本發(fā)明涉及一種考慮工業(yè)園區(qū)與工廠互動(dòng)的綜合需求響應(yīng)，屬于綜合能源及電力需求響應(yīng)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，分散化的能源市場(chǎng)和能源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使得傳統(tǒng)的電力需求響應(yīng)(demandresponse，dr)將逐步向綜合需求響應(yīng)(integrateddemandresponse，idr)的方向發(fā)展。而工業(yè)園區(qū)以其能源需求不斷增大、能源種類(lèi)多、能源結(jié)構(gòu)不合理、常規(guī)能源儲(chǔ)備量減小、能源利用率普遍偏低、峰谷電力負(fù)荷差額大等特點(diǎn)，成為idr實(shí)施的良好平臺(tái)。而如果只考慮工業(yè)園區(qū)內(nèi)工廠的自趨優(yōu)運(yùn)行，則可能出現(xiàn)新的負(fù)荷高峰，不滿(mǎn)足上級(jí)電網(wǎng)的調(diào)峰需求。因此，研究考慮工業(yè)園區(qū)與工廠互動(dòng)的綜合需求響應(yīng)策略，在保證上級(jí)電網(wǎng)調(diào)峰需求的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)工廠內(nèi)部的最優(yōu)運(yùn)行，對(duì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)園區(qū)內(nèi)多元用戶(hù)的互動(dòng)以及未來(lái)綜合能源系統(tǒng)在工業(yè)用戶(hù)領(lǐng)域的推廣具有重要的指導(dǎo)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種考慮工業(yè)園區(qū)與工廠互動(dòng)的綜合需求響應(yīng)方法。該方法首先搭建工廠的綜合能源系統(tǒng)模型，在考慮用戶(hù)用電滿(mǎn)意度和系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)的條件下，以用戶(hù)用電成本最小為目標(biāo)，構(gòu)建考慮工廠自趨優(yōu)的idr模型，實(shí)現(xiàn)工廠的自趨優(yōu)調(diào)度，作為參與互動(dòng)的基礎(chǔ)。其次，工業(yè)園區(qū)調(diào)度與工廠控制系統(tǒng)間信息交互，在整個(gè)園區(qū)層面進(jìn)一步挖掘與利用園區(qū)內(nèi)各工廠源、儲(chǔ)、荷等分布式資源的可調(diào)控能力，以園區(qū)關(guān)口功率不越限和用戶(hù)用能成本最低建立考慮工業(yè)園區(qū)與工廠互動(dòng)的idr模型，響應(yīng)上級(jí)電網(wǎng)需求。該方法可以應(yīng)用在不同類(lèi)型的工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)中。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：一種考慮工業(yè)園區(qū)與工廠互動(dòng)的綜合需求響應(yīng)方法，該方法包括以下步驟：

步驟1：搭建工廠的綜合能源系統(tǒng)模型，構(gòu)建考慮工廠自趨優(yōu)的idr模型，實(shí)現(xiàn)工廠自身的經(jīng)濟(jì)最優(yōu)運(yùn)行；

步驟2：工廠上傳自趨優(yōu)后工廠的關(guān)口功率曲線至園區(qū)能量管理系統(tǒng)，由園區(qū)能量管理系統(tǒng)進(jìn)行功率越限評(píng)估，判斷有無(wú)削峰需求；

步驟3：若無(wú)功率越限風(fēng)險(xiǎn)，則按自趨優(yōu)結(jié)果運(yùn)行；若出現(xiàn)功率越限則進(jìn)行工業(yè)園區(qū)與工廠互動(dòng)的綜合需求響應(yīng)，與上級(jí)電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)良性互動(dòng)；考慮工業(yè)園區(qū)與工廠互動(dòng)的綜合需求響應(yīng)模型的目標(biāo)函數(shù)為最大化滿(mǎn)足削峰需求，同時(shí)盡可能最小化用電成本：

式中，t0-t1為削峰時(shí)段，p0(t)整個(gè)園區(qū)的削峰目標(biāo)參考功率，p0(t)＝p(t)-δp0(t)，p(t)為第一次自趨優(yōu)后的工廠關(guān)口功率，δp0(t)為整個(gè)園區(qū)下發(fā)的園區(qū)需要削峰的功率；p'(t)為更新后時(shí)段t的工廠關(guān)口功率，c'atc為更新后工廠的總運(yùn)行費(fèi)用，λ1,λ2為目標(biāo)函數(shù)中削峰目標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，其中λ1＞＞λ2；

約束條件：相比考慮工廠自趨優(yōu)的idr，新增加非削峰時(shí)段關(guān)口功率約束和削峰時(shí)段削峰功率上限約束，其余約束相同；

a)非削峰時(shí)段關(guān)口功率約束：

p'(t)≤p1(t)

其中p1(t)為從園區(qū)下發(fā)的非削峰時(shí)段的關(guān)口功率約束，t為非削峰時(shí)段；

b)削峰時(shí)段削峰功率上限約束：

p(t)-p'(t)≤δp0(t)

削峰功率上限約束是指用戶(hù)提供削峰量不超過(guò)園區(qū)要求削峰量。

進(jìn)一步地，所述步驟1中考慮工廠自趨優(yōu)的idr模型的目標(biāo)函數(shù)為全天總電費(fèi)約束：

式中，t為時(shí)段序號(hào)，n為全天時(shí)段總數(shù)，c(t)為時(shí)段t的分時(shí)電價(jià)，p(t)為時(shí)段t從主網(wǎng)得到的供電功率，t為單位時(shí)段長(zhǎng)度；

約束條件為：

a)直流電源和交流電源

總功率平衡約束：

p(t)＝pac-load(t)+pac-dc(t)+pi(t)-p'i(t)+pct(t)

pac-load(t)為時(shí)段t的交流負(fù)荷，pac-dc(t)為交直流轉(zhuǎn)換器的功率；pi(t)為蓄冰槽耗電量，p'i(t)為蓄冰槽承擔(dān)冷負(fù)荷量，∑p'i(t)＝∑pi(t)*η，η為供冷效率(由于存在冷損失)，當(dāng)蓄冰槽制冰蓄冷時(shí)pi(t)>0，當(dāng)蓄冰槽融冰供冷時(shí)p'i(t)>0；pct(t)為冷卻塔耗電量，pct(t)＝0.025*(qk(t)+pk(t))，其中qk(t)為制冷機(jī)供冷量，pk(t)為制冷機(jī)耗電量，qk(t)＝pk(t)*eer；eer為制冷機(jī)能效比，可以通過(guò)制冷機(jī)組運(yùn)行參數(shù)擬合得到；

交直流轉(zhuǎn)換器效率約束：

式中：ηa/d為交流轉(zhuǎn)換為直流的轉(zhuǎn)換效率，ηd/a為直流轉(zhuǎn)化為交流的轉(zhuǎn)換效率，pdc(t)為時(shí)段t的直流母線總負(fù)荷；

直流母線總負(fù)荷約束：

pdc(t)+ppv(t)＝pdc-load(t)+pb(t)

ppv(t)為光伏發(fā)電功率，pdc-load(t)為直流負(fù)荷，pb(t)為儲(chǔ)能電池在時(shí)段t的功率，充電時(shí)pb(t)>0，放電時(shí)pb(t)<0；

負(fù)荷波動(dòng)約束：

為了限制綜合需求響應(yīng)后系統(tǒng)負(fù)荷的波動(dòng)，不增加電力系統(tǒng)側(cè)調(diào)度的難度,引入負(fù)荷波動(dòng)約束：

λ為負(fù)荷有功功率的幾何均值，比例系數(shù)k1和k2根據(jù)具體實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)給出，并以負(fù)荷波動(dòng)率l作為評(píng)判負(fù)荷波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)；其中：

l＝σ/λ

l定義為負(fù)荷有功功率的標(biāo)準(zhǔn)差σ與負(fù)荷有功功率的幾何均值λ之比；

b)設(shè)備和能源平衡的約束

放電效率約束：

為最大充電效率，為最大放電效率；

儲(chǔ)能電池電量狀態(tài)約束：

emin≤eb(t)≤emax

emin＝socminr

emax＝socmaxr

emax為儲(chǔ)能電池最大電量，emin為儲(chǔ)能電池最低電量，eb(t)為時(shí)段t的電池儲(chǔ)能狀態(tài)；socmin和socmax為最小和最大荷電狀態(tài)，r為電池容量；

在任何時(shí)候，儲(chǔ)能的總能量為儲(chǔ)能初始能量和累積能量的總和：

e(0)為電池初始電量，e(t)為時(shí)段t的累積電量，i為全天充電的時(shí)段數(shù)；

日電量累積約束：

蓄冷裝置約束：

其中，qkmax為制冷機(jī)組最大供冷量，qi(t)為蓄冰槽供冷量，qimax為蓄冰槽最大供冷量，qsys(t)系統(tǒng)需要供冷量，qi為蓄冰槽容量。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：一方面，多種能源協(xié)同互補(bǔ)，引導(dǎo)用戶(hù)制定合理的綜合能源利用方案，提高了用戶(hù)側(cè)的用能效率，減少用戶(hù)的用能成本；另一方面，通過(guò)整個(gè)園區(qū)層面分布式資源和可控負(fù)荷的協(xié)同，為上級(jí)電網(wǎng)提供削峰等輔助服務(wù)，可顯著提升電網(wǎng)資產(chǎn)利用率。本發(fā)明適用于不同類(lèi)型的工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)中。

附圖說(shuō)明

圖1為典型的工廠綜合能源系統(tǒng)示意圖；

圖2為工業(yè)園區(qū)與工廠互動(dòng)的idr策略。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

典型的工廠綜合能源系統(tǒng)示意圖如圖1所示，將m組光伏發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池和/或直流負(fù)荷分別聯(lián)接到m條直流母線上，通過(guò)雙向變流器與公共的交流母線相連，交流母線上配蓄冷裝置。再由交流母線通過(guò)變壓器接入配電網(wǎng)。該系統(tǒng)既可滿(mǎn)足直流負(fù)荷需求，也可滿(mǎn)足交流負(fù)荷需求。整個(gè)系統(tǒng)可以被分為直流電源、直流負(fù)荷以及交流電源、交流負(fù)荷。當(dāng)?shù)氐闹绷髂妇€用來(lái)和直流能源設(shè)備相連，并通過(guò)一個(gè)雙向轉(zhuǎn)換器與交流系統(tǒng)連接。這種結(jié)構(gòu)使得電池和直流負(fù)荷能夠在交、直流轉(zhuǎn)換之前使用光伏輸出的能量。通過(guò)消除交直流轉(zhuǎn)換時(shí)不必要的能量損耗，用戶(hù)們便可以利用分時(shí)電價(jià)節(jié)省電費(fèi)，還可以參與需求側(cè)響應(yīng)來(lái)減輕電網(wǎng)壓力。

首先用常用的用戶(hù)交直流負(fù)荷、冷負(fù)荷及光伏發(fā)電預(yù)測(cè)方法，對(duì)下一日的負(fù)荷及光伏和風(fēng)力發(fā)電進(jìn)行預(yù)測(cè)。

基于交直流負(fù)荷、冷負(fù)荷和光伏發(fā)電的預(yù)測(cè)結(jié)果以及電價(jià)信息，以總電費(fèi)最小為目標(biāo)，對(duì)電儲(chǔ)能的充放電狀態(tài)和制冷機(jī)、蓄冰槽冷負(fù)荷分配建立優(yōu)化模型。優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)為全天總電費(fèi)約束。

式中，t為時(shí)段序號(hào)，n為全天時(shí)段總數(shù)，n可取96。c(t)為時(shí)段t的分時(shí)電價(jià)。p(t)為時(shí)段t從主網(wǎng)得到的供電功率，t為單位時(shí)段長(zhǎng)度，n取96時(shí)，t＝0.25h。

約束條件為：

a)直流電源和交流電源

總功率平衡約束：

p(t)＝pac-load(t)+pac-dc(t)+pi(t)-p'i(t)+pct(t)

pac-load(t)為時(shí)段t的交流負(fù)荷，pac-dc(t)為交直流轉(zhuǎn)換器的功率。pi(t)為蓄冰槽耗電量，p'i(t)為蓄冰槽承擔(dān)冷負(fù)荷量，∑p'i(t)＝∑pi(t)*η，η為供冷效率(由于存在冷損失)。當(dāng)蓄冰槽制冰蓄冷時(shí)，pi(t)>0；當(dāng)蓄冰槽融冰供冷時(shí)，p'i(t)>0。pct(t)為冷卻塔耗電量，由于冷卻塔的能耗在系統(tǒng)中所占的比例不大，在實(shí)際應(yīng)用中往往采用經(jīng)驗(yàn)公式：

pct(t)＝0.025*(qk(t)+pk(t))

其中qk(t)為制冷機(jī)供冷量，pk(t)為制冷機(jī)耗電量，qk(t)＝pk(t)*eer。eer為制冷機(jī)能效比，可以通過(guò)制冷機(jī)組運(yùn)行參數(shù)擬合得到。

交直流轉(zhuǎn)換器效率約束：

式中：ηa/d為交流轉(zhuǎn)換為直流的轉(zhuǎn)換效率，ηd/a為直流轉(zhuǎn)化為交流的轉(zhuǎn)換效率，pdc(t)為時(shí)段t的直流母線總負(fù)荷。

直流母線總負(fù)荷約束：

pdc(t)+ppv(t)＝pdc-load(t)+pb(t)

ppv(t)為光伏發(fā)電功率，pdc-load(t)為直流負(fù)荷，pb(t)為儲(chǔ)能電池在時(shí)段t的功率，充電時(shí)pb(t)>0，放電時(shí)pb(t)<0。

負(fù)荷波動(dòng)約束：

為了限制綜合需求響應(yīng)后系統(tǒng)負(fù)荷的波動(dòng)，不增加電力系統(tǒng)側(cè)調(diào)度的難度，引入負(fù)荷波動(dòng)約束：

λ為負(fù)荷有功功率的幾何均值，比例系數(shù)k1和k2根據(jù)具體實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)給出，可取k1＝0.1、k2＝0.15，并以負(fù)荷波動(dòng)率l作為評(píng)判負(fù)荷波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)；其中：

l＝σ/λ

負(fù)荷波動(dòng)率l定義為負(fù)荷有功功率的標(biāo)準(zhǔn)差σ與負(fù)荷有功功率的幾何均值λ之比。

b)設(shè)備和能源平衡的約束

放電效率約束：

為最大充電效率，為最大放電效率。

儲(chǔ)能電池電量狀態(tài)約束：

emin≤eb(t)≤emax

emin＝socminr

emax＝socmaxr

emax為儲(chǔ)能電池最大電量，emin為儲(chǔ)能電池最低電量，eb(t)為時(shí)段t的電池儲(chǔ)能狀態(tài)。socmin和socmax為最小和最大荷電狀態(tài)，r為電池容量。

在任何時(shí)候，儲(chǔ)能的總能量為儲(chǔ)能初始能量和累積能量的總和：

e(0)為電池初始電量，e(t)為時(shí)段t的累積電量，i為全天充電的時(shí)段數(shù)。

日電量累積約束：

蓄冷裝置約束：

其中，qkmax為制冷機(jī)組最大供冷量，qi(t)為蓄冰槽供冷量，qimax為蓄冰槽最大供冷量，qsys(t)系統(tǒng)需要供冷量，qi為蓄冰槽容量。

工廠制定自趨優(yōu)調(diào)度策略后，將自趨優(yōu)用能曲線上傳至園區(qū)能量管理系統(tǒng)，由園區(qū)能量管理系統(tǒng)進(jìn)行功率越限評(píng)估，判斷有無(wú)削峰需求。若無(wú)功率越限風(fēng)險(xiǎn)，則按自趨優(yōu)結(jié)果運(yùn)行；若出現(xiàn)功率越限則進(jìn)行工業(yè)園區(qū)與工廠互動(dòng)的綜合需求響應(yīng)，與上級(jí)電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)良性互動(dòng)。

考慮工業(yè)園區(qū)與工廠互動(dòng)的綜合需求響應(yīng)模型的目標(biāo)函數(shù)為最大化滿(mǎn)足削峰需求，同時(shí)盡可能最小化用電成本。

式中，t0-t1為削峰時(shí)段，p0(t)整個(gè)園區(qū)的削峰目標(biāo)參考功率，p0(t)＝p(t)-δp0(t)，p(t)為第一次自趨優(yōu)后的工廠關(guān)口功率，δp0(t)為整個(gè)園區(qū)下發(fā)的園區(qū)需要削峰的功率；p'(t)為更新后時(shí)段t的工廠關(guān)口功率，c'atc為更新后工廠的總運(yùn)行費(fèi)用，λ1,λ2為目標(biāo)函數(shù)中削峰目標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，其中λ1λ2；

約束條件：相比考慮工廠自趨優(yōu)的idr，新增加非削峰時(shí)段關(guān)口功率約束和削峰時(shí)段削峰功率上限約束，其余約束相同；

a)非削峰時(shí)段關(guān)口功率約束：

p'(t)≤p1(t)

其中p1(t)為從園區(qū)下發(fā)的非削峰時(shí)段的關(guān)口功率約束，t為非削峰時(shí)段；

b)削峰時(shí)段削峰功率上限約束：

p(t)-p'(t)≤δp0(t)

削峰功率上限約束是指用戶(hù)提供削峰量不超過(guò)園區(qū)要求削峰量。

考慮工業(yè)園區(qū)與工廠互動(dòng)的綜合需求響應(yīng)方法的優(yōu)勢(shì)在于：構(gòu)建了僅考慮工廠自趨優(yōu)運(yùn)行的idr模型，使能量在不同層級(jí)能源系統(tǒng)中的切換和梯級(jí)利用，更好的實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)的削峰填谷，緩解電網(wǎng)壓力。并使用戶(hù)擁有更大容量的“虛擬能量單元”，優(yōu)化用能行為，從而降低自身的用能成本。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了考慮工業(yè)園區(qū)與工廠互動(dòng)的idr模型，并提出考慮用戶(hù)滿(mǎn)意度的idr補(bǔ)償報(bào)價(jià)形式，在滿(mǎn)足上級(jí)電網(wǎng)削峰需求的同時(shí)，合理的補(bǔ)償對(duì)工業(yè)用戶(hù)經(jīng)濟(jì)性及滿(mǎn)意度的影響，促進(jìn)上級(jí)電網(wǎng)與工業(yè)用戶(hù)的良性互動(dòng)。