一种电热综合能源系统双层规划方法与流程

[0001]
本发明涉及一种电热综合能源系统双层规划方法，适用于电热综合能源系统，属于清洁供暖和制冷、能源系统容量规划、运行调度技术领域。


背景技术：

[0002]
为了逐步解决我国北方地区的冬季雾霾问题，热电联产机组集中供热是目前较为清洁且高效的主要供热手段，但受限于城市规划建设、投资改造成本等若干因素的影响，部分地区(例如城镇等)并不适合采用这种传统的供热方式，导致热电联产机组集中供热无法实现全部区域的覆盖。
[0003]
为了实现清洁供热的全面覆盖，清洁电供热在未来可作为主要的清洁供热手段。而清洁电供热的实现方式中，热泵清洁供热方式具有能源利用效率高，安全性高的优点。热泵能改变传统供热形式，解耦以往只有热电联产机组出现的热电强联关系，又能利用原本的弃风电量产生热能，既可提升系统弃风消纳的能力又可减少燃煤消耗。从电网运行和风电利用的角度出发，在电热综合能源系统中通过增设冷热双蓄式热泵和冷热电机组协调配合，进行联合供冷/供热，实现增强电网调峰能力和风电消纳空间的效果。
[0004]
然而大规模应用热泵时，矛盾也同样十分突出：1)热泵装置设备投资和耗电功率较大，用户的经济负担较重，为了解决这个问题，目前我国普遍采用政府补贴加上电网让利的方式。然而随着供热规模的不断扩大，如果缺乏合理供热方案规划，导致清洁电供热成本比传统供热方式过高，政府补贴将难以为继、供电供热企业效益恶化，也将无法维持清洁电供热的良性循环与运行。2)热泵清洁供热负荷对电网原有负荷的时空分布将产生较大影响，需要在电网规划和运行方面进行专题分析，以提高电网的安全性和经济性。


技术实现要素：

[0005]
针对现有技术中热泵并网后对原有负荷时空分布影响较大以及风电规模化使用产生的弃风问题，本发明公开的一种电热综合能源系统双层规划方法要解决的技术问题是：基于电热综合能源系统包含的各机组运行原理，建立各机组容量规划和运行策略的双层规划模型，利用双层规划模型求解出的结果对电热综合能源系统进行电热冷负荷调度，降低电热综合能源系统的新建和运行成本，减小系统的弃风电量，降低用户用电费用。
[0006]
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
[0007]
本发明公开的一种电热综合能源系统双层规划方法，基于电热综合能源系统包含的各机组运行原理，依据电热冷负荷供需关系，以冷热双蓄式热泵的新建成本和电热综合能源系统运行成本最小为上层目标，以用电费用最低为下层目标建立容量规划和运行调度策略的双层规划模型。通过智能算法求解双层规划模型，对火电机组、冷热电联产机组、热泵机组、冷热双蓄装置的容量及冷热双蓄式热泵的安装地点进行规划。基于上层求出的容量规划与机组运行约束，以用电费用最低进行下层运行调度。本发明能够降低系统的投资成本、运行成本以及减小系统的弃风电量，降低用户用电费用。
[0008]
本发明公开的一种电热综合能源系统双层规划方法，包括如下步骤：
[0009]
步骤一：根据风电机组、火电机组、冷热电联产机组、热泵机组、冷热双蓄装置的运行原理，建立电热综合能源系统中各机组的运行约束条件以及电热综合能源系统的电热冷供需平衡关系。
[0010]
步骤1.1：建立风电机组的运行约束。
[0011]
风电机组的运行需受式(1)风电机组最大出力特性来约束：
[0012][0013]
式中，p
i,twp
为风电机组可用的发电功率，mw；p
i,twp
为风电机组可用的最大发电功率，mw。
[0014]
步骤1.2：建立火电机组的运行约束。
[0015]
火电机组的运行需受式(2)火电发电最大出力约束、最小出力约束以及式(3)火电发电爬坡约束：
[0016][0017][0018]
式中，p
i,ttp
为火电机组的发电功率，mw；p
i,maxtp
、p
i,mintp
为火电机组出力值的上下限，mw；ru
itp
、rd
itp
为火电机组出力的变化速率上下限，mw/h；δt为变化时间。
[0019]
步骤1.3：建立冷热电联产机组的运行约束。
[0020]
冷热电联产机组的运行出力特性均由式(4)和(5)表示。
[0021][0022][0023]
0≤α
i,t
≤1
[0024]
式中，p
i,tcchp
为冷热电联产机组的发电功率，mw；q
i,tcchp
为冷热电联产机组的供冷/热功率，mw；p
icchp
，q
icchp
为冷热电联产机组的额定电、冷/热功率，mw；α
i,t
为冷热电联产机组出力系数。
[0025]
另外，冷热电联产机组的运行需受式(6)冷热电联产发电最大出力约束、最小出力约束以及式(7)冷热电联产发电爬坡约束：
[0026][0027][0028]
式中，p
i,tcchp
为冷热电联产机组的发电功率，mw；p
i,maxcchp
、p
i,mincchp
为冷热电联产机组出力值的上下限，mw；ru
icchp
、rd
icchp
为冷热电联产机组出力的变化速率上下限，mw/h；δt为变化时间。
[0029]
步骤1.4：建立热泵机组的运行约束。
[0030]
热泵供冷/热功率表达式如式(8)所示。
[0031][0032]
式中，q
i,tehp
为热泵制冷/制热功率，mw；p
i,tehp
为热泵耗电功率，mw；cop为热泵能效系数。
[0033]
此外，热泵机组的运行需受式(9)热泵制冷/制热最大出力约束、最小出力约束：
[0034][0035]
式中，q
i,tehp
为热泵制冷/制热功率，mw；q
i,maxehp
、q
i,minehp
为热泵制冷/制热功率的上下限，mw。
[0036]
步骤1.5：建立冷热双蓄装置的运行约束。
[0037]
冷热双蓄装置的运行需受式(10)～(12)冷热双蓄装置的容量约束以及蓄、放能力约束：
[0038][0039][0040][0041]
式中，s
i,this
为冷热双蓄装置容量，mw
·
h；s
i,maxhis
、s
i,minhis
为冷热双蓄装置容量的上下限，mw
·
h；q
i,t,chis
、q
i,t,fhis
为冷热双蓄装置的蓄、放功率，mw；q
i,c,maxhis
、q
i,f,maxhis
为冷热双蓄装置的最大极限蓄、放功率，mw。
[0042]
步骤1.6：建立电热综合能源系统的电热冷负荷供需平衡关系。
[0043]
电功率需按式(13)保持平衡：
[0044][0045]
式中，p
i,ttp
为火电机组的发电功率，mw；p
i,twp
为风电机组可用的最大发电功率，mw；p
i,tcchp
为冷热电联产机组的发电功率，mw；p
i,tload
为系统中电用户的用电负荷，mw；p
i,tehp
为热泵耗电功率，mw。
[0046]
冷/热负荷需满足式(14)网络中用户的需求：
[0047][0048]
式中，q
i,tload
为系统中用户的冷/热负荷需求，mw；q
i,tcchp
为冷热电联产机组的供冷/热功率，mw；q
i,tehp
为热泵制冷/制热功率，mw；q
i,this
为冷热双蓄装置的蓄放功率，mw。
[0049]
电热综合能源系统的约束条件由上述各组件的运行条件式(1)～(12)以及系统的电热冷平衡关系式(13)和式(14)所组成。
[0050]
步骤二：在满足步骤一电热综合能源系统中各机组的运行约束和电热冷供需平衡的条件下，以冷热双蓄式热泵的新建成本和电热综合能源系统运行成本最小为目标建立上层规划模型。
[0051]
冷热双蓄式热泵的新建成本和电热综合能源系统运行成本最小的目标函数如式(15)～(20)所示：
[0052][0053][0054][0055][0056]
[0057][0058]
式中，i
iehp
、i
jhis
为热泵、冷热双蓄装置的新建成本，$；λ
ehp
、λ
his
为热泵、冷热双蓄装置的新建折算系数；p
iehp
为热泵耗电功率，mw；q
jhis
为冷热双蓄装置的额定蓄放功率，mw；c
i,ttp
、c
i,tcchp
为火电机组、冷热电联产机组的运行成本，$；μ
tp
为火电机组供电的标煤折算系数；p
i,ttp
为火电机组的发电功率，mw；p
i,tcchp
为冷热电联产机组的发电功率，mw；q
i,tcchp
为冷热电联产机组的供冷/热功率，mw；μ
pcchp
、μ
qcchp
为冷热电联产机组的供电、供冷/供热的标煤折算系数。
[0059]
步骤三：在满足步骤一电热综合能源系统中各机组的运行约束条件下，根据地区的分时电价政策，建立以用电费用最低为目标的下层调度模型。
[0060]
考虑到该地区的分时电价政策，用电费用最低的目标函数为：
[0061]
minf＝f
p
+f
v
+f
a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)
[0062][0063][0064][0065]
式中，f为用电费用；f
p
为热泵峰时用电费用；f
v
为热泵谷时用电费用；f
a
为弃风惩罚成本；c
p
为峰时用电费用；c
v
为谷时用电费用；c
a
为弃风惩罚系数；p
i,tehp
为热泵耗电功率；p
i,twp
为风电机组可用的最大发电功率。
[0066]
步骤四：综合上述三个步骤，电热综合能源系统的双层规划过程描述为在满足风电机组、火电机组、冷热电联产机组、热泵机组、冷热双蓄装置运行原理以及系统电热冷供需平衡约束条件下，通过步骤二上层模型合理规划出各机组的容量和热泵、冷热双蓄装置的安装地点。基于上层规划求出的机组容量进行下层运行调度，同时满足减小系统的弃风电量和用户用电费用最低的要求。
[0067]
由式(1)、(3)、(4)、(5)、(7)、(8)、(11)～(20)构成上层容量规划模型，由(1)～(14)和(21)～(24)构成下层运行调度模型。上层规划模型属于带不等式约束的混合整数非线性规划问题，使用智能算法进行计算或通过将非线性约束转化为线性约束后，将混合整数非线性规划问题转化为线性规划问题，再由普通算法求解，降低求解难度，提高求解速度。下层调度模型属于线性规划问题，用普通算法求解。
[0068]
电热综合能源系统的双层规划模型对系统机组容量及冷热双蓄式热泵安装地点进行规划，提高风电利用效率，使电热综合能源系统运行成本和冷热双蓄式热泵设备、供热/供冷管网的新建成本最低，同时满足用户用电费用最低的要求，提高用户的用电效率和满意度。
[0069]
有益效果：
[0070]
1、与传统调度运行模式相比，本发明公开的一种电热综合能源系统双层规划方法，采用双层规划模式对系统机组容量规划和对系统运行调度，解决传统设备输出量和供热/供冷期容量调度不足所带来的调节空间问题，提高风电利用率，进一步加强电热综合能源系统的经济优势。
[0071]
2、本发明公开的一种电热综合能源系统双层规划方法，电热综合能源系统机组容量规划和运行策略的双层规划模型以电热综合能源系统运行费用最小为目标和以用户用电费用最小为目标。与只基于上层规划模型的调度模式相比，双层规划模式能够同时关注新建成本、运行成本和用户电费。当运行成本与只基于上规划模型的调度模式相当时，可实现用户用电费用最小，减轻用户的经济负担，提高用户满意度。
附图说明
[0072]
图1是本发明所述的电热综合能源系统示意图。
[0073]
图2是本发明所述的一种电热综合能源系统双层规划方法示意图。
[0074]
图3是本发明所述的一种电热综合能源系统双层规划方法流程图。
[0075]
图4是本发明电热综合能源系统中冷热双蓄式热泵设备配置地点示意图。
[0076]
图5是本发明实例的冬季典型日电热负荷和风电出力曲线图。
[0077]
图6是本发明实例步骤五的模式1各单元电出力。
[0078]
图7是本发明实例步骤五的模式1各单元热出力。
[0079]
图8是本发明实例步骤五的模式1风电使用情况。
[0080]
图9是本发明实例步骤五的模式2各单元电出力。
[0081]
图10是本发明实例步骤五的模式2各单元热出力。
[0082]
图11是本发明实例步骤五的模式3各单元电出力。
[0083]
图12是本发明实例步骤五的模式3各单元热出力。
具体实施方式
[0084]
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
[0085]
选择冬季典型供暖日数据，即图5所示的日电负荷、日热负荷及日风电功率曲线，进行某居民居住区域电热综合能源系统冬季供暖时的双层规划分析，使得此区域冬季供电供暖的运行成本最小和居民用电费用最低。
[0086]
如图3所示，本实施例公开的一种电热综合能源系统双层规划方法，具体实现步骤如下：
[0087]
步骤一：根据风电机组、火电机组、热电联产机组、热泵机组、冷热双蓄装置的运行原理，建立电热综合能源系统中各机组的运行约束条件以及电热综合能源系统的电热供需平衡关系。
[0088]
步骤1.1：建立风电机组的运行约束。
[0089]
风电机组的运行需受式(1)风电机组最大出力特性来约束：
[0090][0091]
式中，p
i,twp
为风电机组可用的发电功率，mw。
[0092]
步骤1.2：建立火电机组的运行约束。
[0093]
火电机组的运行需受式(2)火电发电最大出力约束、最小出力约束以及式(3)火电发电爬坡约束：
[0094][0095][0096]
式中，p
i,ttp
为火电机组的发电功率，mw。
[0097]
步骤1.3：建立热电联产机组的运行约束。
[0098]
热电联产机组的运行出力特性均可由式(4)和(5)表示。
[0099][0100][0101]
0≤α
i,t
≤1
[0102]
式中，p
i,tcchp
为热电联产机组的发电功率，mw；q
i,tcchp
为热电联产机组的供热功率，mw；p
icchp
，q
icchp
为热电联产机组的额定电、热功率，mw；α
i,t
为热电联产机组出力系数。
[0103]
热电联产机组的运行需受式(6)热电联产发电最大出力约束、最小出力约束以及式(7)热电联产发电爬坡约束：
[0104][0105][0106]
式中，p
i,tcchp
为热电联产机组的发电功率，mw。
[0107]
步骤1.4：建立热泵机组的运行约束。
[0108]
热泵供热功率表达式如式(8)所示。
[0109][0110]
式中，q
i,tehp
为热泵制热功率，mw；p
i,tehp
为热泵耗电功率，mw；cop为热泵能效系数。
[0111]
热泵机组的运行需受式(9)热泵制热最大出力约束、最小出力约束：
[0112][0113]
式中，q
i,tehp
为热泵产热功率，mw。
[0114]
步骤1.5：建立冷热双蓄装置的运行约束。
[0115]
冷热双蓄装置的运行需受式(10)～(12)冷热双蓄装置的容量约束以及蓄、放能力约束：
[0116][0117][0118][0119]
式中，s
i,this
为冷热双蓄装置容量，mw
·
h；s
i,maxhis
、s
i,minhis
为冷热双蓄装置容量的上下限，mw
·
h；q
i,t,chis
、q
i,t,fhis
为冷热双蓄装置的蓄、放热功率，mw；q
i,c,maxhis
、q
i,f,max his
冷热双蓄装置的最大极限蓄、放热功率，mw。
[0120]
步骤1.6：建立电热综合能源系统的电热负荷供需平衡关系。
[0121]
电功率需按式(13)保持平衡：
[0122][0123]
式中，p
i,ttp
为火电机组的发电功率，mw；p
i,twp
为风电机组可用的最大发电功率，
mw；p
i,tcchp
为热电联产机组的发电功率，mw；p
i,tload
为系统中电用户的用电负荷，mw；p
i,tehp
为热泵耗电功率，mw。
[0124]
热负荷需满足式(14)网络中用户的需求：
[0125][0126]
式中，q
i,tload
为系统中用户的热负荷需求，mw；q
i,tcchp
为热电联产机组的供热功率，mw；q
i,tehp
为热泵制热功率，mw；q
i,this
为冷热双蓄装置的蓄放功率，mw。
[0127]
电热综合能源系统的约束条件由上述各组件的运行条件式(1)～(12)以及系统的电热平衡关系式(13)和式(14)所组成。
[0128]
步骤二：在满足步骤一电热综合能源系统中各机组的运行约束条件下，以电热综合能源系统运行成本最小为目标建立上层规划模型。
[0129]
电热综合能源系统运行成本最低的目标函数如式(15)～(17)所示：
[0130][0131][0132][0133]
式中，c
i,ttp
、c
i,tcchp
为火电机组、热电联产机组的运行成本，$；p
i,ttp
为火电机组的发电功率，mw；p
i,tcchp
为热电联产机组的发电功率，mw；q
i,tcchp
为热电联产机组的供热功率，mw。
[0134]
步骤三：在满足步骤一电热综合能源系统中各机组的运行约束条件下，根据地区的分时电价政策，建立以居民用电费用最低为目标的下层调度模型。
[0135]
考虑到该地区的分时电价政策，居民用电费用最低的目标函数为：
[0136]
minf＝f
p
+f
v
+f
a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0137][0138][0139][0140]
式中，f为居民用电费用；f
p
为热泵峰时用电费用；f
v
为热泵谷时用电费用；f
a
为弃风惩罚成本；c
p
为峰时用电费用；c
v
为谷时用电费用；c
a
为弃风惩罚系数；p
i,tehp
为热泵耗电功率；p
i,twp
为风电机组可用的最大发电功率。
[0141]
步骤四：综合上述三个步骤，电热综合能源系统的双层规划过程描述为在满足风电机组、火电机组、热电联产机组、热泵机组、冷热双蓄装置运行原理以及系统电热供需平衡约束条件下，通过步骤二上层模型合理规划出各机组的容量和热泵、冷热双蓄装置的安装地点。基于上层规划求出的机组容量进行下层运行调度，同时满足减小系统的弃风电量和居民用电费用最低的要求。
[0142]
由式(1)、(3)、(4)、(5)、(7)、(8)、(11)～(17)构成上层容量规划模型，由(1)～(14)和(18)～(21)构成下层运行调度模型。上层规划模型属于带不等式约束的混合整数非
线性规划问题，使用智能算法进行计算或通过将非线性约束转化为线性约束后，将混合整数非线性规划问题转化为线性规划问题，再由普通算法求解，降低求解难度，提高求解速度。下层调度模型属于线性规划问题，用普通算法求解。
[0143]
电热综合能源系统的双层规划模型对系统机组容量进行规划，提高风电利用效率，使电热综合能源系统运行成本和冷热双蓄式热泵设备、供热管网的新建成本最低，同时满足居民用电费用最低的要求，提高居民的用电效率和满意度。
[0144]
步骤五：与传统热电联调调度模式进行比较，验证基于双层规划的电热综合能源调度模式的优越性。
[0145]
模式1给定供能单元的容量p
i,maxtp
＝12mw、p
i,maxcchp
＝12mw、q
i,maxehp
＝6mw。在供热系统中引入热泵机组辅助供热后，模式1一定程度上可缓解热电联产机组“以热定电”的供能模式。在供热高峰期，取代部分由热电联产机组承担的热负荷，消减热电联产机组的电出力，释放电力系统接纳风电的容量，减小系统的弃风电量。如图6所示，由于火电机组、热电机组和热泵机组的出力限制，会产生过剩电量，需反馈至外部电网。如图7所示，热泵大部分时间工作在最大负荷，热泵可靠性会受到极大挑战，系统会出现弃风情况，如图8所示模式1下弃风量达14.07％。
[0146]
模式2是在模式1的基础上引入冷热双蓄装置，并根据各供能设备的出力特性，合理地规划各供能单元出力，如图9所示，系统能够实现供电与耗电的内部平衡，不会产生过剩电量，规划后供能单元的容量为p
i,maxtp
＝0mw、p
i,maxcchp
＝12.8mw、q
i,maxehp
＝9.5mw、s
i,maxhis
＝26.7mw
·
h。由图10可知，在解除热泵机组出力及容量限制后，热泵出力值增加，模式1在23:00～次日6:00出现的弃风得到消纳，从而实现整个系统100％的风电消纳。
[0147]
模式3是在模式2的基础上提出了居民用电费用最小化的要求。由于峰谷电价的合理性，热泵机组工作时间为21:00到下7:00，可以很好地覆盖模式1的弃风时段，充分填补电谷，如图11所示。此外，由于各机组的热量输出合理，模式3可以降低冷热双蓄装置的容量，如图12所示。
[0148]
三种模式下的运行燃煤消耗、运行成本和用户用电成本如下：
[0149]
模式1：运行燃煤消耗＝15240千克，运行成本＝15240万元，用户用电成本＝12023元；
[0150]
模式2：运行燃煤消耗＝95770千克，运行成本＝11272万元，用户用电成本＝10306元；
[0151]
模式3：运行燃煤消耗＝98049千克，运行成本＝11136万元，用户用电成本＝7248.7元；
[0152]
与模式1相比，由于提高风电利用率，模式2和模式3系统煤耗有所下降。冷热双蓄装置机组的引入，可以在电价较低或热负荷需求较低时，存储热泵和热电联产机组的额外热输出。此外，冷热双蓄装置在热负荷需求较高的时段向用户供热，进一步降低热泵和热电联产机组的热输出。模式2和模式3都取消火电机组，增加热泵和冷热双蓄装置。由于火电机组的建设成本高于热泵机组和冷热双蓄装置，因此模式2和模式3的投资比模式1分别低26.0％和26.9％。与模式2相比，模式3同时考虑运行成本和用户电费。实现与模式2类似的运行成本，并降低用户电费支出，与模式1相比运行成本降低39.7％。
[0153]
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行进一步详细说明，
所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。