考虑多种储能设备的综合能源站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多种储能设备的综合能源站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；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；分布式发电具有投资少、建设周期短、能源利用率高及环境污染小等优势。然而，对含储能设备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、分布式发电和冷、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。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，急需一种考虑多种储能设备的综合能源站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多种储能设备的综合能源站设备选型与容量规划方法。本发明所采用的技术方案是：一种考虑多种储能设备的综合能源站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，输入能源转换及储能设备参数，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、天然气价格以及园区内冷、热、电负荷的年运行数据，输入光照强度和风速的历史数据；2)依据步骤1)中的输入的参数，建立考虑多种储能设备的综合能源站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、分布式发电模型及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)得到的综合能源站设备选型与容量规划模型，基于园区内电、热、冷负荷和光照强度、风速历史数据，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、分布式发电模型及储能模型的运行约束，包括：(2.1)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时刻电锅炉输入端电功率，ηeb是电-热转化效率，peb是电锅炉最小规划单元，xeb是电锅炉对应最小规划单元的数量；(2.2)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，eac是能效比，pac是电制冷机组最小规划单元，xac是电制冷机组对应最小规划单元的数量；(2.3)热电联供机组规划模型及约束：式中，是t时刻热电联供机组的热功率，是t时刻热电联供机组的电功率，和分别是气-热转化效率和气-电转化效率，是t时刻热电联供机组输入天然气量，q是天然气热值，pchp是热电联供机组最小规划单元，xchp是热电联供机组对应最小规划单元的数量；(2.4)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，是电制热能效比，是电制冷能效比，pcap，hp是地源热泵最小规划单元，xhp是地源热泵对应最小规划单元的数量；(2.5)热储能规划模型及约束式中，是t时刻热储能储存的热量，是热储能初始储存的热量，是热储能最终储存的热量，ηhs是热储能损失系数，是t时刻热储能的储热功率，是储热效率，是储热功率上限，是t时刻热储能的放热功率，是放热效率，是放热功率上限，δt为时间间隔，和分别为储/放热标志位，phs是热储能的最小规划单元，xhs是热储能对应最小规划单元的数量；(2.6)电储能规划模型及约束socmin≤soct≤socmax式中，是t时刻电储能储存的电能，ηes是电储能损失系数，是t时刻电储能的充电功率，是充电效率，是充电功率上限，是t时刻电储能的放电功率，是放电效率，是放电功率上限，和分别为充/放电标志位，pes是电储能的最小规划单元，xes是电储能对应最小规划单元的数量，是电储能初始储存的热量，是电储能最终储存的热量，soct是t时刻电储能的荷电状态，socmin是电储能荷电状态的运行下限，socmax是电储能荷电状态的运行上限；(2.7)逆变器规划模型及约束式中，pcon是逆变器的最小规划单元，xcon是逆变器对应最小规划单元的数量；(2.8)光伏规划模型及约束式中，是t时刻光伏的电功率，it是t时刻光照强度，ir是额定光照强度，ppv是光伏的最小规划单元，xpv是光伏对应最小规划单元的数量；(2.9)风机规划模型及约束式中，是t时刻风机的电功率，v是t时刻风速，vin是切入风速，vr是额定风速，vout是切出风速，pwt是风机的最小规划单元，xwt是风机对应最小规划单元的数量。步骤2)所述的综合能源系统内电、热、冷功率平衡约束为(2.10)电功率平衡约束：式中，是t时刻的电负荷，是t时刻从外部电网购电功率，是t时刻热电联供机组的电功率，是t时刻电储能的放电功率，是t时刻光伏的电功率，是t时刻风机的电功率，是t时刻电锅炉输入端电功率，是t时刻电制冷机组输入端电功率，是t时刻地源热泵输入端电功率，是t时刻电储能的充电功率；(2.11)热功率平衡约束：式中，是t时刻的热负荷，是t时刻电锅炉的热功率，是t时刻热电联供机组的热功率，是t时刻热储能的放热功率，是t时刻地源热泵的热功率，是t时刻热储能的储热功率；(2.12)冷功率平衡约束：式中，是t时刻的冷负荷，是t时刻电制冷机组的冷功率，是t时刻地源热泵的冷功率。本发明的考虑多种储能设备的综合能源站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；考虑了储能设备，可在低电价时储电/热并在峰时电价向系统放电/热，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是本发明考虑多种储能设备的综合能源站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是综合能源系统园区年光照强度曲线；图6是综合能源系统园区年风速曲线。具体实施方式下面结合实施例和附图对本发明的考虑多种储能设备的综合能源站设备选型与容量规划方法做出详细说明。本发明的考虑多种储能设备的综合能源站设备选型与容量规划方法，立足于解决考虑多种储能设备的综合能源站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，充分考虑综合能源站内各种能源转换设备、分布式发电及储能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，本发明的考虑多种储能设备的综合能源站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，输入能源转换及储能设备参数，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、天然气价格以及园区内冷、热、电负荷的年运行数据，输入光照强度和风速的历史数据；2)依据步骤1)中的输入的参数，建立考虑多种储能设备的综合能源站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、分布式发电模型及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)以系统年综合费用最小为目标函数ccost可表示为minccost＝ci+cm+co式中，初始投资费用ci、维护费用cm、运行费用co可分别由下式表示：式中，y表示设备的使用寿命，r为折现率；ci，chp、ci，eb、ci，ec、ci，hp、ci，hs、ci，es、ci，con、ci，pv、ci，wt分别是chp机组、电锅炉、电制冷机组、地源热泵、热储能、电储能、逆变器、光伏发电和风力发电的单位投资成本；pchp、peb、pec、php、pac、phs、pes、pcon、ppv、pwt分别是chp机组、电锅炉、电制冷机组、地源热泵、热储能、电储能、逆变器、光伏发电和风力发电的最小规划单元，xchp、xeb、xec、xhp、xhs、xes、xcon、xpv、xwt分别是对应最小规划单元的数量。式中，cm，chp、cm，eb、cm，ec、cm，hp、cm，hs、cm，es、cm，pv、cm，wt分别是chp、电锅炉、热储能、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、电制冷机组的冷功率、地源热泵的热和冷功率、热储能的放热功率、电储能的放电功率、光伏功率和风机功率。co＝ce+cf式中，ce和cf分别为系统的购电费用和购气费用；为t时刻从外部电网购电功率，为t时刻的电价；为t时刻chp输入天然气量，q是天然气热值，cf为天然气价格。(2)所述的各种能源转换设备模型、分布式发电模型及储能模型的运行约束，包括：(2.1)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时刻电锅炉输入端电功率，ηeb是电-热转化效率，peb是电锅炉最小规划单元，xeb是电锅炉对应最小规划单元的数量；(2.2)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，eac是能效比，pac是电制冷机组最小规划单元，xac是电制冷机组对应最小规划单元的数量；(2.3)热电联供机组规划模型及约束：式中，是t时刻热电联供机组的热功率，是t时刻热电联供机组的电功率，和分别是气-热转化效率和气-电转化效率，是t时刻热电联供机组输入天然气量，q是天然气热值，pchp是热电联供机组最小规划单元，xchp是热电联供机组对应最小规划单元的数量；(2.4)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，是电制热能效比，是电制冷能效比，pcaphp是地源热泵最小规划单元，xhp是地源热泵对应最小规划单元的数量；(2.5)热储能规划模型及约束式中，是t时刻热储能储存的热量，是热储能初始储存的热量，是热储能最终储存的热量，ηhs是热储能损失系数，是t时刻热储能的储热功率，是储热效率，是储热功率上限，是t时刻热储能的放热功率，是放热效率，是放热功率上限，δt为时间间隔，和分别为储/放热标志位，phs是热储能的最小规划单元，xhs是热储能对应最小规划单元的数量；(2.6)电储能规划模型及约束socmin≤soct≤socmax式中，是t时刻电储能储存的电能，ηes是电储能损失系数，是t时刻电储能的充电功率，是充电效率，是充电功率上限，是t时刻电储能的放电功率，是放电效率，是放电功率上限，和分别为充/放电标志位，pes是电储能的最小规划单元，xes是电储能对应最小规划单元的数量，是电储能初始储存的热量，是电储能最终储存的热量，soct是t时刻电储能的荷电状态，socmin是电储能荷电状态的运行下限，socmax是电储能荷电状态的运行上限；(2.7)逆变器规划模型及约束式中，pcon是逆变器的最小规划单元，xcon是逆变器对应最小规划单元的数量；(2.8)光伏规划模型及约束式中，是t时刻光伏的电功率，it是t时刻光照强度，ir是额定光照强度，ppv是光伏的最小规划单元，xpv是光伏对应最小规划单元的数量；(2.9)风机规划模型及约束式中，是t时刻风机的电功率，v是t时刻风速，vin是切入风速，vr是额定风速，vout是切出风速，pwt是风机的最小规划单元，xwt是风机对应最小规划单元的数量。(3)所述的综合能源系统内电、热、冷功率平衡约束为(3.1)电功率平衡约束：式中，是t时刻的电负荷，是t时刻从外部电网购电功率，是t时刻热电联供机组的电功率，是t时刻电储能的放电功率，是t时刻光伏的电功率，是t时刻风机的电功率，是t时刻电锅炉输入端电功率，是t时刻电制冷机组输入端电功率，是t时刻地源热泵输入端电功率，是t时刻电储能的充电功率；(3.2)热功率平衡约束：式中，是t时刻的热负荷，是t时刻电锅炉的热功率，是t时刻热电联供机组的热功率，是t时刻热储能的放热功率，是t时刻地源热泵的热功率，是t时刻热储能的储热功率；(3.3)冷功率平衡约束：式中，是t时刻的冷负荷，是t时刻电制冷机组的冷功率，是t时刻地源热泵的冷功率。3)依据步骤2)得到的综合能源站设备选型与容量规划模型，基于园区内电、热、冷负荷和光照强度、风速历史数据，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。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，以及如图2～图6所示的电、热、冷负荷的年运行数据和光照强度、风速的历史数据等；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多种储能设备的综合能源站设备选型与容量规划方法，选取以下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、热储能、电储能，输入能源形式为电能；场景二：可选设备包括电锅炉、电制冷、chp机组、热储能、电储能，输入能源形式为电能和天然气；场景三：可选设备包括电锅炉、电制冷、chp机组、地源热泵、热储能、电储能，输入能源形式为电能和天然气；场景四：可选设备包括电锅炉、电制冷、chp机组、地源热泵、热储能、电储能、光伏发电和风力发电，输入能源形式为电能和天然气。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。场景一只考虑了电锅炉、电制冷和储能设备。比较场景一和场景二，由于可选设备增加了可以提供热功率的chp机组，电锅炉的容量从5800kva降低到1100kva；此外，逆变器、电储能和热储能的容量分别降低了37.04％，46.15％和55.90％。比较场景二和场景三，电锅炉的容量降至0，电制冷的容量从3400kva降至2300kva，这说明地源热泵可分别供热和供冷。场景四中，由于添加了光伏发电和风力发电，因此未选择chp来供电，即chp的容量为0。同时，由于光伏和风机的出力具有不确定性，因此场景四规划结果中电储能的规划容量是四种情景中最大的，为20000kva。四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。虽然投资成本和维护成本分别增加了44.68％和10.18％，但较低的天然气价格使运行成本降低了16.54％，导致年综合费用下降；对比场景二与场景三，由于采用了能效比高的地源热泵，投资费用降低了180.20万元，降幅为42.97％，年综合费用减少了249.94万元，降幅为12.68％；对比场景三与场景四，虽然场景四考虑了chp，但并未采用chp，规划结果中采用了光伏和风机，增加了投资和维护成本，但使运营成本降低了50.64％，这使得场景四的年综合费用最低。本发明的考虑多种储能设备的综合能源站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场景一场景二场景三场景四电锅炉容量(kva)580011000100电制冷容量(kva)3400340023002300chp机组容量(kva)--46003000地源热泵容量(kva)----700700逆变器容量(kva)2700170027003100电储能容量(kva)1040056001010020000热储能容量(kva)229001010031006700光伏容量(kva)------3000风机容量(kva)------0表3不同场景规划出年的综合费用及电\气年消耗量场景一场景二场景三场景四总计成本(万元/年)2544.002310.532078.621617.27设备投资成本(万元/年)289.87419.38239.18663.89设备维护费用(万元/年)36.5440.2635.8763.15系统运行费用(万元/年)2217.591850.891803.57890.23电网购电量(万kwh/年)3257.851871.152445.731523.39购气量(万kwh/年)--1659.28134.960当前第1页12