一种区域综合能源系统统一建模及其在优化中的应用方法与流程

1.本发明涉及能源网络技术领域，特别涉及一种区域综合能源系统统一建模及其在优化中的应用方法。


背景技术：

2.日益突出的能源和环境问题促进了人类能源消费模式的改革。如何提高能源利用效率，减少环境污染，实现能源可持续发展，是当今人们普遍关注的课题。以制冷和电力(cchp)微电网为核心的综合能源系统(ies)实现电网电能、天然气能源和分布式能源的统一调度。在满足各种负荷需求的同时，提高了能源系统的经济效益和环境效益，是未来能源系统发展的重要方向。目前，ies的规划和运行通常以单一区域的cchp系统为研究对象，结合区域负荷特性，进行设备选择和能源管理，实现区域优化。但是，特定区域的负载特性往往相对简单，这在一定程度上限制了ies的优化结果。通过dhcn由多个区域cchp系统互连作为区域ies对冷，热负荷耦合每个区域，充分利用负荷特性之间的区域互补，使cchp的多个区域统一规划，统一设计和协同运行，从而进一步提高能源系统的效率，实现整体最优的目标。关键是建立准确的dhcn模型和多区域ies运行优化模型。
3.在这个阶段，世界各地的学者在研究ies系统时，主要关注经济调度、系统建模和各种规划。例如，当一些学者研究cchp微电网建模和能源管理时，他们对所获得的研究结果进行了总结和分析，并系统地总结了当前研究中存在的问题。一些学者确定了cchp微电网的母线结构，提出了相应的总体结构，并利用该结构构建了当前的经济调度混合整数线性规划模型。一些学者利用矩阵形式建立了cchp系统的输入输出模型，并建立了系统评价模型来确定系统热电组合单元的最优容量。同时，根据热力学定律，推导了电路中的能量的广义传递方程，并基于广义基尔霍夫定律建立了能量网络方程，为能量网络的建模和分析奠定了理论基础。但现有的模型为非线性模型，优化解的过程比较复杂，在工程应用中存在一些困难。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题，在于提供一种区域综合能源系统统一建模及其在优化中的应用方法，基于能量网络方程，将优化操作模型建模为一个线性优化模型，降低优化解的复杂性。
5.为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
6.一种区域综合能源系统统一建模及其在优化中的应用方法，包括：
7.步骤10、选择热水加热系统来建立热网的一般模型，并假设系统内的供给温度和回水温度是固定的；
8.步骤20、将热网的一般模型转化为热网的能量流模型；
9.步骤30、根据热网的能量流模型，对每一个cchp系统建立0-1混合整数线性规划模型，所述0-1混合整数线性规划模型将能量流作为状态变量，通过定义分支、节点和虚拟分
支，将能源存储、综合需求响应和随机可再生能源集成到统一建模中；所述0-1混合整数线性规划模型的决策变量为：cchp中各设备的输出、储能装置的输入输出、电网购电买卖、转换设备的输入、热网中各管段的热能输入输出，通过对决策变量进行求解实现优化。
10.进一步地，在向电网出售电力的情况下，每一所述cchp系统向电网提供多余的电力，并利用热网络来交换热能，供热过剩的区域把热量注入热网，以确保供应不足的区域能够获得供热网所需的能量。
11.进一步地，每一所述cchp系统与热网之间的热能相互作用是双向的，且耦合链路是定向选择性的。
12.本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
13.1、通过引入线性化的能量枢纽来集成区域中的各种组件和能量流关系；基于网络图论，在此基础上选择能量流作为状态变量，定义了分支/节点，建立了一系列矩阵形式的能量网络方程来描述能量变换和耦合；引入虚拟分支的概念，将能源存储、综合需求响应和随机可再生能源集成到统一建模中；基于能量网络方程，可以将优化操作模型建模为一个线性优化模型，与传统的非线性模型相比，降低了优化解的复杂性。
14.2、通过建立供热能量流模型，冷热网冷热区不同部位的有效交换可以供电，工作装置不同部位的统一调度，确保其工作处于最佳状态，有序工作的全部工作；同时，区域冷热水网络将独立的复合特性，根据不同复合材料的互补特性整合在一起，真正实现最佳的能源管理目标，从而提高系统运行的经济性。
15.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
16.下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
17.图1为现有技术中热网能量传递的一般模型；
18.图2为本发明实施例中热网的能量流模型；
19.图3为本发明实施例中多区域ies系统运行优化模型；
20.图4为本发明实施例中0-1混合整数线性规划模型；
21.图5为本发明实施例中方法的总体流程图。
具体实施方式
22.本发明实施例通过提供一种区域综合能源系统统一建模及其在优化中的应用方法，基于热网的能量流模型，选择能量流作为状态变量，将优化操作模型建模为一个线性优化模型，降低优化解的复杂性。
23.本发明实施例中的技术方案，总体思路如下：
24.1、热网络模型
25.在本质上，热网将使用管道和热介质来传递热能和热传导负荷。网络系统将根据工作介质的差异分为两种模式。一方面是指热水系统，另一方面是指蒸汽网络。在本发明中，选择了热水加热系统来建立热网模型，并假设系统内的供给温度和回水温度是固定的。
热网的能量传递路径模型如图1所示，即热网能量传递的一般模型。
26.2、热网能量流模型及温流方程
27.结合热网能量传递的一般模型，可以看出相应的方程是模糊的。因此，很难利用传统的优化算法对基于cchp系统运行优化模型的多区域ies优化模型进行计算和分析。本发明主要研究了相应模型的简化方法，并将热网的一般模型转化为热网的能量流模型和流动温度的基本方程。其中，热网的能量流模型如图2所示，cchp系统运行优化模型与网络流量模型的具体关系发生在火电耦合之间，区域ies运行优化模型可以得到更多的交通温度基本方程，以掌握供电网潮流，两部分属于内容的能量优化；流动温度的基本方程转化为热网潮流，属于热网潮流部分。
28.3、多区域ies系统运行优化模型
29.根据图3所示的模型结构图的分析，整体系统设计包括多个不同区域的cchp系统、电网、热网、气网和水网。在向电网出售电力的情况下，cchp系统可以向电网提供多余的电力，并利用热网络来交换热能。供热过剩的区域将把热量注入热网，以确保供应不足的区域能够获得供热网所需的能量。
30.由于系统与热网之间的热能相互作用是双向的，且耦合链路是定向选择性的，因此可以得到如图4所示的示意图，为0-1混合整数线性规划模型，其决策变量为：cchp中各设备的输出、储能装置的输入输出、电网购电买卖、转换设备的输入、热网中各管段的热能输入输出。
31.目前，该模型已有成熟的求解算法，可以通过cplex、gurobi、lingo等商业软件直接求解。本文采用yalmip+cplex算法进行了仿真分析。
32.本发明实施例提供了一种区域综合能源系统统一建模及其在优化中的应用方法，如图5所示，包括：
33.步骤10、选择热水加热系统来建立热网的一般模型，并假设系统内的供给温度和回水温度是固定的；
34.步骤20、将热网的一般模型转化为热网的能量流模型；
35.步骤30、根据热网的能量流模型，对每一个cchp系统建立0-1混合整数线性规划模型，所述0-1混合整数线性规划模型将能量流作为状态变量，通过定义分支、节点和虚拟分支，将能源存储、综合需求响应和随机可再生能源集成到统一建模中；所述0-1混合整数线性规划模型的决策变量为：cchp中各设备的输出、储能装置的输入输出、电网购电买卖、转换设备的输入、热网中各管段的热能输入输出，通过对决策变量进行求解实现优化。
36.在向电网出售电力的情况下，每一所述cchp系统向电网提供多余的电力，并利用热网络来交换热能，供热过剩的区域把热量注入热网，以确保供应不足的区域能够获得供热网所需的能量。
37.每一所述cchp系统与热网之间的热能相互作用是双向的，且耦合链路是定向选择性的。
38.在本发明一具体的实施方式中，一个地方的综合区域选择直接分为四个子系统，即工业区、办公区、商业区和住宅区，每个分区包含cchp系统，将通过区域热网连接形成区域综合能源系统。其中，居民区电价为0.5283元/(kwh)，商业区和办公区电价可达0.882元/(kwh)，工业区采用tou价格进行分析。从系统热能的优化结果来看，它有两种情况，即he和
热网。当热能为正时，ies表示从热力网络获取热能。当热网功率为负值时，ies会将热能注入热网。在实验运行过程中，居民区所需的热量将从热网中获得，居民区和工业区的复合热能较高，而商业区和办公区的复合热能相对较低。多余的热能将通过热网直接输送到居民区和工业区。这证明了整个系统的功能设计可以协调不同区域内的热能分布，从而提高系统热能的应用效率。
39.一方面，是热网的工作状况。在本文的研究和实验中，共获得了5个官网工作条件，如下表1所示：
40.表1热网中热介质流动工况分析。
[0041][0042]
结合上表中的数据分析，可以看出，
①
、
②
、
④
对应的热介质流体路径属于最小热损失路径。通过对
②
、
③
和
⑤
的比较，可以发现，当商业和办公区向住宅和工业区供电时，
②
、
③
和
⑤
的热损失分别可达到84.82kw、104.64kw和98.96kw。在
③
和
⑤
的热能传递路径中，它是一个非最优路径，在实践中很容易产生弃热。从理论的角度来看，当弃热现象发生时，假设cchp系统仍然使用gt发电，就会产生更高的成本。因此，cchp系统往往会产生较少的热放弃，并且只出现在热网络中。在热网部分，综合考虑了热损失和热网运行成本。热损失的减少意味着热能将通过尽可能少的管道输送，但它会增加热网的运行成本。
[0043]
另一方面，经济研究。从天然气价格的角度来看，如果没有热网络，运营成本与运营成本与天然气价格之间的差异将会发生很大的变化。在转折点的左侧，cg/ce、s将低于gt发电的效率(0.3)，因此gt发电可以获得更多的好处，并处于全负荷运行状态。在转折点的右侧，cg/ce、s将超过gt发电的效率。在此条件下，如果满足，成本差值将达到0.27元/(kwh)的最大值。在最大值的左侧，多个区域之间的负荷耦合将获得显著的经济效益。本质上讲，如果采用合格转移来提高某些区域的合格热电比，并控制其他区域的负荷热电比。在符合热电比高的地区，gt可以产生更多的经济效益，但实际成本差异会随着cg的增加而增大。在最大值的右侧，随着天然气数量的不断增加，gt发电将产生尽可能低的弃热量，成本差也将呈现下降趋势，多个地区的协调发展和经济效益将逐渐下降。结果证明，当cg超过一定的临界值时，冷热系统的工作状态基本相同。
[0044]
通过对燃气轮机热电比的研究，可以看出主要从工商业领域进行比较分析。仅调整工业区或商业区的热功率比，可以发现在负荷热电比过高的工业区和负荷热电比过低的商业区，可以通过逐步增加火电比来控制运行成本。造成这一现象的原因是本文研究的荷热比过高，gt热电彼得增加，只需要很少的气体来满足热整合的基本需求，卖给电网的电量也会减少。可以看出，在单个区域独立运行的条件下，改变热电比对器件热电动员的影响较小。而在多区域协同调度中，某一区域内gt热电比的变化会重新分配所有区域的热负荷，而gt热电比较高的区域会产生更多的热能。
[0045]
本发明通过引入线性化的能量枢纽来集成区域中的各种组件和能量流关系；基于网络图论，在此基础上选择能量流作为状态变量，定义了分支/节点，建立了一系列矩阵形式的能量网络方程来描述能量变换和耦合；引入虚拟分支的概念，将能源存储、综合需求响应和随机可再生能源集成到统一建模中。基于能量网络方程，可以将优化操作模型建模为一个线性优化模型，与传统的非线性模型相比，降低了优化解的复杂性。通过建立供热能量流模型，研究了供热网络运行优化的ies系统，结合实例分析发现，冷热网冷热区不同部位的有效交换可以供电，工作装置不同部位的统一调度，确保其工作处于最佳状态，有序工作的全部工作；同时，区域冷热水网络将独立的复合特性，根据不同复合材料的互补特性整合在一起，真正实现最佳的能源管理目标，从而提高系统运行的经济性。
[0046]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0047]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0048]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0049]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0050]
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。