CN115964834A - 基于生产工艺虚拟储能的企业综合能源规划方法及*** - Google Patents

基于生产工艺虚拟储能的企业综合能源规划方法及*** Download PDF

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张雪松
冯怿彬
李志浩
汪湘晋
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Abstract

本发明公开了基于生产工艺虚拟储能的企业综合能源规划方法及***，属于综合能源规划技术领域。现有的优化方案，没有考虑工业园区实际生产工艺流程以及生产过程中可能产生的虚拟储能的影响，经济性较差，不利于推广使用。本发明的基于生产工艺虚拟储能的综合能源规划方法，在构建规划优化模型的同时，考虑了电池生产企业的可调度工艺环节所表现出的虚拟储能特性，将电池生产企业的生产订单作为约束进行合理规划，进一步挖掘了规划模型的可调度空间，能够有效降低生产全寿命周期内的总成本，经济性好，利于推广使用。

Description

基于生产工艺虚拟储能的企业综合能源规划方法及***
技术领域
本发明涉及基于生产工艺虚拟储能的综合能源规划方法及***，属于综合能源规划技术领域。
背景技术
综合能源***可以实现多能互补和能源的梯级利用，能够有效应对化石能源枯竭以及环境污染问题带来的双重挑战。对综合能源***进行有效的配置和合理化的规划具有十分重要的意义，成为当前领域所关注的热点。目前对于园区综合能源***规划的研究主要集中在设备容量配置方面。
文献[1]提出了考虑经济性与供能可靠性的综合能源微网(multi-energymicrogrid)设备容量配置方法。文献[2]以微电网作为研究对象，深入分析了不同设备配置方案对微网***可靠性及经济性方面的影响。此外，目前已有研究在园区综合能源***规划时还考虑了虚拟储能的影响。文献[3]提出了一种需求响应机制下考虑建筑虚拟储能的综合能源站运行调度及规划配置方法，精细化考虑基于建筑热平衡的建筑虚拟储能特性并计及用户的需求响应能力。
然而，目前所构建的虚拟储能模型主要集中在建筑热平衡以及灵活性负荷方面，未深入挖掘工业园区生产工艺流程所可能产生的虚拟储能。工业园区综合能源***作为综合能源***的一种特定场景，配合生产工艺流程可展现出其虚拟储能特性，具有其潜在的可调度空间。为进一步考虑工业园区生产工艺流程所可能产生的虚拟储能，文献[4]分析了生产工艺流程对***运行经济性与安全性的影响。文献[5]以典型工业园区为例构建了分布式信息物理(cyber-physical)***，并分析了生产工艺及订单安排对***运行产生的影响。然而，目前对于工业生产工艺流程特性的深入挖掘主要集中在***的运行调度方面，在规划方面没有相应的研究。
综上所述，上述研究对工业园区综合能源***规划方法未考虑工业园区实际生产工艺流程以及生产过程中可能产生的虚拟储能的影响。
参考文献：
[1]Ge Shaoyun,Li Jifeng,Liu Hong,Sun Hao,and Wang Yiran,“Research onoperation-planning double layer optimization design method for multi-energymicrogrid considering reliability,”Applied Sciences,vol.8,no.11,pp.2062:1-21,Oct 2018.
[2]Adefarati T,and Bansal R C,“Reliability and economic assessment ofa microgrid power system with the integration of renewable energy resources,”Applied Energy,vol.206,pp.911-933,Nov 2017.
[3]Ge Shaoyun,Li Jifeng,Liu Hong,and He Xingtang,“Demand-side energymanagement method for building clusters based on reinforcement learning,”the4th IEEE Conference on Energy Internet and Energy system Integration(EI22020),pp.1-6,Oct 2020.
[4]Yizhi Zhang,Xiaojun Wang,Jinghan He,Yin Xu,and Wei Pei,“Optimization of distributed integrated multi-energy system consideringindustrial process based on energy hub,”Journal of Modern Power Systems andClean Energy,vol.8,no.5,pp.863-873,Sep 2020.
[5]Wei Pei,Xin Ma,Wei Deng,Xinhe Chen,Hongjian Sun,and Dan Li,“Industrial multi-energy and production management scheme in cyber-physicalenvironments:a case study in a battery manufacturing plant,”IET Cyber-Physical Systems:Theory&Applications,vol.4,no.1,pp.13-21,Oct 2018。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种充分考虑生产工艺虚拟储能特性，并在构建运行调度模型的同时，构建规划优化模型，以设备类型及数量作为优化变量，优化运行工况，对***内的能源供给和存储设备的容量和数量进行优化，能够有效降低生产全寿命周期内的总成本，经济性好，利于推广使用；
同时运行调度模型，结合规划优化模型设置的设备方案，对***内供能设备的出力以及储能设备的运行进行优化，进一步降低生产全寿命周期内的总成本，并且特别适用于电池生产企业，适用范围广的基于生产工艺虚拟储能的综合能源规划方法及***。
为实现上述目的，本发明的第一种技术方案为：
基于生产工艺虚拟储能的综合能源规划方法，
第一步，获取***内整体的负荷以及逐时负荷需求数据；
第二步，根据第一步中的负荷以及逐时负荷需求数据，设置约束条件；
所述约束条件至少包括最大负荷约束或/和自给自足概率约束或/和供能设备运行约束或/和储能设备运行约束或/和功率平衡约束或/和生产订单约束；
第三步，根据第二步中的约束条件以及生产工艺虚拟储能特性，以全寿命周期内的总成本最低为目标，建立目标函数；
第四步，根据第三步中的目标函数，构建规划优化模型和运行调度模型，对生产工艺虚拟储能的综合能源进行有效优化；
所述规划优化模型，以设备类型及数量作为优化变量，优化运行工况，对***内的能源供给和存储设备的容量和数量进行优化；
所述运行调度模型，结合规划优化模型设置的设备方案，对***内供能设备的出力以及储能设备的运行进行优化。
本发明经过不断探索以及试验，充分考虑企业在可调度工艺环节所表现出的虚拟储能特性，并将虚拟储能特性映射到长时间尺度的规划周期内，合理规划配置设备资源，进而对生产企业的生产工艺流程，能够进行有效调度，实现企业生产过程中的虚拟储能挖掘，从而能合理利用生产过程中的虚拟储能，降低***的规划配置成本，并指导设备的合理化配置与园区供能***的精准投资。
在构建运行调度模型的同时，构建规划优化模型，以设备类型及数量作为优化变量，优化运行工况，对***内的能源供给和存储设备的容量和数量进行优化，能够有效降低生产全寿命周期内的总成本，经济性好，利于推广使用。
同时运行调度模型，结合规划优化模型设置的设备方案，对***内供能设备的出力以及储能设备的运行进行优化，进一步降低生产全寿命周期内的总成本，并且特别适用于电池生产企业，适用范围广。
进一步，可以将本发明应用在电池生产企业综合能源***规划上，能够充分考虑电池生产企业的可调度工艺环节所表现出的虚拟储能特性，并将其映射到长时间尺度的规划周期内；进而可根据电池生产企业的生产订单合理规划配置设备资源，并指导设备的合理化配置与园区供能***的精准投资，从而实现对电池工厂的规划分析，支撑工业园区综合能源***的高效规划配置。对于用户与上级电网的友好互动以及用户“节能减排”目标的实现均具有十分重要的意义。作为优选技术措施：
所述第二步中的最大负荷约束，用于使得综合能源***规划配置供能设备的最大输出功率能够满足***的电/热终端负荷的最大需求；
所述自给自足概率约束，用于使得工业园区在电能孤岛模式下，满足***内一定量的负荷需求，保障***的稳定运行；
所示供能设备运行约束，用于使得综合能源***规划配置的供能设备在运行的过程中能满足设备的额定功率以及爬坡约束；
所述储能设备运行约束，用于使得***规划配置的储能设备在运行的过程中满足设备的充放能功率以及容量约束；
所述功率平衡约束，用于在考虑***内储能设备及生产过程中虚拟储能作用的情况下，保障工业园区内的能源负荷供需达到实时平衡：
所述生产订单约束，用于考虑生产订单的能耗负荷。
作为优选技术措施：
所述最大负荷约束的计算公式如下：
Figure BDA0003297868270000041
所述自给自足概率约束，通过***在规划周期内自给自足满足负荷需求的概率来指导***内的规划配置，其计算公式如下：
Figure BDA0003297868270000042
式中，Pst为***内某一类终端负荷自给自足的概率；
所述供能设备运行约束的计算公式如下：
Figure BDA0003297868270000043
Figure BDA0003297868270000044
式中，
Figure BDA0003297868270000045
分别为供能设备m的最大/最小出力；
Figure BDA0003297868270000046
分别为供能设备m减小出力和增加出力的爬坡速度；
所述储能设备运行约束的计算公式如下：
Figure BDA0003297868270000047
Figure BDA0003297868270000048
式中，Mm(t)储能设备M在t时刻的容量；
Figure BDA0003297868270000049
分别为储能设备M的最大/最小容量；
Figure BDA00032978682700000410
为储能设备M的最大充/放能功率；
所述功率平衡约束的计算公式如下：
Figure BDA00032978682700000411
式中，
Figure BDA00032978682700000412
为供能设备m在t时刻的出力；
Figure BDA00032978682700000413
为储能设备M在t时刻的出力；
Figure BDA00032978682700000414
为生产工艺中虚拟储能在t时刻的出力；PLoad(t)为负荷在t时刻的需求；
Figure BDA00032978682700000415
为储能设备的在t时刻储存的能量；
Figure BDA00032978682700000416
为生产工艺中虚拟储能的在t时刻储存的能量；
所述生产订单约束，包括连续性生产负荷约束、离散性生产电负荷约束；
所述连续性生产负荷约束，其为生产工艺流程中不允许停电部分，其状态只取决于订单的起始与结束；
所述离散性生产电负荷约束，其为突发性生产任务所需要的能耗负荷，其状态与订单及生产任务直接相关。
作为优选技术措施：
所述连续性生产负荷约束的计算公式如下：
Figure BDA0003297868270000051
式中，PLoad,c(t)为t时段连续性生产负荷的总耗能量；Nc为总生产车间数量；Mc,i为生产车间i的输出数量，对于连续性生产电负荷而言，Mc,i是一个固定值；Pc,i(t)为t时段生产车间i生产单位数量产品所的耗能量；uc,i(t)为布尔变量，表示t时段生产车间i的工作状态，具体需要满足以下约束条件：
Figure BDA0003297868270000052
其中，
Figure BDA0003297868270000053
分别表示生产车间i的起始与结束状态；
所述离散性生产电负荷约束的计算公式如下：
Figure BDA0003297868270000054
式中，PLoad,d(t)为t时段离散性生产负荷的总耗电量；Nd为总生产车间数量；Md,j为生产车间j的输出数量，不同于连续性生产负荷，Md,j不是一个固定值，而是与订单的数量及完成时间相关；Pd,j(t)为t时段生产车间i生产单位数量产品所的耗能量；ud,j(t)同样为布尔变量；
因此，在统计时间段内，电池工厂的负荷的计算公式为：
Figure BDA0003297868270000055
式中，NT为调度统计时段；PLoad,o(t)为t时段除生产订单外其他的负荷需求。
作为优选技术措施：
所述第三步中的目标函数的计算公式如下：
min{Cin+Cop}
式中，Cin为设备建设成本；Cop为***运行成本，反映***正常运行情况下的经济成本；
所述设备建设成本和***运行成本构成全寿命周期内的总成本。
作为优选技术措施：
所述设备建设成本的计算公式如下：
Figure BDA0003297868270000061
式中，Cin为设备建设成本；Nm为第m类设备的建设数量；Cinst,m为第m类设备单位容量的投资建设成本；Mm为第m类设备的安装容量；Cscra,m为第m类设备的残值；
本发明设备残值选取为初始投资的5％；Y为规划的生命周期；r为实际利率，取5％。
作为优选技术措施：
所述***运行成本的计算公式如下：
Figure BDA0003297868270000062
式中，Cop为***运行成本，反映***正常运行情况下的经济成本；
Figure BDA0003297868270000063
为第m类设备的燃料费用；
Figure BDA0003297868270000064
为第m类设备的运行维护费用，不同机组设备所产生的燃料与运行费用不同，年维护费用约为初始投资的3％。
为实现上述目的，本发明的第二种技术方案为：
基于生产工艺虚拟储能的综合能源规划方法，
根据生产工艺虚拟储能，构建规划优化模型和运行调度模型；
所述规划优化模型，用于调整设备类型及数量，其构建方法，包括以下步骤：
第一步，获取***内整体的负荷数据；
第二步，根据第一步中的负荷数据，设置成本与负荷数据的负荷约束；
第三步，根据第二步中的约束，建立规划目标函数，用于优化全寿命周期内的设备建设成本；
第四步，根据规划目标函数，以设备类型及数量作为优化变量，优化运行工况，建立***内供能与储能设备的规划优化模型；
所述运行调度模型，用于给出各设备的逐时优化调度方案，其构建方法，包括以下步骤：
步骤一，获取规划时段内的逐时负荷需求曲线；
步骤二，根据步骤一中的逐时负荷需求曲线，设置***供需平衡以及供/储能设备运行方面的运行约束；
步骤三，根据步骤二中的约束，建立运行目标函数，用于优化全寿命周期内的***运行成本；
步骤四，根据运行目标函数，以供储能设备的启停与出力为优化变量，建立能对各设备进行逐时优化调度的运行调度模型；
通过规划优化模型，对***内的能源供给和存储设备的容量和数量进行优化；然后运行调度模型，结合规划优化模型设置的设备方案，以规划目标函数与运行目标函数最小化为目标，建立目标函数，对***内供能设备的出力以及储能设备的运行进行优化。
本发明经过不断探索以及试验，在构建运行调度模型的同时，构建规划优化模型，以设备类型及数量作为优化变量，优化运行工况，对***内的能源供给和存储设备的容量和数量进行优化，能够有效降低生产全寿命周期内的总成本，经济性好，利于推广使用。
同时运行调度模型，结合规划优化模型设置的设备方案，对***内供能设备的出力以及储能设备的运行进行优化，进一步降低生产全寿命周期内的总成本，并且特别适用于电池生产企业，适用范围广。
作为优选技术措施：
所述第三步中的规划目标函数的计算公式如下：
Figure BDA0003297868270000071
式中，Cin为设备建设成本；Nm为第m类设备的建设数量；Cinst,m为第m类设备单位容量的投资建设成本；Mm为第m类设备的安装容量；Cscra,m为第m类设备的残值；
本发明设备残值选取为初始投资的5％；Y为规划的生命周期；r为实际利率，取5％。
所述步骤三中的运行目标函数的计算公式如下：
Figure BDA0003297868270000072
式中，Cop为***运行成本，反映***正常运行情况下的经济成本；
Figure BDA0003297868270000073
为第m类设备的燃料费用；
Figure BDA0003297868270000074
为第m类设备的运行维护费用，不同机组设备所产生的燃料与运行费用不同，年维护费用约为初始投资的3％；
所述目标函数的计算公式如下：
min{Cin+Cop}
式中，Cin为设备建设成本；Cop为***运行成本，反映***正常运行情况下的经济成本；
所述设备建设成本和***运行成本构成全寿命周期内的总成本。
为实现上述目的，本发明的第三种技术方案为：
基于生产工艺虚拟储能的电池生产企业综合能源规划方法，
应用上述的基于生产工艺虚拟储能的综合能源规划方法，对电池生产企业的生产工艺流程进行优化及有效调度，挖掘其生产过程中的虚拟储能，并合理利用生产过程中的虚拟储能，以降低生产动力电芯和3C电芯的规划配置成本；
所述电池生产企业的生产工艺流程包括烘干工艺、化成工艺、分容工艺；
所述烘干工艺，利用虚拟储能特性，合理调配烘干时间与产品数量，从而产生虚拟储热；
所述化成工艺，用于将电池充电至50％电量的过程，通过合理安排电池充电时间，从而产生虚拟储电；
分容工艺，用于将电池充电至100％电量，随后将电能全部放空，再将电池充电至50％电量的过程，通过合理安排电池储能与放能的时间，从而产生虚拟储电；
本发明能够对电池生产企业的生产工艺流程，进行有效调度，进而能有效挖掘其生产过程中的虚拟储能，便于合理利用生产过程中的虚拟储能，从而降低***的规划配置成本。
本发明对电池生产企业综合能源***进行有效规划，充分考虑电池生产企业的可调度工艺环节所表现出的虚拟储能特性，并将其映射到长时间尺度的规划周期内；进一步可根据电池生产企业的生产订单合理规划配置设备资源，并指导设备的合理化配置与园区供能***的精准投资，从而实现对电池工厂的规划分析，支撑工业园区综合能源***的高效规划配置。
对于用户与上级电网的友好互动以及用户“节能减排”目标的实现均具有十分重要的意义。
为实现上述目的，本发明的第四种技术方案为：
基于生产工艺虚拟储能的电池生产企业综合能源规划***，
其设有能源站，并应用上述的基于生产工艺虚拟储能的综合能源规划方法；
所述能源站包括能量管理设备、分布式电源、储能设备、能量转换和能源负荷设备；
所述储能设备分为储电ES设备、蓄冰IS设备、蓄水WS设备、电/冷两种终端能源；
所述能量转换和能源负荷设备，包括燃气内燃机GT、电制冷机ER、溴化锂制冷机LBR、双工况冷机DSC。
本发明经过不断探索以及试验，提供一种考虑生产工艺虚拟储能的电池生产企业综合能源***规划方法，利用电池生产企业的可调度工艺环节所表现出的虚拟储能特性，构建规划优化模型和运行调度模型，并将其映射到长时间尺度的规划周期内。
从而可以根据电池生产企业的生产订单合理规划配置设备资源，并指导设备的合理化配置与园区供能***的精准关联，从而实现对电池工厂的规划分析，支撑工业园区综合能源***的高效规划配置。
进一步，本发明对于用户与上级电网的友好互动以及用户“节能减排”目标的实现均具有十分重要的意义。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明经过不断探索以及试验，在构建运行调度模型的同时，构建规划优化模型，以设备类型及数量作为优化变量，优化运行工况，对***内的能源供给和存储设备的容量和数量进行优化，能够有效降低生产全寿命周期内的总成本，经济性好，利于推广使用。
同时运行调度模型，结合规划优化模型设置的设备方案，对***内供能设备的出力以及储能设备的运行进行优化，进而对生产企业的生产工艺流程，能够进行有效调度，便于挖掘企业生产过程中的虚拟储能，并合理利用生产过程中的虚拟储能，从而降低***的规划配置成本，并且特别适用于电池生产企业，适用范围广。
附图说明
图1为本发明一种综合能源***架构示图；
图2为本发明一种综合能源规划模型框图；
图3为本发明一种综合能源规划方法流程示图。
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，以下结合附图及实施例，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。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“或/和”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
基于生产工艺虚拟储能的综合能源规划方法，
第一步，获取***内整体的负荷以及逐时负荷需求数据；
第二步，根据第一步中的负荷以及逐时负荷需求数据，设置约束条件；
所述约束条件至少包括最大负荷约束或/和自给自足概率约束或/和供能设备运行约束或/和储能设备运行约束或/和功率平衡约束或/和生产订单约束；
第三步，根据第二步中的约束条件以及生产工艺虚拟储能特性，以全寿命周期内的总成本最低为目标，建立目标函数；
第四步，根据第三步中的目标函数，构建规划优化模型和运行调度模型，对生产工艺虚拟储能的综合能源进行有效优化；
所述规划优化模型，以设备类型及数量作为优化变量，优化运行工况，对***内的能源供给和存储设备的容量和数量进行优化；
所述运行调度模型，结合规划优化模型设置的设备方案，对***内供能设备的出力以及储能设备的运行进行优化。
本发明经过不断探索以及试验，在构建运行调度模型的同时，构建规划优化模型，以设备类型及数量作为优化变量，优化运行工况，对***内的能源供给和存储设备的容量和数量进行优化，能够有效降低生产全寿命周期内的总成本，经济性好，利于推广使用。
同时运行调度模型，结合规划优化模型设置的设备方案，对***内供能设备的出力以及储能设备的运行进行优化，进一步降低生产全寿命周期内的总成本，并且特别适用于电池生产企业，适用范围广。
将本发明应用在电池生产企业的一种具体实施例：
首先给出了以电池生产企业为例的工业园区综合能源***架构，对电池生产企业的生产工艺流程进行详细分析，得到其生产工艺流程所产生的虚拟储能特性。
其次，考虑其虚拟储能特性，应用本发明构建了考虑生产工艺虚拟储能的电池生产企业园区综合能源***规划模型；最后，提出了相应的规划流程及求解方法。
1.对本发明电池生产企业综合能源规划***的生产工艺流程虚拟储能特性进行分析
本发明电池生产企业综合能源规划***的架构如图1所示，其通过配置拥有自治调度能力的能源站，实现园区内部生产与其他方面的能源供给。
能源站由能量管理设备、分布式电源、储能设备、能量转换设备和能源负荷组成，包括燃气内燃机(GT)、电制冷机(ER)、溴化锂制冷机(LBR)、双工况冷机(DSC)、储电(ES)、蓄冰(IS)、蓄水(WS)等设备，以及电/冷两种终端能源。
本发明中的电池生产企业主要生产动力电芯和3C电芯，其生产工艺流程包括电芯生产、包装加工、定容与分容等步骤。其中，涂布、搅拌、注液等工艺流程不允许停电，其能源需求特性相对明确，而烘干、化成、分容等工艺环节可以通过有效调度计划，从而挖掘其生产过程中的虚拟储能。
具体而言，烘干过程可以通过合理调配烘干时间与产品数量，从而产生虚拟储热；化成工艺是指将电池充电至50％电量的过程，分容工艺是指将电池充电至100％电量，随后将电能全部放空，再将电池充电至50％电量的过程，上述两个工艺环节均可以通过合理安排电池储能与放能的时间，从而产生虚拟储电。在工业园区综合能源***规划中可以考虑此类可调度的工艺环节，合理利用生产过程中的虚拟储能，从而降低***的规划配置成本。
2.应用本发明的工业园区综合能源***规划模型
工业园区综合能源***规划模型包括两个层面。第一是规划层面的优化，即对***内的能源供给和存储设备的容量和数量进行优化。第二是调度层面的优化，即对***内供能设备的出力以及储能设备的运行进行优化。两个层面均以经济性为目标，并在此基础上进一步考虑生产工艺流程中虚拟储能的影响。
工业园区综合能源***规划模型以全寿命周期内的总成本为目标函数。
总成本主要涉及设备建设成本和***运行成本。
目标函数表达式为：
min{Cin+Cop}      (1)
式中，Cin为设备建设成本；Cop为***运行成本，反映***正常运行情况下的经济成本。
其中，***的设备建设成本为：
Figure BDA0003297868270000111
式中，Nm为第m类设备的建设数量；Cinst,i为第m类设备单位容量的投资建设成本；Mm为第m类设备的安装容量；Cscra,m为第m类设备的残值，本文设备残值选取为初始投资的5％；Y为规划的生命周期；r为实际利率，取5％。
***一年的运行成本为：
Figure BDA0003297868270000112
式中，
Figure BDA0003297868270000113
为第m类设备的燃料费用；
Figure BDA0003297868270000114
为第m类设备的运行维护费用，不同机组设备所产生的燃料与运行费用不同，年维护费用约为初始投资的3％。
主要约束条件如下：
(1)最大负荷约束。综合能源***规划配置供能设备的最大输出功率应能够满足***的电/热终端负荷的最大需求。
Figure BDA0003297868270000115
(2)自给自足概率约束。工业园区在电能孤岛模式下，满足***内一定量的负荷需求，保障***的稳定运行十分重要。因此，通过***在规划周期内自给自足满足负荷需求的概率来指导***内的规划配置。
Figure BDA0003297868270000116
式中，Pst为***内某一类终端负荷自给自足的概率。
(3)供能设备运行约束。综合能源***规划配置的供能设备在运行的过程中需要满足设备的额定功率以及爬坡约束。
Figure BDA0003297868270000117
Figure BDA0003297868270000121
式中，
Figure BDA0003297868270000122
分别为供能设备m的最大/最小出力；
Figure BDA0003297868270000123
分别为供能设备m减小出力和增加出力的爬坡速度。
(4)储能设备运行约束。***规划配置的储能设备在运行的过程中需要满足设备的充放能功率以及容量约束。
Figure BDA0003297868270000124
Figure BDA0003297868270000125
式中，
Figure BDA0003297868270000126
分别为储能设备M的最大/最小容量；
Figure BDA0003297868270000127
为储能设备M的最大充/放能功率。
(5)功率平衡约束。在考虑***内储能设备及生产过程中虚拟储能作用的情况下，保障工业园区内的能源负荷供需达到实时平衡：
Figure BDA0003297868270000128
式中，
Figure BDA0003297868270000129
为供能设备m在t时刻的出力；
Figure BDA00032978682700001210
为储能设备M在t时刻的出力；
Figure BDA00032978682700001211
为生产工艺中虚拟储能在t时刻的出力；PLoad(t)为负荷在t时刻的需求；
Figure BDA00032978682700001212
为储能设备的在t时刻储存的能量；
Figure BDA00032978682700001213
为生产工艺中虚拟储能的在t时刻储存的能量。
(6)生产订单约束。
电池工厂内的生产订单负荷主要可分为两大类，第一类是连续性生产负荷，具体是指生产工艺流程中不允许停电部分，其状态只取决于订单的起始与结束，具体可表示为：
Figure BDA00032978682700001214
式中，PLoad,c(t)为t时段连续性生产负荷的总耗能量；Nc为总生产车间数量；Mc,i为生产车间i的输出数量，对于连续性生产电负荷而言，Mc,i是一个固定值；Pc,i(t)为t时段生产车间i生产单位数量产品所的耗能量；uc,i(t)为布尔变量，表示t时段生产车间i的工作状态，具体需要满足以下约束条件：
Figure BDA00032978682700001215
其中，
Figure BDA00032978682700001216
分别表示生产车间i的起始与结束状态。
第二类是离散性生产电负荷，具体是指突发性生产任务所需要的能耗负荷，其状态与订单及生产任务直接相关，该类负荷可具体表示为：
Figure BDA0003297868270000131
式中，PLoad,d(t)为t时段离散性生产负荷的总耗电量；Nd为总生产车间数量；Md,j为生产车间j的输出数量，不同于连续性生产负荷，Md,j不是一个固定值，而是与订单的数量及完成时间相关；Pd,j(t)为t时段生产车间i生产单位数量产品所的耗能量；ud,j(t)同样为布尔变量。
因此，在统计时间段内，电池工厂的负荷的计算公式为：
Figure BDA0003297868270000132
式中，NT为调度统计时段；PLoad,o(t)为t时段除生产订单外其他的负荷需求。
综上所述，工业园区综合能源***规划模型框架如图2所示，图中，红色部分为可调度部分。
3应用本发明的工业园区综合能源***规划流程及求解方法
工业园区综合能源***的优化规划模型包括规划与运行调度两个层面。
首先是规划层面的优化，基于***内整体的负荷水平，考虑成本与负荷方面的约束，以式(2)作为优化目标，考虑全寿命周期的优化运行工况，以设备类型及数量作为优化变量，提出***内供能与储能设备的优化组合方案。
算法方面，为有效产生不同规划方案，因此，本发明采用量子粒子群算法来解决规划层模型的优化问题。
其次是运行调度层面的优化。针对规划时段内的逐时负荷需求曲线，考虑***供需平衡以及供/储能设备运行方面的约束，结合规划层所提供的设备方案，以供储能设备的启停与出力为优化变量，给出各设备的逐时优化调度方案。
算法方面，调度层面的优化问题是混合线性优化问题，在MATLAB环境中基于YALMIP平台，调用成熟的商业求解器CPLEX进行求解。调度层的优化服务于规划层的优化，同时，运行调度层的优化是规划层优化的子优化过程。具体的优化流程如图3所示。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.基于生产工艺虚拟储能的综合能源规划方法，其特征在于，
第一步，获取***内整体的负荷以及逐时负荷需求数据；
第二步，根据第一步中的负荷以及逐时负荷需求数据，设置约束条件；
所述约束条件至少包括最大负荷约束或/和自给自足概率约束或/和供能设备运行约束或/和储能设备运行约束或/和功率平衡约束或/和生产订单约束；
第三步，根据第二步中的约束条件以及生产工艺虚拟储能特性，以全寿命周期内的总成本最低为目标，建立目标函数；
第四步，根据第三步中的目标函数，构建规划优化模型和运行调度模型，对生产工艺虚拟储能的综合能源进行有效优化；
所述规划优化模型，以设备类型及数量作为优化变量，优化运行工况，对***内的能源供给和存储设备的容量和数量进行优化；
所述运行调度模型，结合规划优化模型设置的设备方案，对***内供能设备的出力以及储能设备的运行进行优化。
2.如权利要求1所述的基于生产工艺虚拟储能的综合能源规划方法，其特征在于，
所述第二步中的最大负荷约束，用于使得综合能源***规划配置供能设备的最大输出功率能够满足***的电/热终端负荷的最大需求；
所述自给自足概率约束，用于使得工业园区在电能孤岛模式下，满足***内一定量的负荷需求，保障***的稳定运行；
所示供能设备运行约束，用于使得综合能源***规划配置的供能设备在运行的过程中能满足设备的额定功率以及爬坡约束；
所述储能设备运行约束，用于使得***规划配置的储能设备在运行的过程中满足设备的充放能功率以及容量约束；
所述功率平衡约束，用于在考虑***内储能设备及生产过程中虚拟储能作用的情况下，保障工业园区内的能源负荷供需达到实时平衡：
所述生产订单约束，用于考虑生产订单的能耗负荷。
3.如权利要求2所述的基于生产工艺虚拟储能的综合能源规划方法，其特征在于，
所述最大负荷约束的计算公式如下：
Figure FDA0003297868260000021
所述自给自足概率约束，通过***在规划周期内自给自足满足负荷需求的概率来指导***内的规划配置，其计算公式如下：
Figure FDA0003297868260000022
式中，Pst为***内某一类终端负荷自给自足的概率；
所述供能设备运行约束的计算公式如下：
Figure FDA0003297868260000023
Figure FDA0003297868260000024
式中，
Figure FDA0003297868260000025
分别为供能设备m的最大/最小出力；
Figure FDA0003297868260000026
分别为供能设备m减小出力和增加出力的爬坡速度；
所述储能设备运行约束的计算公式如下：
Figure FDA0003297868260000027
Figure FDA0003297868260000028
式中，Mm(t)储能设备M在t时刻的容量；
Figure FDA0003297868260000029
分别为储能设备M的最大/最小容量；
Figure FDA00032978682600000210
为储能设备M的最大充/放能功率；
所述功率平衡约束的计算公式如下：
Figure FDA00032978682600000211
式中，
Figure FDA00032978682600000212
为供能设备m在t时刻的出力；
Figure FDA00032978682600000213
为储能设备M在t时刻的出力；
Figure FDA00032978682600000214
为生产工艺中虚拟储能在t时刻的出力；PLoad(t)为负荷在t时刻的需求；
Figure FDA00032978682600000215
为储能设备的在t时刻储存的能量；
Figure FDA00032978682600000216
为生产工艺中虚拟储能的在t时刻储存的能量；
所述生产订单约束，包括连续性生产负荷约束、离散性生产电负荷约束；
所述连续性生产负荷约束，其为生产工艺流程中不允许停电部分，其状态只取决于订单的起始与结束；
所述离散性生产电负荷约束，其为突发性生产任务所需要的能耗负荷，其状态与订单及生产任务直接相关。
4.如权利要求3所述的基于生产工艺虚拟储能的综合能源规划方法，其特征在于，
所述连续性生产负荷约束的计算公式如下：
Figure FDA0003297868260000031
式中，PLoad,c(t)为t时段连续性生产负荷的总耗能量；Nc为总生产车间数量；Mc,i为生产车间i的输出数量，对于连续性生产电负荷而言，Mc,i是一个固定值；Pc,i(t)为t时段生产车间i生产单位数量产品所的耗能量；uc,i(t)为布尔变量，表示t时段生产车间i的工作状态，具体需要满足以下约束条件：
Figure FDA0003297868260000032
其中，
Figure FDA0003297868260000033
分别表示生产车间i的起始与结束状态；
所述离散性生产电负荷约束的计算公式如下：
Figure FDA0003297868260000034
式中，PLoad,d(t)为t时段离散性生产负荷的总耗电量；Nd为总生产车间数量；Md,j为生产车间j的输出数量，不同于连续性生产负荷，Md,j不是一个固定值，而是与订单的数量及完成时间相关；Pd,j(t)为t时段生产车间i生产单位数量产品所的耗能量；ud,j(t)同样为布尔变量；
因此，在统计时间段内，电池工厂的负荷的计算公式为：
Figure FDA0003297868260000035
式中，NT为调度统计时段；PLoad,o(t)为t时段除生产订单外其他的负荷需求。
5.如权利要求1所述的基于生产工艺虚拟储能的综合能源规划方法，其特征在于，
所述第三步中的目标函数的计算公式如下：
min{Cin+Cop}
式中，Cin为设备建设成本；Cop为***运行成本，反映***正常运行情况下的经济成本；
所述设备建设成本和***运行成本构成全寿命周期内的总成本。
6.如权利要求5所述的基于生产工艺虚拟储能的综合能源规划方法，其特征在于，
所述设备建设成本的计算公式如下：
Figure FDA0003297868260000041
式中，Cin为设备建设成本；Nm为第m类设备的建设数量；Cinst,m为第m类设备单位容量的投资建设成本；Mm为第m类设备的安装容量；Cscra,m为第m类设备的残值；Y为规划的生命周期；r为实际利率；
所述***运行成本的计算公式如下：
Figure FDA0003297868260000042
式中，Cop为***运行成本，反映***正常运行情况下的经济成本；
Figure FDA0003297868260000043
为第m类设备的燃料费用；
Figure FDA0003297868260000044
为第m类设备的运行维护费用，不同机组设备所产生的燃料与运行费用不同。
7.基于生产工艺虚拟储能的综合能源规划方法，其特征在于，
根据生产工艺虚拟储能，构建规划优化模型和运行调度模型；
所述规划优化模型，用于调整设备类型及数量，其构建方法，包括以下步骤：
第一步，获取***内整体的负荷数据；
第二步，根据第一步中的负荷数据，设置成本与负荷数据的负荷约束；
第三步，根据第二步中的约束，建立规划目标函数，用于优化全寿命周期内的设备建设成本；
第四步，根据规划目标函数，以设备类型及数量作为优化变量，优化运行工况，建立***内供能与储能设备的规划优化模型；
所述运行调度模型，用于给出各设备的逐时优化调度方案，其构建方法，包括以下步骤：
步骤一，获取规划时段内的逐时负荷需求曲线；
步骤二，根据步骤一中的逐时负荷需求曲线，设置***供需平衡以及供/储能设备运行方面的运行约束；
步骤三，根据步骤二中的约束，建立运行目标函数，用于优化全寿命周期内的***运行成本；
步骤四，根据运行目标函数，以供储能设备的启停与出力为优化变量，建立能对各设备进行逐时优化调度的运行调度模型；
通过规划优化模型，对***内的能源供给和存储设备的容量和数量进行优化；然后运行调度模型，结合规划优化模型设置的设备方案，以规划目标函数与运行目标函数最小化为目标，建立目标函数，对***内供能设备的出力以及储能设备的运行进行优化。
8.如权利要求7所述的基于生产工艺虚拟储能的综合能源规划方法，其特征在于，
所述第三步中的规划目标函数的计算公式如下：
Figure FDA0003297868260000051
式中，Cin为设备建设成本；Nm为第m类设备的建设数量；Cinst,m为第m类设备单位容量的投资建设成本；Mm为第m类设备的安装容量；Cscra,m为第m类设备的残值；Y为规划的生命周期；r为实际利率；
所述步骤三中的运行目标函数的计算公式如下：
Figure FDA0003297868260000052
式中，Cop为***运行成本，反映***正常运行情况下的经济成本；
Figure FDA0003297868260000053
为第m类设备的燃料费用；
Figure FDA0003297868260000054
为第m类设备的运行维护费用，不同机组设备所产生的燃料与运行费用不同；
所述目标函数的计算公式如下：
min{Cin+Cop}
式中，Cin为设备建设成本；Cop为***运行成本，反映***正常运行情况下的经济成本；
所述设备建设成本和***运行成本构成全寿命周期内的总成本。
9.基于生产工艺虚拟储能的电池生产企业综合能源规划方法，其特征在于，
应用如权利要求1-8任一所述的基于生产工艺虚拟储能的综合能源规划方法，对电池生产企业的生产工艺流程进行优化及有效调度，挖掘其生产过程中的虚拟储能，并合理利用生产过程中的虚拟储能，以降低生产动力电芯和3C电芯的规划配置成本；
所述电池生产企业的生产工艺流程包括烘干工艺、化成工艺、分容工艺；
所述烘干工艺，利用虚拟储能特性，合理调配烘干时间与产品数量，从而产生虚拟储热；
所述化成工艺，用于将电池充电至50％电量的过程，通过合理安排电池充电时间，从而产生虚拟储电；
分容工艺，用于将电池充电至100％电量，随后将电能全部放空，再将电池充电至50％电量的过程，通过合理安排电池储能与放能的时间，从而产生虚拟储电。
10.基于生产工艺虚拟储能的电池生产企业综合能源规划***，其特征在于，
其设有能源站；并应用如权利要求9所述的基于生产工艺虚拟储能的电池生产企业综合能源规划方法；
所述能源站包括能量管理设备、分布式电源、储能设备、能量转换和能源负荷设备；
所述储能设备分为储电ES设备、蓄冰IS设备、蓄水WS设备、电/冷两种终端能源；
所述能量转换和能源负荷设备，包括燃气内燃机GT、电制冷机ER、溴化锂制冷机LBR、双工况冷机DSC。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116359763A (zh) * 2023-06-01 2023-06-30 深圳和润达科技有限公司 一种化成分容能耗的智能分析方法及装置
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