一种冷热电联供型微型能源网经济优化调度方法
【专利摘要】本发明公开了一种面向冷热电联供微型能源网的经济优化调度方法，对冷热电联供微型能源网内多种供能及蓄能设备进行分析，建立各设备的能量流动模型，基于集中互连的能源交换网络搭建了冷热电联供型微型能源网的架构。围绕该架构，建立了冷热电联供微型能源网经济优化调度模型，针对模型特性使用基于Hessian矩阵迭代的内点法对模型进行求解。通过调度智能电网园区内各供能设备的运行方式和出力，从而实现冷热电联供型微型能源网的经济优化运行。本发明提供一种有效、实用、科学的能源优化调度方法，有利于节能的推广应用。
【专利说明】
一种冷热电联供型微型能源网经济优化调度方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电力系统技术领域，具体涉及一种冷热电联供型微型能源网经济优化 调度方法。
【背景技术】
[0002] 在国家推动能源生产和消费革命、加大节能减排力度和防治雾霾的新形势下，提 升能源利用效率，减少污染物排放已经成为政府、企业与民众的共识。CCHP(Combined Cooling Heating and Power)冷热电联产系统包含冷热电三种能源，利用物联网技术和信 息技术对区域内的所有供能设备统一整合并实施调度，以达到对区域冷热电负荷进行优化 供能，提升能效的效果。冷热电混合能源联产系统将微电网的概念扩展为微型能源网，以其 高效的能源利用效率，灵活可靠的能源供应模式成为了实现能源生产和消费转型、提升能 源综合利用效率，成为解决能源环境问题的重要手段。
[0003] 目前，国外的CCHP系统的实际应用处于起步阶段，其中国外较为著名的有 UNIVERSITY OF CALIFORNIA,DAVIS(UCD)项目及UNIVERSITY OF NEW MEXICO(UNM)等项目， 国内较为著名的有天津中新生态城动漫园冷热电三联产项目等。国外对CCHP系统的研究有 一定研究，例如在热电联供型微电网设备规划层面给出了定容定址规划模型，并用粒子群 算法和差分进化算法对模型进行了求解;面向商务楼宇供能系统，以运行费用最小为目标 构建了 CCHP系统的优化模型，并用CPLEX对其进行了求解，结果表明应用了 CCHP系统后该商 务楼宇每年可节省11 %的运行费用，并减少8 %的二氧化碳排放，但其研究对象仅针对商务 楼宇，结论的可推广性不强。
[0004] 国内方面，现有研究一般针对由风电机组、光伏电池、燃料电池、余热锅炉、燃气锅 炉、蓄电池以及热电负荷构成的热电联供型微网系统，考虑风电、光伏功率以及热电负荷的 随机性，提出一种基于随机模拟技术的粒子群优化(PS0)算法求解模型，对该模型进行了求 解，但其研究对象仅为热电联供型微网系统，未考虑调度冷能源对系统能效的提升作用;或 按照电、烟气、蒸汽、水和空气5种能量传递形式进行分类，采用集中母线的方式搭建了 CCHP 微网系统的基本构架。依托该构架对各设备进行独立建模，建立了CCHP微网系统日前动态 经济调度的0-1混合整数线性规划模型，通过调节系统中各设备运行方式和工作状态，实现 系统的经济运行。但其在将热负荷细分为热水负荷和空气热负荷时，并未对冷负荷进行细 分，而蓄冷装置的储能媒介一般是冷冻水，若将空间冷负荷和冷水负荷作为一类并用蓄冷 装置对其进行控制会对模型的优化产生偏差。
【发明内容】
[0005] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种冷热电联供微型能 源网经济优化调度方法，智能电网园区内多种供能及蓄能设备进行分析，建立各设备的能 量流动模型，调度冷热电联供微型能源网内多类供能设备和储能设备向具有多种负荷的用 户进行冷热电联供;解决了现有技术的不足。
[0006] 技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:一种冷热电联供型微型能 源网经济优化调度方法，其特征在于，该方法的冷热电联供微型能源网内包括供能设备、储 能设备和辅助供能设备;所述储能设备包括冷储能设备、热储能设备和电储能设备;所述辅 助供能设备包括燃气锅炉、户用空调、吸收式制冷机组和可再生能源发电设备；
[0007] 对冷热电联供微型能源网内的供能设备和储能设备进行分析，建立各设备的能量 流动模型；基于能源交换网络搭建冷热电联供型微型能源网的架构，围绕所述架构建立冷 热电联供型微型能源网经济优化调度模型;并对模型求解。
[0008] 进一步的，所述供能设备和储能设备进行分析，建立各设备的能量流动模型具体 包括以下步骤：
[0009] 步骤一）：建立供能设备模型：
[0010] 所述供能设备为微型燃气轮机系统，所述微型燃气轮机系统包括若干台微型汽轮 机;所述微型汽轮机系统根据调度的发电指令值选择机组开启台数，已开启的机组平均分 摊电负荷，通过多项式拟合，得到微型燃气轮机系统的效率与出力函数，其参数如下：
[0012]式中：
[0013] ηα_为:微型燃气轮机系统在出力为p时的效率；
[0014] pmax为:额定功率值；
[0015] f(P)为:系统的出力函数；
[0016] Pi为：出力函数各项系数；
[0017]步骤二）：建立储能设备的供能模型；
[0019] 式中：
[0020] E(t)为储能装置在t时段储存的能量；
[0021] At为t时段到t+Ι时段的时间间隔；
[0022] Pabs(t)为t时段储能功率；
[0023] Prelea(t)为t时段放能功率；
[0024] μ为储能装置自身向环境散能损失或自损耗的能量系数；
[0025] nabs为储能装置的储能效率，
[0026] rfeleaS储能装置放能效率。
[0027]步骤三）：建立辅助设备供能模型：
[0029] 约束条件为:0 < Haux,cmt <
[0030] 式中：
[0031] 为辅助供能设备输出的热/冷量，单位是kW;
[0032] Haux,in为辅助供能设备输入的能量，单位是kW;
[0033] naux为设备的能源利用效率或能效系数cop。
[0034] 进一步的，该方法包括列写优化目标函数和系统约束条件，具体包括：
[0035] 步骤一）：列写优化目标函数:所述优化目标包括联供系统微型燃气轮机和燃气锅 炉的燃料成本、联供系统与电网的电能交换成本和联供系统的运行维护成本;函数如下式：
[0036] minprice =min(prifUei+prigrid+p:rimaintain)
[0037] 其中，联供系统微型燃气轮机和燃气锅炉的燃料成本函数计算公式如下：
[0039] 式中：
[0040] fCHPl为微型燃气轮机耗量特性曲线函数，单位均折算为kW;
[0041] Pi为第i台微型燃气轮机的电功率输出，单位是kW;
[0042] 是逐时气价，单位按天然气热值折算为Y/kWh;
[0043] 为第i台燃气锅炉t时段的耗量，单位按天然气热值折算为Y/kWh;
[0044] t是时间段序号，单位是小时；
[0045] 联供系统与电网的电能交换成本函数计算公式如下：
[0047] 式中：
[0048] 是逐时电价；
[0049] 是联供系统和外部电网的逐时电力交换值。
[0050] 联供系统的运行维护成本函数计算公式如下：
[0052]式中，PmCHPi为燃气轮机的单位功率运行维护成本;Pmdistri为分布式发电设备单位 功率运行维护成本;Pmstcir泛指储能设备的单位功率运行维护成本;PmCB为燃气锅炉的单位功 率运行维护成本;PmEB为余热锅炉的单位功率运行维护成本;PmAC为吸收式制冷机的单位功 率运行维护成本;PmEC为压缩式电制冷机的单位功率运行维护成本;PmAir为空调系统的单位 功率运行维护成本;Pi为第i台微型燃气轮机的电功率输出，单位是kW ; 为第i台分布式 发电系统的出力，单位是和//二分别泛指三类储能设备的充放能功率，单位是kW;fts 为燃气锅炉的制热功率，单位已换算至余热锅炉的制热功率，单位已换算至kW; .为吸收式制冷机的制冷功率，单位已换算至压缩式电制冷机的运行功率，单位 为kw; gnd为空调系统运行功率，单位为kw。
[0053] 步骤二）、列写系统约束条件:所述系统约束条件包括功率平衡约束、设备容量约 束和设备运行约束;所述功率平衡约束包括电功率平衡约束、热总功率平衡约束、热水平衡 约束、冷总功率约束、冷冻制冷功率平衡约束、设备容量约束和设备运行约束；
[0054] 所述电功率平衡约束条件计算公式如下：
[0056]式中，圮",是联供系统和外部电网的逐时电力交换值;，为负荷值;圪,为蓄电池 功率;为户用空调功率为分布式发电设备功率;if是第i个微型燃气轮机的发电功 率；
[0057]所述总热功率平衡约束条件计算公式如下：
[0059]热水平衡约束条件计算公式如下：
[0061] 式中，树是第i个微型燃气轮机通过余热锅炉回收的热值；//^e?为第i个燃气锅 炉的产热值;C0P_d、n in、分别为空调设备的能效系数和热储能的充放热效率;和 分别为联供系统的逐时空间热负荷和热水负荷；
[0062] 总冷功率平衡约束条件计算公式如下：
[0066] 式中，g是第i个微型燃气轮机通过吸收式制冷机组制造的冷量;C1,为电制冷机 产生的冷水值，EER。-、nin、η。。#分别为空调设备的制冷能效比和冷储能的充放冷效率； cu.jp 分别为微型能源系统的逐时空间冷负荷和冷冻制冷负荷；
[0067] 系统内设备容量约束计算公式如下：
[0068]对于微型燃气轮机：
[0069] P^<P^ <P^,i^nCHP
[0070] 对于燃气锅炉：
[0071 ] 0 < ffboileri - ^boiler/ > e nboiler
[0072] 对于空调设备：
[0073] 〇<^?<^
[0074] 对于热/冷储能设备：
[0075] 0 < Hi <
[0076] 0<HI,<H：：^
[0077] 5Γ < 51，<
[0078] 式中，把和/^,为t时刻的热/冷储能设备输入和输出功率，和尽Γ为热/冷 储能设备输入和输出功率极限，尤。,.为热/冷储能设备的荷热状态；
[0079] 热/冷储能设备描述的充放热/冷状态是一个动态过程，如下式所示：
[0080 ] S:.二 u S\-tl + υ Η'" - Hlut。
[0081 ]进一步的，该方法包括模型的求解方法：
[0082]求解模型的标准形式为
[0084] 基于Hessian矩阵迭代的内点法在求解的过程中构造了满足Karush-Kuhn-Tucker 条件的拉格朗日辅助函数：
[0085] L(x,A) = f (χ)+ Σλ0;ι〇?(χ)+ ΣλΑ,?(Αχ^)
[0086] + Σ ^ceq, iCeqi(X) + Σ \\eq, i (AeqX_beq)
[0087] 其修正方程式中的二阶导函数Hessian矩阵为：
[0089]通过对修正方程组中矩阵进行变换，LDLT分解以及回代并修正，实现迭代求解，满 足收敛条件后自动停止迭代；
[0090] 式中，待优化的变量X为η维变量，包括燃气轮机连供系统的逐小时冷热电出力、辅 助型供能设备的逐小时出力、各类储能设备的逐小时出力、储能的S0C状态以及与电网交互 的购售电量;约束条件中不等式约束为微型燃气轮机的出力函数约束，线型部分有ρ个线型 不等式约束和q个线型等式约束，包括供能设备出力约束、冷热电负荷约束以及储能S0C上 下限约束;1。,^；^。 (3(1,:^(3(1,:1为拉格朗日乘子，维度和各自的约束条件个数相同 ；1、113、1113均 为η维列向量，b为ρ维列向量，beq为q维列向量，A为ρ X η维矩阵，Aeq为q X η维矩阵，Hessian 矩阵为η X η维矩阵；
[0091] 根据求解结果进行能源调度。
[0092] 有益效果:本发明结合智能电网园区内多元能源利用的特点，将智能电网园区内 的冷热电负荷细分为纯电负荷，热水负荷，空间热负荷，冷冻制冷负荷和空间冷负荷5类，通 过优化调度智能电网园区内各供能设备的运行方式和出力，从而实现冷热电联供微型能源 网的经济优化运行。
[0093] 具体的，本发明对智能电网园区内多种供能及储能设备进行分析，建立各设备的 能量流动模型，基于集中互连的能源交换网络搭建了冷热电联供微型能源网的架构。围绕 该架构，建立了冷热电联供微型能源网经济优化调度模型，针对模型特性使用基于Hessian 矩阵迭代的内点法对模型进行求解，从而获得日前调度计划，按照上述计划进行能源调度。
[0094] 本发明还充分发挥了智能电网园区在数据采集方面的优势和在供能设备多样性 方面的优势，同时还充分发挥基于Hessian矩阵迭代的内点法在求解优化问题方面的优势， 调度策略提高了智能电网园区的综合能效，降低系统运行费用，实现冷热电联供微型能源 网的经济优化运行。
【附图说明】
[0095] 图1为本发明中的Capstone C200效率与出力曲线。
[0096] 图2为本发明中的Capstone C1000效率与出力曲线。
[0097] 图3为本发明的冷热电联供微型能源网供能结构。
[0098] 图4为本发明冷热电联供微型能源网的经济优化调度模型架构。
[0099] 图5为本发明中某典型用户的日电热冷预测负荷曲线。
[0100] 图6为本发明中电负荷平衡日前优化调度设备出力曲线。
[0101] 图7为本发明中空间热负荷平衡日前优化调度设备出力曲线。
[0102] 图8为本发明中热水负荷平衡日前优化调度设备出力曲线。
[0103] 图9为本发明中空间冷负荷平衡日前优化调度设备出力曲线。
[0104] 图10为本发明中冷冻制冷负荷平衡日前优化调度设备出力曲线。
[0105] 图11为本发明中日前优化调度下储能设备运行状态。
[0106] 图12为本发明中系统在不同调度策略下的系统日运行费用。
【具体实施方式】
[0107] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0108] 本发明提出一种面向冷热电联供微型能源网的经济优化调度方法，将智能电网园 区内的冷热电负荷细分为纯电负荷，热水负荷，空间热负荷，冷冻制冷负荷和空间冷负荷5 类，对智能电网园区内多种供能及储能设备进行分析，建立各设备的能量流动模型，基于集 中互连的能源交换网络搭建了冷热电联供型微型能源网的架构。围绕该架构，建立了冷热 电联供型微型能源网经济优化调度模型，针对模型特性使用基于Hessian矩阵迭代的内点 法对模型进行求解。通过调度智能电网园区内各供能设备的运行方式和出力，从而实现冷 热电联供型微型能源网的经济优化运行。
[0109] 本发明的具体方法如下:首先对冷热电联供微型能源网内多种供能及储能设备进 行分析，建立各设备的能量流动模型，如图1，2所示，基于集中互连的能源交换网络搭建了 冷热电联供型微型能源网的架构，如图3,4所示。围绕该架构，建立了冷热电联供微型能源 网经济优化调度模型，针对模型特性使用基于Hessian矩阵迭代的内点法对模型进行求解。 通过调度智能电网园区内各供能设备的运行方式和出力，从而实现冷热电联供型微型能源 网的经济优化运行;上述过程具体参见
【发明内容】
部分。
[0110] 实施过程中，对冷热电联供微型能源网内的供能设备和储能设备进行分析，建立 各设备的能量流动模型;基于能源交换网络搭建冷热电联供型微型能源网的架构，围绕所 述架构建立冷热电联供型微型能源网经济优化调度模型;并对模型求解。
[0111] 所述供能设备和储能设备进行分析，建立各设备的能量流动模型具体包括以下步 骤：
[0112] 步骤一）：建立供能设备模型：
[0113] 所述供能设备为微型燃气轮机系统，微型燃气轮机是微型能源网实现冷热电联供 的核心设备，以Capstone C1000为例建立了适用于微型能源网的经济优化调度的微型燃气 轮机模型。Capstone C1000系统是由5台Capstone C200型微型燃气轮机组成的一个适应性 强，低排放，低维护的发电系统。Capstone C200通过祸轮驱动转子高速转动产生高频交流 电，再通过电力电子装置进行整流生产工频交流电，发电过程产生的高温废烟则通过余热 锅炉加以利用，转化成蒸汽或高温热水以供吸收式制冷机组制冷或直接供热。所述微型燃 气轮机系统包括若干台微型汽轮机;所述微型汽轮机系统根据调度的发电指令值选择机组 开启台数，已开启的机组平均分摊电负荷，通过多项式拟合，得到微型燃气轮机系统的效率 与出力函数，其参数如下：
[0115]式中：
[0116] nci_为:微型燃气轮机系统在出力为P时的效率；
[0117] pmax为:额定功率值；
[0118] f(P)为:系统的出力函数；
[0119] Pi为：出力函数各项系数；
[0120] 表1 Capstone C1000系统效率与出力函数各项系数 [0121]
[0122]本文假设发电过程产生的高温废烟通过余热锅炉加以利用，转化成蒸汽或高温热 水以供吸收式制冷机组制冷或直接供热。
[0123] 步骤二）：建立储能设备的供能模型;储能装置能起到对冷热电负荷削峰填谷的作 用，同时可以缓解冷热电负荷比与微型燃气轮机联供系统热电比不匹配的问题。
[0124] 储能装置的特性可描述成设备自身容量、最大储能状态、储能输出功率、能量自损 耗率和储能效率等几部分，建立的储能装置差分方程模型如下：
[0126] 式中：
[0127] E(t)为储能装置在t时段储存的能量；
[0128] At为t时段到t+Ι时段的时间间隔；
[0129] Pabs(t)为t时段储能功率，
[0130] Prelea(t)为t时段放能功率；
[0131] μ为储能装置自身向环境散能损失或自损耗的能量系数；
[0132] rfbs为储能装置的储能效率，
[0133] rf &3为储能装置放能效率。
[0134] 步骤三）：建立辅助设备供能模型：简单起见，认为其他辅助供能设备的工作效率 不变，其供能数学模型可以归结为输出热（冷)量与输入能量（消耗的燃料、电量或者余热 量)保持线性关系，可以表示为：
[01 36]约束条件为:0 < Haux, cmt < Haux, cmtmax ;
[0137] 式中：
[0138] Haux.cmt为辅助供能设备输出的热/冷量，单位是kW;
[0139] Haux, in为辅助供能设备输入的能量，单位是kW;
[0140] qaux为设备的能源利用效率或能效系数COP。
[0141] 该方法包括列写优化目标函数和系统约束条件，具体包括：
[0142] 步骤一）：列写优化目标函数:所述优化目标包括联供系统微型燃气轮机和燃气锅 炉的燃料成本、联供系统与电网的电能交换成本和联供系统的运行维护成本;函数如下式：
[0143] min price =min(prifUei+prigrid+p:rimaintain)
[0144] 式中，冷热电联供微型能系统的日运行综合费用主要包括以下三个方面:燃料费 用、电网交互的功率费用和系统运行维护费用：
[0145] 其中，联供系统微型燃气轮机和燃气锅炉的燃料成本函数计算公式如下：
[0147] 式中：
[0148] fCHPl为微型燃气轮机耗量特性曲线函数，单位均折算为kW;
[0149] Pi为第i台微型燃气轮机的电功率输出，单位是kW;
[0150] <4?.是逐时气价，单位按天然气热值折算为Y/kWh;
[0151] 为第i台燃气锅炉t时段的耗量，单位按天然气热值折算为Y/kWh;
[0152] t是时间段序号，单位是小时；
[0153] 联供系统与电网的电能交换成本函数计算公式如下：
[0155] 式中：
[0156] 4,.?/是逐时电价；
[0157] ，是联供系统和外部电网的逐时电力交换值。
[0158] 联供系统的运行维护成本函数计算公式如下：
[0160] 式中，PmCHPi为燃气轮机的单位功率运行维护成本;Pmdistri为分布式发电设备单位 功率运行维护成本;Pmstcir泛指储能设备的单位功率运行维护成本; PmCB为燃气锅炉的单位功 率运行维护成本;PmEB为余热锅炉的单位功率运行维护成本;PmAC为吸收式制冷机的单位功 率运行维护成本;PmEC为压缩式电制冷机的单位功率运行维护成本;PmAir为空调系统的单位 功率运行维护成本; Pl为第i台微型燃气轮机的电功率输出，单位是为第i台分布式 发电系统的出力，单位是kW;//l和分别泛指三类储能设备的充放能功率，单位是kw; 为燃气锅炉的制热功率，单位已换算至kw;(^为余热锅炉的制热功率，单位已换算至 为吸收式制冷机的制冷功率，单位已换算至为压缩式电制冷机的运行功率， 单位为kW; 为空调系统运行功率，单位为kW。
[0161] 步骤二）、列写系统约束条件:所述系统约束条件包括功率平衡约束、设备容量约 束和设备运行约束;所述功率平衡约束包括电功率平衡约束、热总功率平衡约束、热水平衡 约束、冷总功率约束、冷冻制冷功率平衡约束、设备容量约束和设备运行约束；
[0162] 所述电功率平衡约束条件计算公式如下：
[0164] 式中，匕,/是联供系统和外部电网的逐时电力交换值;为负荷值;圪,.为蓄电池 功率;I为户用空调功率;I为分布式发电设备功率;Pit是第i个微型燃气轮机的发电 功率；
[0165] 对于热负荷来说，要保证系统内空间热负荷和热水负荷都满足平衡约束，这里将 其表示为热水功率平衡约束和总热功率平衡约束，满足了这两点后空间热负荷平衡约束自 动得到满足。
[0166]所述总热功率平衡约束条件计算公式如下：
[0168]热水平衡约束条件计算公式如下：
[0170]式中，是第i个微型燃气轮机通过余热锅炉回收的热值;为第i个燃气锅炉 的产热值;C0P。-、nin、nhcmt分别为空调设备的能效系数和热储能的充放热效率；和 分别为联供系统的逐时空间热负荷和热水负荷；
[0171 ]对于冷负荷来说，要保证系统内空间冷负荷和冷冻制冷负荷都满足平衡约束，这 里将其表示为冷冻制冷功率平衡约束和总冷功率平衡约束，满足了这两点后空间冷负荷平 衡约束自动得到满足。
[0172]总冷功率平衡约束条件计算公式如下：
[0174]冷冻制冷功率平衡约束条件计算公式如下：
[0176] 式中，C?是第i个微型燃气轮机通过吸收式制冷机组制造的冷量;为电制冷机 产生的冷水值，EER。-、nin、η。。#分别为空调设备的制冷能效比和冷储能的充放冷效率； 和(：^"分别为微型能源系统的逐时空间冷负荷和冷冻制冷负荷；
[0177] 冷热电联供微型能源系统内设备容量及运行约束条件计算公式如下：
[0178] 对于微型燃气轮机：
[0179] <fT'\i^naiP
[0180] 对于燃气锅炉：
[0181] 0 ^ e nboiler
[0182] 对于空调设备：
[0183] 〇<^<^5
[0184] 对于热/冷储能设备：
[0185] 0 < Wm <
[0186] Q<Hl,<H：；：
[0187] SZ<S：tor<SZ
[0188] 式中，祀和圮,为t时刻的热/冷储能设备输入和输出功率，和ACX为热/冷 储能设备输入和输出功率极限，51.为热/冷储能设备的荷热状态；
[0189] 热/冷储能设备描述的充放热/冷状态是一个动态过程，如下式所示：
[0190 ] = 7；stor X Sll + η?η χΗ'η- ?'οΜ 〇:
[0191] 4、如权利要求2所述的一种冷热电联供型微型能源网经济优化调度方法，其特征 在于，该方法包括模型的求解方法：
[0192] 由于优化模型中的设备众多，在列写约束条件矩阵时会产生大量稀疏矩阵元素， 当使用全局解空间搜索类算法如遗传算法或粒子群算法时会使得求解过程变得十分漫长， 因此使用基于Hessian矩阵迭代的内点法对冷热电联供微型能源网经济优化调度模型进行 求解，求解模型的标准形式为：
[0194] 基于Hessian矩阵迭代的内点法在求解的过程中构造了满足卡罗需-库恩-塔克 (Karush-Kuhn-Tucker)条件的拉格朗日辅助函数：
[0195] L(x,A) = f (χ)+ Σλ0;ι〇?(χ)+ ΣλΑ,?(Αχ^)
[01 96] + Σ ^ceq, iCeqi(X) + Σ A^eq, i (AeqX_beq)
[0197] 其修正方程式中的二阶导函数Hessian矩阵为：
[0199] 通过对修正方程组中矩阵进行变换，LDLT分解以及回代并修正，实现迭代求解，满 足收敛条件后自动停止迭代；
[0200] 式中，待优化的变量X为η维变量，包括燃气轮机连供系统的逐小时冷热电出力、辅 助型供能设备的逐小时出力、各类储能设备的逐小时出力、储能的S0C状态以及与电网交互 的购售电量;约束条件中不等式约束为微型燃气轮机的出力函数约束，线型部分有ρ个线型 不等式约束和q个线型等式约束，包括供能设备出力约束、冷热电负荷约束以及储能S0C上 下限约束;1。,^；^。 (3(1,:^(3(1,:1为拉格朗日乘子，维度和各自的约束条件个数相同 ；1、113、1113均 为η维列向量，b为ρ维列向量，beq为q维列向量，A为ρ X η维矩阵，Aeq为q X η维矩阵，Hessian 矩阵为η X η维矩阵。
[0201] 最后，根据求解结果获得日前调度计划，按照上述计划进行能源调度。
[0202] 图5为本发明中某典型用户的日电热冷预测负荷曲线，按照基于Hessian矩阵迭代 的内点法对模型进行求解，得到如图6-图12的仿真结果，由图6-图12可知，优化后的供能方 案可以满足微型能源网的全部能源需求，系统中未出现有弃光，弃热，弃冷和弃废烟的情况 出现，经优化过的微型能源网供能方案具有以下特征：
[0203] (1)系统在电价较低的时段23点至8点向公共电网购买电力来满足电制冷机、空调 以及纯电类负荷的需求；当进入了峰段电价时，微型燃气轮机开始工作，以满足微型能源网 的电负荷需求;电制冷机仅在低谷电价时启用，以降低系统的运行费用;空调也在低谷电价 时出力明显大于峰段电价时刻，主要是受到电价和冷热负荷变化规律限制；当进入了光伏 系统可发电时刻时，光伏按照预测出力满发，以减少微型能源网内的电力供应需求;蓄电池 由于使用成本较高，尽管有着削峰填谷的作用，但从全局上来看不利于微型能源网的经济 调度，故并未参与实际运行。
[0204] (2)空间热负荷由空调系统和微型燃气轮机系统联合供给，在低谷电价时空间热 负荷全部由空调提供，部分峰段电价时刻由微型燃气轮机系统中的余热锅炉提供，由于使 用天然气供热价格较高，燃气锅炉并未列入计划运行方案。
[0205] (3)由于户用空调系统只能满足空间热负荷需求，该微型能源网中的热水负荷由 余热锅炉和热储能设备来满足，热储能运行成本较低，适合替代蓄电池储承担移峰填谷的 作用，同样，由于使用天然气供热水价格较高，燃气锅炉并未列入热水供应优化方案。
[0206] (4)空间冷负荷由空调系统、微型燃气轮机系统以及压缩式电制冷机联合供给，在 低谷电价时空间冷负荷全部由空调及压缩式电制冷机提供，其余时刻由微型燃气轮机系统 中的溴化锂吸收式制冷机组提供，当溴化锂吸收式制冷机组制冷量不足时，户用空调系统 充当空间制冷调峰设备。
[0207] (5)由于户用空调系统只能满足系统的空间冷负荷需求，该微型能源网中的冷冻 制冷负荷由溴化锂吸收式制冷机组、压缩式电制冷机和冷储能设备来满足，在电价非低谷 的时刻燃气轮机出力较大，废烟较多，而冷热负荷有限，故利用冷储能设备对冷水进行存 储，在冷负荷升高时进行释放冷量，起到移峰填谷的作用。
[0208] (6)在整个优化调度周期内冷热储能设备储能量均未超过限值，由于成本的缘故， 蓄电池未被考虑进优化调度方案，冷热储能设备运行成本较低，非常适合替代蓄电池承担 移峰填谷的任务，以达到降低系统运行费用的目的。最终通过将求解得到的优化结果对各 种供能及储能设备进行调度，实现园区能源的优化利用。
[0209] (7)其中优化后的系统采用了本文所提的调度策略，日运行费用为24048.7元;未 优化指的是系统的电负荷全部由公共网络购入，空间冷热负荷由户用空调满足，热水负荷 由燃气锅炉满足，冷冻制冷负荷由电制冷机满足，日运行费用为30388.4元；以热定电运行 方式下，燃气轮机联供系统优先满足微型能源网内的总热负荷，不足由制热调峰设备燃气 锅炉和户用空调提供，冷负荷由制冷调峰设备户用空调和电制冷机提供，日运行费用为 26164.8元；以电定热运行方式下，燃气轮机联供系统优先满足微型能源网内的总电负荷， 不足由电网购入，热负荷由制热调峰设备燃气锅炉和户用空调提供，冷负荷由制冷调峰设 备户用空调和电制冷机提供，日运行费用为27116.3元。系统在使用了优化调度策略后可以 使日运行费用降低20.86%，较其他两种运行方式分别降低了 8.09%和11.31%。因此，通过 调度微型能源网内各供能设备的运行方式和出力，可以显著降低系统的日运行费用，实现 冷热电联供微型能源网的经济优化运行。
[0210]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种冷热电联供型微型能源网经济优化调度方法，其特征在于，该方法的冷热电联 供微型能源网内包括供能设备、储能设备和辅助供能设备;所述储能设备包括冷储能设备、 热储能设备和电储能设备;所述辅助供能设备包括燃气锅炉、户用空调、吸收式制冷机组和 可再生能源发电设备； 对冷热电联供微型能源网内的供能设备和储能设备进行分析，建立各设备的能量流动 模型;基于能源交换网络搭建冷热电联供型微型能源网的架构，围绕所述架构建立冷热电 联供型微型能源网经济优化调度模型;并对模型求解。2. 如权利要求1所述的一种冷热电联供型微型能源网经济优化调度方法，其特征在于， 所述供能设备和储能设备进行分析，建立各设备的能量流动模型具体包括以下步骤： 步骤一）：建立供能设备模型： 所述供能设备为微型燃气轮机系统，所述微型燃气轮机系统包括若干台微型汽轮机； 所述微型汽轮机系统根据调度的发电指令值选择机组开启台数，已开启的机组平均分摊电 负荷，通过多项式拟合，得到微型燃气轮机系统的效率与出力函数，其参数如下： 式中：nciooo为:微型燃气轮机系统在出力为P时的效率； PmaxS:额定功率值； f(p)为:系统的出力函数； Pi为：出力函数各项系数； 步骤二）：建立储能设名·的供能樽型， 式中：E(t)为储能装置在t时段储存的能量； At为t时段到t+Ι时段的时间间隔； ?-(〇为1时段储能功率； Prelea(t)为t时段放能功率； μ为储能装置自身向环境散能损失或自损耗的能量系数； nabs为储能装置的储能效率， 扩^3为储能装置放能效率。 步骤三）：建立辅助设备供能模型： 约束条件为:0 S Haux, out S Haux, outmax，式中： Haux, cmt为辅助供能设备输出的热/冷量，单位是kW; Haux, in为辅助供能设备输入的能量，单位是kW; %ux为设备的能源利用效率或能效系数cop。3.如权利要求2所述的一种冷热电联供型微型能源网经济优化调度方法，其特征在于， 该方法包括列写优化目标函数和系统约束条件，具体包括： 步骤一）：列写优化目标函数:所述优化目标包括联供系统微型燃气轮机和燃气锅炉的 燃料成本、联供系统与电网的电能交换成本和联供系统的运行维护成本;函数如下式： niinpr ice - rnin( prifuel+prigrid+primaintain) 其中，联供系统微型燃气轮机和燃气锅炉的燃料成本函数计算公式如下： 式中：fCHPl为微型燃气轮机耗量特性曲线函数，单位均折算为kW; Pi为第i台微型燃气轮机的电功率输出，单位是kw; 是逐时气价，单位按天然气热值折算为Y/kWh; 为第i台燃气锅炉t时段的耗量，单位按天然气热值折算为Y/kWh; t是时间段序号，单位是小时； 联供系统与电网的电能交换成本函数计算公式如下： 1式中： <4.,v是逐时电价； 是联供系统和外部电网的逐时电力交换值。 联供系统的运行维护成本函数计算公式如下：式中，PmCHPi为燃气轮机的单位功率运行维护成本;Pmdistri为分布式发电设备单位功率 运行维护成本;pmstOT泛指储能设备的单位功率运行维护成本;pmCB为燃气锅炉的单位功率运 行维护成本;PmEB为余热锅炉的单位功率运行维护成本;PmAC为吸收式制冷机的单位功率运 行维护成本;PmEC为压缩式电制冷机的单位功率运行维护成本;PmAir为空调系统的单位功率 运行维护成本 ;Pi为第i台微型燃气轮机的电功率输出，单位是kW;/lw为第i台分布式发电 系统的出力，单位是kw;FL和/4,分别泛指三类储能设备的充放能功率，单位是kw;(t为燃 气锅炉的制热功率，单位已换算至kw;g^为余热锅炉的制热功率，单位已换算至kW; η为 吸收式制冷机的制冷功率，单位已换算至压缩式电制冷机的运行功率，单位为kW; 为空调系统运行功率，单位为kW。 步骤二）、列写系统约束条件:所述系统约束条件包括功率平衡约束、设备容量约束和 设备运行约束;所述功率平衡约束包括电功率平衡约束、热总功率平衡约束、热水平衡约 束、冷总功率约束、冷冻制冷功率平衡约束、设备容量约束和设备运行约束； 所述电功率平衡约束条件计算公式如下：式中，巧#是联供系统和外部电网的逐时电力交换值；为负荷值;为蓄电池功 率；6^为户用空调功率；为分布式发电设备功率;是第i个微型燃气轮机的发电功 率； 所述总热功率平衡约束条件计算公式如下： ? uui <jul in^pace. n uttr 热水平衡约束条件计算公式如下：式中，贫是第i个微型燃气轮机通过余热锅炉回收的热值；/^。116".为第i个燃气锅炉的 产热值;《^。-^^、他^分别为空调设备的能效系数和热储能的充放热效率:^胃和开^^ 分别为联供系统的逐时空间热负荷和热水负荷； 总冷功率平衡约束条件计算公式如下： I coui ·' oui ·' in.'space ' κ,βιτι 冷冻制冷功率平衡约束条件计算公式如下：式中，g是第i个微型燃气轮机通过吸收式制冷机组制造的冷量;为电制冷机产生 的冷水值，EER_d、nin、n_t分别为空调设备的制冷能效比和冷储能的充放冷效率;<4_和 C^fn分别为微型能源系统的逐时空间冷负荷和冷冻制冷负荷； 系统内设备容量约束计算公式如下： 对于微型燃气轮机： p.min^p.t^p.max^^^p 对于燃气锅炉： 对于空调设备：对于热/冷储能设备： 式中，和i/l,为t时刻的热/冷储能设备输入和输出功率，//Γχ和为热/冷储能 设备输入和输出功率极限，欠 to，为热/冷储能设备的荷热状态； 热/冷储能设备描述的充放热/冷状杰是一个动杰忖趕，如下式所示：4.如权利要求2所述的一种冷热电联供型微型能源网经济优化调度方法，其特征在于， 该方法包括模型的求解方法： 求解模型的标准形式为基于Hessian矩阵迭代的内点法在求解的过程中构造了满足Karush-Kuhn-Tucker条件 的拉格朗日辅助函数：其修正方程式中的二阶导函数He s s i an矩阵为：通过对修正方程组中矩阵进行变换，LDLT分解以及回代并修正，实现迭代求解，满足收 敛条件后自动停止迭代； 式中，待优化的变量X为η维变量，包括燃气轮机连供系统的逐小时冷热电出力、辅助型 供能设备的逐小时出力、各类储能设备的逐小时出力、储能的SOC状态以及与电网交互的购 售电量;约束条件中不等式约束为微型燃气轮机的出力函数约束，线型部分有Ρ个线型不等 式约束和q个线型等式约束，包括供能设备出力约束、冷热电负荷约束以及储能SOC上下限 约束;λ。, Aa, ?λ。％ ?λΑ(3(1, i为拉格朗日乘子，维度和各自的约束条件个数相同；X、lb、ub均为η 维列向量，b为ρ维列向量，beq为q维列向量，Α为ρ Xη维矩阵，Aeq为qXη维矩阵，Hessian矩阵 为η X η维矩阵；
【文档编号】G06Q50/06GK105869075SQ201610244775
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月19日
【发明人】徐青山, 曾艾东, 王凯, 孙璐, 王迎秋, 赵洪磊, 戚艳, 王旭东, 蒋菱, 于建成, 霍现旭, 李国栋, 李志坚
【申请人】东南大学, 国家电网公司, 国网天津市电力公司