一种冷热电联供系统多目标优化运行方法与流程
本发明属于电力系统运行分析与控制技术领域，具体涉及一种冷热电联供系统的多目标优化运行方法。
背景技术
随着经济技术的不断发展以及世界人口的不断增长，能源问题正面临巨大的挑战，未来能源需求将不断上升，以化石能源为主导的一次能源消耗形式进一步加剧了能源供应的紧张形势。此外，化石能源的燃烧带来了巨大的环境问题，合理有效地能源利用将成为学术界研究的热点。目前，用能形式逐渐由单一化转向多元化，传统能源供应系统一般以分供的形式满足能源需求，由此带来了一些问题。对于发电系统，化石能源经燃烧产生热能，只有其中一小部分的能量转化为了电能，其余热能都耗散在空气中，因此能量损失严重，能源利用率极低。对于冷能，由于夏季冷能需求量较大，传统冷能都由电制冷空调来满足，大量的空调制冷负荷增加了电网调峰调谷压力。冷热电联供系统是在热电联供系统基础上发展起来的吗，用于直接向用户提供冷能、热能、电能等，满足用户多样化的能源需求。冷热电联供利用燃料产生的能量进行做功，高品质的能量发电，低品质的热量通过余热回收用来供热、提供生活热水和制冷，实现能量的梯级利用。天津中新生态城是致力于改善生态环境、建设生态文明的战略性工程，该工程是多种能源综合利用的能源示范项目。因此，如何制定合理的能源调度策略，以充分发挥能源站的社会效益，具有重要的研究意义。
技术实现要素：
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种冷热电联供系统多目标优化运行方法，能够有效提高终端用户的能源利用效率，缓解区域电网能源供需的矛盾，促进分布式可再生能源的就地消纳，最大程度实现联供系统的社会效益。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种冷热电联供系统多目标优化运行方法，包括如下步骤：
步骤一，根据能源站冷热电联供系统的设备及能源供应方式，建立数学模型，同时建立各设备的数学模型；
采用的设备包括：燃气内燃机、电制冷机组、地源热泵机组、烟气热水型溴冷机、水蓄冷电锅炉、水蓄热电锅炉、连接于燃气内燃机的吸收式制冷机组、连接于燃气内燃机的吸收式制热机组、余热吸收机、蓄能槽；
能源供应方式包括：电网、天然气；
冷负荷主由冷地源热泵机组、吸收式制冷机组以及水蓄冷供应，缺额部分由电制冷机组供应；
电制冷机组由市政电网供电，地源热泵机组由燃气内燃机或市政电网供应，燃气内燃发电同时产生余热，该部分余热回收后可被吸收式制冷机利用，产生需要的冷能；
热负荷由地源热泵机组直接供热、余热吸收机供热以及蓄能槽释热；
步骤二，根据能源站冷热电分供系统的的设备及能源供应方式，建立数学模型，同时建立各设备的数学模型；
采用的设备包括：燃气内燃机、电制冷机组、地源热泵机组、烟气热水型溴冷机、水蓄冷电锅炉、水蓄热电锅炉、锅炉、连接于锅炉的吸收式制冷机、连接于锅炉的吸收式制热机；
能源供应方式包括：电网、天然气；
冷负荷由电制冷机、地源热泵机组、水蓄冷罐以及吸收式制冷机提供；
热负荷由地源热泵、锅炉以及吸收式制热机提供热能，电制冷机和地源热泵机组由市政电网供电；
步骤三，先针对各个设备分别计算联供和分供系统总运行成本，联供和分供系统总碳排放量，联供和分供系统总一次能源消耗量；再采用加权的方法建立多目标优化模型；
步骤四，根据所建立的模型，先通过采用混合整数线性规划求解器，可以得到优化后的分供系统总运行成本f1sp、分供系统总碳排放量
式中：β1，β2，β3为多目标权重系数。
前述的一种冷热电联供系统多目标优化运行方法，联供系统、分供系统燃气内燃机组的数学模型如下所述：
冷热电联供系统发电机组选用燃气内燃发电机，利用天然气燃烧产生的动力带动发电机发电，发出的电力不并入电网，只用于烟气热水型余热吸收式空调机及辅机和地源热泵机组及其辅机，可表示为：
式中：
因烟气热水型余热吸收式制冷机主要利用热能，因而其耗电量主要用于给其辅机供电，
式中：
前述的一种冷热电联供系统多目标优化运行方法，联供系统、分供系统电制冷机组的数学模型如下所述：
电制冷机组的制冷量与其电能输入量成正比：
式中：
前述的一种冷热电联供系统多目标优化运行方法，联供系统、分供系统地源热泵机组的数学模型如下所述：
地源热泵机组将低品位的电能转化为高品位的冷能或热能，其产生的能量可用于直接供应冷/热负荷，也可用于储存，表示为：
式中：
前述的一种冷热电联供系统多目标优化运行方法，联供系统、分供系统水蓄冷电锅炉、水蓄热电锅炉的数学模型如下所述：
能量来源于地源热泵机组，考虑到蓄能设备热量损失，其蓄能量可表示为：
式中：
前述的一种冷热电联供系统多目标优化运行方法，联供系统、分供系统吸收式制冷机组的数学模型如下所述：
当发电机组运行时，首先利用发电机组的余热作为吸收机的热源，供应部分冷能；吸收式制冷机组的制冷量与其热能输入量成正比：
式中：
前述的一种冷热电联供系统多目标优化运行方法，锅炉用于补充冷能或热能的能量缺额，分供系统锅炉的数学模型如下所述：
式中：ηb为锅炉效率。
前述的一种冷热电联供系统多目标优化运行方法，步骤三，先针对各个设备分别计算联供和分供系统总运行成本，联供和分供系统总碳排放量，联供和分供系统总一次能源消耗量；再采用加权的方法建立多目标优化模型；
联供系统总运行成本可表示为：
分供系统总运行成本可表示为：
式中：t为能源站调度周期；πe为峰谷电价；πg为天然气单价；
联供系统总碳排放量可表示为：
分供系统总碳排放量可表示为：
式中：μe，μg为电力和天然气的碳排放转换系数。
联供系统总一次能源消耗量可表示为：
分供系统总一次能源消耗量可表示为：
式中：ke，kg为电力和天然气的一次能源转换系数；ηgrid为电网传输效率。
联供系统可表达为如下形式：
即：
式中：β1，β2，β3为多目标权重系数。
前述的一种冷热电联供系统多目标优化运行方法，冷热电联供系统约束包括两类：一是冷、热、电能量的平衡约束；二是能源站各设备的物理约束；
电能平衡约束可表示为：
式中：
冷负荷平衡约束可表示为：
式中：
热负荷平衡约束可表示为：
式中：
本发明的有益之处在于：本发明提供一种冷热电联供系统多目标优化运行方法，本系统与地源热泵耦合，全面考虑发电单元、电制冷机、吸收式制冷机、地源热泵、水(冰)蓄冷、电锅炉蓄热设备，分别对各个设备建立数学模型，通过蓄能技术储存一定的能量用于高峰时段使用；先通过采用混合整数线性规划求解器对分供系统进行单目标优化求解，再求解得到联供系统的优化运行策略；使得联供系统运行的社会效益最大化；能够有效提高终端用户的能源利用效率，缓解区域电网能源供需的矛盾，促进分布式可再生能源的就地消纳，最大程度实现联供系统的社会效益。
附图说明
图1是本发明冷热电联供系统的结构图；
图2是本发明冷热电分供系统的结构图；
图3本发明夏季电负荷和冷负荷；
图4本发明夏季电能供应调度结果；
图5本发明夏季冷能供应结果。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
一种冷热电联供系统多目标优化运行方法，包括如下步骤：
步骤一，根据能源站冷热电联供系统的设备及能源供应方式，建立数学模型如图1所示，同时建立各设备的数学模型；
采用的设备包括：燃气内燃机、电制冷机组、地源热泵机组、烟气热水型溴冷机、水蓄冷电锅炉、水蓄热电锅炉、连接于燃气内燃机的吸收式制冷机组、连接于燃气内燃机的吸收式制热机组、余热吸收机、蓄能槽；
能源供应方式包括：电网、天然气；
冷负荷主由冷地源热泵机组、吸收式制冷机组以及水蓄冷供应，缺额部分由电制冷机组供应；
电制冷机组由市政电网供电，地源热泵机组由燃气内燃机或市政电网供应，燃气内燃发电同时产生余热，该部分余热回收后可被吸收式制冷机利用，产生需要的冷能；
热负荷由地源热泵机组直接供热、余热吸收机供热以及蓄能槽释热；
步骤二，根据能源站冷热电分供系统的的设备及能源供应方式，建立数学模型，同时建立各设备的数学模型；
采用的设备包括：燃气内燃机、电制冷机组、地源热泵机组、烟气热水型溴冷机、水蓄冷电锅炉、水蓄热电锅炉、锅炉、连接于锅炉的吸收式制冷机、连接于锅炉的吸收式制热机；
能源供应方式包括：电网、天然气；
冷负荷由电制冷机、地源热泵机组、水蓄冷罐以及吸收式制冷机提供；
热负荷由地源热泵、锅炉以及吸收式制热机提供热能，电制冷机和地源热泵机组由市政电网供电；
步骤三，先针对各个设备分别计算联供和分供系统总运行成本，联供和分供系统总碳排放量，联供和分供系统总一次能源消耗量；再采用加权的方法建立多目标优化模型；
联供系统总运行成本可表示为：
分供系统总运行成本可表示为：
式中：t为能源站调度周期；πe为峰谷电价；πg为天然气单价；
联供系统总碳排放量可表示为：
分供系统总碳排放量可表示为：
式中：μe，μg为电力和天然气的碳排放转换系数。
联供系统总一次能源消耗量可表示为：
分供系统总一次能源消耗量可表示为：
式中：ke，kg为电力和天然气的一次能源转换系数；ηgrid为电网传输效率。
联供系统可表达为如下形式：
即：
式中：β1，β2，β3为多目标权重系数。
不管是冷热电联供系统还是分供系统，都需要从经济性、环保性及节能性角度进行考虑，并满足运行约束。冷热电联供系统约束包括两类：一是冷、热、电能量的平衡约束；二是能源站各设备的物理约束；
电能平衡约束可表示为：
式中：
冷负荷平衡约束可表示为：
式中：
热负荷平衡约束可表示为：
式中：
步骤四，根据所建立的模型，先通过采用混合整数线性规划求解器，可以得到优化后的分供系统总运行成本f1sp、分供系统总碳排放量
式中：β1，β2，β3为多目标权重系数。当权重系数取相同的值时，能较好的描述目标函数的多目标特性。
需要说明的是：作为一种优选，混合整数线性规划求解器选用cplex求解器，cplex是ibm公司研发的一款高性能的数学规划问题求解器，可以快速、稳定地求解线性规划、混合整数规划、二次规划等一系列规划问题。cplex的速度非常快，可以解决现实世界中许多大规模的问题，它能够处理有数百万个约束和变量的问题，而且一直刷新数学规划的最高性能记录。其标准版本是一个windos下的ide应用软件，但是开发人员能通过组件库从其他程序语言调用cplex算法。随标准版本一起发布的文件中包含一个名为matlab文件夹，将此文件夹添加到搜索路径下就可以在matlab下调用cplex高效地求解数学规划问题。
联供系统、分供系统燃气内燃机组的数学模型如下所述：
冷热电联供系统发电机组选用燃气内燃发电机，利用天然气燃烧产生的动力带动发电机发电，发出的电力不并入电网，只用于烟气热水型余热吸收式空调机及辅机和地源热泵机组及其辅机，可表示为：
式中：
因烟气热水型余热吸收式制冷机主要利用热能，因而其耗电量主要用于给其辅机供电，
式中：
联供系统、分供系统电制冷机组的数学模型如下所述：
电制冷机组的制冷量与其电能输入量成正比：
式中：
联供系统、分供系统地源热泵机组的数学模型如下所述：
地源热泵机组将低品位的电能转化为高品位的冷能或热能，其产生的能量可用于直接供应冷/热负荷，也可用于储存，表示为：
式中：
联供系统、分供系统水蓄冷电锅炉、水蓄热电锅炉的数学模型如下所述：
能量来源于地源热泵机组，考虑到蓄能设备热量损失，其蓄能量可表示为：
式中：
可以看出，公式
联供系统、分供系统吸收式制冷机组的数学模型如下所述：
当发电机组运行时，首先利用发电机组的余热作为吸收机的热源，供应部分冷能；吸收式制冷机组的制冷量与其热能输入量成正比：
式中：
分供与联供系统采用的设备区别不大，分供系统增加了锅炉，用于补充冷能或热能的能量缺额。锅炉用于补充冷能或热能的能量缺额，分供系统锅炉的数学模型如下所述：
式中：ηb为锅炉效率。
为了进一步证明本方法的有益效果，本发明以天津中新生态城能源站冷热电联供为研究对象进行算例分析，以能源站夏季供冷为例说明；
冬季供热可以以相同的方式考虑，此处不赘述。该能源站总服务建筑面积约238000m2，站房总建筑面积4157m2。能源站年供冷天数约153日，从5月1日到9月30日，年制冷容量达9490gj。年供热天数约151日，从11月1日到3月11日，总供热容量达7210gj。本文研究的冷热电联供系统主要包括2台电制冷机组，2台地源热泵机组，4个蓄水罐，1台燃气内燃机组，1台吸收式制冷机组，其主要参数如表1。电价采用天津市峰谷电价，峰时6：00-21：00为1.33￥/kwh，谷时1：00-5：00，22：00-24：00为0.41￥/kwh，天然气价格为0.193￥/kwh。碳排放折算系数μe为968g/kwh，μg为220g/kwh，一次能源消耗折算系数ke为3.336，kg为1.047。
表1冷热电联供系统设备参数
首先利用energyplus软件计算动漫园内夏季设计日电负荷和冷负荷曲线，如图附图1所示。首先分别对联供系统以及分供系统进行单目标优化，分别以经济成本、碳排放量以及一次能源消耗量最小为目标函数，所得结果如表2所示。
表2单目标优化结果
将分供系统单目标优化结果代入多目标优化模型中，所得优化调度结果如附图4和附图5，其中附图4表示能源站各设备的耗电量以及电网各时段的供电量，附图5表示能源站各设备的供冷量。以冷热电联供系统综合多目标优化为目标函数，所得最优经济成本为128512￥，碳排放量为103946kg，一次能源消耗为399037，比较表1，可以看出联供系统较分供系统在目标函数上有较大的改进；看表2的单目标优化的结果，可以看出虽然多目标优化牺牲了单目标优化的部分优化目标，但其达到了整体的综合优化，其考虑更为合理。
本发明提供一种冷热电联供系统多目标优化运行方法，本系统与地源热泵耦合，全面考虑发电单元、电制冷机、吸收式制冷机、地源热泵、水(冰)蓄冷、电锅炉蓄热设备，分别对各个设备建立数学模型，通过蓄能技术储存一定的能量用于高峰时段使用；先通过采用混合整数线性规划求解器对分供系统进行单目标优化求解，再求解得到联供系统的优化运行策略；使得联供系统运行的社会效益最大化；能够有效提高终端用户的能源利用效率，缓解区域电网能源供需的矛盾，促进分布式可再生能源的就地消纳，最大程度实现联供系统的社会效益。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
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