一种多能互补园区响应电力系统削峰需求的计算方法与流程

本发明涉及一种多能互补园区响应电力系统削峰需求的计算方法，属于综合能源系统的运行控制技术领域。

背景技术：

随着社会经济的不断发展和人民生活水平的提高，电负荷逐年上升，与此同时电力峰谷差也日益增大。以往的电力系统中，电力设备以满足最大电负荷为目标进行配置，此种方案导致电力设备在电力低谷阶段运行效率较低，造成资源的浪费。此外，日益增大的电力峰谷差也使得电力系统安全、稳定运行面临严峻挑战。如何有效发掘能源系统中的灵活性资源来实现电力削峰是亟待研究的技术问题。

多能互补园区内的能源需求类型包括电力、供热和供冷。园区可利用冷热电三联供机组(cchp)、光伏、储能、直燃机、燃气锅炉、电锅炉、电制冷机组等设备满足园区全部的供冷、供热需求和部分电力需求，并通过联络线与电力系统交换电力。冷热电三联供机组(cchp)、电锅炉、电制冷机组等设备是能量耦合设备，通过合理安排这些能量耦合设备的出力，可以改变园区联络线功率。此外，通过控制蓄电池的充/放电时间和充/放电功率，也可以改变联络线功率。由此说明，多能互补园区可以作为灵活性资源响应电力系统的削峰需求，通过合理利用多能互补园区能源设备降低电力系统调峰成本。例如专利申请号为201910359105.9、发明名称为“一种基于电网调峰需求的多能互补园区需求响应方法”的中国专利申请，提出了园区内分布式电源系统、可中断负荷等设备响应电网削峰需求的方法。但该方法未考虑多能互补园区中多种能量转换设备的调节能力，例如热电联产机组和电锅炉等，且该方法按照优先级调控园区内设备，并未考虑成本最优及各种耦合约束，且没有计算调节成本，因此该方法不能保证多能互补园区对电网削峰需求的最佳响应。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种多能互补园区响应电力系统削峰需求的计算方法，旨在解决已有技术中存在的问题，计算出多能互补园区可响应的不同削峰需求比例下，联络线功率计划曲线、多能互补园区内部的能源设备运行计划和最小调节成本。通过合理安排热电联产机组、燃气锅炉、吸收式制冷机、电热锅炉和电制冷机能源设备的出力，以及合理控制蓄电池的充/放电时间和充/放电功率，可以改变多能互补园区联络线功率,从而将多能互补园区作为灵活性资源，响应电力系统的削峰需求。

本发明提出的多能互补园区响应电力系统削峰需求的计算方法，包括以下步骤：

(1)设定多能互补园区中的能源设备包含发电机、热电联产机组、燃气锅炉、吸收式制冷机组、电锅炉、电制冷机和蓄电池，该多能互补园区与电力系统通过联络线相连，建立一个第一优化模型，第一优化模型用于计算多能互补园区向电力系统上报的联络线功率基线，作为电力系统日前调度的功率基线，第一优化模型以不加调控时多能互补园区自身总运行成本c0最小为目标，第一优化模型的目标函数为使c0为最小：

其中，x为该第一优化模型中所有待求解变量构成的列向量，即：

其中，为第ig台发电机在调度时刻t发出的有功功率；和分别为第ichp台热电联产机组在调度时刻t的有功功率和供热功率；为第igb台燃气锅炉在调度时刻t的供热功率；为第iac台吸收式制冷机组在调度时刻t的供冷功率；和分别为第ieb台电锅炉在调度时刻t的耗电功率和供热功率；和分别为第iec台电制冷机在调度时刻t的耗电功率和供冷功率；和分别为第ies台蓄电池在调度时刻t的充电功率和放电功率；为第ies台蓄电池在调度时刻t的充电状态的0-1变量，代表蓄电池在调度时刻t处在充电状态，代表蓄电池在调度时刻t未处在充电状态；为描述第ies台蓄电池在调度时刻t的放电状态的0-1变量，代表蓄电池在调度时刻t处在放电状态，代表蓄电池在调度时刻t未处在放电状态；为第ies台蓄电池在调度时刻t的充电转换状态的0-1变量，即代表蓄电池在调度时刻t-1未在充电、在调度时刻t处在充电状态，代表蓄电池在调度时刻t-1在充电、调度时刻t处在未充电状态；为第ies台蓄电池在调度时刻t的放电转换状态的0-1变量，即代表蓄电池在调度时刻t-1未在放电、调度时刻t处在放电状态，代表蓄电池在调度时刻t-1处在放电、调度时刻t未在放电状态；为调度时刻t的联络线功率，即多能互补园区与电力系统交换的电功率，以电功率流入多能互补园区为正方向；上标t为向量转置；为电力系统所有调度时刻t构成的集合；sg为多能互补园区内所有发电机构成的集合；为第ig台发电机在一个调度时刻发出单位有功功率所需成本，对于分布式光伏发电装置和分布式风电机组该值可取为0；sgb为所有燃气锅炉构成的集合；为第igb台燃气锅炉在一个调度时刻内维持单位供热功率所需成本；sac为所有吸收式制冷机构成的集合；为第iac台吸收式制冷机组在一个调度时刻内维持单位供冷功率所需成本；schp为所有热电联产机组构成的集合；为第ichp台热电联产机组在一个调度时刻内维持单位发电功率所需成本；为第ichp台热电联产机组在一个调度时刻内维持单位供热功率所需成本；为调度时刻t的联络线电价；δt为相邻两个调度时刻的时间间隔；

第一优化模型的约束条件包括：

(1-1)多能互补园区中发电机的有功功率范围和爬坡约束：

其中，和分别为多能互补园区中第ig台发电机的有功功率上限和下限，和为第ig台发电机有功功率的向上爬坡速率最大值和向下爬坡速率最大值；

(1-2)多能互补园区中热电联产机组的有功功率范围约束、供热功率范围约束和热电联产机组的有功功率爬坡约束：

其中，为与第ichp台热电联产机组的有功功率和供热功率相关的可行域，和为第ichp台热电联产机组有功功率的向上爬坡速率最大值和向下爬坡速率最大值，上述参数均由热电联产机组说明书获得；

(1-3)多能互补园区中燃气锅炉供热功率范围及爬坡约束：

其中，和为第igb台燃气锅炉的供热功率上限和供热功率下限，和为第igb台燃气锅炉的供热功率向上爬坡速率最大值和向下爬坡速率最大值，上述参数均由燃气锅炉说明书获得；

(1-4)多能互补园区中吸收式制冷机的供冷功率范围及爬坡约束：

其中，和为第iac台吸收式制冷机的供冷功率上限和供冷功率下限，和为第iac台吸收式制冷机的供冷功率向上爬坡速率最大值和向下爬坡速率最大值，上述参数均由吸收式制冷机说明书获得；

(1-5)多能互补园区中电热锅炉的供热功率范围及爬坡约束：

其中，和为第ieb台电锅炉的耗电功率上限和下限，为第ieb台电锅炉的供热效率，和为第ieb台电锅炉的耗电功率向上爬坡速率最大值和向下爬坡速率最大值；上述参数均可由电锅炉说明书获得；

(1-6)多能互补园区中电制冷机的供冷功率范围及爬坡约束：

其中，和为第iec台电制冷机的耗电功率上限和下限，为第iec台电制冷机的性能系数，和为第iec台电制冷机的耗电功率向上爬坡速率最大值和向下爬坡速率最大值；上述参数均可由电制冷机说明书获得；

(1-7)多能互补园区中蓄电池的运行约束：

其中，和为第ies台蓄电池的充电功率上限和下限；和为第ies台蓄电池的放电功率上限和下限；为一个调度日中第i台蓄电池的最大充放电转换次数；和为第ies台蓄电池中可储存的最大能量和最小能量；上述所有参数均在对应设备的说明书或操作规程中得到；为第ies台蓄电池在该调度日开始时储存的能量，由蓄电池前一日的调度结果得到；

(1-8)多能互补园区中的电能、热能、冷能的能量守恒约束：

其中，为多能互补园区在调度时刻t的电负荷有功功率，为多能互补园区在调度时刻t的热负荷功率，为多能互补园区在调度时刻t的冷负荷功率，上述负荷功率均可根据历史负荷功率数据进行预测得到；

(1-9)多能互补园区中冷、热负荷的惯性及室内温度约束：

其中，为热负荷的热容，和分别为热负荷t和t-1时刻的室内温度，为热负荷的热导，shl为所有热负荷构成的集合，为t时刻的环境温度，和分别为热负荷室内温度最小值和最大值，为冷负荷的热容，和分别为冷负荷t和t-1时刻的室内温度，为冷负荷的热导，scl为所有冷负荷构成的集合，和分别为冷负荷室内温度最小值和最大值。

采用分支定界法，求解由上述目标函数和约束条件组成的第一优化模型，得到多能互补园区与电力系统之间的联络线在调度时刻t的有功功率的最优值即多能互补园区联络线功率基线，以及目标函数最优值c0，即多能互补园区最小运行成本，多能互补园区将联络线功率基线上报电力系统；

(2)多能互补园区接收电力系统下发的调度时段t削峰需求为电力系统期望联络线在调度时段t的有功功率低于联络线功率基线的有功功率值；根据该削峰需求计算多能互补园区可提供的削峰需求能力，具体方法如下：

(2-1)选取计算步长ε，ε取值为0～1，置循环次数k初始值1；

(2-2)求解如下的第二优化模型，该第二优化模型用于在调度时段t，当联络线功率为时，求多能互补园区运行费用最小时多能互补园区中的能源设备的运行计划；第二优化模型的目标函数与第一优化模型的目标函数相同；

第二优化模型的约束条件包括：

a、多能互补园区中发电机的有功功率范围和爬坡约束：与第一优化模型中约束条件(1-1)相同；

b、多能互补园区中热电联产机组的有功功率和供热功率范围约束和热电联产机组的有功功率爬坡约束：与第一优化模型中约束条件(1-2)相同；

c、多能互补园区中燃气锅炉供热功率范围及爬坡约束：与第一优化模型中约束条件(1-3)相同；

d、多能互补园区中吸收式制冷机的供冷功率范围及爬坡约束：与第一优化模型中约束条件(1-4)相同；

e、多能互补园区中电热锅炉的供热功率范围及爬坡约束：与第一优化模型中约束条件(1-5)相同；

f、多能互补园区中电制冷机的供冷功率范围及爬坡约束：与第一优化模型中约束条件(1-6)相同；

g、多能互补园区中蓄电池的运行约束：与第一优化模型中约束条件(1-7)相同；

h、多能互补园区中的电能、热能、冷能的能量守恒约束：

i、多能互补园区中冷、热负荷的惯性及室内温度约束：与第一优化模型中约束条件(1-9)相同；

采用分支定界法，求解由上述目标函数和约束条件组成的第二优化模型，若第二优化模型可解，则得到目标函数最优值ck，以及多能互补园区与电力系统之间的联络线在调度时刻t的有功功率的最优值即多能互补园区向电力系统上报的功率基线，转步骤(2-3)；若该模型无解，则结束循环，进行步骤(3)；

(2-3)计算削峰需求比例为kε时的多能互补园区的调节成本ck*，ck*＝ck-c0，记录ck*，并置k＝k+1，对kε进行判断，若kε>1，转步骤(3)，若kε≤1，返回步骤(2-2)，直到kε>1，得到多个与不同削峰需求比例kε相对应的多能互补园区的调节成本ck*；

(3)将步骤(2-3)的多个与不同削峰需求比例kε相对应的多能互补园区的调节成本ck*上报电力系统，电力系统下发最终采用的多能互补园区的削峰比例，实现由多能互补园区对电力系统削峰需求的响应。

本发明提出的多能互补园区响应电力系统削峰需求的计算方法，其优点是：

本发明的多能互补园区响应电力系统削峰需求的计算方法，可以实现以下功能：在日前计算多能互补园区次日的联络线初始计划即联络线功率基线；在电力系统存在削峰需求时，在日前计算多能互补园区对电力系统发布的削峰需求的最大响应程度；在电力系统存在削峰需求时，在日前计算不同程度削峰后的联络线功率计划曲线、多能互补园区内部的能源设备运行计划和最小调节成本。电力系统可根据这些计算结果向多能互补园区下发联络线功率计划。本发明能够充分利用多能互补园区内部的能源设备响应电力系统削峰需求，有利于降低电力系统调度成本。

具体实施方式

本发明提出的多能互补园区响应电力系统削峰需求的计算方法，包括以下步骤：

(1)计算多能互补园区次日的联络线初始计划即联络线功率基线，一般以园区总供能成本最小化为目标，求解如下优化问题：设定多能互补园区中的能源设备包含发电机、热电联产机组、燃气锅炉、吸收式制冷机组、电锅炉、电制冷机和蓄电池，其中的发电机可以为常规发电机、分布式光伏发电装置或分布式风电机组，该多能互补园区与电力系统通过联络线相连，建立一个第一优化模型，第一优化模型用于计算多能互补园区向电力系统上报的联络线功率基线，作为电力系统日前调度的功率基线，第一优化模型以不加调控时多能互补园区自身总运行成本c0最小为目标，第一优化模型的目标函数为使c0为最小：

其中，x为该第一优化模型中所有待求解变量构成的列向量，即：

其中，为第ig台发电机在调度时刻t发出的有功功率；和分别为第ichp台热电联产机组在调度时刻t的有功功率和供热功率；为第igb台燃气锅炉在调度时刻t的供热功率；为第iac台吸收式制冷机组在调度时刻t的供冷功率；和分别为第ieb台电锅炉在调度时刻t的耗电功率和供热功率；和分别为第iec台电制冷机在调度时刻t的耗电功率和供冷功率；和分别为第ies台蓄电池在调度时刻t的充电功率和放电功率；为第ies台蓄电池在调度时刻t的充电状态的0-1变量，代表蓄电池在调度时刻t处在充电状态，代表蓄电池在调度时刻t未处在充电状态；为描述第ies台蓄电池在调度时刻t的放电状态的0-1变量，代表蓄电池在调度时刻t处在放电状态，代表蓄电池在调度时刻t未处在放电状态；为第ies台蓄电池在调度时刻t的充电转换状态的0-1变量，即代表蓄电池在调度时刻t-1未在充电、在调度时刻t处在充电状态，代表蓄电池在调度时刻t-1在充电、调度时刻t处在未充电状态；为第ies台蓄电池在调度时刻t的放电转换状态的0-1变量，即代表蓄电池在调度时刻t-1未在放电、调度时刻t处在放电状态，代表蓄电池在调度时刻t-1处在放电、调度时刻t未在放电状态；为调度时刻t的联络线功率，即多能互补园区与电力系统交换的电功率，以电功率流入多能互补园区为正方向；上标t为向量转置；为电力系统所有调度时刻t构成的集合；sg为多能互补园区内所有发电机构成的集合；为第ig台发电机在一个调度时刻发出单位有功功率所需成本，对于分布式光伏发电装置和分布式风电机组该值可取为0；sgb为所有燃气锅炉构成的集合；为第igb台燃气锅炉在一个调度时刻内维持单位供热功率所需成本；sac为所有吸收式制冷机构成的集合；为第iac台吸收式制冷机组在一个调度时刻内维持单位供冷功率所需成本；schp为所有热电联产机组构成的集合；为第ichp台热电联产机组在一个调度时刻内维持单位发电功率所需成本；为第ichp台热电联产机组在一个调度时刻内维持单位供热功率所需成本；为调度时刻t的联络线电价；δt为相邻两个调度时刻的时间间隔；

第一优化模型的约束条件包括：

(1-1)多能互补园区中发电机的有功功率范围和爬坡约束：

其中，和分别为多能互补园区中第ig台发电机的有功功率上限和下限，和为第ig台发电机有功功率的向上爬坡速率最大值和向下爬坡速率最大值；

(1-2)多能互补园区中热电联产机组的有功功率范围约束、供热功率范围约束和热电联产机组的有功功率爬坡约束：

其中，为与第ichp台热电联产机组的有功功率和供热功率相关的可行域，和为第ichp台热电联产机组有功功率的向上爬坡速率最大值和向下爬坡速率最大值，上述参数均由热电联产机组说明书获得；

(1-3)多能互补园区中燃气锅炉供热功率范围及爬坡约束：

其中，和为第igb台燃气锅炉的供热功率上限和供热功率下限，和为第igb台燃气锅炉的供热功率向上爬坡速率最大值和向下爬坡速率最大值，上述参数均由燃气锅炉说明书获得；

(1-4)多能互补园区中吸收式制冷机的供冷功率范围及爬坡约束：

其中，和为第iac台吸收式制冷机的供冷功率上限和供冷功率下限，和为第iac台吸收式制冷机的供冷功率向上爬坡速率最大值和向下爬坡速率最大值，上述参数均由吸收式制冷机说明书获得；

(1-5)多能互补园区中电热锅炉的供热功率范围及爬坡约束：

其中，和为第ieb台电锅炉的耗电功率上限和下限，为第ieb台电锅炉的供热效率，和为第ieb台电锅炉的耗电功率向上爬坡速率最大值和向下爬坡速率最大值；上述参数均可由电锅炉说明书获得；

(1-6)多能互补园区中电制冷机的供冷功率范围及爬坡约束：

其中，和为第iec台电制冷机的耗电功率上限和下限，为第iec台电制冷机的性能系数，和为第iec台电制冷机的耗电功率向上爬坡速率最大值和向下爬坡速率最大值；上述参数均可由电制冷机说明书获得；

(1-7)多能互补园区中蓄电池的运行约束：

其中，和为第ies台蓄电池的充电功率上限和下限；和为第ies台蓄电池的放电功率上限和下限；为一个调度日中第i台蓄电池的最大充放电转换次数；和为第ies台蓄电池中可储存的最大能量和最小能量；上述所有参数均在对应设备的说明书或操作规程中得到；为第ies台蓄电池在该调度日开始时储存的能量，由蓄电池前一日的调度结果得到；

(1-8)多能互补园区中的电能、热能、冷能的能量守恒约束：

其中，为多能互补园区在调度时刻t的电负荷有功功率，为多能互补园区在调度时刻t的热负荷功率，为多能互补园区在调度时刻t的冷负荷功率，上述负荷功率均可根据历史负荷功率数据进行预测得到；

(1-9)多能互补园区中冷、热负荷的惯性及室内温度约束：

其中，为热负荷的热容，和分别为热负荷t和t-1时刻的室内温度，为热负荷的热导，shl为所有热负荷构成的集合，为t时刻的环境温度，和分别为热负荷室内温度最小值和最大值，为冷负荷的热容，和分别为冷负荷t和t-1时刻的室内温度，为冷负荷的热导，scl为所有冷负荷构成的集合，和分别为冷负荷室内温度最小值和最大值。

采用分支定界法，求解由上述目标函数和约束条件组成的第一优化模型，得到多能互补园区与电力系统之间的联络线在调度时刻t的有功功率的最优值即多能互补园区联络线功率基线，以及目标函数最优值c0，即多能互补园区最小运行成本，多能互补园区将联络线功率基线上报电力系统；

(2)多能互补园区接收电力系统下发的调度时段t削峰需求为电力系统期望联络线在调度时段t的有功功率低于联络线功率基线的有功功率值；根据该削峰需求计算多能互补园区可提供的削峰需求能力，具体方法如下：

(2-1)选取计算步长ε，ε取值为0～1，本发明的一个实施例中取0.1；置循环次数k初始值1；

(2-2)求解如下的第二优化模型，该第二优化模型用于在调度时段t，当联络线功率为时，求多能互补园区运行费用最小时多能互补园区中的能源设备的运行计划；第二优化模型的目标函数与第一优化模型的目标函数相同；

第二优化模型的约束条件包括：

a、多能互补园区中发电机的有功功率范围和爬坡约束：与第一优化模型中约束条件(1-1)相同；

b、多能互补园区中热电联产机组的有功功率和供热功率范围约束和热电联产机组的有功功率爬坡约束：与第一优化模型中约束条件(1-2)相同；

c、多能互补园区中燃气锅炉供热功率范围及爬坡约束：与第一优化模型中约束条件(1-3)相同；

d、多能互补园区中吸收式制冷机的供冷功率范围及爬坡约束：与第一优化模型中约束条件(1-4)相同；

e、多能互补园区中电热锅炉的供热功率范围及爬坡约束：与第一优化模型中约束条件(1-5)相同；

f、多能互补园区中电制冷机的供冷功率范围及爬坡约束：与第一优化模型中约束条件(1-6)相同；

g、多能互补园区中蓄电池的运行约束：与第一优化模型中约束条件(1-7)相同；

h、多能互补园区中的电能、热能、冷能的能量守恒约束：

i、多能互补园区中冷、热负荷的惯性及室内温度约束：与第一优化模型中约束条件(1-9)相同；

采用分支定界法，求解由上述目标函数和约束条件组成的第二优化模型，若第二优化模型可解，则得到目标函数最优值ck，以及多能互补园区与电力系统之间的联络线在调度时刻t的有功功率的最优值即多能互补园区向电力系统上报的功率基线，转步骤(2-3)；若该模型无解，则结束循环，进行步骤(3)；

(2-3)计算削峰需求比例为kε时的多能互补园区的调节成本ck*，ck*＝ck-c0，记录ck*，并置k＝k+1，对kε进行判断，若kε>1，转步骤(3)，若kε≤1，返回步骤(2-2)，直到kε>1，得到多个与不同削峰需求比例kε相对应的多能互补园区的调节成本ck*；

(3)将步骤(2-3)的多个与不同削峰需求比例kε相对应的多能互补园区的调节成本ck*上报电力系统，电力系统下发最终采用的多能互补园区的削峰比例，实现由多能互补园区对电力系统削峰需求的响应。