集成电动汽车的家庭电热综合能源系统优化调度方法

1.本发明涉及能源调度技术领域，具体涉及一种集成电动汽车的家庭电热综合能源系统优化调度方法。


背景技术：

2.随着能源消耗的增加与能源设备的发展，在能源需求侧中占有相当大比重的家庭能量管理受到了广泛关注。为优化家庭能源结构和减少能源消耗，用户侧屋顶光伏、家庭高效热泵、微型热电联产系统以及蓄电池等用能设备得到了普及推广。在不久的将来，随着“碳中和”、“碳达峰”等政策的提出，会有越来越多的家庭装设该类设备进行节能减排。家庭综合能源系统可通过家庭能源管理系统(hems)对家用电器、可再生能源及各类能源设备进行监控调度，同时在hems中对能源价格和任何其他相关因素进行制定。通过调整各能源设备的出力来满足家庭电热需求的同时，将整个家庭的电能与热能进行很好的集成并得到最佳调度。
3.目前，家庭综合能源系统的调度大都以购能成本最低为目标的经济运行调度，缺少了对环境保护方面的调度目标，且对家庭能源消费模型建立不够完整，没有考虑热舒适度对热负荷进行调度指导，也没有考虑电动汽车的引入对家庭综合能源系统调度的影响，同时缺少对家庭热电调度与负荷调度相结合的研究。未来电动汽车的普及会对电网压力和综合能源调度造成很大影响，因此需要充分将电动汽车考虑到家庭综合能源模型中，并通过对电动汽车的充放电功率进行调度来优化家庭综合能源系统。
4.中国专利cn114925921a公布了一种将分布式光伏与电动汽车进行集群划分的综合能源系统优化调度方法和系统，其根据分布式光伏群的出力不确定性和电动汽车群的平均行驶里程进行集群划分建模，构建了以系统购能成本和二氧化碳治理成本最低为目标的系统优化运行模型。通过使用求解器对模型直接求解，得出分布式光伏群、电动汽车群与其他能源设备的优化调度方案。但该发明在对电动汽车的数学建模中只根据其行驶里程对电动汽车进行了集群分类，没有考虑到电动汽车外出行驶使脱离系统的情况，且没有对系统内的热负荷进行精细建模，也没有考虑对电负荷进行建模调度。
5.中国专利cn110889549b公布了一种考虑人体热舒适度的综合能源系统多目标优化调度方法，其通过pmv与pdd指标对系统采暖热负荷进行约束指导，并采用分级序列法建立了包含用能与维护成本、碳排放成本以及一次能源利用率的多目标优化模型。最后使用lingo软件对模型求解得出系统的优化调度结果及各目标函数值。但该发明所建立的热负荷模型只有采暖热负荷，缺少了热水负荷，且没有考虑将系统并网对多余电量进行售卖，以及所建热电调度模型缺少对电负荷的建模调度。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术中的不足，本发明提供了一种集成电动汽车的家庭电热综合能源系统多目标优化方法，对家庭电热负荷进行了精细建模与调度，充分考虑了异质能源间
的设备出力影响，引入电转热设备热泵优化dfcchp系统结构以及增加热能调度的灵活性，以期达到系统运行效果最优。
7.所述集成电动汽车的家庭电热综合能源系统优化调度方法，包括以下步骤：
8.s1：在hems中输入包括光伏预测数据、家电运行参数，分时电价、分时气价、室外温度、热水使用量预测数据、电动汽车参数、及各能源设备出力约束、碳排放强度参数的家庭综合能源系统相关数据；
9.s2：根据家庭热负荷与电负荷参数特性对其进行分类建模，并建立pmv模型；
10.s3：建立家庭综合能源系统各能源设备模型，包括燃料电池模型、辅助燃烧器模型、热泵模型、电动汽车模型；
11.s4：对上述各模型设置家庭综合能源系统运行约束条件，具体约束有：家庭电负荷与热负荷平衡约束、能源设备出力约束、燃料电池爬坡约束、电网电能交互约束、室内温度与热水温度约束；
12.s5：建立考虑家庭综合能源系统购能成本与碳排放成本的多目标优化模型；
13.s6：对所构建家庭综合能源系统优化模型进行求解，得出家庭综合能源系统运行优化方案；
14.s7：通过hems对家庭综合能源系统各设备进行调度安排。
15.进一步地，所述步骤s2包括：
16.将家庭电负荷进一步划分为可中断负荷、不可中断负荷和不可调度负荷。其中可中断负荷与不可中断负荷作为可调度负荷可按照负荷特性将其安排到运行成本最低的时段进行调度，不可调度负荷不进行调度。hems执行调度的整个调度范围是24小时，以15min为一个时间采样间隔将一天分为96个运行区间。定义一个二进制变量来表示t时段第i个可调度负荷的运行状态，如式(1)所示：
[0017][0018]
式中，和为用户预分配给第i个设备的可运行时间区间；otherwise为一天内剩下的其他时间段；a1和a2分别为可中断负荷和不可中断负荷的集合；
[0019]
其中可中断负荷可在负荷运行过程中随时中断，但可中断负荷设备所执行的工作应受到调节，使其至少运行一定长的时间段，以避免对住户的舒适度产生太大影响，如抽水机、吸尘器等。可根据下式建立可中断负荷模型：
[0020][0021][0022]
式中，为t时段第i个设备消耗的电功率；为第i个设备的额定功率；为第i个可中断负荷设备一天内所需的最小运行时间间隔数；
[0023]
不可中断负荷在负荷运行过程中一经启动，在完成任务之前不可以被中断。如果
在负荷运行过程参与调度而突然暂停供电会为用户带来严重损失，如洗碗机、洗衣机、电饭锅等。因此，为了hems在其可运行间隔内确定最优启动时间，引入了一个辅助二进制变量当时表示第i个不可中断负荷在第t个时间段开始启动，时表示情况相反，并根据下式建立不可中断负荷模型：
[0024][0025][0026][0027]
式中，为第i个不可中断负荷设备必须连续工作的时间间隔数；
[0028]
将家庭热负荷进一步划分为采暖热负荷与热水负荷，并根据式(7)建立采暖热负荷模型：
[0029][0030]
式中，分别为t时段的室外温度和室内温度；r为房屋建筑材料的热阻；为dfcchp提供给空气热负荷的热功率；c
air
为空气的比热容；δt为hems的时间采样间隔；
[0031]
根据式(8)建立热水负荷模型：
[0032][0033]
式中，t
twa
为t时段储水箱内储存热水的温度；v
tcold
、t
cw
分别为t时段往储水箱内注入冷水的体积和温度；vw、cw分别为储水箱内储存热水的体积和水的比热容；q
twa
为t时段热水负荷所需的热功率；
[0034]
根据式(9)建立pmv模型，
[0035][0036]
式中，λ
pmv
为pmv指标值；t
sk
为人体在接近舒适条件下的平均皮肤温度；ta为人体周围空气温度；m为人体新陈代谢的产热量；i
cl
为服装热阻。
[0037]
进一步地，所述步骤s3包括：
[0038]
根据下式建立燃料电池模型：
[0039][0040]
[0041]
式中，p
tfc
为t时段燃料电池的输出电功率；为t时段燃料电池消耗天然气的功率；为t时段燃料电池的输出热功率；υ
fc
、η
fc
分别为燃料电热的电转化效率和热电比；
[0042]
根据式(12)建立辅助燃烧器模型，
[0043][0044]
式中，为t时段辅助燃烧器消耗天然气的功率；为t时段辅助燃烧器的输出热功率；η
aux
为辅助燃烧器的效率；
[0045]
根据式(13)建立热泵模型，
[0046]qthp
＝p
thp
η
hp (13)
[0047]
式中，p
thp
为t时段热泵的输入电功率；η
hp
为热泵的热电比；
[0048]
根据下式建立电动汽车模型：
[0049]
soc
so
＝soc
min
+soc
dist
+15％ (14)
[0050][0051][0052][0053][0054][0055][0056]
式中，soc
dist
为电动汽车外出使用所需的电量；e
batt
为电动汽车的电池容量；soc
so
为电动汽车外出时所需达到的最低电池容量；soc
min
和soc
max
分别为电动汽车电池的最小容量限额和最大容量限额；soc
t
为t时段电动汽车的电池容量；p
tev
为t时段电动汽车的耗电功率；p
tch
和p
tdch
分别为t时段电动汽车的充电功率和放电功率；和分别为电动汽车的最大充电功率和放电功率；η
ch
和η
dch
分别为电动汽车的充电效率和放电效率；表示电动汽车的充放电状态，或表示电动汽车正在充电或者放电，或表示电动汽车没有进行充电或放电。
[0057]
进一步地，所述步骤s4中家庭综合能源系统运行约束条件包括：
[0058]
电能平衡约束：
[0059]
p
tgird
+p
tpv
+p
tfc
＝p
tev
+p
thp
+p
tload (21)
[0060]
式中，p
tgird
为t时段家庭能源系统向电网购买或出售的电量；p
tpv
为t时段光伏电池板的输出电功率；p
tload
为t时段总的家庭电负荷；
[0061]
热能平衡约束：
[0062][0063]
能源设备出力约束：
[0064][0065][0066][0067]
式中，分别为燃料电池输出电功率的最小值和最大值；分别为热泵输出热功率的最小值和最大值；分别为辅助燃烧器输出热功率的最小值和最大值；
[0068]
燃料电池爬坡约束：
[0069][0070][0071]
式中，分别为燃料电池输出电功率变化率的上、下限值；
[0072]
电网电能交互约束：
[0073][0074]
式中，分别为家庭能源系统与电网电能交互量的最小值和最大值；
[0075]
室内温度与热水温度约束：
[0076][0077][0078]
式中，分别为满足热舒适度要求的室内温度上、下限值；分别为满足热舒适度要求的室内温度上、下限值；分别为储水箱内热水温度的上、下限值。
[0079]
进一步地，所述步骤s5中家庭综合能源系统运行优化目标函数如下所示：
[0080]
minf＝c
eg
+c
co2 (31)
[0081]
式中，f为系统的日运行成本；c
eg
为系统的日购能成本；c
co2
为系统的日碳排放成本；其中：
[0082][0083]
式中，分别为t时段的气价和电价；t为一天中的时间采样间隔数；
[0084][0085]
式中，c
cep
为碳排放惩罚因子；μ
fc
为燃料电池碳排放强度；μ
grid
为电网碳排放强度；μ
aux
为辅助燃烧器碳排放强度。
[0086]
进一步地，所述步骤s6中，所构建的家庭综合能源系统优化模型在数学上为混合整数线性规划模型，本发明采用cplex对其进行求解。
[0087]
进一步地，所述步骤s7中对家庭综合能源系统各设备的调度安排：
[0088]
根据求解模型所得运行优化方案通过hems调整各能源设备出力功率与出力时间、家电运行时间、购售电量、天然气消耗量、电动汽车充放电功率，实现家庭综合能源系统低碳经济运行。
[0089]
有益效果：
[0090]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0091]
本发明提供了一种集成电动汽车的家庭电热综合能源系统优化调度方法，综合考虑了电动汽车调度、热舒适度指导的dfcchp热电调度与家庭电负荷调度相结合的可行性。首先，根据实际情况构建了家庭能源消费模型，根据家庭电负荷与热负荷的特性进行详细分类建模，并引入pmv指标用于室内温度的控制，以此来优化电负荷与热负荷曲线、增加光伏消纳与降低购能成本；根据日常使用习惯对引入的电动汽车进行建模调度，使其在降低系统用能成本与储能投资成本的同时还缓解了电网压力；同时引入了多种能源转换设备增加了系统的灵活性。然后，根据所建考虑购能成本与碳排放成本的多目标优化模型与已知光伏出力、分时电气价、室外温度等数据对模型进行求解调度，提升了系统的经济效益与环境效益，降低了用能成本与碳排放。
附图说明
[0092]
图1为本发明的实施流程图。
[0093]
图2为本发明的家庭综合能源系统结构图。
具体实施方式
[0094]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0095]
实施例：
[0096]
一种集成电动汽车的家庭电热综合能源系统优化调度方法，具体的方法包括以下步骤：
[0097]
s1：在hems中输入包括光伏预测数据、家电运行参数，分时电价、分时气价、室外温度、热水使用量预测数据、电动汽车参数、及各能源设备出力约束、碳排放强度参数的家庭综合能源系统相关数据；
[0098]
s2：根据家庭热负荷与电负荷参数特性对其进行分类建模，并建立pmv模型，具体包括如下步骤：
[0099]
将家庭电负荷进一步划分为可中断负荷、不可中断负荷和不可调度负荷。其中可中断负荷与不可中断负荷作为可调度负荷可按照负荷特性将其安排到运行成本最低的时段进行调度，不可调度负荷不进行调度。hems执行调度的整个调度范围是24小时，以15min为一个时间采样间隔将一天分为96个运行区间。定义一个二进制变量来表示t时段第i个可调度负荷的运行状态，如下式所示：
[0100][0101]
式中，和为用户预分配给第i个设备的可运行时间区间；otherwise为一天内剩下的其他时间段；a1和a2分别为可中断负荷和不可中断负荷的集合；
[0102]
其中可中断负荷可在负荷运行过程中随时中断，但可中断负荷设备所执行的工作应受到调节，使其至少运行一定长的时间段，以避免对住户的舒适度产生太大影响，如抽水机、吸尘器等。可根据下式建立可中断负荷模型：
[0103][0104][0105]
式中，p
ti
为t时段第i个设备消耗的电功率；为第i个设备的额定功率；为第i个可中断负荷设备一天内所需的最小运行时间间隔数；
[0106]
不可中断负荷在负荷运行过程中一经启动，在完成任务之前不可以被中断。如果在负荷运行过程参与调度而突然暂停供电会为用户带来严重损失，如洗碗机、洗衣机、电饭锅等。因此，为了hems在其可运行间隔内确定最优启动时间，引入了一个辅助二进制变量当时表示第i个不可中断负荷在第t个时间段开始启动，时表示情况相反，并根据下式建立不可中断负荷模型：
[0107][0108][0109][0110]
式中，为第i个不可中断负荷设备必须连续工作的时间间隔数；
[0111]
将家庭热负荷进一步划分为采暖热负荷与热水负荷，并根据下式建立采暖热负荷模型：
[0112][0113]
式中，分别为t时段的室外温度和室内温度；r为房屋建筑材料的热阻；为dfcchp提供给空气热负荷的热功率；c
air
为空气的比热容；δt为hems的时间采样间隔；
[0114]
根据下式建立热水负荷模型：
[0115][0116]
式中，t
twa
为t时段储水箱内储存热水的温度；v
tcold
、t
cw
分别为t时段往储水箱内注入冷水的体积和温度；vw、cw分别为储水箱内储存热水的体积和水的比热容；为t时段热水负荷所需的热功率；
[0117]
根据下式建立pmv模型，
[0118][0119]
式中，λ
pmv
为pmv指标值；t
sk
为人体在接近舒适条件下的平均皮肤温度；ta为人体周围空气温度；m为人体新陈代谢的产热量；i
cl
为服装热阻。
[0120]
s3：建立家庭综合能源系统各能源设备模型，包括燃料电池模型、辅助燃烧器模型、热泵模型、电动汽车模型，具体包括如下步骤：
[0121]
根据下式建立燃料电池模型：
[0122][0123][0124]
式中，p
tfc
为t时段燃料电池的输出电功率；为t时段燃料电池消耗天然气的功率；为t时段燃料电池的输出热功率；υ
fc
、η
fc
分别为燃料电热的电转化效率和热电比；
[0125]
根据下式建立辅助燃烧器模型，
[0126][0127]
式中，为t时段辅助燃烧器消耗天然气的功率；为t时段辅助燃烧器的输出热功率；η
aux
为辅助燃烧器的效率；
[0128]
根据下式建立热泵模型，
[0129][0130]
式中，p
thp
为t时段热泵的输入电功率；η
hp
为热泵的热电比；
[0131]
根据下式建立电动汽车模型：
[0132]
soc
so
＝soc
min
+soc
dist
+15％
[0133][0134][0135][0136][0137][0138][0139]
式中，soc
dist
为电动汽车外出使用所需的电量；e
batt
为电动汽车的电池容量；soc
so
为电动汽车外出时所需达到的最低电池容量；soc
min
和soc
max
分别为电动汽车电池的最小容量限额和最大容量限额；soc
t
为t时段电动汽车的电池容量；p
tev
为t时段电动汽车的耗电功率；p
tch
和p
tdch
分别为t时段电动汽车的充电功率和放电功率；和分别为电动汽车的最大充电功率和放电功率；η
ch
和η
dch
分别为电动汽车的充电效率和放电效率；表示电动汽车的充放电状态，或表示电动汽车正在充电或者放电，或表示电动汽车没有进行充电或放电。
[0140]
s4：对上述各模型设置家庭综合能源系统运行约束条件，具体约束有：家庭电负荷与热负荷平衡约束、能源设备出力约束、燃料电池爬坡约束、电网电能交互约束、室内温度与热水温度约束，具体约束如下：
[0141]
电能平衡约束：
[0142]
p
tgird
+p
tpv
+p
tfc
＝p
tev
+p
thp
+p
tload
[0143]
式中，p
tgird
为t时段家庭能源系统向电网购买或出售的电量；p
tpv
为t时段光伏电池板的输出电功率；p
tload
为t时段总的家庭电负荷；
[0144]
热能平衡约束：
[0145][0146]
能源设备出力约束：
[0147][0148]
[0149][0150]
式中，分别为燃料电池输出电功率的最小值和最大值；分别为热泵输出热功率的最小值和最大值；分别为辅助燃烧器输出热功率的最小值和最大值；
[0151]
燃料电池爬坡约束：
[0152][0153][0154]
式中，分别为燃料电池输出电功率变化率的上、下限值；
[0155]
电网电能交互约束：
[0156][0157]
式中，分别为家庭能源系统与电网电能交互量的最小值和最大值；
[0158]
室内温度与热水温度约束：
[0159][0160][0161]
式中，分别为满足热舒适度要求的室内温度上、下限值；分别为满足热舒适度要求的室内温度上、下限值；分别为储水箱内热水温度的上、下限值。
[0162]
s5：建立考虑家庭综合能源系统购能成本与碳排放成本的多目标优化模型，具体多目标优化模型如下：
[0163][0164]
式中，f为系统的日运行成本；c
eg
为系统的日购能成本；为系统的日碳排放成本；其中：
[0165][0166]
式中，分别为t时段的气价和电价；t为一天中的时间采样间隔数；
[0167][0168]
式中，c
cep
为碳排放惩罚因子；μ
fc
为燃料电池碳排放强度；μ
grid
为电网碳排放强度；μ
aux
为辅助燃烧器碳排放强度。
[0169]
s6：对所构建家庭综合能源系统优化模型进行求解，得出家庭综合能源系统运行优化方案；
[0170]
进一步地，所构建的家庭综合能源系统优化模型在数学上为混合整数线性规划模型，本发明采用cplex对其进行求解。
[0171]
s7：通过hems对家庭综合能源系统各设备进行调度安排：根据所得运行优化约束方案调整各能源设备出力功率与出力时间、家电运行时间、购售电量、天然气消耗量、电动汽车充放电功率，实现家庭综合能源系统低碳经济运行。
[0172]
实施例1：
[0173]
本实施例中的主要能源设备包括燃料电池、热泵、辅助燃烧器、电动汽车，输入端的能源类型包括光伏发电、大电网以及天然气，其中燃料电池、辅助燃烧器以及电网均存在碳排放，负荷侧包括家庭电负荷和热负荷，其中家庭电负荷分为不可调度负荷、可中断负荷和不可中断负荷，热负荷分为热水负荷和采暖负荷。本实例以某家庭冬季典型日为研究对象，取时间间隔(优化调度步长)为15min，仿真周期为24小时。本发明优化目标函数设置为成本，包括系统购能成本和碳排放成本。
[0174]
本实施例中的主要参数设置：燃料电池、辅助燃烧器以及电网碳排放强度分别为1964g/(kw
·
h)、1964g/(kw
·
h)、632g/(kw
·
h)，人体新陈代谢的产热量为80w/m2，服装热阻为0.11(m2·
℃)/w，电动汽车初始电量为60％，目的地与家距离15km，外出行驶距离30km，电动汽车百公里耗电量为15kw
·
h。实施例中的电动汽车参数如表1所示，各能源设备参数见表2，建筑材料热阻、空气热阻、热水温度上下限、冷水水温等参数见表3。
[0175]
表1电动汽车参数
[0176][0177]
表2各能源设备参数
[0178][0179]
表3建筑材料热阻、空气热阻、热水温度上下限、冷水水温等参数
[0180][0181]
通过cplex求解器对所建优化调度模型进行求解，本实施例设置了四个场景对所提方法的可行性及热泵和电动汽车的引入对系统经济成本与碳排放的影响进行了探索，具体场景见表4。
[0182]
表4算例仿真场景
[0183][0184]
表5不同场景下的系统购能成本与碳排放
[0185][0186][0187]
表5为不同场景下的系统购能成本与碳排放，分别对比场景1与场景2、场景3与场景4，系统日购能成本均有较大程度的降低。其中场景2较场景1购能成本减少了17.82元，节省了总成本的55.12％；场景4较场景3购能成本减少了16.44元，节省了总成本的47.97％。同时系统日碳排放量也有不同程度的降低。其中场景2较场景1碳排放减少了0.96kg，场景4较场景3碳排放减少了0.86kg。对比分析可知，热泵和电动汽车的引入显著减少了家庭综合能源系统的日购能成本，同时还可减少系统的碳排放，提升了系统的灵活性和经济性。热泵和电动汽车引入后，系统的灵活性增加。在电价较低或电能富余情况下可以优先使用热泵产热，且模型中如燃料电池等输出电能设备较多，也可在某些高电价时段输出较低成本电能供热泵使用。电动汽车可在低电价时储存电量并在高电价时放电来调节系统能源成本。基于以上分析所得，本发明所提方法具有良好的经济效益环境效益。
[0188]
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。