一种面向工程应用的园区综合能源系统运行优化分析方法

摘要

本发明涉及一种面向工程应用的园区综合能源系统运行优化分析方法。该方法包括：根据园区综合能源系统设备及网络实际拟定模型相关参数；构建园区综合能源系统设备级模型；构建园区综合能源系统日前运行优化模型；调用成熟优化软件开展分析计算，以及输出园区综合能源系统日前运行方案。本发明解决了如何优化系统日前运行的经济性和环保性的问题，用于开展园区综合能源系统运行优化分析模拟，指导制定日前运行方案。

说明书

技术领域

本发明涉及综合能源系统运行技术领域，具体涉及一种面向工程应用的园区综合能源系统运行优化分析方法。

背景技术

目前，伴随着分布式发电技术，监控和管理措施，以及新型交易模式的飞速发展和应用，综合能源系统近年来得到了各国政府、学者和科研机构的广泛关注和发展。综合能源系统的概念最早在欧洲提出，由社会供能网络和终端综合能源单元系统构成，是一种能源、信息、运输和其他支持系统多系统融合，面向供热、制冷、氢气和电力供应等多种能源需求，在系统中可以通过各种能源来实现有机集成的集成系统。

综合能源系统的实现形式包括能源互联网、泛能网、能源集线器、微电网以及虚拟发电厂等。其中，微电网作为一个小型的电力系统，由分布式电源、储能、能量转换装置、监控系统、保护装置以及本地负荷等汇集而成，具有运行方式灵活、对环境友好等优点，可以有效实现系统内的能量优化。园区型综合能源系统作为一种特殊的微电网，体现了综合能源系统在用户侧的应用，其目的在于实现可再生能源在用户侧的开发利用。

园区型综合能源系统的核心问题在于研究系统内多种能源的协同控制和管理机制，力求通过多种能源的优化调度，在满足建筑园区内用户的供电、供冷/热等需求的前提下，实现能源的高效利用。在综合能源系统的优化研究方面，国内外众多学者重点针对热电联产系统的协调运行进行了相关研究。文献[1]根据可再生能源出力的波动，提出了一种热电联供微电网协调优化的调度策略；文献[2]则建立了包含生产成本、环境成本和协调成本的多目标优化调度模型；文献[3]计及天然气管道的运行约束，提出了一种考虑天然气系统和电力系统耦合的电力风险评估方法；文献[4]采用双层优化模型，建立了热电比可调的热电联产机组优化调度模型；文献[5]系统描述了多能源系统内各环节能量流通的特征，构建了全能流模型，从静态、动态的角度对能源进行优化管理。

现有研究中，对于园区综合能源系统的应用场景，多聚焦算法层面，对系统中所涉及设备的物理模型刻画，尤其是面向工程应用的建模分析还较薄弱。本发明主要用于解决面向工程应用的园区综合能源系统运行优化方法研究。

参考文献：

文献[1]Awad B,Chaudry M,Wu J,et al.Integrated optimal power flow forelectric power and heat in a MicroGrid[J].2009(550):1-4.

文献[2]周任军,冉晓洪,毛发龙,等.分布式冷热电三联供系统节能协调优化调度[J].电网技术,2012(6):8-14.

文献[3]Sahin C,Shahidehpour M,Erkmen I.Generation risk assessment involatile conditions with wind,hydro,and natural gas units[J].Applied Energy,2012,96(3):4-11.

文献[4]施锦月,许健,曾博,等.基于热电比可调模式的区域综合能源系统双层优化运行[J].电网技术,2016(10).

文献[5]李洋,吴鸣,周海明,等.基于全能流模型的区域多能源系统若干问题探讨[J].电网技术,2015,39(8):2230-2237.

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种面向工程应用的园区综合能源系统运行优化分析方法，解决了如何优化系统日前运行的经济性和环保性的问题，用于开展园区综合能源系统运行优化分析模拟，指导制定日前运行方案。

通过本发明可以实现的技术目的不限于上文已经特别描述的内容，并且本领域技术人员将从下面的详细描述中更加清楚地理解本文中未描述的其他技术目的。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

根据本公开的一方面，本发明提供一种面向工程应用的园区综合能源系统运行优化分析方法，其特征在于，所述方法包括：

根据园区综合能源系统设备及网络实际拟定模型相关参数；

构建园区综合能源系统设备级模型；

构建园区综合能源系统日前运行优化模型；

调用成熟优化软件开展分析计算，以及

输出园区综合能源系统日前运行方案。

可选地，在如上所述的方法中，所述园区综合能源系统包括供电类设备、供冷类设备。

可选地，在如上所述的方法中，所述供电类设备包括光伏发电系统和外部电网。

可选地，在如上所述的方法中，所述供冷类设备包括常规冷水机组、地源热泵系统、冰蓄冷系统、水蓄冷系统。

可选地，在如上所述的方法中，构建园区综合能源系统日前运行优化模型以日前系统运行成本最小化为优化目标，所述日前系统运行成本包括综合能源系统向上级电网的购电成本和光伏自发自用获得的可再生能源补贴。

可选地，在如上所述的方法中，构建园区综合能源系统日前运行优化模型以碳排放最小化为优化目标，碳排放最小化等价于从外购电量的最小化。

上述技术方案仅为本发明实施例的一些部分，本领域技术人员从以下本发明的详细描述中可以导出和理解包含了本发明的技术特征的各种实施例。

本领域技术人员将会理解，通过本发明可以实现的效果不限于上文已经具体描述的内容，并且从以下详细说明中将更清楚地理解本发明的其他优点。

附图说明

被包括以提供对本发明的进一步理解的附图示出本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1为本发明实施例提供的一种面向工程应用的园区综合能源系统运行优化分析方法的流程图。

图2为本发明实施例提供的园区综合能源系统供需关系的示意图。

图3为本发明实施例提供的综合能源系统供冷场景典型日负荷、光伏发电及电价信息的示意图。

图4为本发明实施例提供的综合能源系统供冷期典型日按经济性目标运行时的冷负荷平衡情况的示意图。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的示例性实施例，其示例在附图中示出。下面将参考附图给出的详细描述旨在解释本发明的示例性实施例，而不是示出可以根据本发明实现的唯一实施例。以下详细描述包括具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。

在一些情况下，已知的结构和设备被省略或以框图形式示出，集中于结构和设备的重要特征，以免模糊本发明的概念。在整个说明书中将使用相同的附图标记来表示相同或相似的部分。

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“中心”、“内”、“外”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1示出了本发明实施例提供的一种面向工程应用的园区综合能源系统运行优化分析方法的流程图。所述方法包括以下步骤：

步骤1：根据园区综合能源系统设备及网络实际拟定模型相关参数。

步骤2：构建园区综合能源系统设备级模型；模型具体为：

(1)供电类设备

1)光伏发电

光伏发电系统的出力由照射在光伏阵列表面的太阳辐照度、组件的物理特性参数、即时的工作模式以及所处的外部环境等因素共同决定。当光伏发电系统按最大功率点跟踪模式运行时，本发明所采用的系统出力分析模型为：

其中，P

2)外部电网

电网作为园区综合能源系统电力供应的平衡节点，负责系统的实时功率平衡和电压、频率的稳定。本发明汇总，电网传输至园区综合能源系统的功率以P

(2)供冷类设备

1)常规冷水机组(基载主机)

对于常规水冷式电制冷机组而言，机组运行物理特性可以用耗能和制冷两个物理量间的函数关系来刻画，整个系统的用能主要消耗在四类装置上，即冷水机组、冷却塔、冷却水泵和冷冻水泵。本发明所采用的具体表达式如下：

其中，P

上式中的机组性能系数COP受到冷冻水循环系统的供水温度、冷却水循环系统的供水温度、机组运行位置等因素影响。机组工作位置的计算公式如下：

其中r表示机组工作位置，

其中，a

除了冷水机组外，冷却塔、冷却水泵和冷冻水泵也需要消耗一定的电量。本发明中，冷冻水泵和冷却水泵的耗能用其铭牌上的额定耗电功率来计算，冷却塔用气铭牌标称电功率来计算其耗能。综上，常规冷水机组系统的总耗能可以用下面的式子进行计算：

其中，P

其中

2)地源热泵系统

在夏季制冷工况中，地源热泵系统的工作原理和常规冷水机组制冷原理一致，只是未利用冷却塔。因此，其耗电功率表达式和常规冷水机组的形式相同，区别仅在于地源热泵系统的总耗电量还需要考虑蓄冷装置的耗电量，如下所示：

其中，P

3)冰蓄冷系统

冰蓄冷系统主要由双工况主机系统和蓄冰装置构成，其中双工况主机可运行于制冷和制冰两种工况，蓄冰装置可运行于蓄冰和融冰两种工况。

在运行过程中蓄冰装置存储冷量的变化可以表示为：

其中，W

双工况主机制冰和制冷原理原理和本发明前述基载主机工作原理类似，相关参数可按厂商提供数据和实际运行环境进行设定。类似于地源热泵系统在制冷和蓄冷时分别需要消耗电能，双工况主机的耗电量也包括制冰和制冷两个部分，可以表示为：

其中，P

本发明用式(10)-(14)对冰蓄冷系统不同工况间的切换和制冷/冰量进行建模，其中，式(10)表示冰蓄冷四种运行工况的选定，可以看出四种工况相互排斥，同一时段只能运行在其中一种工况。式(11)用于计算双工况主机和蓄冰装置整体的对外制冷规模。式(12)主要用于描述双工况主机运行在独立制冷或联合制冷时的供冷约束，式(13)用于反应蓄冰装置工作独立释冷或联合制冷时的供冷规模，式(14)用于限定双工况主机工作在制冰工况中的制冰量。

U

Q

其中，U

冰蓄冷系统整体耗能可按式(15)进行计算：

上式右端项第一项为双工况主机制冷/冰工况时的耗电功率，第二项为冰蓄冷系统中各工况下乙二醇泵的耗电功率，第三项为冷冻水循环系统中相关泵的耗电功率，最后一项是冷却水循环系统中冷却塔装置及相关泵的耗电功率，其中，COP

4)水蓄冷系统

水蓄冷系统的工作原理和冰蓄冷系统类似，与其不同的是，蓄冷循环介质是冷冻水而非乙二醇等溶剂。本发明中，蓄冷环节耗电计入制冷机组耗电量上，故水蓄冷系统释冷环节的耗电功率可以表示为：

其中，P

步骤3：构建园区综合能源系统日前运行优化模型；模型具体为：

(1)目标函数与决策变量

本发明所建立的综合能源系统日前优化运行模型，考虑经济性和环保性两类优化目标：

1)以日前系统运行成本最小化为优化目标(简称经济性)，主要包括综合能源系统向上级电网的购电成本和光伏自发自用获得的可再生能源补贴。具体的目标函数形式如下：

其中，t为变量下标；P

2)以碳排放最小化为优化目标(简称环保性)，由于所研究对象中除了从外部购电外，其余均为绿色环保用能，所以外部购电量规模即体现碳排放规模，所以碳排放最小化等价于从外购电量的最小化。环保性目标函数具体形式如下所示：

综合能源系统日前优化调度模型除了上面式子中出现的下一天园区向上级电网逐时段的购电功率和光伏逐时段发电功率等决策变量外，还包括了综合能源系统运行约束引入的刻画供需平衡、机组工作情况等相关变量，以及一些为简化模型而引入的辅助变量。

(2)主要约束

在本发明中，综合能源系统供冷场景日前优化调度运行时，约束条件主要九大类，主要面向电/冷供需平衡、供冷机组工作特性与冷量分配、以及决策变量优化上下限等。

1)冷负荷供需平衡约束

其中，

2)供冷水泵流量约束

其中，F

3)热泵系统利用地热能制冷/蓄冷运行约束

a)热泵承担制冷负荷分配约束

b)热泵承担蓄冷水负荷分配约束

其中，

c)热泵最小最大运行容量约束

其中

d)热泵运行模式的约束

其中，

e)耗电特性

其中，P

4)蓄冷水箱运行约束

a)蓄冷水箱承担供冷负荷分配约束

b)蓄冷水箱蓄冷和放冷功率约束

其中W

c)蓄冷水箱放冷时启停水蓄冷板换两侧联锁循环泵台数约束

其中

d)耗电特性

水蓄冷系统的耗电主要集中在水蓄冷板换两侧的放冷循环泵和蓄冷循环泵上。

其中P

5)常规冷水机组运行约束

a)常规冷水机组承担制冷负荷分配约束

b)常规冷水机组最小最大运行容量约束

其中

c)耗电特性

其中，

6)双工况主机运行约束

a)双工况主机承担制冷负荷分配约束

其中，

b)双工况主机承担制冰任务分配约束

其中，

c)双工况主机最小最大运行容量约束

其中

d)双工况主机运行模式的约束

其中

e)耗电特性

其中，P

7)蓄冰槽融冰运行约束

a)蓄冰槽承担供冷负荷分配约束

b)蓄冰槽箱最大融冰功率约束

其中，W

c)蓄冰槽单独融冰时乙二醇泵台数约束

其中，

d)耗电特性

蓄冰槽融冰时的耗电主要集中在乙二醇变频泵上，即：

其中，P

8)冰蓄冷系统乙二醇板换二次侧冷冻水一级泵运行约束

a)启停台数约束

其中

b)耗电特性

其中P

9)电负荷供需平衡约束

上式中，第一个约束为园区整体的电功率平衡约束，P

步骤4：调用成熟优化软件开展分析计算。

步骤5：输出园区综合能源系统日前运行方案。

根据本发明的实施例，具体如下：

选取某园区综合能源系统对本发明进行应用。园区既有生产设施又有生活设施，供能形式多样，包括电力供应、夏季空间制冷、冬季空间供热、热水供应等。本次应用主要聚焦其电力、夏季空间制冷。该园区与市政电网连接，园区安装了838kW的光伏，两台离心式基载主机，一套冰蓄冷系统，三台螺杆式地源热泵机组和一组水蓄冷系统，以及一套蓄热式电锅炉系统构成了集中能源站系统，满足夏天的用电和供冷的需求、冬天的用电和供热需求。冰蓄冷系统主要构成包括了两台双工况主机和一套蓄冰装置，水蓄冷系统中的冷源由地源热泵承担，蓄冷水箱则与蓄热水箱共用一套装置，蓄热式电锅炉系统则由四台承压式电锅炉与四台蓄热水箱构成。园区能源供给关系如下图2所示。

下表给出了主要运行设备的相关参数。

表1园区型综合能源系统供冷期主要设备的参数

选取供冷场景典型日的冷负荷、电负荷和某晴天的光伏发电曲线及峰谷平电价水平开展优化分析，如图3所示。

图4给出了园区型综合能源系统在典型日按经济性目标运行时的冷负荷平衡、蓄冷装置和蓄冰装置运行情况。在23:00至7:00，系统处于谷电价段，此期间，冷负荷需求主要由地源热泵机组和基载主机联合来满足；个别时段，地源热泵机组切换为蓄冷工况，给蓄冷装置进行蓄冷，此时则由基载主机单独供应冷负荷；由于电价较低，双工况主机工作在蓄冰工况，给蓄冰装置蓄冰直至谷电价段结束。在8:00至11:00与18:00至23:00，系统处于峰电价段，蓄冷装置和蓄冰装置将适时释冷和融冰，以供给部分或全部冷负荷；期间地源热泵机组、基载主机将根据冷负荷需求规模，配合蓄能装置一起保障冷负荷需求。在7:00至8:00与11:00-18:00，系统处在平电价段，负荷需求较高的个别时段，冰蓄冷系统将工作在双工况主机和蓄冰装置联合制冷工况，并联合基载主机和地源热泵机组同时供给冷负荷；其他时段则有基载主机和地源热泵机组两类冷机参与制冷。

表2总结了研究对象供冷期典型日按经济性和环保性目标分别运行时的主要结果对比情况。系统按经济性目标运行时，将充分利用峰平谷电价差异，优化安排供冷设备的运行计划，以期用最小的经济成本来满足冷负荷的需求，此时蓄冷和蓄冰装置就有了发挥的空间。借助蓄能装置谷电价段蓄能、高电价段放能，可以降低系统的总运行成本。而系统按环保性目标运行时，不考虑电价的差异，供冷设备的运行计划主要按照冷负荷需求和供冷设备的容量及能耗水平来安排，以降低系统的总体用电量。

表2研究对象供冷期典型日经济性与环保性运行主要对比结果

通过以上关于实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本申请可借助软件及必需的通用硬件来实现，当然也可以通过硬件实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对相关技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如计算机的软盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、闪存(FLASH)、硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述的方法。

如上所述，已经给出了本发明的优选实施例的详细描述，以使本领域技术人员能够实施和实践本发明。虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将会理解，在不脱离所附权利要求书中描述的本发明的精神或范围的情况下，可以在本发明中进行各种修改和改变。因此，本发明不应限于在此描述的特定实施例，而应被赋予与本文公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。