一种考虑综合需求响应的综合能源系统优化运行方法

摘要

本发明公开了一种考虑综合需求响应的工业综合能源系统优化运行方法，首先，获取该工业用户运行日当天的短期多元用能需求和能源网络购能情况的预测曲线；其次，对工业综合能源系统的冷、热、电、气能量转换设备及能流耦合进行建模分析，建立能量耦合模型；再次，研究工业用户参与综合需求响应的冷、热、电用能需求特性，据此建立响应需求的数学模型；接着将工业综合能源系统的优化问题抽象为混合整数线性规划问题，采用MATLAB的yalmip平台，调用Cplex求解工具进行运行优化求解；最后结合用户的实际情况，得出该工业综合能源系统的经济最优运行方式，为管理者制定运行策略提供依据。本发明能够实现工业用户运行成本节约，并引导其参与城市综合需求响应。

说明书

技术领域

本发明属于综合能源领域的运行优化方法领域，具体涉及一种考虑综合需求响应的工业综合能源系统优化运行方法。

背景技术

电力行业作为国民经济的有力支撑，经历了长期的建设与发展。如今，用能需求增长与电网扩容困难之间的矛盾将长期存在，在考虑季节与日内负荷特性时矛盾愈发尖锐。若在现有电源侧和输配电网络的基础上进行大规模扩容，以保证年用电高峰所在的数天内电网得以稳定运行，不仅工程成本昂贵，而且从全年输配电网络运行的角度来看资源利用率低，因此需要一种可以缓解短期内负荷增长与扩容困难矛盾的方法。需求响应为上述电网发展问题给出了可行解。用户通过参与需求响应与电网双向互动，缓解电力供应紧张矛盾，降低电力系统峰谷差。随着负荷态势感知技术逐渐成熟，需求侧可以参与调峰、调频、辅助服务及新能源消纳，负荷侧由单方面削峰填谷的管理方式转变为与需求侧的双向互动。

工业用户负荷因其用能需求大的特点，具有较大的需求响应潜力。现代的工业园区的能流复杂，且在能量的生产、转换、存储、利用等各个环节均存在耦合关系。因此，在研究工业用户的需求响应时，将综合能源系统纳入考虑十分必要。同时，多能流耦合也为传统电力需求响应开拓了新的响应维度。综合能源系统整合了各类供能网络，开创了新型供能体系，在可靠性、灵活性和经济性方面均优于单一能源系统，实现了综合能效提升。不同能源负荷的峰谷特性往往存在交错，综合需求响应通过用能替换，可以降低用能峰时供能网络压力，增强综合能源网络的稳定性。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种考虑综合需求响应的工业综合能源系统运行优化方法，能够实现工业用户运行成本节约，并引导其参与城市综合需求响应。

实现上述目的的一种技术方案是：一种考虑综合需求响应的工业综合能源系统优化运行方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：获取工业用户运行日当天的短期多元用能需求和能源网络购能情况的预测曲线；

步骤2：对工业综合能源系统的冷、热、电、气能量转换设备及能流耦合进行建模分析，建立能量耦合模型；

步骤3：根据工业用户参与综合需求响应的冷、热、电用能需求特性和综合需求响应，建立具体工业用户补偿方式，并据此建立响应需求的数学模型；

步骤4：将工业综合能源系统的优化问题整合为混合整数线性规划问题，以经济性最优建立优化的目标函数，建立能流与设备的约束条件，采用MATLAB的yalmip平台，调用Cplex求解工具进行运行优化求解；

步骤5：最后结合用户的实际情况，得出该工业综合能源系统的经济最优运行方式，为管理者制定运行策略提供依据。

进一步的，步骤1中，工业用户运行日当天的短期多元用能需求包括用冷需求、用热需求和用电需求，能源网络购能情况为从电网的购电功率。

进一步的，步骤2中，工业综合能源系统的冷、热、电、气能量转换设备包括：冷热电三联供机组、燃气锅炉、储热罐及电制冷机组，其中，冷热电三联供机组包括：燃气轮机发电机、余热回收锅炉和吸收式制冷机；

对于各设备，有以下设备模型，

(1)冷热电三联供机组CCHP：

P

P

P

F

(2)燃气锅炉：

P

式中，P

(3)电制冷：

P

式中，P

(4)储热罐：、

式中，S

进一步的，如步骤3中所述，将工业用户可参与响应的用能需求分为可削减用能需求和可转移用能需求，工业用户参与基于激励的综合响应，在协议规定时段对电网的削峰指令做出响应，成功响应的功率为不参与响应时用户预测网购电功率与用户实际网购电功率的差值；

其中可削减用能需求的模型为：

0≤P

式中，P

可转移用能需求的模型为：

P

P

式中，P

进一步的，步骤4中，工业综合能源系统优化运行的目标函数为运行费用最低，运行成本包括：从天然气网络购气成本、从电网购电成本、CCHP机组及燃气锅炉的启停成本、所有设备的维护成本和参与综合需求响应的补偿，其表达式为：min(C

其中，

c

c

C

进一步的，步骤5中，结合用户的实际情况，得出该工业综合能源系统的经济最优运行方式受到运行优化约束条件的限制，运行优化的约束条件包括综合能源系统的能量平衡约束、设备的出力约束、爬坡约束以及储能的能量上下限约束。

本发明的一种考虑综合需求响应的综合能源系统优化运行方法，将工业综合能源系统运行优化问题抽象为混合整数线性规划问题，确定运行优化的目标函数和约束条件，求解综合能源系统的最优运行方案。首先获取该工业用户的短期多元用能需求和能源网络购能情况的预测曲线；其次，建立工业综合能源系统能量转化设备的数学模型；再次，建立综合需求响应模型，包括参与响应的用能需求模型和响应补偿模型；随后，将综合能源系统运行优化问题抽象为混合整数线性规划问题，以综合能源系统运行经济性最优为目标函数，约束条件综合能源系统的能量平衡方程，设备的出力约束、爬坡约束等；最后，求解混合整数线性规划问题，得出该工业综合能源系统经济性最优的运行方式，为工业综合能源系统提供运行指导。

附图说明

图1为本发明的一种考虑综合需求响应的工业综合能源系统运行优化方法流程图；

图2为综合能源系统能流图。

具体实施方式

为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例进行详细地说明：

请参阅图1和图2，本发明的一种考虑综合需求响应的工业综合能源系统优化运行方法，包括以下步骤：

步骤1：获取该工业用户运行日当天的短期多元用能需求和能源网络购能情况的预测曲线。

步骤2：对工业综合能源系统的冷、热、电、气能量转换设备及能流耦合进行建模分析，建立能量耦合模型。

步骤3：根据工业用户参与综合需求响应的冷、热、电用能需求特性和综合需求响应，建立具体工业用户补偿方式，并据此建立响应需求的数学模型。

步骤4：将工业综合能源系统的优化问题整合为混合整数线性规划问题，以经济性最优建立优化的目标函数，建立能流与设备的约束条件，采用MATLAB的yalmip平台，调用Cplex求解工具进行运行优化求解。

步骤5：最后结合用户的实际情况，得出该工业综合能源系统的经济最优运行方式，为管理者制定运行策略提供依据。

步骤1中，工业用户运行日当天的短期多元用能需求包括用冷需求、用热需求和用电需求，能源网络购能情况为从电网的购电功率。工业用户分别从电网和天然气网络购电、购气，通过综合能源系统消耗天然气生产冷、热和电以满足其多元用能需求。预测的时间间隔为15min，一个运行日共计96个预测点。

步骤2中，工业综合能源系统的冷、热、电、气能量转换设备包括：冷热电三联供机组、燃气锅炉、储热罐及电制冷机组，其中，冷热电三联供机组包括：燃气轮机发电机、余热回收锅炉和吸收式制冷机。其中，冷热电三联供机组包括燃气轮机、余热回收锅炉和溴化锂吸收式制冷机，该机组以天然气为燃料，天然气在燃气轮机中燃烧发出的电能供应用户用电需求，产生的烟气部分经余热锅炉产生中品位(170℃-550℃)的热蒸汽，是工业生产的主要热源，另外的部分烟气经吸收式制冷机产生冷水，剩下的无法利用的烟气以余烟排放至空气中。在建立冷热电三联供机组和燃气锅炉模型时，需考虑其启停状态及爬坡功率。在建立储热罐模型时，需建立其储热量大小与充放热功率的关联。

对于各设备，有以下设备模型，

(1)冷热电三联供机组CCHP：

P

P

P

F

(2)燃气锅炉：

P

式中，P

(3)电制冷：

P

式中，P

(4)储热罐：、

式中，S

步骤3中，将工业用户可参与响应的用能需求分为可削减用能需求和可转移用能需求，工业用户参与基于激励的综合响应，在协议规定时段对电网的削峰指令做出响应，成功响应的功率为不参与响应时用户预测网购电功率与用户实际网购电功率的差值；

其中可削减用能需求的模型为：

0≤P

式中，P

可转移用能需求的模型为：

P

P

式中，P

步骤4中，工业综合能源系统优化运行的目标函数为运行费用最低，运行成本包括：从天然气网络购气成本、从电网购电成本、CCHP机组及燃气锅炉的启停成本、所有设备的维护成本和参与综合需求响应的补偿，其表达式为：min(C

其中，

c

c

C

步骤5中，结合用户的实际情况，得出该工业综合能源系统的经济最优运行方式受到运行优化约束条件的限制，运行优化的约束条件包括综合能源系统的能量平衡约束、设备的出力约束、爬坡约束以及储能的能量上下限约束。

将本方法应用于目标工业用户进行实际测算，若该工业用户原本的冷需求全部通过电制冷实现，电需求和热需求通过供能网络购买获得，且不参与综合需求响应，其运行成本为14.4万元。优化后综合能源向系统的成本将降至10.9万元，成本节约24％。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。