一种综合赋权的综合能源系统多结构评价方法

摘要

本发明涉及一种综合赋权的综合能源系统多结构评价方法，属于综合能源系统评估分析技术领域。包括分析电‑热‑气‑氢综合能源系统供能结构并建立能源转换单元模型；基于能耗水平、经济水平和环保水平建立评估指标体系；基于能源集线器方法以各种能源类型为节点建立综合能源系统模型，搜寻全部结构路径集并筛选；采用粒子群算法确定各结构满足电热负荷时的最优调度分配因子和所需能源输入并计算指标值；对采用层次分析法、最优最劣法、熵权法和Critic法所得权重进行综合赋权，确定指标权重；采用Topsis综合评价方法对待评估方案进行评价。本发明能从不同维度分析系统发展水平与薄弱部分，为系统不同能源结构提供比选依据，引导合理的工程设计建设。

说明书

技术领域

本发明涉及一种综合赋权的综合能源系统多结构评价方法，该方法是基于能源集线器模型以通过改变能源转换结构调整电热负荷来源和所需能源输入并从能耗水平、经济水平和环保水平针对不同结构进行综合评估的评价方法，属于综合能源系统评估分析技术领域。

背景技术

随着能源体制变革与社会经济发展，气候变暖、环境污染等问题日渐突出，构建更为清洁低碳、安全高效的能源体系是当前能源行业的主要挑战之一。

氢能是一种高热值，污染低的清洁能源，能够与不同形式的能源进行耦合互补，对于系统能效水平的提升具有重要意义。

综合能源系统涵盖电、热、气、氢多种能源，能源生产、输送、转换和消费于一体，目前针对氢能在综合能源系统中应用的研究，包括电制氢、燃料电池、氢转天然气等设备的模型建立和相关设备在综合能源系统中的运行优化调度、规划设计等方面，对电-热-气-氢综合能源系统的综合评估研究还较为有限，且不同的能源结构内能源的转换关系不同，用户端的能量供应源头不同，系统能效与清洁能源的利用程度也不同，因此，探究不同的能源结构并分析评估，以确定最优的综合能源系统能源转换形式具有一定的研究意义。

发明内容

为解决技术中的不足，本申请提供一种综合赋权的综合能源系统多结构评价方法，基于能源集线器模型对电-热-气-氢综合能源系统的不同能源结构进行建模，分析不同能源结构最优的内部能源转换关系和所需能量输入，并从能耗水平、经济水平和环保水平对不同能源结构进行评估，以确定综合能源系统最优能源转换方案。

为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

一种综合赋权的综合能源系统多结构评价方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：分析电-热-气-氢综合能源系统供能结构并建立能源转换单元模型；

步骤2：基于能耗水平、经济水平和环保水平选取合适的指标建立评估指标体系；

步骤3：基于能源集线器方法以各种能源类型为节点建立综合能源系统模型，形成连接输入输出端口的能量转换耦合矩阵；

步骤4：采用粒子群算法确定各结构满足电热负荷时的最优调度分配因子和所需能源输入并计算指标值；

步骤5：对采用层次分析法、最优最劣法、熵权法和Critic法所得权重进行综合赋权，确定指标权重；

步骤6：对待评估方案进行综合评价。

上述一种综合赋权的综合能源系统多结构评价方法，所述方法按照以下步骤进行：

(1)分析电-热-气-氢综合能源系统涵盖的能源类型及能源转换、存储、传输等多种单元，其中，系统中的主要功能设备包括氢燃料电池，电解槽，甲烷反应器，热电联供机组，燃气锅炉，电锅炉和储能单元，电解槽是实现电能转化为氢能的重要耦合元件，是系统中氢能的主要来源，氢燃料电池和热电联供机组是系统中电负荷的主要供应源，甲烷反应器是实现氢能转化为天然气的重要元件，热电联产机组和电锅炉是系统热负荷的主要供应源，主要储能设备包括电储能和热储能，具有根据负荷波动稳定系统出力，满足系统安全稳定运行的功能；

(2)从能耗水平、经济水平、环保水平三个方面选取9个指标建立指标体系，具体包括：综合能源利用效率、一次能源节约率、能源转换效率系数、

(3)采用能源集线器模型描述系统内的能源耦合关系，实现系统内部电、热、氢、天然气等能源的转换、存储、传输和分配关系，形成连接输入能源和输出负荷端口的能量转换耦合矩阵，以各种能源类型为节点建立综合能源系统的能源集线器模型，输入端口为电能和天然气网络，输出端口为用户端的电热负荷，过程节点为电、热、氢和天然气能源种类，建立通用能源集线器模型耦合矩阵；

(4)采用粒子群算法根据能源集线器模型的能源耦合矩阵和运行策略原则确定各结构满足电热负荷时最优的调度分配因子和所需的能源输入；

运行策略原则具体为：燃气轮机采用以热定电的方式运行，系统的热平衡优先，即首先满足热需求，热负荷优先由燃气轮机供应，不足部分首先由燃气锅炉承担，剩余部分由电锅炉补充；燃气轮机承担范围外的电力需求首先由燃料电池承担，不足部分由外购电平衡；

具体步骤为：

1)目标函数

以综合能源系统满足电热负荷所需的电能和天然气的输入总能量最小为优化目标，决策变量为综合能源系统内部的调度分配因子，构造的目标函数为：

min f＝Q

其中

Qe、Qg分别为综合能源系统输入的电能和天然气能量，q

2)约束条件

a.设备容量配置约束

其中，P

b.能源集线器约束

能源集线器功率平衡约束建立在能源集线器模型耦合矩阵的基础上，反映了系统内部的耦合关系及输入能源与负荷之间的功率平衡关系；

c.分配因子

能源转换过程中各能源种类分配给不同设备的功率占比之和为1：

其中，j为能源种类，k为下一能源转换过程待分配的能源转换单元，η

选择同样负荷条件下输入总能量最大最小、输入电能最小和输入天然气最小的四种路径方案进行评估分析，根据优化结果计算指标参数。

(5)采用主客观权重相结合的方法计算权重并综合赋权，基于层次分析法和最优最劣法计算主观权重，熵权法和Critic法计算客观权重。

(6)采用Topsis综合评价法对待评估方案进行综合评价。

本申请所达到的有益效果：

本文从能耗水平、经济水平、环保水平三个方面建立了包含综合能源利用效率、清洁能源供能占比等9个指标的指标体系，针对指标体系基于能源集线器提出了综合能源系统等效模型，采用粒子群算法对系统内部调度分配因子和能源输入进行优化求解以确定指标数据，结合层次分析法、最优最劣法、熵权法和Critic法综合赋权计算指标综合权重，并采用Topsis综合评价法进行系统评估，能从不同维度对系统分析其发展水平与薄弱部分，引导合理的工程设计建设。

1.本发明基于能源集线器提出了一种综合能源等效模型，以能源种类为过程节点，可采用粒子群算法对系统内部调度分配因子和所需能源输入进行优化，进而对多种能源结构进行评估，以确定电-热-气-氢综合能源系统最优能源结构；

2.本发明对采用层次分析法、最优最劣法、熵权法和Critic法所得权重进行综合赋权，确定指标权重，其中，主观权重为层次分析法和最优最劣法，客观权重为熵权法和Critic法，在不同权重间寻求妥协和一致，以确定相对均衡的综合权重，采用主客观相结合的权重确定方法，使电-热-气-氢综合能源系统的综合评价结果更可信，调整薄弱环节，提高系统的能耗、经济和环保水平。

附图说明

图1是本发明一种综合赋权的综合能源系统多结构评价方法的评价方法流程图；

图2是本发明电-热-气-氢综合能源系统供能结构；

图3是本发明综合评价指标体系；

图4是本发明电-热-气-氢综合能源系统全部路径；

图5是所得最优电-热-气-氢综合能源系统的能源转换结构。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。

如图1所示，本发明的一种综合赋权的综合能源系统多结构评价方法的评价方法，包括以下步骤：

步骤1：分析电-热-气-氢综合能源系统涵盖的能源类型及能源转换、存储、传输等多种单元，其中，系统中的主要功能设备包括氢燃料电池，电解槽，甲烷反应器，热电联供机组，燃气锅炉，电锅炉和储能单元，电解槽是实现电能转化为氢能的重要耦合元件，是系统中氢能的主要来源，氢燃料电池和热电联供机组是系统中电负荷的主要供应源，甲烷反应器是实现氢能转化为天然气的重要元件，热电联产机组和电锅炉是系统热负荷的主要供应源，主要储能设备包括电储能和热储能，具有根据负荷波动稳定系统出力，满足系统安全稳定运行的功能，系统供能结构如图2所示。

能源转换单元模型具体包括：

(1)电解槽

电解槽是综合能源系统中重要的产氢单元，且电解过程环保无污染，电解槽产氢效率和输出氢能可表示为

其中，P

(2)燃料电池

燃料电池可实现氢能与电能之间的耦合，是综合能源系统中电负荷的重要供能来源。

P

其中，P

(3)甲烷反应器

甲烷反应器可利用电解槽产生的氢气实现氢气甲烷化，并注入天然气网络转换为其他能源供应电热负荷，是氢制甲烷的重要设备。

V

其中，V

(4)热电联产机组

热电联产机组由燃气轮机和余热锅炉两部分组成，通过余热锅炉对燃气轮机的发电余热进行回收实现能量的梯级利用，热电比为热电联供机组的重要经济指标，代表热电联产机组实际输出热功率和电功率的比值。

P

Q

其中，P

(5)电锅炉

电锅炉能够通过电阻或电磁感应将锅炉内的水或有机载体加热到一定温度和压力后，向外输出热能，电锅炉控制灵活，维护方便，安装便捷，常用于热网中以满足热负荷的需求。

Q

其中，Q

(6)燃气锅炉

燃气锅炉是综合能源系统的主要供热单元，能够满足用户热负荷需求。

Q

其中，Q

(7)储能设备

综合能源系统的主要储能设备主要包括电储能设备和热储能设备，不同设备的充放电原理相同，因此储能设备可统一表示为

其中，x为储能类型，包括电储能设备和热储能设备，E

步骤2：从能耗水平、经济水平、环保水平三个方面选取9个指标建立指标体系，指标体系如图3所示，具体包括：

(1)能耗水平

1)综合能源利用效率

综合能源利用效率指系统输出能量与能源的输入量的比值，表示综合能源系统能源利用水平。

其中，B

2)一次能源节约率

一次能源节约率指采用综合能源系统模式参考传统功能模式的一次能源消耗量的比值，表示综合能源系统的节能水平。

其中，η

3)能源转换效率系数

能源转换效率系数建立在能质系数和能源品味的基础上，可表示不同品味能源的贡献程度，能源的能质系数是对外所能做的最大功与总能量的比值，用λ表示。

其中，Q为能源的总能量，kJ，W为总能量中可以转换为功的部分，kJ，其中电能为品味最高的能源，可以全部转换为功，能质系数为1，其他能源形式的能质系数需根据不同环境下对外做功的能力确定，如表1所示。

表1 能源能质系数

W

4)

其中，电能可以完全转换为机械能，电能的

E

E

其中，m为天然气流量，Nm

(2)经济水平

1)系统年运维成本

其中，δ

2)年外购能源成本

其中，n为每年总天数，k为每天小时数，C

3)单位产值能耗

单位产值能耗表示选定区域周期内综合能源系统的能源消费水平。

其中，W

(3)环保水平

1)单位能量碳排放量

其中，M为燃料种类，μ

2)清洁能源供能占比

清洁能源供能占比是体现综合能源系统环保水平的一个重要指标，指系统供能总量中由清洁能源转化来的占比，表示综合能源系统对清洁能源的消纳能力，能源单位统一折算成标准煤表示。

其中，V

步骤3：采用能源集线器模型描述系统内的能源耦合关系，实现系统内部电、热、氢、天然气等能源的转换、存储、传输和分配关系，形成连接输入能源和输出负荷端口的能量转换耦合矩阵，以各种能源类型为节点建立综合能源系统的能源集线器模型，输入端口为电能和天然气网络，输出端口为用户端的电热负荷，过程节点为电、热、氢和天然气能源种类，搜寻所有路径并建立通用能源集线器模型耦合矩阵，所有路径如图4所示。

通用能源集线器模型耦合矩阵具体为：

其中，T表示系统的实时输出能量，S表示系统的能源输入情况，x

步骤4：采用粒子群算法根据能源集线器模型的能源耦合矩阵和运行策略原则确定各结构满足电热负荷时最优的调度分配因子和所需的能源输入；

运行策略原则具体为：燃气轮机采用以热定电的方式运行，系统的热平衡优先，即首先满足热需求，热负荷优先由燃气轮机供应，不足部分首先由燃气锅炉承担，剩余部分有电锅炉补充；燃气轮机承担范围外的电力需求首先由燃料电池承担，不足部分由外购电平衡；

具体步骤为：

(1)目标函数

以综合能源系统满足电热负荷所需的电能和天然气的输入总能量最小为优化目标，决策变量为综合能源系统内部的调度分配因子，构造的目标函数为：

min f＝Q

其中

Q

(2)约束条件

1)设备容量配置约束

其中，P

2)能源集线器约束

能源集线器功率平衡约束如式，反映了系统内部的耦合关系及输入能源与负荷之间的功率平衡关系；

3)分配因子

能源转换过程中各能源种类分配给不同设备的功率占比之和为1：

其中，j为能源种类，k为下一能源转换过程待分配的能源转换单元，η

选择同样负荷条件下输入总能量最大最小、输入电能最小和输入天然气最小的四种路径方案进行评估分析，根据优化结果计算指标参数。

步骤5：采用主客观权重相结合的方法计算权重并综合赋权，基于层次分析法和最优最劣法计算主观权重，熵权法和Critic法计算客观权重；

层次分析法具体包括：

(1)以综合能源系统综合水平为目标层，以能耗水平、经济水平和环保水平为一级指标层，以综合能源利用效率、一次能源节约率、能源转换效率系数、

(2)根据各指标相对综合能源系统综合水平的重要程度比较两两之间重要性，根据1-9标度法构造指标间的判断矩阵A＝(a

其中，n表示指标数目，a

(3)对判断矩阵进行一致性检验，一致性比率CR计算公式为：

其中，CI为判断矩阵的一致性指标，λ

(4)各指标基于层次分析法的权重计算公式为：

最优最劣法具体包括：

(1)选择最优最劣指标

根据决策者的经验与专业知识从指标集X＝{x

(2)分别构造最优最劣指标比较向量

比较最优指标x

(3)计算最优权重

假设指标集X＝{x

对于任一指标u的权重ω

根据式(39)以及指标权重和为1且非负的约束，建立数学规划式：

可转化为

求解可得指标主观权重ω＝{ω

(4)一致性检验

ε进行一致性检验，一致性比率为：

其中，一致性比率CR的值越接近0说明一致性越好，一致性指标CI的值取决于n；

熵权法具体包括：

(1)归一化处理

将各指标的数据构成一个矩阵X

(2)确定指标信息熵

信息熵是一组1×n的行向量，用H

其中，若X

(3)权重确定

根据各指标的信息熵确定权重，用行向量ω

Critic法具体包括：

(1)数据无量纲化处理

将指标分为成本型指标和效益型指标进行标准化处理，标准化方法如下：

若指标j为成本型指标：

若指标j为效益型指标：

(2)指标变异性

其中，S

(3)指标冲突性

其中，r

(4)信息量

C

(5)客观权重

指标j的客观权重计算公式ω

层次分析法将影响因素划分为相互联系的有序层次，将复杂问题系统化，BWM法能够简化比较过程，降低专家失误率，提高一致性检验的通过率；Critic赋权方法能通过衡量指标间的对比强度和冲突性确定权重，但不能衡量指标间的离散程度，而熵权法可根据指标的离散程度确定权重，因此综合使用Critic法和熵权法能更客观反映指标权重。

进行综合赋权步骤包括：

(1)有4种方法计算指标权重，权重集为ω

(2)通过极小化组合权重与各权重之间的偏差可得优化模型为

根据矩阵微分性质，其最优化一阶导数可转换为：

(3)求解线性组合系数a

则综合权重为

步骤6：采用Topsis综合评价法进行评估，具体包括：

(1)按效益型和成本型指标对数据进行标准化处理，形成标准化矩阵X；

(2)根据指标权重形成权重系数矩阵W’＝diag(ω

(3)确定最优和最差方案，即正理想解S

(4)分别计算第i个评估对象到正理想解S

(5)各评估对象的评分值F

整体的评估结果用于电-热-气-氢综合能源系统多能源结构之间的比较，通过对不同能源结构进行综合评估分析系统电热负荷最终来源及其能耗、经济和环保水平，分析其发展水平与薄弱部分，引导合理的工程设计建设，通过对薄弱环节进行调整来提高系统的综合水平。

以某综合能源系统为例，计算各能源结构评估结果，确定最优能源转换结构如图5所示，在此方案中，天然气源直接通过热电联产机组供应电热负荷，不足部分首先由甲烷反应器产生的天然气注入天然气管网通过燃气锅炉供应热负荷，再由外购电能直接通过电锅炉供应；电负荷首先由天然气源通过热电联产机组供应，再由燃料电池发电，不足部分由外购电能进行供应。此时，外购电能主要用于电解槽的运行，在热电联产机组和燃气锅炉不足以供应热负荷时通过电锅炉补充，以及热电联产机组和燃料电池发电不足时电负荷的供应；天然气管网主要用于热电联产机组的发电发热和与甲烷反应器输出的天然气进行混合并通过燃气轮机供应剩余热负荷，经过分析，天然气和氢气的优先使用能有效减少环境污染，降低碳排放水平，但由于氢气热值较低，且制氢过程存在部分能源消耗，因而不能过于依赖氢能，在优先消耗天然气的基础上加以氢能辅助，能够提升综合能源系统的评价结果。

1.本发明基于能源集线器提出了一种综合能源等效模型，以能源种类为过程节点，可采用粒子群算法对系统内部调度分配因子和所需能源输入进行优化，进而对多种能源结构进行评估，以确定电-热-气-氢综合能源系统最优能源结构；

2.本发明对采用层次分析法、最优最劣法、熵权法和Critic法所得权重进行综合赋权，确定指标权重，其中，主观权重为层次分析法和最优最劣法，客观权重为熵权法和Critic法，通过分析决策行为相互影响时的均衡问题，在不同权重间寻求妥协和一致，以确定相对均衡的综合权重，采用主客观相结合的权重确定方法，使电-热-气-氢综合能源系统的综合评价结果更可信，进而使得评价水平较低时对薄弱环节进行调整，进而提高系统的综合水平。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明和描述，但是本领域技术人员应该理解，以上所述为本发明的优选实施例，详细的说明只是为了帮助作者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。