一种园区综合能源系统优化调度方法和系统

技术领域

本发明涉及园区综合能源系统优化调度领域，具体涉及一种园区综合能源系统优化调度方法和系统。

背景技术

随着社会发展的加速及能源需求的增长，能源需求量大与能源紧缺之间矛盾日益突出，为解决该问题，提高能源利用效率、加强能源综合利用成为全球能源技术发展趋势。

综合能源系统集成电、热、气等能源子系统，涵盖能源生产、传输、转换、储能等多种能源环节的能源技术，充分发掘了各个能源子系统的潜力，是当今能源技术变革与发展的重要方向。

根据地理环境及能源特性等因素，可将综合能源系统划分为：全球能源互联网、跨区级综合能源系统、区域级综合能源系统和用户级综合能源系统。园区综合能源系统作为一种典型的用户级综合能源系统，通过可再生能源发电、热电联产(CHP)等技术实现电、热、气多种能源系统的一体化运行与多能源的联合供应，能有效提升能源的综合利用率、降低用能成本、提高用户收益，实现电、热、气等不同能源形式之间的多能互补与集成优化。园区综合能源系统运行的经济性以及能源利用率的高低与其优化调度方法密切相关，因此，对园区综合能源系统优化调度方法进行研究具有重要的经济效益和社会意义。

物理-数学模型是研究园区综合能源系统生成与运行机制的基础工具。作为综合能源系统通用建模方法，能源集线器模型通过将园区综合能源系统内部设备元件及其之间的耦合关系抽象为耦合矩阵，以此反映园区综合能源系统的输入-输出关系。能源集线器不受限于待建模系统的大小和拓扑结构，因此成为了园区综合能源系统优化规划和运行的经典模型。

传统的优化调度方法在针对待分析园区综合能源系统建立能源集线器模型时，通常假定所分析园区综合能源系统中主要能源设备的能源转换效率和分配系数恒定，然而，在实际工况运行环境中存在设备能源转换效率及分配系数随负载率变化的情况，所以假定能源设备能源转换效率及分配系数恒定的园区综合能源系统模型不够准确，从而导致园区综合能源系统的优化调度方案不合理。

基于此，亟需提出一种新的技术以解决上述问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种园区综合能源系统优化调度方法和系统，该方法考虑负载率对能源转换效率和分配系数的影响，提高了优化调度模型的构建合理性，进而使园区综合能源系统的优化调度更加合理可靠。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种园区综合能源系统优化调度方法，所述方法包括：

获取预测的园区在优化周期各时段的电负荷、热负荷、负载率和光伏发电单元出力；

将所述园区在优化周期各时段的电负荷、热负荷、光伏发电单元出力和负载率代入预先建立的优化调度模型中进行求解，得到园区综合能源系统在优化周期各时段的购电功率及购气功率、园区综合能源系统中产能设备的用能功率及产能功率和园区综合能源系统中储能设备的充放能功率的最优解；

根据所述最优解对园区综合能源系统进行调度；

其中，所述优化调度模型是基于负载率修正的能源集线器模型约束建立的。

本发明一种园区综合能源系统优化调度系统，所述系统包括：

获取模块，用于获取预测的园区在优化周期各时段的电负荷、热负荷、负载率和光伏发电单元出力；

求解模块，用于将所述园区在优化周期各时段的电负荷、热负荷、光伏发电单元出力和负载率代入预先建立的优化调度模型中进行求解，得到园区综合能源系统在优化周期各时段的购电功率及购气功率、园区综合能源系统中产能设备的用能功率及产能功率和园区综合能源系统中储能设备的充放能功率的最优解；

调度模块，用于根据所述最优解对园区综合能源系统进行调度；

其中，所述优化调度模型是基于负载率修正的能源集线器模型约束建立的。

与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明提供的技术方案，获取预测的园区在优化周期各时段的电负荷、热负荷、负载率和光伏发电单元出力；将所述园区在优化周期各时段的电负荷、热负荷、光伏发电单元出力和负载率代入预先建立的优化调度模型中进行求解，得到园区综合能源系统在优化周期各时段的购电功率及购气功率、园区综合能源系统中产能设备的用能功率及产能功率和园区综合能源系统中储能设备的充放能功率的最优解；根据所述最优解对园区综合能源系统进行调度。该方案考虑负载率对能源集线器模型的影响，提高了优化调度模型的构建合理性，进而使园区综合能源系统的优化调度更加合理可靠。

附图说明

图1是一种园区综合能源系统优化调度方法流程图；

图2是一种园区综合能源系统优化调度系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本发明提供了一种园区综合能源系统优化调度方法，如图1所示，包括：

步骤101，获取预测的园区在优化周期各时段的电负荷、热负荷、负载率和光伏发电单元出力；

步骤102，将所述园区在优化周期各时段的电负荷、热负荷、光伏发电单元出力和负载率代入预先建立的优化调度模型中进行求解，得到园区综合能源系统在优化周期各时段的购电功率及购气功率、园区综合能源系统中产能设备的用能功率及产能功率和园区综合能源系统中储能设备的充放能功率的最优解；

步骤103，根据所述最优解对园区综合能源系统进行调度；

其中，所述优化调度模型是基于负载率修正的能源集线器模型约束建立的。

具体的，所述优化调度模型的构建，包括：

以运行成本最低和能源利用率最大为目标构建目标函数；

为所述目标函数构建能量平衡约束、负载率修正的能源集线器模型约束、能源转换设备运行不等式约束和储能设备运行约束。

具体的，所述负载率修正的能源集线器模型约束是利用负载率对能源集线器模型中的能源转换效率和分配系数进行修正得到的。

进一步的，所述负载率修正的能源集线器模型约束的计算式如下：

式中，P

进一步的，所述负载率为ξ

所述负载率为ξ

所述负载率为ξ

所述负载率为ξ

再进一步的，所述负载率为ξ

η

式中，k

所述负载率为ξ

α

式中，k

所述负载率为ξ

式中，

所述负载率为ξ

式中，

进一步的，所述负载率修正的能源集线器模型约束的计算式还包括：

式中，

进一步的，所述目标函数的计算式如下：

F＝minf

式中，F为目标函数值，f

其中，所述优化周期内园区综合能源系统的运行成本f

式中，σ

所述优化周期内园区综合能源系统的能源利用率平均值f

式中，σ

进一步的，所述能源转换设备运行不等式约束的计算式如下：

式中，P

具体的，所述产能设备包括：光伏发电单元、CHP机组、燃气锅炉和热泵；

所述储能设备包括：储电设备和储热设备。

实施例2：

本发明提供了一种园区综合能源系统优化调度系统，如图2所示，包括：

获取模块，用于获取预测的园区在优化周期各时段的电负荷、热负荷、负载率和光伏发电单元出力；

求解模块，用于将所述园区在优化周期各时段的电负荷、热负荷、光伏发电单元出力和负载率代入预先建立的优化调度模型中进行求解，得到园区综合能源系统在优化周期各时段的购电功率及购气功率、园区综合能源系统中产能设备的用能功率及产能功率和园区综合能源系统中储能设备的充放能功率的最优解；

调度模块，用于根据所述最优解对园区综合能源系统进行调度；

其中，所述优化调度模型是基于负载率修正的能源集线器模型约束建立的。

具体的，所述系统还包括，用于预先构建优化调度模型的构建模块，所述构建模块包括：

目标函数构建单元，用于以运行成本最低和能源利用率最大为目标构建目标函数；

约束条件构建单元，用于为所述目标函数构建能量平衡约束、负载率修正的能源集线器模型约束、能源转换设备运行不等式约束和储能设备运行约束。

具体的，所述负载率修正的能源集线器模型约束是利用负载率对能源集线器模型中的能源转换效率和分配系数进行修正得到的。

具体的，所述负载率修正的能源集线器模型约束的计算式如下：

式中，P

进一步的，所述负载率为ξ

所述负载率为ξ

所述负载率为ξ

所述负载率为ξ

再进一步的，所述负载率为ξ

η

式中，k

所述负载率为ξ

α

式中，k

所述负载率为ξ

式中，

所述负载率为ξ

式中，

进一步的，所述负载率修正的能源集线器模型约束的计算式还包括：

式中，

具体的，所述目标函数的计算式如下：

F＝minf

式中，F为目标函数值，f

其中，所述优化周期内园区综合能源系统的运行成本f

式中，σ

所述优化周期内园区综合能源系统的能源利用率平均值f

式中，σ

具体的，所述能源转换设备运行不等式约束的计算式如下：

式中，P

具体的，所述产能设备包括：光伏发电单元、CHP机组、燃气锅炉和热泵；

所述储能设备包括：储电设备和储热设备。

实施例3：

传统的优化调度方法在针对待分析园区综合能源系统建立能源集线器模型时，通常假定所分析园区综合能源系统中主要能源设备的能源转换效率和分配系数恒定，然而，在实际工况运行环境中存在设备能源转换效率及分配系数随负载率变化的情况，所以假定能源设备能源转换效率及分配系数恒定的园区综合能源系统模型不够准确，从而导致园区综合能源系统的优化调度方案不合理，鉴于上述问题，为保证园区综合能源系统优化调度方案的可靠性，提出一种园区综合能源系统优化调度方法，该方法建立了反映实际运行工况的园区综合能源系统能源集线器模型，使园区综合能源系统的优化调度方案更加合理可靠，对综合能源系统的优化调度工作具有借鉴意义。

采用本发明提供的园区综合能源系统优化调度方法，对园区综合能源系统进行优化调度，包括以下步骤：

步骤A：构建园区综合能源系统对应的“电-热-气”能源集线器通用模型：

1)：分析园区综合能源系统中的能源设备类型、能量耦合关系、工能结构，并搜集设备参数；

园区综合能源系统的能源设备包括：光伏发电单元(PV)、CHP机组、燃气锅炉(GB)、热泵(HP)以及储能设备，所述储能设备包括：储电设备和储热设备；

2)：利用典型能源集线器建模方法，建立园区综合能源系统对应的“电-热-气”能源集线器通用模型；

该模型可用下式表示：

式中，L

3)：考虑负载率对园区综合能源系统对应的“电-热-气”能源集线器通用模型中能源转换效率和分配系数的影响，修正所述“电-热-气”能源集线器通用模型；

由于负载率变化会引起能源转换效率变化，并反馈到调度中心对系统中的能源重新分配引起能源分配系数的改变。为了得到准确的园区综合能源系统对应的“电-热-气”能源集线器通用模型，对该模型进行校正，校正后该模型可用下式表示：

式中，L

4)：给出修正后园区综合能源系统对应的“电-热-气”能源集线器通用模型反映的园区综合能源系统各设备运行参数；

(1)CHP机组

CHP机组输出电功率与输入天然气功率之间的关系：

式中，

CHP机组输出热功率与输出电功率之间的关系：

式中，

故而，可得负载率为ξ

其中，η

η

式中，k0～k4为多项式的拟合因子。

α

α

式中，k

(2)燃气锅炉(GB)

燃气锅炉输出热功率与输入天然气功率之间的关系：

式中，

其中，η

式中，

(3)热泵(HP)

热泵输出热功率与输入电功率之间的关系：

式中，

电能用于热泵的分配系数：

其中，η

式中，

步骤B：综合考虑园区运行经济成本与能源利用率，结合修正后园区综合能源系统对应的“电-热-气”能源集线器通用模型和其反映的园区综合能源系统各设备运行参数，预先构建优化调度模型：

1)优化调度模型以运行成本最低和能源利用率最大为目标构建；

所述目标函数的计算式如下：

F＝minf

式中，F为目标函数值，f

其中，园区综合能源系统的运行成本用主要包括园区购电和购气费用和各类设备的维护费用，f

式中，σ

其中，能源利用率定义为系统能源总输出与能源总输入之比，f

式中，σ

这里，P

2)根据系统能源耦合特性和能源设备运行特性，为预先构建的优化调度模型的目标函数构建能量平衡约束、能源转换设备和储能设备运行约束：

所述能量平衡约束的计算式如下：

电能网络模型由节点复功率平衡来建立，对电网中任一节点i，建立复功率平衡方程：

式中，S

天然气管道网络模型由节点流量平衡来建立，对天然气管道中任一节点θ，建立流量平衡方程：

∑m

式中，∑m

所述能源转换设备运行约束：

将步骤A中修正后的“电-热-气”能源集线器通用模型中涉及到的等式作为能源转换设备运行的等式约束，下面建立其运行的不等式约束：

式中，P

所述储能设备运行约束的计算式如下：

式中，P

步骤C：获取园区在优化周期各时段的电负荷、热负荷和负载率；

步骤D：将园区在优化周期各时段的电负荷、热负荷和负载率代入预先建立的优化调度模型中，利用粒子群算法求解所述模型，得到优化变量的最优解；

所述优化变量包括：园区综合能源系统在优化周期各时段的购电功率和购气功率、园区综合能源系统中各设备的用能功率和产能功率。

粒子群算法求解的具体步骤包括：

①初始化粒子群规模m，搜索空间n，设置最大迭代次数，给定学习因子值、惯性权重初值，随机初始化粒子空间位置和速度；

②计算粒子群中各粒子的适应度函数值；

③对每个粒子，将其当前位置Xk的适应值与其历史最佳位置Pk对应的适应值比较，如果当前位置的适应值更高，则用当前位置更新粒子个体的历史最佳位置，否则，不更新；

④对每个粒子，将其当前位置Xk的适应值与其种群最佳位置Gk对应的适应值比较，如果当前位置的适应值更高，则用当前位置更新种群最佳位置，否则，不更新；

⑤根据粒子速度和位置的迭代公式更新每个粒子的速度和位置，迭代公式如下式所示：

式中，r1、r2为区间[0,1]上服从均匀分布的随机数，c1、c2为学习因子，二者均为正常数，ω为惯性权重，Z为最大迭代次数，z为当前迭代次数，ω

⑥判断算法是否结束，若未满足结束条件，则返回步骤②，若满足结束条件则算法结束，种群最佳位置即目标函数的最优解。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。