一种考虑智能建筑热平衡特性的微电网运行调度方法与流程

本发明涉及一种微电网运行调度方法。特别是涉及一种考虑智能建筑热平衡特性的微电网运行调度方法。
背景技术：
：能源是人类生存和发展的基础，是社会经济发展的源动力。提高能源利用效率、保障能源的有效清洁供应，已成为解决能源供需冲突以及社会发展与环境保护之间矛盾的必然选择。近几年，随着分布式能源技术的不断发展，依托微电网系统实现的分布式供能模式由于其供能的灵活性与可靠性，受到了越来越多的关注，也成为了一种新的分布式供能方式，鉴于微电网系统运行的灵活性，越来越多的分布式能源(例如：分布式发电机、储能系统等)选择从用户侧接入电力系统，为确保能源安全、低碳、缓解能源危机提供了新的途径。然而，但是随着可再生分布式能源的接入，终端用户对系统运行状态的影响越来越大，例如，一些分布式电源选择从低压侧接入配电网，故对电源出力特性进行细化建模的同时，也需要对终端负荷特性进行细致分析，电源出力与终端负荷的匹配性是衡量电源性能以及对电网运行影响的关键因素，另外，分布式光热系统接入后的性能也会受到热负荷曲线的影响。因此，如何实现微电网系统的有效运行调度是目前亟待解决的重要问题。微电网系统内终端用户的用能行为及策略也会对微电网系统的运行调度结果产生一定的影响，一些研究结果表明，通过需求侧响应，可以将自身清洁能源消纳提高2-15％。目前，虽然已有部分研究在对微电网调度运行的研究中考虑了用户需求响应因素的影响，但是未结合具体负荷分析调控策略对用能及交易的影响，未能充分发挥终端需求侧的主观能动性。根据世界及中国相关建筑能源报告中的统计数据，建筑用能在总体能耗中的份额达到了近40％，其中约一半用于满足温控负荷以及暖通系统的用能需求。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是，提供一种有针对性的在满足建筑热舒适度需求的前提下对微电网进行最优运行调度的考虑智能建筑热平衡特性的微电网运行调度方法。本发明所采用的技术方案是：一种考虑智能建筑热平衡特性的微电网运行调度方法，包括建立微电网内智能建筑的室内热平衡模型，其中，产热热源包括：建筑窗外光照辐射产热、建筑室内热源与室内空气热交换功率产热、建筑内采暖设备与室内空气热交换功率产热，散热热源包括：建筑墙体内表面与空气对流换热、建筑内窗体渗透耗热量，建筑内冷风侵入/通风耗热量；建立微电网系统运行调度优化模型，包括：以成本最优作为目标函数、功率平衡约束、储能设备约束和柔性负荷约束。所述的微电网内智能建筑的室内热平衡模型为：式中，q1～q6为不同的产热/散热热源，q1为墙体内表面与空气对流换热；为窗体渗透耗热量，为窗外光照辐射产热；q3为冷风侵入/通风耗热量；q4为单位时间内建筑空气显热量增值；q5为室内热源与室内空气热交换功率产热；q6为采暖设备与室内空气热交换功率产热。(1)所述墙体内表面与空气对流换热q1的公式如下：式中，为房间1、2之间的墙体总数；为房间1、2之间墙体的表面温度；为房间1、2之间墙体的热阻；t2为房间2的温度；(2)所述窗体渗透耗热量的公式如下：式中，cp,air为空气的比热容；ρw为空气密度；l为室外空气渗透量；t∞为环境温度；(3)所述窗外光照辐射产热的公式如下：式中，π1,2为墙体标识系数，其中有窗为1，无窗为0；为窗体渗透率；为窗体体积；为窗体光照强度；(4)所述冷风侵入/通风耗热量q3的公式如下：q3＝0.278cp,airρwv(t)(t2-t∞)(5)式中，v(t)为t时段的通风量，采用换气次数法近似计算；(5)所述单位时间内建筑空气显热量增值q4的公式如下：式中，为房间2的热容；(6)所述室内热源与室内空气热交换功率产热q5的公式如下：q5＝3.8w/m2×sroom(7)式中，sroom为房间的面积；(7)采暖设备与室内空气热交换功率产热q6的公式如下：q6＝mhvac×cp,air×(thvac-t2)(8)式中，thvac为暖通系统的出风温度；mhvac为暖通系统的空气流量。所述的以成本最优作为目标函数表示为：式中，t为调度时段总数；pb,i,g(t)为t时段能源服务商i从外部电网购电的价格；pb,i,g(t)为t时段能源服务商i从外部电网的购电量；为t时段能源服务商i的运行维护成本；ps,i,g(t)为t时段能源服务商i向外部电网卖电的价格；ps,i,g(t)为t时段能源服务商i向外部电网的卖电量；tset(t)为t时段建筑设定的最佳温度；tin(t)为t时段的室内温度；γ为罚因子，视为建筑用户对温度舒适度的敏感程度，定义为用户敏感度系数，单位为元/℃，根据不同的用户敏感性来选择，数值越大，偏离最佳设定温度带来的惩罚将越大；反之带来的惩罚越小。所述的为能源服务商i的运行维护成本是指微电网内储能设备的寿命损耗成本计算公式为：式中，μes为储电系统的调节系数；储能设备的一次性购置费用；n(·)为放电深度函数，采用四阶函数表征循环寿命与放电深度的关系；es(t)为t时段储能设备的电能比例。所述的功率平衡约束，是指考虑储能作用的情况下，保障微电网内的电力供需达到实时平衡，公式如下：式中，pipv(t)为t时段能源服务商i光伏出力；piwt(t)为t时段能源服务商i风机出力；为t时段能源服务商i储能放电功率；pb,i,g(t)为t时段能源服务商i从外部电网的购电量；pihvac(t)为t时段能源服务商i的暖通系统用电需求；po(t)为t时段暖通系统以外设备用电负荷的功率；为t时段能源服务商i储能充电功率；ps,i,g(t)为t时段能源服务商i向外部电网的卖电量；pihvac,f(t)为t时段能源服务商i暖通系统新风风扇的用电需求；pihvac,h(t)为t时段能源服务商i暖通系统运行的用电需求。所述的t时段能源服务商i暖通系统新风风扇的用电需求pihvac,f(t)为：式中，δpeq,hvac为等效总压降；ηhvac,fan、ηhvac,motor分别为风扇和发动机的运行效率，二者的乘积取0.15；所述的t时段能源服务商i暖通系统运行的用电需求pihvac,h(t)为：式中，ccop为热电的能效比；tin为室内温度。所述的储能设备约束，是指储能设备在运行的过程中需要满足设备的充放电功率以及容量约束，表示为：式中，为当前t时段储能设备的容量；分别为能源服务商i的储能设备的最大/最小容量；为当前t时段储能设备的充/放电功率；为能源服务商i的储能设备的最大充/放电功率；为满足下一个调度周期起始时刻能源服务商对储能设备的蓄能和放能要求，储能设备在调度周期起始和结束时刻的储能量需保持一致，即：式中，分别为储能设备在t时段的充电、放电功率；分别为储能设备的充电及放电效率；δt为调度时间间隔。所述的柔性负荷约束即为暖通系统调节约束，在对微电网系统终端柔性负荷进行调度的过程中需要满足暖通系统的送风质量流量与送风温度约束：0≤mhvac≤mhvac,max(17)thvac,min≤thvac≤thvac,max(18)式中，mhvac为暖通系统的空气流量；mhvac,max为暖通系统送风质量流量的最大值；thvac为暖通系统的出风温度；thvac,max、thvac,min分别为暖通系统送风温度的最大值与最小值。在matlab环境中基于yalmip平台，调用商业求解器cplex对微电网内智能建筑的室内热平衡模和微电网系统运行调度优化模型进行求解。本发明的一种考虑智能建筑热平衡特性的微电网运行调度方法，能够以微电网作为研究对象，以智能建筑作为微电网的终端负荷单元，综合考虑智能建筑内暖通系统的运行特性以及建筑内人员对温度的实际需求，结合微电网内的实际设备资源，对微电网进行运行调度分析，进而有针对性的在满足建筑热舒适度需求的前提下对微电网进行最优运行调度，提高微电网运行的经济性。本发明充分利用人体对外界温度的舒适敏感区间，挖掘微网系统内部的可调度用能潜力，从而分析终端用能及需求响应对微电网系统运行调度产生的影，能够为城市微电网的运行调度提供指导，有利于提升城市电网的运行及管理水平，促进城市电网运行调度技术的合理发展。附图说明图1是本发明中微电网内智能建筑的室内热平衡模示意图；图2是本发明实施例的系统架构图；图3a是图2中微网系统1的调度结果图；图3b是图2中微网系统2的调度结果图；图3c是图2中微网系统3的调度结果图；图3d是图2中微网系统4的调度结果图。具体实施方式下面结合实施例和附图对本发明的一种考虑智能建筑热平衡特性的微电网运行调度方法做出详细说明。本发明的一种考虑智能建筑热平衡特性的微电网运行调度方法，包括建立微电网内智能建筑的室内热平衡模型，其中，产热热源包括：建筑窗外光照辐射产热、建筑室内热源与室内空气热交换功率产热、建筑内采暖设备与室内空气热交换功率产热，散热热源包括：建筑墙体内表面与空气对流换热、建筑内窗体渗透耗热量，建筑内冷风侵入/通风耗热量；建立微电网系统运行调度优化模型，包括：以成本最优作为目标函数、功率平衡约束、储能设备约束和柔性负荷约束。然后，在matlab环境中基于yalmip平台，调用商业求解器cplex对微电网内智能建筑的室内热平衡模和微电网系统运行调度优化模型进行求解。(一)在实际的供冷或供暖场景中，智能建筑内部通常被模拟为单一等温的空调区域，通常采用微电网内智能建筑的室内热平衡模型对建筑内的单一制热/制冷区域进行建模型，建筑的微电网内智能建筑的室内热平衡模型由建筑的热阻与热容构成，热阻与热容分别具有传输热与储蓄热的能力。建筑中包括墙体节点与室内空气节点，节点间通过热阻相互连接，并经过热容接地。基于本发明对建筑内部单一等温的假设，建筑整体模型则是由多个类似构造单一区域的聚合而成，并以此为基础，通过建筑暖通系统，调节暖通系统内设备送风温度与送风质量流量，达到对柔性负荷进行集中控制的目的。本发明所构建的微电网内智能建筑的室内热平衡模型如附图1所示。所述的微电网内智能建筑的室内热平衡模型为：式中，q1～q6为不同的产热/散热热源，q1为墙体内表面与空气对流换热；为窗体渗透耗热量，为窗外光照辐射产热；q3为冷风侵入/通风耗热量；q4为单位时间内建筑空气显热量增值；q5为室内热源与室内空气热交换功率产热；q6为采暖设备与室内空气热交换功率产热。其中：(1)所述墙体内表面与空气对流换热q1的公式如下：式中，为房间1、2之间的墙体总数；为房间1、2之间墙体的表面温度；为房间1、2之间墙体的热阻；t2为房间2的温度；(2)所述窗体渗透耗热量的公式如下：式中，cp,air为空气的比热容；ρw为空气密度；l为室外空气渗透量；t∞为环境温度；(3)所述窗外光照辐射产热的公式如下：式中，π1,2为墙体标识系数，其中有窗为1，无窗为0；为窗体渗透率；为窗体体积；为窗体光照强度；(4)所述冷风侵入/通风耗热量q3的公式如下：q3＝0.278cp,airρwv(t)(t2-t∞)(5)式中，v(t)为t时段的通风量，采用换气次数法近似计算；(5)所述单位时间内建筑空气显热量增值q4的公式如下：式中，为房间2的热容；(6)所述室内热源与室内空气热交换功率产热q5的公式如下：q5＝3.8w/m2×sroom(7)式中，sroom为房间的面积；(7)采暖设备与室内空气热交换功率产热q6的公式如下：q6＝mhvac×cp,air×(thvac-t2)(8)式中，thvac为暖通系统的出风温度；mhvac为暖通系统的空气流量。(二)微电网系统运行调度优化模型微电网系统由能源服务商进行统一调度与管理。能源服务商通过优化从外部电网的购能策略、管理所拥有设备的运行状态、柔性负荷的供给情况，实现内部运营的最优化。针对微电网系统内部调度而言，能源服务商以成本最优作为运营优化目标，构成因素包括从外部电网的购能成本、设备机组的运行成本、影响用户温度舒适度的罚函数项以及向外部电网出售电能的收益。本发明罚函数项设定为t时刻室内实际温度tin偏离设定最佳温度tset的函数。(1)所述的以成本最优作为目标函数表示为：式中，t为调度时段总数；pb,i,g(t)为t时段能源服务商i从外部电网购电的价格；pb,i,g(t)为t时段能源服务商i从外部电网的购电量；为t时段能源服务商i的运行维护成本；ps,i,g(t)为t时段能源服务商i向外部电网卖电的价格；ps,i,g(t)为t时段能源服务商i向外部电网的卖电量；tset(t)为t时段建筑设定的最佳温度；tin(t)为t时段的室内温度；γ为罚因子，视为建筑用户对温度舒适度的敏感程度，定义为用户敏感度系数，单位为元/℃，根据不同的用户敏感性来选择，数值越大，偏离最佳设定温度带来的惩罚将越大；反之带来的惩罚越小。所述的为能源服务商i的运行维护成本是指微电网内储能设备的寿命损耗成本计算公式为：式中，μes为储电系统的调节系数；储能设备的一次性购置费用；n(·)为放电深度函数，采用四阶函数表征循环寿命与放电深度的关系；es(t)为t时段储能设备的电能比例。(2)所述的功率平衡约束，是指考虑储能作用的情况下，保障微电网内的电力供需达到实时平衡，公式如下：式中，pipv(t)为t时段能源服务商i光伏出力；piwt(t)为t时段能源服务商i风机出力；为t时段能源服务商i储能放电功率；pb,i,g(t)为t时段能源服务商i从外部电网的购电量；pihvac(t)为t时段能源服务商i的暖通系统用电需求；po(t)为t时段暖通系统以外设备用电负荷的功率；为t时段能源服务商i储能充电功率；ps,i,g(t)为t时段能源服务商i向外部电网的卖电量；pihvac,f(t)为t时段能源服务商i暖通系统新风风扇的用电需求；pihvac,h(t)为t时段能源服务商i暖通系统运行的用电需求。其中：所述的t时段能源服务商i暖通系统新风风扇的用电需求pihvac,f(t)为：式中，δpeq,hvac为等效总压降；ηhvac,fan、ηhvac,motor分别为风扇和发动机的运行效率，二者的乘积取0.15；所述的t时段能源服务商i暖通系统运行的用电需求pihvac,h(t)为：式中，ccop为热电的能效比；tin为室内温度。(3)所述的储能设备约束，是指储能设备在运行的过程中需要满足设备的充放电功率以及容量约束，表示为：式中，为当前t时段储能设备的容量；分别为能源服务商i的储能设备的最大/最小容量；为当前t时段储能设备的充/放电功率；为能源服务商i的储能设备的最大充/放电功率；为满足下一个调度周期起始时刻能源服务商对储能设备的蓄能和放能要求，储能设备在调度周期起始和结束时刻的储能量需保持一致，即：式中，分别为储能设备在t时段的充电、放电功率；分别为储能设备的充电及放电效率；δt为调度时间间隔。(4)本发明所采用的室内热舒适性按照中国发布的《gb/t18049-中等热环境平均热感觉指数和预计不满意者的百分数指数的测定及热舒适条件的规定》，采用预计的平均热感觉指数和预计不满意者的百分数评价热舒适度等级。在供暖季，从节能原则出发，满足舒适的条件下应尽量考虑节能，因此选择偏冷，即-1≤pmv≤0的环境，对应pmv＝0时的温度上限为24℃，所以冬季供暖设计温度范围为18℃～24℃。在供冷季：对于ⅰ级建筑，当室内相对湿度在40％～70％之间，pmv值在0～0.5之间时，经过热舒适区的计算，所得舒适温度的范围为24～26℃，同理对于ⅱ级建筑，经过热舒适区的计算，所得舒适温度的范围为27～28℃。所述的柔性负荷约束即为暖通系统调节约束，在对微电网系统终端柔性负荷进行调度的过程中需要满足暖通系统的送风质量流量与送风温度约束：0≤mhvac≤mhvac,max(17)thvac,min≤thvac≤thvac,max(18)式中，mhvac为暖通系统的空气流量；mhvac,max为暖通系统送风质量流量的最大值；thvac为暖通系统的出风温度；thvac,max、thvac,min分别为暖通系统送风温度的最大值与最小值。下面给出具体实例：(1)实施地基本概况本发明采用改进的标准33节点配电系统作为主体系统结构，其中部分节点接有包含智能建筑、分布式电源及储能设备的微电网系统，具体架构如图2所示。不同微网系统内的建筑类型、建筑信息以及设备的配置情况如表1所示。表1算例中备选能源生产/转换设备类型及参数微电网系统内的建筑均为独栋建筑，对于同一微电网系统内的不同建筑，能源服务商会根据建筑的供热等级采取相同的暖通控制策略。建筑及暖通系统的相关参数分别如表2及表3所示。微电网系统内设备的相关参数如表4所示，其中，储能设备的初始容量选取为总容量的50％，最大充放电功率为设备容量的20％。表2建筑参数表3暖通系统参数参数名称参数值ρw(kg/m3)1.29cp,air(j/(kg·℃)1005ccop3pstatic(pa)135mhvac,max(kg/s)0.5thvac,max/thvac,min(℃)20/30表4设备参数(2)运行调度结果分析基于算例设置，本发明对多微电网系统的日前调度运行结果进行分析，其中，调度时间步长δt＝1h。不同微电网系统内部的调度结果如图3a～图3d所示。通过调度结果可知，由于风机和光伏在本发明中属于不计成本的清洁能源，因此能源服务商会尽可能地多使用清洁能源来满足用户的用电需求，以减少微电网系统的外购电成本。本发明具体对微电网1与微电网3两个具有储能设备的微电网系统进行分析，相比较于不含有储能设备的微电网系统，储能设备能够配合建筑的虚拟储能特性进一步提高微电网系统运行的灵活性。对于微电网1，在能量调度方面，光伏在11:00～14:00的出力较大，在这一时段内，微电网系统能够做到自给自足，并且还有多余的电力可供交易，而在其他时刻，由于光伏出力不足，微电网系统不得不通过从外部购电来满足自身的用电需求。储能设备会在16:00～20:00等电价较高的时刻选择放电以满足部分用电负荷需求，同时降低外购电成本；会在分布式电源出力较高或外部电价较低的时刻选择充电以保障后续的有效调度。在暖通设备运行方面，由于微电网1内的建筑均为ii级建筑，因此暖通系统会以节约用电做为主要运行目标，在1:00～5:00时间段内，由于用户处于休息状态，因此，暖通系统会选择将温度维持在一个较低的水平以节约用电；在6:00～7:00时间段内，由于临近工作时间，且购电电价较低，因此，暖通系统会选择通过增加出力来提高室内温度；在8:00～9:00时间段内，由于购电成本升高，暖通系统会适当减小出力，室内温度有所下降，然而，由于建筑的虚拟储能特性，室内温度仍能够满足温度约束条件；在10:00～12:00时间段内，随着室外温度的升高，阳光辐射的增强以及人体、机器散热等室内热源的辅助作用，室内温度不断升高并达到一天内的最高温度，此时暖通系统会减小出力以节约用电成本；在13:00～16:00时间段内，随着室外温度的降低，室内温度也会逐步降低，然而，由于建筑的虚拟储能特性，此时室内的温度仍能够满足约束条件，暖通系统仍可以通过降低出力节约电能使用；在17:00～24:00时间段内，暖通系统会逐渐增加出力以保证室内的温度满足约束条件，然而，由于用户逐渐进入休息状态，因此，从节能的角度考虑，暖通系统会将室内温度维持在较低水平。由于微电网系统均是以运行经济性最优作为调度目标，因此微电网3与微电网1的运行调度策略类似，然而，由于微电网系统内的建筑均为i级建筑，对室内温度的要求相对较高，因此，暖通系统始终需要将室内温度维持在较高的水平，相比较于微电网1，暖通系统消耗的电能较多。当前第1页12