考虑弹性调度策略的气-电耦合综合能源系统规划方法与流程

本发明涉及一种综合能源系统规划方法。特别是涉及一种考虑弹性调度策略的气-电耦合综合能源系统规划方法。

背景技术：

能源和环境问题已成为世界各国共同关注的焦点，开发利用可再生能源、提高能源利用效率是实现可持续发展、清洁能源替代的必然选择。气-电耦合综合能源系统包含多种能源需求，且电、热、气等不同形式的能源深度耦合，通过多种能源的协调运行，可实现能源利用效率的大幅提高。在自身优势和能源政策的驱动下，气-电耦合综合能源系统得到了快速发展。在此背景下，制定能顾兼顾系统运行可靠性和经济性的规划设计方法尤为重要。

传统的规划方法多针对单一独立系统进行规划，不同能源系统独立运行，对能源生产、转换、存储等环节和多能源之间的耦合关系考虑不足，制约了能源利用效率的提高，不能实现全寿命周期内气-电耦合综合能源系统的合理规划与经济运行。因此，需要打破能源系统传统的供能方式，实现多种能源系统的整体规划和协同运行。此外，气-电耦合综合能源系统常发生能源供给故障，造成切负荷现象的发生，严重影响系统正常的生产、生活用能；建立能够适应源端故障的调度策略，并开发能够满足实际运行对源端故障适应性需求的规划设计方法具有较大意义。

目前，对气-电耦合综合能源系统的规划设计多忽略源端供应故障的影响、进行考虑投资成本和运行费用的经济规划，得到的规划设计方案无法满足源端故障时重要负荷的用能需求。因此，急需一种能够兼顾系统运行经济性和对源端故障适应性的规划设计方法，通过合理的规划和运行手段，得到能够有效适应实际运行时源端供应故障的系统配置方案。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够兼顾系统运行经济性和对源端故障适应性的考虑弹性调度策略的气-电耦合综合能源系统规划方法。

本发明所采用的技术方案是：一种考虑弹性调度策略的气-电耦合综合能源系统规划方法，包括如下步骤：

1)根据气-电耦合综合能源系统结构，输入电价、燃气价格信息，读取典型日电负荷、冷/热负荷、光照强度预测值，输入待选设备运行参数、系统调度间隔、负荷最小满足比例、未满足负荷惩罚费用、电力供应和燃气供应中断时长参数；

2)依据步骤1)提供的气-电耦合综合能源系统的结构和设备参数，建立供冷典型日和供暖典型日的气-电耦合综合能源系统设备运行约束，包括地源热泵机组供冷运行约束、蓄冷水箱运行约束、常规冷水机组运行约束、冰蓄冷系统运行约束、燃气轮机运行约束、吸收式制冷机运行约束、地源热泵机组供热运行约束、蓄热式电锅炉系统运行约束、冷/热/电供需平衡约束和购能功率上限约束；

3)设定气-电耦合综合能源系统下层运行优化，即运行优化层以运行费用最小为目标函数，考虑设备运行约束、设定比例负荷满足约束和蓄热装置备用约束，建立面向弹性运行的多阶段优化调度模型；

4)设定气-电耦合综合能源系统上层优化设计即优化配置层以年综合费用最小为目标函数，考虑设备配置容量/台数约束，建立基于遗传算法的寻优模型；

5)进行优化配置层多阶段优化调度模型和运行优化层寻优模型的交互求解并输出求解结果，包括设备配置方案和最优调度计划。

步骤3)所述的蓄热装置备用约束如下：

式中，为t时刻蓄能装置所蓄能量，Wt^TS,R为t时刻蓄热装置备用容量；分别为t时刻蓄热/冷水箱、蓄冰槽所蓄能量，分别为蓄热/冷水箱、蓄冰槽初始能量；在供冷期，Ω为{WT，IT}，在供暖期，Ω为{WT}；容量下标后缀F、B分别代表下一个调度日和上一个调度日相关参数；NT为一个完整调度周期的调度间隔数。

步骤3)所述的面向弹性运行的多阶段优化调度模型，包括：

(1)储能备用容量滚动计算阶段：根据故障域内系统负荷、光照强度预测信息，选取每个滚动时段内系统蓄热装置初始值最小为目标函数，考虑设备运行约束和设定比例负荷满足约束，生成电、气源端分别故障时均能满足系统设定比例负荷需求的最小储能备用容量值；

所述的目标函数，表示为：

式中，tS是滚动优化调度的起始时段；分别为tS时刻蓄冷/热水箱、蓄冰槽备用容量，在供冷期Ω为{WT、IT}，在供暖期Ω为{WT}；type∈{E,G}，分别表示为电力或燃气故障；

(2)日前经济调度阶段：根据日前调度周期内光照强度信息、冷负荷和电负荷预测信息和已生成的储能备用容量值，选取一个完整调度周期内运行费用最小为目标函数，考虑设备运行约束和蓄热装置备用约束，生成系统日前多时段的调度计划。

所述的目标函数，表示为：

式中，NT为一个完整调度周期的调度间隔数；分别为t时刻购电价格、购气价格；分别为t时刻系统联络线上的电功率、燃气轮机消耗的燃气功率；Δt为调度步长。

步骤4)所述的目标函数，表示为：

min F＝C^inv+C^ope

式中，C^inv为系统设备的年度投资费用，C^ope为系统年运行费用；C^CRF指投资成本回收系数，r表示折现率，y表示系统计划运行年限；NT为一个完整调度周期的调度间隔数；表示设备i的初始投资费用；NS为典型场景个数；ps为第S个典型场景的概率；Δt为调度步长。

本发明的考虑弹性调度策略的气-电耦合综合能源系统规划方法，立足于解决气-电耦合综合能源系统的规划问题，充分考虑电力驱动设备、燃气驱动设备的互补协调作用和蓄能装置的响应能力，建立考虑弹性调度策略的气-电耦合综合能源系统双层规划设计模型，上层采用遗传算法进化寻优，下层调用相关数学求解器进行求解，得到系统规划设计方案和最优调度计划。

附图说明

图1是本发明考虑弹性调度策略的气-电耦合综合能源系统规划方法的流程图；

图2是气-电耦合综合能源系统供能结构图；

图3是优化配置层计算流程图；

图4是运行优化层计算流程图；

图5a是不考虑弹性调度策略的规划方案下典型日系统备用能力图；

图5b是考虑弹性调度策略的规划方案下典型日系统备用能力图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的考虑弹性调度策略的气-电耦合综合能源系统规划方法做出详细说明。

本发明的考虑弹性调度策略的气-电耦合综合能源系统规划方法，是针对气-电耦合综合能源系统的规划问题，综合考虑多种约束条件，通过优化设计模型和弹性调度模型的耦合计算，最终制定规划设计方案。

如图1所示，本发明的考虑弹性调度策略的气-电耦合综合能源系统规划方法，包括如下步骤：

1)根据气-电耦合综合能源系统结构，输入电价、燃气价格信息，读取典型日电负荷、冷/热负荷、光照强度预测值，输入待选设备运行参数、系统调度间隔、负荷最小满足比例、未满足负荷惩罚费用、电力供应和燃气供应中断时长参数；

2)依据步骤1)提供的气-电耦合综合能源系统的结构和设备参数，建立供冷典型日和供暖典型日的气-电耦合综合能源系统设备运行约束，包括地源热泵机组供冷运行约束、蓄冷水箱运行约束、常规冷水机组运行约束、冰蓄冷系统运行约束、燃气轮机运行约束、吸收式制冷机运行约束、地源热泵机组供热运行约束、蓄热式电锅炉系统运行约束、冷/热/电供需平衡约束和购能功率上限约束；其中。

(1)所述的地源热泵机组供冷运行约束表示为

式中，分别为t时刻第i台地源热泵供冷、蓄冷功率；分别为t时刻第i台地源热泵制冷、蓄冷运行模式；分别为热泵主机的最小、最大制冷功率；分别为t时刻地源热泵系统供冷、蓄冷运行模式；ΩHP为地源热泵主机的集合；N^HP为地源热泵主机个数；为t时刻热泵机组耗电功率；为第i台热泵性能系数(COP)，P^HP,CWP和P^HP,CP分别为热泵主机联锁冷冻水泵和冷却水泵的额定用电功率，P^WT,CWP,1和P^WT,CWP,2分别为蓄冷时联锁放冷循环泵和蓄冷循环泵的额定用电功率。

(2)所述的蓄冷水箱运行约束表示为

式中，为t时刻蓄冷水箱供冷功率；为单台冷冻水泵制冷功率上限；N^WT,CWP为蓄冷水箱冷冻水泵个数；为t时刻第i台蓄冷水箱水泵放冷运行模式；为t时刻蓄冷水箱存储冷量、单台蓄冷水箱存储冷量上限；N^WT为蓄冷水箱个数；ε^WT为蓄冷水箱的自放冷率；Δt为调度步长；为蓄冷水箱的耗电；为t时刻蓄冷水箱放冷运行模式。

(3)所述的常规冷水机组运行约束表示为

式中，为t时刻第i台常规冷水主机制冷功率；为t时刻第i台常规冷水主机供冷模式；N^WC为常规冷水主机个数；分别为其制冷功率下、上限；ΩWC为常规冷水主机的集合；为t时刻常规冷水机组耗电功率；为常规冷水主机性能系数；P^WC,CWP、P^WC,CP和P^WC,CT分别为常规冷水主机联锁冷冻水泵、冷却水泵和开式冷却塔的额定用电功率。

(4)所述的冰蓄冷系统运行约束表示为

式中，为t时刻冰蓄冷系统、蓄冰槽制冷功率；分别为t时刻第i台双工况主机制冷、制冰功率；为双工况主机制冷功率下、上限；为其制冰功率下、上限；为t时刻第i台双工况主机制冷、制冰运行模式；为t时刻双工况机组制冷、制冰运行模式；为t时刻第i台冰蓄冷系统冷冻水泵运行模式；N^IS,CWP为冰蓄冷系统冷冻水泵个数；为t时刻蓄冰槽存储冷量；W^IT、为蓄冰槽存储冷量下、上限；ε^IT为蓄冰槽的自放冷率；为蓄冰槽放冷功率上限；为单台冷冻水泵制冷功率上限；ΩDC为双工况主机的集合；为t时刻冰蓄冷系统耗电功率；COPi^DC,C、COPi^DC,I分别为双工况主机制冷、制冰性能系数，P^EP、P^DC,CP、P^DC,CT、P^IS,CWP分别为乙二醇溶液泵、冷却水泵、开式冷却塔、冷冻水泵的额定用电功率。

(5)所述的燃气轮机运行约束表示为

式中，表示t时刻燃气轮机消耗燃气功率；和表示t时刻燃气轮机发电功率和产热功率；η^GT为发电效率；α^GT为燃气轮机热电比，P^GT,R为燃气轮机额定发电功率。

(6)所述的吸收式制冷机运行约束表示为

式中，表示吸收式制冷设备制冷功率，表示吸收式制冷机消耗热功率，COP^AC表示吸收式制冷机性能系数，即冷热比，Q^AC,R为吸热制冷设备额定容量。

(7)所述的地源热泵机组供热运行约束表示为

式中，为t时刻第i台地源热泵供热功率；为t时刻第i台地源热泵供热运行

模式；为第i台热泵供热性能系数。

(8)所述的蓄热式电锅炉系统运行约束表示为

式中，为t时刻蓄热式电锅炉系统供热功率；分别为电锅炉和蓄热水箱供热功率；为t时刻第i台电锅炉供能功率，为电锅炉机组供热、供热水、蓄热功率，为第i台电锅炉供能功率上限；为蓄热水箱供能标志，为t时刻第i台电锅炉的启停状态；为电锅炉机组供能标志；ΩB为电锅炉的集合；为t时刻蓄热水箱整体蓄热量，ε^WT为蓄热水箱热损耗率；分别为蓄热水箱供热、供热水功率；W^WT为水箱蓄热量上、下限；蓄热水箱单体供能功率的上限；N^WT为蓄热水箱台数；生活热水循环泵启动台数；单台生活热水循环泵最大供热水功率，N^DWP,MAX表示生活热水循环泵可用的台数，P^DWP,R为其额定耗电功率；为单台空调热水泵最大供热量，分别板式换热器两侧空调热水循环泵、供水循环泵的额定耗电功率；P^B,WP为电锅炉连锁循环水泵额定耗电功率；分别为电锅炉机组、生活热水循环泵和空调热水连锁泵耗电功率。

(9)所述的冷/热/电供需平衡约束表示为

式中，为t时刻系统冷负荷，为t时刻系统热负荷，为t时刻系统电负荷，为分别为t时刻光伏系统输出功率、联络线功率。

(10)所述的购能功率上限约束表示为

式中，为联络线最大允许功率值，P^GT,max为最大允许购气功率值。

3)设定气-电耦合综合能源系统下层运行优化，即运行优化层以运行费用最小为目标函数，考虑设备运行约束、设定比例负荷满足约束和蓄热装置备用约束，建立面向弹性运行的多阶段优化调度模型；其中，

所述的设定气-电耦合综合能源系统下层运行优化(运行优化层)以运行费用最小为目标函数，表示为

式中，NT为一个完整调度周期的调度间隔数，表示t时刻购电价格，表示t时刻购气价格。

所述的面向弹性运行的多阶段优化调度模型，表示为：

(1)储能备用容量滚动计算阶段：根据故障域内系统负荷、光照强度等预测信息，选取每个滚动时段内系统蓄热装置初始值最小为目标函数，考虑设备运行约束和重要负荷满足约束，生成电、气源端分别故障时均能满足系统重要负荷需求的最小储能备用容量值。

储能备用容量滚动计算阶段以每个滚动时域内系统蓄热装置初始值最小为目标函数，表示为：

式中，tS是滚动优化调度的起始时段，分别为tS时刻蓄冷/热水箱、蓄冰槽备用容量。其中type∈{E、G}，分别表示为电力故障、燃气故障。在供冷期，Ω为{WT、IT}；在供暖期，Ω为{WT}。

电力故障时，故障时段联络线功率为零；燃气故障时，故障时段燃气功率为零，见下式：

式中，分别为电力故障、燃气故障持续时间。

此时，重要负荷满足约束为：

式中，R^C、R^C、R^E分别表示冷负荷、热负荷和电负荷最小满足比例。

储能备用容量滚动计算的紧凑形式可写为：

于是对每一个运行时刻，可求得最小储能备用容量值：

式中分别为tS时刻电力故障、燃气故障下所求的储能备用容量。

(2)日前经济调度阶段：根据日前调度周期内光照强度信息、冷负荷和电负荷预测信息和已生成的储能备用信息，选取一个完整调度周期内系统运行费用最小为目标函数，考虑设备运行约束和蓄热装置备用约束，生成系统日前多时段的调度计划。

日前经济调度阶段运行费用最小为优化目标函数，见式(52)。

日前调度应充分考虑储能备用容量、存储能量初始值和末端时刻值对运行调度的影响，故增加蓄热装置运行约束：

式中，为t时刻蓄能装置所蓄能量，Wt^TS,R为t时刻蓄热装置备用容量，分别为蓄热/冷水箱、蓄冰槽初始能量，容量下标后缀F、B分别代表下一个调度日和上一个调度日相关参数。在供冷期，Ω为{WT，IT}；在供暖期，Ω为{WT}。

日前经济调度的紧凑形式可写为：

4)设定气-电耦合综合能源系统上层优化设计即优化配置层以年综合费用最小为目标函数，考虑设备配置容量/台数约束，建立基于遗传算法的寻优模型；

所述的目标函数，表示为：

min F＝C^inv+C^ope (66)

式中，C^inv为系统设备的年度投资费用，C^ope为系统年运行费用；C^CRF指投资成本回收系数，r表示折现率，y表示系统计划运行年限；NT为一个完整调度周期的调度间隔数；表示设备i的初始投资费用；NS为典型场景个数；ps为第S个典型场景的概率；Δt为调度步长。

所述的设备配置容量/台数约束，表示为：

0≤Q^i,R≤Q^i,R,MAX,i∈{HP,WC,DC,B,WT} (70)

0≤Nⁱ≤N^i,MAX,i∈{CHP,AC,IT} (71)

式中，Q^i,R,MAX为连续型设备i最大安装容量，N^i,MAX为离散型设备i最大安装台数，HP、WC、DC、B、WT分别代表地源热泵、常规冷水主机、双工况主机、电锅炉和冷/热水箱，CHP、AC、IT分别表示燃气轮机、吸收式制冷机和蓄冰槽。

所述的基于遗传算法的寻优模型，包括：

(1)原始数据和遗传算法相关参数设定。读取系统中供能设备的物理运行、投资费用、安装台数/容量上下限制等参数；设定遗传算法相关参数，包括最大遗传代数、每代个体数目、选择、交叉、变异率等；

(2)根据输入的系统和遗传算法相关参数生成初始种群P；

(3)调用下层优化调度模型，计算种群中每个个体对应的目标函数值，并根据所选压差(selected pressure，SP)，采用线性排序法计算各个个体的适应度并排序。此时，目标函数最大的个体(最劣个体)对应的适应度为0，目标函数最小(最优个体)的个体对应的适应度为所选压差值；

(4)从当前种群(父代)P中进行选择得到交配种群P2，对交配种群P2进行交叉和变异遗传操作，得到新种群(子代)P3；

(5)对新种群P3的每个个体调用下层优化调度模型，进行目标值的计算、计算适应度并排序。

(6)根据排序结果用新种群取代父代种群的个体进行重插操作，即根据精英原则从种群{P∪P3}中选择N个个体，保留父代中较优个体并遗传到下一代种群中P；

(7)当遗传算法最大进化次数达到设置上限，则进化终止；并对最后一代种群调用下层运行优化模型，计算最优配置和运行方案。

5)进行优化配置层多阶段优化调度模型和运行优化层寻优模型的交互求解并输出求解结果，包括设备配置方案和最优调度计划。

本发明的考虑弹性调度策略的气-电耦合综合能源系统规划方法，基于气电互补运行思想和储能设备的备用响应能力，并通过上层遗传算法和下层多阶段弹性调度策略的迭代寻优，得到系统设计方案和典型日最优调度方案。

对于本实施例，输入电价、燃气价格信息，读取典型日电负荷、冷/热负荷、光照强度值，输入待选设备运行参数、系统调度间隔、重要负荷比例、未满足负荷惩罚费用、电力供应和燃气供应中断时长等变量或参数的初值。本系统中，由外部电网和光伏系统满足电力需求；集中能源站产生空调冷水通过供能管道输送至各个楼宇，通过风机盘管满足供冷需求。系统供能结构如图2所示，设备详细参数见表1。系统调度间隔为1h；峰时电价1.35元/kWh(8:00-11:00，18:00-23:00)，谷时电价0.47元/kWh(00:00-7:00，23:00-00:00)，平时电价0.89元/kWh(7:00-8:00，11:00-18:00)；燃气价格0.4元/kWh；电力、燃气供应中断持续时间分别取为2小时/次、4小时/次；重要电、冷/热负荷分别占实际电力、冷/热需求的70％、80％；未满足电负荷、冷/热负荷惩罚费用分别为100元/kWh、60元/kWh。优化配置层和运行优化层计算流程图见图3、图4。

考虑弹性调度策略的系统规划结果见表2。负荷水平较高的供冷、供暖典型日蓄能装置存储能量与备用能量的关系见表3、表4。是否考虑弹性调度策略的规划方案下典型日系统备用能力见图5。负荷水平较高的供冷典型日发生电力故障时负荷恢复情况见表5。

执行优化计算的计算机硬件环境为Intel(R)Xeon(R)CPU E5-2603，主频为1.60GHz，内存为8GB；软件环境为Windows 10操作系统。

通过表2可以看出，为发挥气、电互为备用的能力和互补协同的经济性优势，系统同时配备了电力驱动设备和燃气驱动设备，同时系统配备了多个蓄能装置，包括蓄冰槽、蓄热/冷水箱，可通过蓄热装置能量备用的方式增强系统应对源端突发故障的适应性。表3、表4可以看出，实际运行时，生成的调度计划中蓄热装置总蓄能量均大于此刻所需的备用容量，保证了系统具有较好的弹性运行能力去应对源端故障的发生。从图5和表5可以看出，相对不考虑弹性调度策略的规划设计方法，考虑弹性调度策略后，所得配置方案具有较好的应对源端故障的备用能力，通过和弹性调度策略的结合，可实现气、电供应故障时重要负荷的可靠供给。

表1系统待选设备运行参数

表2考虑弹性运行策略的优化配置方案

表3供冷期典型日蓄热装置存储能量与最小备用容量

表4供暖期典型日蓄热装置存储能量与最小备用容量

表5电力中断时负荷恢复情况