一种基于多能源系统和建筑热舒适的能源调度方法及系统

技术领域

本发明属于能源管理技术领域，尤其涉及一种基于多能源系统和建筑热舒适的能源调度方法及系统。

背景技术

能源的可持续发展需要对不同的资源和负荷进行协调管理。多能量系统(MESs)被认为是整合各种能量载体并激活它们之间协同作用的有利途径。MESs是多服务多燃料系统，其中热、冷、电和燃料在不同程度上具有相互作用。从环境、技术和经济角度来看，与传统系统相比，它们可以实现更好的协调。能源的生产必须应对可再生能源供应的波动，因此需要采取灵活的解决方式。在这个背景下，建筑业拥有一个巨大的机会，因为热质量随时可以被用来转移热负荷。此外，建筑业占能源消耗的很大一部分，在住宅和商业部门，由于安装的机组和大量的自由度(机组负载、机组开/关和能源存储管理)使该系统运行需要开发系统优化方法。

发明人发现，从数学角度出发，传统模型中，多能量系统运行优化问题可以严格地表示为非凸混合整数非线性规划(MINLP)，然而，MINLP尤其是非凸问题的计算量很大，需要更多的计算时间，且没有考虑管道中热量传播的延迟等问题；传统模型中目标函数中包含一个适当的权重，然而由于权重估计的主观性，限制了在目标函数中纳入舒适度的维度。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于多能源系统和建筑热舒适的能源调度方法及系统，本发明提出了基于混合整数线性规划公式的优化方法，可以包括所有操作约束，通过线性化程序保持良好的解决精度，并对所获得的解决方案提供全局最优性保证。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明提供了一种基于多能源系统和建筑热舒适的能源调度方法，包括：

建立多能源系统建筑模型；

基于多能源系统建筑模型，以及混合整数线性规划调度模型，对多能源系统进行能源调度；

其中，所述混合整数线性规划调度模型中，供终端用户使用的热量小于等于回流式换热器的公称有效度、水的热容量、热容量最小流体的公称质量流量以及热流体的入口温度减去冷流体的入口温度差的乘积，基于能量守恒，建立了管道入口温度和管道出口温度的相关性；所述混合整数线性规划调度模型的目标函数中，在设定值附近设计了质量带。

进一步的，多能源系统建筑模型具有径向集中供热网络分支的布局，由每个建筑的回路一次和二次回路组成。

进一步的，多能源系统建筑模型为：

其中，C

进一步的，管道入口温度和管道出口温度的相关性为：

其中，T

进一步的，以最小化总运行成本为目标，包括向发电机提供燃料的成本、可控单元的运行和维护成本以及与电网交易的净值。

进一步的，目标函数为：

其中，F为时间步骤集；M

进一步的，通过调整变电站换热器旁通阀，降低各建筑物的输入热功率；旁通阀控制具有最小热容率的流体的流量，热容最小的流体在采暖季节位于一次侧，在冷却季节位于二次侧。

第二方面，本发明还提供了一种基于多能源系统和建筑热舒适的能源调度系统，包括：

建筑模型建立模块，被配置为：建立多能源系统建筑模型；

能源调度模块，被配置为：基于多能源系统建筑模型，以及混合整数线性规划调度模型，对多能源系统进行能源调度；

其中，所述混合整数线性规划调度模型中，供终端用户使用的热量小于等于回流式换热器的公称有效度、水的热容量、热容量最小流体的公称质量流量以及热流体的入口温度减去冷流体的入口温度差的乘积，基于能量守恒，建立了管道入口温度和管道出口温度的相关性；所述混合整数线性规划调度模型的目标函数中，在设定值附近设计了质量带。

第三方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现了第一方面所述的基于多能源系统和建筑热舒适的能源调度方法的步骤。

第四方面，本发明还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现了第一方面所述的基于多能源系统和建筑热舒适的能源调度方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明中采用多能源系统建筑模型，可以包括上升和启动等所有操作约束，通过线性化程序保持良好的解决精度；基于能量守恒，建立了管道入口温度和管道出口温度的相关性，考虑了热传播的延迟问题，在目标函数中，在设定值附近设计了质量带，解决了由于权重估计的主观性，限制在目标函数中纳入舒适度维度的问题；

2、本发明中的模型可应用于单体建筑测试案例，涵盖了建筑热特性(热惯性和窗面)以及供热、制冷和供电的多能源系统设计等方面的广泛可能应用；与固定室内温度设定值的参考管理策略相比，在能源消耗和/或可再生能源的开发方面具有相当大的优势；

3、本发明中的模型易于扩展，可应用于具有径向集中供热/冷却网络的能源区域；建立了一个集中供热/冷却网络的线性模型，并将其纳入优化问题中，以考虑管道中热量传播的延迟和换热器的运行；

4、本发明中的模型还可以考虑在使用时间内设定一个固定的温度设定值，从而优化发电机的提前启动时间和配电网热容量的开发；

5、本发明中的模型优化参数和建模可以同时进行，可通过线性化程序保持良好精度，能够节约运营成本和有限计算时间，它可以集成到滚动水平算法或模型预测控制，以优化多能源系统和能源区域的运行。

附图说明

构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。

图1为本发明实施例1的多能源系统示意图；

图2为本发明实施例1的建筑模型示意图；

图3为本发明实施例1的流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

实施例1：

本实施例提供了一种基于多能源系统和建筑热舒适的能源调度方法，包括：

建立多能源系统建筑模型；

基于多能源系统建筑模型，以及混合整数线性规划调度模型，对多能源系统进行能源调度；

其中，所述混合整数线性规划调度模型中，供终端用户使用的热量小于等于回流式换热器的公称有效度、水的热容量、热容量最小流体的公称质量流量以及热流体的入口温度减去冷流体的入口温度差的乘积，基于能量守恒，建立了管道入口温度和管道出口温度的相关性；所述混合整数线性规划调度模型的目标函数中，在设定值附近设计了质量带。

本实施例采用多能源系统建筑模型，可以包括上升和启动等所有操作约束，通过线性化程序保持良好的解决精度；基于能量守恒，建立了管道入口温度和管道出口温度的相关性，考虑了热传播的延迟问题，在目标函数中，在设定值附近设计了质量带，解决了由于权重估计的主观性，限制在目标函数中纳入舒适度维度的问题。

如图1所示为能源区域的一般表示，由一个集中的多能源系统组成，为放射状布局的建筑提供各种能源服务。热能通过集中供热网络输送给终端用户，每个建筑有一个主回路和一个次级回路，并有相关的分站。

建立仿真建筑模型可以分为白盒模型、灰盒模型和黑盒模型三类。其中，所述白盒模型是基于物理的方法，详细描述了系统的复杂能量动力学；所述黑盒模型完全是数据驱动的；所述灰盒模型结合了所述白盒模型和所述黑盒模型两者的方面，如图2所示，所述灰盒模型计算时间相对较短，最适合用于优化和运行控制，所述灰盒模型具有径向集中供热网络(DHN)分支的布局，由每个建筑的一次回路和二次回路组成，一次回路也称主回路。DHN在环内以恒定的质量流量运行。变电站内换热器(HX)和建筑物内风机盘管均装有旁通阀，调节换热。建筑模型为：

其中，C

其中，T

集中供热/制冷网络模型，是一个多能源集中的径向拓扑结构。集中供热/制冷网络分支的一般表示如图2所示。可控热发生器为一次回路供电，而太阳能集热器产生的热量被输送到温度较低的二次回路，对水进行预热。在夏季，集中供热/制冷网络用于输送冷水以达到降温的目的。DHN/DCN的动态数学模型包含两类约束条件，以解决换热器的运行问题，对应公式(14)、(15)和(16)。集中供热/制冷网络模型的主要假设是DHN/DCN在恒定的质量流量下运行，而供水温度TPD和时间t可以调节，对所有建筑物均相等。集中供热/制冷网络模型，通过调整变电站换热器旁通阀，可降低各建筑物的输入热功率。

本实施例的具体实施步骤为：

S1、设立目标函数：

MILP调度问题以最小化总运行成本为目标，其中包括向发电机提供燃料的成本M燃料、可控单元的运行、维护成本M以及与电网交易的净值：

其中，F为时间步骤集；M

S2、设计多能源系统控制方案：

S2.1、控制单元：根据可控性对发电机组和火电机组进行分类，其中，M表示可调度机组，N表示不可调度机组。可控机组必须在技术限制下运行，如公式(4)中允许的最小和最大负载、公式(5)中最小正常运行时间和公式(6)中启动时的上升限制RU

其中，z

P

其中，k

f

其中，T

S2.2、非调度单元：即光伏电池板和太阳能集热器的生产效率是预测室外空气温度T

p

太阳集热器的效率由式(10)计算：

其中，G

η

其中，η

电池工作温度随室外空气温度和辐照度的变化，见公式(12)，通过参数NOCT(Nominal operating cell temperature)和T

其中，T

S2.3、构建时间常数τ：建筑物热平衡的通解如公式(13)，在没有内部、太阳能增益以及来自加热系统的任何热输入的情况下，可以用如下形式表示：

其中，θ是任意时刻步长室内温度与外部温度的差值；θ

S2.4、供热/制冷模型：DHN/DCN的动态数学模型包含两类约束条件，以解决换热器的运行问题，见公式(14)、(15)以及管道热传播延迟公式(16)。模型的主要假设是DHN/DCN在恒定的质量流量下运行，而供水温度T

ΔT

一旦最小热容率的假设得到验证，提供给每个建筑k的热功率可以表示为DHN供电温度的线性函数，见公式(15)：

其中，Q

关于热传播的延迟，加入了管道入口温度T

其中，T

S3、能源和舒适管理策略：

S3.1、参考管理策略：在参考管理策略中，对建筑的火电供应进行调整，以保持占用时间的设备点，供热季节20℃±0.2，制冷季节25℃±0.2，并在非占用时间关闭设备，除了在一天的第一个时间步满足设备点所需的提前时间。集中供热管网供水温度随室外空气温度线性调节。利用MILP模式对机组的运行规划进行优化，机组包括锅炉、热电联产发动机等。

S3.2、热舒适管理策略：一般来说，参与需求侧项目的用户会面临两种类型的不适：一种是由于时间的原因，发生在家用电器中，另一种是与不良能量状态有关，不良能量状态即热舒适水平。数学建模中的舒适度可以通过需要满足的极限值来解决，或者通过对目标条件偏离的惩罚来解决，目标函数中要包含一个适当的权重。然而，由于权重估计的主观性，限制了在目标函数中纳入舒适度的维度。因此，本实施例在设定值附近设计±2的质量带，采暖季节为18-22℃，制冷季节为23-27℃，这些对舒适度的限制只适用于入住时间，而建筑的温度在一天的其余时间里不会满足任何质量范围。此外，在能源区域的优化中，供水温度可以变化，它可以用作进一步的灵活性来源。更具体地说，为采暖季节设置了一个上限，高达90℃，为冷却季节设置了一个下限，下降到7℃，而在另一个方向的限制是由热交换器的操作进行驱动的。对于二次回路，将配送温度设定为占用小时的标称值，以减少优化的计算量。之所以可以做出这样的假设，是因为系统已经显示出一定的自由度来调节提供给建筑物的热量，即换热器的旁通阀。因此，在TCM策略中，建筑室内温度、向各建筑提供的火电和DHN水温(交付和返回)被包括在调度MILP变量中，连同机组的承诺和负荷变量。考虑到所有这些自由度，该算法可以降低建筑物的热量需求，或在其质量中存储热量，即当有可再生资源或联产热时。

S3.3、固定设定值(FS)策略：这是一个中间场景，用于评估在没有最终用户参与的情况下，建筑和DHN的热容可被利用到何种程度。因此，室内温度剖面只能在非占用时间内进行优化，而DHN的供水温度以及机组的运行则在整个时间范围内进行优化。

本实施例在混合整数线性规划MILP调度中引入了建筑物的动态热能平衡问题，以充分利用建筑物的热容量，提高了发电机的运行灵活性；本实施例中的方法可应用于由可再生能源、热电联产机组和热泵等不同能源系统服务的单一建筑；MILP应用于单体建筑测试涵盖了建筑热特性以及供热、制冷和供电等多能源系统设计方面的应用，通过本实施例中的方法进行优化可以提高可再生能源的使用，从而显著减少了运营成本。

实施例2：

本实施例提供了一种基于多能源系统和建筑热舒适的能源调度系统，包括：

建筑模型建立模块，被配置为：建立多能源系统建筑模型；

能源调度模块，被配置为：基于多能源系统建筑模型，以及混合整数线性规划调度模型，对多能源系统进行能源调度；

其中，所述混合整数线性规划调度模型中，供终端用户使用的热量小于等于回流式换热器的公称有效度、水的热容量、热容量最小流体的公称质量流量以及热流体的入口温度减去冷流体的入口温度差的乘积，基于能量守恒，建立了管道入口温度和管道出口温度的相关性；所述混合整数线性规划调度模型的目标函数中，在设定值附近设计了质量带。

所述系统的工作方法与实施例1的基于多能源系统和建筑热舒适的能源调度方法相同，这里不再赘述。

实施例3：

本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现了实施例1所述的基于多能源系统和建筑热舒适的能源调度方法的步骤。

实施例4：

本实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现了实施例1所述的基于多能源系统和建筑热舒适的能源调度方法的步骤。

以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。