一种考虑时间关联特性的综合能源枢纽灵活域评估方法

本发明涉及了一种综合能源枢纽灵活域评估方法，具体涉及一种考虑时间关联特性的综合能源枢纽灵活域评估方法。

背景技术：

1、不同能源载体之间的相互作用可有效提高能源效率，减少碳排放。作为多能源用户的典型形式，由燃气锅炉、储能设备等组成的综合能源枢纽已被广泛引入，以满足终端负荷的多能源需求(如工业制造和商业建筑)。综合能源枢纽可以调整不同时期的能源消耗，实现不同能源载体的能源替代。在不牺牲终端负荷用能需求的情况下调整多能源输入的能力被定义为综合能源枢纽的运行灵活性。通过多能源协调，综合能源枢纽可以为能源系统提供灵活调节资源，有利于能源系统的安全可靠运行。

2、综合能源枢纽的灵活域评估是能源系统利用其灵活资源的基础。在传统灵活域评估的过程中，主要研究了独立时间间隔的灵活域，决策变量只与当前系统状态有关，模拟了综合能源枢纽的静态运行特性。然而，除静态约束以外，综合能源枢纽的灵活域还会受到储能设备的充电/放电特征的影响，因此综合能源枢纽的灵活域具有时间关联特征。考虑到时间耦合和多能源相互作用，采用传统方法难以评估不同时间间隔的综合能源枢纽灵活域。因此，亟需提出新的综合能源枢纽灵活域评估方法，以有效考虑综合能源枢纽的时间关联特性，使得能源系统充分挖掘综合能源枢纽的灵活资源并安全经济低碳运行。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供一种考虑时间关联特性的综合能源枢纽灵活域评估方法。本发明方法通过对考虑时间关联特性的综合能源枢纽灵活域进行表征，可指导综合能源枢纽调度中心向综合能源系统调度中心提供灵活资源，可提升综合能源系统调度中心对综合能源枢纽的灵活资源的利用水平，提升系统的安全性，充分发挥多能替代，有利于节能减碳。

2、本发明采用的技术方案是：

3、本发明综合能源枢纽灵活域评估方法包括如下步骤：

4、步骤1)建立考虑能源设备运行约束的综合能源枢纽的多能流模型，将效率参数矩阵输入多能流模型中，多能流模型输出连接关系参数矩阵。

5、步骤2)建立综合能源枢纽的灵活域模型，将连接关系参数矩阵输入灵活域模型中，灵活域模型输出综合能源枢纽的时间无关灵活域和时间耦合灵活域。

6、步骤3)根据时间无关灵活域和时间耦合灵活域，采用射线投影方法获取灵活域信息，即获取综合能源枢纽的电力输入和天然气输入的可调范围，实现综合能源枢纽灵活域的评估。

7、所述的步骤1)中，综合能源枢纽包括燃气锅炉、电储能设备、电热泵和热电联产机组，综合能源枢纽和综合能源系统以及终端能源负荷连接，综合能源系统提供电力和天然气能源，并通过综合能源枢纽为终端能源负荷提供热力、电力和天然气能源。

8、燃气锅炉是一种通过消耗天然气来产热的装置；电储能设备是指能将电力储存的装置；电热泵是消耗电能实现热能从低温到高温传递的装置；热电联产机组使用天然气作为燃料产生电力和热能的装置。基于综合能源系统提供的电力和天然气，满足终端能源负荷侧用户的电力、天然气、热等能源需求。

9、所述的步骤1)中，建立的考虑能源设备运行约束的综合能源枢纽的多能流模型，具体如下：

10、[gleh,pleh]t＝ax

11、bx＝[htl,gtl,ptl]t

12、其中，pleh和gleh分别表示从综合能源系统到综合能源枢纽的电力和天然气输入；a表示综合能源枢纽的效率参数矩阵；x表示综合能源枢纽的决策变量；b表示综合能源枢纽的连接关系参数矩阵；htl、ptl和gtl分别表示从综合能源枢纽到终端能源负荷的热力、电力和天然气输出。

13、所述的综合能源枢纽的决策变量x具体如下：

14、

15、其中，hgb、hehp和hchp分别表示综合能源枢纽中燃气锅炉、电热泵和热电联产机组的热功率输出集合；pchp和pes分别表示综合能源枢纽中热电联产机组和电储能设备的电功率输出集合；pn和gn分别表示终端能源负荷的电力负荷和天然气负荷；ees表示电储能设备的荷电状态集合。

16、所述的综合能源枢纽的效率参数矩阵a具体如下：

17、

18、其中，ηgb和ηehp分别表示燃气锅炉和电热泵的转换效率；和分别表示热电联产机组的热能和电能输出效率。

19、第一行中的元素表示决策变量与综合能源枢纽的电力输入之间的关系。第二行中的元素表示决策变量和天然气输入之间的关系。

20、所述的综合能源枢纽的连接关系参数矩阵b具体如下：

21、

22、其中，连接关系参数矩阵b中的元素1表示综合能源枢纽中的不同装置之间存在连接关系，元素0表示综合能源枢纽中的不同装置之间无连接关系。

23、连接关系参数矩阵b中的不同行描述了决策变量和综合能源枢纽的多个能量输出之间的关系。

24、所述的能源设备运行约束具体如下：

25、ees,t＝ees,t-1-pes,t-1δt

26、

27、0≤hgb≤hgb,max

28、0≤hehp≤hehp,max

29、

30、其中，ees,t和ees,t-1分别表示电储能设备在t时刻和t-1时刻的荷电状态集合；pes,t-1表示电储能设备在t-1时刻的充放电率集合；δt表示时间间隔；ees,min和ees,max分别表示电储能设备的最小和最大荷电状态集合；pecs,max表示电储能设备的最大充放电率集合；hgb,max、hehp,max和hchp,max分别表示燃气锅炉、热电联产机组和热电联产机组的最大热功率输出集合；pchp,min和pchp,max分别表示热电联产机组的最小和最大电功率输出集合。

31、能源设备运行约束为考虑到时间特征的不同能源设备的运行约束，综合能源枢纽中的一些设备的运行状态不仅受到当前时间状态的约束，还会受到其他时间运行状态的约束，如电储能。综合能源枢纽中的没有时间耦合约束的能源设备包括如燃气锅炉、电热泵和热电联产机组。

32、多能流模型的紧凑形式可以表示为：

33、vαxt≤vβxt-1+u

34、

35、

36、其中，vα和vβ分别表示第一和第二常数矩阵；xt和xt-1分别表示t时刻和t-1时刻的决策变量；u表示参数向量；i8×8和08×8分别表示的8乘8的单位矩阵和0矩阵；λα和λβ分别表示第一和第二常数矩阵；xmax和xmin分别表示决策变量的最大值和最小值；ees,max和ees,min分别表示电储能设备的最大和最小荷电状态。

37、将多能流划分为两部分，即时间无关部分和时间耦合部分，具体如下：

38、

39、其中，gleh和pleh分别表示综合能源枢纽的天然气输入和电力输入；a1是通过将时间耦合变量的列置零，a2是通过将时间无关变量的列置零，a1和a2均从a中通过矩阵变换方法计算出来。

40、所述的步骤2)中，建立的综合能源枢纽的灵活域模型具体如下：

41、

42、

43、

44、其中，ψ1表示综合能源枢纽的时间无关灵活域；表示闵可夫斯基求和；ψ2表示综合能源枢纽的时间耦合灵活域；vα,1表示时间无关灵活域ψ1的常数矩阵；u1表示时间无关灵活域ψ1的参数矩阵；gleh,1和pleh,1分别表示综合能源枢纽中时间无关灵活域ψ1的天然气输入和电力输入；a1表示时间无关向量；gleh,2和pleh,2分别表示时间耦合灵活域ψ2的天然气输入和电力输入；a2表示时间有关向量。

45、ψ1是以天然气输入和电力输入为轴的二维区域，与综合能源枢纽的多能源替代密切相关。ψ1中的能量流约束只保留了与时间无关的约束，由vα，1和u1表示。ψ2可以表征为与电力输入相对应的一维区间，与储能的充电/放电特征有关。关于时间耦合灵活域ψ2，其时间耦合约束是指储能约束。因此，我们可以将ψ2重新表述为一个储能系统模型。pes,t是由能源系统调度中心决定的调度指令的一部分，综合能源枢纽只需要提交容量限制(ees,min,ees,max)和最大充放电比例pecs,max，这些都是每个时间段的常数。pes,t和ees,t分别代表t时刻的电力输入和储能设备水平的向量。

46、与时间无关的灵活域ψ1是一个高维多面体，对能量输入向量的投影是一个二维多边形θ，其可代表综合能源枢纽与时间无关的灵活性，具体如下：

47、

48、综合能源枢纽的灵活性可以表示为两个多面体的聚合，即能源系统调度中心可以获得有关灵活域的信息ψ，用于调度和风险管理等。灵活域模型具体可表示如下：

49、

50、上述公式表示一个高维多面体，其中电能存在时间耦合约束，这可能使综合能源枢纽在不同时间间隔的运行灵活性相互影响。基于t-1的状态，综合能源枢纽调度中心来评估综合能源枢纽在时间t的灵活性，而综合能源枢纽的运行状态是由能源系统调度中心在能源系统层面调度的。综合能源枢纽在一天中不同时间的灵活性评估和运行调度是一个滚动过程。

51、综合能源枢纽调度中心是指负责综合能源枢纽运行的机构，可对综合能源枢纽内部设备的运行状态进行调整。综合能源枢纽运行的灵活性主要是指从电-气耦合系统输入到综合能源枢纽的能量的调节能力，它受制于综合能源枢纽中的设备(如热电联产机组)的运行限制和终端负荷的能源需求。由于能源输入包含两种形式，即电力和燃气，因此灵活域被描述为一个二维空间。综合能源枢纽的电力和天然气输入可以在这个区域内进行调节，这可以为电-气耦合系统提供灵活资源。灵活域是指综合能源枢纽的电力输入和天然气输入的可调范围，可表示为以电力输入为横坐标、天然气输入为纵坐标的二维区域。电-气耦合系统调度中心是指负责综合能源枢纽实际调度运行的机构，可以调整综合能源枢纽中各个装置的运行状态。

52、所述的时间无关灵活域ψ1的常数矩阵vα,1具体如下：

53、vα,1＝[i8×8 -i8×8 λα,1 -λα,1]t

54、λα,1＝[0 0 0 0 0 0 0 1]

55、其中，i8×8表示8乘8的单位矩阵；λα,1表示时间无关灵活域ψ1下的常数矩阵。

56、所述的时间无关灵活域ψ1的参数矩阵u1具体如下：

57、

58、其中，xmax和xmin分别表示决策变量的最大值和最小值；ees,max和ees,min分别表示电储能设备的最大和最小荷电状态。

59、所述的步骤3)中，根据时间无关灵活域和时间耦合灵活域，采用射线投影方法获取灵活域信息μex，具体为使用射线投射方法来搜索时间无关灵活域ψ1内的参考点，以时间无关灵活域ψ1内任何一个点为起点，投射射线延该点右侧绘制并延伸到无限远，计算投射射线与时间无关灵活域ψ1边缘相交的次数，若相交次数为奇数，则确定起点位于灵活域内并作为参考点；根据确定的参考点从数学上获取时间无关灵活域ψ1的最终边界。

60、灵活域信息μex具体如下：

61、

62、其中，表示时间无关灵活域ψ1内参考点和投影点之间的线段ab的外向法向量；和分别表示采用射线投影方法获取的投影点的横纵坐标。

63、时间无关灵活域ψ1的最终边界的某一条边上的投影点可以通过做垂直线来找。与时间无关灵活域ψ1，可以被描述为一个凸形的多边形，它限制了区域内的天然气和电力输入。关于与时间有关的灵活域ψ2，它由一组线性方程表示，对应于储能设备的充电/放电约束。

64、所述的时间无关灵活域ψ1内参考点和投影点之间的线段ab的外向法向量具体如下：

65、

66、

67、其中，和分别表示时间无关灵活域ψ1内的参考点r的横纵坐标。

68、本发明的有益效果是：

69、本发明的方法为在多能耦合下实现综合能源枢纽灵活域评估的新方法，克服以往评估方法只考虑了独立时间间隔的不足；本发明方法基于可获取考虑时间关联特征的综合能源枢纽灵活域，可提升综合能源调度中心对能源枢纽的灵活资源的利用水平，提升系统的安全性，充分发挥多能替代，有利于节能减碳。