一种考虑源-荷-储的冷热电综合能源系统及其优化运行方法

技术领域

本发明涉及电力系统综合能源领域，尤其是涉及一种考虑源-荷-储的冷热电综合能源系统及其优化运行方法。

背景技术

随着社会经济的飞速发展，各行各业对能源的需求量也越来越大，因此能源的日益枯竭也成了现如今不可忽视的重大问题，随之而来的是环境的污染和气候的变化。所以，寻找能够代替传统能源的既环保又高效的能源成为重中之重的任务，对于清洁能源的利用也应运而生，其中主要以太阳能和风能为主。

现在大部分的能源系统是单独运行的，这样的系统不仅能源利用率低，运行成本也很高，因此，能够耦合多种能源，实现不同能源之间的优势互补的综合能源系统被提出。综合能源系统是对不同的能源进行开发、转化、存储和使用，以满足用户端的需求。我国提出的“互联网+”的概念明确指出了构建能源互联网的核心任务就是实现不同能源之间的耦合，能源枢纽是综合能源系统中的重要组成部分，可以实现能源的梯级利用，提高能源利用率，充分消纳清洁能源，为用户提供稳定的供能。

发明内容

本发明的目的是提供一种考虑源-荷-储的冷热电综合能源系统及其优化运行方法，该方法加强了风电和光电的消纳，减少系统的碳排放，对综合能源中的能源流进行合理的分配，从而实现综合能源系统的经济运行，提高能源的综合利用率，为用户提供稳定的冷热电的供给。

为了解决现有技术存在的问题，本发明采用如下技术方案：

一种考虑源-荷-储的冷热电综合能源系统，包括输入能源、能源枢纽和输出能源，所述输出能源包括电能、冷能、热能；所述输入能源包括电网、风能、太阳能和天然气；所述能源枢纽包括WT、PV、燃气轮机、CHP、辅助锅炉、余热锅炉、电制冷机、AC、储电设备、蓄冷设备和储热设备；其特征在于：所述能源枢纽还包括P2G和P2H；所述P2G经过电线与输电主干道相连，产生天然气之后与天然气管道相连；所述P2H经输电线路与输电主干道相连，再经热管将热能传输到输热主管道供给用户使用。

一种考虑源-荷-储的冷热电综合能源系统的优化运行方法，包括以下步骤：

步骤①：将能源枢纽中的电、气、热进行耦合，将其转化为电、冷、热供给用户使用，其线性数学表达式如下所示：

L

假设能源枢纽中有n种输入能源，m种输出能源，其矩阵形式可以表示为：

其中：L

步骤②：对能源枢纽中的装置进行建模；

步骤③：建立考虑源-荷-储的冷热电综合能源系统优化运行的目标函数和约束条件；

步骤④：对目标函数求解，首先将不等式约束转化为等式约束，然后利用改进的分支定界法求解，得到目标函数的最优解。

进一步地，所述步骤②包括以下步骤：

(1)对风电机组建立数学模型：

其中：P

(2)对光伏发电机组建立数学模型：

式中：P

(3)对燃气机组建立数学模型：

设输入的天然气总体积为V，分配到燃气轮机的天然气体积为V

V＝V

1)燃气轮机产生电和热的数学模型如下所示：

P

余热锅炉产热的数学模型为：P

式中：KV表示的是天然气的热值，此处取10KWh/m

2)CHP机组通过燃烧天然气产生电和热的数学模型为：

P

式中：P

3)P2H的数学模型：P

电制冷机的数学模型：P

吸收式制冷机的数学模型：P

式中：P

(4)储能设备的数学模型如下：

式中：E

进一步地，所述步骤③建立的目标函数如下：

以总成本C最小为目标函数，主要包括运行成本C

C＝C

式中：g表示第g个设备；G表示系统中的设备总数；N表示的是第g个设备的数量；L

进一步地，所述步骤③建立的约束条件包括功率平衡约束、设备出力约束、储能设备容量约束；

所述功率平衡约束模型为：

式中：E

所述设备出力约束模型为：

P

式中：P

所述储能设备容量约束模型为：

S

式中：S

进一步地，所述步骤④利用改进的分支定界法求解，包括以下步骤：

S1：输入目标函数和设备参数；

S2：引入若干个拟合因子，将不等式约束转化为等式约束；其数学模型表示如下：

其中：b

S3：将目标函数分解成若干个子函数，利用深度优先搜索将没有最优解的子函数剔除；

S4：求解剩余子函数的可行解，如果不是目标函数的解，则目标函数无最优解，剔除该函数；否则执行步骤⑤；

S5：继续求解该函数的最优解，若该最优解为目标函数的解，则该解为目标函数的最优解，求解过程结束；否则，返回步骤⑥；

S6：将最优解的子函数作为目标函数的新上界，可行解的最小可行解子函数作为目标函数新下界，若剩余子函数最优解的下界大于上界，则目标函数无解，剔除该子函数；否则，选取最优解的最小目标函数继续从步骤③开始执行。

本发明所具有的优点与有益效果是：

本发明一种考虑源-荷-储的冷热电综合能源系统使用了P2G和P2H设备，实现了电转气和电转热，不仅可以提高风电和光电的消纳，还可以减少碳的排放，提高系统的运行效率，降低运行成本，实现环保运行。本发明对目标函数的求解方法是将不等式约束转化为等式约束，然后利用改进的分支定界法求解，以得到目标函数的最优解。这种算法可以减少迭代次数，提高计算的效率。本发明综合能源系统可以提高风电和光电的消纳，实现了源-荷-储之间的相互配合，减少系统的碳排放，减少系统的运行成本，使得系统的运行更加灵活，实现了系统的经济运行和环保运行。

附图说明

图1为本发明一种考虑源-荷-储的冷热电综合能源系统结构图；

图2为P2G工作原理图；

图3为改进的分支定界法求解流程图；

图4为不包含P2G和包含P2G的综合能源系统风电和光电消纳对比图；

图5为不包含P2G和包含P2G的综合能源系统CHP和燃气轮机的出力情况。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明的保护范围不受具体的实施例所限制，以权利要求书为准。另外，以不违背本发明技术方案的前提下，对本发明所作的本领域普通技术人员容易实现的任何改动或改变都将落入本发明的权利要求范围内。

如图1所示，本发明一种考虑源-荷-储的冷热电综合能源系统，包括输入能源、能源枢纽和输出能源，所述输入能源包括：电网电能，风能，太阳能，天然气。所述能源枢纽包括：风电机组WT、光伏发电机组PV、电转气P2G、燃气轮机、热电联产机组CHP、辅助锅炉、余热锅炉、电制热P2H、电制冷机、吸收式制冷机AC、储电设备、蓄冷设备、储热设备。所述输出能源包括：电能、冷能、热能。其中：来自电网的电能通过输电线路经过变压器变压输送到用户。风能带动风轮机叶片，产生的电能经输电线路输送到输电主干道中。太阳能照射太阳能电池板产生电能经输电线路输送到输电主干道中。P2G经过电线与输电主干道相连，产生天然气之后与天然气管道相连。天然气经天然气管道输送至燃气锅炉、CHP和辅助锅炉，燃气锅炉和CHP产生的电能经输电线路与输电主干道相连，燃气轮机经高温烟气管道与余热锅炉相连，余热锅炉经热管将热能传输到输热主管道；CHP和辅助锅炉经热管将热能传输到输热主管道；P2H经输电线路与输电主干道相连，再经热管将热能传输到输热主管道供给用户使用。电制冷机经输电线路与输电主干道相连，再经冷管将冷能传输到输冷主管道。AC与输热主管道相连，再经冷管将冷能传输到输冷主管道供给用户使用。储电设备有两条输电线路与输电主干道相连，一条为充电线路，一条为放电线路。蓄冷设备有两条管道与输冷主管道相连，一条为蓄冷管道，一条为输冷管道。储热设备有两条管道与输热主管道相连，一条为储热管道，一条为放热管道。

如图2所示，所述P2G设备将电能转化为天然气，可供燃气设备使用。P2H设备将电能转化为热能。使用P2G和P2H的主要目的是为了提高风电和光电的消纳，还可以减少经济成本和碳的排放。P2G主要包括电解水和甲烷化两个步骤，化学反应如下所示：

电解水过程：

甲烷化过程：4H

本发明一种考虑源-荷-储的冷热电综合能源系统中的输入能源有风能、太阳能、电网的电能以及天然气，经过各种能源的之间的耦合满足用户的电负荷、冷负荷和热负荷。能源枢纽中包含的设备主要有：能源转化设备：风电机组、光伏发电机组、燃气轮机、CHP、辅助锅炉、P2G、P2H、余热锅炉、电制冷机、吸收式制冷机；能源储存设备包括储电设备、蓄冷设备和储热设备。

所述能源枢纽中包含的能源元件如表1、2所示：

表1.能源转化设备：

表2.能源储存设备：

本发明引入一个描述能源转化设备特性的矩阵F，表示用来能源转化设备的特性，该矩阵的行数等于能源在该设备中存在形式的总类型数量，其列数等于输入和输出端口的总数量。能源转化设备的特性矩阵如表3所示：

表3.能源转化设备特性矩阵表

一种考虑源-荷-储的冷热电综合能源系统的优化运行方法，包括以下步骤：

步骤①：将能源枢纽中的电、气、热进行耦合，将其转化为电、冷、热供给用户使用，其线性数学表达式如下所示：

L

假设能源枢纽中有n种输入能源，m种输出能源，其矩阵形式可以表示为：

其中：L

步骤②：对能源枢纽中的各个装置进行建模；包括风电机组，光伏发电机组，燃气机组以及储能系统；

步骤③：建立考虑源-荷-储的冷热电综合能源系统优化运行的目标函数和约束条件；

步骤④：对目标函数进行求解。步骤③提出的目标函数为混合非线性规划函数，首先将不等式约束转化为等式约束，然后利用改进的分支定界法求解，以得到目标函数的最优解。

所述步骤②包括以下步骤：

(1)对风电机组建立数学模型：

风机的输出功率与切入风速和切出风速有着密切的联系，它们之间的关系可以由下式表示：

其中：P

(2)对光伏发电机组建立数学模型：

光伏发电机组与太阳辐射强度有关，其模型可以表示为：

式中：P

(3)对燃气机组建立数学模型：

设输入的天然气总体积为V，分配到燃气轮机的天然气体积为V

V＝V

1)对燃气轮机建立数学模型：

燃气轮机可以通过燃烧天然气得到电能，燃气轮机产生的高温烟气可以通过余热锅炉，得到热水和蒸汽来供给用户的热负荷。燃气轮机产生电和热的数学模型如下所示：

P

余热锅炉产热的数学模型为：P

式中：KV表示的是天然气的热值，此处取10KWh/m

2)对CHP机组建立数学模型：

CHP机组通过燃烧天然气产生电和热，其数学模型为：

P

式中：P

3)对制冷/制热设备建立数学模型：

P2H的数学模型：P

电制冷机的数学模型：P

吸收式制冷机的数学模型：P

式中：P

(4)对储能设备建立数学模型：

所述储能设备包括储电、蓄冷和储热设备，储能设备的数学模型如下：

式中：E

所述步骤③建立的目标函数如下：

以总成本C最小为目标函数，主要包括运行成本C

C＝C

式中：g表示第g个设备；G表示系统中的设备总数；N表示的是第g个设备的数量；L

所述步骤③建立的约束条件包括功率平衡约束、设备出力约束、储能设备容量约束；

所述功率平衡约束模型为：

式中：E

所述设备出力约束模型为：

P

式中：P

所述储能设备容量约束模型为：

S

式中：S

所述步骤④利用改进的分支定界法求解，包括以下步骤：

S1：输入目标函数和设备参数；

S2：引入若干个拟合因子，将不等式约束转化为等式约束；其数学模型表示如下：

其中：b

S3：将目标函数分解成若干个子函数，利用深度优先搜索将没有最优解的子函数剔除；

S4：求解剩余子函数的可行解，如果不是目标函数的解，则目标函数无最优解，剔除该函数；否则执行步骤⑤；

S5：继续求解该函数的最优解，若该最优解为目标函数的解，则该解为目标函数的最优解，求解过程结束；否则，返回步骤⑥；

S6：将最优解的子函数作为目标函数的新上界，可行解的最小可行解子函数作为目标函数新下界，若剩余子函数最优解的下界大于上界，则目标函数无解，剔除该子函数；否则，选取最优解的最小目标函数继续从步骤③开始执行。

本发明一种考虑源-荷-储的冷热电综合能源系统的优化运行方法：是燃气轮机和CHP通过燃烧天然气，将天然气转化为电能，当不能满足用户的电负荷时，需要从电网购电来满足用户的需求。CHP产生的热能可以直接供给用户的热负荷，燃气轮机产生的热能通过余热锅炉的转化可以为用户提供热水，当给用户的热能提供不足时，辅助锅炉可以通过燃烧天然气弥补供热的不足，或者P2H将电能转化为热能提供给用户。夏季时，吸收式制冷机通过吸收部分热能转化为冷能来供给用户，当供冷不足时，可以通过电制冷机将电能转化为冷能提供给用户的冷负荷。由于风能和太阳能发电受天气的影响比较大，因此本发明优先考虑风电和光电的并网，P2G可以将电能转化为天然气给燃气机组使用。本发明可以提高风电和光电的消纳，实现了源-荷-储之间的相互配合，减少系统的碳排放，减少系统的运行成本，使得系统的运行更加灵活，实现了系统的经济运行和环保运行。

在对某综合能源系统的运行中提出的两种情景运行的基础上，通过本发明方法，对综合能源系统运行过程优化。

场景1：不包含P2G的综合能源系统；

场景2：包含P2G的综合能源系统。

图4中的WT1和PV1曲线表示的是不包含P2G的综合能源系统中的风电和光电的消纳情况，WT2和PV2曲线表示的是包含P2G的综合能源系统中的风电和光电的消纳情况。图5中CHP1和GT1曲线表示的是不包含P2G的综合能源系统中CHP和燃气轮机的出力情况，CHP2和GT2曲线表示的是包含P2G的综合能源系统中CHP和燃气轮机的出力情况。

从图4中的曲线我们可以明显地看出，与不包含P2G的综合能源系统相比，包含P2G的综合能源系统的风电和光电的消纳能力更高。从图5中的曲线我们可以明显地看出，与不包含P2G的综合能源系统相比，包含P2G的综合能源系统的CHP和燃气轮机的能源利用率更高，出力更大，运行更加稳定。

以上所述是本发明的优选实施方式，本发明所属技术领域的技术人员可以对以上所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充，这些修改或补充也应视为本发明的保护范围。