一种综合能源系统能源转换设备配置方法及配置系统与流程

本发明涉及一种综合能源系统，尤其是涉及一种基于全系统矩阵的综合能源系统能源转换设备配置方法及配置系统。

背景技术：

由于不同地理气候资源条件具有一定的复杂性，目前尚缺乏整合包容各种条件的统一配置，以系统地集成各类能源存储与转换设备。热泵供暖在日本已经广泛使用，北欧、德国使用区域供热的比例较高，英国依靠发达的天然气管网基础设施，大量使用燃气锅炉直接供暖。

西安交通大学别朝红教授等2017年在《中国电机工程学报》上发表《能源互联网规划研究综述及展望》，从基本的优化规划模型、能源的生产环节规划、能源系统的源、网环节的协同规划、能源的消费环节规划、规划模型的求解方法这几方面对能源互联网的规划进行了分析讨论。西安交通大学邵成成、王锡凡等在《中国电机工程学报》上发表《多能源系统分析规划初探》，提出了一种综合能源系统优化规划的框架。可见，综合能源系统转换设备规划方面总体还处于起步阶段，仍主要是以理论分析为主。

周喆在清华大学工学博士学位论文-《多能协同的分布式能源系统建模与优化》中，针对多能协同的分布式能源系统，提出了基于超结构线性化建模的一套能源系统设备优化设计模型。但是没有考虑多能源网络的能流计算(电力潮流、热流、气流)。

目前，考虑运行的能源设备规划主要采用双层规划方法，分解为上层投资决策和下层运行模拟两个子问题。《冷热电联供微网系统的双层优化规划设计方法》，专利申请号：cn201310661953.8，公开了一种计及微电网规划设计与运行优化的耦合特性的两阶段的建模规划方法。该模型可以实现外层设备类型、容量优化模块和内层运行策略优化模块的交互优化。该文方法没有考虑热力网与燃气网建模，且双层规划只能获得局部最优解，求解速度非常慢，常常达数小时以上。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种快速、全局最优、可扩展性的综合能源系统能源转换设备配置方法及配置系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种综合能源系统能源转换设备配置方法，该方法基于全系统转换效率矩阵与置换矩阵构建综合能源系统多能流联合等式约束，以年投资和运行费用最小化为目标函数，实现对能源转换设备的配置优化。

进一步地，所述基于全系统转换效率矩阵与置换矩阵构建综合能源系统多能流联合等式约束具体为：

对综合能源系统各网络能流及能源转换设备进行联合建模，网络耦合部分通过多向量转换效率矩阵和置换矩阵进行表征。

进一步地，所述转换效率矩阵描述不同类型能源的转换关系，置换矩阵描述能源转换设备所处节点在整体能源网络与各独立网络相对应的映射关系。

进一步地，所述目标函数中引入负荷率，具体为：

式中，ncon为转换设备的数量，为转换设备i的初始投资费用，和分别为设备i在负荷峰值时提供的电力和热力功率，∨表示运算符“或”，ηloadfactor为负荷率，co&m为运行维护费用，ce为购电价格，为在负荷峰值时向上级电网购电功率，为在负荷峰值时总的燃气消耗速率，ξe为电力碳排放强度，ξg为天然气碳排放强度，ccarbon为碳价格。

进一步地，进行所述配置优化时的约束条件还包括不等式约束，所述不等式约束能源转换设备容量的上下限约束、电力网变量的上下限约束、热力网变量的上下限约束和燃气网变量的上下限约束。

进一步地，所述对能源转换设备的配置优化包括配置能源转换设备的种类和各能源转换设备的容量。

进一步地，所述能源转换设备包括chp、热泵、燃气锅炉、燃气轮机和电热锅炉。

本发明还提供一种综合能源系统能源转换设备配置系统，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器调用所述计算机程序执行所述配置方法。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)本发明用转换效率矩阵与置换矩阵方法进行全系统整体建模，用统一的方式描述不同类型能源的能量转换和流动，系统地将能源转换设备关联到各自的电/热/气网能流方程，形成整体能源系统物理方程模型，可扩展性高，高效地集成协调各类能源转换设备。

2)本发明在目标函数中引入负荷率与并行计算大大加速了规划问题全局最优解的收敛速度。

3)根据联合模型多能流计算，实现综合能源系统转换设备与储能的一体化配置，有利于网络建模并计及不同网络间状态变量的交互作用与各网络损耗。

附图说明

图1为能源转换设备节点与各独立网络对应的映射关系示意图；

图2为能源转换设备与网络节点的映射关系示意图；

图3为将转换设备模型关联到电/热/气网能流方程的过程示意图；

图4为综合能源系统转换设备一体化配置系统中计算机程序的框架图；

图5为三种情景中能源转换设备配置结果的费用分解示意图，其中，(a)为2016年，(b)为2030年；

图6为三种情景中能源转换设备的年费用与电网碳强度的关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

1、综合能源系统联合建模

综合能源系统为电、热、气混合能源系统，通过与电力系统分析的类比，建立天然气网、热力网等独立网络的能流分析模型。电力系统潮流计算用于分析电力线路各节点的电压、功率，从而进行供电能力校核、线损分析等。热流计算用于分析传热介质温度、流量、压力、状态变化情况，从而分析热能损失、流动压力损失。气流计算分析燃气在输配气管道内的流量、压力、状态变化情况，从而分析气体流动压力损失。

对综合能源系统各网络能流及能源转换设备进行联合建模分析，考虑chp(热电联产)、热泵、燃气锅炉等连接电力网、热力网和燃气网的耦合元件，其中网络耦合部分通过多向量转换效率矩阵和置换矩阵进行表征。

根据输入数据构建所有能源转换设备的转换效率矩阵，描述不同类型能源的转换关系，如表1所示。

表1转换效率矩阵的样例

用转换效率矩阵进行系统化整体建模，形成整体能源系统物理方程等式约束：

式中，i是转换设备的节点数，j是列索引；矩阵e^out表示转换设备使用需求(例如，电功率和热功率)，由用户输入数据组成，为矩阵e^out的元素；矩阵eⁱⁿ表示转换设备输入电功率和天然气流量，为矩阵eⁱⁿ的元素；为矩阵的元素；矩阵eⁱⁿ与e^out具有相同的维数，例如ncon×4；元素等于元素除以转换效率矩阵的对应元素

在如图1所示的例子中，对于列包括ge,gh,eh,eg，分别是气到电、气到热、电到热、电到气；矩阵eⁱⁿ的列包括气、气、电、电；矩阵e^out的列包括电、热、热、气。

构建置换矩阵，描述设备所处节点在整体能源网络与各独立网络相对应的映射关系，如图1所示。假设全局编号为1，2，3和4的转换设备分别是燃气轮机、热电联产chp、热泵、燃气锅炉。一个全局编号为2的转换设备对应于电力网络的节点5、热力网络中的节点3和燃气网络中的节点4。

设备节点编号的向量与各网络本地编号的映射过程如图2所示。例如，全局节点编号2的转换设备变量值分别映射到电网节点5的电功率热网节点3的热功率和气网节点4的天然气流量

能源转换设备与电力网对应节点的映射关系形成电力置换矩阵me，其中(1,4),(2,5),(3,3)所在位置的元素被置为1，而其他所有元素被置为0。因此，联接能源转换设备与电网的置换矩阵me表示为：

与图2相对应，具有耦合关系的能源转换设备在电力网的功率向量表示为：

假定已知各能源设备的输出(向量)，根据转换效率矩阵，得出各能源设备的输入(向量)。将按设备编号排序的输入向量与输出向量，分离成电/热/气的3组单独向量。通过置换矩阵，将能源设备的电/热/气向量按节点映射到各网络所有节点的功率向量。各节点电功率向量，用来计算电力系统潮流，各节点热功率与天然气流，用来进行热力网的热力流计算与燃气网的天然气流计算。将转换设备模型映射到电/热/气网络方程(如式(4))的多能流转换过程的流程图如图3所示。

2、综合能源系统的能源转换设备配置

本发明综合考虑所选区域内的冷/热/电/气能源分布情况及负荷预测情况，以规划期内的年总投资运行成本最小为目标，获得多能协同的能源转换设备的最优配置，包括配置能源转换设备的种类和各能源转换设备的容量。投资成本通过总设备投资折旧到其运行期内的每一年来决定。最优配置的求解过程中，通过把多能流分析构建为多能流优化模型的等式约束，调用优化算法的内点法求解器来解决多能流优化问题。

本发明还提供一种综合能源系统能源转换设备配置系统，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器调用所述计算机程序执行配置方法。所述计算机程序包括输入模块、配置模块和输出模块。如图4所示，输入模块采集规划区域内的冷/热/电/气网现状参数、未来新能源和负荷出力、燃料价格与碳排放交易价、网络设备参数、经济参数等；配置模块根据输入的数据进行能源转换设备配置优化，配置优化的约束包括等式约束和不等式约束；输出模块获得能源转换设备接入的容量、投资和运行成本等结果，输出模块还可输出对配置结果的运行效率、可靠性、经济性等评价信息。

2.1、目标函数

本发明方法通过最小化年综合费用来获得多能协同的综合能源系统转换设备的最优配置，实现整体能源系统投资费用capex与运行费用opex最低，优化了各网络能源转换设备电力与热力的生产与转换。该方法的目标函数为年化投资与运行费用最小，表达式如下：

minctotal＝lfn·ccapex+copex(4)

式中，ctotal—年总费用；copex—每年设备运行费用，包含向上级电网购电费用与燃料成本费、碳排放费用、运行维护费；ccapex—所有设备初始总投资费用；lfn—资金回收系数，d是折现率，假设d＝6％，n是设备的寿命年限。

转换设备的容量等于设备i在负荷峰值时提供的电力或热力功率，其投资成本(即所有设备初始总投资费用)如下：

式中，ncon—转换设备的数量；—转换设备i的初始投资费用；和—设备i在负荷峰值时提供的电力和热力功率，∨表示运算符“或”。

运行成本包含燃料费用、运行维护(o&m)费用与碳排放费用：

式中，co&m—运行维护费用，不包含燃料费用，ce—购电价格(￡/mwh)，pimport—向上级电网购电功率(mw)，cg—燃气价格(￡/mwh)，vgtotal—总的燃气消耗速率(m³/h)，ξe—电力碳排放强度(gco2/kwh)，ξg—天然气碳排放强度(gco2/kwh)，ccarbon—碳价格(￡/吨)，t—一年的小时数(t＝8760)。

基于全年各小时负荷优化运行费用，然后累加得出全年运行费用，该类方法计算时间太慢，因此使用年电力和热力峰值负荷以及引入负荷率。在这种情况下，计算运行成本仅使用峰值负荷，而不是8760小时的负荷。此方法极大地降低了问题的复杂性和计算时间，如果运行点数为8760×1小时，则运行时间缩短8760倍。因此，等式简化如下：

式中，—峰值负荷时的系统运行费用，ηloadfactor—负荷率。

综上所述，完整的目标函数表达式为：

2.2、约束条件

2.2.1等式约束

等式约束包括综合能源系统的非线性等式约束。

综合能源网络的耦合关系通过决策变量联系，这些变量的联系通过转换效率矩阵进行描述，如能源转换设备的等式约束(9)所示。

综合能源系统电力、热力、燃气与负荷平衡的多能流功率等式约束即为综合能源系统联合方程等式。通过转换效率矩阵和置换矩阵，连接了多能流联合方程中的转换设备模型(p,φ,vq)，实现电/热/气网络的耦合。

式中：p是电力有功功率向量，q是电力无功功率向量，φ是在各热力节点消耗或提供的热功率向量，vq是节点气压；k是各管道的阻力系数，a是网络关联矩阵，b是环路关联矩阵，下标h表示热力网，下标g表示燃气网；c是系数矩阵和b是由供热网热力模型形成的解的列向量；下标s表示供水，下标r表示回水。

状态变量和控制变量表示为：式中pcon和是转换设备的电力有功功率和热力功率(mw)。

转换效率矩阵与置换矩阵等式如式(1)、(2)所示。

2.2.2不等式约束

1)转换设备

各能源转换设备容量的上下限约束表示为：

式中，上标lb和ub表示设备容量的上下限，下标con表示转换设备。

2)电力网

·各节点的电压上限和下限

·控制变量的上限和下限：发电机的有功和无功功率输出

·各支路电功率的上限和下限

式中，ne是节点数目，nge是发电机数目，pl是各线路的有功潮流，nle是线路数目。

3)热力网

各管道流量的上下限约束表示为：

各节点供水与回水温度的上下限约束表示为：

ts_min≤ts≤ts_max(13)

tr_min≤tr≤tr_max

4)燃气网

各节点的燃气压力上下限约束表示为：

pgmin≤pg≤pgmax(14)

式中，pg(bar)是燃气压力。

各管道的燃气流量上下限约束表示为：

vg_min≤vg≤vg_max(15)

式中，vg(m³/h)是管道的气体流速。

3、实施案例

3.1数据

本实施例采用英国曼彻斯特大学校园数据，曼彻斯特工程(manchesterdistrictoroxfordroadcorridor(‘thecorridor’))包含6.6kv配电网、热力网与燃气网，牛津路(oxfordroad)东边区域a采用的是燃气网，牛津路西边区域b采用的是蒸汽热力网。三种能源供应情景的能源转换设备配置如表2所示。

表2三种能源供应情景的能源转换设备配置

能源价格、碳强度与碳排放价格如表3所示。

表3能源价格、碳强度与碳排放价格

能源转换设备的参数与价格如表4所示。

表4能源转换设备的参数与价格

3.2结果

通过在目标函数中引入负荷率与并行计算大大加速了规划问题的优化求解，计算时间非常快，小于10s。三种情景中能源转换设备的配置结果与费用分解如表5和图5所示。三种情景的峰值购电功率分别是2.08mw,-4.92mw,4.94mw。

表5能源转换设备的规划容量与费用分解(单位:k￡)

配置结果量化了能源价格和碳价格对能源转换设备配置的影响。在目标函数不考虑碳价格的情况下，情景2(chp)比其他选项有优势。若目标函数考虑碳价格，运用2016年财务数据，情景2(chp)仍然具有优势。然而，随着2030年电网碳强度明显减小，碳价格上涨，情景3(热泵)的选项占据优势。情景1-3的年费用与电网碳强度之间的关系如图6所示。使用370～100gco2/kw的范围，并使用2016年的财务数据。结果表明，热电联产的总费用比热泵低，除非电网碳排放强度降至130gco2/kw左右。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。