一种园区级综合能源系统容量优化配置方法和系统

技术领域

本发明涉及综合能源系统规划领域，具体涉及一种园区级综合能源系统容量优化配置方法和系统。

背景技术

随着能源与环境问题的日益严峻，如何提高能源的利用率并尽可能减少用能中所引起的环境污染，已成为国内外能源领域的重要课题。

能源互联网的核心仍然是电力系统，但是它将电力系统与气网、冷/热水管网以及交通网络连接起来，耦合为一个多网融合的系统。而综合能源系统则是能源互联网中的一个重要承载形式，它发挥了多能耦合协调的作用，是提高系统整体供能效率和促进新能源消纳的重要载体。因此，科学利用太阳能、风能等可再生能源，通过冷热电三联供、热电联产等多能互补形式，促进可再生能源消纳，提高供能效率已成为今后智能电网的重要发展方向。

目前，综合能源系统发展受到了高度重视，围绕综合能源优化运行等方面相关的研究也在积极开展中。综合能源系统主要是由冷、热、电、气四种网络以及连接各网络的耦合设备组成，系统是否能够经济、环保、高效地运行，取决于综合能源系统的设备选型及容量规划。目前，综合能源系统规划的一般思路是，首先根据园区负荷、可选设备类型、能源形式等因素，确定综合能源系统的主要框架结构以及其内部设备的衔接关系；其次，对于不同的优化目标分别进行相应的场景模拟，甄别出使目标达到最优的综合能源设备配置方案。

但是已有研究对综合能源系统的规划仅以经济性最优为目标，没有将环境问题纳入考量范围内。

因此，需要提出能解决上述缺陷的规划方案。

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级综合能源系统容量优化配置方法和系统，该方法可以根据园区类型以及用户所需确定目标函数中各项指标所占权重，设计出与用户需求最匹配的园区综合能源系统规划方案，在满足负荷需求的基础上，可以实现电、冷、热三种能源之间的灵活转化配合，同时还能够解决可再生能源出力与负荷需求在时间上不相吻合的问题，更好地实现削峰填谷。

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级综合能源系统容量优化配置方法，所述方法包括：

步骤101，获取各优化时段对应的园区冷、热和电的负荷功率；

步骤102，将各优化时段对应的园区冷、热和电的负荷功率代入预先建立的综合能源系统容量优化配置模型中进行求解，得到综合能源系统中各种设备的最优配置容量；

其中，所述综合能源系统容量优化配置模型是以各优化时段对应的园区冷、热和电的负荷功率为输入，以综合能源系统中各种设备的最优配置容量为输出，并以基于预先设定的各指标及其权重所确定的总代价最低为目标进行构建；

所述指标包括：系统投资运行成本、系统污染物排放量和系统一次能源消耗量。

本发明提供一种园区级综合能源系统容量优化配置系统，所述系统包括：

获取模块，用于获取各优化时段对应的园区冷、热和电的负荷功率；

求解模块，用于将各优化时段对应的园区冷、热和电的负荷功率代入预先建立的综合能源系统容量优化配置模型中进行求解，得到综合能源系统中各种设备的最优配置容量；

其中，所述综合能源系统容量优化配置模型是以各优化时段对应的园区冷、热和电的负荷功率为输入，以综合能源系统中各种设备的最优配置容量为输出，并以基于预先设定的各指标及其权重所确定的总代价最低为目标进行构建；

所述指标包括：系统投资运行成本、系统污染物排放量和系统一次能源消耗量。

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，获取各优化时段对应的园区冷、热和电的负荷功率；将各优化时段对应的园区冷、热和电的负荷功率代入预先建立的综合能源系统容量优化配置模型中进行求解，得到综合能源系统中各种设备的最优配置容量；其中，所述综合能源系统容量优化配置模型是以各优化时段对应的园区冷、热和电的负荷功率为输入，以综合能源系统中各种设备的最优配置容量为输出，并以基于预先设定的各指标及其权重所确定的总代价最低为目标进行构建；所述指标包括：系统投资运行成本、系统污染物排放量和系统一次能源消耗量。该方案的综合能源系统容量优化配置模型是基于预先设定的各指标及其权重构建而成的，利用该模型可以设计出与用户需求最匹配的园区综合能源系统规划方案。

本发明提供的技术方案，在满足负荷需求的基础上，可以实现电、冷、热三种能源之间的灵活转化配合，同时还能够解决可再生能源出力与负荷需求在时间上不相吻合的问题，更好地实现削峰填谷。

附图说明

图1是一种园区级综合能源系统容量优化配置方法流程图；

图2是一种园区级综合能源系统容量优化配置系统结构图；

图3是本发明实施例中区域综合能源系统的拓扑结构图；

图4是本发明实施例中园区夏季典型日电冷负荷特性曲线；

图5是本发明实施例中园区冬季典型日电热负荷特性曲线；

图6是本发明实施例中光伏电站典型日出力曲线；

图7(a)是本发明实施例中园区夏季CCHP产电功率示意图；

图7(b)是本发明实施例中园区夏季从电网购电功率示意图；

图7(c)是本发明实施例中园区夏季光伏产电功率示意图；

图7(d)是本发明实施例中园区夏季充电桩耗电功率示意图；

图7(e)是本发明实施例中园区夏季电制冷机耗电功率示意图；

图7(f)是本发明实施例中园区夏季蓄电池储放电功率示意图；

图7(g)是本发明实施例中园区夏季电负荷示意图；

图8(a)是本发明实施例中园区夏季CCHP制冷功率示意图；

图8(b)是本发明实施例中园区夏季电制冷机制冷功率示意图；

图8(c)是本发明实施例中园区夏季水蓄能系统储放能功率示意图；

图8(d)是本发明实施例中园区夏季冷负荷示意图；

图9(a)是本发明实施例中园区冬季CCHP产电功率示意图；

图9(b)是本发明实施例中园区冬季从电网购电功率示意图；

图9(c)是本发明实施例中园区冬季光伏产电功率示意图；

图9(d)是本发明实施例中园区冬季充电桩耗电功率示意图；

图9(e)是本发明实施例中园区冬季蓄电池储放电功率示意图；

图9(f)是本发明实施例中园区冬季电负荷示意图；

图10(a)是本发明实施例中园区冬季CCHP产热功率示意图；

图10(b)是本发明实施例中园区冬季从电网购热功率示意图；

图10(c)是本发明实施例中园区冬季热负荷示意图。

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级综合能源系统容量优化配置方法，如图1所示，包括：

步骤101，获取各优化时段对应的园区冷、热和电的负荷功率；

步骤102，将各优化时段对应的园区冷、热和电的负荷功率代入预先建立的综合能源系统容量优化配置模型中进行求解，得到综合能源系统中各种设备的最优配置容量；

其中，所述综合能源系统容量优化配置模型是以各优化时段对应的园区冷、热和电的负荷功率为输入，以综合能源系统中各种设备的最优配置容量为输出，并以基于预先设定的各指标及其权重所确定的总代价最低为目标进行构建；

所述指标包括：系统投资运行成本、系统污染物排放量和系统一次能源消耗量。

具体的，所述综合能源系统容量优化配置模型的构建，包括：

获取基于综合能源系统中各种设备及其数学模型所确定的园区类型；

获取规划需要，其中所述规划需要包括：各种设备的投资成本和寿命周期，以及各优化时段的电价、热价、气价以及利用可再生能源产能的补贴价格；

令综合能源系统容量优化配置模型以各优化时段对应的园区冷、热和电的负荷功率为输入，以综合能源系统中各种设备的最优配置容量为输出；

根据园区类型与规划需要确定各指标的权重，并以基于预先设定的各指标及其权重所确定的总代价最低为目标构建目标函数；

为所述目标函数构建电力平衡约束、热功率平衡约束、冷功率平衡约束、储冷容量约束、冷功率交换约束、储电容量约束、电功率交换约束、内燃机运行约束、烟气溴化锂吸收式制冷机组和电制冷机运行约束。

具体的，所述综合能源系统中设备包括：光伏电池、电动汽车充电桩、冷热电三联供装置、电制冷机、水蓄能系统和蓄电池；

其中，冷热电三联供装置以内燃机为发电设备，并以烟气溴化锂吸收式制冷机为制冷和制热设备。

具体的，所述综合能源系统容量优化配置模型的目标函数的计算式如下：

F＝Min[α

式中，F为目标函数值，F

进一步的，所述系统投资运行成本F

式中，C

所述系统污染物排放量F

式中，C

所述系统一次能源消耗量F

式中，η

进一步的，所述综合能源系统的运行费用O

式中，

进一步的，所述冷功率平衡约束的计算式如下：

式中，

所述热功率平衡约束的计算式如下：

式中，

所述电力平衡约束的计算式如下：

P

式中，P

实施例2：

本发明提供了一种园区级综合能源系统容量优化配置系统，如图2所示，包括：

获取模块，用于获取各优化时段对应的园区冷、热和电的负荷功率；

求解模块，用于将各优化时段对应的园区冷、热和电的负荷功率代入预先建立的综合能源系统容量优化配置模型中进行求解，得到综合能源系统中各种设备的最优配置容量；

其中，所述综合能源系统容量优化配置模型是以各优化时段对应的园区冷、热和电的负荷功率为输入，以综合能源系统中各种设备的最优配置容量为输出，并以基于预先设定的各指标及其权重所确定的总代价最低为目标进行构建；

所述指标包括：系统投资运行成本、系统污染物排放量和系统一次能源消耗量。

具体的，所述系统还包括：用于预先构建综合能源系统容量优化配置模型的构建模块，所述构建模块，用于：

第一获取单元，用于获取基于综合能源系统中各种设备及其数学模型所确定的园区类型；

第二获取单元，用于获取规划需要，其中所述规划需要包括：各种设备的投资成本和寿命周期，以及各优化时段的电价、热价、气价以及利用可再生能源产能的补贴价格；

设定单元，用于令综合能源系统容量优化配置模型以各优化时段对应的园区冷、热和电的负荷功率为输入，以综合能源系统中各种设备的最优配置容量为输出；

目标函数构建单元，用于根据园区类型与规划需要确定各指标的权重，并以基于预先设定的各指标及其权重所确定的总代价最低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电力平衡约束、热功率平衡约束、冷功率平衡约束、储冷容量约束、冷功率交换约束、储电容量约束、电功率交换约束、内燃机运行约束、烟气溴化锂吸收式制冷机组和电制冷机运行约束。

具体的，所述综合能源系统中设备包括：光伏电池、电动汽车充电桩、冷热电三联供装置、电制冷机、水蓄能系统和蓄电池；

其中，冷热电三联供装置以内燃机为发电设备，并以烟气溴化锂吸收式制冷机为制冷和制热设备。

具体的，所述综合能源系统容量优化配置模型的目标函数的计算式如下：

F＝Min[α

式中，F为目标函数值，F

进一步的，所述系统投资运行成本F

式中，C

所述系统污染物排放量F

式中，C

所述系统一次能源消耗量F

式中，η

进一步的，所述综合能源系统的运行费用O

式中，

进一步的，所述冷功率平衡约束的计算式如下：

式中，

所述热功率平衡约束的计算式如下：

式中，

所述电力平衡约束的计算式如下：

P

式中，P

实施例3：

已有研究对综合能源系统的规划一般都是以经济性最优为目标，而忽略了环保指标和能效指标，不符合当前我国追求绿色能源的趋势的现状，针对此缺陷，本发明提出一种园区级综合能源系统容量优化配置方法，该方法给出了既考虑系统投资运行成本，又将污染物排放量以及一次能源消耗量纳入考虑的综合能源系统容量优化配置模型，同时用户还可以根据园区类型与自身需求决定模型中各项指标的权重，对模型进行求解从而得到能最符合需要的综合能源系统园区规划方案。

按照本发明提出的园区级综合能源系统容量优化配置方法对某园区进行规划，设定预设时期为1年，执行步骤如下：

步骤A：列出所需规划园区内的所有待选设备及其数学模型；

所需规划的园区(区域综合能源系统)包含光伏电池、电动汽车充电桩、冷热电三联供(CCHP)、电制冷机、水蓄能系统以及蓄电池等辅助供能设备，区域综合能源系统的拓扑结构图如图3所示，其中，CCHP以内燃机为发电设备，并辅以烟气溴化锂吸收式制冷机的组合方式。

(1)CCHP的数学模型：

内燃机是CCHP的核心供能设备，它的功率和效率计算公式如下：

式中，η

式中，P

内燃机在t时段消耗的天然气的功率公式如下：

内燃机排出的烟气余热还可以进入烟气溴化锂吸收式制冷机用于制冷制热，对应的制冷制热功率计算公式如下：

式中，

(2)光伏电池的数学模型

将太阳能转换成电能的技术被称为光伏发电技术。光伏发电系统的输出功率取决于太阳光照的强度和温度，而一天内的温度变化范围较小，因此光伏电池的输出功率可认为仅与光照强度相关，即辐照度。根据《光伏发电站设计规范GB50797－2012》中规定：光伏发电站发电量预测应根据站址所在地的太阳能资源情况，并考虑光伏发电站系统设计、光伏方阵布置和环境条件等各种因素后计算确定。因此可以根据下式计算光伏电池板的输出功率：

P

式中，ξ

(3)电制冷机的数学模型

电制冷机的电冷转换系数取决于输入电能与输出冷能的比值，又被称为制冷系数，用COP

式中，

(4)水蓄能系统的数学模型

储能单元是综合能源系统的重要组成部分，采用水蓄能系统作为蓄冷装置，其数学模型如下所示：

式中，

(5)蓄电池的数学模型

蓄电池的数学模型与水蓄能系统的数学模型类似，其数学模型如下所示：

式中，

步骤B：获取如表1所示的各个待选设备(CCHP、光伏电池、电制冷机、水蓄能系统、蓄电池)的投资成本以及寿命周期取值；

表1

获取如图4所示的园区夏季典型日电冷负荷特性曲线、图5所示的园区冬季典型日电热负荷特性曲线和图6所示的光伏电站典型日出力曲线；

获取如表2所示的分时电价、热价、气价以及可再生能源补贴在内的各类价格参数；

表2

步骤C：建立综合能源系统容量优化配置模型的目标函数：

以系统投资运行成本、系统污染物排放量以及系统一次能源消耗量最低为目标函数，表达式为：

F＝Min[α

式中，F为目标函数值，F

其中，系统投资运行成本、系统污染物排放量以及系统一次能源消耗量各自所占权重α

(1)系统投资运行成本

系统投资运行成本包括园区设备投资费用、维护费用以及运行费用三部分，表达式为：

1)设备初期费用

式中，C

2)设备维护费用

式中，C

3)系统运行费用其中，系统运行费用包括购电成本、购气成本、购热成本、可再生能源补贴，表达式如下：

式中，

(2)系统污染物排放

式中，P

(3)系统一次能源消耗

式中，η

市政供热功率即为从热网购热功率；

步骤D：为综合能源系统容量优化配置模型的目标函数构建约束：

综合能源系统设备容量规划必须同时满足三种类型的负荷需求，保证系统可靠性，因此模型约束条件包含了三种不同类型的功率平衡约束以及系统内各设备的运行特性和功率爬坡约束等。

(1)电力平衡约束

综合能源系统的电网购电功率、光伏发电功率、蓄电池供电功率以及CCHP发电功率之和应等于电负荷功率需求、充电桩功率需求与电制冷机输入电功率之和，关系式如下：

P

式中，+P

(2)热功率平衡约束

热网和燃气锅炉总的输出热功率之和应大于或等于对应时刻的热负荷功率，即

式中，

(3)冷功率平衡约束

CCHP、电制冷机的输出冷功率与水蓄能系统的释冷功率之和应大于或等于对应时刻的冷负荷功率，即

式中，

(4)储冷容量约束和冷功率交换约束

式中，

(5)储电容量约束和电功率交换约束

式中，

(6)供能设备运行约束

1)内燃机：

式中，

2)烟气溴化锂吸收式制冷机组：

在夏季空调期时，烟气溴化锂吸收式制冷机组吸收内燃机排出的余热烟气进行制冷，采暖期则用于制热。因此，在空调期和采暖期时，烟气溴化锂吸收式制冷机组需要满足以下条件：

式中，

3)电制冷机：

式中，

步骤E：对园区综合能源系统进行设备的容量优化

设置以下2种场景：

①传统供能模式，通过电网提供电能，热网提供热能，空调用电提供冷能，园区内不增加其他供能设备；

②多能互联供能模式，园区各设备通过能源转换相耦合，形成园区综合能源系统，进行联合供能。

模型求解得到的两种规划结果对比如表3所示，场景②设备容量配置结果如表4所示。

表3

表4

分析结果可知，在传统供能模式场景下，虽然园区内设备较少，投资建设成本较场景②更低，但是所产生的电能交易费用较场景②更高；在场景②中，系统用户的冷负荷需求由电制冷机和CCHP提供，热负荷需求主要由CCHP提供，不足的由热网补充。由场景②的优化配置结果可知，水蓄能系统的容量占据系统配置容量的比例最高，蓄电池由于建设成本最高，因此容量配置最小。

总的来说，在多能互联供能模式下，虽然产生的投资运行费用较高，但是由于此种模式下系统内各类能源有益互补，大大提高了用能效率，减少了电网购电费用，并且还降低了有害气体排放，以利于可持续发展。因此，对比传统供能和联合供能两种模式，后者总体性能更加优越。

步骤F：对园区综合能源系统规划结果进行校验：

基于以上规划结果，以典型日为例，对系统进行调度分析以验证规划效果。园区夏季电功率如图7(a)～图7(g)所示、园区夏季冷功率如图8(a)～图8(d)所示、园区冬季电功率如图9(a)～图9(f)所示和园区冬季热功率如如图10(a)～图10(c)所示。

从图中可以看出，作为联供系统核心设备的内燃机，在夏季承担了系统的基本电力负荷需求，一天24h都处于满负荷运转中，在内燃机、光伏电池以及蓄电池的配合下，只有用电高峰期时才需要从电网购电，其余时刻园区都能够自给自足。同时，由于蓄电池和水蓄能系统的使用，光伏出力得到了最大化利用，多余部分则送往蓄电池储存起来或者通过电制冷机转化为冷能送往水蓄能系统储存起来。

冬季时由于用户电负荷较少，内燃机只是部分负荷运行。但是整个园区可以不用向电网购电，完全可以做到电能自给自足。但是由于园区位于北方，冬季热能需求大，而由于CCHP机组容量限制，园区做不到热能自给自足，大部分时段还需要向热网购热。

总的来说，基于本专利所提的系统规划模型设计出的园区综合能源系统，由于评价指标由用户自己确定权重，所得到的规划方案将会更加符合用户的需求。同时，得到的规划结果在满足负荷需求的基础上，可以实现电、冷、热三种能源之间的灵活转化配合，同时还能够解决可再生能源出力与负荷需求在时间上不相吻合的问题，更好地实现削峰填谷。

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。