考虑熔盐储热灵活性的楼宇综合能源系统容量优化方法

本发明属于能源系统容量优化，涉及一种综合能源模式下考虑熔盐储热灵活性的楼宇综合能源系统容量优化方法。

背景技术：

1、楼宇综合能源系统与用户侧联系紧密，具有能量密度高、能源需求频繁、能源需求形式多样化的特点，但依据传统的能量枢纽机组组合形式，难以深入优化能量供需关系，存在着能源利用率低、经济性差、不利于低碳环保等问题，极大地影响了楼宇综合能源系统规划运行整体的经济和环境效益。目前，实现多能系统耦合利用同时借助能源枢纽各设备对原系统进行灵活性改造的楼宇综合能源系统已成为能源行业发展和变革的方向之一。基于多能互补的楼宇综合能源系统作为区域综合能源系统落地的主要形式，可有效提升园区级经济和环境效益。

2、楼宇综合能源系统优化策略的研究，在能源供应侧涉及两个维度:一是满足多能耦合时能量的灵活转换，楼宇综合能源系统在源侧涉及多种供能装置，如何合理配置并调度各机组数量时刻影响着规划运行的经济性。二是尽可能实现能量的梯级利用，在系统运行中考虑能源梯级利用，还能进一步挖掘用户侧响应潜力。对于楼宇综合能源系统，比如商业中心、住宅区以及写字楼等场合，其中系统源侧能源枢纽涉及到多种能源设备，如热泵(heat pump,hp)、光伏(photovoltaic,pv)、热电联产机组(combined heat and power,chp)、燃气锅炉(gas boils,gb)、吸收式制冷机(absorption chiller,ac)。如果在能源枢纽的运行中忽略对设备供能灵活性的提升，不但会降低能量利用效率，而且会增加能源枢纽的运行成本。

3、熔盐储能系统具有适用范围广、绿色环保、安全性高、寿命长、占地面积小等优点。目前针对熔盐储热的研究已经相对成熟，利用熔盐储热升降负荷时损失较低，同时具备调频和调峰功能，还能提高下游工业供汽的稳定性、替代热电联产机组的启动锅炉，在极端条件下，也可以实现电厂零上网。

技术实现思路

1、针对现有楼宇综合能源系统运行成本高且能源利用率不够高的技术问题，本发明提供一种考虑熔盐储热灵活性的楼宇综合能源系统容量优化方法。本发明为楼宇综合能源系统型设备优化配置提供了新的可行性方法，该方法考虑利用灵活性熔盐储热并结合光伏发电，精简能量的储存形式，实现能源枢纽在能量调度阶段热电解耦，并且结合能量的梯级利用，不仅充分消纳可再生能源，还可进一步降低整体楼宇综合能源的配置成本。

2、为实现上述发明目的，本发明针对现有以热泵(heat pump,hp)、光伏(photovoltaic,pv)、热电联产机组(combined heat and power,chp)、燃气锅炉(gasboils,gb)、吸收式制冷机(absorption chiller,ac)为设备组成的楼宇综合能源系统能量枢纽，采用如下的技术方案：考虑熔盐储热灵活性的楼宇综合能源系统容量优化方法，其包括：

3、步骤一，获取楼宇综合能源系统历史负荷数据，对刚性电热基类负荷、室温调节负荷和光照辐射强度曲线轮廓进行预测，并用聚类算法得到夏季供能季和冬季供能季的负荷情况以及室温调节负荷和太阳辐射强度曲线；

4、步骤二，在原系统能量枢纽设备中增加熔盐储热，并建立源侧熔盐储热模型，通过熔盐储热的充放，实现光伏发电的有效消纳以及热电机组的热电解耦；

5、步骤三，构建楼宇综合能源系统优化配置模型，模型以总成本最小为目标函数，约束条件满足实际运行安全要求，所述的总成本为能源枢纽各设备的投资成本、系统购气、系统购电成本以及弃光惩罚成本之和；

6、步骤四：将建立的楼宇综合能源系统优化配置模型转化为混合整数线性规划模型，利用python、pyomo建模语言和gurobi求解器进行求解，其优化结果为楼宇综合能源系统中各设备的最优安装容量以及运行阶段最优调度模式，并输出各项成本费用。

7、进一步地，步骤二中建立源侧熔盐储热模型具体方法如下：

8、熔盐储热主要与楼宇综合能源系统能量枢纽源侧光伏、热电联产机组和燃气锅炉耦合连接，整体的交互过程体现为在配置一定容量的熔盐储热后，熔盐储热运行时利用热电联产机组的蒸汽或者电能为熔盐加热，再从热电联产机组引出水源进行吸热产生蒸汽之后外供或者发电，因此，源侧熔盐储热模型主要体现其参与楼宇综合能源系统功率平衡时供热阶段和放热阶段的运行过程。供热阶段，熔盐储热系统使用机组发电或者机组蒸汽作为能量输入来源，将来自低温罐的熔盐加热之后存储到高温罐当中，其模型如下式所示：

9、

10、式中：为s供能季t时刻储热系统的储热功率；定义为s供能季t时刻熔盐储热系统蒸汽储热功率；为s供能季t时刻下采用光伏发电电解熔盐储能的功率，具体表示为：

11、

12、式中：为s供能季t时刻下光伏用以电解熔盐储能的功率；ηetq为相应的电解熔盐储热转换效率。

13、熔盐储热系统采用蒸汽加热器吸收热电机组余热投入使用时，相应的蒸汽加热功率为：

14、

15、式中：为s供能季t时刻下热电联产机组具体投入到蒸汽加热熔盐储热的功率；ηctq为相应的蒸汽加热效率。

16、放热阶段熔盐储热放热利用热熔盐泵将高温罐中的热盐驱动进入盐-水换热器系统，释放热量之后返回到低温罐，其s供能季t时刻的放热功率为：

17、

18、式中：为s供能季t时刻下辅助chp发电的功率为；为s供能季t时刻直接供给刚性热负荷的功率。

19、熔盐储热的充放能功率与自身容量有关且需满足不能同时充放，为保证运行阶段调度的连续性，给定熔盐储热系统调度的每日结束时刻t状态es,t与初始时刻状态es,1一致，储能设备运行如下式所示：

20、

21、emin≤es,t≤emax

22、es,1＝es,t

23、

24、

25、式中：es,t+1为s供能季下储能设备t+1时刻存储的能量；σ为储能自衰减系数；ηchar和ηrelea为储能的充、放电效率；δt表示时间间隔；es,t表示s供能季下储能设备t时刻存储的能量；emin和emax分别为储能设备最小和最大储存能量要求；和分别为储能设备充能和放能倍率。

26、进一步地，步骤三中构建的楼宇综合能源系统能源优化配置模型的目标函数表达式为：

27、minc＝cinv+cfuel+celec+cpv

28、式中，c为总成本，cinv为能源枢纽各设备投资成本；cfuel为系统购气成本；celec为系统购电成本；cpv为弃光惩罚成本。

29、更进一步地，能源枢纽各设备投资成本的计算公式为：

30、

31、dev∈{pv,chp,gb,ac,hp,tes}

32、式中，dev为设备种类，pv、chp、gb、ac、hp、tes分别表示光伏、热电联产机组、燃气锅炉、吸收式制冷机、热泵和熔盐储热。设备区分为连续设备和离散设备，连续设备包括pv和tes；离散设备为chp、gb、ac和hp，并且离散设备按具体型号对应的容量进行配置；ndev表示各设备对应的配置容量；wdev为单位数量的dev投资成本；ydev为第dev类设备的全寿命周期；ro为贴现率；

33、系统购气成本的计算公式如下：

34、热电联产机组运行需要从上级气网购气，以保证系统能量正常供应；

35、

36、式中：s为供能季类型；为供能季s时段t时刻的天然气价格；和分别为供能季s时段热电联产机组和燃气锅炉消耗的天然气量；θs为供能季时长；tn为调度期总时长；

37、系统购电成本的计算公式如下：

38、当分布式能源系统产电不足以供给区域消耗时，需要向电网买电，该项成本为：

39、

40、式中，供能季s下是时段t时刻的电价；为供能季s下时段t系统向电网购电的功率；

41、弃光惩罚成本的计算公式如下：

42、

43、式中，ξpv为单位功率弃光惩罚成本；分别为供能季s下时段t光伏的弃光功率。

44、进一步地，步骤三中，所述的约束条件包括能源枢纽各设备安装面积约束、热泵运行约束和楼宇综合能源系统运行约束。

45、更进一步地，所述的能源枢纽各设备安装面积约束如下：

46、ndev,min≤ndev≤ndev,max

47、式中，ndev,min和ndev,max为分布式能源系统dev设备所能安装的最小容量和最大容量；ndev表示各设备对应的配置容量。

48、所述的热泵运行约束如下：

49、

50、

51、

52、

53、式中：和分别为s供能季下t时刻热泵运行消耗的电功率、总共产生的热功率、用于满足刚性热负荷的热功率、用户室温调节的热功率以及用于室温调节的冷功率；和为热泵热出力和冷出力的控制量，设为二进制变量；和分别为热泵的制热和制冷的能量转换效率。

54、更进一步地，所述的楼宇综合能源系统运行约束包含chp机组约束、燃气锅炉机组约束、吸收式制冷机约束、光伏约束、功率平衡约束和设备运行约束，具体如下：

55、假设chp运行效率在运行区间内保持不变，其输入-输出函数关系如式所示：

56、

57、

58、式中：和分别为chp在s供能季下t时刻的输出电功率、天然气消耗速率和输出热功率；ηe、ηh分别为chp的发电效率和热回收效率；λgas为天然气的热值。

59、燃气锅炉以天然气作为输入能源，输出热能供给用户，其输入-输出函数关系为：

60、

61、式中，为燃气锅炉在s供能季下t时刻的输出热功率和燃气消耗速率，ηgb为燃气锅炉工作效率；

62、吸收式制冷机将余热锅炉或燃气锅炉产生的热能转化为供冷用户所需的冷能，其输入-输出函数关系为：

63、

64、式中：和分别为吸收式制冷机的输出冷功率和吸收热功率，ηac为吸收式制冷机的工作效率。

65、能源枢纽中光伏在运行时满足：

66、

67、式中，为s供能季下t时刻光伏实际输出电功率，为s供能季下t时刻光伏弃光功率；供能季下t时刻光伏实际可用功率。

68、所述的功率平衡约束如下：

69、

70、

71、

72、

73、式中，和分别为s供能季下t时刻的刚性电负荷、刚性热负荷、室温调节热负荷和冷负荷；为供能季s下时段t系统向电网购电的功率；表示s供能季下t时刻电储能放电功率。

74、所述的设备运行约束如下：

75、设备的出力不能超过其允许的上下限：

76、

77、式中，和分别为设备的最小输出比例和最大输出比例；wsdev为设备的额定输出量。

78、本发明具有的有益效果如下：

79、本发明对于城市分布式能源系统的分析，充分考虑到了利用熔盐储热来实现源侧热电解耦，增加热电联产机组调峰能力，同时对光伏发电进行更有效的消纳，构建了源侧更灵活精简的能源枢纽模型，然后以总成本最小化为优化目标，通过在运行成本在最小值时调整城市综合能源系统各设备的容量配置，从而能够确保楼宇综合能源系统低成本运行，而且能够降低系统碳排放。