考虑柔性负荷下的区域综合能源系统配置优化方法

本发明涉及综合能源系统，尤其是一种考虑柔性负荷下的区域综合能源系统配置优化方法。

背景技术：

1、传统能源系统往往是基于中心化的供电模式，缺乏灵活性和弹性，此时，柔性负荷的引入能够通过调整能耗行为、储能和灵活能源管理等手段，在能源供给和需求之间提供更大的灵活性，提高能源供需匹配率，实现可持续性发展，使系统更好地消纳清洁能源。通过柔性负荷的灵活调度和优化配置，能有效提高能源系统的能源利用效率；灵活调控能耗设备的运行，更好地匹配能源供需，减少不必要的能源浪费，降低能源系统运营成本，实现经济效益与环境效益的双赢。同时，在研究的过程中通过引入人工智能、大数据分析、优化算法等技术手段，可以实现能源系统的智能优化与调度，为能源系统的升级和转型提供技术支撑。

2、目前，通过对建筑能耗分析与建模，充分考虑柔性负荷参与建筑群能源系统设计，优化能源供需配置和储能系统运行策略，利用大数据和机器学习等技术以及各类多目标优化求解算法，获得综合能源系统的最优配置的方法，在进行多目标转换单目标求解时权重分配方式过于主观，也存在只考虑可再生能源出力不确定性或弃风弃光等某单一因素的影响效应，未考虑到多重因素之间相互影响和耦合，即各种因素的综合影响效应，导致获得的储能配置结果与实际所需的运行状态不符，造成系统运行稳定性差和能源浪费的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明一种提供考虑柔性负荷下的区域综合能源系统配置优化方法，目的是解决现有综合能源系统容量配置方法在进行多目标转换单目标求解时权重分配方式过于主观和仅考虑单一因素影响效应，容量配置结果粗糙，导致系统运行稳定性差及能源浪费的技术问题。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种考虑柔性负荷的区域综合能源系统配置优化方法，包括：

4、s1、获取输入数据，包括计算综合能源系统中用能末端冷/热/电负荷，分析其中不可调节的刚性负荷及可调节柔性负荷的占比，获取综合能源系统风力发电及太阳能光伏发电功率预测数据、各设备额定功率、现货市场购售电电价及柔性负荷调节补偿电价；

5、s2、基于对需求侧柔性负荷调节作用的考虑，建立柔性负荷模型，包括可平移负荷、可削减负荷和可转移负荷，根据柔性负荷模型得到综合能源系统给用户补偿所付出的成本；

6、s3、设置约束条件，包括所述柔性负荷模型自身的约束，以及综合能源系统的机组出力约束、储能设备约束、能量平衡约束以及与电网之间交互的约束；

7、s4、设置总目标函数，所述总目标函数为目标函数一和目标函数二经归一化处理并加权平均后获得，总目标函数的表达式为：

8、

9、式中，c(x)代表总目标函数，c代表两个目标函数加权平均的权重系数，f1,max、f1,min分别为目标函数一的最大、最小值，f2,max、f2,min分别为目标函数二的最大、最小值；

10、其中，目标函数一f1为经济性目标函数：

11、f1＝finit+fon+ffuel+fbc+fbuy-fsell，其中，finit、fon、ffuel、fbuy、fsell分别为设备投资成本、机组运行及维护费用、燃料消耗费用、从电网购电费用和向电网售电费用；fbc为柔性负荷调节补偿费用，等于所述综合能源系统给用户补偿所付出的成本；

12、其中，目标函数二f2为碳排放目标函数：f2＝∑ta·pbuy,t+b·fgas,t，其中，pbuy,t、fgas,t分别为市政电网购电量、天然气用量，下标t代表计算时段，a和b分别为用电和天然气的碳排放因子；

13、s5、采用混合整数线性规划方法整合所述总目标函数及所述约束条件获得考虑柔性负荷的综合能源系统计算模型，以所述输入数据作为模型输入，利用循环函数设置权重系数c从1～100进行循环遍历迭代，求解总目标函数，输出双目标帕累托前沿系统优化结果，获得综合能源系统各设备容量优化配置最优解集；

14、s6、在所述最优解集的约束下，以系统综合能源利用率、负荷曲线削峰填谷度及源-荷匹配度和用电舒适性综合最优为目标，求解获取综合能源系统的最优容量配置。

15、进一步技术方案为：

16、所述s6中，优化目标包括寻求综合能源利用率ηies最大，ηies通过计算实际能源输出与可用能源输入之比得到，表达式为：

17、

18、式中：lies、qies和hies分别为综合能源系统中用能末端总电负荷和冷、热负荷，δtl、δtc和δth分别为相应负荷持续时间；qgas为天然气热值，δtp和δtw分别为光伏和风力发电时长；i代表考虑柔性负荷参与后的时刻；

19、优化目标还包括需求负荷曲线削峰填谷度γ最优，γ的表达式为：

20、

21、式中，le/c/h(i)和le/c/h(i-1)分别为考虑柔性负荷参与后i时刻和i-1时刻系统总用电/冷/热负荷，n为柔性负荷参与结束时刻；

22、优化目标还包括寻求源-荷匹配度最优，源-荷匹配度用于考虑柔性电负荷和冷/热负荷下系统从市政电网用电量小，表达式为：

23、

24、其中：

25、

26、

27、

28、式中，ptur、pw、pp、pbuy、pdisc、pcha分别表示系统内燃气轮机发电量、风力发电总量、太阳能光伏发电总量、市政电网购电总量、储电装置放电量、充电量，psys表示综合能源系统中发电设备的总发电量；

29、lrig、ltran、lcut、lshift分别表示系统末端总用电负荷中的刚性电负荷、可平移电负荷、可削减电负荷和可转移电负荷，δlcut为柔性负荷调节后系统总电负荷削减量；

30、hboi、htur,yr、hdisc、hcha分别表示系统内燃气锅炉、热泵及其他能源设备供热总量、燃气轮机余热利用量、储热装置放热量和储热量；hrig、htran、hcut、hshift分别表示系统末端总用热负荷中的刚性热负荷、可平移热负荷、可削减热负荷和可转移热负荷，δhcut为柔性调节后系统总热负荷削减量；

31、qzl、qdisc、qcha分别表示系统内制冷机组制冷量、蓄冷装置蓄冷量和释冷量；qrig、qcut分别表示系统末端总冷负荷中的刚性冷负荷和可削减冷负荷，δqcut为柔性调节后系统总冷负荷削减量；

32、优化目标还包括寻求用电舒适度μ最优，μ用于评估用户在使用电力设备时所感受到的舒适程度，定义原用电负荷曲线状态下用电舒适度最大，经过考虑柔性负荷响应和储能系统优化配置后的优化负荷应满足用户用电舒适性要求，优化后用电负荷曲线与原用电曲线状态差异尽可能小，具体表达式为：

33、

34、式中，linit和lopt分别为柔性负荷调节优化前后用电负荷值，i代表一天24小时中的第i个小时。

35、所述s2中，所述柔性负荷模型及对应约束包括：

36、针对可平移负荷，平移区间内[ttran-,ttran+]，保证负荷平移前后用能时间连续，需满足：

37、

38、式中，τ是负荷平移后的开始时刻，ts是可平移负荷的持续用能时间，α是判断是否进行负荷平移的0-1变量，发生负荷平移时α＝1，否则α＝0；

39、保证负荷平移前后总用电量不变的约束条件为：

40、

41、式中，ttran-和ttran+分别为可平移负荷用能开始时刻和结束时刻，pbefore和pafter分别为同一时段负荷发生平移前后设备用电功率；

42、针对可削减负荷，用能时间不发生变化，相应削减用能功率从而减小总用电量，负荷削减后同一时段用电功率为：

43、pcut,after＝pcut,before-δpcut，δpcut＝β·pcut,before；

44、式中：pcut,before、pcut,after分别是负荷削减前、负荷削减后的用电功率，δpcut是负荷削减量，β是负荷削减系数，β∈(0，1)；

45、针对可转移负荷：保证负荷转移前后总用电量不变的约束条件为：

46、

47、式中，pbefore和pafter分别为同一时段负荷发生转移前后设备用电功率，tshift-、tshift+分别为负荷转移前、后的时刻。

48、根据柔性负荷模型得到综合能源系统给用户补偿所付出的成本包含发生负荷平移、负荷削减和负荷转移后需补偿的费用，分别为：

49、

50、式中，ctran为单位平移负荷功率补偿价格，ptran为平移时段内总平移用电功率之和；

51、ccut＝ccut·δpcut

52、式中，ccut为单位削减负荷功率补偿价格；

53、cshift＝cshift×pshift

54、式中，cshift为单位平移负荷功率补偿价格，pshift为总转移用电功率之和。

55、所述综合能源系统的机组出力约束为：

56、0≤pw/p,t≤pw/p,y

57、0≤ptur/boi,t≤ptur/boi,e

58、式中，pw/p,t和pw/p,y表示t时段系统内风力发电和太阳能光伏发电设备出力功率的输出值和预测值，ptur/boi,t和ptur/boi,e表示t时段系统内燃气轮机和燃气锅炉、热泵等能源设备出力功率的输出值和额定值；

59、所述储能设备约束为考虑设备容量约束、系统充放能功率上下限约束、保证不同时充放能且在规定循环周期内充放能总量平衡，且在规定循环周期内总充放能时间不能过长，具体约束条件如下：

60、ee,cap,min≤ee,cap≤ee,cap,max；

61、pcha/disc,t,min≤pcha/disc,t≤pcha/disc,t,max；

62、scha,t+sdisc,t≤1；

63、∑tpcha,t＝∑tpdisc,t；∑tτcha,t+τdisc,t≤θ；

64、式中：ee,cap为储能设备容量，ee,cap,min和ee,cap,max为储能设备容量上下限；pcha/disc,t为储能设备充能/放能功率，pcha/disc,t,min和pcha/disc,t,max为储能设备充能/放能功率上下限；scha,t、sdisc,t分别为设备充能/放能状态标志，均为0-1变量；∑tpcha,t、∑tpdisc,t是规定循环周期t时间段内总充能/放能量；∑tτcha,t+τdisc,t表示t时段内储能设备充放能总时长，θ为保证设备使用寿命而规定的总使用时长。

65、所述能量平衡约束包括：

66、电能平衡约束：

67、ptur+pw+pp+pbuy+pdisc＝pcha+psell+lrig+ltran+lcut+lshift-δlcut

68、式中，ptur、pw、pp、pbuy、pdisc、pcha、psell分别表示系统内燃气轮机发电量、风力发电总量、太阳能光伏发电总量、市政电网购电总量、储电装置放电量、充电量以及向电网售电量；lrig、ltran、lcut、lshift分别表示系统末端总用电负荷中的刚性电负荷、可平移电负荷、可削减电负荷和可转移电负荷；δlcut为柔性负荷调节后系统总电负荷削减量；

69、热能平衡约束：

70、hboi+htur,yr+hdisc＝hcha+hrig+htran+hcut+hshift-δhcut

71、式中，hboi、htur,yr、hdisc、hcha分别表示系统内燃气锅炉、热泵及其他能源设备供热总量、燃气轮机余热利用量、储热装置放热量和储热量；hrig、htran、hcut、hshift分别表示系统末端总用热负荷中的刚性热负荷、可平移热负荷、可削减热负荷和可转移热负荷；δhcut为柔性调节后系统总热负荷削减量；

72、冷负荷平衡约束：

73、qzl+qdisc＝qcha+qrig+qcut-δqcut

74、式中，qzl、qdisc、qcha分别表示系统内制冷机组制冷量、蓄冷装置蓄冷量和释冷量；qrig、qcut分别表示系统末端总冷负荷中的刚性冷负荷和可削减冷负荷；δqcut为柔性调节后系统总冷负荷削减量。

75、所述与电网之间交互的约束包括考虑电网交互功率上下限，及确保在系统发电不足时购电、发电有余时售电，不同时购售电两方面约束，具体约束条件为：

76、pbuy/sell,t,min≤pbuy/sell,t≤pbuy/sell,t,max

77、式中，pbuy/sell,t为系统与电网交互功率，pbuy/sell,t,max、pbuy/sell,t,min为系统与电网交互功率的上、下限；

78、rbuy,t+rsell,t≤1

79、式中，rbuy,t和rsell,t分别为系统从电网购电或售电的状态标志0-1变量。

80、本发明的有益效果如下：

81、本发明通过构建考虑需求侧柔性负荷的综合能源系统模型，将储能系统作为柔性调节的一部分，作为输入参数参与系统配置，促进柔性负荷与储能系统之间的协调，实现削峰填谷，并从经济性、环保性(碳排放)多维度遍历分配目标权重获得帕累托最优解集，综合分析能源利用率、负荷曲线削峰填谷度以及源-荷匹配度和用电舒适性等多重因素影响，促使建筑参与到与电网交互，实现主动配电网与用户间的双赢，充分发挥建筑在加快构建新型电力系统、促进能源低碳转型中的积极作用，提高了系统容量配置的准确性，有助于提高综合能源系统的效率与可靠性。其中，本发明在规划阶段考虑到柔性冷/热/电负荷下的灵活储能，提出源-荷匹配度和用电舒适性的目标函数，在不影响用户用电自主性的前提下，促进源-荷两侧双向互动和良效匹配。

82、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。