一种考虑多能耦合交互的综合能源微网优化运行方法

技术领域

本发明涉及到综合能源系统领域，具体来说，涉及一种考虑多能耦合交互的综合能源微网优化运行方法。

背景技术

本发明要解决的技术问题是：提供一种考虑多能耦合交互的综合能源微网优化运行方法。通过建立外部能源供应模型、可再生能源出力模型、CCHP系统及燃料电池出力模型、电转冷-热-气设备出力模型及储能设备模型，考虑外网约束、能源转换设备运行约束、储能设备运行约束，使得微网运营主体应在与外部能源供应主体交易时，充分利用自身调节特性，将系统微网总运行成本降到最低且能最大程度消纳可再生能源。既有利于大电网和天然气运输的稳定与高效，又有利于降低微网用能成本，从而实现利益共享。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

步骤1：建立综合能源微网短期运行优化模型目标函数；

步骤2：建立综合能源微网短期运行约束中的负荷平衡约束；

步骤3：建立综合能源微网短期运行约束中的设备运行约束及外网约束；

步骤4：求解优化模型，得到系统运行控制量，并向系统各设备发出相应指令：所描述优化模型包括步骤1建立的目标函数、步骤2建立的负荷平衡约束、步骤3建立的设备运行约束及外网约束。

步骤1中，建立的综合能源微网短期运行优化模型最小化运行成本目标函数如式1所示：

C

式中，C

最大程度地消纳可再生能源发电目标函数如下式：

maxQ

Q

通过引入权重系数，将多目标转化为单目标:

f＝C

f为总目标，w为权重系数，用于协调系统运行总成本和消纳可再生能源之间的关系，当w取值较小时，优化目标偏向运行成本最低；当w取值较大时，优化目标偏向消纳更多可再生能源。

步骤2建立综合能源微网短期运行约束中的负荷平衡约束。

综合能源微网系统需要满足冷、热、电、气负荷实时平衡，负荷平衡约束条件如下:

H

L

式(6)—(9)分别为电、热、冷、气负荷平衡约束，其中L

步骤3建立综合能源微网短期运行约束中的设备运行约束及外网约束

在综合能源微网系统中，系统与外部网络的交换功率需要维持在一定的范围内：

式中:P

能源转换设备运行约束:

P

此处能源转换设备指风电、光伏、CCHP系统、燃料电池、电制热设备、电制冷设备和电转气设备。式(12)、(13)分别为输出功率上下限和启停次数限制。由于能源转换设备容量较小且启停较快，机组爬坡约束和启停时间约束基本不需要考虑，但设备不能频繁启停，因此仅考虑设备的输出功率上下限制和启停次数约束。P

储能设备运行约束:对于蓄电池储能设备，考量其运行约束主要看荷电比指标，式(14)为蓄电池的荷电比约束。除此之外，蓄电池还有充放电功率约束(式(15)-(18))和充放电唯一性约束式(19)。由于蓄电池的寿命与充放电次数相关，因此蓄电池在调度运行过程中还需要考虑日充放次数约束(式(20)—(21))。为保证微网系统调度的连续性，通常还要求储能设备在调度末期设置成其容量的初始值，因此储能设备还有调度始末时刻保持容量一致的约束条件(式(22))。

0≤P

0≤P

U

式中:R

蓄热和蓄冷设备运行约束类似，主要包含容量约束、充放功率约束、充放唯一性约束、初始时刻与末尾时刻容量保持一致约束。下面以蓄热设备进行说明:

H

0≤H

0≤H

U

H

式中:H

步骤4：根据步骤1、2、3所构建的优化模型为混合整数线性规划问题，可直接利用MATLAB的Yalmip工具箱求解优化模型，得到系统运行控制量，并向系统各设备发出相应指令：所描述优化模型包括步骤1建立的目标函数、步骤2建立的负荷平衡约束、步骤3建立的设备运行约束及外网约束。

本发明的技术效果和优点：

与现有技术相比，本发明实施具有以下优点：本发明提出的考虑多类型能源转换与存储的综合能源微网优化运行方法，首先建立使得系统总运行成本最低同时尽可能地消纳较多的可再生能源综合能源微网短期运行优化模型目标函数，该目标函数考虑了外部能源供应模型、可再生能源出力模型、CCHP系统及燃料电池出力模型、电转冷-热-气设备出力模型及储能设备模型，接着建立了考虑外网约束、能源转换设备运行约束、储能设备运行约束，通过求解上述优化模型得到微网内机组的启停计划与出力分配值，依据此结果进行相应的控制与运行。本方法在分析分析多种能源转化设备运行特性、外部能源供应特性与多元储能设备运行特性的基础上，对于传统研究较少涉及的含冷、热、电、气4种负荷类型的园区内多能源转换与存储进行集成优化及外部能源供应(即天然气管道运行约束和大电网联络线运行约束)约束等领域展开研究，提高了综合能源微网对于可再生能源的消纳量，并且保证了系统运行的经济性。

附图说明

图1为本发明中一种考虑多类型能源转换与存储的综合能源微网优化运行方法的流程图。

图2本发明的具体实施例中的多场景仿真图。

图3本发明的具体实施例中的分时峰谷电价图。

图4本发明的具体实施例中的能源转换设备参数图。

图5本发明的具体实施例中的能源转换设备24h机组启停情况图。

图6本发明的具体实施例中的储能设备参数图。

图7本发明的具体实施例中的不同权重系数下微网运行情况图。

图8本发明的具体实施例中的外部能源网络优化结果图。

图9本发明的具体实施例中的外部能源网络优化结果图。

图10本发明的具体实施例中的能源转换设备出力优化结果图。

图11本发明的具体实施例中的情景2微网运行示意图。

图12本发明的具体实施例中的情景3微网运行示意图。

图13本发明的具体实施例中的3种仿真情景的微网运行情况。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施案例对本发明进行深入地详细说明。

本发明实施例的一种考虑多能耦合交互的综合能源微网优化运行方法，属于综合能源系统领域。综合能源微网系统集成了冷、热、电、气多种能源供应转化存储与消费多个环节，供需双侧元件联系紧密，相互之间互动性高。电能和天然气能源品质较高，既可相互转换，也可转换为冷热能源。太阳能、风能作为一次可再生能源可以转换为电能，热能可通过吸收式制冷机转换为冷能，由此可见冷能的能源品质最低。

本发明实施例的一种考虑多能耦合交互的综合能源微网优化运行方法，该运行方法包括以下步骤：

步骤1中，建立的综合能源微网短期运行优化模型最小化运行成本目标函数如式1所示：

C

式中，C

最大程度地消纳可再生能源发电目标函数如下式：

max Q

Q

通过引入权重系数，将多目标转化为单目标:

f＝C

f为总目标，w为权重系数，用于协调系统运行总成本和消纳可再生能源之间的关系，当w取值较小时，优化目标偏向运行成本最低；当w取值较大时，优化目标偏向消纳更多可再生能源。

步骤2建立综合能源微网短期运行约束中的负荷平衡约束。

综合能源微网系统需要满足冷、热、电、气负荷实时平衡，负荷平衡约束条件如下:

H

L

式(6)—(9)分别为电、热、冷、气负荷平衡约束，其中L

步骤3建立综合能源微网短期运行约束中的设备运行约束及外网约束

在综合能源微网系统中，系统与外部网络的交换功率需要维持在一定的范围内:

式中:P

能源转换设备运行约束:

P

此处能源转换设备指风电、光伏、CCHP系统、燃料电池、电制热设备、电制冷设备和电转气设备。式(12)、(13)分别为输出功率上下限和启停次数限制。由于能源转换设备容量较小且启停较快，机组爬坡约束和启停时间约束基本不需要考虑，但设备不能频繁启停，因此仅考虑设备的输出功率上下限制和启停次数约束。P

储能设备运行约束:对于蓄电池储能设备，考量其运行约束主要看荷电比指标，式(14)为蓄电池的荷电比约束。除此之外，蓄电池还有充放电功率约束(式(15)—(18))和充放电唯一性约束式(19)。由于蓄电池的寿命与充放电次数相关，因此蓄电池在调度运行过程中还需要考虑日充放次数约束(式(20)—(21))。为保证微网系统调度的连续性，通常还要求储能设备在调度末期设置成其容量的初始值，因此储能设备还有调度始末时刻保持容量一致的约束条件(式(22))。

0≤P

0≤P

U

式中:R

蓄热和蓄冷设备运行约束类似，主要包含容量约束、充放功率约束、充放唯一性约束、初始时刻与末尾时刻容量保持一致约束。下面以蓄热设备进行说明:

H

0≤H

0≤H

U

H

式中:H

步骤4求解上述优化模型，得到微网内机组的启停计划与出力分配值，依据此结果进行相应的控制与运行。所述优化模型包括步骤1建立的目标函数、步骤2建立的负荷平衡约束、步骤3建立的设备运行约束及外网约束。

本实施例的一种考虑多能耦合交互的综合能源微网优化运行方法，首先建立使得系统总运行成本最低同时尽可能地消纳较多的可再生能源综合能源微网短期运行优化模型目标函数，该目标函数考虑了外部能源供应模型、可再生能源出力模型、CCHP系统及燃料电池出力模型、电转冷-热-气设备出力模型及储能设备模型，接着建立了考虑外网约束、能源转换设备运行约束、储能设备运行约束，通过求解上述优化模型得到微网内机组的启停计划与出力分配值，依据此结果进行相应的控制与运行。本方法在分析分析多种能源转化设备运行特性、外部能源供应特性与多元储能设备运行特性的基础上，对于传统研究较少涉及的含冷、热、电、气4种负荷类型的园区内多能源转换与存储进行集成优化及外部能源供应(即天然气管道运行约束和大电网联络线运行约束)约束等领域展开研究，提高了综合能源微网对于可再生能源的消纳量，并且保证了系统运行的经济性。

为验证本专利所提出的一种考虑多能耦合交互的综合能源微网优化运行方法的有效性，以及探索外部能源供应约束对微网运行的影响，并在MATLAB中编程进行仿真验证。本例采用某园区冷、热、电、气负荷进行分析，设置基本参数进行多情景仿真，仿真情景如图2所示。

图2中情景1的联络线和天然气管道运行约束设为弱约束，也就是仅设置较为宽泛的约束，在本例中联络线弱约束为0～5MW之间，天然气管道弱约束为0～30MW；情景2中对联络线进行了强约束，通过限定上下限使联络线功率仅能在较小范围内调节；情景3中对联络线和天然气管道均设置了强约束。本例的分时电价数据如图3所示，冷、热、电、气负荷与风光机组出力数据采用典型日数据，能源转换设备与储能设备参数分别见表2—4，文中的热量单位kJ均换算成kW来计量，天然气价格取2.5元/m

本实例通过调用Gurobi求解器进行模型求解，首先分析情景1弱约束下的优化结果，验证分时电价下综合能源微网对于大电网的削峰填谷作用。本例中对权重系数的设置为从[0，0.3]，即w取值为0时，微网以总运行成本最低为目标。

图7给出了权重系数取值不同时，微网的运行情况。从上表中可以看出，当权重系数取为0时，微网内有5.47％的风电无法消纳，但此时的系统运行总成本最低，当权重系数变为0.1时，系统运行成本增加0.03万元，风电完全消纳。在实际运行中，决策者可根据具体情况选取合适的权重，进而制定最佳的运行方案。

本例对权重系数为0.1时，即风电完全消纳的优化结果进行分析。图8为外部能源供应优化结果，从图中可以看出由于分时电价的影响，01:00至07:00之间联络线保持在最大功率，而天然气管道的输入量相对白天较少；从08:00开始至23:00结束，天然气管道输入功率较大，综合能源微网系统充分利用天然气作为主要能源供应，将天然气通过系统内的能源转换设备转换为冷、热、电、气多种能源支撑微网运行，而由于白天部分时段电价较高的原因，联络线输入微网的电能较少，甚至在17:00至23:00之间联络线功率降低为零，表示可有效缓解大电网的输电压力，与大电网之间进行友好互动。图9为储能设备的优化运行结果，图中可以看出储能设备可有效实现削峰填谷的作用，储能设备在夜间用电低谷时段进行充电，并在11:00至14:00的用电高峰时期释放夜间储存的能量。

能源转换设备出力优化结果可从图5和图10体现出来，图5为能源转换设备在微网中的启停状态，从图10可以看出，由于微燃机(MT)可进行冷热电三联供，能源利用率高且经济效益较好，在07:00～22:00基本满负荷运行，其余时间出力较低。燃料电池(fuelcell，FC)由于仅能实现电力供应，能源利用效率较低，作为系统备用支撑微网运行，从图中可以看出燃料电池仅在用电高峰时段进行发电，其余时间处于停运状态。从图中可以看出电转气设备一般运行在夜间电价较低同时风电出力较大的情况，体现了电转气设备可有效促进风电的消纳。

下面重点对比3种仿真情景的结果，分析外部能源供应对微网运行的影响。图11和图12分别为情景2和情景3的微网运行示意图。

从图11、12中可以看出，由于外部能源供应的强限制，微网内部分设备的出力发生了变化，比较明显的是燃机和燃料电池的出力曲线，情景1中燃机白天处于满发状态，在情景2和3中白天运行有跟踪电力负荷的趋势，体现出在联络线被限制后微网需要自身发电设备跟踪负荷，燃料电池出力相对于情景1较少，主要是由于联络线最低限制在3MW以上，燃料电池发电的需求相应减少。情景2与情景3的主要区别在于情景3由于联络线和天然气管道均为强约束，系统调节能力大幅下降，出现了风电无法完全消纳的情况。图13给出了在权重系数分别为0和0.3时，3种仿真情景的微网运行情况。总体来说可以得出外部能源供应的约束越强，微网的总运行成本和弃风弃光率均会不同程度地提高。但外部能源供应主体一般希望限定微网的供能范围，从而达到自身的稳定与高效。因此微网运营主体在与电网公司(或售电公司)以及中石油(或中石化等)外部能源供应的主体交易时，可通过协商以较强的外部能源供应约束来换取较低的电价和气价，从而达到双赢，例如在本实例的仿真情景2中，在权重系数为0.3时，相对于情景1微网整体运行成本增加1.19万元，但若联络线的电价下降0.1元，微网整体的运行成本为18.08万元，相对于情景1可降低0.13万元。

现有的综合能源微网对于含冷、热、电、气4种负荷类型的园区内多能源转换与存储进行集成优化的研究较少，而且关于外部能源供应(即天然气管道运行约束和大电网联络线运行约束)对微网运行的影响还未开展深入研究，随着综合能源系统在全国的快速推广，园区内多能源转换与存储是综合能源发展的必然趋势，而且综合能源系统对于外部能源的供应也十分依赖，因此研究考虑多类型能源转换与存储的综合能源微网优化运行方法对于国内综合能源系统的发展推广具有重要意义。本发明实施例通过建立负荷平衡约束、设备运行约束及天然气管道运行约束和大电网联络线运行约束，构成考虑多类型能源转换与存储的综合能源微网优化目标函数。由于考虑多类型能源转换与存储的综合能源微网优化模型考虑了对于含冷、热、电、气4种负荷类型的园区内多能源转换与存储及外部能源供应约束，实现综合能源微网优化目标函数，此时可以保证系统内部包含折旧费用、微网交互费用、运行维护费用以及机组启停费用的系统运行成本最低同时兼顾最大程度消纳可再生能源。

最后应说明的是：

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。