一种运载系统中能源设备的运行规划方法与流程

本技术涉及能源规划领域，更具体的说，是涉及一种运载系统中能源设备的运行规划方法。

背景技术：

1、随着运载技术的发展，全电动、能源利用多样的运载体越来越受到航运界和学术界的关注。例如豪华邮轮上大多设有电影院、俱乐部、餐厅、酒吧、ktv、游泳池等娱乐设施，是一种对能源利用要求较高的运载工具，也是典型的综合能源系统。综合能源系统包含柴油发电机组、冷热电联供(combined cooling heating and power，cchp)机组、电制冷机、光伏发电设备、储能设备以及岸电装置，以满足运载系统的冷负荷、热负荷和电力负荷。cchp机组中主要涉及燃气轮机、余热回收装置、吸收式制冷机，储能设备主要涉及储电设备(如蓄电池)、储热设备(如蓄热罐)以及储冷设备(如蓄冷槽)。

2、按照能源类别划分，综合能源系统可以包含电力系统、热能系统和冷能系统，三种系统协调配合，能源相互转换，实现多能流系统的互补运行。在该系统中，柴油发电机组作为综合能源系统主要供能设备，可为全船负荷持续提供电能，对系统整体影响最大。冷热电联供机组消耗天然气来满足综合能源系统的电负荷和热负荷需求，同时通过能源转换设备为综合能源系统供冷。太阳能光伏发电作为清洁供能设备可以为综合能源系统提供电能，但其出力具有明显的间歇性与波动性，可以与储能设备进行配合，提高光伏的消纳率，抑制功率波动。

3、然而，多种能源设备接入综合能源系统会降低运行稳定性和可靠性，需要合理配置储能设备以及各类能源系统，以维持系统的能量平衡和功率平衡。基于此，如何对综合能源系统进行能源优化，以提高综合能源系统的能源利用效率，是需要关注的问题。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，提出了本技术以便提供一种运载系统中能源设备的运行规划方法，以提高综合能源系统的能源利用效率。

2、为了实现上述目的，现提出具体方案如下：

3、一种运载系统中能源设备的运行规划方法，包括：

4、根据运载系统中所有能源设备的运行模式，建立综合能源模型，所述综合能源模型包括供电设备模型、供热模型、供冷模型和储能模型，所述供电设备模型包括柴油发电机模型、燃气轮机模型和光伏发电模型，所述供冷模型包括吸收式制冷机模型和电制冷机模型；

5、以所述综合能源模型的总成本作为第一优化目标，以综合能源模型的总运维成本及碳排放量作为第二优化目标，构建所述综合能源模型进行优化的双层目标函数；

6、在约束条件集合下，对所述双层目标函数进行求解，得到所述综合能源模型的最优解；

7、在所述最优解下运行所述运载系统中的所有能源设备。

8、可选的，所述柴油发电机模型的单位油耗函数为：

9、

10、其中，φ(·)为所述柴油发电机模型的单位油耗函数，为类型为n的柴油发电机在第t调度时段下的输出功率，为类型为n的柴油发电机的第一燃料成本系数，为类型为n的柴油发电机的第二燃料成本系数，为类型为n的柴油发电机的第三燃料成本系数，为类型为n的柴油发电机的开关变量；

11、所述柴油发电机模型的年投资成本为：

12、

13、其中，pdg,n为类型为n的柴油发电机的额定功率，μdg,n为类型为n的柴油发电机的单位投资成本，tn为类型为n的柴油发电机的寿命，r为预设折现率，nn为柴油发电机类型集合；

14、所述柴油发电机模型在第t调度时段的维护成本为：

15、

16、其中，λdg,n为类型为n的柴油发电机的单位维护成本；

17、所述柴油发电机模型在第t调度时段的燃料成本为：

18、

19、所述柴油发电机模型在第t调度时段的启停成本为：

20、

21、其中，为类型为n的柴油发电机在第t调度时段的启停状态，为类型为n的柴油发电机在第t-1调度时段的启停状态，为类型为n的柴油发电机的启停成本；

22、所述柴油发电机模型的运行约束条件包括柴油发电机出力上下限约束、柴油发电机爬坡约束和柴油发电机最小开关时间约束；其中，

23、所述柴油发电机出力上下限约束为：

24、

25、其中，为类型为n的柴油发电机的输出功率下限，为类型为n的柴油发电机的输出功率上限；

26、所述柴油发电机爬坡约束为：

27、

28、其中，为类型为n的柴油发电机的爬坡下限，为类型为n的柴油发电机的爬坡上限，δt为调度时段的时长；

29、所述柴油发电机最小开关时间约束为：

30、

31、其中，为类型为n的柴油发电机在第t-1调度时段内的开机时间，为类型为n的柴油发电机在第t-1调度时段内的关机时间，为类型为n的柴油发电机的最小连续启动时间，为类型为n的柴油发电机的最小连续停机时间，为类型为n的柴油发电机在第t-1调度时段中的开关变量。

32、可选的，所述燃气轮机模型的年投资成本为：

33、

34、其中，ηgt为所述燃气轮机模型的单位投资成本，pgt为所述燃气轮机模型的额定电功率，tgt为所述燃气轮机模型的寿命；

35、所述燃气轮机模型在第t调度时段的维护成本为：

36、

37、其中，λgt为所述燃气轮机模型的单位维护成本，为所述燃气轮机模型在第t调度时段的输出功率；

38、所述燃气轮机模型在第t调度时段消耗天然气的燃料成本为：

39、

40、其中，为天然气价格，为所述燃气轮机模型在第t调度时段消耗的天然气量。

41、可选的，所述光伏发电模型的年投资成本为：

42、

43、其中，ppv为所述光伏发电模型的安装容量，μpv为所述光伏发电模型的单位投资成本，tpv所述光伏发电模型的寿命；

44、所述光伏发电模型在第t调度时段的维护成本为：

45、

46、其中，为所述光伏发电模型在第t调度时段的输出功率，λpv为所述光伏发电模型的单位维护成本。

47、可选的，所述供热模型的年投资成本为：

48、

49、其中，ηhb为所述供热模型的单位投资成本，qhb为所述供热模型的额定电功率，thb为所述供热模型的余热回收设备的寿命；

50、所述供热模型在第t调度时段的维护成本为：

51、

52、其中，λhb为所述供热模型的单位维护成本，为所述供热模型在第t调度时段的输出功率。

53、可选的，所述吸收式制冷机模型的年投资成本为：

54、

55、其中，ηac为所述吸收式制冷机模型的单位投资成本，qac为所述吸收式制冷机模型的额定电功率，tac为所述吸收式制冷机模型的寿命；

56、所述吸收式制冷机模型在第t调度时段的维护成本为：

57、

58、其中，λac为所述吸收式制冷机模型的单位维护成本，为所述吸收式制冷机模型在第t调度时段的输出功率。

59、可选的，所述电制冷机模型的年投资成本为：

60、

61、其中，ηec为所述电制冷机模型的单位投资成本，qec为所述电制冷机模型的额定电功率，tec为所述电制冷机模型的寿命；

62、所述电制冷机模型在第t调度时段的维护成本为：

63、

64、其中，λec为所述电制冷机模型的单位维护成本，为所述电制冷机模型在第t调度时段的输出功率。

65、可选的，所述储能模型的年投资成本为：

66、

67、其中，pes,z为所述储能模型中类型为z的蓄能设备的安装容量，μes,z为所述储能模型中类型为z的蓄能设备的单位投资成本，tes,z为所述储能模型中类型为z的蓄能设备的寿命，ees为储电设备，tes为储热设备，ces为储冷设备；

68、所述储能模型在第t调度时段的维护成本为：

69、

70、其中，为所述储能模型中类型为z的蓄能设备在第t调度时段的输出功率，λes,z为所述储能模型中类型为z的蓄能设备的单位维护成本。

71、可选的，所述双层目标函数包括上层规划目标函数和下层运行目标函数；

72、所述上层规划目标函数为：

73、

74、其中，cp为所述综合能源模型的总成本，cin为所述综合能源模型的年投资成本，xd为所述运载系统在一年内航行的天数，nt为调度时段集合，为所述综合能源模型在第t调度时段的维护成本，为所述综合能源模型在第t调度时段的燃料成本，为所述综合能源模型在第t调度时段的机组启停成本，为所述综合能源模型在第t调度时段购电的岸电成本；

75、所述综合能源模型的年投资成本为：

76、

77、其中，cin,cchp为所述综合能源模型的冷热电联供机组的年投资成本；

78、所述综合能源模型在第t调度时段的维护成本为：

79、

80、其中，为所述综合能源模型的冷热电联供机组在第t调度时段的维护成本；

81、所述综合能源模型在第t调度时段的燃料成本为：

82、

83、所述综合能源模型在第t调度时段购电的岸电成本为：

84、

85、其中，ηci为单位岸电价格，为所述综合能源模型在第t调度时段购买的电能；

86、所述下层运行目标函数为：

87、

88、其中，cop为所述综合能源模型的总运维成本，gen为所述综合能源模型的总碳排放量，为所述综合能源模型在第t调度时段内所产生的碳排放量之和，为类型为n的柴油发电机在第t调度时段所产生的碳排放量，为所述燃气轮机模型在第t调度时段所产生的碳排放量；

89、所述类型为n的柴油发电机在第t调度时段所产生的碳排放量，为：

90、

91、其中，为类型为n的柴油发电机的第一碳排放系数，为类型为n的柴油发电机的第二碳排放系数，为类型为n的柴油发电机的第三碳排放系数；

92、所述燃气轮机模型在第t调度时段所产生的碳排放量，为：

93、

94、其中，κgt为所述燃气轮机模型的单位碳排放系数。

95、可选的，所述约束条件集合包括所述柴油发电机模型的运行约束条件、巡航距离约束条件、巡航速度约束条件、电功率平衡约束条件、热功率平衡约束条件、冷功率平衡约束条件、运载体旋转动力不等约束条件以及运载体热功率不等约束条件；其中，

96、所述巡航距离约束条件为：

97、

98、其中，ds为初始港口与待航行至下个港口之间的距离，τm为港口间距离的允许误差，为所述运载系统的当前位置与待航行至下个港口之间的距离；

99、所述巡航速度约束条件为：

100、

101、其中，为所述运载系统的最小航行速度，vt为所述运载系统的当前航行速度，为所述运载系统的最大航行速度；

102、所述电功率平衡约束条件为：

103、

104、其中，为所述储电设备在第t调度时段的放电功率，为所述储电设备在第t调度时段的充电功率，为所述电制冷机模型在第t时段的耗电量，为所述运载系统在第t调度时段的推进负荷，为所述综合能源模型在第t调度时段的生活用电负荷；

105、所述热功率平衡约束条件为：

106、

107、其中，为所述储热设备在第t调度时段的放热功率，为所述储热设备在第t调度时段的储热功率，为所述吸收式制冷机模型在第t调度时段消耗的热功率，为所述综合能源模型在第t调度时段的热负荷；

108、所述冷功率平衡约束条件为：

109、

110、其中，为所述吸收式制冷机模型在第t调度时段的制冷功率，为所述储冷设备在第t调度时段的放冷功率，为所述储冷设备在第t调度时段的蓄冷功率，为所述综合能源模型在第t调度时段的冷负荷；

111、所述运载体旋转动力不等约束条件为：

112、

113、其中，为所述燃气轮机模型的输出功率上限，为所述储电设备的放电功率上限，为预设功率比；

114、所述运载体热功率不等约束条件为：

115、

116、其中，χgt为所述燃气轮机模型的热输出与其功率输出的比值，为所述燃气轮机模型在第t调度时段的放热量，χec为所述电制冷机模型的冷输出与其功率输出的比值，为所述电制冷机模型第t调度时段的输出功率上限，为所述储热设备的输出功率上限，为所述储热设备在第t调度时段的输出功率，为预设热储备比。

117、借由上述技术方案，本技术通过根据运载系统中所有能源设备的运行模式，建立综合能源模型，所述综合能源模型包括供电设备模型、供热模型、供冷模型和储能模型，所述供电设备模型包括柴油发电机模型、燃气轮机模型和光伏发电模型，所述供冷模型包括吸收式制冷机模型和电制冷机模型，进一步的，以所述综合能源模型的总成本作为第一优化目标，以综合能源模型的总运维成本及碳排放量作为第二优化目标，构建所述综合能源模型进行优化的双层目标函数，在约束条件集合下，对所述双层目标函数进行求解，得到所述综合能源模型的最优解，并在所述最优解下运行所述运载系统中的所有能源设备。由此可见，综合能源模型以交直流混合电力系统为核心，以能源转化设备为枢纽，并将总成本、总运维成本和碳排放量作为优化目标进行优化，因此综合能源模型的最优解能够使运载系统提高能源的利用效率、减少燃料消耗并降低运营成本。