考虑储热环节的综合能源系统设备选型与容量规划方法与流程

本发明涉及一种综合能源系统设备选型与容量规划方法。特别是涉及一种考虑储热环节的综合能源系统设备选型与容量规划方法。

背景技术

随着能源和环境问题越来越突出，如何提高能源利用效率并尽可能减少用能过程带来的环境影响，已成为能源领域的重要课题。综合能源系统集制冷、供热和发电于一体，不仅可以通过能量的梯级利用提高一次能源利用率，而且在减少排放方面也表现出较大的优势。因此，综合能源系统已成为未来能源技术发展的重要方向，其规划与运行更是研究热点。

现有关于综合能源系统设备选型及容量规划的研究，一般通过长时间运行模拟选出使目标最优(如经济性最好、排放最小等)的设备类型和容量组合。在设备类型方面，主要分为能源转换设备和电储能设备。热电联供(combinedheatandpower，chp)机组因可同时满足热需求和电需求是重要的能源转换设备；地源热泵能源转换效率高，并可根据实际需求选择制冷或制热；电储能设备可以在用电低谷时储能，在用电高峰时供给负荷，具有良好的经济性。在算法方面，数学规划法和智能优化算法在综合能源系统规划研究中应用广泛，如混合整数线性规划算法、多目标遗传算法等。

然而，对含储热环节的综合能源系统规划研究比较少，缺少充分考虑多种能源转换设备和冷、热、电等多种能源相互耦合综合能源系统的研究。在优化变量中，均未同时优选设备类型和优化设备容量，而是先确定设备类型，再进行容量优化，往往不能保证解的最优性。此外，现有研究对能源间的耦合性考虑不足，能源间的耦合性分析多集中于定性讨论，缺乏定量分析，进而难以准确评价系统运行时由多能耦合带来的互补效益。因此，急需一种考虑储热环节的综合能源系统设备选型与容量规划方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够合理确定综合能源站规划的考虑储热环节的综合能源系统设备选型与容量规划方法。

本发明所采用的技术方案是：一种考虑储热环节的综合能源系统设备选型与容量规划方法，包括如下步骤：

1)根据园区综合能源系统待选的设备种类及能源形式，输入能源转换及储热设备参数，包括各个设备单位容量的初始投资成本、维护费用及转化效率，输入电价、天然气价格及园区内冷、热、电负荷的年运行数据；

2)依据步骤1)中输入的参数，建立考虑储热环节的综合能源系统设备选型与容量规划模型，包括以系统年综合费用最小为目标函数，考虑各种能源转换设备模型及热储能模型的运行约束，以及综合能源系统内电、热、冷功率平衡约束；

3)依据步骤2)得到的考虑储热环节的综合能源系统设备选型与容量规划模型，基于园区内冷、热、电负荷的年运行数据，采用混合整数线性规划方法进行求解；

4)输出步骤3)的求解结果，包括设备选型和容量规划方案，以及系统年综合费用、电/气年消耗量。

步骤2)所述的各种能源转换设备模型及热储能模型的运行约束，包括：

(1)电锅炉规划模型及约束：

式中，是t时刻电锅炉的热功率，是t时刻蓄热罐的储热功率，是t时刻电锅炉输入端电功率，η^eb是电-热转化效率，p^eb是电锅炉最小规划单元，x^eb是最小规划单元对应的数量；

(2)蓄热罐规划模型及约束

0≤z^ch+z^dis≤1

式中，是t时刻蓄热罐储存的热量，η^st是储能损失系数，是t时刻蓄热罐的储热功率，η^ch是储热效率，是储热功率上限，是t时刻蓄热罐的放热功率，η^dis是放热效率，是放热功率上限，δt为t时段到t+1时段的时间间隔，p^st是蓄热罐最小规划单元，x^st是最小规划单元对应的数量，z^ch和z^dis分别为储热标志位和放热标志位。

(3)电制冷机组规划模型及约束：

式中，是t时刻电制冷机组的冷功率，是t时刻电制冷机组输入端电功率，e^ac是能效比，p^ac是电制冷机组最小规划单元，x^ac是最小规划单元对应的数量；

(4)地源热泵规划模型及约束：

式中，是t时刻地源热泵的热功率，是t时刻地源热泵的冷功率，是t时刻地源热泵输入端电功率，e^h,hp是电制热能效比，e^c,hp是电制冷能效比，p^cap,hp是地源热泵最小规划单元，x^hp是最小规划单元对应的数量；

(5)chp机组规划模型及约束：

式中，是t时刻热电联产机组的热功率，是t时刻热电联产机组的电功率，是t时刻热电联产机组输入端功率，η^h,chp和η^p,chp分别是气-热转化效率和气-电转化效率，p^chp是热电联产机组最小规划单元，x^chp是最小规划单元对应的数量。

步骤2)所述的综合能源系统内电、热、冷功率平衡约束为：

(1)电功率平衡约束：

式中，是t时刻园区内电负荷，是t时刻电网向园区内电负荷提供的功率，是t时刻热电联产机组的电功率；

(2)热功率平衡约束：

式中，是t时刻园区内热负荷，是t时刻电锅炉的热功率，是t时刻蓄热罐的放热功率，是t时刻热电联产机组的热功率，是t时刻地源热泵制热期间的热功率；

(3)冷功率平衡约束：

式中，是t时刻园区内冷负荷，是t时刻电制冷机组的冷功率，是t时刻地源热泵制冷期间的冷功率。

本发明的考虑储热环节的综合能源系统设备选型与容量规划方法，考虑了不同能源(电/气/热)的耦合特性，能源形式和设备类型丰富，可同时满足冷、热、电多种负荷的需要；考虑了储热环节，可在低电价时储热并在峰时电价期间向系统供热，从而降低高峰时段的用电量，显著提高系统运行经济性；在优化计算中同时考虑设备类型和设备容量，计算出不同场景下的规划结果，并进行对比分析，所得规划方案可显著降低综合能源系统年综合费用，实现多能互补，提高能源利用效率。

附图说明

图1是本发明考虑储热环节的综合能源系统设备选型与容量规划方法的流程图；

图2是综合能源系统园区年电负荷曲线；

图3是综合能源系统园区年热负荷曲线；

图4是综合能源系统园区年冷负荷曲线；

图5是分时电价曲线；

图6场景二蓄热罐的5个工作日储\放热功率曲线；

图7场景四蓄热罐的5个工作日储\放热功率曲线。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的考虑储热环节的综合能源系统设备选型与容量规划方法做出详细说明。

本发明的考虑储热环节的综合能源系统设备选型与容量规划方法，立足于解决考虑储热环节的综合能源系统中设备选型以及对应容量确定问题，建立以年综合费用最小为目标函数，充分考虑综合能源系统各种能源转换设备及储热设备的运行约束和冷、热、电功率平衡约束，采用混合整数线性规划方法进行求解，最终得到设备选型结果和容量规划方案。

如图1所示，本发明的考虑储热环节的综合能源系统设备选型与容量规划方法，包括如下步骤：

一)根据园区综合能源系统待选的设备种类及能源形式，输入能源转换及储热设备参数，包括各个设备单位容量的初始投资成本、维护费用及转化效率，输入电价、天然气价格及园区内冷、热、电负荷的年运行数据；如图2、图3、图4所示。

二)依据步骤1)中输入的参数，建立考虑储热环节的综合能源系统设备选型与容量规划模型，包括以系统年综合费用最小为目标函数，考虑各种能源转换设备模型及热储能模型的运行约束，以及综合能源系统内电、热、冷功率平衡约束；其中，

1)所述的以系统年综合费用最小为目标函数c^cost表示为

minc^cost＝cⁱ+c^m+c^o(1)

式中，初始投资费用cⁱ、维护费用c^m、运行费用c^o分别由下式表示：

式中，y表示设备的使用寿命，r为折现率；c^i,chp、c^i,eb、c^i,st、c^i,ac、c^i,hp分别是chp机组、电锅炉、蓄热罐、电制冷机组和地源热泵的单位投资成本；p^chp、p^eb、p^st、p^ac、p^hp分别是chp机组、电锅炉、蓄热罐、电制冷机组和地源热泵和蓄热罐的最小规划单元，x^chp、x^eb、x^st、x^ac、x^hp分别是最小规划单元对应的数量。

式中，c^m,chp、c^m,eb、c^m,st、c^m,ac、c^m,hp分别是chp、电锅炉、蓄热罐、电制冷机组和地源热泵的单位维护费用，分别是t时刻chp机组的热和电功率、电锅炉的热功率、蓄热罐的储热和放热功率、电制冷机组的冷功率、地源热泵的热和冷功率。

c^o＝c^e+c^f(4)

式中，c^e和c^f分别为系统的购电费用和购气费用；分别为t时刻电网向园区内电力负荷提供的功率、电锅炉所需的电功率、电制冷机组所需的电功率和地源热泵所需电功率，为t时刻的电价；为t时刻chp输入端功率，c^f为天然气价格；

2)所述的各种能源转换设备模型及热储能模型的运行约束，包括：

(1)电锅炉规划模型及约束：

式中，是t时刻电锅炉的热功率，是t时刻蓄热罐的储热功率，是t时刻电锅炉输入端电功率，η^eb是电-热转化效率，p^eb是电锅炉最小规划单元，x^eb是最小规划单元对应的数量；

(2)蓄热罐规划模型及约束

0≤z^ch+z^dis≤1

式中，是t时刻蓄热罐储存的热量，η^st是储能损失系数，是t时刻蓄热罐的储热功率，η^ch是储热效率，是储热功率上限，是t时刻蓄热罐的放热功率，η^dis是放热效率，是放热功率上限，δt为t时段到t+1时段的时间间隔，p^st是蓄热罐最小规划单元，x^st是最小规划单元对应的数量，z^ch和z^dis分别为储热标志位和放热标志位。

(3)电制冷机组规划模型及约束：

式中，是t时刻电制冷机组的冷功率，是t时刻电制冷机组输入端电功率，e^ac是能效比，p^ac是电制冷机组最小规划单元，x^ac是最小规划单元对应的数量；

(4)地源热泵规划模型及约束：

式中，是t时刻地源热泵的热功率，是t时刻地源热泵的冷功率，是t时刻地源热泵输入端电功率，e^h,hp是电制热能效比，e^c,hp是电制冷能效比，p^cap,hp是地源热泵最小规划单元，x^hp是最小规划单元对应的数量；

(5)chp机组规划模型及约束：

式中，是t时刻热电联产机组的热功率，是t时刻热电联产机组的电功率，是t时刻热电联产机组输入端功率，η^h,chp和η^p,chp分别是气-热转化效率和气-电转化效率，p^chp是热电联产机组最小规划单元，x^chp是最小规划单元对应的数量。

3)所述的综合能源系统内电、热、冷功率平衡约束为：

(1)电功率平衡约束：

式中，是t时刻园区内电负荷，是t时刻电网向园区内电负荷提供的功率，是t时刻热电联产机组的电功率；

(2)热功率平衡约束：

式中，是t时刻园区内热负荷，是t时刻电锅炉的热功率，是t时刻蓄热罐的放热功率，是t时刻热电联产机组的热功率，是t时刻地源热泵制热期间的热功率；

(3)冷功率平衡约束：

式中，是t时刻园区内冷负荷，是t时刻电制冷机组的冷功率，是t时刻地源热泵制冷期间的冷功率。

三)依据步骤二)得到的考虑储热环节的综合能源系统设备选型与容量规划模型，基于园区内冷、热、电负荷的年运行数据，采用混合整数线性规划方法进行求解；

四)输出步骤三)的求解结果，包括设备选型和容量规划方案，以及系统年综合费用、电/气年消耗量。

本发明实施例选取某综合能源系统园区为对象，首先根据综合能源系统内设备种类，输入设备参数，包括各个设备单位容量的初始投资成本、维护费用及转化效率，电价与天然气价格参数，如表1所示，以及冷、热、电负荷的年运行数据等；然后，建立综合能源站规划模型，在matlab软件调用opti工具箱中的混合整数线性规划求解方法，得到综合能源站设备选型和容量规划方案、年综合成本以及电、气消耗总量。采用本发明提出的考虑储热环节的综合能源系统设备选型与容量规划方法，分别在不包括热储能设备和包括热储能设备的条件下，各选取四种场景进行对比分析。

场景一：可选设备包括电锅炉、电制冷机组，输入能源形式为电能；

场景二：可选设备包括电锅炉、蓄热罐、电制冷机组，输入能源形式为电能；

场景三：可选设备包括电锅炉、蓄热罐、电制冷机组、地源热泵，输入能源形式为电能和地热能；

场景四：可选设备包括电锅炉、蓄热罐、电制冷机组、chp机组，输入能源形式为电能、天然气和地热能；

场景五：可选设备包括电锅炉、蓄热罐、电制冷机组、chp机组、地源热泵，输入能源形式为电能、天然气和地热能。

执行优化计算的计算机硬件环境为intel(r)xeon(r)cpue5-16030，主频为2.8ghz，内存为12gb；软件环境为windows10操作系统。

综合能源站设备选型及容量规划方案如表2所示。对比为场景一与场景二，场景二中可选设备加入了蓄热罐，由于蓄热罐的投资成本和维护成本都低于电锅炉，电锅炉的部分供热出力将用于热储能，电锅炉和蓄热罐共同供给园区的热负荷，电锅炉的容量从6300kva减少为4300kva，而蓄热罐的规划容量为9900kva；对比场景二与场景三，可选设备增加了地源热泵，输入能源形式增加了地热能，由于地源热泵可以利用地热能以及电制热能效比远高于电锅炉的电-热转化效率，电锅炉和蓄热罐的部分供热出力将被地源热泵替代，电锅炉容量从4300kva减少为400kva，蓄热罐容量从9900kva减少为2800kva；对比场景二与场景四，可选设备加入了chp机组，输入能源形式增加了天然气，由于天然气价格明显低于电价且chp机组可同时供给电负荷和热负荷，电锅炉和蓄热罐的部分供热出力将被chp机组替代，电锅炉容量从4300kva减少为1600kva，蓄热罐容量从9900kva减少为2700kva，chp机组容量为4600kva；对比场景四与场景五，可选设备引入了地源热泵，电锅炉、蓄热罐和chp机组的部分供热出力将被地源热泵替代，电锅炉容量从1600kva减少为100kva，蓄热罐容量从2700kva增加到2900kva，chp机组容量由4600kva减少到1300kva，地源热泵容量为700kva。

五种规划方案对应的年综合费用及电、气年消耗量如表3所示。对比场景一与场景二，年综合费用减少了57.85万元，降幅为2.26％，因蓄热罐规划容量较大，导致系统设备投资成本增加了43.56万元，购电量增加了69.77万kwh，增幅为2.77％；对比场景二与场景三，由于采用了电制热能效比高的地源热泵，年综合费用减少了488万元，降幅为19.02％；对比场景二与场景四，年综合费用减少了334.05万元，由于天然气价格较低，导致运行费用降低了563.61万元，购电量减少了1105.82kwh，降幅为42.78％，购气量增加了1349.09kwh；对比场景四与场景五，年综合费用减少了102.57万元，综合考虑多种设备特性，使年综合费用进一步降低。

以场景二和场景四为例，分析加入蓄热罐后年综合费用降低的原因。图5给出了分时电价曲线，图6和图7分别为场景二和场景四连续5个工作日蓄热罐储热和放热功率曲线，可以看出蓄热罐在电价低谷时储存热量，在电价高峰时释放热量，从而降低系统的年综合费用。

本发明的考虑储热环节的综合能源系统设备选型与容量规划方法，可根据系统可选设备和输入能源种类，提供不同场景下的设备选型和容量规划。算例分析表明，所得规划方案可显著降低系统的年综合费用，实现多能互补，提高能源利用率。

表1系统设备参数和其他参数

表2不同场景规划出设备容量情况

表3不同场景规划出年的综合费用及电、气年消耗量