一种区域温室综合能源系统优化运行方法及系统

技术领域

本本发明属于新型电力系统综合能源领域，特别是涉及到一种区域温室综合能源系统优化运行方法及系统。

背景技术

能源是改善农民生活质量、促进农业发展、改善环境的重要保障。并且能源危机与环境污染日渐严重，资源利用不充分，造成能源浪费现象较为突出，新能源消纳困难，碳排放较为严重。能源互联网的发展可有效改善这种情况，能源互联网是以电力系统网络为核心，在互联网的基础之上耦合了天然气系统网络、冷力系统网络、热力系统网络等其他网络的复杂多能流网络系统。将能源互联网引入农业温室发展中可有效达到碳中和碳达峰的目标，促进新能源的消纳。

当前，电力系统网络潮流计算已经十分的成熟，主要的算法有如前推回代法、Zbus高斯法、快速解耦法等，但牛顿拉夫逊法仍是计算潮流的主流方法。天然气潮流网络部分文献采用二阶锥松弛优化，并在许多文献中对于综合能源系统整体优化运行相关的问题已采用较多的数学方法是混合整数线性规划法和混合整数非线性程序仿真。目前大部分学者在研究综合能源系统、聚光太阳能发电CSP电站、有机工质朗肯循环ORC余热发电都是从工业园区及居民区角度考虑，温室中的动植物对于电冷热需求更加敏感，鲜有文献从温室角度考虑综合系统。并且大部分研究都集中在气电综合能源系统的优化调度问题方面，很少有电热冷气综合能源配网系统的优化运行问题研究。

在“双碳”目标的背景下，逐渐减少煤炭的使用量降低系统高碳排放，转而使用相对清洁的天然气、电能作为能源供给，满足农业设施采暖等需求。另外大部分学者在研究综合能源系统、聚光太阳能发电CSP电站、有机工质朗肯循环ORC余热发电都是从工业园区及居民区角度考虑，温室中的动植物对于电冷热需求更加敏感，鲜有文献从温室角度考虑综合系统。而且大部分研究都集中在气电综合能源系统的优化调度问题方面，很少有电热冷气综合能源配网系统的优化运行问题进行研究。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种电冷热气互联的区域温室综合能源系统优化运行方法及系统，以解决现有技术问题。

本发明提出了一种区域温室综合能源系统优化运行方法，所述方法具体包括如下步骤：

步骤1：构建目标函数；

考虑电冷热气的区域温室综合能源系统优化运行模型以总成本最小。目标函数考虑系统带来的购售电费用C

式中：

步骤2：供热与供冷系统运行特性分析；

吸收制冷机所满足的功率约束如下：温室供热系统的通过供水管道将供热源产生的热水输送到用户侧，经过热量交换后，再通过回水管道输送回热源侧进行循环加热；热水在传输过程中会由于管道较长导致热量损失，一部分热量会留存在管道中；并且热水会在传输过程中与周围环境温度的温度差从而进行热交换，导致温度下降；因此，供热系统模型可表示为：供水管道的温差计算模型、供热系统热负荷功率、供回水管道水温约束、流进和流出节点的管道流体温度混合模型；

流量平衡方程：

A

式中：A

B

式中：B

水头损失计算公式为：

Δh

式中：K

供水管道的温差计算模型为：

供热系统热负荷功率为：

供回水管道水温约束为：

流进和流出节点的管道流体温度混合模型为：

式中：

步骤3：天然气系统运行特性分析；

天然气运行特性分析主要由天然气管道传输模型、气源模型以及天然气功率平衡约束组成；

S301天然气管道传输模型；采用的是非线性模型Weymouth方程描述天然气节点气压与管道潮流间的关系：

式中：

天然气网络满足流量连续性方程为：

A

式中：Ag为天然气网络的节点-支路关联矩阵；g为管道流量列向量；L为节点流量列量；

S302气源模型；天然气从气井被开采后需要经过精炼厂提纯，单位时间内的出气量受气井处设备容量的限制：

其中，t和h分别为投建年份和负荷块索引；

S303天然气功率平衡约束；

式中：g

步骤4：电力系统运行特性分析；

电力系统模型使用常规的标幺化潮流方程，节点注入的复功率为：

式中：P

电功率平衡约束为：

式中：P

步骤5：设备能源运行特性分析；

能源设备在运行的过程中包含多种设备相互耦合，包括：有机工质朗肯循环ORC余热发电模型、聚光太阳能发电CSP光热电站模型、燃气轮机模型、燃气锅炉模型、电转气P2G设备、电制冷机EC模型、吸收式制冷机AC模型、余热锅炉WH模型以及储热水箱模型；

S501有机工质朗肯循环ORC余热发电模型；ORC余热发电是指利用以常压下沸点为15.3℃为代表的、具有低沸点特性的有机物为工质的发电技术，用于实现250℃以下低品位余热回收发电，其模型如下：

式中：P

S502聚光太阳能发电CSP光热电站模型；CSP光热电站通常含有3个主要部分：光场，储热系统以及热力循环系统；在CSP系统运行的过程中由光场收集热量存进储热系统供给热能，传热工质在传热过程中产生的蒸汽可带动汽轮机组发电；具体模型如下：

式中：

S503燃气轮机模型；

式中：P

S504燃气锅炉模型；

式中：

S505电转气P2G设备模型；

式中：

S506电制冷机EC模型；

式中：P

S507吸收式制冷机AC模型；

式中：

S508余热锅炉WH模型；

式中：

S509储热水箱模型；

式中：ΔS

步骤6：系统模型求解方法；

S601电力系统模型求解方法；电力系统采用统一迭代的方法求解电力网络的状态变量；基于统一求解的方法求解综合能源系统电力网络潮流的迭代公式：

y

其中，y表示电力网络的状态变量；ΔM表示电力网络的不平衡量；J是迭代矩阵；

电力网络方程对电力网络状态变量的导数矩阵为：

其中各元素计算如下所示：

式中：为节点有功功率和无功功率分别对电压幅值V和相角θ的导数；

S602混合整数线性规划；设备能源部分采用混合整数线性规划方法，混合整数线性规划是在线性规划的基础上要求某些变量取整，而线性规划一般用单形法求解，混合整数线性规划在线性规划求解的实数解的基础上，用分支限界法求解；具体数学模型如下：

其中：

C＝[c

b＝[b

式中：Z为目标函数值，C为目标函数系数构成的行向量，X为目标函数中的自变量，A为约束方程组系数矩阵，b为约束方程组常数项，B为系数增广矩阵；

设模型的可行域为：

D＝{x|AX＝b,x≥0} (35)

在该可行域内依次更换基本可行解，直到能判断出无最优解或者能求出最优解；

S603二阶锥松弛优化；天然气网采用二阶锥优化方法进行求解；首先Weymouth方程松弛为二阶锥约束：

Weymouth潮流方程是非线性的，在模型求解方面会带来较大的困难，可以利用泰勒级数展开方法来对天然气潮流方程进行线性化处理，从而将非线性规划问题转化为混合整数线性规划问题；为保证在迭代的过程中的快速收敛性，引入一个极小值辅助变量ε

在这里引入泰勒公式，进行一阶泰勒展开，如下所示：

在二阶锥优化中引入一阶泰勒展开的方法有助于在保证二阶锥高精度的基础上进一步提高计算效率；系统在经过计算，直到

优选的，所述步骤5中的聚光太阳能发电CSP光热电站模型，还包括如下约束方程：

S201 CSP储热容量约束：

式中：ΔQ

S202 CSP汽轮机启动约束：

式中：

S203 CSP汽轮机发电约束：

式中：P

S204 CSP弃热约束：

式中：

本发明还提出了一种区域温室综合能源系统，所述区域温室综合能源系统适用于本发明的优化运行方法，包括电力系统网络、大电网、天然气源网络、电转气P2G设备、冷力系统网络、热力系统网络、用户负荷和温室大棚；

所述电力系统网络包括光伏发电、风力发电、聚光太阳能发电CSP系统和有机工质朗肯循环ORC余热发电系统；其中，所述聚光太阳能发电CSP系统和有机工质朗肯循环ORC余热发电系统进行电力汇集，然后再与所述光伏发电、风力发电、大电网进行电力汇集，共同用于所述冷力系统网络、热力系统网络和用户负荷的稳定供电；

所述电转气P2G设备用于将富余的电力转化为天然气；

所述天然气源网络与所述电转气P2G设备进行燃气汇集，共同用于所述热力系统网络的稳定供气；

所述热力系统网络包括燃气锅炉、燃气轮机、余热锅炉、电锅炉和蓄热水箱；其中，所述燃气锅炉将天然气转化为热能；所述电锅炉将电能转化为热能；所述燃气轮机将天然气转化为电能，用于所述用户负荷的稳定供电；所述余热锅炉存储所述燃气轮机的工作余热，并与所述燃气锅炉和电锅炉输出的热能、所述聚光太阳能发电CSP系统和有机工质朗肯循环ORC余热发电系统的工作余热进行热力汇集，共同存储于所述蓄热水箱；所述蓄热水箱用于所述冷力系统网络和用户负荷的稳定供热；

所述冷力系统网络包括电制冷机和吸收式制冷机；其中，所述电制冷机将电能转化为冷能；所述吸收式制冷机将所述蓄热水箱输出的热能转化为冷能，并与所述电制冷机输出的冷能进行冷力汇集，共同用于所述用户负荷的稳定供冷；

所述用户负荷包括电负荷、冷负荷和热负荷；所述电负荷使用所述电力系统网络、大电网和燃气轮机发出的电能，用于所述温室大棚的生产供电；所述冷负荷使用所述冷力系统网络发出的冷能，用于所述温室大棚的生产供冷；所述热负荷使用所述热力系统网络发出的热能，用于所述温室大棚的生产供热。

同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)本发明提出了含有聚光太阳能CSP电站和有机工质朗肯循环ORC余热发电系统的电冷热气温室综合能源系统，从温室的角度考虑综合能源系统、CSP电站、ORC余热发电，健全并丰富了当前的综合能源研究方向，对于温室的农业生产具有十分重要的指导意义。

(2)本发明首先建立以经济性为目标的系统总成本，其次考虑热力系统网络运行特性、冷力系统网络运行特性、天然气系统网络运行特性和电力系统网络运行特性下各个耦合设备的能量约束，通过对电力系统的潮流计算，热冷力系统采用混合整数线性规划进行优化，对于天然气系统引入二阶锥松弛与泰勒展开相结合的方法进行优化，提高了系统的精度问题，促进了新能源的消纳以及环境的保护。

附图说明

图1为本发明提出的一种区域温室综合能源系统优化运行方法的流程图；

图2为本发明对区域温室的电冷热气综合能源系统进行算例分析的电力系统各节点电功率图；

图3为本发明对区域温室的电冷热气综合能源系统进行算例分析的电力系统各节点相角图；

图4为本发明对区域温室的电冷热气综合能源系统进行算例分析的热力系统各节点供水温度图；

图5为本发明对区域温室的电冷热气综合能源系统进行算例分析的热力系统各节点回水温度图；

图6为本发明对区域温室的电冷热气综合能源系统进行算例分析的冷网各节点供水温度图；

图7本发明对区域温室的电冷热气综合能源系统进行算例分析的冷网各节点回水温度图；

图8本发明对区域温室的电冷热气综合能源系统进行算例分析的温室综合能源系统最优热负荷图；

图9本发明对区域温室的电冷热气综合能源系统进行算例分析的温室综合能源系统最优冷负荷图；

图10本发明对区域温室的电冷热气综合能源系统进行算例分析的CSP系统弃热量与ORC余热发电系统关系图；

图11本发明对区域温室的电冷热气综合能源系统进行算例分析的CSP储热系统热量变化图；

图12为本发明提出的一种区域温室综合能源系统的拓扑图。

具体实施方式

为了能够进一步了解本发明的结构、特征及其他目的，现结合所附较佳实施例附以附图详细说明如下，本附图所说明的实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非限定本发明。

如图1所示，图1为本发明提出的一种区域温室综合能源系统优化运行方法的流程图；所述方法具体包括如下步骤：

步骤1：构建目标函数；

考虑电冷热气的区域温室综合能源系统优化运行模型以总成本最小。目标函数考虑系统带来的购售电费用C

式中：

步骤2：供热与供冷系统运行特性分析；

吸收制冷机所满足的功率约束如下：温室供热系统的通过供水管道将供热源产生的热水输送到用户侧，经过热量交换后，再通过回水管道输送回热源侧进行循环加热；热水在传输过程中会由于管道较长导致热量损失，一部分热量会留存在管道中；并且热水会在传输过程中与周围环境温度的温度差从而进行热交换，导致温度下降；因此，供热系统模型可表示为：供水管道的温差计算模型、供热系统热负荷功率、供回水管道水温约束、流进和流出节点的管道流体温度混合模型；

流量平衡方程：

A

式中：A

B

式中：B

水头损失计算公式为：

Δh

式中：K

供水管道的温差计算模型为：

供热系统热负荷功率为：

供回水管道水温约束为：

流进和流出节点的管道流体温度混合模型为：

式中：

步骤3：天然气系统运行特性分析；

天然气运行特性分析主要由天然气管道传输模型、气源模型以及天然气功率平衡约束组成；

S301天然气管道传输模型；采用的是非线性模型Weymouth方程描述天然气节点气压与管道潮流间的关系：

式中：

天然气网络满足流量连续性方程为：

A

式中：Ag为天然气网络的节点-支路关联矩阵；g为管道流量列向量；L为节点流量列量；

S302气源模型；天然气从气井被开采后需要经过精炼厂提纯，单位时间内的出气量受气井处设备容量的限制：

其中，t和h分别为投建年份和负荷块索引；

S303天然气功率平衡约束；

式中：g

步骤4：电力系统运行特性分析；

电力系统模型使用常规的标幺化潮流方程，节点注入的复功率为：

/>

式中：P

电功率平衡约束为：

式中：P

步骤5：设备能源运行特性分析；

能源设备在运行的过程中包含多种设备相互耦合，包括：有机工质朗肯循环ORC余热发电模型、聚光太阳能发电CSP光热电站模型、燃气轮机模型、燃气锅炉模型、电转气P2G设备、电制冷机EC模型、吸收式制冷机AC模型、余热锅炉WH模型以及储热水箱模型；

S501有机工质朗肯循环ORC余热发电模型；ORC余热发电是指利用以常压下沸点为15.3℃为代表的、具有低沸点特性的有机物为工质的发电技术，用于实现250℃以下低品位余热回收发电，其模型如下：

式中：P

S502聚光太阳能发电CSP光热电站模型；CSP光热电站通常含有3个主要部分：光场，储热系统以及热力循环系统；在CSP系统运行的过程中由光场收集热量存进储热系统供给热能，传热工质在传热过程中产生的蒸汽可带动汽轮机组发电；具体模型如下：

式中：

S503燃气轮机模型；

式中：P

S504燃气锅炉模型；

式中：

S505电转气P2G设备模型；

式中：

S506电制冷机EC模型；

式中：P

S507吸收式制冷机AC模型；

式中：

S508余热锅炉WH模型；

式中：

S509储热水箱模型；

式中：ΔS

步骤6：系统模型求解方法；

S601电力系统模型求解方法；电力系统采用统一迭代的方法求解电力网络的状态变量；基于统一求解的方法求解综合能源系统电力网络潮流的迭代公式：

y

其中，y表示电力网络的状态变量；ΔM表示电力网络的不平衡量；J是迭代矩阵；

电力网络方程对电力网络状态变量的导数矩阵为：

其中各元素计算如下所示：

式中：为节点有功功率和无功功率分别对电压幅值V和相角θ的导数；

S602混合整数线性规划；设备能源部分采用混合整数线性规划方法，混合整数线性规划是在线性规划的基础上要求某些变量取整，而线性规划一般用单形法求解，混合整数线性规划在线性规划求解的实数解的基础上，用分支限界法求解；具体数学模型如下：

其中：

C＝[c

b＝[b

式中：Z为目标函数值，C为目标函数系数构成的行向量，X为目标函数中的自变量，A为约束方程组系数矩阵，b为约束方程组常数项，B为系数增广矩阵；

设模型的可行域为：

D＝{x|AX＝b,x≥0} (35)

在该可行域内依次更换基本可行解，直到能判断出无最优解或者能求出最优解；

S603二阶锥松弛优化；天然气网采用二阶锥优化方法进行求解；首先Weymouth方程松弛为二阶锥约束：

Weymouth潮流方程是非线性的，在模型求解方面会带来较大的困难，可以利用泰勒级数展开方法来对天然气潮流方程进行线性化处理，从而将非线性规划问题转化为混合整数线性规划问题；为保证在迭代的过程中的快速收敛性，引入一个极小值辅助变量ε

在这里引入泰勒公式，进行一阶泰勒展开，如下所示：

在二阶锥优化中引入一阶泰勒展开的方法有助于在保证二阶锥高精度的基础上进一步提高计算效率；系统在经过计算，直到

对本发明的电冷热气的温室综合能源系统进行算例分析，以采用标准的IEEE9节点电力系统、8节点热力系统、4节点冷力系统和6节点天然气系统耦合而成的电冷热气综合能源系统进行算例分析，验证优化运行方法的可行性与有效性。设备采用1台吸收式制冷机，2台电制冷机，2台燃气锅炉，3台燃气轮机，1台储热水箱，2台余热发电系统，1台P2G，1个CSP光热电站，1台WH作为系统供能。

表1系统经济性成本

由表可知系统考虑弃风时总成本为46280.65元，弃风成本为11083.27元；考虑弃光时总成本为45409.43元，弃光成本为10212.05元；考虑风光时总成本为35197.38元，系统在加入风光运行是可有效降低系统从电网购电成本，为用户增加经济性。

如图2和图3所示，图2和图3分别为节点电功率与节点相角，选取节点1、4、5为PV节点，其他为PQ节点。在节点1处接入光伏和风机，节点2处接入电制冷机和P2G设备，节点4处接入CSP电站和一台ORC余热发电机组，节点5处接入燃气轮机和第二台ORC余热发电机组。按照温室对于电负荷的需求，得出电力系统网络在不同时刻各节点的电功率与相角。

图4和图5分别为热力系统各个节点供水温度以及回水温度。在热网中采用7条管道，管道中最低流速为0.19kg/s，最大流速为0.4kg/s，供热及回热流量标幺值为0.042p.u～0.126p.u，由图可知节点供热温度在60℃～75℃之间，节点回水温度在45℃～60℃之间，水温度下降了0℃～20℃用来向需求侧进行换热。

图6和图7分别为冷力系统各个节点供水温度以及回水温度。在冷网中采用3条管道，管道中最低流速为0.2kg/s，最大流速为0.4kg/s，供冷水及回水流量标幺值为0.063p.u～0.15p.u，由图可知节点供冷水温度在0℃～0.006℃之间，节点回水温度在10℃～15℃之间，水温度升高了0℃～15℃用来向需求侧进行换热。

由于能源供给侧存在大量耦合产能设备，系统运营商可以根据系统外部能价、可再生能源出力等数据，优化设定系统内部电价和各类产能设备生产方案，实现系统供需双侧的优化运行。

运行风光消纳碳排放问题以及需求侧冷负荷响应设备出力情况如图9所示，供冷工况下，在0点至9点以及19点至24点时段内温室冷负荷需求整体较高，吸收式制冷机需要开启较大功率，2台电制冷机才可满足冷负荷需求，在10点至18点时段冷负荷需求下降，此时开启吸收式制冷机和一台电制冷即可满足用户侧需求，在12点和18点需要全部开启。热冷负荷设备运行优先调度结果如图8所示。

图10为CSP弃热量与第二台ORC余热发电系统的关系，由图可以看出CSP的丢弃热量曲线与ORC余热发电系统吸收的热量是相等的，这说明在CSP电站系统中丢弃的热量全部转移到了ORC余热发电系统中去了。且在2点至6点及19点时刻CSP所丢弃的热量为0kW，此时与CSP电站的储热系统既没有充热也没有放热，且由于在夜间CSP系统集热板并未工作，内部的汽轮机也未工作，因此CSP的弃热量为0kW。图11为CSP储热系统热量变化曲线，由图可以看出储热系统内部热量在1点至6点不变化，至7点时刻储热系统进行充热大概300kW，总热量由600kW上升至900kW，8点时储热系统放热200kW,储热系统总热量由900kW下降到了700kW,之后的时刻随着储热系统的充放热，整体热量也随着波动，总热量最大达到了1500kW，最低600kW，一日之内充放热的功率相等。

需要声明的是，上述发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理内，当可作各种修改、等同替换或改进。本发明的保护范围以所附权利要求书为准。