基于综合枢纽集成化能源模型的能源系统优化方法

摘要

本发明涉及一种基于综合枢纽集成化能源模型的能源系统优化方法，该方法首先获取各综合枢纽及其与传输系统的连接关系，建立集成化能源模型，然后根据实际需要设定目标函数，根据目标函数和上述集成化能源模型对能源系统进行优化，在满足目标函数情况下，获得各个能源载体子系统最优的输入输出。与现有技术相比，本发明建立的集成化能源模型以综合枢纽为建模的基本单元，模型的模块化明显，建模过程简单灵活。

说明书

技术领域

本发明涉及一种能源系统优化方法，尤其是涉及一种基于综合枢纽集成化能源模型的能源系统优化方法。

背景技术

自从上世纪70年代初，随着能源供应安全问题受到各石油进口国的高度重视，诞生了一系列用来分析和研究各类能源系统及其子系统的能源模型。随着能源模型在社会经济领域的逐步推广和深入应用，目前，能源模型已经成为能源供需预测、能源系统规划、能源环境政策制定的重要手段。基于能源问题的不同特点，众多类型的能源模型相继提出。从建模方法角度，现有能源模型分为自底向上模型(Bottom-up model)、自顶向下模型(Top-down model)和混合模型(hybrid model)。自底向上能源模型从工程学的角度注重能源技术的研究，它用来分析住宅、服务、工业、运输、电力、精细化工和煤气加工行业中的能源需求问题。自底向上能源模型的典型代表是MARKAL(Market Allocation)模型。MARKAL用来仿真区域能源系统，也可以用作小规模的能源分析与优化，它是寻找满足一定能源需求的成本最低的能源生产方法及过程。自顶向下能源模型从计量经济学的角度分析各种宏观经济因素与能源系统之间的相互作用。它将能源系统作为经济中的一个子系统，研究它与其它经济子系统的相互影响。相对于自底向上能源模型，它补充了能源需求及能源政策对宏观经济参数的影响。自顶向下能源模型的典型代表是ETA-MACRO模型，该模型提供一个宏观经济方法描述能源-经济相互作用及改变这种作用的成本。自底向上与自顶向下可以结合使用生成混合模型，其典型代表为MARKAL-MACRO模型。它用来评估能源使用对环境影响的相关政策，采用非线性的优化方法解决能源成本、消费和投资问题，也可以用来解决能源-气候问题。其它相关的能源模型还有国家能源建模系统(NEMS，the National Energy ModelingSystem)，该模型用来预测能源、经济、环境和安全对美国能源政策以及各种能源市场假设的影响。我国对能源建模的研究起步较晚，在过去20年中，一些研究中国能源、经济和环境问题的专家和学者一般都采用国外的能源模型，或以此为基础进行部分改进，用于能源系统分析研究。

自底向上模型从工程角度，将技术要素作为能源活动的主体，探讨了能源技术的应用、发展及其进步对能源、经济和环境的潜在作用，为帮助决策者合理选择和应用技术提供了分析手段。由于该类模型可以为能源环境政策的制定提供详细的决策依据，因此成为各个国家、各个区域进行能源系统规划和环境控制相关决策的重要方法。随着能源资源的逐步匮乏和环境问题的日益加剧，各种能源环境政策相继出台，如何准确、科学、合理地分析这些政策的未来效用，对自底向上能源模型的进一步发展提出了严峻的挑战。随着多能源载体基础设施建设的范围不断扩大，以及多元化新型能源技术的快速发展，传统自底向上能源模型在描述和分析网络化多载体能源系统方面存在缺陷，面向多载体类型的能源系统建模方法引起了人们的关注，相继出现了以“基本单元(Basic units)”，“微电网(Micro grids)”，“混杂能源枢纽(Hybrid energy hub)”和“能源枢纽(Energy hub)”为基本概念的能源模型。其中，“能源枢纽”成为该领域的主要代表，它描述了能源系统中的一个基本输入-输出单元，它具有能源存储和转换功能。基于能源枢纽的能源系统网络流模型已被众多学者所接受，并以此为基础展开了一系列多载体能源系统的分析与优化研究。现有的面向多载体类型的能源系统建模方法主要立足于电网、热网、天然气管网等不同能源载体子系统在能源转换、传输和消耗行为之间的耦合关系，研究范畴仍局限在能源系统内部。随着能源、经济和环境之间相互影响作用的日益加剧，能源系统的研究范畴逐渐扩展至与经济系统和环境系统之间的交互问题。除了多载体能源子系统之间的耦合关系之外，能源系统与污染物排放、产品生产之间也存在紧密的关联。能源开发、存储、运输、转化、分配、消费等各项活动都是围绕产品的生产需求而展开。能源活动是产生排放的来源，同时，通过余热回收和生物质能燃烧等新型能源技术的发展，排放物可以转化为再利用的能源资源。可以说，能源系统分析不能独立于排放和产品生产要素，必须建立面向能源、物料、排放协同作用的集成化能源系统模型。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种全面性高、模型建模过程简单灵活的基于综合枢纽集成化能源模型的能源系统优化方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于综合枢纽集成化能源模型的能源系统优化方法，包括以下步骤：

1)根据各综合枢纽及其与传输系统的连接关系，建立集成化能源模型，该集成化能源模型包括能源流平衡方程、物料流平衡方程和排放流平衡方程，所述的能源流平衡方程如下：

$>\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{P}_i^{\alpha }=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{T}_i^{\alpha },i\in N=\{\mathrm{1,2,3},...n\},\alpha \in H=\{e,g,h,...\}$>

所述的物料流平衡方程如下：

$>M_i^{\beta }=\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}{M}_j^{\beta },j\in \{\mathrm{1,2,3},...m\},\beta \in M=\{a,b,c,...\}$>

所述的排放流平衡方程如下：

$>W_i^{\delta }=\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}{W}_j^{\delta },j\in \{\mathrm{1,2,3},...m\},\delta \in E=\{s,t,...\}$>

其中，为能源载体子系统α向综合枢纽节点i输入的能源流量，为从综合枢纽节点i反馈给能源载体子系统α的能源流量，i∈N＝{1，2，3，...n}，N为综合枢纽节点集合，H＝{e，g，h，...}为能源载体集合，其元素表示各个能源类型；为物料β在综合枢纽节点i的输出量，为物料β在综合枢纽节点i的下游节点j的输入量，j∈{1，2，3，...m}，m为综合枢纽节点i下游节点的个数，M＝{a，b，c，...}为物料集合，其元素表示各个物料、半成品或最终产品类型；为排放物δ在综合枢纽节点i的输出量，为排放物δ在综合枢纽节点i的下游节点j的输入量，E＝{s，t，...}为排放集合，其元素表示各个排放物类型；

2)设定目标函数，根据目标函数和上述集成化能源模型对能源系统进行优化。

所述的综合枢纽为具有能源活动、产品制造和废弃物排放处理的基本单元。

所述的能源载体子系统包括电网、天然气网和热网。

所述的目标函数包括成本效益组合最小。

与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

1、本发明通过综合枢纽及其与传输系统的连接，综合考虑能源、物料、排放之间的相互作用，为能源系统优化提供更加全面、客观的分析模型，提高能源模型在复杂环境下的分析决策能力，模型可以作为能源系统规划和预测的分析模型。本发明提出的综合枢纽的概念，不仅描述能源存储、运输、转化、分配、消耗等能源活动，而且将产品制造以及废弃物产生、处理、再利用等环节融入其中，综合考虑能源、物料、排放在某一区域范围内的复杂耦合关系。

2、本发明建立的集成化能源模型以综合枢纽为建模的基本单元，模型的模块化明显，建模过程简单灵活。

附图说明

图1为本发明综合枢纽的基本模型示意图；

图2为本发明集成化能源模型示意图；

图3为三个综合枢纽节点的能源系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

一种基于综合枢纽集成化能源模型的能源系统优化方法，该方法首先获取各综合枢纽及其与传输系统的连接关系，建立集成化能源模型，然后根据实际需要设定目标函数，根据目标函数和上述集成化能源模型对能源系统进行优化，在满足目标函数情况下，获得各个能源载体子系统最优的输入输出。

本发明中，综合枢纽的基本模型如图1所示。综合枢纽定义为具有能源活动、产品制造和废弃物排放处理的基本单元，所包含的范围可以小到一个企业或建筑物，也可以大到一个区域或国家。在其内部，能源经过转化(如燃气轮机、燃气锅炉等)、调配(如变压器、热交换网等)为本地的产品制造提供能源消耗(如电能、热能)；原材料经过制造加工，转换成半成品/最终产品，并消耗能源，同时产生废弃物排放；某些排放物通过余热回收或燃烧产生可回收热能，同时为保障环境安全，排放物需要进行脱硫、脱氮、脱碳等环境处理与控制。综合枢纽与各个能源载体子系统(如电网、天然气网、热网)相连，从能源载体子系统中获得能源，经过转化与调配，生成的能源不仅提供本地的产品制造用能，而且剩余的能源可以反馈到各个能源载体子系统中，供其它综合枢纽使用。综合枢纽体现了多载体能源子系统之间，以及能源系统与生产系统、排放系统之间复杂的耦合关系，它为能源、物料、排放之间的交互提供了接口。综合枢纽扩展了能源枢纽的建模理念，不仅描述能源存储、运输、转化、分配、消耗等能源活动，而且将产品制造以及废弃物产生、处理、再利用等环节融入其中，综合考虑能源、物料、排放在某一区域范围内的复杂耦合关系。

如图1所示，建立一个综合枢纽的基本模型，该模型包含能源平衡方程、物料平衡方程和排放平衡方程三部分，分别描述了综合枢纽中的能源、物料与排放从输入到输出之间的关系。

定义能源载体集合H＝{e，g，h，...}，其元素表示各个能源类型，如e，g，h可分别表示电能、天然气和热能；同理，定义物料集合M＝{a，b，c，...}和排放集合E＝{s，t，...}，其中分别包含了各种物料/半成品/最终产品类型以及排放物类型；综合枢纽节点集合N＝{1，2，3，...n}表示枢纽节点序号。

能源平衡方程定义：

$>T_1^e+T_1^{\mathrm{eb}}=P_1^e{\eta }_1^e+P_1^g{\lambda }_1^g{\eta }_1^{\mathrm{ge}}$>

$>T_1^h+T_1^{\mathrm{hc}}=P_1^h{\eta }_1^h+P_1^g{\lambda }_1^g{\eta }_{1T}^{\mathrm{gh}}+P_1^g(1-{\lambda }_1^g){\eta }_{1B}^{\mathrm{gh}}+P_1^{\mathrm{rh}}{\eta }_1^h$>

$>T_1^{\mathrm{eb}}=M_1^b{S}_1^{\mathrm{eb}}---\left(1\right)$>

$>T_1^{\mathrm{hc}}=M_1^c{S}_1^{\mathrm{hc}}$>

$>P_1^{\mathrm{rh}}=T_1^{\mathrm{eb}}{R}_1^{\mathrm{eb}}$>

物料平衡方程定义：

$>M_1^b=M_1^a{\lambda }_1^a{\eta }_1^{\mathrm{ab}}---\left(2\right)$>

$>M_1^c=M_1^a(1-{\lambda }_1^a){\eta }_1^{\mathrm{ac}}$>

排放平衡方程定义：

$>W_1^s=M_1^c{\psi }_1^{\mathrm{cs}}---\left(3\right)$>

$>W_1^t=W_1^s{\eta }_1^{\mathrm{st}}$>

上述方程(1)～(3)中，分别表示综合枢纽从各个能源载体子系统获得的能源输入。经过和分配，一部分由燃气轮机转化为电能和热能，另一部分经燃气锅炉生成热能。表示综合枢纽反馈给能源载体子系统的能源输出量。分别表示用于生产本地产品b和c的能源需求量。为原材料，经过和的分配，分别用于制造产品和在产品制造过程中，产生的高温副产品或排放物进入热交换网，实现余热回收产生的排放物经过脱硫、脱氮、脱碳等处理，向外界排放能源设备、加工制造设备以及排放处理设备的转化效率表示为η。加工制造设备的能源强度分别为表示单位产品b和c的电能与热能消耗量；制造设备的余热回收效率为表示制造产品b的单位电能消耗量的可回收热能。制造设备的排放强度为表示制造单位产品c所释放的废弃物s的排放量。

以综合枢纽的基本模型为基础，建立集成化能源模型。集成化能源模型由一系列综合枢纽节点及与其连接的传输系统构成，传输系统包含传递多能源载体、物料和排放物的网状结构，可以是网线、管道、交通路网等多种形式。不失一般性，基于综合枢纽的集成化能源模型如图2所示。集成化能源模型包含能源流、物料流与排放流的平衡方程。

能源流平衡方程：

$>\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{P}_i^{\alpha }=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{T}_i^{\alpha },i\in N=\{\mathrm{1,2,3},...n\},\alpha \in H=\{e,g,h,...\}---\left(4\right)$>

物料流平衡方程：

$>M_i^{\beta }=\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}{M}_j^{\beta },j\in \{\mathrm{1,2,3},...m\},\beta \in M=\{a,b,c,...\}---\left(5\right)$>

排放流平衡方程：

$>W_i^{\delta }=\underset{j=1}{\overset{m}{\Sigma }}{W}_j^{\delta },j\in \{\mathrm{1,2,3},...m\},\delta \in E=\{s,t,...\}---\left(6\right)$>

其中，为能源载体α向综合枢纽节点i输入的能源流量，为从综合枢纽节点i反馈给能源载体α的能源流量，i∈N；为物料β在综合枢纽节点i的输出量，为物料β在综合枢纽节点i的下游节点j的输入量，j∈{1，2，3，...m}，m为综合枢纽节点i下游节点的个数；为排放物δ在综合枢纽节点i的输出量，为排放物δ在综合枢纽节点i的下游节点j的输入量。方程(4)描述了对任一类型能源载体α∈H＝{e，g，h，...}，从相应能源载体子系统输入各个综合枢纽节点的流量之和等于从各个节点反馈给该子系统的流量之和，即表示在能源系统中，能源产生量等于能源消耗量。方程(5)与(6)相类似，分别描述了相应某一物料或排放物类型β∈M＝{a，b，c，...}或δ∈E＝{s，t，...}，其在节点i∈N＝{1，2，3，...n}的输出量等于位于其下游的各个节点的相应输入量之和，j表示与i节点相连的下游节点。

为说明本发明方法的有效性，建立包含三个综合枢纽节点的集成化能源模型进行实施例分析，如图3所示。三个节点组成了一个内部网络，各个节点同时与电网、天然气网、供热网络相连接，为节点提供所需的电能、天然气和热能。电网由外部网络向节点提供电能，节点①和③的剩余电能可以发送回电网；供热网络输送的热能仅由节点①和③提供，外部网络不向该系统供应热能；天然气网络提供的可用天然气不受约束。节点①中的能源转换技术包含变压器、燃气轮机和燃气锅炉。其中，部分电能用于满足本节点的产品制造需求；节点②包含变压器和热交换网，产品制造需要的电能与热能直接来自电网和供热网络。节点③包含变压器、燃气轮机和热交换网，产品制造需要消耗电能，产生的余热可以回收至热交换网。同时，制造过程产生的排放物需要脱硫、脱氮处理。根据实施例的能源系统配置情况，在此对能源系统进行规划和决策。考虑到实施例中的能源、物料与排放之间存在紧密的耦合关系，采用本发明对实施例进行集成化能源系统建模，为能源系统规划和决策提供分析模型。

按照方程(1)～(6)建立实施例的集成化能源模型。

$>P_1^e{\eta }_1^e+P_1^g{\lambda }_1^g{\eta }_1^{\mathrm{ge}}=T_1^e+T_1^{\mathrm{ec}},P_1^g(1-{\lambda }_1^g){\eta }_{1B}^{\mathrm{gh}}+P_1^g{\lambda }_1^g{\eta }_{1T}^{\mathrm{gh}}=T_1^h$>

$>T_1^{\mathrm{ec}}=M_1^c{S}_1^{\mathrm{ec}},P_2^e{\eta }_2^e=T_2^{\mathrm{eb}},P_2^h{\eta }_2^h=T_2^{\mathrm{hb}},T_2^{\mathrm{eb}}=M_2^b{S}_2^{\mathrm{eb}}$>

$>T_2^{\mathrm{hb}}=M_2^b{S}_2^{\mathrm{hb}},P_3^e{\eta }_3^e+P_3^g{\eta }_3^{\mathrm{ge}}=T_3^e+T_3^{\mathrm{ed}},P_3^g{\eta }_3^{\mathrm{gh}}+P_3^{\mathrm{rh}}{\eta }_3^h=T_3^h$>

$>T_3^{\mathrm{ed}}=M_3^d{S}_3^{\mathrm{ed}},P_3^{\mathrm{rh}}=T_3^{\mathrm{ed}}{R}_3^{\mathrm{ed}},M_1^c=M_2^b{\lambda }_2^b{\eta }_1^{\mathrm{bc}},M_2^b=M_2^a{\eta }_2^{\mathrm{ab}}---\left(7\right)$>

$>M_3^d=M_2^b(1-{\lambda }_2^b){\eta }_3^{\mathrm{bd}},W_3^t=W_3^s{\eta }_3^{\mathrm{st}},W_3^s=M_3^d{\psi }_3^{\mathrm{ds}}$>

$>P_1^e+P_2^e+P_3^e\ge T_1^e+T_3^e,T_1^h+T_3^h\ge P_2^h$>

$>0\le {\lambda }_1^g\le \mathrm{1,0}\le {\lambda }_2^b\le 1,T_1^e\ge 0,T_3^e\ge 0$>

$>P_i^e\ge 0,P_i^g\ge 0,P_i^h\ge 0,i=\left\{\mathrm{1,2,3}\right\}$>

对实施例的能源系统进行优化，主要是从能源消耗量最少、排放最低、成本最经济的角度出发，提出能源系统的运行策略。考虑在此建立的集成化能源系统模型涉及能源、物料与排放等多种因素，为实现统一尺度下的度量分析，采用基于成本效益的分析手段，建立如下系统目标函数。

$>\min S=\underset{\alpha \in H}{\Sigma }\underset{i\in N}{\Sigma }{P}_i^{\alpha }{C}_P^{\alpha }+\underset{\delta \in E}{\Sigma }\underset{i\in N}{\Sigma }{W}_i^{\delta }{C}_W^{\delta }-\underset{\alpha \in H}{\Sigma }\underset{i\in N}{\Sigma }{T}_i^{\alpha }{C}_T^{\alpha }-\underset{\beta \in M^{\prime }}{\Sigma }\underset{i\in N}{\Sigma }{Q}_i^{\beta }{C}_M^{\beta }---\left(8\right)$>

公式(8)描述了最小化的成本效益组合，其中成本包含能源消耗成本和排放物处理成本，效益包括产品收益和反馈剩余能源收益(注：能源转化等能源技术成本，以及产品生产等制造成本已经在能源消耗成本和产品制造收益中进行了平衡，在此不予专门列出。)。公式(8)中，分别表示能源消耗量、排放物处理量、反馈剩余能源量、产品制造量。分别表示能源消耗单位成本、排放物处理单位成本、能源单位收益、产品单位收益。根据公式(8)，建立实施例的目标函数：

$>\min S=\underset{i=1}{\overset{3}{\Sigma }}{P}_i^e{C}_P^e+\underset{i=1}{\overset{3}{\Sigma }}{P}_i^g{C}_P^g+W_3^t{C}_W^t-\underset{i=1}{\overset{3}{\Sigma }}{T}_i^e{C}_T^e-M_1^c{C}_M^c-M_3^d{C}_M^d---\left(9\right)$>

对实施例进行优化分析。系统参数如表1所示。为分析的便利，参数取为无量纲的相对值。能源、物料、排放、成本/效益参数的相应单位分别取为p.u.(Per unitof energy)，m.p.u.(Material and product unit)，e.u.(Emission unit)，m.u.(Monetaryunit)。

表1

取表1中的参数，对系统进行优化求解，求解结果如表2所示。

表2

从优化结果可以看出能源系统基于成本效益的运行决策。由于节点②不具备自产电能的能力，产品制造所需要的电能全部来自电网，其值为17.05p.u.。来自电网的电能成本变压器转换效率为0.5，通过电网输入的可用单位电能成本为7m.u.。天然气的单位成本为对于节点①和③，天然气转化为电能的效率为因此在节点①和③中，通过天然气生产出单位电能的成本为4.22m.u.，明显小于来自电网的可用单位电能成本7m.u.。因此节点①和③通过内部的燃气轮机将天然气转化为用于本地产品制造所需的电力资源是最为经济的用电方式()，同时所产生的热能提供给节点②使用()，节点③将剩余的电能10.97p.u.返回给电网。由于节点③的产品制造过程会生产排放，为降低排放处理成本，由可以看出，节点③没有产品制造过程。即便如此，由于节点③的燃气轮机的热能转化效率比节点①的燃气轮机的热能转化效率要高，因此仍需要通过节点③向节点②提供大部分的热能，同时产生的剩余电能作为额外收益。虽然节点①的燃气锅炉的热能转化效率接近燃气轮机热能转化效率的两倍，但是由于燃气轮机的热电联产效益，因此从最经济的角度考虑，节点①完全通过燃气轮机产生电能和热，即以上决策方案产生的系统总成本为S＝54.68m.u.。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。