[發明專利]考慮電-熱柔性負荷的區域綜合能源系統容量配置方法

有效

• 申請號: 202110895894.5
• 申請日: 2021-08-05
• 公開（公告）號: CN113690879B
• 公開（公告）日: 2022-11-22
• 發明（設計）人: 楊麗君;霍偉;王冬生;趙宇;張靈犀
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: H02J3/00
• 分類號: H02J3/00;H02J3/46;H02J3/32
• 代理公司: 北京孚睿灣知識產權代理事務所(普通合伙) 11474
• 代理人: 韓燕

1.一種考慮電-熱柔性負荷的區域綜合能源系統容量配置方法，其特征在于，其包括以下步驟：

步驟1，建立系統參與調度的電-熱柔性負荷模型；其中電-熱柔性負荷模型包括電力柔性負荷模型和熱力柔性負荷模型；

區域綜合能源系統中設備包括風電機組、光伏機組、燃氣輪機、燃氣鍋爐、電鍋爐、蓄電池和蓄熱箱；區域綜合能源系統(ICES)將配電網電能、天然氣、風能和太陽能作為能量來源，滿足用戶的電負荷和熱負荷需求，電負荷和熱負荷均由固定負荷和柔性負荷組成；其中，風電機組、光伏機組和燃氣輪機用于供電，如果有多余的電能則儲存到蓄電池中；燃氣輪機和電鍋爐用于提供熱量，如果有多余的熱能則儲存到儲熱箱中；

所述電力柔性負荷模型包含可平移負荷、可轉移負荷和可削減負荷模型具體為：

可平移負荷模型中用戶能接受平移時間區間為[t_sh-,t_sh+]，當負荷平移到以τ為起始時間的區間內，為保證運行時間連續，應滿足下式：

式中：t_s為可平移負荷的持續時間；y_t為判斷負荷是否發生平移的0-1狀態變量,t_sh-≤τ≤t_sh+；

可平移負荷參與調度后時段t的可平移負荷功率為：

式中：L_shift為可平移負荷的額定功率；

可轉移負荷需要維持一個調度周期內用電總量不變，可轉移負荷接受的轉移區間為[t_tr-,t_tr+]，負荷轉移前后保持所需電能不變的要求為：

式中：和分別為調度前、后時段t可轉移負荷功率，T為整個調度周期，本實施例中取24小時；

所述可轉移負荷需要滿足負荷功率范圍要求和最小持續時間要求，具體如下：

負荷功率范圍要求：

式中：和分別為負荷轉移后功率的上、下限；θ_t為判斷負荷是否發生轉移的的0-1變量；

最小持續時間要求：

式中：為最小連續運行時間，t為調度后時段；

所述可削減負荷模型能在滿足用戶需求的情況下進行部分削減；負荷削減在調度后時段t的功率為：

式中：為負荷削減前時段t的用電功率，α為負荷削減系數，u_t為判斷負荷是否發生削減的0-1狀態變量，u_t＝1表示負荷發生削減，u_t＝0表示負荷未發生削減；

根據電力柔性負荷模型得到綜合能源系統給用戶補償產生的總約束為：

C_bc＝，C_shift+C_trans+C_cut (11)

其中，C_shift為負荷發生平移后用戶獲得的補償，C_trans為負荷發生轉移后用戶獲得的補償，C_cut為負荷發生削減后用戶獲得的補償；

建立熱力柔性負荷模型，以自回歸滑動平均時間序列模型描述熱網回水溫度、供水溫度，建筑物室內溫度，室外溫度之間的動態關系，具體為：

設定供熱系統的調節方式為質調節，供熱功率表示為：

Q_t＝cm(T_g,t-T_h,t) (14)

同時對室內溫度有如下要求條件：

式中：T_g,t,T_h,t,T_n,t,T_ω,t分別為熱網回水溫度，供水溫度，建筑物室內溫度，室外溫度；J為ARMA模型階次；α，β，γ，θ，Φ，ω為供熱系統熱慣性物理參數；c為水的比熱容；m為熱水的流量；和為滿足人體舒適度的供熱區域建筑物室內溫度上下限，T_g,t-j,T_h,t-j,T_n,t-j,T_ω,t-j分別為t-j時刻的供水溫度、回水溫度、室內溫度和室外溫度,α_j，β_j，γ_j，θ_j，Φ_j，ω_j分別為供熱系統熱慣性物理參數，為常數；

步驟2，構建含多類型柔性負荷的優化能量調度策略，具體過程如下：

根據步驟1中熱力柔性負荷模型，為了實現系統整體結果最優即各設備出力約束整體最小，綜合能源系統各設備遵循含多類型柔性負荷的優化能量調度策略；

步驟3，確定區域綜合能源系統規劃目標函數和要求條件，建立包括柔性負荷調度補償在內的雙層優化配置模型；

雙層優化配置模型上層以運營商建設區域綜合能源系統(ICES)的各機組建設和運行最優為目標函數進行設備選型和容量配置，所述目標函數表達式為：

minf＝C_inv+C_o (16)

式中：C_inv為設備建設年等值約束，C_o為綜合能源系統年運行約束，i為ICES的設備類型；Ω_i為設備類型i的備選型號集合，C_fij為設備類型i型號j的設備初始建設目標，C_rij為設備類型i型號j的設備的殘值，C_mij為設備類型i型號j的設備的運行維護目標，a_ij為設備類型i型號j的安裝臺數，σ_ij為設備類型i型號j的設備的安裝狀態，R_ij為設備的目標回收系數，r為貼現率，l_ij為設備j的壽命期望值，N為IES中的設備類型數；

設備容量需滿足計及不確定性綜合需求響應，IDR的最壞情況下的最大負荷，表示為：

其中，X_ij為設備類型i型號j的設備的安裝容量；η_ij為設備類型i型號j設備的轉換效率；分別表為最壞情況下負荷中的最大值；

雙層優化配置模型中下層優化以日運行約束最優為目標函數優化各種設備出力，具體目標函數表述為：

minC_op＝C_g+C_e+C_en+C_bc (21)

式中：C_g為總的天然氣獲取約束；C_e為與大電網交互約束；C_en為環境出力約束；C_bc為用戶參與IDR后,系統給用戶的補償約束；ρ_g為單位天然氣的獲取約束；為CHP系統t時刻輸出的總功率，和η_GB分別為燃氣鍋爐t時刻輸出的熱功率和熱效率；為t時刻可替代負荷轉成氣負荷的功率；β為天然氣的地位熱值；Δt為一個傳統計時段，和分別為IES在t時刻從電網獲取電量和向電網提供電量的約束，和分別為t時刻從電網獲取和提供的電量；ξ為污染物單位處理約束，μ_pc和μ_gc分別為使用電能和天然氣時污染物的排放系數；

綜合約束包括電功率平衡要求、熱功率平衡要求、設備出力要求、儲能設備要求、機組爬坡要求；具體為：

所述電功率平衡要求為：

式中：為蓄電池t時刻存儲電能,P_Load(t)為第m個能源節點的電負荷需求，P_EX(t)為t時刻系統向外網總交換功率，P_PV(t)為t時刻光伏出力，P_WT(t)為t時刻風機出力，為t時刻燃氣輪機出力，P_ER(t)為電鍋爐輸入功率，為t時刻蓄電池放電功率，為t時刻蓄電池充電功率，P_EX(t)為能源節點與外部的總交換功率，表示能源節點輸出電功率與輸入電功率的差值，計算公式如下式：

式中：P_PG(t)為能源節點與電網的交換功率，P_mn,B(t)、P_mn,s(t)分別為能源節點獲取功率、提供功率，M為能源節點數量；

所述熱功率平衡要求為：

Q_load,t＝Q_gongre,t+Q_reshui,t (28)

式中：Q_load,t表示時段t的總熱負荷功率；Q_reshui,t表示時段t的熱水負荷功率；和分別表示儲熱箱在時段t的充熱功率和放熱功率；Q_GT,t為燃氣輪機產生熱功率，P_EB,t為電鍋爐產生熱功率，Q_load為所有熱負荷，Q_gongre,t為t時刻熱水負荷；

設備出力上下限要求：

P_j，min≤P_j,t≤P_j,max (30)

式中：P_j,max和P_j，min分別表示設備j輸出功率的上下限，P_j,t為設備t時刻出力；

儲能狀態要求：

E_i,min≤E_i,t≤E_i,max (31)

式中：E_i,min和E_i,max分別表示儲能設備i的最小和最大儲能狀態，E_i,t為t時刻儲能設備i的儲能狀態；

儲能設備運行特性要求：

式中：和分別表示儲能設備i的最大充、放能功率；為t時刻儲能充電功率，為t時刻放電功率；

各類電源類設備(PV、WT、MT)出力限制具體如下：

其中：P_PV(t)為光伏在t時刻的出力，P_WT(t)為t時刻風力發電機組輸出功率，P_MT(t)為燃氣輪機在t時刻出力；

蓄電池充放電SOC限制：

min(SOC^E)≤SOC^E≤max(SOC^E) (34)

其中：SOC^E為蓄電池SOC值，

機組爬坡功率限制：

其中：P_GB,U、P_MT,U為燃氣鍋爐、微型燃氣輪機的向上爬坡功率，P_GB,D、P_MT,D為燃氣鍋爐微型燃氣輪機的向下爬坡功率，P_MT(t)為風燃氣輪機在t時刻的出力，P_MT(t-1)為風電機組在t-1時刻的出力，P_GB(t)為t時刻燃氣鍋爐出力，P_GB(t-1)為t-1時刻燃氣鍋爐出力；

步驟4，考慮電-熱柔性負荷對區域綜合能源系統規劃配置影響，并采用梯形模糊變量模擬風電和光電出力，在模糊機會約束的框架下構造區域綜合能源系統優化運行的模型，將步驟3中模糊機會約束條件轉化為確定性等價類形式，求得到各個設備的最優配置和各時段出力，具體為：

采用梯形模糊變量模擬風電和光電出力，在模糊機會要求的框架下構造區域綜合能源系統優化運行的數學模型，將模糊機會要求條件轉化為確定性等價類形式的具體過程如下：

采用梯形模糊變量模擬風電和光電出力，將模糊機會約束條件轉化成其確定性等價類條件；

梯形模糊變量的隸屬度函數為：

式中：r₁r₂≤r₃r₄

令風電和光電發電出力的預測值為r₀,則r₁，r₂，r₃，r₄可用r₀描述為：

式中：ω₁∈(0,1)，ω₂，ω₃和ω₄的取值范圍同ω₁；

風力發電、光伏發電具有不確定性，因此可以將P_PV(t)、P_WT(t)處理為模糊變量，采用梯形隸屬度函數加以處理，并利用清晰等價形式這一方法將模糊機會約束規劃問題轉化為確定性約束問題，便于后續求解；P_PV(t)、P_WT(t)兩者構成的模糊向量具體如下：

ξ＝{P_PV(t)、P_WT(t)} (38)

將新能源處理不確定性的電功率平衡約束式(25)轉化為如下確定性條件：

式中：ω₁₃和ω₂₃為光伏功率的梯形隸屬度函數；ω₁₄和ω₂₄為風電功率的梯形隸屬度函數；為t時刻光伏的出力預測值；為風機的出力預測值；

求解獲得各個設備的最優配置、各時段出力以及最優約束。

2.根據權利要求1所述的考慮電-熱柔性負荷的區域綜合能源系統容量配置方法，其特征在于，所述步驟2中構建含多類型柔性負荷的優化能量調度策略，具體過程如下：

以燃氣輪機為主的熱電聯產機組，即combined heat and power，簡稱CHP，采取“以電定熱”的方式運行，CHP的運作能跟隨負荷需求變化出力，儲能電池僅由風光可再生能源充電；

對于任意時刻,當可再生能源總發電量大于負荷時，此時儲能充電，同時CHP機組停機，ICES離網運行，熱負荷僅由燃氣鍋爐供給，若可再生能源豐富，將儲能電池不足以吸納的能源提供給電網；若風光出力不足，則優先通過儲能放電補給負荷需求，同時判斷是否存在負荷功率缺額，如果該時刻儲能容量不足，則需考慮ICES并網運行，啟動CHP機組。