本发明涉及一种综合能源系统设备选型及容量规划方法。特别是涉及一种考虑电热气耦合的综合能源系统设备选型及容量规划方法。
背景技术：
随着人们对能源和环境问题越来越关注，如何提高能源利用效率并尽可能减少用能过程带来的环境污染，已成为国内广泛关注的重要课题。综合能源系统集制冷、供热及发电于一体，不仅可以通过能量梯级利用提高一次能源利用率，而且在减少排放方面也表现出极大的优势。因此，综合能源系统已是未来能源技术的重要发展趋势，其规划与运行问题已成为研究热点。而综合能源系统能否高效、经济、环保的运行，取决于综合能源站的设备选型及容量规划。
现有关于设备选型及容量规划的研究，一般采用运行模拟优选出使目标最优(如经济性最好、排放最小等)的综合能源设备类型和容量的组合。在设备类型方面，热电联供(combined heat andpower，CHP)机组可同时满足热和电需求；热泵具有能源转换效率高的特点，成为了重要的能源转换设备。在优化模型和算法方面，代表性工作如两层优化规划模型，外层模型为设备容量组合优化问题，内层算法为运行优化模拟求解运行成本；算法的选择取决于规划模型的特征，数学规划法和智能优化算法在综合能源系统规划研究中被广泛应用。
然而，目前国内外尚缺少对电热气耦合系统的详细分析和建模，考虑的能源耦合设备种类较少。在优化变量中，未同时考虑设备类型和设备容量的组合优化，往往是确定了设备类型，仅在此基础上进行容量优化。此外，现有研究对能源间的耦合性考虑不足，能源间的耦合性分析多集中于定性讨论，缺乏定量分析，进而难以准确评估系统运行时由多能耦合带来的互补效益。因此，急需一种考虑电热气耦合的综合能源系统设备选型及容量规划方法。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够合理确定综合能源站设备选型及容量规划的考虑电热气耦合的综合能源系统设备选型及容量规划方法。
本发明所采用的技术方案是：一种考虑电热气耦合的综合能源系统设备选型及容量规划方法，包括如下步骤：
1)根据园区综合能源系统待选的设备种类，输入所有设备的相关参数，包括各个设备单位容量的初始投资成本、维护费用及转化效率，输入电价、天然气价格及园区内冷、热、电负荷的年运行数据；
2)依据步骤1)中的输入的参数，建立综合能源系统设备选型及容量规划的模型，包括：以系统年综合费用最小为目标函数，建立各种能源转换设备模型及对应的运行约束，考虑综合能源系统功率平衡约束；
3)依据步骤2)得到的综合能源系统设备选型及容量规划模型，并基于园区内电、热、冷负荷的历史数据，采用混合整数线性规划方法，进行求解，得到设备选型和容量规划方案、年综合费用以及电、气年消耗量。
步骤2)所述的各种能源转换设备模型及对应的运行约束包括：
(1)电锅炉规划模型及约束：
式中，是t时刻电锅炉的热功率，是t时刻电锅炉输入端电功率，ηEB是电-热转化效率，pCAP，EB是电锅炉最小规划单元，xEB是对应最小规划单元的数量；
(2)电制冷机组规划模型及约束：
式中，是t时刻电制冷机组的冷功率，是t时刻电制冷机组输入端电功率，EAC是能效比，pCAP，AC是电制冷机组最小规划单元，xAC是对应最小规划单元的数量；
(3)地源热泵规划模型及约束：
式中，是t时刻地源热泵的热功率，是t时刻地源热泵的冷功率，是t时刻地源热泵输入端电功率，EH，HP是电制热能效比，EC，HP是电制冷能效比，pCAP，HP是地源热泵最小规划单元，xHP是对应最小规划单元的数量；
(4)热电联产机组规划模型及约束：
式中，是t时刻热电联产机组的热功率，是t时刻热电联产机组的电功率，是t时刻热电联产机组输入端功率，ηH，CHP和ηP，CHP分别是气-热转化效率和气-电转化效率，pCAP，CHP是热电联产机组最小规划单元，xCHP是对应最小规划单元的数量。
步骤2)所述的考虑综合能源系统功率平衡约束包括：
(1)电功率平衡约束：
式中，是t时刻园区内电负荷，是t时刻电网向园区内电负荷提供的功率，是t时刻热电联产机组的电功率；
(2)热功率平衡约束：
式中，是t时刻园区内热负荷，是t时刻电锅炉的热功率，是t时刻热电联产机组的的热功率，是t时刻地源热泵制热期间的热功率；
(3)冷功率平衡约束：
式中，是t时刻园区内冷负荷，是t时刻电制冷机组的冷功率，是t时刻地源热泵制冷期间的冷功率。
本发明的考虑电热气耦合的综合能源系统设备选型及容量规划方法，是针对综合能源站设备选型及容量规划问题，建立考虑电热气等多种能源形式的综合能源站设备选型及容量规划模型，考虑设备投资及运行成本，合理确定综合能源站设备选型及容量规划方案。本发明考虑了能源间的耦合性，能源形式和设备类型较为丰富，并且可同时满足冷、热、电多种负荷的需要；在优化计算中同时考虑设备类型和设备容量的组合优化，给出了不同场景下的规划结果，并对比分析进而给出定量分析，所得规划方案可显著降低系统的年综合费用，实现多能互补，提高能源利用率。
附图说明
图1是本发明考虑电热气耦合的综合能源系统设备选型及容量规划方法的流程图；
图2是综合能源系统园区年电负荷曲线；
图3是综合能源系统园区年热负荷曲线；
图4是综合能源系统园区年冷负荷曲线。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的考虑电热气耦合的综合能源系统设备选型及容量规划方法做出详细说明。
本发明的考虑电热气耦合的综合能源系统设备选型及容量规划方法，立足于解决综合能源系统中设备的选型以及对应容量的确定，建立以年综合费用最小为目标函数，充分考虑综合能源系统各种能源转换设备的运行约束及功率平衡约束，采用混合整数线性规划方法进行求解，最终得到设备选型结果和容量规划方案。
如图1所示，本发明的考虑电热气耦合的综合能源系统设备选型及容量规划方法，包括如下步骤：
1)根据园区综合能源系统待选的设备种类，输入所有设备的相关参数，包括各个设备单位容量的初始投资成本、维护费用及转化效率，输入电价、天然气价格及园区内冷、热、电负荷的年运行数据，如图2、图3、图4所示；
2)依据步骤1)中的输入的参数，建立综合能源系统设备选型及容量规划的模型，包括：以系统年综合费用最小为目标函数，建立各种能源转换设备模型及对应的运行约束，考虑综合能源系统功率平衡约束；其中，
(1)所述的统年综合费用最小为目标函数CCOST可表示为
minCCOST＝CINV+CMNT+COPE (1)
式中，初始投资费用CINV、维护费用CMNT、运行费用COPE可分别由下式表示：
式中，y表示设备的使用寿命，r为折现率；cINV，CHP、cINV，EB、cINV，AC、cINV，HP分别是热电联产(CHP)机组、电锅炉、电制冷机组和地源热泵的单位投资成本；pCAP，CHP、pCAP，EB、pCAP，AC、pCAP，HP分别是CHP、电锅炉、电制冷机组和地源热泵的最小规划单元，xCHP、xEB、xAC、xHP分别是对应最小规划单元的数量。
式中，cMNT，CHP、cMNT，EB、cMNT，AC、cMNT，HP分别是CHP、电锅炉、电制冷机组和地源热泵的单位维护费用，分别是t时刻CHP机组的热和电功率、电锅炉的热功率、电制冷机组的冷功率、地源热泵的热和冷功率。
COPE＝CGRID+CFUEL (4)
式中，CGRID和CFUEL分别为系统的购电费用和购气费用；分别为t时刻电网向园区内电力负荷提供的功率、电锅炉所需的电功率、电制冷机组所需的电功率和地源热泵所需电功率，为t时刻的电价；为t时刻CHP输入端功率，cFUEL为天然气价格。
(2)所述的各种能源转换设备模型及对应的运行约束包括：
(2.1)电锅炉规划模型及约束：
式中，是t时刻电锅炉的热功率，是t时刻电锅炉输入端电功率，ηEB是电-热转化效率，pCAP，EB是电锅炉最小规划单元，xEB是对应最小规划单元的数量；
(2.2)电制冷机组规划模型及约束：
式中，是t时刻电制冷机组的冷功率，是t时刻电制冷机组输入端电功率，EAC是能效比，pCAP，AC是电制冷机组最小规划单元，xAC是对应最小规划单元的数量；
(2.3)地源热泵规划模型及约束：
式中，是t时刻地源热泵的热功率，是t时刻地源热泵的冷功率，是t时刻地源热泵输入端电功率，EH，HP是电制热能效比，EC，HP是电制冷能效比，pCAP，HP是地源热泵最小规划单元，xHP是对应最小规划单元的数量；
(2.4)热电联产(CHP)机组规划模型及约束：
式中，是t时刻热电联产机组的热功率，是t时刻热电联产机组的电功率，是t时刻热电联产机组输入端功率，ηH，CHP和ηP，CHP分别是气-热转化效率和气-电转化效率，pCAP，CHP是热电联产机组最小规划单元，xCHP是对应最小规划单元的数量。
(3)所述的考虑综合能源系统功率平衡约束包括：
(3.1)电功率平衡约束：
式中，是t时刻园区内电负荷，是t时刻电网向园区内电负荷提供的功率，是t时刻热电联产机组的电功率；
(3.2)热功率平衡约束：
式中，是t时刻园区内热负荷，是t时刻电锅炉的热功率，是t时刻热电联产机组的的热功率，是t时刻地源热泵制热期间的热功率；
(3.3)冷功率平衡约束：
式中，是t时刻园区内冷负荷，是t时刻电制冷机组的冷功率，是t时刻地源热泵制冷期间的冷功率。
3)依据步骤2)得到的综合能源系统设备选型及容量规划模型，并基于园区内电、热、冷负荷的历史数据，采用混合整数线性规划方法，进行求解，得到设备选型和容量规划方案、年综合费用以及电、气年消耗量。
本发明实施例选取某综合能源系统园区为对象，首先根据综合能源系统内设备种类，输入设备参数，包括各个设备单位容量的初始投资成本、维护费用及转化效率，电价与天然气价格参数，如表1所示，以及冷、热、电负荷的年运行数据等；然后，建立综合能源站设备选型及容量规划模型，在Matlab软件调用OPTI工具箱中的混合整数线性规划求解方法，得到综合能源站设备选型和容量规划方案、年综合成本以及电、气消耗总量。采用本发明提出的考虑电热气耦合的综合能源系统设备选型及容量规划方法，选取四种场景进行对比分析。
场景一：可选设备包括电锅炉、电制冷机组，输入能源形式为电能；
场景二：可选设备包括电锅炉、电制冷机组、地源热泵，输入能源形式为电能；
场景三：可选设备包括电锅炉、电制冷机组、CHP机组，输入能源形式为电能和天然气；
场景四：可选设备包括电锅炉、电制冷机组、CHP机组、地源热泵，输入能源形式为电能和天然气。
执行优化计算的计算机硬件环境为Intel(R)Xeon(R)CPU E5-16030，主频为2.8GHz，内存为12GB；软件环境为Windows 10操作系统。
综合能源站设备选型及容量规划方案如表2所示。对比场景一与场景二，可选设备加入了地源热泵，由于地源热泵的电制热能效比远高于电锅炉的电-热转化效率，电锅炉的部分供热出力将被地源热泵替代，容量从6300kVA减少为2700kVA，而电制冷机组容量不变，说明增加的900kVA地源热泵只用于供热；对比场景一与场景三，可选设备加入了CHP机组，输入能源形式增加了天然气，由于天然气价格明显低于电价且CHP机组可同时供给电负荷和热负荷，电锅炉的部分供热出力将被CHP机组替代，容量从6300kVA减少为4300kVA，CHP机组容量为4100kVA；对比场景四与场景三，可选设备引入了地源热泵，由于地源热泵以地热能作为冷/热源，其电制热能效比远高于CHP机组的气-热转化效率，因此，方案四选用地源热泵为制热设备。。
四种规划方案对应的年综合费用及电、气年消耗量如表3所示。对比场景一与场景二，由于地源热泵的能源转换效率高，导致方案年综合费用减少了791.53万元，降幅为17.70％，其中设备维护费用和系统运行费用分别减少了337.36和474.02万元，但因为地源热泵设备初始投资较高，导致系统设备投资成本增加了19.87万元，购电量减少了532.28万kWh，降幅为21.17％；对比场景一与场景三，由于天然气价格明显低于电价且CHP机组可同时供给电负荷和热负荷，年综合费用减少了137.29万元，降幅为3.07％，其中系统运行费用降低了474.02万元，但CHP机组初始投资较高且能源转换效率不高，导致系统投资成本和维护费用分别增加223.62和183.65万元，购电量减少了631.31万kWh，降幅为25.10％，而购气量增加了816.18万kWh；方案四与方案二的年综合费用及电、气年消耗量相同。
本发明的考虑电热气耦合的综合能源系统设备选型及容量规划方法，可根据系统可选设备和输入能源种类，提供不同场景下的设备选型和容量规划。算例分析表明，所得规划方案可显著降低系统的年综合费用，实现多能互补，提高能源利用率。
表1系统设备参数和其他参数
表2不同场景规划出设备容量情况
表3不同场景规划出的年综合费用及电、气年消耗量