一种计及供需不平衡率的综合能源系统配置优化方法

技术领域

本申请涉及综合能源系统规划设计技术领域，尤其涉及一种计及供需不平衡率的综合能源系统配置优化方法。

背景技术

煤炭和石油等传统化石能源的使用极大推动了人类社会的发展，但过度开采和使用化石能源引发了能源危机、环境污染等严峻的问题，光伏、风电等可再生能源替代传统化石能源日益受到人们的重视。但风光这类可再生能源由于其波动大、出力不稳定的特点加大了并网的难度。为此，综合能源系统作为能够实现多种能源耦合，不同能源转换，实现能源梯级利用，提高能源综合利用率的新型能源系统，为可再生能源的规模化发展提供了坚实的基础。

然而，随着可再生能源渗透比例不断增加，系统为了平抑可再生能源出力的不确定性，其运行会更加频繁，导致系统内的其它设备的出力也会频繁波动。设备在实际运行过程中，负荷突然改变时，设备出力不能马上跟上，在设备达到设定值之前会产生能量的供需不平衡，负荷波动越大，这种供需不平衡也就越大。常规的配置优化的方法，没有考虑这种负荷波动导致设备出力频繁变化过程中产生的能量供需不平衡影响，使得该配置结果和实际情况出现不匹配的情况。因此在综合能源系统的配置优化阶段，考虑因设备动态特性导致的供需不平衡是非常必要的。

目前针对综合能源系统配置优化的问题上，国内外学者也进行了大量研究。但大部分的配置优化方法直接使用了设备的稳态特性模型，并没有结合设备的动态特性。

发明内容

本申请提供了一种计及供需不平衡率的综合能源系统配置优化方法，其技术目的是将在设备稳态特性模型的基础上，结合关键设备的动态特性，离线计算出关键设备的供需不平衡率，并用其参与构造总能量供需不平衡率指标项；将设备的稳态特性模型与其动态过程结合起来，在一定程度上能够反映设备实际动态过程对综合能源系统配置优化的影响；系统在配置过程中会更倾向配置动态过程更快的设备，当负荷需求发生波动时，系统能够更快地跟上负荷，提升了系统的供能质量和用户用能舒适性。

本申请的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种计及供需不平衡率的综合能源系统配置优化方法，包括：

S1：建立冷热电综合能源系统结构与设备数学模型；

S2：通过所述冷热电综合能源系统结构与设备数学模型对关键设备进行PID控制器设计，以使关键设备的动态性能最优；

S3：通过闭环阶跃响应实验提取关键设备的供需不平衡率，进而得到总能量供需不平衡率；

S4：构建以系统总成本最小、总能量供需不平衡率最优及环境污染排放最低为综合目标函数的冷热电综合能源系统的多目标规划模型；

S5：输入初始参数；

S6:根据冷热电综合能源系统的侧重点对系统总成本、总能量供需不平衡率、及环境污染排放进行加权；

S7:采用CPLEX求解器对多目标规划模型进行求解，从而完成对冷热电综合能源系统的配置优化。

本申请的有益效果在于：

(1)本申请基于关键设备的单回路反馈调节系统的闭环阶跃响应曲线，提取出关键设备的供需不平衡率，并将其用在总能量供需计算中，得到总能量供需不平衡率指标项。

(2)本申请综合考虑了经济效益、环境效益和总能量供需不平衡率指标，建立了综合目标冷热电综合能源系统设备容量规划模型，其规划方案充分考虑了系统不同因素对设备容量配置带来的影响。相较于传统的规划思路而言，本申请的规划方案更具有科学合理性与适用性强等优点，通过考虑关键设备供需不平衡率项和总能量供需不平衡率指标，相较于综合能源系统的常规设备容量配置中增加动态过程中供需不平衡率小的设备容量，以此减少综合能源系统供需不平衡率，间接提高了系统对负荷的响应速度，增强了用户的用能质量。

(3)本申请使用CPLEX求解器对设备容量规划模型进行优化求解，提高了整体求解过程的求解效率。

附图说明

图1是本申请所述方法的流程框图；

图2是冷热电综合能源系统结构示意图；

图3是吸收式冷温水机组、热泵和燃气锅炉单回路反馈调节系统阶跃响应曲线图；

图4是典型日的负荷曲线与光伏可用功率曲线示意图；

图5是不同供需不平衡率项下方案A和方案B的电能平衡示意图；

图6是不同供需不平衡率项下方案A和方案B的热能平衡示意图；

图7是不同供需不平衡率项下方案A和方案B的冷能平衡示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请技术方案进行详细说明。

如图1所示，一种计及供需不平衡率的综合能源系统配置优化方法，包括：

S1：建立冷热电综合能源系统结构与设备数学模型。

具体地，如图2所示，冷热电综合能源系统结构中微型燃气轮机、蓄电池、大电网以及光伏设备满足用户用电需求，空气源热泵消耗电源侧的电能转换为热能和冷能，溴化锂吸收式双工况冷温水机组利用微型燃气轮机的排烟热流产冷、产热，燃气锅炉将天然气转换为热能，蓄热水池和蓄冷水池分别实现热能和冷能的储存与释放，以上几种设备共同满足用户的用冷和用热需求。需要强调的是，上述组成设备只是综合能源系统的结构形式之一，仅仅是示例性的，实际系统结构不限于此类结构。

S2：通过所述冷热电综合能源系统结构与设备数学模型对关键设备进行PID控制器设计，以使关键设备的动态性能最优。

具体地，对关键设备进行PID控制器设计，使其具备较好的动态性能；对PID控制器参数进行整定，建立单个关键设备的单回路反馈调节系统，其传递函数表示如下：

其中，W(s)表示单个设备的单回路反馈调节系统的传递函数模型；Y(s)表示调节系统的输出信号；R(s)表示调节系统的给定值；G

S3：通过闭环阶跃响应实验提取关键设备的供需不平衡率，进而得到总能量供需不平衡率。

具体地，对单个设备的单回路反馈调节系统进行单位阶跃响应实验得到设备输出的变化曲线，如图3所示，计算设备输出响应到达稳态值之前与稳态值的差值的绝对值之和，并将该绝对值之和平均到一小时内的值作为关键设备的供需不平衡率项。然后，在供能计算中将关键设备出力与其供需不平衡率项相乘，得到冷热电各负荷的供需不平衡总量。最后将供需不平衡总量除以用户负荷需求值得到该设备的供需不平衡率指标项。

关键设备一小时内平均供需不平衡率表示为：

其中，ζ

则供需不平衡总量表示为：

其中，E

则总能量供需不平衡率表示为：

其中，ξ

S4：构建以系统总成本最小、总能量供需不平衡率最优及环境污染排放最低为综合目标函数的冷热电综合能源系统的多目标规划模型。

(1)综合目标函数的构建：

将能量供给的供需不平衡率指标嵌入目标函数中，建立冷热电综合能源系统总成本最小、供需不平衡率指标最优与环境污染物排放最低的综合目标函数。其中，规划运行成本为系统配置成本和运行成本；能量供需不平衡率包含冷能和热能两种能量供需不平衡率；环境污染排放指标为系统的CO

综合目标函数具体表示为：

其中，K表示系统配置的设备种类数；C表示设备容量；R表示年金现值系数；S

(2)约束条件的构建：

所述多目标规划模型的约束条件包括能量平衡约束、微型燃气轮机特性约束、光伏设备特性约束、溴化锂吸收式双工况冷温水机组特性约束、空气源热泵特性约束、燃气锅炉特性约束、蓄电池特性约束和蓄水池特性约束；

能量平衡约束包括电能平衡约束、热能平衡约束和冷能平衡约束，表示为：

其中，

微型燃气轮机特性约束包括微型燃气轮机的功率约束与能量转换约束，表示为：

其中，

光伏设备特性约束包括能量转换约束，表示为：

其中，

溴化锂吸收式双工况冷温水机组特性约束包括溴化锂吸收式双工况冷温水机组的功率约束和能量转换约束，表示为：

其中，

空气源热泵特性约束包括热泵的功率约束与能量转换约束，表示为：

其中，

燃气锅炉特性约束包括燃气锅炉的功率约束与能量转换约束，表示为：

其中，

蓄电池特性约束包括蓄电池的充放电功率约束和剩余能量约束，表示为：

其中，

蓄水池特性约束包括蓄水池的充放能功率约束和剩余能量约束，表示为：

其中，

(3)多目标规划模型的建模：

根据所述综合目标函数和所述多目标规划模型的约束条件对所述多目标规划模型进行建模，则所述多目标规划模型表示为：

其中，g

S5：输入初始参数。

具体地，初始参数为用户特定案例的数据，具体包括典型日电热冷负荷数据、典型日光伏可利用功率、所选设备特性参数与输出功率上下限。

S6:根据冷热电综合能源系统的侧重点对系统总成本、总能量供需不平衡率、及环境污染排放进行加权；

S7:针对于特定的地域负荷，采用CPLEX求解器对多目标规划模型进行求解，从而完成对冷热电综合能源系统的配置优化。

实施例：本申请基于南京市某地区宾馆负荷数据为基础进行冷热电综合能源系统设备容量配置。根据南京市的气候特点，全年可分为冬季、夏季与春秋季三个典型日，其典型日负荷数据和光伏可用功率数据如图4所示。三个典型日天数分别设置为110天、 100天和155天。综合能源系统的设备配置成本和运行维护成本以及设备性能参数如表1 所示，电网购电成本如表2所示。天然气够买成本为3￥/m

表1综合能源系统设备成本系数与性能参数

表2电网购电成本

在多目标规划模型求解中，决策者可根据实际情况和侧重点分配各指标的权重系数来确定冷热电综合能源系统设备容量配置方案。为了比较能量供需不平衡率指标的影响，将设备动态特性较差即设备能量供需不平衡率大的方案A与设备能量供需不平衡率小的方案B进行对比分析，其中权重分配为λ1＝0.5、λ2＝0.3、λ3＝0.2，两种方案下各子目标值和设备容量配置对比分别如表3和表4所示。

表3方案A与方案B各子目标值对比

表4方案A和方案B设备容量对比

从表3和表4可知，当改变关键设备的控制性能使其供需不平衡率项减小后，能量供需不平衡率较小即动态特性更快的空气源热泵在容量上有了显著的提升，而供需不平衡率最大的吸收式冷温水机组的容量大幅下降。空气源热泵容量上的增加，导致用电量上升，在环保指标的束缚下，系统不会加大从电网的购电量，而是增加了微型燃气轮机的容量。虽然提升设备的控制性能后，总能量供需不平衡率减小，但是相应的增加了成本更贵的空气源热泵容量，使其配置成本和运行成本增加进而提高了总成本。图5、图6 和图7分别给出了方案A和方案B的电能、热能和冷能平衡图。从三幅图中可以看出，空气源热泵容量大幅增加，吸收式冷温水机组容量减少。供热和供冷主体均由吸收式冷温水机组改为空气源热泵。与此同时，由于空气源热泵用电量需求增加，微型燃气轮机功率也随之增加，与此同时，导致由于天然气燃烧所排放的环境污染物也相应增加。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内提出的其他实施例都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。