含生物质能的区域综合能源系统优化配置方法与装置

技术领域

本公开涉及能源系统规划领域，更具体地涉及一种含生物质能的区域综合能源系统优化配置方法与装置。

背景技术

近年来，全球能源结构变革，清洁能源备受重视，而生物质被认为是一种天然的碳中性燃料，对于其应用研究越来越多，能源系统通过清洁能源的相互耦合关系为区域供能，动物粪便和秸秆等物质通过厌氧反应产出沼气然后通过热电联产与储能一起，共同补充其他能源向负荷供能。目前来讲，通过将沼气与太阳能、风能耦合，将沼气作为补充能源，当太阳能、风能供能不足时，可以通过热电联产进行能源补充，以满足多种负荷需求。沼气传输及储存过程中，沼气流量转换为能量处理。

发明内容

本公开提供了一种含生物质能的区域综合能源系统优化配置方法与装置，通过考虑热力学效应和流体力学效应构建生物质能源模型，令其与太阳能发电等能源互相补充，为区域多负荷供能，以用于实现100％清洁能源功能。

根据本公开的一方面，提供了一种含生物质能的区域综合能源系统优化配置方法，包括：基于热力学效应和流体力学效应构建生物质能源模型，其中，生物质能源模型包括厌氧反应器产率模型以及储存柜模型；在满足厌氧反应器温度约束、生物质原料约束、储气罐压强约束和储气罐流量约束的前提下，求解生物质能源模型；以及根据求解结果来利用生物质能源模型进行清洁能源供能。

根据本公开的一些实施例，厌氧反应器产率模型包括：

其中，

根据本公开的一些实施例，基于厌氧反应器加热的总热量和厌氧反应器的表面散热来确定厌氧反应器的温度，包括：

其中，

根据本公开的一些实施例，厌氧反应器温度约束包括：

其中，

其中，

根据本公开的一些实施例，求解生物质能源模型包括：基于厌氧反应器温度约束和生物质原料约束来求解厌氧反应器产率模型。

根据本公开的一些实施例，储存柜模型包括：

其中，W

根据本公开的一些实施例，储气罐压强约束包括：

并且储气罐流量约束包括：

其中，β

根据本公开的一些实施例，求解生物质能源模型包括：基于储气罐压强约束和储气罐流量约束来求解储存柜模型。

根据本公开的另一方面，提供了一种区域综合能源系统的构建方法，包括：基于热力学效应和流体力学效应构建生物质能源模型，其中，生物质能源模型包括厌氧反应器产率模型以及储存柜模型；在满足厌氧反应器温度约束、生物质原料约束、储气罐压强约束和储气罐流量约束的前提下，求解生物质能源模型；综合考虑生物质能源模型、配电网和天然气来构建区域能源系统模型；以及基于区域能源系统模型来进行区域能源管理调度。

根据本公开的一些实施例，区域能源系统模型包括：

其中，C

根据本公开的一些实施例，区域能源系统模型以最小化投资成本和运营成本为目标函数。

根据本公开的一些实施例，区域综合能源系统的构建方法还包括：在满足约束条件的前提下，求解区域能源系统模型，其中，约束条件包括以下中的至少一种：投资约束、自给率约束、能量供需平衡约束、电池储能系统约束、光伏出力约束、热电联产出力约束、电锅炉约束。

根据本公开的一些实施例，投资约束包括：

C

其中，C

自给率约束包括：

/>

其中，R

能量供需平衡约束包括：

其中，

电池储能系统约束包括：

其中，

光伏出力约束包括：

其中，

热电联产出力约束包括：

其中，

电锅炉约束包括：

其中，

根据本公开的一些实施例，厌氧反应器产率模型包括：

其中，

根据本公开的一些实施例，基于厌氧反应器加热的总热量和厌氧反应器的表面散热来确定厌氧反应器的温度，包括：

其中，

根据本公开的一些实施例，厌氧反应器温度约束包括：

其中，

其中，

根据本公开的一些实施例，储存柜模型包括：

其中，W

根据本公开的一些实施例，储气罐压强约束包括：

并且储气罐流量约束包括：

其中，β

根据本公开的又一方面，提供了一种处理设备，包括：处理器；和存储器，其中，存储器中存储有计算机可读代码，计算机可读代码当由处理器运行时，执行如上所描述的含生物质能的区域综合能源系统优化配置方法，或者执行如上所描述的区域综合能源系统的构建方法。

根据本公开的又一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有指令，指令在被处理器执行时，使得处理器执行如上所描述的含生物质能的区域综合能源系统优化配置方法，或者执行如上所描述的区域综合能源系统的构建方法。

利用本公开提供的含生物质能的区域综合能源系统优化配置方法，能够基于沼气产率和传输过程中考虑热力学效应和沼气的流体力学效应，系统的建立沼气模型，令其与太阳能发电互相补充，为区域多负荷供能。进一步地，根据本公开一些实施例的区域综合能源系统的构建方法，其中，利用通过光伏厌氧消化和热电联产向区域提供电、气、热负荷，考虑厌氧反应器、沼气储气罐、热电联产、光伏发电、电池储能系统、自给率等条件约束，确定沼气可再生100％区域能源的规模，旨在最大限度降低投资和运行成本和满足区域能源自给自足，建立太阳能和沼气耦合的区域能源系统。

附图说明

为了更清楚地说明本公开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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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示出了根据本公开实施例的含生物质能的区域综合能源系统优化配置方法的流程图；

图2示出了根据本公开实施例的区域综合能源系统的构建方法的流程图；

图3示出了根据本公开实施例的区域综合能源系统的整体示意图；

图4示出了根据本公开实施例的处理设备的示意性框图；

图5示出了根据本公开实施例的示例性计算设备的架构的示意图；

图6示出了根据本公开实施例的计算机存储介质的示意图。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本公开一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

本公开中使用了流程图用来说明根据本公开的实施例的方法的步骤。应当理解的是，前面或后面的步骤不一定按照顺序来精确的进行。相反，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中。

通常，要构建综合的清洁能源系统需要考虑多种能源的耦合，借助热电联产及储能系统供应多种负荷，并保证运行及投资成本最小。一般地，沼气主要作为风光发电的补充能源，然而相关技术中无法体现沼气在能源系统中的优势，不能同时保证清洁能源的高占比和投资运行费用最小，无法研究清洁能源参与度对系统投资的影响。另一方面，相关技术中对沼气的产生和运输储存处理进行了简化，沼气体积计算过程中转变为能量进行传输和储存，这一过程虽简化了计算，但不利于沼气储气罐准确容量的确定及沼气产生速率的准确求解。相关研究包含沼气的清洁能源供能系统主要存在两方面问题，第一，不能明确体现沼气在系统中的优势及清洁能源参与程度的影响，第二，沼气的产生及传输存储过程对温度变化及流量进行转化，不能准确求解。

为解决上述问题，根据本公开的一些实施例提供一种基于生物质的能源系统的构建方法，以用于提供一种基于生物质促进100％清洁供能的能源系统，其中，针对区域能源供给，建立了考虑气体流体力学和热力学效应的沼气成产及传输储存模型，根据本公开实施例的基于生物质的能源系统，能够明确体现沼气在系统中的优势及清洁能源参与程度的影响，并且能够准确求解沼气的产生及传输存储过程对温度变化及流量进行转化。

此外，根据本公开的一些实施例还提供了一种区域综合能源系统的构建方法，以用于构建太阳能和沼气耦合的区域能源系统，旨在最大限度地降低投资和年运营成本，实现区域能源自给自足。

图1示出了根据本公开一些实施例的基于生物质的能源系统的构建方法的流程图，以下将结合图1来进行描述。

首先，在步骤S101，基于热力学效应和流体力学效应构建生物质能源模型，其中，生物质能源模型包括厌氧反应器产率模型以及储存柜模型。

接着，在步骤S102，在满足厌氧反应器温度约束、生物质原料约束、储气罐压强约束和储气罐流量约束的前提下，求解生物质能源模型。

在步骤S103，根据求解结果来利用生物质能源模型进行清洁能源供能。

利用以上步骤S101-S103，通过在沼气产率和传输过程中考虑热力学效应和沼气的流体力学效应，能够建立生物质能源模型以进行100％清洁能源供能。具体的，其中考虑了在厌氧反应器产率模型中考虑了温度的影响因素。

根据本公开的一些实施例，厌氧反应器产率模型包括：

其中，

上述反应器温度变化主要受在第s个场景下时间t时电锅炉和热电联产余热给厌氧消化器加热的总热量

根据本公开的一些实施例，基于厌氧反应器加热的总热量和厌氧反应器的表面散热来确定厌氧反应器的温度包括：

其中，

根据本公开的一些实施例，厌氧反应器温度约束包括：

其中，

其中，

根据本公开的一些实施例，求解生物质能源模型包括：基于厌氧反应器温度约束和生物质原料约束来求解厌氧反应器产率模型。

根据本公开的一些实施例，储存柜模型包括：

其中，W

根据本公开的一些实施例，储气罐压强约束包括：

并且储气罐流量约束包括：

其中，β

根据本公开的一些实施例，求解生物质能源模型包括：基于储气罐压强约束和储气罐流量约束来求解储存柜模型。

根据光伏出力场景与电价场景，综合考虑微电网各组成部分，包括常规发电机、微型涡轮机、风电、光伏、可转移负荷和储能之间的物理联系以及考虑配电网拓扑结构的潮流约束，建立基于均衡理论的计及新能源绿色证书的微电网能量管理调度模型。例如，构建微电网能量管理调度模型可以包括：通过光伏厌氧消化和热电联产向区域提供电、气、热负荷，考虑厌氧反应器、沼气储气罐、热电联产、光伏发电、电池储能系统、自给率等条件约束，确定沼气可再生100％区域能源的规模，旨在最大限度降低投资和运行成本和满足区域能源自给自足，建立太阳能和沼气耦合的区域能源系统。

根据本公开的另一方面，提供了一种区域综合能源系统的构建方法，图2示出了根据本公开一些实施例的区域综合能源系统的构建方法的流程图。

如图2所示，在步骤S201，基于热力学效应和流体力学效应构建生物质能源模型，其中，生物质能源模型包括厌氧反应器产率模型以及储存柜模型，以及在步骤S202，在满足厌氧反应器温度约束、生物质原料约束、储气罐压强约束和储气罐流量约束的前提下，求解生物质能源模型。

以上步骤S201与S202的具体实现过程可以参考以上图1中示出的步骤S101和S102，在此不再重复描述。

接着，在步骤S203，综合考虑生物质能源模型、配电网和天然气来构建区域能源系统模型，以及在步骤S204，基于区域能源系统模型来进行区域能源管理调度。

根据本公开的一些实施例，区域能源系统模型包括：

其中，C

根据本公开的一些实施例，区域能源系统模型以最小化投资成本和运营成本为目标函数。

例如，目标函数可以表示为：

其中，C

根据本公开的一些实施例，区域综合能源系统的构建方法还包括：在满足约束条件的前提下，求解区域能源系统模型，其中，约束条件包括以下中的至少一种：投资约束、自给率约束、能量供需平衡约束、电池储能系统约束、光伏出力约束、热电联产出力约束、电锅炉约束。

根据本公开的一些实施例，投资约束包括：

C

其中，C

根据本公开的一些实施例，自给率约束包括：

其中，R

根据本公开的一些实施例，能量供需平衡约束包括：

其中，

图3示出了根据本公开实施例的区域综合能源系统的整体示意图，其中示出了生物质促进100％清洁能源供能系统1000中的能量流动并体现了能量平衡。

根据本公开的一些实施例，电池储能系统约束包括：

其中，

根据本公开的一些实施例，光伏出力约束包括：

其中，

根据本公开的一些实施例，热电联产出力约束包括：

其中，

根据本公开的一些实施例，电锅炉约束包括：

其中，

根据本公开的一些实施例，厌氧反应器产率模型包括：

其中，

根据本公开的一些实施例，基于厌氧反应器加热的总热量和厌氧反应器的表面散热来确定厌氧反应器的温度，包括：

其中，

根据本公开的一些实施例，厌氧反应器温度约束包括：

其中，

根据本公开的一些实施例，生物质原料约束包括：

其中，

根据本公开的一些实施例，储存柜模型包括：

其中，W

根据本公开的一些实施例，储气罐压强约束包括：

根据本公开的一些实施例，储气罐流量约束包括：

其中，β

进一步地，根据本公开的一些实施例，在上述含生物质能的区域综合能源系统优化配置方法和区域综合能源系统的构建方法中，还可以包括对非线性公式进行线性化处理。

例如，对厌氧反应器产率模型进行线性化处理，包括：引入n+1个断点，将厌氧反应器产率模型与温度的曲线分为n段，每段为l

又例如，可以对储存柜模型进行线性化处理：

其中，

在本公开中提出了一种太阳能-沼气耦合的100％清洁能源系统，通过考虑沼气产生的热力学效应和考虑沼气储气罐流体力学效应建立了沼气运行模型，进而建立整个系统模型，并对沼气模型进行线性化处理，得到混合整数线性化规划模型，模型可以同时保证100％清洁能源和投资及年运行成本最低。所提出的系统可以做到任何时刻供需平衡，并且沼气能够减少以致替代传统天然气作燃料的模式，有效地降低碳排放，达到100％清洁能源供能，相比于没有沼气的供能系统可以显著降低成本。

根据本公开的又一方面，还提供了一种处理设备。图4示出了根据本公开实施例的处理设备的示意性框图。

如图4所示，处理设备2000可以包括处理器2010，和存储器2020。其中，存储器2020中存储有计算机可读代码，计算机可读代码当由处理器2010运行时，执行如上所描述的含生物质能的区域综合能源系统优化配置方法，或者执行如上所描述的区域综合能源系统的构建方法。关于含生物质能的区域综合能源系统优化配置方法或者区域综合能源系统的构建方法的具体实现过程，可以参照上文结合图1-3描述的方法，在此不再重复。

根据本公开实施例的方法也可以借助于图5所示的计算设备3000的架构来实现。如图5所示，计算设备3000可以包括总线3010、一个或多个CPU3020、只读存储器(ROM)3030、随机存取存储器(RAM)3040、连接到网络的通信端口3050、输入/输出组件3060、硬盘3070等。计算设备3000中的存储设备，例如ROM 3030或硬盘3070可以存储本公开提供的含生物质能的区域综合能源系统优化配置方法或者区域综合能源系统的构建方法的处理和/或通信使用的各种数据或文件以及CPU所执行的程序指令。计算设备3000还可以包括用户界面3080。当然，图5所示的架构只是示例性的，在实现不同的设备时，根据实际需要，可以省略图5示出的计算设备中的一个或多个组件。

根据本公开的又一方面，还提供了一种计算机可读存储介质。图6示出了根据本公开的存储介质的示意图4000。

如图6所示，计算机存储介质4020上存储有计算机可读指令4010。当计算机可读指令4010由处理器运行时，可以执行参照以上附图描述的根据本公开实施例的含生物质能的区域综合能源系统优化配置方法或者区域综合能源系统的构建方法。计算机可读存储介质包括但不限于例如易失性存储器和/或非易失性存储器。易失性存储器例如可以包括随机存取存储器(RAM)和/或高速缓冲存储器(cache)等。非易失性存储器例如可以包括只读存储器(ROM)、硬盘、闪存等。例如，计算机存储介质4020可以连接于诸如计算机等的计算设备，接着，在计算设备运行计算机存储介质4020上存储的计算机可读指令4010的情况下，可以进行如上的含生物质能的区域综合能源系统优化配置方法或者区域综合能源系统的构建方法。

本领域技术人员能够理解，本公开所披露的内容可以出现多种变型和改进。例如，以上所描述的各种设备或组件可以通过硬件实现，也可以通过软件、固件、或者三者中的一些或全部的组合实现。

此外，虽然本公开对根据本公开的实施例的系统中的某些单元做出了各种引用，然而，任何数量的不同单元可以被使用并运行在客户端和/或服务器上。单元仅是说明性的，并且系统和方法的不同方面可以使用不同单元。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分的步骤可通过程序来指令相关硬件完成，程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本公开并不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

除非另有定义，这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员共同理解的相同含义。还应当理解，诸如在通常字典里定义的那些术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。

以上是对本公开的说明，而不应被认为是对其的限制。尽管描述了本公开的若干示例性实施例，但本领域技术人员将容易地理解，在不背离本公开的新颖教学和优点的前提下可以对示例性实施例进行许多修改。因此，所有这些修改都意图包含在权利要求书所限定的本公开范围内。应当理解，上面是对本公开的说明，而不应被认为是限于所公开的特定实施例，并且对所公开的实施例以及其他实施例的修改意图包含在所附权利要求书的范围内。本公开由权利要求书及其等效物限定。