一种考虑热网动态特性的综合能源系统优化调度方法

技术领域

本发明属于综合能源系统优化调度技术领域，提供了一种考虑热网动态特性的综合能源系统优化调度方法。

背景技术

由于社会环境与能源问题的日益严峻，各行各业对电能有了更高要求，为了提高能源的总体利用率，综合能源系统的概念应运而生。综合能源系统致力于整合电能、热能、风能等多种能源，实现多种能源子系统之间的耦合协调，提高能源开发和利用效率，增加其经济和社会效益。热电联供系统是能源互联网中核心耦合单元，突破了传统能源发展的结构，形成了电、气、热多能源为核心的综合能源系统，提高了能源利用率，实现了能源互补，也是未来世界能源发展的重要领域。目前北方的城市在冬季普遍同时承载着供暖和供电的任务，也含有较高的热电联产机组比例，但是传统的热电联产机组，其热电比是固定的，普遍受到“以热定电”的制约，即发电量完全由热负荷决定，可见传统电力、热力能源系统具有较高的耦合性。

电-热综合能源系统其能源供应主要以风电、光伏为主的可再生能源机组提供电能，热电联产机组和电锅炉耦合设备供应热能，并且在合理的调度之下可以实现具有良好的经济效益和低碳减排效果。电-热综合能源系统中可考虑调度配置的资源相比传统资源更多，可以从热源、热力网、热负荷考虑能源在各个环节的动态输送、转换过程。此外，电-热综合能源的研究还考虑耦合单元的相关影响，实现满足供暖和供电的基础上合理调度，同时现实风电等可再生能源的高效消纳。

综上所述，电-热综合能源系统中的高热电耦合特性、风电消纳问题亟需解决。从电-热综合系统的热源、热网的动态特性的着手可以充分利用和挖掘网络中的储能能力，解决电热供需矛盾，促进电-热系统的相互协调运行。因此有需要针对电-热综合能源的热网动态特性设计进行进一步优化。

发明内容

本发明的目的是提供一种考虑热网动态特性的综合能源系统优化调度方法，解决了现有技术存在的有需要针对电-热综合能源的热网动态特性设计进行进一步优化的问题。

本发明所采用的技术方案是，

一种考虑热网动态特性的综合能源系统优化调度方法，具体按照如下步骤进行：

步骤1、输入电热综合能源系统数据，其中包括各个设备的相关参数，热力网络参数和电力网络负荷需求的预测值；

步骤2、根据参与优化调度的电力系统和热力系统，根据得到的数据建立电热能源系统对应的数学模型；

步骤3、根据热力系统中热力网络的参数，构建计及热力网络动态特性模型；

步骤4、获取电热综合能源系统及其接入耦合单元的参数，利用增量线性化方法将模型线性化并使用CPLEX求解电热综合能源系统模型，得到综合能源系统优化调度方案。

本发明的特点还在于，

在步骤2中，电热综合能源的数学模型建立，是通过针对电力系统、热力系统的能量传输模式抽象化使用数学模型表示。

在步骤2中，电力系统包括的发电机组、输配电线路、电力负荷，在运行过程中需要满足如下条件：

步骤2.1：功率平衡约束；

其中，P

步骤2.2：机组出力约束；

其中，P

步骤2.3：机组爬坡约束；

其中，

在步骤3中，根据热力网络参数及建模理论，对热网管道建模，具体为：

步骤3.1：构建如下公式(5)的热功率平衡约束；

其中，

步骤3.2：构建换热站热功率需求，如下公式(6)和(7)：

换热站热功率需求可以表示为：

其中，

步骤3.3：构建如下公式(8)的热力网络约束；

其中，Ω

步骤3.4：构建如下公式(12)的热力动态特性：

针对热网管道的温度损耗、传输时延两个最主要的动态特性，其状态过程受到下述偏微分方程的约束：

其中，τ

在步骤4中，针对步骤2构建的数学模型中存在的设备非线性特性，利用增量线性化方法将模型线性化，以便来使用常规CPLEX求解器求解电热综合能源系统模型，目标函数如下公式(22)：

其中，

本发明的有益效果是：本发明一种考虑热网动态特性的综合能源系统优化调度方法，充分利用了电热综合能源系统中热力网络的动态特性即热力管道的传输时延及温度损耗特性，以及综合能源系统中所存在的耦合单元，原理简单、易于实现，使得电热综合能源系统调度结果更加符合实际，具有一定的工程实用价值。

附图说明

图1是本发明一种考虑热网动态特性的综合能源系统优化调度方法的流程图。

图2是本发明一种考虑热网动态特性的综合能源系统优化调度方法的用于实例的电热综合能源系统示意图。

图3是本发明一种考虑热网动态特性的综合能源系统优化调度方法的中热力网络中热网管道垂直剖面图。

图4是本发明一种考虑热网动态特性的综合能源系统优化调度方法的中所使用的典型日电力、热力负荷变化曲线。

图5是本发明一种考虑热网动态特性的综合能源系统优化调度方法的中得到的热网管道流量图。

图6是本发明一种考虑热网动态特性的综合能源系统优化调度方法的中得到的热网节点温度图。

图7是本发明一种考虑热网动态特性的综合能源系统优化调度方法的中CHP出力功率图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明一种考虑热网动态特性的综合能源系统优化调度方法进行进一步详细说明。

如图1所示，本发明综合能源系统优化调度方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、输入电热综合能源系统数据，主要包括各个设备的相关参数，热力网络参数和电力网络负荷需求的预测值等。

步骤2、考虑参与优化调度的电力系统和热力系统，根据得到的数据建立电热能源系统对应的数学模型。

在电力系统主要包括的发电机组、输配电线路、电力负荷等，在运行中需要考虑满足以下条件：

1)功率平衡约束；

其中，P

2)机组出力约束；

其中，P

3)机组爬坡约束；

其中，

步骤3、考虑热力系统中热力网络的参数，构建计及热力网络动态特性模型。

根据热力网络参数及建模理论，可以对热网管道建模。

1)热功率平衡约束；

其中，

2)换热站约束，

换热站热功率需求可以表示为：

其中，

3)热力网络约束；

在节点的管网交汇处遵循节点温度混合规律，可以认为所有水流温度在该节点的出口充分混合，且混合温度等于所有流出该节点的管道出口温度。

其中，Ω

4)热力网络动态特性约束；

针对热网管道的温度损耗、传输时延两个最主要的动态特性，其状态过程受到下述偏微分方程的约束：

其中，τ

偏微分方程建立得模型使得优化调度的求解复杂度增加，因此本发明采用节点法对热网管道偏微分方程组模型线性化建模，可以充分考虑管道内能流传输的温度损耗和传输时延过程。

其中，热力网络动态特性约束的温度损耗和传输时延两个动态特性具体为：

1)传输时延

图3为热网管道的垂直剖面，其中ρ为水的密度；L为管道长度；ρAL为管道汇总所含热水总质量；ms

因此，管道的出口温度可以表示为Δt时间内流出的水流温度线性加权，但由于传输时延，其温度分别对应其注入时刻的管道入口温度。

其中，

2)温度损耗

计及热水在传输过程中在管道中和外界发生热交换时的温度损失，将管道出口的温度使用苏霍夫温降公式修正。

其中，

采用质调节作为热力系统的供热调整方式，仅需调整循环热水温度，保持热网中水流量不变，把热网水压与热网热力状态的控制解耦了，简化了热网调度的复杂程度。在质调节下，热网动态模型是线性化的。

步骤4、获取电热综合能源系统及其接入耦合单元的详细参数，利用增量线性化方法将模型线性化并使用CPLEX求解该电热综合能源系统模型，得到计及热网动态特性的电-热综合能源系统优化调度方案。

提出的优化调度目标为使得电-热综合能源系统的总运行成本最小、弃风惩罚成本最小，目标函数如下所示：

上述目标函数包括电力系统内常规火电机组运行成本最小、系统弃风惩罚成本最小、网络功率平衡成本最小、和热力系统内热电联产机组运行成本最小。

常规火电机组运行成本为：

其中，a

系统弃风惩罚成本为：

其中，

网络功率平衡成本为：

其中，C

本发明一种考虑热网动态特性的综合能源系统优化调度方法通过调用CPLEX求解所建立的电热综合能源系统模型得到电热综合能源中CHP单元出力情况，即考虑热网动态特性下电热能源系统的最佳优化调度方案。

下面通过具体的实施例对本发明一种考虑热网动态特性的综合能源系统优化调度方法进行详细解释说明；

作为一种实施例，首先选用标准测试系统IEEE33母线电力系统进修改，并将其与16节点热力系统进行组合，共同构成仿真所用到的电-热综合能源系统算例进行仿真测试，如图2所示。将风电场接入电力系统母线节点16，风电场额定出力都是1.5MW，为最大限度消纳风电，减少弃风现象的发生，设置弃风惩罚费用100$/(MW·h)。综合能源系统中发电设备和耦合设备的耦合关系详见表1。该算例以24小时为一个优化周期，调度时间间隔设置为1h，选用的典型日风电场出力和电、热能源系统一天内负荷需求情况见图4，电网负荷夜间达到谷值，日渐中午12点左右和晚上10点左右达到峰值，为用电高峰期。本文为秋季某天的日负荷曲线，因此热网夜间为其峰值，白天逐步减少，下午6点下班时迎来一个小高峰。

表1综合能源系统中发电设备和耦合设备的耦合关系

热源节点1、9节点的出口水温均设为130℃，1号、6号管道出口流量均为50(kg/s)。则热网潮流的计算结果如图5、图6所示。其中，图5为热网管道流量，图6位热网节点的供给温度和返回温度。

使用cplex工具箱构建优化调度模型进行求解，以电-热系统总运行成本最小为优化目标，分三种情况：

Case1：不考虑热网动态特性；

Case2：考虑热网传输延时；

Case3：考虑热网传输延时和温度损耗。

对比分析以上三种情况的不同，验证热网动态特性对综合能源系统的影响，进一步挖掘了综合调度运行的效益潜力。

表2为不同场景下运行成本和系统储能，考虑热网传输延时不会减小系统的总运行成本，只会增加系统的总储能；在考虑热网传输延时的基础上考虑温度损耗，虽然系统的总运行成本增加了，但更接近实际情况，符合动态特性的影响。

表2不同场景下运行成本和系统储能

图7为CHP单元功率，由于从0点～8点之间(不包括凌晨2点)风机输出功率处于较高的水平，配电网向主电网传输的功率处于较高的水平。但因为该时段的电价较低，因此，CHP单元的功率较低，在凌晨2点时，风机功率突然降低，导致CHP单元功率必须提高以满足电负荷。在用电负荷与电价较高的11点～15点和18点～21点这2个时段，CHP单元功率很高，使尽量多的功率传输到主电网以获得更多收益。风机的功率在晚上23点时很低，不同于凌晨2点，该时刻的电负荷处于较高的水平，CHP单元发出的功率不能满足负荷的需求，因此配电网从主电网吸收功率与CHP单元共同满足电负荷。

通过计及不同程度下的热力网络动态特性算例调度结果对比，说明了考虑温度损耗及传输时延情况下，电热综合能源系统具有更好的经济效益，而且得到了具有更加符合实际情况的调度结果。

本发明一种考虑热网动态特性的综合能源系统优化调度方法，原理简单、易于实现，使得电热综合能源系统调度结果更加符合实际，采用本方法所建立的优化调度模型具有一定的实用性。