结合热网模型的多区域综合能源系统配置模型的建立方法
【专利摘要】本发明公开了一种结合热网模型的多区域综合能源系统配置模型的建立方法，该方法包括以下步骤：步骤10）分别建立热网模型和CCHP模型；步骤20）结合建立的热网模型和CCHP模型，建立配置模型。该方法能够很好的利用各区域内冷热电负荷存在的明显的峰谷交错现象，实现多种能源的供需互补，降低容量配置，解决单独规划时出现的配置浪费、设备利用率低的问题，有效提升系统整体经济性。
【专利说明】
结合热网模型的多区域综合能源系统配置模型的建立方法
技术领域
[0001] 本发明属于综合区域能源系统规划领域，具体来说，涉及一种结合热网模型的多 区域综合能源系统配置模型的建立方法。
【背景技术】
[0002] 能源危机和环境污染的双重压力促使人们对现有的能源消费模式进行反思，并开 始对电、气、热等各种形式能源的综合利用进行研究。我国近期提出的"互联网+"智慧能源 的行动计划，描绘了未来能源互联网愿景，指出充分考虑电、气、冷、热等不同形式能源在生 产、传输、消费各环节的协同耦合是构建能源互联网的重要基础;打破各能源分开规划、独 立运行的既有模式，发展在规划、运行、建设各阶段有机协调的综合能源系统是实现能源可 持续发展的必经之路。
[0003] 冷热电联供系统凭借其能效高、环境效益好等优势已成为综合能源系统的主要研 究方向之一。目前对CCHP系统的研究的大多属于独立型CCHP系统，其规模小、终端用户品种 少，对冷热电能的需求时间段单一，在规划或运行时，只能按本区域负荷峰值单独设计和建 设，不可避免的导致设备能效低下，经济效益略有欠缺。结合热网(heating network,HN)的 区域型CCHP系统正是解决上述问题的有效方法之一，其终端用户品种多样，各子区域内冷 热电负荷存在明显的峰谷交错现象，运行时可协调各CCHP系统的热出力以匹配该区域热需 求，实现能源的优化调度。
【发明内容】
[0004] 技术问题:本发明所要解决的技术问题是:提出一种结合热网模型的多区域综合 能源系统配置模型的建立方法，该方法能够很好的利用各区域内冷热电负荷存在的明显的 峰谷交错现象，实现多种能源的供需互补，降低容量配置，解决单独规划时出现的配置浪 费、设备利用率低的问题，有效提升系统整体经济性。
[0005] 技术方案:为解决上述技术问题，本发明提出了一种结合热网模型的多区域综合 能源系统配置模型的建立方法，该方法包括以下步骤：
[0006] 步骤10)分别建立热网模型和CCHP模型；
[0007] 步骤20)结合建立的热网模型和CCHP模型，建立配置模型。
[0008] 作为优选例，所述的步骤10)中，建立热网模型的过程为：
[0009] 步骤101)建立目标函数，具体包括步骤1011)-步骤1012):
[0010]步骤1011)建立管道年投资成本函数：
[0011]
[0012]式中：Cpi,inv为管道年投资成本，R为管道成本年折算系数，Kpi, fix为管道固定费用， N1为热网管道总数;Lk为热网中第k段管道的长度，单位:m;Kpi, var为与管道容量相关的可变 费用，单位:7
I第k段管道流过热能的最大值，单位:kW;
[0013] 步驟1012)津立水粟运行费用函数：
[0014]
[0015]式中：Cpu, Cipe为水栗运行费用;Nc为CCHP联供系统总数，rw,i为第i个CCHP系统中， 水栗的耗电输热比，表示传输单位热量时耗费的电量，单位:kW; QHex, i, t为在t时刻，第i个 CCHP系统与热网交互的热能，单位:kW;Ke,i,t为第i个CCHP系统t时刻购电单价，单位:元/ 碰1;厶七为时间间隔，队表示全年时段数，队=8760/厶扒
[0016] 步骤102)建立约束条件，具体包括步骤1021)-步骤1022):
[0017] 步骤1021)建立如式(4)所示的节点流量平衡约束条件：
[0018] [qi,t+Eqij,t]i = 0 式（4)
[0019]式中：qi,t为t时刻第i个节点与第i个CCHP系统之间的流量;节点是CCHP系统与热 网相连的点，节点与CCHP系统相对应设置;qw为t时刻与第i个节点相连接的各管段流量；
[0020] 步骤1022)建立如式(5)所示的热能-流量约束条件：
[0021] qi, t = QHex, i,t/c (Ts-Tr)式（5)
[0022] 其中：c为水的比热容，Ts为给水温度，Tr为回水温度；
[0023] 将式(5)带入式(4)，得到式(6):
[0024] [QHex>i>t+EQHij,t]i = 0 式（6)
[0025] 式中：QH^t为在t时刻，与第i个节点相连接的各管段热量；
[0026]步骤1023)建立热损平衡约束：
[0027] 设管道k与管道k-Ι之间的节点为节点i，QHk,t>1为流入管道k的热量，QH k,t,2为流出 管道k的热量；由式(6)可知，对于节点i有：
[0028] QHex，i，t = QHk-i，t，2-QHk，t，i 式（7)
[0029] 式中：QHk,t,At时刻流入管道k的热量，即为节点i流向下一节点j的热量，QHk^2 为t时刻流出管道k-Ι的热量，即为上一节点i-Ι流向节点i的热量;QHex,i,t为在t时刻，第i个 CCHP系统与热网交互的热能；
[0030] 对干管段k有，
[0031]
[0032]式中：〇瓜,*,1和〇瓜,*,2表示管道1^两端的热能4为单位长度管道热损率；1 1{为第1^段 管道的长度。
[0033]作为优选例，所述的Δ t = lh。
[0034]作为优选例，所述的步骤10)中，建立CCHP模型的过程为：
[0035] 步骤111)，建立目标函数，具体包括步骤1111)至步骤1112):
[0036]步骤111 1):建立如式(9)所示的机组年投资成本函数：
[0037]
[0038]式中：CcchP,inv表不机组年投资成本；Ω GT表不燃气轮机型号集合，Ω GB表不燃气锅 炉型号集合，Ωα〔表不吸收式制冷机型号集合，Ωεχ表不电制冷机型号集合;ri表不燃气轮机 型号，Γ2表不燃气锅炉型号，?表不吸收式制冷机型号，Γ4表不电制冷机型号；?φ表不ri型燃 气轮机的单位容量价格，L表示Γ2型燃气锅炉的单位容量价格，疋-L表示Γ3型吸收式制冷机 的单位容量价格，表示Γ4型电制冷机的单位容量价格，单位:元/kW卩,表示第i站点η 型燃气轮机的容量，『二表示第i站点r2型燃气锅炉的容量，!Π ,表示第i站点?型吸收式制 冷机的容量，:灰表示i站点r4型电制冷机的容量，单位:kW; ?&,· _=1表示在第i站点安装ri型 燃气轮机，xS, =1表示在第i站点安装^型燃气锅炉，處t =1表示在第i站点安装r3型吸收式 制冷机，xK表示在第i站点安装η型电制冷机；
[0039]步骤1112):建立如式（10)所示的燃料费用函数：
[0040]
[0041 ]式中：Cf, 〇pe表不燃料费用，表不第i站点ri型燃气轮机在t时刻的发出的电量， 单位:kW;rigt,A燃气轮机的发电效率，职"表示第i站点r2型燃气锅炉在t时刻发出的热 能，单位AWA gM为燃气锅炉的发热效率;Kf表示燃气单价，单位:元/m3;Hng为天然气的热 值；
[0042] 步骤1113):建立如式(11)所示的购电费用函数：
[0043]
[0044] 式中，Ce3, _表示系统全年运行电费，单位:元;, t为第i个CCHP系统t时刻购电单 价，单位:元/kWh; Pex, i, t表示第i站点t时刻与上级电网交互的电能，单位:kW;
[0045] 步骤112)建立约束条件，具体包括步骤1121)至步骤1123):
[0046] 步骤1121):建立如式(12)所示的冷热电功率平衡约束条件：
[0047]
式（12)
[0048] 式中：Pd,1>t为第i个区域t时刻用户电负荷需求?表示第i站点Γ1型燃气轮机在 t时刻的发出的电量，单位:kW，Pex, i, t表示第i站点t时刻与上级电网交互的电能，单位:kW; 表示第i站点t时刻r4型电制冷机吸收的电量，QHdit为第i区域t时刻用户热负荷需求， nhr>1表示热回收器的回收效率，nhe,A热交换器效率，網二表示第i站点t时刻?型吸收式 制冷机机吸收的热量，QCd,i,t为第i区域t时刻用户冷负荷需求，COP ac^i为第i站点吸收式制 冷机的制冷效率，COPe。, i为第i站点电制冷机的制冷效率；
[0049] 步骤1122)建立设备容量约束条件：
[0050] 建立如式（13)所示的燃气轮机与燃气锅炉容量与设备型号及其安装状态匹配条 件：
[0051]
[0052]其中，Wgtll表示第i站点燃气轮机的总容量，Wgbll表示第i站点燃气锅炉的总容量， Wa。,i表示第i站点吸收式制冷机的总容量，We^i表示第i站点电制冷机的总容量；
[0053] 步骤1123)建立如式（14)所示的运行上下限约束：
[0054]
式中：u表示设备运行状态变量，表示第i站点t时刻η型燃气轮机运行状态，当 C+,Η时，表示第i站点t时刻η型燃气轮机运行；P=表示η型燃气轮机功率下限，P=表示 ri型燃气轮机功率上限;表示第i站点t时刻?型燃气锅炉运行状态，当时，表示第 i站点t时刻r2型燃气锅炉运行;以为^型燃气锅炉功率上限，为^型燃气锅炉功率 下限;ι4α表示第i站点t时刻?型吸收式制冷机运行状态，当》"=1时，表示第i站点t时刻? 型吸收式制冷机运行；0?=为r3型吸收式制冷机功率上限，0/C,为r3型吸收式制冷机功 率下限；表示第i站点t时刻r 4型电制冷机运行状态，当i4u=l时，表示第i站点t时刻^型 电制冷机运行；表示r4型电制冷机功率上限，表示r 4型电制冷机功率下限，PT为第i 站点购电上限，/?为第i站点购电下限;为第i站点与热网交互上限，为第i站点 与热网交互下限；
[0056] 步骤1124)建立如式（15)所示的状态变量约束：
[0057]
式（15λ>
[0058] 作为优选例，所述的步骤20)中，建立如式（16)所示的配置模型：
[0059]
式（16)
[0060]其中，ξ表示优化变量，其包含0-1变量与连续变量，fU)为配置模型的目标函数， 即式（1)、（3)、（9) 一 (ll);hU)为等式约束，即式(7)-(8)、（12)-(13);gU)为不等式约束， 即式(14)-(15) ;obj.表示目标函数;s.t.表示约束条件。
[0061] 有益效果:与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0062] 本发明实施例提出的一种结合热网模型的多区域综合能源系统配置模型的建立 方法，首先针对各区域CCHP系统之间的环状热网，建立了考虑节点流量平衡、热能-流量约 束及热损平衡约束的热网模型。结合C C H P系统能量平衡约束和热网模型，建立了多区域 CCHP系统容量协同优化配置的混合整数线性规划模型。较各CCHP系统单独规划而言，本文 提出的结合热网的多区域CCHP系统协同配置模型在规划阶段，提高了燃气轮机容量，降低 了燃气锅炉容量，设备年投资成本较高，同时需要铺设热网管道，故在规划时经济性不明 显；在运行阶段，由于考虑了热网，故能灵活调节各CCHP系统机组出力以匹配该区域的负 荷，大幅降低运行费用，经济性十分显著。
[0063] 由于多区域终端用户品种多样，结合热网后，能有效利用各子区域内冷热电负荷 存在的明显的峰谷交错现象，通过热网转移负荷，在综合能源系统侧表现为有效提高系统 运行时间，解决了单独规划时出现的燃气轮机利用率较低，燃气轮机配置容量浪费等问题。 同时，在各区域热能交互时，本发明实施例提出的热网模型充分考虑了热网节点热量约束 以及热网热损约束，故在无弃热的情况下，热能传输总是选择热损最小的路径，从而进一步 降低系统运行费用。
【附图说明】
[0064] 图1是本发明实施例中含热网的多区域综合能源系统结构图；
[0065] 图2是本发明实施例的模型结构图；
[0066] 图3是本发明实施例中简化的热网结构图；
[0067] 图4是本发明实施例中热网管道热量分布图；
[0068] 图5是本发明实施例采用的CCHP系统结构图；
[0069] 图6是本发明实施案例的区域划分图。
【具体实施方式】
[0070] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施案例 对本发明进行深入地详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用以解释本发 明，并不用于限定发明。
[0071] 综合能源系统以冷热电联供系统为例，含热网的多区域综合能源系统结构如图1 所示。每个子区域内设有一CCHP系统用以供给该区域的冷、热、电能。CCHP系统从燃气网获 取燃气，燃烧产生热能与电能，部分热能与电能经过吸收式制冷与电制冷产生冷能，不足的 电能由电网提供。每个CCHP系统可通过热网交互热能，第i个CCHP系统与热网交互的热能为 QHex, i, t，但各CCHP系统之间不交互电能，电能只与上级电网交互。
[0072]如图2所示，本发明实施例的一种结合热网模型的多区域综合能源系统配置模型 的建立方法，包括以下步骤：
[0073]步骤10)分别建立热网模型（即HN模型）和CCHP模型；
[0074]步骤20)结合建立的热网模型和CCHP模型，建立配置模型。
[0075]在上述实施例中，所述的步骤10)中，建立热网模型的过程为：
[0076] 步骤101)建立目标函数，具体包括步骤1011)-步骤1012):
[0077]步骤1011)建立管道年投资成本函数：
[0078]
[0079] 式中：CP1,ιην为管道年投资成本。R为管道成本年折算系数。KP1, flx为管道固定费用。 KP1,flx与管道容量无关，而与管道挖掘铺设费用相关，单位:元/m。^为热网管道总数;L k为热 网中第k段管道的长度，单位:m;KPi, var为与管道容量相关的可变费用，单位：兀/kW · m。 级巧丨为第k段管道流过热能的最大倌，单位:kW。管道成本年折算系数R依据式(2)确定： 式
[0080] (2)
[0081]式中:y为投资回收年限，m为年利率。
[0082] 步骤1012)建立水栗运行费用函数：
[0083]
式（3)
[0084] 式中：Cpu, 〇Ρβ为水栗运行费用;Nc为CCHP联供系统总数，rw,i为第i个CCHP系统中， 水栗的耗电输热比，表示传输单位热量时耗费的电量，单位:kW; QHex, i, t为在t时刻，第i个 CCHP系统与热网交互的热能，单位:kW;Ke,i,t为第i个CCHP系统t时刻购电单价，单位:元/ kWh;At为时间间隔，Nt表示全年时段数，Nt = 8760/At。作为优选，At = Ih。
[0085] 步骤102)建立约束条件，具体包括步骤1021)-步骤1022)。
[0086]热网为各CCHP系统之间热网，属"源-源"网。热网对传输的安全可靠性要求极高， 故优选采用环状网的布置形式。环状网在任一管道损坏时，闸阀可将它与其余管线隔开检 修，安全可靠性较高，但同一区域，环状网的管线长度要长于树状网，造价也更高。为便于分 析，将区域热网简化如图3。黑色实线条表示管道，黑色虚线表示热水流动正方向。图3主要 体现管道中的热水走向。对于任一节点，均有三个方向的流量。以节点2为例，由上一节点流 入的流量qi2, t，流向CCHP系统的流量q2, t，流向下一节点的流量q23, t。其中，流向CCHP系统的 流量t所携带的热量为QHex, 2, t。
[0087] 步骤1021)对任何形式的网络，都须满足节点流量平衡约束，即对网络中任一节 点，流向该节点的流量一定等于流出该节点的流量。建立如式(4)所示的节点流量平衡约束 条件：
[0088] [qi,t+Eqij,t]i = 0 式（4)
[0089]式中：qi>t为t时刻第i个节点与第i个CCHP系统之间的流量;节点是CCHP系统与热 网相连的点，节点与CCHP系统相对应设置。即第1个CCHP系统对应第1个节点，CCHP系统的数 量与节点的数量相等。qa t为t时刻与第i个节点相连接的各管段流量。
[0090] 步骤1022)建立如式(5)所示的热能-流量约束条件：
[0091] qi, t = QHex, i,t/c (Ts-Tr)式（5)
[0092] 其中：c为水的比热容。通常，c = 4187J/(kg · °〇。％为给水温度，Tr为回水温度。
[0093] 将式(5)带入式(4)，得到式(6):
[0094] [QHex>i>t+EQHij,t]i = 0 式（6)
[0095]式中：QH^t为在t时刻，与第i个节点相连接的各管段热量。
[0096]步骤1023)建立热损平衡约束：
[0097]由于热能在管网中传输不可避免的有热损，故热网模型还需包含热损平衡约束。 由于存在热损，故对于某管道，其从一端流入的热能与从另一端流出的热能并不相同。如图 4所示，设管道k与管道k-Ι之间的节点为节点i，QH k,t>1为流入管道k的热量，QHM,2为流出管 道k的热量。
[0098]由式(6)可知，对于节点i有：
[0099] QHex,i,t = QHk-i,t,2-QHk,t,i 式（7)
[0100] 式中：QHk,t,At时刻流入管道k的热量，即为节点i流向下一节点j的热量，QHk^t,2 为t时刻流出管道k-Ι的热量，即为上一节点i-Ι流向节点i的热量;QHex,i,t为在t时刻，第i个 CCHP系统与热网交互的热能；
[0101] 对于管段k有：
[0102]
式（8)
[0103] 式中：0瓜,*,1和〇瓜,*,2表示管道1^两端的热能4为单位长度管道热损率；11{为第1^段 管道的长度。设节点i的下一节点是节点j。若热水由节点i流向节点 >01^,2，即％〈1。若热水由节点少流入节点1，即职1^,1〈0时，0也山1〈01^,2，即％>1。
[0104] 所述的步骤10)中，建立CCHP模型的过程为：
[0105] 步骤111)，建立目标函数，具体包括步骤1111)至步骤1112):
[0106] 步骤1111):建立如式(9)所示的机组年投资成本函数：
[0107]
[0108]式中：Ccchp,inv表不机组年投资成本；Ω GT表不燃气轮机型号集合，Ω GB表不燃气锅 炉型号集合，Ωα〔表不吸收式制冷机型号集合，Ωεχ表不电制冷机型号集合;ri表不燃气轮机 型号，Γ2表不燃气锅炉型号，?表不吸收式制冷机型号，Γ4表不电制冷机型号;笔丨表不ri型燃 气轮机的单位容量价格，C表示^型燃气锅炉的单位容量价格，表示?型吸收式制冷机 的单位容量价格，幻:表示r4型电制冷机的单位容量价格，单位:元/kW; FF表示第i站点η 型燃气轮机的容量，》表示第i站点r2型燃气锅炉的容量，表示第i站点r3型吸收式 制冷机的容量，# L表示i站点r4型电制冷机的容量，单位:kW;4;, =1表示在第i站点安装η 型燃气轮机，右，=1表示在第i站点安装^型燃气锅炉，λΚ表示在第i站点安装r3型吸收 式制冷机，4,.. =1.表示在第i站点安装Γ4型电制冷机。
[0109] 步骤1112):建立如式(10)所示的燃料费用函数：
[0110]
[0111] 式中：Cf, 〇pe表不燃料费用，表不第i站点ri型燃气轮机在t时刻的发出的电量， 单位:kWAM为燃气轮机的发电效率，ρ/? 5^表示第i站点r2型燃气锅炉在t时刻发出的热 能，单位AWAgM为燃气锅炉的发热效率;Kf表示燃气单价，单位:元/m 3;Hng为天然气的热 值。
[0112] 步骤1113):建立如式(11)所示的购电费用函数：
[0113]
式（1U
[0114] 式中，Ce,_表示系统全年运行电费，单位:元;Ke,i,t为第i个CCHP系统t时刻购电单 价，单位:元/kWh; Pex, i,t表示第i站点t时刻与上级电网交互的电能，单位:kW。
[0115] 步骤112)建立约束条件，具体包括步骤1121)至步骤1123):
[0116] 如图5所示，HR为热回收器，HE为热交换器。第i个CCHP系统在t时刻，燃气轮机(GT) 消耗燃气产生的电能为Pgt,i,t，产生的热能经热回收器(HR)回收的热能为QHgt,i, t;电能一部 分直接供给i区域t时刻用户电需求Pd,1>t，另一部分Pe^ 1, t经过电制冷机(EC)产生冷能 QCecm不足的电能由电网购电Pent;热能一部分经热交换器(HE)供给i区域t时刻用户热 需求QHd,i,t，，另一部分职 3。,^经吸收式制冷机以〇产生冷能〇(^。,^，不足的热能由燃气锅 炉(GB)燃烧燃气补充QHgb，i，t;i区域t时刻用户冷需求QCd,i,t由QC ec,i,t与QCac,i,t组成。
[0117]步骤1121):建立如式(12)所示的冷热电功率平衡约束条件：
[0118]
[0119] 式中：Pd,i,t为第i个区域t时刻用户电负荷需求。本实施例为多区域综合能源系统 协同配置模型，应用对象为一片综合型的用户区域，首先可将此综合型区域按照冷热电负 荷特性分为若干个区域，每个区域配置一个CCHP系统，即第i个CCHP系统为第i个区域供冷 热电能，其与环状热网相连的节点为第i个节点。P .??表示第i站点ri型燃气轮机在t时刻的 发出的电量，单位:kW; Pex, i, t表示第i站点t时刻与上级电网交互的电能，单位:kW; 表示 第i站点t时刻r4型电制冷机吸收的电量;QHd,i,t为第i区域t时刻用户热负荷需求，nhr,i表示 热回收器的回收效率;为热交换器效率;表示第i站点t时刻?型吸收式制冷机机 吸收的热量;QCd,i,t为第i区域t时刻用户冷负荷需求;COP ac^i为第i站点吸收式制冷机的制 冷效率;cop%, i为第i站点电制冷机的制冷效率。
[0120] 步骤1122)建立设备容量约束条件：
[0121] 建立如式（13)所示的燃气轮机与燃气锅炉容量与设备型号及其安装状态匹配条 件：
[0122]
式（13)
[0123] 其中，Wgt,i表示第i站点燃气轮机的总容量，Wgb,i表示第i站点燃气锅炉的总容量， Wa。,i表示第i站点吸收式制冷机的总容量，We^i表示第i站点电制冷机的总容量。
[0124] 步骤1123)建立如式（14)所示的运行上下限约束：
[0125]
[0126] 式中：U表示设备运行状态变量，表示第i站点t时刻η型燃气轮机运行状态，当 产1时，表示第i站点t时刻ri型燃气轮机运行；表示^型燃气轮机功率下限，/7,:表示 ri型燃气轮机功率上限;略》表示第i站点t时刻?型燃气锅炉运行状态，当心.,,=1时，表示第 i站点t时刻r2型燃气锅炉运行;为^型燃气锅炉功率上限，0ΗΓ为〇型燃气锅炉功率 下限；表示第i站点t时刻 ?型吸收式制冷机运行状态，当z4,.f=l时，表示第i站点t时刻? 型吸收式制冷机运行；0汉=为r3型吸收式制冷机功率上限，0?=为r3型吸收式制冷机功 率下限；表示第i站点t时刻r 4型电制冷机运行状态，当CtH时，表示第i站点t时刻r4型 电制冷机运行;表示r 4型电制冷机功率上限，P=表示r4型电制冷机功率下限，为第i 站点购电上限，尸=为第i站点购电下限；CH='为第i站点与热网交互上限，为第i站点 与热网交互下限。
[0127] 步骤1124)建立如式（15)所示的状态变量约束：
[0128]
式（15)。
[0129] 上述实施例中，所述的步骤20)中，建立如式（16)所示的配置模型：
[0130]
式（16)
[0131] 其中，ξ表示优化变量，其包含0-1变量与连续变量，fU)为配置模型的目标函数， 即式（1)、（3)、（9) 一 (ll);hU)为等式约束，即式(7)-(8)、（12)-(13);gU)为不等式约束， 即式(14)-(15) ;obj.表示目标函数;s.t.表示约束条件。
[0132] 该实施例中，配置模型的目标函数与约束均为线性，故此模型为典型的混合整数 线性配置模型。该实施例中，建立CCHP模型的目的是确定在考虑热能交互时，设备的安装状 态、最优容量配置及运行情况。需要配置的设备有燃气轮机(Gas Turbine，GT)、燃气锅炉 (Gas BoiIer，GB)、吸收式制冷机（Absorption Chi IIer ,AC)、电制冷机（Electrical ChiIler，EC)。建立HN模型的目的是确定热网中的实时流量，选取管道型号，实现水栗与闸 阀的自动控制。
[0133] 该实施例首先针对各区域CCHP系统之间的环状热网，建立了考虑节点流量平衡、 热能-流量约束及热损平衡约束的热网模型。结合CCHP系统能量平衡约束和热网模型，建立 了多区域CCHP系统容量协同优化配置的混合整数线性配置模型。本发明实施例在运行阶 段，能够通过热网实现多区域综合能源系统的供需匹配，提升燃气轮机利用率，大幅降低运 行费用，综合经济性十分显著。同时，利用热网模型充分考虑了热网节点热量约束以及热网 热损约束，故在无弃热的情况下，热能传输总是选择热损最小的路径，从而进一步降低系统 运行费用
[0134] 下面例举一实施例。
[0135] 以天津市某一综合区域为例，用户区域划分如图6所示。其中居民区、商业区、办公 区与工业区的面积分别约为12万m2、12万m 2、18万m2与30万m2,各区域CCHP系统之间热网管 道长度依次为1.2km、0.65km、1.5km、0.6km。集中供热用天然气价格为2.37元/m 3，居民电价 0.48元/kWh，商业电价0.9元/kWh，工业电价0.71元/kWh。设定规划年限为10年，年利率为 5%。本实施例以LING011.0求解结果为例。为便于比较分析，将未结合热网模型的独立规划 模型作为对比例，将结合热网模型的协同规划模型作为本实施例。对比例和本实施例中，各 CCHP系统优化配置结果及费用如表1所示。
[0136] 表1
[0138] 通过表1可以看出，应用本实施例模型后，低热电比用户（办公与商业)燃气轮机配 置上升，高热电比用户（居民与工业)燃气锅炉配置下降。这是因为当考虑热网时，负荷热电 比较低的用户在提高燃气轮机出力以满足自身电需求、降低购电量的同时，多余的热能可 通过热网补贴其他负荷热电比较高的用户，故在本发明实施例下，办公与商业的燃气轮机 配置增加。同时，热电比较高的用户在对比例中，不足的热能只能通过燃气锅炉补燃，而结 合热网后，热能可由办公与商业区补给，从而减轻燃气锅炉的出力，降低燃气锅炉的配置。
[0139] 本实施例相对于对比例节省了燃气锅炉投资成本，增加了燃气轮机投资成本，本 实施例需考虑管道铺设费用，故总的设备年投资成本较对比例增加了768.71万元;本实施 例中，商业与办公燃气轮机出力增大，燃气费用略有上升，但同时其购电费用显著降低，且 考虑到商业与办公均属于电费较高的商业用电，故本实施例在运行时的经济性十分明显， 年运行费用较对比例降低了2665.75万元。综上，本发明实施例运行成本低，经济性十分显 著。
[0140]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应该指出，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. 一种结合热网模型的多区域综合能源系统配置模型的建立方法，其特征在于，该方 法包括以下步骤： 步骤10)分别建立热网模型和CCHP模型； 步骤20)结合建立的热网模型和CCHP模型，建立配置模型。2. 按照权利要求1所述的结合热网模型的多区域综合能源系统配置模型的建立方法， 其特征在于，所述的步骤10)中，建立热网模型的过程为： 步骤101)建立目标函数，具体包括步骤1011) -步骤1012): 步骤1011)建立管道年投资成本函数：式中：CPi,inv为管道年投资成本，R为管道成本年折算系数，KPi, fix为管道固定费用，Ni为 热网管道总数;U为热网中第k段管道的长度，单位:m;Kpi,var为与管道容量相关的可变费 用，单位:元/kW ? 为第k段管道流过热能的最大值，单位:kW; 步骤1012)建立水栗运行费用函数：式中：cpu,ope为水栗运行费用;Nc为CCHP联供系统总数，nehr,i为第i个CCHP系统中，水栗 的耗电输热比，表示传输单位热量时耗费的电量，单位:kW; QHex, i, t为在t时刻，第i个CCHP系 统与热网交互的热能，单位:kW; Ke, i, t为第i个CCHP系统t时刻购电单价，单位:元/kWh; A t为 时间间隔，Nt表示全年时段数，Nt = 8760/At; 步骤102)建立约束条件，具体包括步骤1021)-步骤1022): 步骤1021)建立如式(4)所示的节点流量平衡约束条件： [qi, t+ X qij,t]i = 0 式（4) 式中：qi,t为t时刻第i个节点与第i个CCHP系统之间的流量;节点是CCHP系统与热网相 连的点，节点与CCHP系统相对应设置;qw为t时刻与第i个节点相连接的各管段流量； 步骤1022)建立如式(5)所示的热能-流量约束条件： qi,t = QHex,i,t/c(Ts-Tr) 式(5) 其中：c为水的比热容，Ts为给水温度，Tr为回水温度； 将式(5)带入式(4)，得到式(6): [QHex，i，t+EQHij，t]i = 0 式（6) 式中:QHw为在t时刻，与第i个节点相连接的各管段热量； 步骤1023)建立热损平衡约束： 设管道k与管道k-1之间的节点为节点i，QHk,t>1为流入管道k的热量，QH k,t,2为流出管道k 的热量；由式(6)可知，对于节点i有： QHex, i, t=QHk-i, t, 2 _QHk, t, i 式（7) 式中：QHk.^St时刻流入管道k的热量，即为节点i流向下一节点j的热量，QHk-udt 时刻流出管道k-1的热量，即为上一节点i-1流向节点i的热量;QHex,i,t为在t时刻，第i个 CCHP系统与热网交互的热能。 对于管段k有：式中：QHk, t,4PQHk, t,2表示管道k两端的热能；S为单位长度管道热损率；lk为第k段管道 的长度。3. 按照权利要求2所述的结合热网模型的多区域综合能源系统配置模型的建立方法， 其特征在于，所述的A t = lh。4. 按照权利要求1所述的结合热网模型的多区域综合能源系统配置模型的建立方法， 其特征在于，所述的步骤10)中，建立CCHP模型的过程为： 步骤111)，建立目标函数，具体包括步骤1111)至步骤1112): 步骤1111):建立如式(9)所示的机组年投资成本函数：式中：Cc^hpjnv表不机组年投资成本；Q GT表不燃气轮机型号集合，Q GB表不燃气锅炉型 号集合，Qag表不吸收式制冷机型号集合，Q EG表不电制冷机型号集合;ri表不燃气轮机型 号，：T2表不燃气锅炉型号，r3表不吸收式制冷机型号，r4表不电制冷机型号；表不ri型燃气 轮机的单位容量价格，◎表示^型燃气锅炉的单位容量价格，表示r 3型吸收式制冷机的 单位容量价格，iC表示r4型电制冷机的单位容量价格，单位:元/kW; V ;表示第i站点n型 燃气轮机的容量，表示第i站点r2型燃气锅炉的容量，?表示第i站点r3型吸收式制 冷机的容量，,I表示i站点r4型电制冷机的容量，单位:kW;=1表示在第i站点安装ri型 燃气轮机，=1表示在第i站点安装^型燃气锅炉，=1表示在第i站点安装r 3型吸收式 制冷机，^ ,= 1表示在第i站点安装r4型电制冷机； 步骤1112):建立如式(10)所示的燃料费用函数：式中：cf,_表示燃料费用，/^表示第i站点ri型燃气轮机在t时刻的发出的电量，单位： kW;ngt,i为燃气轮机的发电效率，(?//,. ..表示第i站点r2型燃气锅炉在t时刻发出的热能，单 位:kW; %b, i为燃气锅炉的发热效率;Kf表示燃气单价，单位:元/m3; Hng为天然气的热值； 步骤1113):建立如式(11)所示的购电费用函数：式中，以^表示系统全年运行电费，单位:元;Ke,1>t为第i个CCHP系统t时刻购电单价，单 位:元/kWh; Pex, i, t表示第i站点t时刻与上级电网交互的电能，单位:kW; 步骤112)建立约束条件，具体包括步骤1121)至步骤1123): 步骤1121):建立如式(12)所示的冷热电功率平衡约束条件：式中：Pd,1;t为第i个区域t时刻用户电负荷需求，康示第i站点n型燃气轮机在t时 刻的发出的电量，单位:kW，Pex, i, t表示第i站点t时刻与上级电网交互的电能，单位:kW; 表示第i站点t时刻r4型电制冷机吸收的电量，QHd,i,t为第i区域t时刻用户热负荷需求，nhr,i 表示热回收器的回收效率，nhe>1为热交换器效率，Si? 表示第i站点t时刻r3型吸收式制冷 机机吸收的热量，QCd,i,t为第i区域t时刻用户冷负荷需求，COP ac；,i为第i站点吸收式制冷机 的制冷效率，COP% i为第i站点电制冷机的制冷效率； 步骤1122)建立设备容量约束条件： 建立如式(13)所示的燃气轮机与燃气锅炉容量与设备型号及其安装状态匹配条件：其中，表示第i站点燃气轮机的总容量表示第i站点燃气锅炉的总容量，表 示第i站点吸收式制冷机的总容量，所#表示第i站点电制冷机的总容量； 步骤1123)建立如式（14)所示的运行上下限约束： 式中:U表示设备运行状态变量，4W表示第i站点t时刻ri型燃气轮机运行状态，当 时，表示第i站点t时刻ri型燃气轮机运行;以；表示ri?燃气轮机功率下限，表示ri型燃 气轮机功率上限；表示第i站点t时刻r 2型燃气锅炉运行状态，当',,=1时，表示第i站点t 时刻r2型燃气锅炉运行；汉/=为^型燃气锅炉功率上限，供C为^型燃气锅炉功率下限；表示第i站点t时刻r3型吸收式制冷机运行状态，当i4,尸1时，表示第i站点t时刻r3型吸 收式制冷机运行；'，为r3型吸收式制冷机功率上限，以/二为r3型吸收式制冷机功率下 限；表示第i站点t时刻r 4型电制冷机运行状态，当〃l时，表示第i站点t时刻r4型电制 冷机运行;表示r4型电制冷机功率上限，表示r 4型电制冷机功率下限，为第i站点 购电上限，为第i站点购电下限；为第i站点与热网交互上限，为第i站点与热 网交互下限； 步骤1124)建立如式（15)所示的状态变量约束： ?；.//-4,- u\ t<x\. 初咖 式（15)。 Ki5.按照权利要求1所述的结合热网模型的多区域综合能源系统配置模型的建立方法， 其特征在于，所述的步骤20)中，建立如式（16)所示的配置模型：其中，I表示优化变量，其包含0-1变量与连续变量，f(U为配置模型的目标函数，即式 (1)、（3)、（9) 一（ll);h(U为等式约束，即式(7)-(8)、（12)-(13);g(U为不等式约束，即式 (14)-(15);obj.表示目标函数;s.t.表示约束条件。
【文档编号】G06Q10/04GK106055773SQ201610362848
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】顾伟, 王珺, 陆帅, 王志贺, 唐沂媛, 骆钊
【申请人】东南大学