考虑可再生能源接入的园区综合能源系统能源站规划方法与流程

本发明涉及一种园区综合能源系统能源站规划方法。特别是涉及一种考虑可再生能源接入的园区综合能源系统能源站规划方法。
背景技术：
：传统的能源利用模式中，按照能源类型可将能源系统划分为电力系统、热力系统以及天然气系统，各能源系统由于物理特性区别，在系统规划设计中存在不同特征。而将电能、热能以及天然气调度供应割裂开来的传统供用能方式，未考虑电力系统、天然气系统和热力系统间的联系，不能充分发掘各自的供能优势与潜力。而随着信息技术、多能耦合技术、分布式能源技术以及新型能源交易方式的快速发展和广泛应用，综合能源技术(集成的供电/供气/供热/供冷)近年来在全球迅速发展，引发了能源系统的深刻变革。科学合理的园区综合能源系统规划作为开展能源服务的基础，成为实现多能耦合，优化配置以及高效、经济、环保的能源利用的关键因素。近年来，受全球气候变化的影响，可再生能源开发利用日益受到国际社会的重视，使可再生能源技术水平不断提高，产业规模逐渐扩大，成为促进能源多样化的重要能源。然而，目前已开展的针对园区综合能源系统的设备选型及容量规划问题的研究，对可再生能源考虑较少。然而在实际工程当中，而可再生能源具有环保和分布广泛的优点，对节能减排有重要意义。因此，迫切需要包含储能和可再生能源的园区综合能源系统设备选型及容量规划方法。从求解算法角度来看，园区综合能源系统的设备选型与容量规划问题属于含有高维决策变量的复杂混合整数线性规划问题。求解方面，国内外学者采用过不同类型的智能算法方法，包括遗传算法(ga)、粒子群算法(pso)、蚁群算法(eco)等。虽然智能算法本身具有应用面广的优势，但存在局部收敛和随机性的问题。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是，提供一种使得设备选型与容量规划更具科学性和准确性的考虑可再生能源接入的园区综合能源系统能源站规划方法。本发明所采用的技术方案是：一种考虑可再生能源接入的园区综合能源系统能源站规划方法，包括如下步骤：1)根据待规划的园区综合能源系统的能源需求，输入供给侧能源类型、待选的设备类型及参数，包括cchp机组、chp机组、地源热泵、电锅炉、电制冷机组、电储能、分布式光伏和风机，输入园区所在地的气象信息、分时电价信息、天然气价格、电/热/冷负荷的需求数据；2)依据步骤1)提供的园区综合能源系统的需求及参数，建立考虑可再生能源接入的园区综合能源系统能源站规划模型，包括：以年综合费用最小为目标函数；分别考虑电/热/冷功率平衡约束、cchp机组运行约束、chp机组运行约束、地源热泵运行约束、电锅炉运行约束、电制冷机运行约束、电储能系统运行约束、光伏运行约束和风机运行约束；3)依据步骤2)得到的考虑可再生能源接入的园区综合能源系统能源站规划模型，并基于步骤1)提供的供给侧能源类型、待选的设备类型及参数、分时电价信息、气象信息、天然气价格、电/热/冷负荷的需求数据，采用混合整数线性规划求解器进行求解；4)输出步骤3)的求解结果，包括设备选型及容量配置方案、园区综合能源系统年综合费用。步骤2)中所述的电/热/冷功率平衡约束包括：(1)电功率平衡约束式中，是t时刻的电负荷需求，是t时刻电网向园区综合能源站提供的功率，是t时刻cchp机组的发电功率，是t时刻电锅炉的耗电功率，是t时刻电制冷机组的耗电功率，和分别为t时刻电储能充电和放电功率，是chp机组t时刻的发电功率，是t时刻地源热泵的耗电功率，和分别为t时刻光伏和风机的发电功率；(2)热功率平衡约束式中，是t时刻的热负荷需求，是t时刻电锅炉提供的热功率，是t时刻cchp机组提供的热功率，是t时刻chp机组提供的热功率，是t时刻地源热泵提供的热功率；(3)冷功率平衡约束式中，是t时刻冷负荷需求，是t时刻电制冷机组提供的冷功率，是t时刻cchp机组提供的冷功率，是t时刻地源热泵提供的冷功率。步骤2)中所述的cchp机组的运行约束表示为：式中，是t时刻cchp机组消耗的天然气功率，是t时刻cchp机组提供的热功率，是t时刻cchp机组提供的电功率，是t时刻cchp机组提供的冷功率，ηh-l、ηg-h和ηg-e分别是cchp机组的热-冷转化效率、气-热转化效率和气-电转化效率，pc是cchp机组最小规划单元，xc是cchp机组最小规划单元的数量。步骤2)中所述的地源热泵运行约束表示为：式中，和分别为t时刻地源热泵提供的热功率和冷功率，为t时刻地源热泵的耗电功率，copq和copc分别为t时刻地源热泵制热和制冷的能效比，php为地源热泵最小规划单元，xhp为地源热泵最小规划单元的数量。步骤2)中所述的光伏运行约束表示为：式中，为t时刻光伏发电系统提供的电功率，fpv为光伏发电系统的降额因数，ppv为光伏容量最小规划单元，xpv为光伏容量最小规划单元的数量，it和istc分别表示系统当前运行时的光照强度和标准测试条件下的光照强度，β为光伏电池效率温度系数，用于描述系统出力随运行温度的变化，tc和tr分别表示光伏电池当前运行温度和参考运行温度。步骤2)中所述的风机运行约束表示为：式中，为t时刻风机提供的电功率；vt为t时刻风速；pwt为风机容量最小规划单元；xwt为风机容量最小规划单元的数量；vin、vr、vout分别为风机运行切入风速、额定风速和切出风速。本发明的考虑可再生能源接入的园区综合能源系统能源站规划方法，立足于解决包含可再生能源的园区综合能源系统中设备选型以及对应容量的规划问题。本发明充分考虑了光伏和风机出力对园区综合能源系统设备选型与容量规划的影响，并采用混合整数线性规划求解器进行优化计算，使得设备选型与容量规划更具科学性和准确性。附图说明图1是本发明考虑可再生能源接入的园区综合能源系统能源站规划方法的流程图；图2是园区综合能源系统园区年电负荷曲线；图3是园区综合能源系统园区年热负荷曲线；图4是园区综合能源系统园区年冷负荷曲线；图5是分时电价曲线；图6是年光照强度曲线；图7是年风速曲线。具体实施方式下面结合实施例和附图对本发明的考虑可再生能源接入的园区综合能源系统能源站规划方法做出详细说明。如图1所示，本发明的考虑可再生能源接入的园区综合能源系统能源站规划方法，包括如下步骤：1)根据待规划的园区综合能源系统的能源需求，输入供给侧能源类型、待选的设备类型及参数，包括cchp机组、chp机组、地源热泵、电锅炉、电制冷机组、电储能、分布式光伏和风机，输入园区所在地的气象信息(如图6、图7所示)、分时电价信息(如图5所示)、天然气价格、电/热/冷负荷的需求数据(如图2、图3、图4所示)；2)依据步骤1)提供的园区综合能源系统的需求及参数，建立考虑可再生能源接入的园区综合能源系统能源站规划模型，包括：以年综合费用最小为目标函数；分别考虑电/热/冷功率平衡约束、cchp机组运行约束、chp机组运行约束、地源热泵运行约束、电锅炉运行约束、电制冷机运行约束、电储能系统运行约束、光伏运行约束和风机运行约束；其中：(1)所述的以年综合费用最小为目标函数ccost可表示为：minccost＝cinv+cmnt+cope式中，初始投资费用cinv、维护费用cmnt、运行费用cope可分别由下式表示：式中，y表示设备的使用寿命，r为折现率；cc、cch、chp、ceb、cec、ci、ce、cpv、cwt分别是cchp机组、chp机组、地源热泵、电锅炉、电制冷机组、电储能系统内逆变器、蓄电池、光伏和风机的单位投资成本；pc、pch、php、peb、pec、pi、pe、ppv、pwt分别是cchp机组、chp机组、地源热泵、电锅炉、电制冷机组、电储能系统内逆变器、蓄电池、光伏和风机的最小规划单元，xc、xch、xhp、xeb、xec、xi、xe、xpv、xwt分别是cchp机组、chp机组、地源热泵、电锅炉、电制冷机组、电储能系统内逆变器、蓄电池、光伏和风机最小规划单元的数量。式中，mc、mch、mhp、meb、mec、mi、me、mpv、mwt分别是cchp机组、chp机组、地源热泵、电锅炉、电制冷机组、电储能系统内逆变器、蓄电池、光伏和风机的单位维护费用，pch、php、分别是t时刻cchp机组、chp机组、地源热泵、电锅炉、电制冷机组、电储能系统内逆变器、蓄电池、光伏和风机的电功率。cope＝cg+cfl式中，cg和cfl分别为系统的购电费用和购气费用；分别为t时刻电网向电力负荷提供的功率、chp机组、地源热泵、电锅炉所需的电功率、电制冷机组、电储能系统充/放电功率、cchp机组、光伏和风机输出的电功率，为t时刻的电价；为t时刻cchp机组输入端功率，为t时刻chp机组输入端功率，cfl为燃料价格。(2)所述的电/热/冷功率平衡约束包括：(2.1)电功率平衡约束式中，是t时刻的电负荷需求，是t时刻电网向园区综合能源站提供的功率，是t时刻cchp机组的发电功率，是t时刻电锅炉的耗电功率，是t时刻电制冷机组的耗电功率，和分别为t时刻电储能充电和放电功率，是chp机组t时刻的发电功率，是t时刻地源热泵的耗电功率，和分别为t时刻光伏和风机的发电功率；(2.2)热功率平衡约束式中，是t时刻的热负荷需求，是t时刻电锅炉提供的热功率，是t时刻cchp机组提供的热功率，是t时刻chp机组提供的热功率，是t时刻地源热泵提供的热功率；(2.3)冷功率平衡约束式中，是t时刻冷负荷需求，是t时刻电制冷机组提供的冷功率，是t时刻cchp机组提供的冷功率，是t时刻地源热泵提供的冷功率。(3)所述的cchp机组的运行约束表示为：式中，是t时刻cchp机组消耗的天然气功率，是t时刻cchp机组提供的热功率，是t时刻cchp机组提供的电功率，是t时刻cchp机组提供的冷功率，ηh-l、ηg-h和ηg-e分别是cchp机组的热-冷转化效率、气-热转化效率和气-电转化效率，pc是cchp机组最小规划单元，xc是cchp机组最小规划单元的数量。(4)chp机组运行约束表示为：式中，是t时刻chp机组提供的热功率，是t时刻chp机组提供的电功率，是t时刻chp机组消耗的天然气功率，ηch和ηeh分别是chp机组气-热转化效率和气-电转化效率，pch是chp机组最小规划单元，xch是chp机组最小规划单元的数量。(5)所述的地源热泵运行约束表示为：式中，和分别为t时刻地源热泵提供的热功率和冷功率，为t时刻地源热泵的耗电功率，copq和copc分别为t时刻地源热泵制热和制冷的能效比，php为地源热泵最小规划单元，xhp为地源热泵最小规划单元的数量。(6)电锅炉运行约束表示为：式中，是t时刻电锅炉提供的热功率，是t时刻电锅炉耗电功率，ηeb是电-热转化效率，peb是电锅炉最小规划单元，xeb是对应最小规划单元的数量。(7)电制冷机运行约束表示为：式中，是t时刻电制冷机组提供的冷功率，是t时刻电制冷机组耗电功率，copec是电制冷机组能效比，pec是电制冷机组最小规划单元，xec是电制冷机组最小规划单元的数量。(8)电储能系统运行约束为：式中，和分别为t时刻电储能系统充电和放电功率，yi是电储能系统的逆变器功率最小规划单元的数量，pi为电储能系统内逆变器功率最小规划单元，pe为电储能系统内蓄电池容量最小规划单元，xe是电储能系统内蓄电池容量最小规划单元的数量，为t时刻电储能系统储存的能量，socmin和socmax分别是电储能系统荷电状态的最小值和最大值，ηc和ηd分别为电储能系统充电、放电损耗系数，是t+δt时刻电储能系统储存的能量，δt是时间间隔。(9)所述的光伏运行约束表示为：式中，为t时刻光伏发电系统提供的电功率，fpv为光伏发电系统的降额因数，ppv为光伏容量最小规划单元，xpv为光伏容量最小规划单元的数量，it和istc分别表示系统当前运行时的光照强度和标准测试条件下的光照强度，β为光伏电池效率温度系数，用于描述系统出力随运行温度的变化，tc和tr分别表示光伏电池当前运行温度和参考运行温度。(10)所述的风机运行约束表示为：式中，为t时刻风机提供的电功率；vt为t时刻风速；pwt为风机容量最小规划单元；xwt为风机容量最小规划单元的数量；vin、vr、vout分别为风机运行切入风速、额定风速和切出风速。3)依据步骤2)得到的考虑可再生能源接入的园区综合能源系统能源站规划模型，并基于步骤1)提供的供给侧能源类型、待选的设备类型及参数、分时电价信息、气象信息、天然气价格、电/热/冷负荷的需求数据，采用混合整数线性规划求解器进行求解；4)输出步骤3)的求解结果，包括设备选型及容量配置方案、园区综合能源系统年综合费用。对于本实施例，首先根据待规划的园区综合能源系统的信息及能源需求，输入涉及的能源类型与转换关系、待选的设备类型及参数，包括cchp机组、chp机组、地源热泵、电锅炉、电制冷机组、电储能光伏和风机作为候选设备，输入分时电价信息、气象信息、天然气价格、电/热/冷负荷的需求数据，如表1所示；然后，选取某园区综合能源系统园区为研究对象，建立园区综合能源系统设备选型及容量规划模型。输入场景数据与设备数据，在matlab2014中调用cplex算法包，进行混合整数线性规划运算，得到园区综合能源系统中不同设备选型和容量规划的结果，以及相应的年综合成本和电、气消耗总量。采取本发明提出的考虑可再生能源接入的园区综合能源系统能源站规划方法，选取4种场景进行对比分析。场景一：可选设备包括电锅炉、电制冷机组、chp机组，输入能源形式为电能和天然气；场景二：在已有500kwp光伏和500kw风机的基础上，可选设备包括电锅炉、电制冷机组，输入能源形式为电能和天然气；场景三：可选设备包括cchp机组、chp机组、地源热泵、电锅炉、电制冷机组、电储能系统内逆变器、蓄电池、光伏和风机，输入能源形式为电能和天然气；场景四：可选设备包括cchp机组、chp机组、地源热泵、电锅炉、电制冷机组、电储能系统内逆变器、蓄电池、光伏和风机，输入能源形式为电能和天然气。执行优化计算的计算机硬件环境为intel(r)xeon(r)cpue5-16030，主频为2.8ghz，内存为16gb；软件环境为windows10操作系统。不同场景下设备选型定容方案如表2所示，不同场景下园区综合能源系统各项费用如表3。由场景一和场景二对比可以看出，由于增加了光伏和风机，设备投资和维护费用有所升高，但由于系统购能费用降低，系统总费用降低；由场景三和场景四对比可以看出，由于储能和光伏、风机的配合，使得可再生能源消纳增加，系统购电量降低，购买能量费用降低，进而使总费用降低。本发明的方法可以在不同场景下有效对考虑可再生能源接入的园区综合能源系统能源站进行规划，对于园区综合能源系统的建设具有重要意义。表1系统设备参数和其他参数表2不同场景规划出设备容量方案场景一场景二场景三场景四电锅炉容量(kva)00100.0100.0电制冷容量(kva)1900.01900.01900.01900.0光伏容量(kw)--500.05400.05500.0风机容量(kw)--500.05400.05300.0chp机组容量(kva)100.0100.000地源热泵容量(kva)1300.01300.01300.01300.0cchp机组容量(kva)0000电储能容量(kwh)------4800.0电储能功率(kw)------1800.0表3不同场景规划出的年综合费用及年耗电量场景一场景二场景三场景四总计成本(万元/年)2122.201932.801250.801219.30设备投资成本(万元/年)93.74128.69466.14536.48设备维护费用(万元/年)18.7431.15102.02119.10系统购能费用(万元/年)2009.701807.90682.66563.76电网购电量(万kwh/年)2327.102120.20951.01874.99购气量(万kwh/年)36.5536.4300当前第1页12