工业园区综合能源配置系统及方法

技术领域

本发明涉及能源系统优化技术领域，尤其涉及一种工业园区综合能源配置系统及方法。

背景技术

综合能源系统为多种能源形式耦合，以实现更加智能、强大的能源供应与调度，是现如今能源行业发展的潮流。一方面，源网分离，各行为主体分立经营的能源化市场促使能源系统的商业模式更加灵活。但是对于中小规模的综合能源系统，由于用户的能源需求特别是用热需求更加，弹性更小，同时此类综合能源系统同外部供热网络联系较弱，难以大量购入热能。在源网分离的模式下，网侧综合能源系统运营商缺乏对能源系统的调控能力，存在较大系统能量失衡的风险，难以满足用户的用能需求，需要引入新的设备或手段改善能量平衡问题。另一方面，传统意义上网侧运营商通过能源差价套利的方式盈利模式单一，特别在系统存在能量失衡风险下，网侧运营商承担着较大的经济风险，需要引入新的盈利模式改善网侧运营商的经营条件。

所以，对于中小规模、用热需求强、外部联系薄弱的工业园区综合能源系统，存在能量失衡及网侧运营商盈利模式单一等问题。

发明内容

本发明实施例提供一种工业园区综合能源配置系统及方法，用以解决现有技术中综合能源系统能量调配易失衡的技术问题。

本发明实施例提供一种工业园区综合能源配置系统，包括：能源系统运营侧，设有能源输送线，所述能源系统运营侧包括氢储能机构，所述氢储能机构与所述能源输送线相连通，进而与所述能源输送线之间进行能源交互；

能源生产侧，将能源输送至所述能源输送线；

负荷聚合侧，接收来自所述能源输送线上输送的能源；

储能服务侧，与所述能源系统运营侧之间进行能源交互。

根据本发明一个实施例的工业园区综合能源配置系统，所述能源输送线包括电能输送线和热能输送线。

根据本发明一个实施例的工业园区综合能源配置系统，所述能源生产侧通过燃气轮机发电以及通过与所述燃气轮机相连接的余热锅炉发热，进而将电能以及热能输送至所述电能输送线以及所述热能输送线。

根据本发明一个实施例的工业园区综合能源配置系统，所述能源生产侧还包括光伏发电机构发电、风力发电机构发电以及燃气锅炉发热，进而将电能以及热能输送至所述电能输送线以及所述热能输送线。

根据本发明一个实施例的工业园区综合能源配置系统，所述负荷聚合侧用于接收用电负荷和用热负荷；

所述储能服务侧用于与所述能源系统运营侧之间进行电能和热能之间的交换。

根据本发明一个实施例的工业园区综合能源配置系统，所述氢储能机构包括电解槽、储氢罐以及燃料电池，所述电解槽与所述电能输送线连通，所述燃料电池与所述热能输送线连通，所述储氢罐分别与所述电解槽以及所述燃料电池相连通。

根据本发明一个实施例的工业园区综合能源配置系统，所述电能输送线与电网相连通。

本发明实施例还提供一种工业园区综合能源配置方法，包括：获取能源生产侧、负荷聚合侧以及储能服务侧在预设时间内的数据模型信息；

通过所述数据模型信息结合氢储能配置容量建立与所述能源生产侧、所述负荷聚合侧以及所述储能服务侧在预设时间内的调度模型；

在系统的运行约束条件下求解所述调度模型以确定能源调度方案。

根据本发明一个实施例的工业园区综合能源配置方法，所述获取能源生产侧、负荷聚合侧以及储能服务侧在预设时间内的数据模型信息，包括：

获取能源生产侧在预设时间内的能量传输模型信息、获取负荷聚合侧在预设时间内的能量接收模型信息以及获取储能服务侧的能量交互模型信息。

根据本发明一个实施例的工业园区综合能源配置方法，所述在系统的运行约束条件下求解所述调度模型以确定能源调度方案，包括：

对电能的调度方案以及热能的调度方案。

本发明实施例提供的工业园区综合能源配置系统及方法，包括能源系统运营侧，且能源系统运营侧包括氢储能机构，进而可以通过氢储能机构调控与能源生产侧、负荷聚合侧以及储能服务侧之间的能源交互，以提高能源系统运营侧对能源生产侧、负荷聚合侧以及储能服务侧的调控。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明工业园区综合能源配置系统的结构视图；

图2为本发明工业园区综合能源配置方法的流程图；

图3为本发明能源生产侧与负荷聚合侧日电热负荷预测图；

图4为本发明工业园区综合能源配置系统多场景下的日电荷示意图；

图5为本发明工业园区综合能源配置系统氢储能日周期储量变化示意图；

图6为本发明能源系统运营侧的失热弃热总量图；

图7为本发明能源系统运营侧两场景下的电价图。

附图标记：

10、能源系统运营侧；110、能源输送线；1110、电能输送线；1120、热能输送线；120、氢储能机构；1210、电解槽；1220、储氢罐；1230、燃料电池；

20、能源生产侧；210、燃气轮机；220、余热锅炉；230、光伏发电机构；240、风力发电机构；250、燃气锅炉；

30、负荷聚合侧；

40、储能服务侧；

50、电网。

具体实施方式

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，图1为本发明实施例工业园区综合能源配置系统的结构视图。本发明提供一种工业园区综合能源配置系统，包括能源系统运营侧10、能源生产侧20、负荷聚合侧30以及储能服务侧40。能源系统运营侧10，设有能源输送线110，能源系统运营侧10包括氢储能机构120，氢储能机构120与能源输送线110相连通，进而与能源输送线110之间进行能源交互；能源生产侧20，将能源输送至能源输送线110；负荷聚合侧30，接收来自能源输送线110上输送的能源；储能服务侧40，与能源系统运营侧10之间进行能源交互。

需要说明的是，能源生产侧20为系统能源的主要提供侧，用于向能源系统运营侧10出售电能和热能。负荷聚合侧30用于从能源系统运营侧10购入电能和热能满足自身需求。储能服务侧40用于与能源系统运营侧10之间进行能量的交互，通过制定能源购售价格以促进系统能量供需平衡，并通过价差以获得收益。氢储能机构120可以利用能源系统运营侧10获得的电能以制氢，或者从存储的氢能转为电能，以调控能源系统运营侧10与负荷聚合侧30和储能服务侧40之间的能源交互量。也即对能源系统运营侧10与负荷聚合侧30以及储能服务侧40之间的价格调控。

在本发明一实施例中，能源输送线110包括电能输送线1110和热能输送线1120。能源生产侧20通过燃气轮机210发电以及通过与燃气轮机210相连接的余热锅炉220发热，进而将电能以及热能输送至电能输送线1110以及热能输送线1120。进一步地，能源生产侧20还包括光伏发电机构230发电、风力发电机构240发电以及燃气锅炉250发热，进而将电能以及热能输送至电能输送线1110以及热能输送线1120。也即，能源生产侧20可以通过光伏发电、风力发电以及燃气轮机210发电，进而能源系统运营侧10可以将能源生产侧20的电能进行购入。同时，能源生产侧20还通过利用余热锅炉220收集燃气轮机210的余热以发热，也可以通过燃气锅炉250发热。进而能源系统运营侧10可以将热量进行购入。能源系统运营侧10可以将接收的电能和热能输送至负荷聚合侧30以及储能服务侧40。负荷聚合侧30用于接收用电负荷和用热负荷；储能服务侧40用于与能源系统运营侧10之间进行电能和热能之间的交换。

在本发明一实施例中，氢储能机构120包括电解槽1210、储氢罐1220以及燃料电池1230，电解槽1210与电能输送线1110连通，燃料电池1230与热能输送线1120连通，储氢罐1220分别与电解槽1210以及燃料电池1230相连通。进而电解槽1210可以实现电能和氢能的相互转换，并在运行时以水为工质将反应时产生的热能参与到系统的热循环中，实现电能、氢能、热能联供。储氢罐1220的设置用于将电能制得的氢能以高压氢气的形式进行压缩存储。氢储能机构120设计电、热、氢三种形式的能量耦合，进而可以形成联储系统，如下：

其中，

需要说明的是，现有技术中，对于能源系统运营侧10的收益如下：

其中，

而现有技术中，对于能源生产侧20可以根据能源系统运营侧10给出购能价格曲线，决定各机组出力进而获得的收益如下：

能源生产侧20的出售功率由各设备出力之和，即：

而现有技术中，对于负荷聚合商，可以根据能源系统运营侧10所给出的售能价格，调整负荷响应量以此实现成本最小化。如下：

其中，

现有技术中，对于储能服务侧40，可以根据能源系统运营侧10的价格，决定在各时段购买或者出售能源，优化目标为放能收益与充能费用之差最大。如下：

其中，

其中，

需要说明的是，加入氢储能机构120后，能源系统运营侧10的收益如下：

其中，Q

以下列举一实施例中系统加入氢储能机构120和未加入氢储能机构120后的能源系统运营侧10的收益情况。

氢储能的数据如表1所示。峰、平、谷分时电价分别为1.25、0.8、0.4元/KWh，单位能量售氢价格取0.924元/KWh。

表1氢储能基本参数：

请参照图3，图3为本发明能源生产侧与负荷聚合侧日电热负荷预测图。基准日曲线是在全年选取若干个预测场景，将场景进行加权平均，结果作为能源配置系统各主体报价的基准，用作中长期价格和能量需求申报的决策依据。

以电价为例，选取四个典型场景，如图4所示。图4为本发明实施例工业园区综合能源配置系统多点场景下的日电荷曲线图，其按天数加权平均即得到图3中的功电负荷功率曲线。热负荷曲线、风电/光伏出力曲线亦按同样方法得到，不再赘述。

以下对比场景1和场景2收益状况，场景1为现有技术收益情况，场景2为设置氢储能机构120的收益情况。请参照表2：

表2：各主体收益

其中，LA为负荷聚合侧30，ESP为储能服务侧40，EP为能源生产侧20，ESO为能源系统运营侧10。

也即，在氢储能机构120的配置下，用户侧成本增高0.62％，变化不大。而能源生产侧20的收益降低了14.13％，储能服务侧40的收益降低了11.86％，而能源系统运营侧10提高了33.70％。

能源系统运营侧10的配置结果和日周期储量变化可以参照表3和图5，图5为本发明实施例工业园区综合能源配置系统氢储能日周期储量变化图。

表3如下：

氢储能配置结果

能源系统运营侧10可以在谷时大量购电并由电解槽1210制氢，进而在时利用燃料电池1230将部分氢能转化为电能售出，日周期内还剩余的氢余量以售氢获益。氢储能机构120的设置可以促进电能平衡，减少了系统峰时购能需求，同时，售氢收益也可以使得能源系统运营侧10收益增幅超过三分之一。

氢储能机构120还可以促进系统的功率平衡，请参照图6，图6为本发明能源系统运营侧的失热弃热总量图。在氢能最优配置容量下，虽然外部没有设置供热网络，存在失负荷现象，但是系统的失热负荷减少了20％，供热效果相对改善。虽然弃热量增加，但是由于氢储能的供热能力使得能源系统运营侧10有更大的主动权，能量交互更加活跃。且场景2中氢储能提供的热量超过了场景1中失热、弃热的总和。对比场景1和场景2可知，场景1中失热负荷量明显高于弃热量，净不平衡总量较大，而场景2中失热量约等于弃热量，即净不平衡总量较小，低于场景1的1/5，此时能量不平衡问题主要表现为时间不平衡性。这是由于受制于能源系统运营侧10的储热容量。而场景2中由于失弃热总量差别不大，进而可以激励能源系统运营侧10扩大储热容量，以实现进一步的能量平衡。

所以，氢储能对能源系统运营侧10价格制定影响很大，例如可以参照图7，图7为本发明能源系统运营侧两场景下的电价图。此处以电价为例，热价原理一致，在此不做过多阐述。图7中可知，高峰时段10时-22时，场景1和场景2差别最大，在氢储能最优配置下，由于氢储能中燃料电池1230可以在高峰时提供一定电能，因而能源系统运营侧10在峰时购电均价可以由0.8674元/KWh下降到0.8393元/KWh。另一方面，峰时售电均价可以由1.1233元/KWh提升至1.669元/KWh。说明由于电解槽1210可以消耗多余电能制氢进而盈利，能源系统运营侧10不用随着电价上升引起用户响应而出现能量富余、收益减少的情况，从而售价上调空间更大。

综上，能源系统运营侧10、能源生产侧20、负荷聚合侧30以及储能服务侧40形成含氢储能的综合能源系统。能源生产侧20主要为系统提供能源，包括但不限于：光伏发电、风力发电、燃气轮机210发电、燃气轮机210余热、燃气锅炉250发热。进而产生的电能和热能出售至能源系统运营侧10，并根据能源价格信号调整个机组出力以获取最大收益。负荷聚合侧30为系统的负荷侧，用于从能源系统运营侧10购入电能和热能，并根据能源价格信号实施负荷响应措施，实现用能成本最小化。储能服务侧40为系统的储能侧，用于对常规储电、储热设备组成，进而根据峰谷电、热价差套利模式获取收益。能源系统运营侧10实现各主体与外部电网50间的能量传输，通过制定能源价格以促进系统能量供需平衡。在本发明中，当能源系统运营侧10配置氢储能机构120时，电解槽1210、燃料电池1230可通过制氢、燃氢促进系统能量供需平衡。产生的高浓度氢气也可以提高能源系统运营侧10的收益状况。

请参照图2，图2为本发明工业园区综合能源配置方法的流程图。需要说明的是，本发明还提供一种工业园区综合能源配置方法，包括：

S110、获取能源生产侧、负荷聚合侧以及储能服务侧在预设时间内的数据模型信息。

其中，获取能源生产侧、负荷聚合侧以及储能服务侧在预设时间内的数据模型信息，包括：获取能源生产侧在预设时间内的能量传输模型信息、获取负荷聚合侧在预设时间内的能量接收模型信息以及获取储能服务侧的能量交互模型信息。

S120、通过数据模型信息结合氢储能配置容量建立与能源生产侧、负荷聚合侧以及储能服务侧在预设时间内的调度模型。

S130、在系统的运行约束条件下求解调度模型以确定能源调度方案。

其中，在系统的运行约束条件下求解调度模型以确定能源调度方案，包括：对电能的调度方案以及热能的调度方案。也即在氢储能机构参与能源系统运营侧与能源生产侧、负荷聚合侧以及储能服务侧40之间的能源交互时，便可以促进系统能量供需平衡，以优化能源系统运营侧获得的收益情况。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。