一种含控制策略的工业园区综合能源系统优化调度与评价系统和方法与流程

本发明属于综合能源系统优化调度领域，是一种含控制策略的工业园区综合能源系统优化调度与评价系统和方法。

背景技术：

随着对综合能源系统越来越广泛的关注和深入的研究，综合能源系统接入配电网在未来将会是一个普遍的现象，综合能源系统可以提供多种能源供应，在工业园区中应用广泛，相对传统火电机组发电或者单一机组发电在能源利用效率、环境友好性方面具有更大的优势。综合能源系统的优化调度备受研究者关注，通过优化调度，使得综合能源系统运行更加经济，调度分为日前优化调度和实时优化调度两阶段。日前调度是基于日前的负荷预测值，然而负荷预测存在误差，在实时调度阶段，提前一定的时间，结合当时的因素变化情况，对于已得到的负荷预测结果以及计算出的优化调度曲线进行适当的修正，在系统运行的当前时刻生成实时的调度指令，实现对于系统的优化。控制策略的加入使得综合能源系统运行更加灵活、经济。目前尚没有很全面的系统和方法可以对工业园区配置下的含控制策略的综合能源系统进行优化调度和指标评价。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提出一种含控制策略的工业园区综合能源系统优化调度与评价系统和方法，将综合能源系统的日前优化调度问题和实时优化调度问题结合在一起，使得综合能源系统经济运行，并在实时调度阶段加入可选控制策略，使得综合能源系统运营商和用户都受益，综合能源系统运行更加灵活、经济。

本发明的技术方案是，一种含控制策略的工业园区综合能源系统优化调度与评价系统，其特征是所述系统包括：配电网运营商，综合能源系统调度中心，综合能源系统设备和冷、热、电负荷用户；所述配电网运营商与综合能源系统调度中心相连；所述综合能源系统调度中心与综合能源系统设备和冷、热、电负荷用户相连。

配电网运营商用于与综合能源系统调度进行功率交换；综合能源系统调度中心用于优化综合能源系统内部各个设备的出力，并下发调度指令，包括下发直接负荷控制策略信息给所述电负荷用户；在读取冷、热负荷用户需求调节信息后下发调度指令调节冷、热机组的出力；下发恒功率控制和离并网控制调度信息给配网运营商。综合能源系统设备用于接收调度中心调度指令，通过自身控制实现机组出力满足调度要求；冷、热、电负荷用户用于接收调度中心的控制策略信息和上传用户自己的需求调节信息，完成基于轮询激励的需求响应过程和温度调节。

工业园区综合能源系统是针对工业园区设计的大型综合能源系统，机组配置有燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机、板式换热器和蒸汽型溴化锂机组，机组采用“1+1”模式的燃气-蒸汽联合循环机组，根据夏季供冷和冬季供热不同运行方式，可选择不同的系统结构，夏季选择溴化锂机组利用余热锅炉的低压蒸汽制冷，冬季选择板式换热器利用余热锅炉余热制热，可提供电、冷、热、蒸汽多种能源。

一种含控制策略的工业园区综合能源系统优化调度与评价方法，其特征是所述方法，包括下列步骤：

步骤1：日前调度时刻，对日前的冷、热、电负荷进行预测，生成负荷预测曲线；

步骤2：输入各个机组性能参数、交换功率参数和天然气参数，其中机组性能参数包括机组的热效率、电效率、维护费用、发电容量；

步骤3：建立考虑经济性最优的日前调度模型，目标函数为综合能源系统调度周期内运行维护费用最低，约束条件包括机组容量约束、交换功率约束、上下游机组出力匹配约束、冷平衡约束、热平衡约束、电平衡约束；

步骤4：利用内点法求解模型，得最优日前机组出力和交换功率值；

步骤5：实时调度时刻，根据负荷预测误差，修正负荷预测结果；

步骤6：是否选择控制策略，若选择控制策略，则进入步骤7，若未选择控制策略，则进入步骤8；

步骤7：可复选控制策略集合中的一个或者几个，控制策略包括并网点恒功率控制、离并网控制、用户直接负荷控制和用户温度控制；

步骤8：建立并考虑经济性最优的实时调度模型，修正实时调度曲线；

步骤9：输入指标评价参数，评价综合能源系统，指标涵盖经济性、环保性和节能性。

机组性能参数包括机组的热效率、电效率、维护费用、发电容量。机组有燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机、溴化锂机组和板式换热器，燃气轮机参数由燃气轮机容量燃气轮机热效率rfrgt，燃气轮机电效率ηgt和燃气轮机维护费用mgt；余热锅炉参数包括余热锅炉容量余热锅炉热回收效率ηb，余热锅炉热量分配系数α和余热锅炉维护费用mb；蒸汽轮机参数包括容量热效率rfrst，电效率ηgt和维护费用mst；溴化锂机组参数包括容量制冷系数copli和维护费用mli；板式换热器参数包括容量热回收系数rfrp和维护费用mp；交换功率参数包括交换功率容量购电电价pb和售电电价ps；天然气参数包括天然气单位立方米价格pg和天然气热值ccal。

目标函数为：

c＝cg+cex+cm

其中，c为系统总运行维护成本；cg为燃气轮机的天然气成本；cex为综合能源系统与大电网交换功率成本；cm为系统维护成本。

机组容量约束需要满足自身出力上下限：

交换功率约束为：

上下游机组出力匹配约束，位于系统能量上游的机组热量出力要不小于下游机组出力。

冷、热、电平衡约束要求系统产生的冷、热、电和蒸汽至少大于冷、热、电、蒸汽负荷的需求，以供系统自由选择以热定电或者以电定热的运行模式。

在直接负荷控制下，调度侧下发需要削减(或者增加)的总负荷数和补偿电价来激励用户参与负荷削减(或者增加)，用户侧有自己的可削减负荷(或者可增加负荷)和削减(或者增加)相应负荷时的满意补偿电价，用户侧接收到负荷削减(或者增加)信息后，在达到自身满意补偿电价后上报执行削减(或者增加)负荷的信息，如果一次问询之后还未获得全部削减(或者增加)负荷，则增加一定价格梯度的电价，继续询问，直到达到总削减(或者增加)负荷，再执行削减(或者增加)负荷指令。此类控制方式中提出轮询激励型需求响应策略，对于调度侧来说，通过逐次增加一定梯度的电力交易价格，使得调度侧补偿成本最低，用户侧也获得了满意的补偿电价，同时考虑了用户侧与调度侧的利益，最终制定出对两个双侧均有利的交易电量和价格。

所述控制策略中的用户温度控制。用户侧与调度侧通过实时数据库交互，用户侧通过持有的移动设备上的应用来上报下一时刻需要调节的温度，调度侧根据t时刻用户上报的设定温度测量的室内温度室外温度和建筑本身的性能参数：建筑热阻r，空气比热cair，计算出达到下一时刻温度冷(或者热)负荷的变化量叠加在原始冷(或者热)负荷曲线上，最终调节机组出力，满足用户冷(或者热)调节需求。

夏季时冷量变化为：

下一时刻系统的冷负荷需求为

其中，qc^t为温度调节前系统中为维持原温度所需的冷量。

冬季时，为了实现该温度变化，该系统的热量变化为：

下一时刻系统的热负荷需求为

其中，qh^t为温度调节前系统中为维持原温度所需的热量。

本发明提出的含控制策略的工业园区综合能源系统优化调度与评价系统和方法，不需额外的投资，思路清晰，在调度过程中充分考虑到负荷预测的误差和用户与系统的互动，考虑到负荷预测的误差，优化调度分为日前优化和实时优化；考虑用户与系统的互动，加入控制多种控制策略，使得综合能源系统运行更经济、灵活。

附图说明

图1(a)和(b)是工业园区综合能源系统结构图；

图2是本发明的含控制策略的工业园区综合能源系统优化调度与评价方法流程图；

图3是负荷预测曲线；

图4是实时优化调度界面。

具体实施方式

下面结合附图，对含控制策略的工业园区综合能源系统优化调度与评价系统和方法作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

实施例1

图1是工业园区综合能源系统结构图。图1(a)是夏季集中供冷运行方式结构图，图1(b)是冬季集中供热运行方式结构图。如图1所示，本发明提供的工业园区综合能源系统包括：配电网运营商，综合能源系统调度中心，综合能源系统设备和冷、热、电负荷用户。其中，配电网运营商与综合能源系统调度中心相连，综合能源系统调度中心与综合能源系统设备和冷、热、电负荷用户相连，包含的设备有燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机、溴化锂机组和板式换热器，采用燃气轮机-蒸汽联合循环机组。燃气轮机利用燃烧天然气发电，产生高温高压烟气，烟气进入余热锅炉产生水蒸气，余热锅炉的次高压蒸汽进入汽轮机中做功，汽轮机抽气(或者排气)再用于供热。余热锅炉出来的低压蒸汽作为溴化锂记住的驱动蒸汽(夏季)或者换热机组的热源(冬季)，满足空调冷热负荷，进一步提高联合循环机组的出力和效率。根据夏季供冷和冬季供热不同运行方式，可选择不同的系统结构，夏季选择溴化锂机组利用余热锅炉的低压蒸汽制冷，冬季选择板式换热器利用余热锅炉余热制热，在供能范围内包括机械及汽车零部件、重大装备、航空航天等多种业态，提供电、冷、热、蒸汽多种能源，满足负荷能量需求，并实现该系统的经济性、节能性、环保性运行。

配电网运营商用于与综合能源系统调度进行功率交换，在综合能源系统电能供应不足的情况下，补充电量，满足内部电负荷需求，在综合能源系统电能充足的情况下，通过售卖多余的电能，获取额外的收益。

综合能源系统调度中心用于优化综合能源系统内部各个设备的出力，并下发调节机组出力的调度指令，下发部分控制策略信息给电负荷用户并读取用户冷、热负荷用户需求调节信息。

综合能源系统中的设备用于接收调度中心调度指令，通过自身控制实现机组出力满足调度要求。

冷、热、电负荷用户用于接收调度中心的控制策略信息和上传用户自己的需求调节信息，完成基于轮询激励的需求响应过程和温度调节。

图2是含控制策略的工业园区综合能源系统优化调度与评价方法流程图。如图2所示，含控制策略的工业园区综合能源系统优化调度与评价方法包括：

步骤1：日前调度时刻，对日前的冷、热、电负荷进行预测，生成负荷预测曲线；

步骤2：输入各个机组性能参数、交换功率参数和天然气参数，其中机组性能参数包括机组的热效率、电效率、维护费用、发电容量；

该步骤中，输入各个机组性能参数、交换功率参数和天然气参数，其中机组性能参数包括机组的热效率、电效率、维护费用、发电容量。机组有燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机、溴化锂机组和板式换热器，燃气轮机参数由燃气轮机容量燃气轮机热效率rfrgt，燃气轮机电效率ηgt和燃气轮机维护费用mgt；余热锅炉参数包括余热锅炉容量余热锅炉热回收效率ηb，余热锅炉热量分配系数α和余热锅炉维护费用mb；蒸汽轮机参数包括容量热效率rfrst，电效率ηgt和维护费用mst；溴化锂机组参数包括容量制冷系数copli和维护费用mli；板式换热器参数包括容量热回收系数rfrp和维护费用mp；交换功率参数包括交换功率容量购电电价pb和售电电价ps；天然气参数包括天然气单位立方米价格pg和天然气热值ccal。

步骤3：建立考虑经济性最优的日前调度模型，目标函数为综合能源系统调度周期内运行维护费用最低，约束条件包括机组容量约束、交换功率约束、上下游机组出力匹配约束、冷平衡约束、热平衡约束、电平衡约束；

目标函数为：

c＝cg+cex+cm

cg＝pgfgt

cex＝psmax(pex,0)+pbmin(pex,0)

cm＝mgtpgt+mbqb+mstqst+mliqli

其中，c为系统总运行维护成本；cg为燃气轮机的天然气成本；cex为综合能源系统与大电网交换功率成本；fgt为天然气热量：fgt＝ccals，s为天然气流量；pgt、qb、qst、qli分别为燃气轮机、余热锅炉、汽轮机、和溴化锂机组生产的能量。

机组容量约束需要满足自身出力上下限：

交换功率约束为：

上下游机组出力匹配约束，位于系统能量上游的机组热量出力要不小于下游机组出力：

qgtηb≥qb

αqbcopli≥qli

(1-α)qbrfr≥qst

冷、热、电平衡约束要求系统产生的冷、热、电和蒸汽至少大于冷、热、电、蒸汽负荷的需求，以供系统自由选择以热定电或者以电定热的运行模式。

qst≥qhe

qli≥qco

pgt+pst+pex≥pele

其中，qhe、qco、pele分别为热负荷、冷负荷和电负荷。

步骤4：利用内点法求解模型，得最优日前机组出力和交换功率值；

步骤5：实时调度时刻，根据负荷预测误差，修正负荷预测结果；

步骤6：是否选择控制策略，若选择控制策略，则进入步骤7，若未选择控制策略，则进入步骤8；

步骤7：可复选控制策略集合中的一个或者几个，控制策略包括并网点恒功率控制、离并网控制、用户直接负荷控制和用户温度控制。

控在直接负荷控制下，调度侧下发需要削减(或者增加)的总负荷数和补偿电价来激励用户参与负荷削减(或者增加)，用户侧有自己的可削减负荷(或者可增加负荷)和削减(或者增加)相应负荷时的满意补偿电价，用户侧接收到负荷削减(或者增加)信息后，在达到自身满意补偿电价后上报执行削减(或者增加)负荷的信息，如果一次问询之后还未获得全部削减(或者增加)负荷，则增加一定价格梯度的电价，继续询问，直到达到总削减(或者增加)负荷，再执行削减(或者增加)负荷指令。此类控制方式中提出轮询激励型需求响应策略，对于调度侧来说，通过逐次增加一定梯度的电力交易价格，使得调度侧补偿成本最低，用户侧也获得了满意的补偿电价，同时考虑了用户侧与调度侧的利益，最终制定出对两个双侧均有利的交易电量和价格。

在本方法中，假定共有三个用户，每个用户分别具备p1、p2、p3的负荷削减余量，且各用户能接受的最低交易价格分别为p1、p2、p3。调度中心希望用户侧的削减负荷总量为pt，且其最初交易价格为pi。交易开始后，调度中心首先会选择报价最低的用户进行交易，如果该用户报价低于调度中心出价，则交易直接进行，在用户侧直接削减掉该用户具备的负荷削减余量，相应交易价格为pi，若最低用户报价仍大于调度中心出价或者调度中心与用户进行交易后仍不能达到总负荷削减量，这时候调度中心会按一定梯度δp提高补偿电价pi+1＝pi+δp，来激励用户进行交易，直至满足总负荷削减需求。

控制策略中的用户温度控制。用户侧与调度侧通过实时数据库交互，用户侧通过持有的移动设备上的应用来上报下一时刻需要调节的温度，调度侧根据t时刻用户上报的设定温度测量的室内温度室外温度和建筑本身的性能参数：建筑热阻r，空气比热cair，计算出达到下一时刻温度冷(或者热)负荷的变化量叠加在原始冷(或者热)负荷曲线上，最终调节机组出力，满足用户冷(或者热)调节需求。

夏季时冷量变化为：

下一时刻系统的冷负荷需求为

其中，qc^t为温度调节前系统中为维持原温度所需的冷量。

冬季时，为了实现该温度变化，该系统的热量变化为：

下一时刻系统的热负荷需求为

其中，qh^t为温度调节前系统中为维持原温度所需的热量。

步骤8：建立并考虑经济性最优的实时调度模型，修正实时调度曲线；

步骤9：输入指标评价参数，评价综合能源系统，指标涵盖经济性、环保性和节能性。

评价指标参数包括燃煤发电二氧化碳排放系数μele，燃烧天然气发电二氧化碳排放系数μgas，气电转化率rgte，气热转化率rgth和电制冷系数cope。

将天然气冷热电综合能源系统的能耗与直接使用天然气进行发电、供热以及电制冷的分供系统进行比较，进而对综合能源系统进行合理评价。评价标准主要分为经济性评价指标，节能性评价指标和环保性评价指标。

先对分供系统的能量消耗进行分析。系统负荷包括电负荷、热负荷、冷负荷，所以分供系统的基本组成为天然气发电厂、燃气锅炉以及电制冷机组。分供系统需要单独满足相应的冷热电需求，冷热电三大平衡如下：

电平衡：

esp＝pele+eesp

其中，esp为分供系统需要的电量；eesp为电制冷机组消耗的电量。

热平衡：

qhsp＝qhe

其中，qhsp为分供系统需要的热量。

冷平衡：

eesp＝qco

分供系统的一次能源消耗主要在天然气上，分为在天然气发电厂产电和燃气锅炉产热两部分。

发电厂消耗的天然气量fe为：

燃气锅炉消耗的天然气量fh为:

分供系统的总天然气耗量fsp为：

fsp＝fe+fh

评价指标体系涵盖经济性、环保性和节能性三方面，其中，经济性指标为总费用节约率，环保性指标为二氧化碳减排率，节能性又细分为一次能源利用率和一次能源节约率。

系统的经济性评价指标主要从系统运行成本和维护成本两方面来考虑。综合能源系统成本可以表示为：

occchp＝psmax(pex,0)+pbmin(pex,0)+pgfcchp+∑miqi

分供系统的运行费用为消耗天然气成本，可以表示为：

ocsp＝pgfsp+∑miqi

其中，fcchp为综合能源系统消耗天然气量，qi为代表系统中的第i台设备的出力。

综合能源系统相对于分供系统的总费用节约率为：

天然气冷热电综合能源系统的一次能源消耗量peccchp为：

其中，αe为电网一次能源转换率。

分供系统的一次能源消耗量pecsp为：

pecsp＝fsp

则天然气冷热电综合能源系统的一次能源节约率为：

一次能源利用率是系统中输出能量与一次能源消耗量的比值，也称为系统的热效率或总能利用率或者能效指标。

天然气综合能源系统的一次能源利用率为：

分供系统的一次能源利用率为：

天然气冷热电综合能源系统在运行过程中的主要排放物为二氧化碳，因此，将二氧化碳排放量作为环保性评价指标。

天然气冷热电综合能源系统中的二氧化碳排放量cdecchp为：

cdecchp＝egridμele+fcchpμgas

分供系统中的二氧化碳排放量cdesp为：

cdesp＝fspμgas

综合能源系统的二氧化碳排放量减排率为：

实施例2

以下以一个实际的工业园区综合能源系统为例，采用数据的方式说明本发明的实现过程。本实施例中，采用夏季供热运行方式。

步骤1：对日前的冷、热、电负荷进行预测，生成负荷预测曲线，预测结果如图3所示。

步骤2：输入各个机组性能参数、交换功率参数和天然气参数，其中机组性能参数包括机组的热效率、电效率、维护费用、发电容量。参数设置如图4所示。

步骤3：建立考虑经济性最优的日前调度模型。

步骤4：利用内点法求解模型，得最优日前机组出力和交换功率值。求解结果如表1所示。结果包含了小时级的燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机、溴化锂机组的出力和综合能源系统与配电网的交换功率。

表1日前调度结果

步骤5：实时调度时刻，根据负荷预测误差，修正负荷预测结果；

步骤6：是否选择控制策略，若选择控制策略，则进入步骤7，若未选择控制策略，则进入步骤8；

步骤7：可复选控制策略集合中的一个或者几个，其中，1-6时刻选择无控制策略；7-12时刻并网控制和并网点恒功率控制，13-18时刻选择并网控制、并网点恒功率控制和用户负荷直接控制，19-24时刻选择并网控制、并网点恒功率控制、用户负荷直接控制和用户温度控制。

步骤8：建立并考虑经济性最优的实时调度模型，修正实时调度曲线。含控制策略的实时调度结果如表2所示，表2的结果是按步骤7中的控制策略来执行。

表2采用控制策略实时机组调度结果

续表2采用控制策略的实时调度结果

步骤9：输入指标评价参数，评价综合能源系统，指标涵盖经济性、环保性和节能性。

指标结果如表3所示。

表3实时调度评价指标结果

本发明可以适用于含控制策略的工业园区综合能源系统优化调度与评价系统和方法。本发明提出的含控制策略的工业园区综合能源系统优化调度与评价系统和方法不需额外的投资，思路清晰，在调节过程中充分考虑到负荷预测的误差和调度侧与用户侧的互动，增加了综合能源系统的运行经济性和灵活性。

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。