[發(fā)明專利]基于能源集線器的園區(qū)混合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711152889.5
• 申請(qǐng)日: 2018-01-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107769215A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-03-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 梁剛;穆云飛;郭鐵軍;劉日堂;劉海鵬;梁程;王琳;張超雄;曹旌;郝毅;王中榮;陳文福;馬占軍;田圳;李海科;蔚鑫棟;韓濤;王鈺;田中亮;王政;黨旭鑫;段偉潤(rùn);張雪佼;任肖久
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 國(guó)網(wǎng)天津市電力公司;國(guó)家電網(wǎng)公司
• 主分類號(hào): H02J3/06
• 分類號(hào): H02J3/06;H02J3/28;H02J3/00
• 代理公司: 天津盛理知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司12209
• 代理人: 王來(lái)佳

1.一種基于能源集線器的園區(qū)混合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法，該方法中所述的能源集線器是一個(gè)包含多種形式能量的轉(zhuǎn)化、傳輸以及存儲(chǔ)的控制單元；該方法中所述園區(qū)混合能源系統(tǒng)由三個(gè)相同配置的能源集線器組成，各個(gè)能源集線器由電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)絡(luò)連接，電網(wǎng)由電網(wǎng)燃?xì)廨啓C(jī)以及分布式的光伏發(fā)電為能源集線器的電力輸入端口P_e1，P_e2，P_e3供電；天然氣網(wǎng)由一個(gè)天然氣網(wǎng)絡(luò)N供應(yīng)并送到能源集線器的天然氣輸入端口P_g1，P_g2，P_g3；節(jié)點(diǎn)1-2和1-3之間的天然氣聯(lián)絡(luò)管道上裝設(shè)有壓縮機(jī)C₁₂及壓縮機(jī)C₁₃，為天然氣的流動(dòng)提供壓力，天然氣網(wǎng)絡(luò)管道的壓縮機(jī)由燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)，電網(wǎng)中提供冷熱氣源的負(fù)荷設(shè)備為中央空調(diào)，同時(shí)采用儲(chǔ)熱裝置來(lái)儲(chǔ)能；該方法中HEP是以一個(gè)電網(wǎng)和一個(gè)天然氣網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的HEP為建模模型，其特征在于：該方法包括步驟如下：

(1)能源集線器內(nèi)部的功率交換建模

對(duì)于一個(gè)單輸入單輸出的能量變換裝置來(lái)說(shuō)，輸入與輸出的關(guān)系為：

L_β＝C_αβP_α(1)

式中：P_α和L_β分別為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的輸入和輸出；C_αβ為輸入和輸出之間的耦合系數(shù)，包含多個(gè)能量變換裝置和多種能源形式的HEP，則通過(guò)一個(gè)耦合矩陣C來(lái)描述輸入與輸出的耦合關(guān)系，即：

向量P和L分別為HEP的輸入和輸出，耦合矩陣C中的耦合系數(shù)不僅與轉(zhuǎn)換裝置的轉(zhuǎn)換效率有關(guān)，還與能源在不同轉(zhuǎn)換裝置中的分配系數(shù)有關(guān)，這里引進(jìn)一個(gè)能源分配系數(shù)ν，0≤ν≤1，如，νP表示直接供應(yīng)電力負(fù)荷的電能，(1-ν)P_e則表示供應(yīng)中央空調(diào)的電能；

設(shè)定燃?xì)廨啓C(jī)和中央空調(diào)的電能的轉(zhuǎn)換效率為常數(shù)，和分別為天然氣經(jīng)過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)化為電力和熱能的轉(zhuǎn)換效率；η^AC為中央空調(diào)的制冷和制熱的能效比，進(jìn)而得到

Le=vPe+ηgeCHPPg---(3)]]>

Lh=(1-v)ηACPe+ηghCHPPg---(4)]]>

其中：P_e和P_g分別是能源集線器與電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)的能源交互值；L_e和L_h分別為能源集線器所供應(yīng)的電負(fù)荷和熱負(fù)荷，

寫成矩陣的形式為：

(2)能源集線器中儲(chǔ)能系統(tǒng)建模

HEP采用儲(chǔ)熱裝置來(lái)儲(chǔ)能，在k時(shí)刻，電與熱的交換功率M_h,i(k)和儲(chǔ)熱裝置中實(shí)際儲(chǔ)存的能量E_hi(k)的關(guān)系為：

Mh,i(k)=E·h,ieh,i=1eh,idEh,idt≈1eh,iΔEh,iΔt=1eh,i(Eh,i(k)-Eh,i(k-1)+Eh,istb)---(6)]]>

式中，和分別為儲(chǔ)熱裝置與系統(tǒng)之間的儲(chǔ)存能量和釋放能量的效率；E_h,i(k)為儲(chǔ)熱裝置在時(shí)刻k中實(shí)際儲(chǔ)存的能量；表示每一段時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)熱裝置的能量損耗，

將儲(chǔ)裝置考慮進(jìn)到式(5)中，可得公式(8)：

(3)能源集線器間的功率交換建模

在能源集線器系統(tǒng)之間的潮流，即在連接不同能源集線器系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)線上的潮流通過(guò)穩(wěn)態(tài)方程來(lái)描述，對(duì)于電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)絡(luò)，潮流模型是基于節(jié)點(diǎn)功率平衡來(lái)建立的，

①電網(wǎng)

電力潮流模型由節(jié)點(diǎn)復(fù)功率平衡來(lái)建立，在節(jié)點(diǎn)m，節(jié)點(diǎn)復(fù)功率平衡可以表示如下：

Sm-Σn∈NmSmn=0---(9)]]>

式中：S_m為注入節(jié)點(diǎn)m的復(fù)功率；S_mn為流向和節(jié)點(diǎn)m相關(guān)聯(lián)的所有節(jié)點(diǎn)的潮流，線路上的潮流由節(jié)點(diǎn)電壓幅值U、向量以及線路參數(shù)來(lái)表示，

Smn=Um2·(y*m0+y*mn)-U·mUn*y*mn---(10)]]>

式中：y_mn為線路mn的互導(dǎo)納；y_m0為節(jié)點(diǎn)m的自導(dǎo)納；

②天然氣管道網(wǎng)絡(luò)

天然氣網(wǎng)的管道網(wǎng)絡(luò)的潮流模型也是根據(jù)節(jié)點(diǎn)流量平衡來(lái)建立的，以下的潮流方程適用于所有類型的等溫管道的潮流計(jì)算，節(jié)點(diǎn)m的體積流量平衡公式如下：

Qm-Σn∈NmQmn=0---(11)]]>

Qmn=kmnsmnsmn(Pm2-Pn2)---(12)]]>

kmn=4.7892×10-5·(Tbpb)·Dmn5TfGZLmmfmn---(13)]]>

式中：Q_m為注入節(jié)點(diǎn)m的天然氣體積流量；Q_mn是管道的體積流量；P_m和P_n表示管道上游和下游的壓力；k_mn為表征管道和天然氣流體的參數(shù)；T_b為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的溫度，K；p_b為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的壓力，kPa；D_mn為管道內(nèi)徑，mm；T_f為管道內(nèi)燃?xì)獾臏囟龋琄；G為天然氣相對(duì)與空氣的比重；Z為燃?xì)獾膲嚎s因子；L_mm為氣體管道長(zhǎng)度，km；f_mn為氣體管道的摩擦系數(shù)，無(wú)量綱，

s_mn表征管道中氣體流動(dòng)的方向，其具體計(jì)算如下：

smn=+1if Pm≥Pn-1else---(14)]]>

天然氣管道的壓縮機(jī)由燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)，相應(yīng)的功耗視為流入管道的額外的能量，壓縮機(jī)的能耗為

Q_com＝k_comQ_mn(P_m-P_k)(15)

式中：k_com為壓縮機(jī)壓縮比；P_k為壓縮機(jī)入口側(cè)的壓力；P_m為壓縮機(jī)出口側(cè)的壓力，

天然氣管道的體積流量Q_mn對(duì)應(yīng)電力潮流P_mn，兩者之間的關(guān)系為：

Pmn=k·Qmn=GHV0.278·Qmn---(16)]]>

式中：k為天然氣熱值與電功率的轉(zhuǎn)換系數(shù)；GHV為天然氣的高熱值，MJ/Nm³，Q_mn的單位為m³/h，P_mn的單位為kW；因?yàn)?MJ＝0.278kWh，所以式(16)中存在一個(gè)轉(zhuǎn)化系數(shù)0.278；

(4)園區(qū)混合能源系統(tǒng)建模

園區(qū)混合能源系統(tǒng)由三個(gè)相同配置的能源集線器組成，各個(gè)能源集線器由電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)絡(luò)連接，電網(wǎng)由電網(wǎng)以及分布式的光伏發(fā)電為能源集線器的電力輸入端口P_e1，P_e2，P_e3供電；天然氣網(wǎng)由一個(gè)天然氣網(wǎng)絡(luò)N供應(yīng)并送到能源集線器的天然氣輸入端口P_g1，P_g2，P_g3；節(jié)點(diǎn)1-2和1-3之間的天然氣聯(lián)絡(luò)管道上裝設(shè)了壓縮機(jī)C₁₂，C₁₃，為天然氣的流動(dòng)提供壓力；

(5)日前優(yōu)化調(diào)度模型

①目標(biāo)函數(shù)

由于本專利建立的園區(qū)多能源混合系統(tǒng)模型分別由電網(wǎng)、天然氣網(wǎng)絡(luò)和光伏提供能源，所以目標(biāo)函數(shù)采用總的購(gòu)電成本與天然氣消耗成本的和最小為目標(biāo)函數(shù)，如式(17)所示，電價(jià)采用分時(shí)電價(jià)數(shù)據(jù)，

C1=minΣihCph,iPi+Cgas,iPMT,iηgeCHP---(17)]]>

式中：C_ph,i表示第i小時(shí)的電價(jià)預(yù)測(cè)值；P_i表示第i小時(shí)購(gòu)入的電功率；C_gas,i表示第i小時(shí)的天然氣價(jià)預(yù)測(cè)值；P_MT,i第i小時(shí)微燃機(jī)輸出電功率，通過(guò)式(16)將天然氣網(wǎng)絡(luò)的體積流量等效為電力網(wǎng)絡(luò)的潮流，因此將天然氣網(wǎng)絡(luò)的消耗特性等同于電力網(wǎng)絡(luò)來(lái)處理，

②約束條件

日前優(yōu)化調(diào)度模型的等式約束為電力網(wǎng)絡(luò)的潮流方程(9)、天然氣網(wǎng)絡(luò)的流量方程(16)和能源集線器系統(tǒng)的平衡方程(5)組成的等式約束組成；

不等式約束由能源集線器的輸入P_i，電力網(wǎng)絡(luò)和天然氣網(wǎng)絡(luò)的流量F_a、分配因子v_i、發(fā)電機(jī)電壓幅值U_m和相角θ_m、發(fā)電機(jī)有功出力P_ei和無(wú)功出力Q_ei、天然氣管道壓力p_m以及壓縮機(jī)出口壓力與入口壓力的比值k_cp的限制組成；

P‾i≤Pi≤P‾i---(18)]]>

F‾a≤Fa≤F‾a---(19)]]>

0≤ν_i≤1(20)

U‾m≤Um≤U‾m---(21)]]>

θ‾m≤θm≤θ‾m---(22)]]>

P‾ei≤Pei≤P‾ei---(23)]]>

Q‾ei≤Qei≤Q‾ei---(24)]]>

p‾m≤pm≤p‾m---(25)]]>

k‾cp≤kcp=pmpk≤k‾cp---(26);]]>

(6)調(diào)度方案的獲得

求解上述方程組，獲得調(diào)度方案。