不参与电力***的电源规划。然而，在我国北方集中供暖的地区，大容量CHP在电力***的电源中占较高比例。因此，独立规划可能导致电源投资过剩的问题。同时，CHP机组无法直接与传统的燃煤机组进行竞争，从而阻碍了CHP机组替代传统燃煤机组的进程，不利于电-热区域能源社区整体能源效率的提升。

区域能源社区运行效率在很大程度上取决于其优化配置，即如何规划***内设备类型、设备容量和不同设备的最优组合，保证***在规划完成后日运行成本最优。然而目前在区域能源社区优化配置问题中存在***元件种类少、目标函数单一等问题，并不能很好地反映区域能源社区实际运行状况，同时大多数研究只关注单目标优化或利用加权值将多目标优化问题转化为单目标优化问题。

因此，在含有大量热电机组和可再生能源发电的电力***中，已不能采用局部能源利用效率的概念来衡量机组性能、指导***规划，此时应以提升全***整体能源利用效率为目标才更为合理。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于双层优化的区域能源社区规划方法,解决传统社会能源***以满足***本身负荷为目的，其中，电力、供热***的规划、运行等环节相互独立，而不同能源***的负荷存在明显的峰谷交错特性，需要通过各个能源***间的协调互补，以提高各种设备、能源的利用效率和***综合效益。

本发明是这样实现的，

一种基于双层优化的区域能源社区规划方法，该方法包括：

获取的新能源典型日数据、负荷历史数据、设备参数，根据区域能源社区的供能结构，构建区域能源社区中能源设备的出力约束。建立区域能源社区的双层优化模型，规划层以年综合成本最低为目标，各设备的安装容量为优化变量，约束条件为安装容量的上下限；运行层以年运行成本最低为目标，各时段设备的调度值为优化变量，同时要满足区域能源社区运行时的电功率平衡、热功率平衡约束条件。基于获得的新能源典型日数据、负荷历史数据、设备参数对区域能社区双层优化模型进行求解，采用精英保留策略遗传算法对规划层模型求解，采用MATLAB优化工具箱中函数fmincon进行对运行层模型求解，得到区域能源社区最优配置结果。

进一步地，根据区域能源社区的供能结构，构建区域能源社区中能源设备出力约束，设备包括风力发电机、热电联产机组(CHP)、电锅炉(EB)、热泵(HP)、蓄热罐(HS)。

1)风力发电机出力约束：

式中：P_wt,t为t时刻风电的实际发电量，为t时刻风电的预测发电量。

2)CHP出力约束：

max(C_v·Q_CHP,t+P_CHP,D,C_m·Q_CHP,t+P_CHP,C≤P_CHP,t≤C_v·Q_CHP,t+P_CHP,A) (4)

式中：P_CHP,t和Q_CHP,t表示t时刻CHP的电功率和热功率；和/>表示CHP电功率的下限和上限，/>和/>表示CHP热功率的下限和上限。C_v，P_CHP,D，C_m，P_CHP,C和P_CHP,A为CHP的热电耦合参数，表示CHP电功率和热功率的热电耦合关系。

3)热泵出力约束：

热泵是一种充分利用低品位热能的高效节能装置。它的约束表示如下：

Q_HP,t＝COP_HP·P_HP,t (5)

式中：Q_HP,t热泵热出力，P_HP,t热泵耗电量，COP_HP热泵的制热系数，电热泵热出力最大值。

4)电锅炉出力约束：

电锅炉是一种可以将电能转化为热能的最常见的电加热装置。它的约束表示如下：

Q_EB,t＝η_EB·P_EB,t (7)

式中：Q_EB,t电锅炉热出力，P_EB,t电锅炉耗电量，电锅炉热出力最大值，而η_EB为电锅炉的电功率和热出力的关系。

5)蓄热罐出力约束：

式中:Q_HS,t分别为t时刻蓄热罐存储的能量；μ蓄热罐的散热损失率； 和η_hch，η_hdis分别为t时刻蓄热罐的储、放热功率和效率。

此外，蓄热罐还应保证运行调度周期内初始时刻t₀和结束时刻t_N存储能量相同，即

式中,和分别为蓄热罐在运行调度周期的初始时刻t₀、结束时刻t_N存储的热量，/>分别为蓄热罐运行中状态的上、下限。C_HS分别为蓄热罐的安装容量。

进一步地，区域能源社区双层优化模型的规划层模型的能源安装容量作用于运行层的目标函数及约束条件，运行层模型将典型日运行成本最优值反馈至规划层。

规划层模型年综合成本最低为目标，年综合成本包括设备投资费ξ_Cap及运行层中区域能源社区年运行成本ξ_Ope：

规划层目标函数：

min F_up＝ξ_Cap+ξ_Ope (11)

其中

C_s为第s个设备的安装容量；为单位容量成本，R为资金收回系数；r为贴现率；l为规划年限，与具体设备相关。

规划层约束条件：

式中，为供能设备安装容量上限。

进一步地，运行层模型以***年运行成本最低为目标，包括燃料成本ξ_Fuel、运行维护成本ξ_Om、与弃风惩罚成本

运行层目标函数：

其中，燃料成本：

式中，P_k,t为能源t时刻消耗功率，为能源k的单位耗量成本；

运行维护成本：

式中，为t时刻设备输出的功率，/>设备单位输出功率的运行维护成本；

弃风惩罚成本：

式中：为弃风单位惩罚成本，/>是表示t时刻风电机组的弃风量，其等于风电预测发电量减去风电的实际发电量。

进一步地，按照权利要求1所述的方法，其特征在于，区域能社区双层优化模型进行求解，采用精英保留策略遗传算法对规划层模型求解，采用MATLAB优化工具箱中函数fmincon进行对运行层模型求解遗传算法每进化一代数后,以所得到的结果为运行层设备容量的初始值,采用MATLAB优化工具箱中函数fmincon进行寻优,并把寻找到的最优值,生成规划层新群体继续进化，得到区域能源社区最优配置结果。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明针对包含风电机组、热电机组的电-热区域能源社区，以其在一定电、热负荷下的年综合成本为主要参考，分析CHP技术对***整体效率的影响，并探讨电加热储热、电热泵制热、热电机组储热等规划方案的特点，提出了一种基于双层优化的区域能源社区规划方法。利用热-电联供为核心的区域能源社区能有效提高能源利用率和供能灵活性的特点，同时考虑规划的经济性和弃风率最小，以区域能源社区的投资成本、运行成本、运行维护成本以及弃风惩罚成本的年综合成本最低为目标，并考虑区域能源社区中供电、供热的平衡约束，建立了含CHP机组、风机、储热、电锅炉及热泵的能源社区多目标双层优化模型，规划层以年综合成本最低为目标，各设备的安装容量为优化变量，运行层以年运行成本最低为目标，各时段设备的调度值为优化变量。

附图说明

图1是本发明提供的方法流程图；

图2是S1情形下，区域能源社区冬季热功率平衡；

图3是S2情形下，区域能源社区冬季热功率平衡；

图4是S3情形下，区域能源社区冬季热功率平衡；

图5是S4情形下，区域能源社区冬季热功率平衡；

图6是区域能源社区结构图；

图7是区域能源社区双层优化模型示意图；

图8是电、热负荷曲线；

图9是风电功率预测曲线

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1所示，一种基于双层优化的区域能源社区规划方法，该方法包括：

获取的新能源典型日数据、负荷历史数据、设备参数，根据区域能源社区的供能结构，构建区域能源社区中能源设备的出力约束。建立区域能源社区的双层优化模型，规划层以年综合费用最低为目标，各设备的安装容量为优化变量，约束条件为安装容量的上下限；运行层以年运行费最低为目标，各时段设备的调度值为优化变量，同时要满足区域能源社区运行时的电功率平衡、热功率平衡约束条件。基于获得的新能源典型日数据、负荷历史数据、设备参数对区域能社区双层优化模型进行求解，采用精英保留策略遗传算法对规划层模型求解，采用MATLAB优化工具箱中函数fmincon进行对运行层模型求解，得到区域能源社区最优配置结果。

参见图7所示，区域能源社区双层优化模型的规划层模型的能源安装容量作用于运行层的目标函数及约束条件，运行层模型将典型日运行成本最优值反馈至规划层。

区域能源社区结构

区域能源社区作为一种电、热等多能源供应模式逐渐成为能源互联网的核心构架之一。区域能源社区主要由CHP机组、风电、电锅炉、储热装置、热泵等,其中以电热元件为主。区域能源社区规划模型可用图6所示的结构描述。

3、根据区域能源社区的供能结构，构建区域能源社区中能源设备出力约束，设备包括风力发电机、热电联产机组(CHP)、电锅炉(EB)、热泵(HP)、蓄热罐(HS)。

1)风力发电机出力约束：

式中：P_wt,t为t时刻风电的实际发电量，为t时刻风电的预测发电量。

2)CHP出力约束：

max(C_v·Q_CHP,t+P_CHP,D,C_m·Q_CHP,t+P_CHP,C≤P_CHP,t≤C_v·Q_CHP,t+P_CHP,A) (4)

式中：P_CHP,t和Q_CHP,t表示t时刻CHP的电功率和热功率；和/>表示CHP电功率的下限和上限，/>和/>表示CHP热功率的下限和上限。C_v，P_CHP,D，C_m，P_CHP,C和P_CHP,A为CHP的热电耦合参数，表示CHP电功率和热功率的热电耦合关系。

6)热泵出力约束：

热泵是一种充分利用低品位热能的高效节能装置。它的约束表示如下：

Q_HP,t＝COP_HP·P_HP,t (5)

式中：Q_HP,t热泵热出力，P_HP,t热泵耗电量，COP_HP热泵的制热系数，电热泵热出力最大值。

7)电锅炉出力约束：

电锅炉是一种可以将电能转化为热能的最常见的电加热装置。它的约束表示如下：

Q_EB,t＝η_EB·P_EB,t (7)

式中：Q_EB,t电锅炉热出力，P_EB,t电锅炉耗电量，电锅炉热出力最大值，而η_EB为电锅炉的电功率和热出力的关系。

8)蓄热罐出力约束：

式中:Q_HS,t分别为t时刻蓄热罐存储的能量；μ蓄热罐的散热损失率； 和η_hch，η_hdis分别为t时刻蓄热罐的储、放热功率和效率。

此外，蓄热罐还应保证运行调度周期内初始时刻t₀和结束时刻t_N存储能量相同，即

式中,和分别为蓄热罐在运行调度周期的初始时刻t₀、结束时刻t_N存储的热量，/>分别为蓄热罐运行中状态的上、下限。C_HS分别为蓄热罐的安装容量。

规划层模型年综合成本最低为目标，年综合成本包括设备投资成本ξ_Cap及运行层中区域能源社区年运行成本ξ_Ope：

规划层目标函数：

min F_up＝ξ_Cap+ξ_Ope (11)

其中

C_s为第s个设备的安装容量；为单位容量成本，R为资金收回系数；r为贴现率；l为规划年限，与具体设备相关。

规划层约束条件：

式中，为供能设备安装容量上限。

运行层目标函数：

其中，燃料成本：

式中，P_k,t为能源t时刻消耗功率，为能源k的单位耗量成本；

运行维护费用：

式中，为t时刻设备输出的功率，/>设备单位输出功率的运行维护成本；

弃风惩罚成本：

式中：为弃风单位惩罚成本，/>是表示t时刻风电机组的弃风量，其等于风电预测发电量减去风电的实际发电量。

区域能源社区运行时的电平衡、热平衡约束条件：

P_L,t+P_HP,t+P_EB,t＝P_wt,t+P_CHP,t (18)

Q_CHP，t+Q_HP，t+Q_EB，t+Q_HS，t＝Q_L，t (19)

式中，P_L,t,Q_L,t分别为t时刻的电、热负荷。

区域能社区双层优化模型进行求解，采用精英保留策略遗传算法对规划层模型求解，采用MATLAB优化工具箱中函数fmincon进行对运行层模型求解。遗传算法每进化一代数后,以所得到的结果为运行层设备容量的初始值,采用MATLAB优化工具箱中函数fmincon进行寻优,并把寻找到的最优值,生成规划层新群体继续进化，得到区域能源社区最优配置结果。

本发明为了验证所提出规划方法的有效性，选取某区域能源社区为例进行仿真。整个区域能源社区按设备分类包含，CHP机组，风力发电装置，电锅炉，热泵，储热罐。负荷分为电负荷、热负荷。根据具体负荷数据，只考虑供热季节，供热季150天。电、热负荷典型日数据如图8所示，风电功率预测典型日数据如图9所示。

区域能源社区需规划容量的设备如表1所示

表1各设备参数

表2其他设备所需参数

本发明比较以下4情形(Scenario，S)的规划结果。S1:CHP供能方式，即能源社区内只有CHP，作为参考情形用于研究，远方与风电场相连，计算运行成本；S2:CHP/EB/HS供能方式，CHP产电和热，电锅炉可将多余的风电转化为热，储热罐可以释放贮存热量；S3:CHP/HP/HS供能方式，CHP产电和热，热泵可将多余的风电转化为热；S4:CHP/EB/HP/HS供能方式，CHP产电和热，电锅炉和热泵可将多余的风电转化为热，储热罐可以释放贮存热量。4种规划情形的各项费用及规划结果见表3。

表3区域能源社区规划结果比较

参见表3，S1的总成本是正常冬季供暖期的运行成本，包含了燃料成本、运行维护成本和弃风惩罚成本，年运行成本为9986万元。由于S1中未包含任何的灵活性设备，在满足电、热负荷的同时，产生了大量的弃风，风资源未得到有效利用。

S2、S3、S4比较S1，尽管S2、S3、S4中***的设备投资、运行维护较高，但***包含燃料成本和弃风成本的年运行大幅度削减。S3与S2、S3相比虽然投资和运维成本较少，但是年运行成本相对较高，这是因为热泵效率及投资成本较高的限制，使得S3供能方式在相同的电、热负荷下，不能充分的利用风电，产生了过多的弃风，年运行成本高出约19％

比较S4和S2，前者考虑电锅炉和热泵协调调度，充分利用设备的自身特点，电锅炉能充分地利用风电，提高能源利用率，而配合热泵，则体现了该供能模式下，区域能源社区更具有更高的调节能力，以及更好的灵活性，S4相比较S3降低了***年运行成本，促使年费用较S2低约100万元。

参见图2-5区域能源社区是在S1的基础上增加电锅炉、热泵等电制热设备，参见图2-5为区域能源社区冬季热功率图，用来对比不同设备、容量在运行阶段的作用。

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 (4)

1.一种基于双层优化的区域能源社区规划方法，其特征在于，该方法包括：

获取的新能源典型日数据、负荷历史数据、设备参数；

根据区域能源社区的供能结构，构建区域能源社区中能源设备的出力约束；

建立区域能源社区的双层优化模型，规划层以年综合成本最低为目标，各设备的安装容量为优化变量，约束条件为安装容量的上下限；运行层以年运行成本最低为目标，各时段设备的调度值为优化变量，同时要满足区域能源社区运行时的电功率平衡、热功率平衡约束条件；

基于获得的新能源典型日数据、负荷历史数据、设备参数对区域能社区双层优化模型进行求解，采用精英保留策略遗传算法对规划层模型求解，采用MATLAB优化工具箱中函数fmincon进行对运行层模型求解，得到区域能源社区最优配置结果；

区域能源社区双层优化模型的规划层模型的能源安装容量作用于运行层的目标函数及约束条件，运行层模型将典型日运行成本最优值反馈至规划层；

规划层模型年综合成本最低为目标，年综合成本包括设备投资成本ξ_Cap及运行层中区域能源社区年运行成本ξ_Ope：

规划层目标函数：

min F_up＝ξ_Cap+ξ_Ope (11)

其中

C_s为第s个设备的安装容量；为单位容量成本，R为资金收回系数；r为贴现率；l为规划年限，与具体设备相关；

规划层约束条件：

式中，为供能设备安装容量上限；

运行层模型以***年运行成本最低为目标，包括燃料成本ξ_Fuel、运行维护成本ξ_Om、与弃风惩罚成本

运行层目标函数：

其中，燃料成本：

式中，P_k,t为能源t时刻消耗功率，为能源k的单位耗量成本；

运行维护费用：

式中，为t时刻设备输出的功率，/>设备单位输出功率的运行维护成本；

弃风惩罚成本：

式中：为弃风单位惩罚成本，/>是表示t时刻风电机组的弃风量，其等于风电预测发电量减去风电的实际发电量。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，根据区域能源社区的供能结构，构建区域能源社区中能源设备出力约束，设备包括风力发电机、热电联产机组(CHP)、电锅炉(EB)、热泵(HP)、蓄热罐(HS)；

1)风力发电机出力约束：

式中：P_wt,t为t时刻风电的实际发电量，为t时刻风电的预测发电量；

2)CHP出力约束：

max(C_v·Q_CHP,t+P_CHP,D,C_m·Q_CHP,t+P_CHP,C≤P_CHP,t≤C_v·Q_CHP,t+P_CHP,A) (4)

式中：P_CHP,t和Q_CHP,t表示t时刻CHP的电功率和热功率；和/>表示CHP电功率的下限和上限，/>和/>表示CHP热功率的下限和上限；C_v，P_CHP,D，C_m，P_CHP,C和P_CHP,A为CHP的热电耦合参数，表示CHP电功率和热功率的热电耦合关系；

3)热泵出力约束：

热泵是一种充分利用低品位热能的高效节能装置；它的约束表示如下：

Q_HP,t＝COP_HP·P_HP,t (5)

式中：Q_HP,t热泵热出力，P_HP,t热泵耗电量，COP_HP热泵的制热系数，电热泵热出力最大值；

4)电锅炉出力约束：

电锅炉是一种可以将电能转化为热能的最常见的电加热装置；它的约束表示如下：

Q_EB,t＝η_EB·P_EB,t (7)

式中：Q_EB,t电锅炉热出力，P_EB,t电锅炉耗电量，电锅炉热出力最大值，而η_EB为电锅炉的电功率和热出力的关系；

5)蓄热罐出力约束：

式中:Q_HS,t分别为t时刻蓄热罐存储的能量；μ蓄热罐的散热损失率； 和η_hch，η_hdis分别为t时刻蓄热罐的储、放热功率和效率；

此外，蓄热罐还应保证运行调度周期内初始时刻t₀和结束时刻t_N存储能量相同，即

式中,和分别为蓄热罐在运行调度周期的初始时刻t₀、结束时刻t_N存储的热量，/>分别为蓄热罐运行中状态的上、下限；C_HS分别为蓄热罐的安装容量。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，区域能源社区运行时的电平衡、热平衡约束条件，表达式分别为:

P_L,t+P_HP,t+P_EB,t＝P_wt,t+P_CHP,t (18)

Q_CHP，t+Q_HP，t+Q_EB，t+Q_HS，t＝Q_L，t (19)

式中，P_L,t,Q_L,t分别为t时刻的电、热负荷。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，区域能社区双层优化模型进行求解，采用精英保留策略遗传算法对规划层模型求解，采用MATLAB优化工具箱中函数fmincon进行对运行层模型求解；遗传算法每进化一代数后,以所得到的结果为运行层设备容量的初始值,采用MATLAB优化工具箱中函数fmincon进行寻优,并把寻找到的最优值,生成规划层新群体继续进化，得到区域能源社区最优配置结果。