基于区域热网的综合能源系统热电功率协调调度方法与流程

本发明属于综合能源系统运行
技术领域：
，具体涉及一种基于区域热网的综合能源系统热电功率协调调度方法。
背景技术：
：能源关乎人类的生存和社会的发展，如何提高能源利用效率、减少环境污染、实现能源可持续发展是当今世界各国共同关注的重大战略问题。具有经济、高效、可持续等显著优势的综合能源系统充分考虑电、气、冷、热等不同形式能源在生产、传输、分配等各环节的协同互补，已成为能源互联网的重点研究方向，正日益受到世界各国政府和学者的高度重视。热电联产或冷热电联产技术是综合能源系统的重要技术，能够提供多种能源满足需求。区域热网通过热能将综合能源系统中的能源和负荷联系起来，在协调供需中起着重要作用，其结构示意图如图2所示。当前针对热电耦合综合能源系统的许多研究都与区域热网的规划和运行有关，只有少数专注于综合能源系统和区域热网的调度，且多为质调节或质-量调节下的区域热网综合模型，而质调节下的延迟和热失调严重影响供热质量，会影响到整个系统的灵活性和经济效益，给综合能源系统的协调调度带来不利影响。技术实现要素：本发明正是针对现有技术中的问题，提供了一种区域热网的综合能源系统热电功率协调调度方法，基于区域热网的综合能源系统热电功率协调调度方法，为综合能源系统制定一个基于区域热网的综合调度模型，应用量调节下区域热网的特性，通过一定的迭代求解策略，实现系统热电功率的协调调度，在保证求解策略有效性和收敛性的同时增加整个系统的灵活性和经济效益，迭代策略算法流程图如图3所示。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于区域热网的综合能源系统热电功率协调调度方法，包括以下步骤：s1，建立包括节点和热水管道的区域热网模型；s2，建立基于区域热网模型的综合能源系统最优协调调度的目标函数；s3，建立基于区域热网模型的综合能源系统最优协调调度的约束条件；s4，根据供水和回水管网中水流的初始温度，求解最优协调调度模型，得到管网中热水的质流量；s5，将步骤s4得到的质流量作为输入，求解温度修正方程组，得到实际质流量温度；s6，设定质流量温度的容许误差，计算实际质流量温度与初始温度的温差；s7，比较步骤s6中的温差与容许误差，若实际质流量温度与初始温度的温差小于容许误差，则停止；否则，更新初始温度为实际质流量温度，返回步骤s4，循环步骤s4至步骤s7。作为本发明的一种改进，所述步骤s1建立区域热网模型进一步包括：s11，建立区域热网模型调度约束条件，所述约束条件包括质量守恒约束、质流量约束、压降和电泵功率约束、热功率约束及热源和换热站约束；s12，建立区域热网模型温度修正方程，所述温度修正方程与水管在管段中的温降、节点质流量温度、热功率平衡及供水温度相关。作为本发明的另一种改进，所述步骤s11中，所述质量守恒约束为：其中，表示管段i在t时段内的质流量，表示所有与节点j相连的管段的集合，θin表示所有节点组成的集合；所述质流量约束为：其中，和分别表示与参考方向相同和相反的在第i段管道内t时段的质流量，二进制变量和决定了管段i的流速和流向。所述压降和电泵功率约束中，压降约束为功率约束为：其中，μi是一个与质流量的平方有关的系数；ρ是水的密度；ηpump是水泵的效率；所述热功率约束为：其中，c是水的比热容；和分别是供水管段i在t时段内的头部和尾部流经的热功率；和分别是回水管段i在t时段内的头部和尾部流经的热功率；和分别是供水管段i在t时段内的头部和尾部的水流温度；和分别是回水管段i在t时段内的头部和尾部的水流温度；所述热源和换热站约束分别为：其中，和表示在节点i处t时段内的热源和换热站的热输出功率；θsr和θsb分别表示热源和热力站的索引集合；和表示与热源或者换热站相连的管道编号的集合。作为本发明的一种改进，所述步骤s12中，温降为：其中，τamb表示环境温度，λi表示管段i的导热系数，li表示管段i的长度；所述节点质流量温度为：其中，表示节点j处在t时段内的水流温度；所述热功率平衡为：所述供水温度为：其中，τs表示设计供水温度。作为本发明的另一种改进，所述的步骤s2中，建立的基于区域热网的综合能源系统最优协调调度的目标函数为：其中，是热电联产系统i中天然气成本；cgrid是与主电网交换功率的成本；ωchp是热电联产系统的集合。作为本发明的又一种改进，所述热电联产系统i的天然气成本为：其中，rng是天然气的价格；hng是天然气的热值；是热电联产系统i中的燃气轮机在t时段的输出电功率；是热电联产系统i中的燃气锅炉在t时段的输出热功率；和中是热电联产系统中燃气轮机和燃气锅炉的效率；δt是时间间隔的长度；n是调度时间集合；所述与主电网交换功率的成本为：其中，和是分别为在t时段向主电网购买和出售的电力价格；和分别为在t时段向主电网购买和出售的电功率；作为本发明的又一种改进，所述步骤s3中建立基于区域热网的综合能源系统最优协调调度的约束条件包括建立综合能源系统运行的约束条件和建立热网的约束条件，所述建立综合能源系统运行约束条件包括热电功率平衡约束、与主电网电力交互约束、设备约束、蓄电池运行约束及蓄热槽运行约束。作为本发明的更进一步改进，所述热电功率平衡约束为：其中，是综合能源系统i中燃气轮机的热电比；ηhr和ηhe分别为余热回收装置和换热器的效率；和分别为燃气轮机、余热回收装置和换热器的热功率；和是综合能源系统i中的蓄电池在t时段的充电和放电功率；和分别是综合能源系统i中的蓄热槽在t时段的蓄热和放热功率；是综合能源系统i在t时段的输出电功率；是在t时段的电负荷；所述与主电网电力交互约束为：其中，和分别为综合能源系统i在t时段向主电网出售和购买电力的状态变量；是与主电网交互功率的最大值；所述设备约束为：其中，是综合能源系统i中燃气轮机的状态变量；和分别是热电联产系统i中燃气轮机的最大和最小电功率；和分别为燃气锅炉、余热回收装置和换热器的最大热功率；所述蓄电池运行约束为：其中，和分别为综合能源系统i中蓄电池在t时段充电和放电的状态变量；和分别为综合能源系统i中蓄电池最大充电和放电功率；和分别为综合能源系统i中蓄电池的充电和放电效率；是综合能源系统i中蓄电池的能量损失率；是综合能源系统i中蓄电池在t时段的能量水平；和分别为综合能源系统i中蓄电池容量上下限；所述蓄热槽运行约束为：其中，和分别为综合能源系统i中蓄热槽在t时段蓄热和放热的状态变量；和分别为综合能源系统i中蓄热槽最大蓄热和放热功率；和分别为综合能源系统i中蓄热槽的蓄热和放热效率；是综合能源系统i中蓄热槽的能量损失率；是综合能源系统i中蓄热槽在t时段的能量水平；和分别为综合能源系统i中蓄热槽容量上下限。与现有技术相比，本发明专利提出了一种基于区域热网的综合能源系统热电功率协调调度方法，首先建立了包括节点和热水管道的区域热网模型，该模型包含调度约束和温度修正方程组，然后搭建了基于区域热网的综合能源系统最优协调调度模型，其目标函数包括天然气成本和与主电网电力交互的成本，约束条件包括热电功率平衡约束、与主电网电力交互约束、设备约束、蓄电池约束、蓄热槽约束以及区域热网约束，接着提出了一种最优协调调度模型的迭代求解策略，对其收敛性进行了分析，提出了一种保证收敛性的有效方法，能够快速响应负荷变化，实现基于区域热网的综合能源系统间热负荷的灵活分配，保证供热质量和系统的灵活性。附图说明图1是本发明实施例2基于区域热网的综合能源系统结构图：(a)综合能源系统结构(b)热电联产系统结构；图2是区域热网的结构图；图3是本发明最优协调调度迭代策略算法流程图；图4是本发明实施例2的结构示意图；图5是本发明实施例2的电力优化结果示意图；图6是本发明实施例2热力优化结果示意图：(a)热电联产系统1(b)热电联产系统2。图7是本发明实施例2换热站处的质流量温度：(a)所有换热站(b)几个特别的换热站；图8是本发明实施例2管道中的质流量；图9是本发明实施例2某一特定的换热站处的质流量和热负荷；图10是迭代过程中的成本以及温度误差示意图。具体实施方式以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。实施例1基于区域热网的综合能源系统热电功率协调调度方法，包括以下步骤：s1，建立包括节点和热水管道的区域热网模型，所述建立区域热网模型进一步包括：s11，建立区域热网模型调度约束条件，所述约束条件包括质量守恒约束、质流量约束、压降和电泵功率约束、热功率约束及热源和换热站约束；所述质量守恒约束为：其中，表示管段i在t时段内的质流量，表示所有与节点j相连的管段的集合，θin表示所有节点组成的集合；所述质流量约束为：其中，和分别表示与参考方向相同和相反的在第i段管道内t时段的质流量，二进制变量和决定了管段i的流速和流向。所述压降和电泵功率约束：根据darcy-weisbach公式，水流的压力损失可由下式计算：电水泵用来弥补这部分损失的压力，功率可由下式计算：其中，μi是一个与质流量的平方有关的系数；ρ表示水的密度，ηpump表示水泵的效率。这里需注意上述两式不带入优化计算中，只用来检查所得的优化结果是否满足水利工况。所述热功率约束为：其中，c是水的比热容；和分别是供水管段i在t时段内的头部和尾部流经的热功率；和分别是回水管段i在t时段内的头部和尾部流经的热功率；和分别是供水管段i在t时段内的头部和尾部的水流温度；和分别是回水管段i在t时段内的头部和尾部的水流温度；所述热源和换热站约束分别为：其中，和表示在节点i处t时段内的热源和换热站的热输出功率；θsr和θsb分别表示热源和热力站的索引集合；和表示与热源或者换热站相连的管道编号的集合。s12，建立区域热网模型温度修正方程：(1)温降：水流在管段中的温度下降可由下式计算：其中，x可以替换为s或者r，τamb表示环境温度，λi表示管段i的导热系数，li表示管段i的长度。(2)节点质流量温度：我们假设流进相同节点的水充分的混合并最终达到热稳定的状态。因此，从同一节点流出的水的温度是一样的。其中，x可以替换为s或者r，表示节点j处在t时段内的水流温度。(3)热功率平衡：热功率约束，热源和换热站约束与下式共同描述了热功率平衡，其中，x可以替换为s或者r。(4)供水温度：供水温度应该等于已设计的供水温度。其中，τs表示设计供水温度。假设管段数量，热源数量，换热站数量和交汇节点的数量分别是npipe，nsrc，nsub和nint。所以区域供热管网有4npipe个关于在管段内的水流温度变量，有2nint个关于交汇节点的温度变量。式(5)-(7)展开后共包含有4npipe+nsrc+nsub个方程，式(8)包含2npipe个方程，式(9)包含2nint-nsrc-nsub个方程，式(11)包含2npipe个方程。综上所述，式(5)-(11)共包含有8npipe+2nint个独立的方程，它们组成了线性温度修正方程组。式(11)包含nsrc个方程，式(8)-(11)组成了超定的线性温度修正方程组。由于该方程是超定的，那么可以提前在约束条件中将供水温度设定为常数。实际上式(11)是约束条件与温度修正方程组的相容性条件。s2，建立基于区域热网模型的综合能源系统最优协调调度的目标函数；其中，是热电联产系统i中天然气成本；cgrid是与主电网交换功率的成本；ωchp是热电联产系统的集合。其中，热电联产系统i的天然气成本为：其中，rng是天然气的价格；hng是天然气的热值；是热电联产系统i中的燃气轮机在t时段的输出电功率；是热电联产系统i中的燃气锅炉在t时段的输出热功率；和中是热电联产系统中燃气轮机和燃气锅炉的效率；δt是时间间隔的长度；n是调度时间集合；与主电网交换功率的成本为：其中，和是分别为在t时段向主电网购买和出售的电力价格；和分别为在t时段向主电网购买和出售的电功率；s3，建立基于区域热网模型的综合能源系统最优协调调度的约束条件，所述约束条件包括建立综合能源系统运行的约束条件和建立热网的约束条件，所述建立综合能源系统运行约束条件包括热电功率平衡约束、与主电网电力交互约束、设备约束、蓄电池运行约束及蓄热槽运行约束，具体如下：a.建立综合能源系统运行的约束条件(1)热电功率平衡：式(15)为功率平衡约束，其中，是综合能源系统i中燃气轮机的热电比，ηhr和ηhe分别为余热回收装置和换热器的效率，和分别为燃气轮机、余热回收装置和换热器的热功率，和是综合能源系统i中的蓄电池在t时段的充电和放电功率，和分别是综合能源系统i中的蓄热槽在t时段的蓄热和放热功率，是综合能源系统i在t时段的输出电功率，是在t时段的电负荷。上式中，第四项约束表示电功率平衡，第五项约束表示热功率平衡，第六项约束表示电能的供求平衡。(2)与主电网电力交互约束：向主电网购买和出售的电力约束如式(16)所示，其中，和分别为综合能源系统i在t时段向主电网出售和购买电力的状态变量；是与主电网交互功率的最大值。式(16)中的第三项约束表示不能同时向主电网购买和出售电力。(3)设备约束：设备的运行约束如式(17)所示，其中，是综合能源系统i中燃气轮机的状态变量。和分别是热电联产系统i中燃气轮机的最大和最小电功率，和分别为燃气锅炉、余热回收装置和换热器的最大热功率。(4)蓄电池运行约束：蓄电池的约束条件如式(18)所示，其中，和分别为综合能源系统i中蓄电池在t时段充电和放电的状态变量和分别为综合能源系统i中蓄电池最大充电和放电功率。和分别为综合能源系统i中蓄电池的充电和放电效率，是综合能源系统i中蓄电池的能量损失率，是综合能源系统i中蓄电池在t时段的能量水平，和分别为综合能源系统i中蓄电池容量上下限。上式中，第一项和第二项是充放电功率约束，第三项是能量方程，第四项是能量水平约束，第五项表示蓄电池不能同时充放电。(5)蓄热槽运行约束：蓄热槽的约束条件如式(19)所示，其中，和分别为综合能源系统i中蓄热槽在t时段蓄热和放热的状态变量，和分别为综合能源系统i中蓄热槽最大蓄热和放热功率。和分别为综合能源系统i中蓄热槽的蓄热和放热效率，是综合能源系统i中蓄热槽的能量损失率，是综合能源系统i中蓄热槽在t时段的能量水平，和分别为综合能源系统i中蓄热槽容量上下限。b.建立热网约束条件：区域热网的约束包括式(1)、(2)和式(5)-(7)。这些约束描述了区域热网的能量平衡关系。s4，根据供水和回水管网中水流的初始温度，使用cplex等软件求解最优协调调度模型，得到管网中热水的质流量；s5，将步骤s4得到的质流量作为输入，求解温度修正方程组，得到实际质流量温度；s6，设定质流量温度的容许误差δt，计算实际质流量温度与初始温度的温差；s7，比较步骤s6中的温差与容许误差δt，若实际质流量温度与初始温度的温差小于容许误差δt，则停止；否则，更新初始温度为实际质流量温度，返回步骤s4，循环步骤s4至步骤s7。实施例2我们采用基于长春的一个实际多能系统的改进多能流系统进行案例分析。该改进的多能流系统结构图如图4所示。该系统包含两个不同容量的热电联产系统，如图1所示，图1(a)是综合能源系统结构，图1(b)热电联产系统结构，区别在于1号热电联产系统包含一个1.5mw的风机，2号热电联产系统没有蓄电池。两个热电联产系统的具体参数由表1所示。区域供热管网有2个热源节点，25个换热站节点以及24个汇流节点。调度时长为24个小时，调度周期为1小时，δf＝1％，δt＝0.01℃，其他参数由表2和表3所示。为了说明所提出的调度策略的性能和解决策略，详细分析了热电联产系统和区域供热系统的运行结果以及算法收敛性。表1热电联产系统参数表2分时电价时段具体时间购电价格(￥/kwh)峰价08:00-12:00,1.15中间价12:00-13:00,0.76谷价00:00-08:000.40表3算例1中的电负荷以及风电处理(1)热电联产系统电力优化结果如图5所示，1号和2号热电联产机组承担电力系统绝大部分的负荷。在01:00-08:00和23:00-24:00这两个时段，多能流系统从电网处购买了一些电能。在16:00-17:00和19:00-24:00这两个时段，多能流系统向电网卖出了剩余的电能。结果表明蓄电池在电力优化中的重要作用。热力优化结果如图6所示，显然1号和2号热电联产机组承担热力系统绝大部分的负荷。燃气锅炉在1号热电联产系统中相比于2号热电联产系统中发挥的作用较小。燃气锅炉于01:00-09:00和22:00-24:00这两个时段在2号热电联产系统中生产了更多的热量。此外，优化结果表明相比于在1号热电联产系统中，储热罐在2号热电联产系统中有着更加重要的作用。(2)区域供热管网在换热站处的供水温度如图7所示，大部分换热站处的温度曲线是光滑的且波动较小。在换热站n24,n26,n28,n34,n38处的温度曲线有一个较大的变化，这意味着在某些管道中水流的方向发生了改变。虽然水温在这些节点处发生了变化，但是最大与最小的差不超过2℃且在相邻的调度范围不超过1℃。这也证明了我们的假设，即由传输延时导致的热功率误差是很小的。图8展示了在调度时长内水流的方向变化。表4展示了调度时间内热力管网的解耦边界。在01:00-07:00,08:00-21:00和23:00-24:00这三个时段边界管道的质流量为零，热力管网被解耦成了两个独立的部分。但是在00:00-01:00，07:00-08:00和21:00-23:00这三个时段没有管道的质流量是零，管道28和34形成了边界意味着两部分热力管网是相互依存的。表4热力管网解耦边界时段2-67,241,8,22-2310-12,14,16,18-209,13,1517,21边界p24p28p28,p34p36p34p38此外，结果表明在量调节下水温变化很小，流量随着热负荷的改变而改变。如图9所示，在n20,n31和n44处的质流量和热负荷曲线是相似的，这意味着与质调节相比，量调节的供热响应速度比较快，并且可以保证良好的供热质量。(3)算法收敛性我们设计了两个子算例验证算法的收敛性。子算例1不包含水流方向约束，子算例2包含水流方向约束。图10展示了在求解过程中的成本以及最大温度误差。子算例2的成本和温度误差在表5里给予展示。两个算例的第一迭代成本都比后续迭代计算得到的成本要小得多，并且从第二次迭代之后成本值不再有大的变化。实际上，在第一次迭代中，水流温度的初始分配导致温度降和热量损耗被忽略，从而排除了热损失成本。经过一次温度校正之后，温度误差显著降低，后面再计算的成本就开始保持稳定了。然后在子算例1中，温度误差不断波动且整个迭代计算过程不收敛。在子算例2中，第三次迭代中的成本相对误差在误差范围内，然后在第四次迭代中引入水流方向约束。当水流方向约束加入后，水流的温度误差收敛到0左右。表5子算例2的成本与温度误差迭代次数1234费用(×103￥)179190190190温差(℃)4.82.01.50.0本专利提出的基于区域热网的综合能源系统热电功率协调调度方法，应用量调节下区域热网的特性，通过一定的迭代求解策略，实现系统间热电功率的协调调度，在保证求解策略有效性和收敛性的同时增加整个系统的灵活性和经济效益。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。当前第1页12