基于集中式建模的冷热电联供型微网配电系统调度方法与流程

本发明属于能源互联网技术领域，涉及配电系统的经济调度方法，尤其是一种基于集中式建模的冷热电联供型微网配电系统调度方法。

背景技术

冷热电联供(combinedcooling,heatingandpower)系统由于将制冷、制热与供电相结合，可实现能源的梯级高效利用，并减少对环保的压力。而冷热电联供型微网可将cchp系统与各种负荷、可再生能源、储能系统等结合在一起，满足用户冷、热、电的需求，受到越来越广泛的实际工程应用。随着微网技术的推广，越来越多的冷热电联供型微网将接入区域配电系统，而现有的文献中对冷热电联供型微网的研究大多集中在单个冷热电联供型微网的经济优化调度问题上，对多个以微网群形式接入主动配电网的冷热电联供型微网的研究较少。因此，研究冷热电联供型多微网配电系统的优化经济调度问题，分析各个冷热电联供型微网和主动配电网中设备出力及最优的经济日前调度计划具有十分重要的现实意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种设计合理、科学有效、节能实用的基于集中式建模的冷热电联供型微网配电系统调度方法。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于集中式建模的冷热电联供型微网配电系统调度方法，包括以下步骤：

步骤1、分析冷热电联供型微网设备组成和能量流动关系；

步骤2、对冷热电联供型微网设备进行独立建模；

步骤3、将冷热电联供型微网配电系统中的冷热电联供型微网和主动配电网作为同一个优化主体，采用集中建模方法建立经济优化目标函数；

步骤4、建立步骤3所述经济优化目标函数的约束条件；

步骤5、在matlab中调用cplex对问题进行求解，获得调度计划。

而且，所述步骤1的冷热电联供型微网内设备主要包括燃气轮机、供能设备和储能装置；

而且，所述步骤2包括以下步骤：

(1)建立燃气轮机的数学模型：

其中，β为燃气轮机的负载率，ηc为燃气轮机发电效率，ηr为燃气轮机热回收效率，为燃气轮机额定发电效率，qr为燃气轮机废热回收量，为燃气轮机发电功率，vgt为运行时间内燃气轮机所消耗的天然气量，lhvng为天然气热值，δt为从t时刻到t+1时刻的时间长度，a,b,c,d代表常数；

(2)建立供能设备的数学模型：

pout＝pinη

其中，pout为输出功率，pin为输入功率，η为供能设备的效率；

(3)建立储能设备模型：

其中，sstor(t)为t时刻的储能，δt为从t时刻到t+1时刻的时间长度，pabs(t)和prelea(t)为t时刻充放电功率，η^abs，η^relea和u分别为储能效率，能量释放效率和自损能量系数；

而且，所述步骤3的具体方法为：将含有冷热电联供型微网的主动配电网，通过优化冷热电联供型微网中的不同设备的功率输出和主动配电网络中不同发电机的功率输出来最小化系统运行成本，其目标函数如下：

其中，fdn为配电网的总生产成本，fg为配电网中发电机组的发电成本，m为冷热电联供型微网的个数，ffuel,j为第j个冷热电联供型微网中的燃料成本，pgi(t)为第i台常规机组在时段t的出力，ai、bi、ci为对应的成本系数，n表示发电机组的数量，nt为调度时间，cgas为天然气的价格，为燃气锅炉消耗的天然气量，为燃气轮机发电功率，lhvng为天然气热值，ηc为燃气轮机的发电效率。

而且，所述步骤4的约束条件包括主动配电网约束和冷热电联供型微网的约束：

(1)主动配电网的约束包括：

a)电力平衡

b)发电上限和下限

pgi,min≤pgi(t)≤pgi,max

c)备用电力约束

d)从电网到微电网的电能交换约束

其中，为t时刻主动配电网的功率负荷，主动配电网与冷热电联供型微网j之间的交换功率，m为冷热电联供型微网的个数，n为配电网中发电机的个数，pgi(t)为第i台常规机组在时段t的出力，和分别为最大值和最小值，pgi,max和pgi,min分别为发电机i的最大和最小发电量，r^dn(t)为主动配电网的备用电能；

(2)冷热电联供型微网的约束包括：

a)电功率平衡

b)冷功率平衡

c)热功率平衡

其中，为燃气轮机发电功率，为储能装置充放电功率，放电为正值，充电为负值，为冷热电联供型微网和主动配电网的逐时电功率交换值，p(t)为系统出力功率，为冷热电联供型微网电负荷的需求功率，为冷热电联供型微网中电制冷机耗电功率，为吸收式制冷机的制冷功率，为电制冷机的制冷功率，为冷热电联供型微网中冷负荷的需求功率，为燃气锅炉的输出热功率，为蒸汽热水换热装置的制热功率，为冷热电联供型微网中热负荷的需求功率。

本发明的优点和有益效果：

本发明提出一种基于集中式建模的冷热电联供型微网系统优化经济调度方法，将以微网群形式接入主动配电网的冷热电联供型微网与主动配电网作为同一个优化对象，采用集中式的建模方法，获得冷热电联供型微网配电系统日前经济调度计划。具体来说，(1)本发明的每个冷热电联供型微网中的冷负荷、热负荷、电负荷需求都得到满足，且各个微网中没有出现弃风、弃电等浪费能源的情况。(2)本发明的整个冷热电联供型微网配电系统的经济成本达到最小值，具有最高的经济效益。

附图说明

图1是本发明的处理流程图；

图2为本发明冷热电联供型微网能源供应结构图；

图3为本发明冷热电联供型微网配电系统结构图；

图4(a)为本发明cchp微网冷、热、电负荷数据和配电网的电负荷数据图；

图4(b)为本发明chp微网热、电负荷数据和ccp微网冷、电负荷数据数据图；

图5为本发明中冷热电联供型微网cchp日前优化调度电负荷平衡曲线；

图6为本发明中冷热电联供型微网cchp日前优化调度冷负荷平衡曲线；

图7为本发明中冷热电联供型微网cchp日前优化调度热负荷平衡曲线；

图8为本发明中冷电联供型微网ccp日前优化调度电负荷平衡曲线；

图9为本发明中冷电联供型微网ccp日前优化调度冷负荷；

图10为本发明中热电联供型微网chp日前优化调度电负荷平衡曲线；

图11为本发明中热电联供型微网chp日前优化调度热负荷平衡曲线；

图12为配电网中机组出力及电负荷曲线；

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：

本发明公开了一种基于集中式建模的冷热电联供型微网配电系统调度方法，首先对冷热电联供型微网设备组成及能量流动关系进行分析，冷热电联供型微网将冷、热、电、气4种形式能源集成到一个系统中，以燃气型联供机组为分布式电源，冷热电联供型微网中包括分布式电源、储能装置、供能装置。然后采用集中建模方法建立冷热电联供型多微网主动配电系统经济优化目标，并设立相应的约束条件；最后在matlab中调用cplex对问题进行求解，获得日前调度计划。

一种基于集中式建模的冷热电联供型微网配电系统调度方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、分析冷热电联供型微网设备组成和能量流动关系；

在本实施例中，所述步骤1的冷热电联供型微网内设备主要包括燃气轮机、供能设备和储能装置；

在本实施例中，本发明采用的冷热电联供型微网设备及能量流动关系如图2所示，用户负荷分为冷负荷、热负荷和电负荷3种类型。冷热电联供型微网根据微网内负荷种类和供能设备的不同分成3种类型：冷热电联供型微网、冷电联供型微网(combinedheatingandpower，ccp)和热电联供型微网(combinedcoolingandpower，chp)。微网中燃气轮机产生电能，余热作为副产物进入余热锅炉收集起来。微网中电能的生产设备有燃气轮机、风力发电和从电网购电，电制冷机通过消耗电能产生冷能，储能装置可以充电和放电。微网中冷能由吸收式制冷机和电制冷机提供，其中吸收式制冷机的输入为余热锅炉中的热能，输出为冷能。微网中热能由换热装置和余热锅炉提供，其中换热装置的输入为余热锅炉的烟气形式的热能，输出为微网中热水或者热蒸汽形式的热能。

步骤2、对冷热电联供型微网设备进行独立建模；

所述步骤2包括以下步骤：

(1)建立燃气轮机的数学模型：

其中，β为燃气轮机的负载率，ηc为燃气轮机发电效率，ηr为燃气轮机热回收效率，为燃气轮机额定发电效率，qr为燃气轮机废热回收量，为燃气轮机发电功率，vgt为运行时间内燃气轮机所消耗的天然气量，lhvng为天然气热值，δt为从t时刻到t+1时刻的时间长度，a,b,c,d代表常数；

(2)建立供能设备的数学模型：

pout＝pinη

其中，pout为输出功率，pin为输入功率，η为供能设备的效率；

(3)建立储能设备模型：

其中，sstor(t)为t时刻的储能，δt为从t时刻到t+1时刻，pabs(t)和prelea(t)为t时刻充放电能量，η^abs，η^relea和u分别为储能效率，能量释放效率和自损能量系数；

步骤3、将冷热电联供型微网配电系统中的冷热电联供型微网和主动配电网作为同一个优化主体，采用集中建模方法建立经济优化目标函数；

所述步骤3的具体方法为：将含有冷热电联供型微网的主动配电网，通过优化冷热电联供型微网中的不同设备的功率输出和主动配电网络中不同发电机的功率输出来最小化系统运行成本，其目标函数如下：

其中，fdn为配电网的总生产成本，fg为配电网中发电机组的发电成本，m为冷热电联供型微网的个数，ffuel,j为第j个冷热电联供型微网中的燃料成本，pgi(t)为第i台常规机组在时段t的出力，ai、bi、ci为对应的成本系数，n表示发电机组的数量，nt为调度时间，cgas为天然气的价格，为燃气锅炉消耗的天然气量，为燃气轮机发电功率，lhvng为天然气热值，ηc为燃气轮机的发电效率。

步骤4、建立步骤3所述经济优化目标函数的约束条件；

所述步骤4的约束条件包括主动配电网约束和冷热电联供型微网的约束：

(1)主动配电网的约束包括：

①电力平衡

②发电上限和下限

pgi,min≤pgi(t)≤pgi,max

③备用电力约束

④从电网到微电网的电能交换约束

其中，为t时刻主动配电网的功率负荷，主动配电网与冷热电联供型微网j之间的交换功率，m为冷热电联供型微网的个数，n为配电网中发电机的个数，pgi(t)为第i台常规机组在时段t的出力，和分别为最大值和最小值，pgi,max和pgi,min分别为发电机i的最大和最小发电量，r^dn(t)为主动配电网的备用电能；

(2)冷热电联供型微网的约束包括：

①电功率平衡

②冷功率平衡

③热功率平衡

其中，为燃气轮机发电功率，为储能装置充放电功率，放电为正值，充电为负值，为冷热电联供型微网和主动配电网的逐时电功率交换值，p(t)为系统出力功率，为冷热电联供型微网电负荷的需求功率，为冷热电联供型微网中电制冷机耗电功率，为吸收式制冷机的制冷功率，为电制冷机的制冷功率，为冷热电联供型微网中冷负荷的需求功率，为燃气锅炉的输出热功率，为蒸汽热水换热装置的制热功率，为冷热电联供型微网中热负荷的需求功率。

步骤5、在matlab中调用cplex对问题进行求解，获得调度计划。

以天津中新生态城实际算例来验证本文提出的优化经济调度方法的有效性和经济性，图3为冷热电联供型微网配电系统的结构图，微网1为cchp微网，微网2为chp微网，微网3为ccp微网，3个微网通过电缆与主动配电网间进行电能传输与交互，各个微网间不存在电能交易。图4(a)和图4(b)为3个微网和主动配电网中的冷负荷、热负荷和电负荷的日前预测值。图5为cchp微网的电负荷平衡曲线，由图中可以看出，cchp微网中的电负荷平衡得到满足，没有弃电的情况发生。图6为cchp微网的冷负荷平衡曲线，由图中可以看出，cchp微网中的冷负荷平衡得到满足，冷负荷由吸收式制冷机和电制冷机提供，且没有出现浪费冷能的情况。图7为cchp微网的热负荷平衡曲线，由图中可以看出，cchp微网中的热负荷平衡得到满足，热负荷由燃气锅炉和换热装置提供，且没有出现浪费热能的情况。图8和图9为ccp微网的电负荷和冷负荷平衡曲线，由图中可以看出，ccp微网的冷负荷和电负荷平衡都得到满足，且没有出现浪费电能和冷能的情况。图10和图11为chp微网的电负荷和热负荷平衡曲线，由图中可以看出，chp微网的热负荷和电负荷平衡都得到满足，且没有出现浪费电能和热能的情况。图12为主动配电网中发电机组的出力情况和电负荷曲线，由图中可以看出，2台发电机组的出力满足最大功率约束。表1为采用集中式建模方法和分布式建模方法对冷热电联供型微网配电系统的经济成本的对比，其中分布式建模方法为将冷热电联供型微网和主动配电网作为2个利益主体进行建模，由表中可以看出，与分布式建模方法相比，采用本专利提出的集中式建模方法可以使整个系统的经济成本减少3.32％。

表1

需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，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。