基于多晶硅生产任务时序优化需求响应模型的方法

本发明属于电网领域，尤其涉及到基于多晶硅生产任务时序优化需求响应模型的方法。

背景技术：

1、目前负荷侧需求响应主要考虑了居民负荷、商业负荷等对象，而忽略了工业负荷的可调潜力。工业负荷具有用电量大、可转移负荷多、集中易改造、参与积极性高等优势，符合负荷参与电网需求响应的要求。但由于当前工业负荷在某些方面仍存在复杂的操作问题，可能造成负荷的过度调节，对企业的正常生产造成较大影响，导致工业企业参与意愿有限。因此如何在尽可能不影响企业正常生产的前提下，实现工业负荷灵活性资源的深度挖掘，促进其进一步参与电网需求响应，是目前需要解决的重要问题。

2、早期国内外对负荷建模及其调控特性的研究主要集中在具体负荷的功率特性，如针对钢铁生产过程中的电弧炉、多晶硅生产过程中的还原炉、水泥生产过程中的球磨机等设备。

3、近年来针对多晶硅生产过程建模的研究较少，研究的核心仍集中在还原炉设备，未考虑到多晶硅生产过程中各工序之间的相互耦合关系，无法充分挖掘多晶硅负荷的调节潜力。

技术实现思路

1、本发明提供基于多晶硅生产任务时序优化需求响应模型的方法，以解决上述问题。

2、为解决上述问题，本发明主要针对多晶硅生产工序相互耦合的问题，应用状态任务网方法对多晶硅生产过程进行建模以应对生产过程中严格的工序限制和生产要求导致的多晶硅企业调节难题；本发明提供的技术方案如下：基于多晶硅生产任务时序优化需求响应模型的方法，其步骤如下：

3、步骤s1：对于多晶硅生产过程进行分析，获取分析结果；

4、步骤s2：根据所述分析结果并基于状态任务网方法，建立多晶硅生产过程约束，包括物料平衡约束、电量平衡约束、存储约束、产量约束、提纯任务启动约束和还原任务启动约束；

5、步骤s3：根据所述分析结果以及多晶硅生产过程约束，通过线性规划方法构建给定分时电价下的多晶硅需求响应模型；该模型包括目标函数和约束条件，所述目标函数旨在最小化多晶硅厂日内购电成本，所述约束条件包括物料平衡约束、电量平衡约束、存储约束、产量约束、提纯任务启动约束和还原任务启动约束；并通过所述多晶硅需求响应模型，为企业提供在正常生产情况下、用电成本最低的生产计划安排，从而引导企业错峰、避峰生产；

6、其中，步骤s1中对于多晶硅生产过程进行分析包括：对多晶硅生产过程中各工序的配合情况，以及多晶硅生产过程中需求响应潜力因素参与情况进行分析。

7、优选的技术方案，步骤s1中多晶硅生产过程如下：s11:三氯氢硅合成：三氯氢硅合成工序中氯化氢与工业硅在三氯氢硅沸腾床加压合成炉内，于250-350℃的温度下合成三氯氢硅，同时产生大量四氯化硅副产物，以合成尾气进行统一表示；

8、s12:三氯氢硅提纯：三氯氢硅提纯工序中对氯硅烷液体进行分离提纯，得到纯度较高的三氯氢硅和四氯化硅：

9、s13:三氯氢硅还原:三氯氢硅还原工序将提纯得到的氢气和三氯氢硅投入三氯氢硅还原炉中生成超纯硅；

10、s14:尾气回收：尾气回收工序分别对三氯氢硅合成尾气、四氯化硅氢化尾气和三氯氢硅还原尾气进行分离提纯，回收得到的氯硅烷液体、氯化氢和氢气分别作为各反应器的原料重新利用；

11、s15:四氯化硅氢化：四氯化硅工序将提纯后的四氯化硅投入四氯化硅热氢化流化床反应器中与氢气反应生成三氯氢硅。

12、优选的技术方案，步骤s2中所述根据所述分析结果并基于状态任务网方法，建立多晶硅生产过程约束,包括：

13、基于步骤s1中对多晶硅生产过程的分析结果，建立多晶硅生产过程约束，包括物料平衡约束、电量平衡约束、存储约束、产量约束、提纯任务启动约束和还原任务启动约束；

14、构建生产过程的响应模型，得到给定分时电价下多晶硅厂全天功率曲线，确定企业生产计划安排。

15、优选的技术方案，所述物料平衡约束的公式如下：

16、

17、式中：表示状态物n在时段t的可用数量，表示状态物n在时段t-1的可用数量，其中是状态物n的初始数量，表示任务k单台核心设备在时段t生成或消耗状态物n的数量(正值表示生成，负值表示消耗)，表示任务k在时段t处于工作状态的核心设备总数量，集合k代表涉及的所有任务，集合n代表涉及的所有状态物。

18、优选的技术方案，所述电量平衡约束的公式如下：

19、

20、式中：表示多晶硅厂在时段t的用电功率，

21、表示任务k单台核心设备在时段t的用电功率，

22、表示任务k在时段t处于工作状态的核心设备总数量，t表示时段，范围从1至t，集合k代表涉及的所有任务。

23、优选的技术方案，所述存储约束的公式如下：

24、

25、式中：lbn表示状态物n的存储下限,ubn表示状态物n的存储上限，表示在时段t中状态物n的实际存储量，集合n代表所有状态物。

26、优选的技术方案，所述产量约束的公式如下：

27、

28、式中：表示最终产品高纯多晶硅在调度时段结束t时的数量，表示最终产品高纯多晶硅在调度时段开始时的初始数量，lbp,final表示高纯多晶硅的日产量要求。

29、优选的技术方案，所述提纯任务启动约束，用于保障生产过程的安全性，保证合成任务已开始，且贮罐中有足够的氯硅烷液体才可以开始提纯(dc)任务，该约束可以表示为：

30、

31、

32、式中：表示提纯任务的核心用电设备精馏塔在时段t的启停状态，表示精馏塔在时段t处于工作状态，表示精馏塔在时段t处于停机状态；表示在时段t中合成任务的核心设备是否处于工作状态；表示在时段t中储罐中的氯硅烷液体的数量；lb1表示提纯任务开始时贮罐中氯硅烷液体的最小存量。

33、优选的技术方案，所述还原任务启动约束，用于保障生产过程的安全性，保证高纯三氯氢硅供给充分才可以开始还原(rf)任务，该约束数学表达为：

34、

35、式中：表示还原任务的核心用电设备还原炉在时段t的启停状态，表示还原炉在时段t处于工作状态，表示还原炉在时段t处于停机状态；lb2表示还原任务开始时贮罐中高纯三氯氢硅的最小存量。

36、优选的技术方案，通过步骤s1、步骤s2的分析结果可以构建给定分时电价下的多晶硅需求的响应模型，其中，该响应模型的目标函数包括：

37、设日前调度步长为δ，每日总调度时段数为t，则多晶硅厂日内购电成本最小的目标函数可表示如下：

38、

39、式中：c为多晶硅厂日内购电成本，为企业当地规定的时段t对应的分时电价，为企业在时段t的用电量；

40、该响应模型的约束条件包括：

41、

42、相对于现有技术的有益效果是，采用上述方案，本发明主要针对多晶硅生产工序相互耦合、相互影响的问题，应用状态任务网方法对多晶硅生产过程进行建模以应对生产过程中严格的工序限制和生产要求导致的多晶硅企业需求响应难题；通过对生产过程约束的表达，该建模方法对生产任务之间相互影响的情况进行了刻画，实现了工序与工序之间关系的解耦，得到在保障多晶硅厂正常生产流程约束和生产任务要求情况下的最大可调节容量。

43、本发明的主要目的是对多晶硅生产过程进行建模，在保障多晶硅厂正常生产的前提下调整各工序的启停时间，对生产任务进行时序优化，以进一步挖掘其参与电网需求响应的潜能。首先将全过程划分为多道工序，虽然各工序中涉及多种设备，但同一工序的各设备之间不具备储存装置因此需满足同时运行的约束条件，则可将其作为一个整体进行考虑以降低模型复杂度；同时考虑到各工序核心用电设备用电量远高于剩余设备，因此以各工序核心用电设备代替整体设备进行表示。分析各工序与物料、核心用电设备之间的交互关系，基于状态任务网方法构建生产过程模型，得到给定分时电价下多晶硅厂全天功率曲线，确定企业生产计划安排。

44、相比于传统的针对多晶硅厂还原炉设备进行建模，本发明分析了改良西门子法生产多晶硅的全过程，给出各工序与物料、设备之间的交互关系，基于状态任务网方法构建了给定分时电价下、考虑多晶硅生产过程约束的数学模型，确定了多晶硅厂总体购电价格最低的生产计划安排。

45、考虑了多晶硅生产过程中各环节的耦合关系，精确刻画了多晶硅厂的生产工序限制与生产任务要求，确定了各时段多晶硅厂的最大可调节容量，为其参与电网互动提供了理论基础与数据支撑，有利于引导多晶硅厂负荷在不影响正常生产的前提下主动调整生产计划进行错峰、避峰生产，有助于实现削峰填谷，保障电力系统安全、稳定、经济运行，同时促进新能源消纳，减少弃风、弃光量。