计及气-热虚拟储能特性的综合能源系统日前优化调度方法

本发明涉及微网综合能源系统优化调度领域，特别是一种计及气-热虚拟储能特性的综合能源系统日前优化调度方法。

背景技术：

1、综合能源系统是指通过从“源-网-荷-储”多环节实现电、气、热、冷等多种能源耦合，在满足系统内多元化用能需求的同时，有效提升能源利用效率，促进能源可持续发展的新型一体化的能源系统。各能流之间互相转化、协调互补，已成为提高能源综合利用效率、促进大规模新能源消纳，落实国家“双碳”战略的重要举措。学者们对综合能源系统中电、气、热、氢多能耦合的特性开展了研究，构建了电-气、电-热、电-氢等能源的实体储能模型，

2、上述研究均是基于热网、天然气网的稳态潮流模型，即忽略热能、天然气在管道中的传输延时、损耗等，传输时间几乎是瞬时的。但在实际情况中，电能传输速度接近于光速，而热力系统、天然气系统传输速度则相对缓慢，持续时间为数分钟至数小时。故在网络中，热能及天然气能的源荷平衡不是瞬间到达。电能和热能的传输速度存在很大差异，但这也使得电能和热能具有很强的互补特性，电能易传输、难存储；但热能的传输特性造就其易储存、难传输的特性，两者呈现互补特性。即从热能源侧到用户侧的延时特性使得热网管道呈现天然储热特性，供热管网依靠这种动态特性可以作为虚拟储热设备。

3、天然气系统由气源、天然气管网、加压站及用户等组成。相较于电力系统而言，天然气系统的暂态常数大，表现出惯性大、时延长的管道传输特性，天然气管道呈现出天然的存储作用，供气管网依靠这种动态特性可以作为虚拟储气设备。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种计及气-热虚拟储能特性的综合能源系统日前优化调度方法，该方法可以增强综合能源系统多种能量间的耦合程度，有效提高系统运行经济性、提升新能源消纳率。

2、本发明采取的技术方案为：

3、计及气-热虚拟储能特性的综合能源系统日前优化调度方法，包括以下步骤：

4、步骤1：建立热网管道虚拟储能特性模型，包括传输时滞模型部分、热损耗模型两部分；步骤2：建立气网管道虚拟储能特性模型；

5、步骤3：构建包含热网管道、气网管道的综合能源系统模型；

6、步骤4：采用二阶锥松弛方法对气网管道虚拟储能特性模型进行线性化，通过求解器对综合能源系统模型日前优化调度场景进行求解。

7、所述步骤1中，

8、(1)：传输时滞模型如下：

9、由于热能的传输速度慢，需要经过一段时间延迟后，热源在供热首站提供的热能才能供给用户侧。热能传输延迟时间与热网管道的直径、管道长度、热媒质量流率有关。管道k的供能延迟时间的表达式如下：

10、

11、式(1)中：τk表示管道k的供能延迟时间；ρw表示管道的热媒密度；lk表示管道k的长度；dk表示管道k的直径；mk表示管道k的热媒质量流率。

12、热管道输送热能的延迟时间不一定为整数，本发明采用流量分段法对热能输送的延迟时间进行建模，设τk介于τk1和τk2两个整数之间，τk2＝τk1+1,τk1表示τk向下取的整数；τk2表示τk向上取的整数；

13、则管道k末端水温可以表示为：

14、

15、式(2)中：表示t时刻管道k的末端温度；表示t时刻管道k的首端温度；表示t+1时刻管道k的首端温度；

16、(2)：热损耗模型如下：

17、热能在供热管道传输的过程中会与管道壁及外界环境进行热能交换从而导致热损耗，故管道k末端水温公式进行修改表示为：

18、

19、式(3)中：λ表示热网管道单位长度的传热系数；cw表示水的比热容，4.2×103j/(kg·℃)；表示t时刻管道周围环境的温度；mk表示管道k的热媒质量流率；

20、所述步骤2中，气网管道虚拟储能特性模型具体如下：

21、1):天然气管道中天然气的传输的过程可通过连续性方程、动量方程和状态方程来表示，经过简化其模型表达式如下：

22、

23、

24、p＝ρzrt  (6)；

25、

26、上式中：p表示管道网络节点的压力；ρ表示天然气密度值；ρ0表示标况下气体密度；v表示气体流速；x和t分别表示空间距离和时间；d表示管道直径；r表示气体常数；z表示天然气平均压缩因子；t表示管道中天然气的平均温度；δ表示摩擦系数。

27、2)：偏微分方程式(4)、式(5)通过有限隐式差分法转化成代数形式的weymouth方程：式(4)为物质平衡方程、式(5)为气体动量方程，将式(6)、(7)带入式(4)、式(5)，weymouth方程稳态模型如式(8)所示：

28、

29、

30、式中：ωpl表示天然气管道的集合；dij表示管道ij的管道直径；lij表示管道ij的管道长度；xij,t表示t时刻ij管道平均流量；pi,t表示t时刻管道ij首端i的压强值；pj,t表示t时刻管道ij首端j的压强值；表示t时刻管道ij入口处流量；表示t时刻管道ij出口处流量；i表示管道ij入口处；j表示管道ij出口处。

31、当不计及气网虚拟储能特性时：天然气进入流量等于输出流量。式(8)左端用平均流量的绝对值表示的平方形式来表示天然气的流动方向。用cm表示式(8)中除压力平方项以外的各项参数。

32、3)：天然气虚拟储能的管存表达式如下所示：

33、

34、

35、

36、式中：为t时刻管道ij虚拟储能的管存量；分别为t时刻流入、流出管道ij的天然气量；为t时刻管道ij的平均压强；r表示气体常数；t表示温度；z表示压缩系数；表示t-1时刻管道ij虚拟储能的管存量。

37、所述步骤3中，综合能源系统模型的目标函数为系统运行总成本最小，主要包含购电成本、运维成本、天然气购气成本及弃风惩罚成本和节点气压差惩罚成本。

38、目标函数表示为：

39、

40、fe,t＝ce,t×ptbuy,e   (16)；

41、fg,t＝cg,t×ptbuy,g   (17)；

42、fcon,t＝∑αkpk   (18)；

43、fwind,t＝cwind,t×(ptwind,p-ptwind)   (19)；

44、上式中：f表示系统运行总成本；fe,t、fg,t分别表示为t时刻的购电成本、购气成本；fwind,t表t时刻弃风惩罚成本；fp,t表示t时刻节点气压惩罚成本；ptbuy,e、ptbuy,g分别表示为t时刻的购电量、购气量；fcon,t表示t时刻运维成本；ce,t、cg,t、cwind,t分别表示购电价格、购气价格、弃风惩罚价格；ptwind,p、ptwind分别表示t时刻风电预测出力、实际出力；αk表示各设备运维系数；pk表示各设备出力。

45、约束条件包括电力系统约束、热力系统约束、天然气系统约束：

46、①：电功率平衡约束：

47、综合能源系统应保证在各个调度时段系统设备：chp、火电、风电出力之和等于该时段的负荷需求：

48、ptchp+ptbuy+ptwind+ptgt-pthp-ptp2g＝ptload   (20)；

49、式中：ptchp为t时刻chp的电功率；ptbuy为t时刻购电功率；ptwind为t时刻风电实际功率；ptgt为t时刻gt的电功率；pthp为t时刻hp的电功率；ptp2g为t时刻hp的电功率；ptload,e为t时刻的电负荷。

50、②：发电机组出力上、下限约束：

51、

52、

53、

54、

55、式中：分别为chp出力上、下限；分别为p2g出力上、下限；分别为gt出力上、下限；分别为hp出力上、下限；

56、③：发电机组爬坡约束：

57、

58、

59、

60、式中：分别为chp机组最小、最大爬坡速率，单位：kw；分别为hp机组最小、最大爬坡速率，单位：kw；分别为gt机组最小、最大爬坡速率，单位：kw。

61、④：换热首站约束：

62、

63、式中：分别为t时刻chp、hp机组的热功率；cw为水的比热容；ms为换热首站的质流量；分别为t时刻供热首站的供水、回水温度。

64、⑤：换热站约束：

65、

66、式中：为t时刻换热站的热负荷。

67、⑥：热网节点温度融合约束：

68、不同温度的热水从不同管道流向相同节点后进行混合，在热网管道中的汇流点混合后流入不同管道的热水温度相同，汇流后的温度可表示为：

69、

70、

71、式中：n+、n-分别代表以m为起点和终点的管道集合；表示t时刻m管道供水、回水管道出口处的温度。mb,t表示t时刻的热媒质量流率；表示t时刻m管道供水管道入口处的温度；表示t时刻m管道回水管道入口处的温度；b表示管道编号；

72、⑦：气网节点流量平衡约束：

73、对于汇流节点考虑节点流量平衡，天然气管网任意节点，其气体流量连续性方程可表示为：

74、

75、式(32)中：表示t时刻注入节点i购买天然气的体积；qi,t表示t时刻管道首端天然气流入的体积、qj,t表示t时刻管道末端天然气流出的体积；表示t时刻p2g注入管道的体积；表示t时刻管道末端gt和负荷消耗的体积；表示t时刻管道末端chp消耗的天然气体积；

76、⑧：热电联产装置：

77、

78、式(33)中：k分别为天然气热值；ηchp为chp运行的热电比，εchp为chp运行的气电转化比；表示t时刻chp的热功率；表示t时刻管道末端chp消耗的天然气体积；

79、⑨：燃气轮机：

80、

81、式(34)中：ηgt为燃气轮机运行效率；表示t时刻管道末端gt消耗的天然气体积；

82、⑩：p2g:

83、

84、式(35)中：ηp2g为电转气运行效率；表示t时刻管道末端p2g消耗的天然气体积；

85、热泵：

86、

87、式中：ηhb为电锅炉运行效率；表示t时刻hb的热功率；

88、所述步骤4中，采用二阶锥松弛方法对气网管道虚拟储能特性模型进行线性化：

89、式(8)weymouth方程中有绝对值项和压力的平方项，使用求解器求解该方程的非线性问题时，采用无迭代的二阶锥松弛方法将模型中的非线性问题进行线性化。

90、天然气网中的气体流向在日前调度中是提前给定的，即气体流动方向确定，从而可以将去掉式(8)中左侧绝对值符号，并将方程转化成为一个二阶锥不等式和一个凹不等式；另外，为防止凹不等式扩张所导致过度松弛，在求解过程中增加节点气压差惩罚约束将其收紧，以保证求解精度，表达式如式(37)-(39)所示。

91、

92、xij,t≥cm·(pi,t-pj,t)   (38)；

93、

94、式(39)中：fp表示节点气压差惩罚成本；γ表示节点气压差惩罚系数。

95、所述步骤4中，对综合能源系统模型日前优化调度场景进行求解，具体是：

96、对综合能源系统模型日前优化调度场景使用matlab调用商业求解器cplex进行求解，为了说明气、热管道虚拟储能作用对调度结果的不同影响，设置以下4个场景进行仿真分析。

97、场景1：调度计划制定时不考虑气、热的虚拟储能作用，即忽略模型中的热管道约束、气管道约束。此时，增加以下新约束：

98、气功率平衡约束：

99、

100、热功率平衡约束：

101、

102、场景2：调度计划制定时只考虑热虚拟储能作用，即在优化模型中忽略气管道约束，增加约束(40)。

103、场景3：调度计划制定时只考虑气虚拟储能作用，即在优化模型中忽略热管道约束，增加约束(41)。

104、场景4：调度计划制定时考虑气、热虚拟储能作用。

105、计及气/热虚拟储能特性的综合能源系统优化调度步骤如图3所示。首先，读取电/气/热综合能源系统参数，根据调度时段步长，输入日前24h的负荷预测曲线及以风电功率预测曲线；其次，综合考虑供热管道虚拟储能特性，对天然气管道虚拟储能特性进行方程线性化处理，在满足采暖用户电、热、气需求的前提下，构建以运行成本最小、新能源消纳率最高为目标函数优化调度模型，使用matlab调用商业求解器cplex进行求解，确定chp、hp、gt、购电、购气以及风电出力，最后输出调度计划。

106、本发明一种计及气-热虚拟储能特性的综合能源系统日前优化调度方法，技术效果如下：

107、1)本发明的综合能源系统主动调用气、热虚拟储能的经济调度方法，能有效增加ies灵活性，有效优化设备出力，提高风电的消纳率，降低系统运行总成本。

108、2)本发明在求解上采用matlab cplex求解器求解，对气管道模型采用二阶锥松弛方法进行线性化，降低求解难度，且增设管道压强约束，保证计算精度。

109、3)本发明的步骤1建立热网管道虚拟储能模型的意义在于提高能源系统的灵活性、可靠性和能源效率，促进热能的高效利用和能源转型。以下是建立热网管道虚拟储能特性的重要意义：

110、①.节约建设成本及空间：传统热储设备，如热水罐、热蓄能器等需要独立的建设，并占据大量的空间。而利用热网管道进行虚拟储能，可以避免单独建设储能设备的成本，节约了建设资金；热网管道虚拟储能模型可以使用现有的热网管道进行储能，无需额外的土地和场地。这能够更好地利用有限的空间资源。

111、②.灵活性和可扩展性：热网管道虚拟储能模型可以通过调整管网通水量、流速和温度等参数来进行热能的储存和释放。这种灵活性使得储能容量可以根据需求进行扩展或收缩，灵活性更高。

112、③.高效利用能源：传统热储设备在热能传输和储存过程中存在能量损失，如热损耗和热延迟等，而热网管道虚拟储能模型现有的热网管道进行热能储存，减少了能量转换过程中的损失，提高了能源的利用效率。

113、④.操作管理简化：热网管道虚拟储能模型将储能过程融入到热网系统中，操作和管理更加简化。通过对管道的控制和监测，可以实时调整热能的储存和释放，提高储能系统的运行效果。

114、总体而言，建立热网管道虚拟储能模型具有节约建设成本、灵活性和可扩展性、高效利用能源、操作管理简化以及空间利用优化等优点。这些优势有助于提高热能储存的经济性和可持续性，优化能源系统的运行，进一步推动绿色能源的发展和利用。

115、4)本发明的步骤2建立天然气网虚拟储能特性模型的意义在于提高能源系统的灵活性、可靠性和可持续性，促进天然气的高效利用和能源转型。以下是建立天然气网虚拟储能特性的几个重要意义：

116、a.建设成本降低：传统储气设备需要单独建设储气罐或地下储气库，占地面积大，需要额外的土地和建筑投资。而天然气网虚拟储能特性可以通过现有的天然气管道进行实现，无需单独建设储气设备，可以大大降低建设成本。

117、b.能源系统灵活性提升：首先，传统储气设备的容量往往较为有限，并且扩容难度大。而天然气网虚拟储能特性通过对管道的控制和调度，可以实现灵活的储气容量扩展，以适应不同时间段的需求变化。此外，天然气网虚拟储能可以作为能源系统的调峰资源，可以根据能源需求的变化，在供需失衡时进行能量调度，使能源系统具备更高的灵活性。

118、c.提高能源利用效率：通过天然气网虚拟储能特性，可以在能源转换和利用过程中实现能量的高效转换和利用。将多余的电能转化为天然气储存起来，且不需要增加额外的储气设备，可以避免能源浪费，提高能源的利用效率。

119、d.促进能源转型：建立天然气网虚拟储能特性有助于推动能源转型，向可再生能源和低碳能源发展。能够更好地整合可再生能源、天然气和电力系统，促进能源的多能互补和协同发展。

120、综上所述，通过建立天然气网虚拟储能特性，可以提高能源系统的灵活性、可靠性和可持续性，促进能源的高效利用和能源转型。这对于实现清洁能源的可持续发展和建立低碳、智能能源系统具有重要意义。