考虑分时电价的区域能源互联网多源协调优化运行策略的制作方法

文档序号:13943366阅读:470来源:国知局

本发明属于新能源技术领域,涉及区域能源互联网,尤其是一种考虑分时电价的区域能源互联网多源协调优化运行策略。



背景技术:

随着能源安全、气候危机、环境保护等社会大环境的改变,各国纷纷实时能源结构变革和能源消费转变。能源互联网是一个综合运用各种先进的电力电子技术、信息通信技术和智能管理技术将电力网络、石油网络、天然气网络、交通网络等能源互联起来,以实现能量双向流动的能量对等交换与共享的复杂系统。它的建设和发展是能源技术领域的重要变革,旨在提高能源利用效率,减少污染排放,保障能源供应和能源安全。

区域能源互联网作为能源互联网战略发展的基本单元,在促进多能互补、可再生能源消纳、提升能源利用率方面展现出良好的应用前景。因此,如何实现区域能源互联网内部大量能源资源的协同优化运行,越来越成为人们研究的重点。已有的研究大多仅考虑了各种电源设备或与储能相结合的系统优化调度,而未考虑柔性负荷在能源价格激励下的可调度性。



技术实现要素:

本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种设计合理、科学实用的考虑分时电价的区域能源互联网多源协调优化运行策略。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的:

一种考虑分时电价的区域能源互联网多源协调优化运行策略,包括以下步骤:

步骤1、输入区域能源互联网系统的初始数据参数,包括系统内各类能源设备配置参数、具体的分时电价和天然气价格以及典型日各时段冷/热/电负荷的初始预测需求,冷/热/电负荷的初始需求预测值分别取为qct、qht、eet;步骤2、分析分时电价下的冷/热/电柔性负荷响应,通过对步骤1的冷/热/电负荷的初始需求预测值进行修正,构建两类冷/热/电柔性负荷的响应模型,进而确立多能源互联系统的能源需求侧在分时电价下冷/热/电柔性负荷响应能力;

步骤3、基于步骤2确立的分时电价机制下两类冷/热/电柔性负荷的响应模型,假设在天然气在日尺度下价格保持不变、仅考虑分时电价的影响的情况下,构建最小化经济成本的区域能源互联网系统优化调度模型及其运行约束条件;

步骤4、采用hessian内点法求解所述步骤3的最小化经济成本的区域能源互联网系统优化调度模型。

而且,所述步骤2的分析分时电价下的冷/热/电柔性负荷响应的具体方法为:

首先将区域能源互联网内柔性冷/热/电负荷分为如下两类:第一类:耗能功率固定、运行时刻可调的负荷;第二类:运行时刻固定、功率大小可调的负荷的两类冷热电柔性负荷;然后对两类冷/热/电柔性负荷响应行为及响应策略进行分析,再通过统计预测的方法得到区域能源互联网内各时段两类冷热电负荷最大允许可调节量δq1ct、δq1ht、δe1et和δq2ct、δq2ht、δe2et;

其中,δq1ct、δq2ct分别为两类柔性冷负荷的最大可调节量;δq1ht、δq2ht分别为两类柔性热负荷的最大可调节量;δe1et、δe2et分别为两类柔性电负荷的最大允许可调节量。

而且,所述步骤2的构建两类冷/热/电柔性负荷的响应模型的具体方法为:根据对两类冷/热/电柔性负荷响应行为及响应策略的分析,通过在冷/热/电负荷的初始需求预测值的基础上修正,可得到多能源系统的两类冷/热/电负荷响应模型的需求表达式:

q‘ct=qct+δq1ctδ1ct+δq2ctδ2ct

q’ht=qht+δq1htδ1ht+δq2htδ2ht

e‘et=eet+δe1etδ1et+δe2etδ2et

式中,qct、qht、eet为各时段冷热电负荷需求预测值;q‘ct、q‘ht、e‘et为考虑柔性负荷响应分时电价后得到的各时段冷热电负荷需求修正值;δ1ct、δ2ct、δ1ht、δ2ht、δ1et、δ2et分别定义为分时电价不同时段下的两类冷/热/电柔性负荷响应系数,数值在-1到1之间,反映了冷/热/电柔性负荷在分时电价下的可调度性。

而且,所述步骤3包括以下具体步骤:

(1)建立分时电价下多能源互联系统日购电、购气成本最小化目标函数:

minctotal=celc+cgas

式中,ctotal为总的成本,celc、cgas分别为购电、购气的费用;为t时段的电价,et,buy为t时段的购电量,et,buy<0则表示该时段系统向外电网售电,此时的购电成本为负值,相当于收益;pgas为日内天然气和燃煤的单价;分别为燃气锅炉、燃气发电机在t时段的制热量和发电量以及对应的制热效率、发电效率;

(2)在确立目标函数的基础上根据实际情况给定区域能源互联网的运行约束条件,具体分为设备运行约束和能量平衡约束两类:

1)设备运行约束:

a光伏电池出力约束:

式中,ptpv分别为t时段内光伏机组发电功率的参与调度值、预测值和最大值;

b风电机组出力约束:

式中,ptwind分别为t时段内风电机组发电功率的调度值、预测值和最大值;

c燃气轮机运行约束:

式中,ptct分别为t时段燃气轮机的发电功率、额定功率;为燃气轮机切除系数;分别为燃气轮机在连续运行时的最大增功率出力和最大降功率出力;et,gas为t时段燃气轮机消耗的天然气量;a、b、c、d为效率系数。

d蓄电池储能设备约束:

式中,分别为t时段内蓄电池充放电功率,且同一时段内仅能充电或放电,分别为蓄电池最大允许充放电功率;分别为一周期初始和终止时刻蓄电池储能。

e地源热泵机组运行约束:

制冷模式下:

制热模式下:

式中,分别为地源热泵机组制冷功率和制热功率;分别为热泵制冷模式下用于供给冷负荷和用于蓄冷的冷能;分别为热泵制热模式下用于供给热负荷和用于蓄热的热能;分别为地源热泵机组在t时段消耗的电能及其制冷、制热系数。

f燃气锅炉运行约束:

式中,分别为t时段燃气锅炉的总功率、最大允许功率、制热和制冷功率;qt,gas为燃气锅炉t时段内的耗气量;分别为燃气锅炉制热用于热负荷、吸收式制冷、蓄热槽的热能。

g余热锅炉运行约束:

式中,为t时段吸收总余热;ηre为对燃气轮机余热回收系数;

分别为余热收集用于吸收式制冷、供热负荷、蓄热槽蓄热的热能。

h蓄热槽运行约束:

式中,为t时段蓄热槽的蓄、放热功率;分别是蓄热槽蓄、放热最大允许运行功率;为一周期初始和终止时刻蓄热槽的储能值。

i电制冷机运行约束:

式中,ptect为电制冷机t时段功率和功率限值;为t时段电制冷机消耗电能;为电制冷机制冷系数。

j吸收式制冷机运行约束:

式中,ptact为吸收式式制冷机t时段制冷功率及其允许运行限值;为吸收式制冷机制冷系数;

k蓄冷罐运行约束:

式中,为t时段蓄冷设备的蓄、放冷能功率;分别是蓄冷设备的蓄、放冷能最大允许运行功率;为一周期初始和终止时刻蓄冷设备的储能值;

2)负荷平衡约束;

a冷负荷平衡约束:

式中,为地源热泵机组工作在制冷模式下的功率,若为直接供冷,取正值,若为向蓄冷设备蓄冷,则取负值;ptsc为蓄冷设备的功率,当释放冷能时取正值,蓄冷时取负值,且对于蓄冷罐而言,由于释放冷能和蓄冷不能同时进行,因此ptsc须同正负;ptect、ptact分别为电制冷机和吸收式制冷机的制冷功率;

b热负荷平衡约束:

式中,为地源热泵机组工作在制热模式下的功率,若为直接供热,取正值,若为向蓄热槽蓄热,则取负值;ptsh为蓄热槽的功率,当释放热能时取正值,蓄热时取负值,同样的由于释放热能和蓄热不能同时进行,因此ptsh须同正负;分别为燃气锅炉供热和余热锅炉制热的功率;

c电负荷平衡约束:ptpv+ptwind+ptgt+ptbuy+ptse-ptpump-ptect=eet'

式中,ptpv、ptwind为系统光伏电池组和风机的运行功率,本实施例中取预测值;ptse为蓄电池t时段内的运行功率,当放电时取正值,充电时取负值;ptpump为地源热泵机组t时段内的电功率;ptect为电制冷机在t时段内的耗电功率;

d运行时刻可调类的第一类冷/热/电柔性负荷守恒功率约束:

∑q1ctδ1ct=0

∑q1htδ1ht=0

∑e1etδ1et=0

而且,所述步骤4包括如下具体步骤:

(1)给优化模型中涉及的变量赋值,确定各能源设备及各类冷热电柔性负荷的调度初始值;并给定最大迭代次数与迭代终止误差限;

(2)引入松弛变量,将上述优化调度模型中的不等式约束等式化;

(3)利用拉格朗日函数将约束等式化后的优化计算转化为无约束条件的优化计算;

(4)对无约束最优化问题具体化,由kkt条件得到一系列非线性方程组;

(5)对非线性方程组中的hessian矩阵ldlt分解并进行迭代求解;

(6)判断计算结果是否收敛,若收敛,输出计算结果;否则继续进行迭代,若直至超出最大迭代次数仍不收敛,则更改变量初值重新计算;

(7)若基于hessian内点法求解得到的计算结果总体上满足最优化判别条件,则该结果为最终的优化调度计划,包括各能源设备出力以及各类冷/热/电柔性负荷响应;否则应调整两类冷/热/电柔性负荷在各时段的电价响应系数,并据此修正各时段冷/热/电负荷的实际需求值,代入优化模型进行下一步的优化迭代计算,直至得到一个总体经济性最优化的日前调度方案。

本发明的优点和积极效果是:

1、本发明提出了一种考虑分时电价的区域能源互联网多源协调优化运行策略,以包含燃气轮机、可再生能源(光伏、风电)、燃气锅炉、制冷机、储能装置、冷热电柔性负荷等多种能源资源的区域能源互联网为研究对象,综合考虑实时电力能源价格对柔性负荷需求与供能系统耗能行为的影响,提出分时电价条件下的区域能源互联多源协调优化的调度策略;以区域能源系统购电、购气成本最小化为目标,建立分时电价负荷响应机制下的多能协同互补优化模型,采用内点法对所提优化问题进行求解,并通过实例验证所提多源协调优化调度策略的有效性和经济性。本发明提供一种有效、科学、实用的区域能源互联微网多源协调优化策略,不仅有利于提升区域能源互联网可再生能源消纳水平,对于实现系统经济安全运行也具有重要意义。

2、本发明针对区域能源互联网最小化运行成本的优化调度问题,提出一种考虑分时电价的区域能源互联网多源协调优化运行策略,在利用负荷预测技术得到某区域能源互联网系统内冷热电负荷需求的基础上,考虑分时电价对柔性负荷需求的影响,制定需求响应策略并据此修正系统冷热电负荷需求,同时结合不同时间段电能和天然气的价格差异对系统耗能行为的影响,以最小化区域能源网购电、购气成本为目标,在满足冷热电能量平衡的条件下,调节各设备出力以及各类柔性负荷的响应系数,最终实现区域能源互联网多种能源资源的协同优化。

3、本发明根据所提的考虑分时电价的区域能源互联网多源协调优化策略,以某典型区域能源互联网园区为实例,结合系统典型能源设备参数,建立运行成本最小化模型,优化求解该策略下的示例系统典型日各机组的出力、柔性负荷的响应和系统运行经济性指标,结果表明:各类冷热电柔性负荷在分时电价下可有效参与系统的优化调度,各时段负荷可调度值与该时段的电价呈正相关关系;在不同的电能、天然气费率结构下,系统的耗能行为存在差异,当电能价格较高时,天然气占能源消费比重往往越高;与不考虑分时电价对柔性负荷侧影响的优化调度策略相比,本发明所提策略在多能源系统的能源消耗上更具经济性。

4、本发明结合某典型区域能源互联网园区冷热电负荷的供能系统,提出了一种考虑分时电价的区域能源互联网多源协调优化策略,并利用夏季典型日电、冷负荷的供应,冬季电、热负荷情况的供应,通过求解优化模型得到典型日系统的调度结果,包括各时段内各种设备的出力以及冷热电柔性负荷的调节量,结果显示分时电价对于区域能源互联网的柔性冷热电负荷资源有积极的调度作用,同时也对系统内购电、购气行为产生影响,考虑分时电价的优化调度策略在实现多能互补、可再生能源消纳的同时更具有良好的经济性。

附图说明

图1是本发明的处理流程图;

图2为典型区域能源互联网供能结构图;

图3为hessian内点法求解流程图;

图4为区域能源互联网园区典型日分时电价图;

图5为园区夏季典型日可再生能源出力及冷热电负荷预测值示意图;

图6为夏季典型日柔性电、冷负荷可调度值示意图;

图7某园区冬季典型日可再生能源出力及冷热电负荷预测值示意图;

图8为冬季典型日柔性电、热负荷可调度值示意图;

图9为夏季典型日电能优化调度结果示意图;

图10为夏季典型日冷能优化调度结果示意图;

图11为冬季典型日电能优化调度结果示意图;

图12为冬季典型日热能优化调度结果示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述:

一种考虑分时电价的区域能源互联网多源协调优化运行策略,以典型区域能源互联网为研究对象,综合考虑分时电价对负荷需求侧和能量供给侧的影响,控制柔性负荷的响应并调节供能设备的耗能行为,从而优化区域能源互联网供、需两侧多种能源资源的运行,以满足系统最小化电能、天然气采购成本的目标,由此解决多能协同互补和系统经济运行的问题。本发明通过把分时电价条件下的柔性冷热电负荷资源化,结合供能设备进行综合协调优化调度,以期提高系统运行的经济性。本发明主要确定多能源互联系统的能源需求侧在分时电价机制下的两类冷/热/电柔性负荷响应能力、构建考虑分时电价的区域能源互联网优化调度模型以及实际案例的分析验证。

本发明综合考虑电网分时电价机制下柔性负荷和多种电源设备的可调度性,提出一种考虑分时电价的区域能源互联网多源协调优化运行策略,如图1所示,包括以下步骤:

步骤1、输入区域能源互联网系统的初始数据参数,包括系统内各类能源设备配置参数、具体的分时电价和天然气价格以及典型日各时段冷/热/电负荷的初始预测需求,冷/热/电负荷的初始需求预测值分别取为qct、qht、eet;其中,qct为冷负荷的初始需求预测值,qht热负荷的初始需求预测值,et电负荷的初始需求预测值;

步骤2、分析分时电价下的冷/热/电柔性负荷响应,通过对步骤1的冷/热/电负荷的初始需求预测值进行修正,构建两类冷/热/电柔性负荷的响应模型,进而确立多能源互联系统的能源需求侧在分时电价下冷/热/电柔性负荷响应能力;

在本实施例中,所述步骤2的分析分时电价下的冷/热/电柔性负荷响应的具体方法为:首先将区域能源互联网内柔性冷/热/电负荷分为如下两类:第一类:耗能功率固定、运行时刻可调的负荷;第二类:运行时刻固定、功率大小可调的负荷的两类冷热电柔性负荷;然后对两类冷/热/电柔性负荷响应行为及响应策略进行分析,再通过统计预测的方法得到区域能源互联网内各时段两类冷热电负荷最大允许可调节量δq1ct、δq1ht、δe1et和δq2ct、δq2ht、δe2et;

其中,δq1ct、δq2ct分别为两类柔性冷负荷的最大可调节量;δq1ht、δq2ht分别为两类柔性热负荷的最大可调节量;δe1et、δe2et分别为两类柔性电负荷的最大允许可调节量。

其分析分时电价下的冷/热/电柔性负荷响应的具体过程为:

通常可将区域能源互联网内柔性冷/热/电负荷分为两类,一类是耗能功率固定、运行时刻可调的冷/热/电负荷,另一类是运行时刻固定、功率大小可调的冷/热/电负荷。在分时电价的情况下,用户从维护自身利益的角度出发,对于第一类冷/热/电柔性负荷,用户倾向于在电能价格较高的时段减少使用该类负荷,而在电能价格较低的时段增加使用该类负荷,例如在一天中电价处于低谷期使用洗衣机或热水器;对于第二类冷/热/电柔性负荷,如夏季空调制冷,在不影响用户舒适度的情况下,用户更愿意在电价高的时段降低运行温度以节省电费。从系统运行调度的角度来看,上述冷/热/电柔性负荷作为一种可调度资源,合理利用柔性负荷的主动响应,可使系统运行更加经济、可靠。通过统计预测的方法可得到区域能源互联网内各时段两类冷/热/电柔性负荷最大允许可调节量δq1ct、δq1ht、δe1et和δq2ct、δq2ht、δe2et。

其中,δq1ct、δq2ct分别为两类柔性冷负荷的最大可调节量;δq1ht、δq2ht分别为两类柔性热负荷的最大可调节量;δe1et、δe2et分别为两类柔性电负荷的最大可调节量。

在本实施例中,所述步骤2的构建两类冷/热/电柔性负荷的响应模型的具体方法为:根据对两类冷/热/电柔性负荷响应行为及响应策略的分析,通过在冷/热/电负荷的初始需求预测值的基础上修正,可得到多能源系统的两类冷/热/电负荷响应模型的需求表达式:

q‘ct=qct+δq1ctδ1ct+δq2ctδ2ct

q’ht=qht+δq1htδ1ht+δq2htδ2ht

e‘et=eet+δe1etδ1et+δe2etδ2et

式中,qct、qht、eet为各时段冷热电负荷需求预测值;q‘ct、q‘ht、e‘et为考虑柔性负荷响应分时电价后得到的各时段冷热电负荷需求修正值;δ1ct、δ2ct、δ1ht、δ2ht、δ1et、δ2et分别定义为分时电价不同时段下的两类冷/热/电柔性负荷响应系数,数值在-1到1之间,反映了冷/热/电柔性负荷在分时电价下的可调度性。

步骤3、基于步骤2确立的分时电价机制下两类冷/热/电柔性负荷的响应模型,假设在天然气在日尺度下价格保持不变、仅考虑分时电价的影响的情况下,构建最小化经济成本的区域能源互联网系统优化调度模型及其运行约束条件;包括确立优化目标函数、给定运行约束条件,为进一步验证所提策略的经济性优势提供理论支撑,包括以下具体步骤:

(1)建立分时电价下多能源互联系统日购电、购气成本最小化目标函数:由如图2所示的区域能源互联网供能结构图可知实际冷、热、电负荷分别由多种设备联合供应。当区域能源互联网内电能供应不足时,可向外电网直接购电,反之当区域电能供应过剩时也可以向外部电网售电。在假设区域内天然气价格短时期保持不变的情况下,为追求成本最小化,分时电价必然会对系统各时段内的耗能行为产生影响。若仅考虑日购电、购气成本,可构建目标函数为:

minctotal=celc+cgas

式中,ctotal为总的成本,celc、cgas分别为购电、购气的费用;为t时段的电价,et,buy为t时段的购电量,et,buy<0则表示该时段系统向外电网售电,此时的购电成本为负值,相当于收益;pgas为日内天然气和燃煤的单价;分别为燃气锅炉、燃气发电机在t时段的制热量和发电量以及对应的制热效率、发电效率;

电源侧的优化变量包括各时段燃气轮机功率、燃气锅炉功率、地源热泵功率、购电量以及各产冷、热设备的冷热储分配系数,负荷侧的优化变量包括各时段的冷/热/电柔性负荷响应系数。

(2)在确立目标函数的基础上根据实际情况给定区域能源互联网的运行约束条件,本实施例中主要考虑设备运行约束和能量平衡约束两类,具体为:

1)设备运行约束:

a光伏电池出力约束:太阳能的利用具有成本低、污染小的优点,为实现最大限度消纳,在本实施例中假定光伏电池机组以预测功率参与系统的协调优化调度:

式中,ptpv分别为t时段内光伏机组发电功率的参与调度值、预测值和最大值;

b风电机组出力约束:与光伏电池机组相同,风电机组出力也以预测值参与系统调度:

式中,ptwind分别为t时段内风电机组发电功率的调度值、预测值和最大值;

c燃气轮机运行约束:燃气轮机不仅发电效率高,使用简单方便,而且可通过余热收集提升能源的综合利用率,此外燃气轮机采用三阶段效率模型,

式中,ptct分别为t时段燃气轮机的发电功率、额定功率;为燃气轮机切除系数;分别为燃气轮机在连续运行时的最大增功率出力和最大降功率出力;et,gas为t时段燃气轮机消耗的天然气量;a、b、c、d为效率系数。

d蓄电池储能设备约束:蓄电池储能的充放电受最大充放电功率限制,充电和放电不能同时进行;同时以日为周期,一天内充放电能量平衡,储能值应保持不变;为简化分析,本实施例假设蓄电池充放电效率为1;

式中,分别为t时段内蓄电池充放电功率,且同一时段内仅能充电或放电,分别为蓄电池最大允许充放电功率;分别为一周期初始和终止时刻蓄电池储能。

e地源热泵机组运行约束:地源热泵机组可将低品位电能转换为高品位的热能或冷能,可直接用于供给冷热负荷,也可被储存,但供能和蓄能不能同时发生,且同一机组只能运行制热或制冷模式下,其中:

制冷模式下:

制热模式下:

式中,分别为地源热泵机组制冷功率和制热功率;分别为热泵制冷模式下用于供给冷负荷和用于蓄冷的冷能;分别为热泵制热模式下用于供给热负荷和用于蓄热的热能;分别为地源热泵机组在t时段消耗的电能及其制冷、制热系数。

f燃气锅炉运行约束:以天然气为初始能源,通过燃气锅炉工作直接向系统提供热能;

式中,分别为t时段燃气锅炉的总功率、最大允许功率、制热和制冷功率;qt,gas为燃气锅炉t时段内的耗气量;分别为燃气锅炉制热用于热负荷、吸收式制冷、蓄热槽的热能。

g余热锅炉运行约束:

式中,为t时段吸收总余热;ηre为对燃气轮机余热回收系数;

分别为余热收集用于吸收式制冷、供热负荷、蓄热槽蓄热的热能。

h蓄热槽运行约束:当系统的热能供大于求时,可将多余的热能储存起来而当热能不足时释放热能,实现供需平衡,类似于蓄电池机组,同时段不能既蓄热又供热,且一个周期内蓄热槽的热能保持不变;

式中,为t时段蓄热槽的蓄、放热功率;分别是蓄热槽蓄、放热最大允许运行功率;为一周期初始和终止时刻蓄热槽的储能值。

i电制冷机运行约束:

式中,为电制冷机t时段功率和功率限值;为t时段电制冷机消耗电能;为电制冷机制冷系数。

j吸收式制冷机运行约束:

式中,ptact为吸收式式制冷机t时段制冷功率及其允许运行限值;为吸收式制冷机制冷系数;

k蓄冷罐运行约束:与蓄热槽运行原理相似,存在储蓄冷能和释放冷能两种工作状态;

式中,为t时段蓄冷设备的蓄、放冷能功率;分别是蓄冷设备的蓄、放冷能最大允许运行功率;为一周期初始和终止时刻蓄冷设备的储能值;

2)负荷平衡约束;

a冷负荷平衡约束:

式中,为地源热泵机组工作在制冷模式下的功率,若为直接供冷,取正值,若为向蓄冷设备蓄冷,则取负值;ptsc为蓄冷设备的功率,当释放冷能时取正值,蓄冷时取负值,且对于蓄冷罐而言,由于释放冷能和蓄冷不能同时进行,因此ptsc须同正负;ptect、ptact分别为电制冷机和吸收式制冷机的制冷功率;

b热负荷平衡约束:

式中,为地源热泵机组工作在制热模式下的功率,若为直接供热,取正值,若为向蓄热槽蓄热,则取负值;ptsh为蓄热槽的功率,当释放热能时取正值,蓄热时取负值,同样的由于释放热能和蓄热不能同时进行,因此ptsh须同正负;分别为燃气锅炉供热和余热锅炉制热的功率;

c电负荷平衡约束:ptpv+ptwind+ptgt+ptbuy+ptse-ptpump-ptect=eet'

式中,ptpv、ptwind为系统光伏电池组和风机的运行功率,本实施例中取预测值;ptse为蓄电池t时段内的运行功率,当放电时取正值,充电时取负值;ptpump为地源热泵机组t时段内的电功率;ptect为电制冷机在t时段内的耗电功率;

d运行时刻可调类(第一类)冷/热/电柔性负荷功率守恒约束:由于运行时刻可调类(第一类)冷/热/电柔性冷热电负荷只是运行时刻改变,因此在一个周期内(本实施例以日为周期)运行总量不变,各时段第一类冷/热/电柔性负荷增加量和减少量相互抵消,即:

∑q1ctδ1ct=0

∑q1htδ1ht=0

∑e1etδ1et=0

步骤4、采用hessian内点法求解所述步骤3的最小化经济成本的区域能源互联网系统优化调度模型,如图3所示,包括如下具体步骤:

考虑优化模型涉及多能源系统供需双侧的多能源资源的调度,模型较为复杂,矩阵求解时存在稀疏特性,因此本实施例中将选用hessian内点法对算例进行求解,如图3所示,其具体步骤包括:

(1)给优化模型中涉及的变量赋值,确定各能源设备及各类冷热电柔性负荷的调度初始值;并给定最大迭代次数与迭代终止误差限;

(2)引入松弛变量,将上述优化调度模型中的不等式约束等式化;

(3)利用拉格朗日函数将约束等式化后的优化计算转化为无约束条件的优化计算;

(4)对无约束最优化问题具体化,由kkt条件得到一系列非线性方程组;

(5)对非线性方程组中的hessian矩阵ldlt分解并进行迭代求解;

(6)判断计算结果是否收敛,若收敛,输出计算结果;否则继续进行迭代,若直至超出最大迭代次数仍不收敛,则更改变量初值重新计算;

(7)若基于hessian内点法求解得到的计算结果总体上满足最优化判别条件,则该结果为最终的优化调度计划,包括各能源设备出力以及各类冷/热/电柔性负荷响应;否则应调整两类冷/热/电柔性负荷在各时段的电价响应系数,并据此修正各时段冷/热/电负荷的实际需求值,代入优化模型进行下一步的优化迭代计算,直至得到一个总体经济性最优化的日前调度方案。

前述步骤中给出了考虑分时电价的区域能源互联网多源协调优化运行策略的一般流程,在本实施例中,为验证所提策略的可行性与经济性,下面通过选取实际应用场景进行算例分析,其步骤包括:

步骤(1)、选取分时电价下区域能源互联网多源供能典型场景

本发明以我国某一典型区域能源互联网园区为例,进行算例仿真,验证上述所提策略的经济性和有效性,区域能源互联网模型所需设备参数如表1所示;假设该园区天然气价格一天内保持不变,取3.6元/立方米,折合为0.36元/kwh,且该地区典型日分时电价如图4所示。为简化问题,本发明中仅针对夏季电负荷和冷负荷的供能问题以及冬季电负荷和热负荷的供能问题进行实例分析。图5给出了该园区夏季典型日各时段可再生能源出力及冷/热/电负荷需求预测值;图6给出了该园区冬季典型日各时段可再生能源出力及冷/热/电负荷需求预测值;图7给出了该园区夏季典型日各时段两类电/冷柔性负荷的最大可调节量;图8给出了该园区冬季典型日各时段两类电/热柔性负荷的最大可调节量。

表1典型区域能源互联网设备参数

步骤(2)、算例优化结果分析

1)设备出力分析:通过上述优化算法求解可得到夏季典型日各机组优化调度结果,如附图9、10、11、12所示。其中附图9为园区夏季典型日电能的优化调度结果,可以看出,分时高电价时,为节省成本,系统较少的购电,相反更多的购气;同时电价越高时负荷侧柔性电力负荷实际参与系统调度的负荷值越大,因而得到的修正电负荷需求越低,而在电价较低时得到的修正电负荷需求值越高,这体现了用户侧追求自身利益最大化的电价响应机制。附图10为园区夏季典型日冷能的优化调度结果,由图可以看出电制冷机在电价较低时通过消耗电能向系统供应冷能,而由吸收式制冷机得到的冷能则相对较少;同时通过蓄冷罐在冷能充足的时段进行能量存储,并在电价较高或冷能不足的时段释放能量,体现了蓄冷罐在负荷削峰填谷方面的有益效果。图11为园区冬季典型日电能的优化调度结果,耗电类能源设备在主要集中在低电价时段运行,而在高电价时段燃气轮机、燃气锅炉负责系统主要的能源供应。图12为园区冬季典型日热能的优化调度结果,由图可以看出燃气锅炉在电价较高时通过消耗天然气向系统供应热能,而由地源热泵供应的热能则相对较少;同时通过蓄热槽在热能充足的时段进行能量存储,并在电价较高或热能不足的时段释放能量。从图9、10所示夏季典型日的优化调度结果和图11、12所示冬季典型日的优化调度结果,不难看出:分时电价对于用户各类冷/热/电柔性负荷具有引导性调控作用,以尽可能避开电价高峰,从而降低电能采购成本;同时,负荷侧与需求侧多种能源资源的协调互补在极大程度上优化了系统的运行,对于提升经济性水平具有重要意义。

2)成本分析:为突出本发明所提优化调度策略的经济性优势,分别计算考虑分时电价下柔性负荷响应与不响应两种优化调度策略下区域能源互联微网园区的日运行费用,结果如表2所示。

表2不同调度策略下的区域能源互联网园区日运行成本

本发明所提策略指的是考虑分时电价的影响,计及负荷侧两类柔性负荷在分时电价下的主动响应,结合多种电源设备的优化出力,满足系统冷热电负荷需求,夏季典型日运行费用为8172.6元,冬季典型日运行费用为7038.9元;未考虑分时电价的调度策略是指不考虑分时电价下柔性负荷的作用,以电源侧的各电源及辅助设备出力为优化变量,在给定负荷条件下得到系统的优化出力,使系统经济优化调度,得到夏季典型日运行费用8438.3元,冬季典型日运行费用7358.4元;对比可知,本发明所提策略相较于未考虑分时电价影响的调度策略得到的调度结果更经济,夏季典型日与冬季典型日的日运行费用分别降低3.15%,4.34%。

在本实施例中,本发明以某典型区域能源互联网园区为实例,结合系统典型能源设备参数,建立运行成本最小化模型,优化求解该策略下的示例系统典型日各机组的出力、柔性负荷的响应和系统运行经济性指标,本发明首先考虑能源价格对区域能源互联网柔性负荷需求以及耗能行为的影响,提出考虑分时电价的多源协调优化运行策略流程图,如图1所示;然后具体说明了各类柔性负荷对于分时电价的响应办法,给出典型区域能源互联网的能量结构,如图2所示,结合系统能量流动原理构建能源采购成本最小化模型,考虑到所建模型的复杂性,选用内点法进行求解,算法基本流程如图3所示;最后选取某一实际区域能源互联网园区为场景对所提策略进行验证,图4给出了该地区夏季和冬季的分时电价结构,图5、7分别给出了该地区夏季、冬季典型日各时段的冷热电负荷预测值以及可再生能源发电的预测值,图6、8则分别说明了典型日各时段冷热电柔性负荷的最大可调度值,最后将数据带入模型,进行优化求解得到如图9、10、11、12所示的优化调度结果,通过对系统调度结果以及系统日能源采购成本分析可以得到以下结论:

(1)考虑分时电价的区域能源互联网多源协同优化运行策略具有良好的经济性,该策略下的夏季、冬季典型日能源采购成本相对于未考虑分时电价影响时的优化运行策略分别降低了3.15%,4.34%,若把该策略应用于大型的区域能源互联网地区,将会带来可观的成本节约。

(2)在本发明的实际案例中计及了风电、光伏等可再生能源,利用储能和柔性负荷响应的区域能源互联网能够有效消纳可再生能源,灵活解决因其出力波动所带来的系统功率不平衡问题,对于实现多能互补具有积极作用;

(3)区域能源互联网中间接的包含了燃气轮机、余热锅炉、吸收式制冷机等设备组成的冷热电联供系统,通过能量的梯级利用可显著提高一次能源的利用率,有助于节能减排。

需要强调的是,本发明所述的实施例是说明性的,而不是限定性的,因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例,凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式,同样属于本发明保护的范围。

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