促进可再生能源消纳的园区综合能源系统经济配置方法与流程

本发明属于园区综合能源系统规划
技术领域：
，具体涉及促进可再生能源消纳的园区综合能源系统经济配置方法。
背景技术：
：全球气候变暖和能源危机是当前人类面临的两大问题及挑战，综合能源系统立足于多能互补、能源梯级利用理论，且能够大力发展可再生资源，有效控制能源消耗，提升能源利用效率，在应对能源需求激增、环境污染问题、气候变化等严峻挑战具有十分重要的意义。园区级别的综合能源系统更是开展综合能源服务的基础，以园区建设为抓手，建设多能互补、集中与分布式协同、多元融合、供需互动、高效配置的新型能源生产与消费体系，是当前和未来我国能源互联网建设的重要内容。规划与设计是园区综合能源系统的核心系统技术之一，直接关系到园区的经济性、环保型和可靠性。合理的规划设计可以提高园区能源供应的可靠性，满足用户对能源质量的要求和政府对环境保护的要求，且能延缓能源供应系统的建设。传统能源系统的规划等大多局限于单一能源系统的内部，并未发挥出多系统之间的耦合互补优势和协同效益。因此，在热电联产机组等能源耦合设备大力发展的前提下，进行不同能源系统最优协调的综合性分析对综合能源系统的规划非常关键。而现有的规划方法很多忽略环境因素，但环境问题越来越得到政府部门的重视，因此，规划中将环境指标纳入规划目标中是非常有必要的；另外，需求响应在电力市场的发展下，其应用潜力巨大，而现有很多规划方法未能充分考虑需求响应的潜在价值以进一步提高系统规划方案的合理性、经济性、环保性等目标。本发明提供促进可再生能源消纳的园区综合能源系统经济配置方法来克服上述缺陷。技术实现要素：本发明目的在于提供促进可再生能源消纳的园区综合能源系统经济配置方法，用于解决上述现有技术中存在的技术问题之一，如：现有的规划方法很多忽略环境因素，但环境问题越来越得到政府部门的重视，因此，规划中将环境指标纳入规划目标中是非常有必要的；另外，需求响应在电力市场的发展下，其应用潜力巨大，而现有很多规划方法未能充分考虑需求响应的潜在价值以进一步提高系统规划方案的合理性、经济性、环保性等目标。为实现上述目的，本发明的技术方案是：促进可再生能源消纳的园区综合能源系统经济配置方法，包括以下步骤：s1、根据园区综合能源系统供能架构，构建园区综合能源系统设备稳态数学模型；所述园区综合能源系统设备稳态数学模型包括：光伏发电、风力发电的出力模型，储能模型，热电联产单元的电、热出力模型，燃气锅炉的出力模型；s2、分析园区可再生能源出力及电力负荷需求特性，构建激励型需求响应程序；所述激励型需求响应为：考虑园区综合能源系统电负荷由可转移负荷和不可转移负荷两部分组成，基于可再生能源出力，将可转移负荷转移到可再生能源丰富的时段以促进可再生能源的消纳，以减少能源购买成本；s3、建立考虑需求响应促进可再生能源消纳的园区综合能源系统容量经济配置模型的目标函数；所述园区综合能源系统容量经济配置模型的目标函数为：将年总规划成本作为园区综合能源系统容量经济配置模型的目标函数，包括经济成本与环境成本；所述经济成本包括初始设备购买成本、园区能源购买成本、设备运维成本、需求响应实施成本；所述环境成本为满足园区能源供应所产生的污染气体排放成本；s4、设立考虑需求响应促进可再生能源消纳的园区综合能源系统容量经济配置模型的约束条件；用优化器求解园区综合能源系统容量经济配置模型，输出最优规划结果。进一步的，所述步骤s1中园区综合能源系统风力发电、光伏发电、电储能、热储能的出力模型分别满足公式(1)、(2)、(3)：其中，为园区风力发电机的输出功率，v(t)为t时段的风速，vcut,in为切入风速，vcut,out为切出风速，vn为额定风速，为园区风力发电机的额定功率；ptpv为园区光伏发电单元t时段的输出功率，ppv,stc为园区光伏发电额定功率，fpv为光伏降额因子，tstc、rstc分别为标准条件下的温度、光辐照度，r(t)为当前环境的辐照度，α为功率温度系数，t(t)为t时段的电池温度；esoc(t)为t时段储能装置的储能容量，θe为储能设备的自放电率，为储能充放电功率；ηc,e、ηd,e分别为储能设备充、放电效率，δt为时段长度；热电联产单元、燃气锅炉的出力采用通用模型表示如下式：式中，i，j分别表示能源类，i,j∈g＝{ng,e,h}，ng,e,h分别表示天然气、电能、热能，g为能源类集合；m表示设备类型，m∈m＝{chp,gb}∈k，m表示表示热电联产机组chp和燃气锅炉gb的集合，k表示所有设备的集合；为设备m在时段t的输出功率，为设备m在时段t的输入功率，ηm为设备m的能源转换效率。进一步的，所述步骤s2中激励型需求响应程序为：其中，为t时段的电力负荷；为需求响应实施后的电力负荷；为t时段负荷减少的比例，为t时段负荷增加的比例，分别为需求响应下负荷减少、增加的最大比例，t为一天内的总时段数。进一步的，所述步骤s3中目标函数ftot计算公式为：ftot＝f1+f2(6)其中，f1为经济成本，f2为环境成本，表示为：式(7)中，第一部分为设备购置成本，ck为设备k的单位容量成本，为设备k的容量，r为折现率，υ为设备k的寿命，k为综合能源系统规划设备类型集合；第二部分为能源购买成本，s为典型场景类总数，ns为场景s对应的总天数，g表示能源类别且g∈g，为场景s下t时段g能源的单位购买价格，为场景s下t时段g能源的购买功率大小；第三部分为运维成本，λk为设备k的单位运维成本，表示设备k在t时段的输出功率；第四部分为需求响应成本，λdr为需求响应单位补偿价格；式(8)中，x为污染排放物类型集合，包括一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物；x表示污染排放物类型且x∈x，ψx为污染排放物x的单位排放环境成本，θx,g为g能源产生污染排放物x的单位排放量。进一步的，所述步骤s4中园区综合能源系统容量经济配置模型的约束条件包括设备容量约束、设备运行约束、需求响应程序约束、园区系统能量平衡约束；所述设备容量约束如下：其中，和分别表示设备k可以安装的最小和最大容量；所述设备运行约束包括风/光发电出力约束、chp机组运行约束、燃气锅炉运行约束、储能运行约束。所述风/光发电出力约束为：其中，和ppv,stc表示风力发电、光伏发电设备的额定容量，在数值上分别等于风机、光伏发电装置的安装容量；所述chp机组和燃气锅炉的运行约束表示为：其中，和分别表示设备m的最小和最大出力限制，设备k在t时段的输出功率大小；在数值上，表示设备m的安装容量大小，和分别表示设备m的最小、最大出力指标；所述储能设备运行约束表示为：其中，和分别表示储能设备充、放电状态，和分别表示储能设备的最大充、放电功率限制，和分别表示储能最小和最大容量限制；所述需求响应程序约束表示如下：所述园区系统能量平衡约束：园区系统能量平衡约束包括园区系统电功率平衡和园区系统热功率平衡；园区系统电功率平衡表示如下：其中，为chp机组t时段的发电出力大小，为t时段园区在电网的购电功率；园区系统热功率平衡表示如下：其中，表示设备m在t时段的热出力大小，表示园区t时段热负荷需求。进一步的，所述步骤s4中园区综合能源系统容量经济配置模型求解为：综合步骤s3中所建立的考虑需求响应促进可再生能源消纳的园区综合能源系统容量经济配置模型的目标函数和步骤s4中设定的园区综合能源系统容量经济配置模型的约束条件，可以建立园区综合能源系统混合整数规划模型：其中，ftot(x)为目标函数，变量x表示通用优化变量，a为园区综合能源系统经济配置模型等式约束方程的系数矩阵，b表示园区综合能源系统经济配置模型不等式约束方程的系数矩阵；xi为连续变量，i为连续变量集合；xj为二进制变量，j为二进制变量集合；采用matlab平台的opti工具箱对上述园区综合能源系统规划问题求解得到园区系统最优经济配置方案。与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：在园区综合能源系统的容量经济配置中兼顾经济与环境目标，且结合园区需求响应程序的实施来促进园区可在生能源的消纳，减少园区能源购买成本，以此修正园区电负荷曲线进一步提高园区系统规划方案的经济性与环保性目标，可以有效避免设备盲目扩容，为未来规划研究与应用中计及需求响应的园区综合能源系统容量经济配置提供理论参考。附图说明图1是本发明的实施例的步骤流程图。图2是本发明的实施例的电气综合能源系统拓扑示意图。图3为园区综合能源系统冬季典型日激励型需求响应程序的实施效果示意图。图4为园区综合能源系统夏季典型日激励型需求响应程序的实施效果示意图。具体实施方式下面结合本发明的附图1-4，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例：如图1所示，促进可再生能源消纳的园区综合能源系统经济配置方法，包括以下步骤：s1、根据园区综合能源系统供能架构，构建园区综合能源系统设备稳态数学模型：s101：所述园区综合能源系统架构如图2所示；考虑的设备有风/光可再生能源、热电联产机组(chp)、燃气锅炉、储能装置。需要特别说明的是：燃气锅炉是园区热负荷供应的备用热源，因此在规划中未考虑规划其容量，仅考虑其产热成本，设定其能够满足chp机组不足以供应的热负荷需求。s102：所述园区综合能源系统设备稳态数学模型包括：光伏发电/风力发电的出力模型、储能模型、热电联产单元的电/热出力模型以及燃气锅炉的出力模型；园区综合能源系统设备稳态数学模型如下：s1021：风力发电、光伏发电出力模型为：其中，为园区风力发电机的输出功率，v(t)为t时段的风速，vcut,in为切入风速，vcut,out为切出风速，vn为额定风速，为园区风力发电机的额定功率。ptpv为园区光伏发电单元t时段的输出功率，ppv,stc为园区光伏发电额定功率，fpv为光伏降额因子，本实施例中取值为0.9，tstc、rstc分别为标准条件下的温度、光辐照度，r(t)为当前环境的辐照度，α为功率温度系数，单位为w/℃，其取值较小，一般在0.001～0.005之间，本实施例中设为0.0025，t(t)为t时段的电池温度；s1022：储能装置的稳态模型为：式中，esoc(t)为t时段储能装置的荷电状态，θe为储能设备的自放电率，本实施例中取值为0.01％，为储能充、放电功率；ηc,e、ηd,e为储能设备充、放电效率，本实施例中，取值为0.9；δt为时段长度，本实施例中δt＝1。s1023：热电联产单元、燃气锅炉的出力采用通用模型表示如下式：式中，i，j分别表示能源类，i,j∈g＝{ng,e,h}，ng,e,h分别表示天然气、电能、热能，g为能源类集合。m表示设备类型，m∈m＝{chp,gb}∈k，m表示表示热电联产机组(chp)和燃气锅炉(gb)的集合，k表示所有设备的集合。为设备m在时段t的输出功率，为设备m在时段t的输入功率，ηm为设备m的能源转换效率。s2、分析园区可再生能源出力及电力负荷特性，构建激励型需求响应程序：所述激励型需求响应为：需求响应的实施仅针对电力负荷，考虑园区综合能源系统电负荷由可转移负荷和不可转移负荷两部分组成，基于可再生能源出力预测信息，将可转移负荷转移到可再生能源丰富的时段以促进可再生能源的消纳，从而减少能源购买。201：激励型需求响应程序为：其中，为t时段的电力负荷；为需求响应实施后的电力负荷；为t时段负荷减少的比例，为t时段负荷增加的比例，分别为激励型需求响应实施下负荷减少、增加占当前时段负荷总量的最大比例，本实施例中设置为20％；t为一天内的总时段数，本实施例中取值为24。s3、建立考虑需求响应促进可再生能源消纳的园区综合能源系统容量经济配置模型的目标函数：s301：所述园区综合能源系统容量经济配置模型的目标函数为：将年总规划成本作为园区综合能源系统容量经济配置模型的目标函数，包括经济成本与环境成本；所述经济成本包括初始设备购买成本、园区能源购买成本、设备运维成本、需求响应成本。所述环境成本为满足园区能源供应所产生的污染气体排放成本。s302：园区综合能源系统容量经济配置模型目标函数如下：ftot＝f1+f2(6)其中，f1为经济成本，表示为：式(7)中，第一部分为设备购置成本，ck为设备k的单位容量成本，为设备k的容量，r为折现率，υ为设备k的寿命，k为综合能源系统规划设备类型总数。第二部分为能源购买成本，s为典型场景类总数，本实施例中，s取值为2；ns为场景s对应的总天数，本实施例中，每一个场景均取6个月，g表示能源类别且g∈g，为场景s下t时段g能源的单位价格，为场景s下t时段g能源的购买功率大小。第三部分为运维成本，λk为设备k的单位运维成本，表示设备k在t时段的输出功率。第四部分为需求响应成本，λdr为需求响应单位补偿价格。f2为环境成本，表示为：式(8)中，x为污染排放物类型集合，包括一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物。x表示污染排放物类型且x∈x，ψx为污染排放物x的单位排放环境成本，θx,g为g能源产生污染排放物x的单位排放量。s4、设立考虑需求响应促进可再生能源消纳的园区综合能源系统容量经济配置模型的约束条件，包括设备容量约束、设备运行约束、需求响应程序约束、园区系统能量平衡约束；用优化器求解园区综合能源系统容量经济配置模型，输出最优规划结果。s401：设备容量约束如下：其中，和分别表示设备k可以安装的最小和最大容量。s402：设备运行约束包括风/光发电出力约束、chp机组运行约束、燃气锅炉运行约束、储能运行约束。风/光发电出力约束为：其中，和ppv,stc表示风力发电、光伏发电设备的额定容量，在数值上分别等于风机、光伏发电装置的安装容量。chp机组和燃气锅炉的运行约束表示为：其中，和分别表示设备m的最小和最大出力限制，设备k在t时段的输出功率大小；在数值上，表示设备m的安装容量大小，和分别表示设备m的最小、最大出力指标。所述储能设备运行约束表示为：其中，和分别表示储能设备充放电状态，和分别表示储能设备的最大充、放电功率限制，和分别表示储能最小和最大容量限制。s403：需求响应程序约束表示如下：s404：园区系统能量平衡约束：园区系统能量平衡约束包括园区系统电功率平衡和园区系统热功率平衡。园区系统电功率平衡表示如下：其中，为chp机组t时段的发电出力大小，为t时段园区在电网的购电功率。园区系统热功率平衡表示如下：其中，表示设备m在t时段的热出力大小，表示园区t时段热负荷需求。综合步骤s3中所建立的考虑需求响应促进可再生能源消纳的园区综合能源系统容量经济配置模型的目标函数和步骤s4中设定的园区综合能源系统容量经济配置模型的约束条件，可以建立园区综合能源系统混合整数规划模型：其中，ftot(x)为目标函数，变量x表示通用优化变量，a为园区综合能源系统经济配置模型等式约束方程的系数矩阵，b表示园区综合能源系统经济配置模型不等式约束方程的系数矩阵；xi为连续变量，i为连续变量集合；xj为二进制变量，j为二进制变量集合。采用matlab平台的opti工具箱对上述园区综合能源系统规划问题求解得到园区系统最优经济配置方案。表1给出了两种配置模式的经济规划结果，其中，模式一为不考虑激励型需求响应的实施，模式二为考虑激励型需求响应的实施对园区综合能源系统的容量配置影响。从规划结果可以看出，相比于模式一，模式二可有效减少热电联产单元和储能设备的配置容量。此外，图3和图4分别为园区综合能源系统冬、夏两季典型日激励型需求响应程序的实施效果，可以看出，一部分负荷从夜间高峰期转向白天可再生能源出力较大的时段，有利于促进可再生能源的利用，能够有效减少购电量(表2中参数可知)。表2为两种模式配置结果的其他数据，相比于模式一，模式二尽管有需求响应成本，但在经济和环境成本方面均可有效减少，有利于环境保护，且在储能配置容量下降的前提下，依然提高了可再生能源利用率。表1园区综合能源系统容量配置结果模式光伏/kw风机/kw热电联产/kw储能/kwh模式一6498483301776模式二7167883001314表2园区综合能源系统配置结果以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。当前第1页12