考慮風(fēng)電不確定性的含電轉(zhuǎn)氣和cchp的能量樞紐優(yōu)化模型的制作方法
【專利摘要】為了能全部消納可再生能源、實現(xiàn)對大電網(wǎng)削峰填谷、提高含冷熱電聯(lián)供的能源樞紐的經(jīng)濟(jì)效益和調(diào)度精確性，以及減少天然氣傳輸成本，本發(fā)明構(gòu)建了含電轉(zhuǎn)氣功能、儲能、冷熱電聯(lián)供和電能反饋的能量樞紐模型?？紤]基于燃料和購售電費率結(jié)構(gòu)的電轉(zhuǎn)氣投產(chǎn)因子、能源樞紐產(chǎn)氣自用和風(fēng)電出力的不確定性等因素，對以能量樞紐運行燃料成本最低和與主網(wǎng)能量交互成本最低為優(yōu)化目標(biāo)的能量樞紐模型進(jìn)行優(yōu)化，來確定所建能源樞紐模型的有效性。
【專利說明】
考慮風(fēng)電不確定性的含電轉(zhuǎn)氣和CCHP的能量樞紐優(yōu)化模型
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于多能源利用領(lǐng)域，構(gòu)建了含電轉(zhuǎn)氣功能、儲能、冷熱電聯(lián)供和電能反饋 的能量樞紐模型?？紤]基于燃料和購售電費率結(jié)構(gòu)的電轉(zhuǎn)氣投產(chǎn)因子、能源樞紐產(chǎn)氣自用 和風(fēng)電出力的不確定性，對W能量樞紐運行燃料成本最低和與主網(wǎng)能量交互成本最低為優(yōu) 化目標(biāo)的能量樞紐模型進(jìn)行優(yōu)化。
【背景技術(shù)】
[0002] 能源危機(jī)和大氣污染已成為國內(nèi)外高度關(guān)注的重大戰(zhàn)略問題，清潔能源和可再生 能源的利用受到了人們的高度重視，并開始對電、氣、熱等各種形式能源的綜合利用進(jìn)行研 究。能量樞紐(energy hub,EH)是分析多能源系統(tǒng)的重要模型，自提出起就受到了學(xué)者們的 廣泛關(guān)注。利用能量樞紐對多能源系統(tǒng)建模，可充分考慮各種形式能源的互濟(jì)與互補(bǔ)，實現(xiàn) 各種形式能源的協(xié)同優(yōu)化。
[0003] 現(xiàn)階段對含風(fēng)電的能源樞紐的優(yōu)化研究，基本上都是W確定性的風(fēng)電預(yù)測曲線作 為已知條件，而實際上當(dāng)前風(fēng)電功率尚無法精確預(yù)測，W確定性的風(fēng)電預(yù)測曲線安排能源 樞紐的運行方式可能會偏離最優(yōu)的運行狀態(tài)，從而可能導(dǎo)致降低能源樞紐運行經(jīng)濟(jì)性和不 必要的棄風(fēng)損失，既使在對風(fēng)電進(jìn)行全部消納的情況下，也會對能源樞紐的優(yōu)化調(diào)度帶來 較大的波動，不利于較精確的安排各設(shè)備出力。文獻(xiàn)《考慮風(fēng)電不確定性的熱電廠蓄熱罐運 行策略》為考慮風(fēng)電不確定性，建立了基于多場景的含儲熱的電熱綜合調(diào)度模型來優(yōu)化確 定蓄熱罐運行策略，并提出一種簡化的實用化方法來確定風(fēng)電出力。
[0004] 能量樞紐的基本建模僅考慮多能源系統(tǒng)的傳輸和轉(zhuǎn)化設(shè)備，存在一定的局限性。 隨著儲能、電轉(zhuǎn)氣的應(yīng)用W及分布式新能源并網(wǎng)的普及，充分考慮運些元素對能量樞紐模 型的推廣具有重要的意義。文獻(xiàn)《Matrix modelling ofsmall-scale trigeneration systems and application to operational optimization》在考慮與外部能量網(wǎng)絡(luò)相互 作用的情況下對CCHP系統(tǒng)進(jìn)行能量樞紐建模。但是未充分考慮能量樞紐存在向電網(wǎng)輸送反 饋能源的情況，不利于對電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行削峰填谷，W及未考慮電轉(zhuǎn)氣對促進(jìn)能源樞紐消納 可再生能源的作用。文獻(xiàn)《具有電轉(zhuǎn)氣功能的多能源系統(tǒng)的市場均衡分析》和《利用電轉(zhuǎn)氣 技術(shù)實現(xiàn)可再生能源的大規(guī)模存儲與傳輸》都對含電轉(zhuǎn)氣裝置的CHP系統(tǒng)構(gòu)建了能源樞紐 模型，所產(chǎn)氣輸入天然氣網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)了氣-電網(wǎng)絡(luò)的深度融合。但是未考慮能量樞紐的反饋 能源和能源樞紐中的制冷作用對能源樞紐的影響，同時將轉(zhuǎn)化的天然氣氣輸入到天然氣網(wǎng) 絡(luò)進(jìn)行傳輸，會增加輸送成本。文獻(xiàn)《能源互聯(lián)網(wǎng)中能量樞紐的優(yōu)化規(guī)劃與運行研究綜述及 展望》中介紹了考慮能源反饋的能量樞紐模型。但未介紹研究含電轉(zhuǎn)氣功能、CCHP和能源反 饋的能源樞紐模型。
[0005] 為了能全部消納可再生能源、實現(xiàn)對大電網(wǎng)削峰填谷、提高含冷熱電聯(lián)供的能源 樞紐的經(jīng)濟(jì)效益和調(diào)度精確性，W及減少天然氣傳輸成本，本發(fā)明構(gòu)建了含電轉(zhuǎn)氣功能、儲 能、冷熱電聯(lián)供和電能反饋的能量樞紐模型?？紤]基于燃料和購售電費率結(jié)構(gòu)的電轉(zhuǎn)氣投 產(chǎn)因子、能源樞紐產(chǎn)氣自用和風(fēng)電出力的不確定性等因素，對W能量樞紐運行燃料成本最 低和與主網(wǎng)能量交互成本最低為優(yōu)化目標(biāo)的能量樞紐模型進(jìn)行優(yōu)化，來確定所建能源樞紐 模型的有效性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有研究中對含CCHP的能源樞紐建模研究還不夠深入和全面，本發(fā)明構(gòu)建了 含電轉(zhuǎn)氣功能、儲能、冷熱電聯(lián)供和電能反饋的能量樞紐模型?？紤]基于燃料和購售電費率 結(jié)構(gòu)的電轉(zhuǎn)氣投產(chǎn)因子、能源樞紐產(chǎn)氣自用和風(fēng)電出力的不確定性，對W能量樞紐運行燃 料成本最低和與主網(wǎng)能量交互成本最低為優(yōu)化目標(biāo)的能量樞紐模型進(jìn)行優(yōu)化。
【附圖說明】
[0007] 圖1是本發(fā)明的風(fēng)電預(yù)測區(qū)間
[0008] 圖2是本發(fā)明的含電轉(zhuǎn)氣、儲能、冷熱電聯(lián)供和電能反饋的能量樞紐模型
【具體實施方式】
[0009] 本發(fā)明包括W下步驟：
[0010] 1、風(fēng)電出力的不確定性
[0011] 由于風(fēng)能具有隨機(jī)性、間歇性和可控性差等特點，W及受現(xiàn)有風(fēng)電功率預(yù)測方法 的限制，風(fēng)電功率預(yù)測存在誤差不可避免。整體而言，預(yù)測誤差呈現(xiàn)出一定的概率分布特 性，當(dāng)前關(guān)于風(fēng)電功率預(yù)測誤差分布的研究較多，其中正態(tài)分布假設(shè)應(yīng)用最為廣泛。本發(fā)明 選擇正態(tài)分布模型來研究風(fēng)電預(yù)測誤差，采用誤差區(qū)間來描述風(fēng)電的不確定性(如圖1)。風(fēng) 電預(yù)測曲線可能是陰影區(qū)間內(nèi)的任意一條曲線，對每個時段而言，越靠近中屯、值，出現(xiàn)的概 率越大。本發(fā)明在該波動區(qū)間內(nèi)選擇一條風(fēng)電預(yù)測曲線來制定風(fēng)電出力，其方法為:將風(fēng)電 預(yù)測區(qū)間等間隔離散化為N條曲線，每條曲線n(n = l，2,...，N)表示一個場景，每條曲線η對 應(yīng)一個經(jīng)驗概率值f (η)，所有的f (η)之和為1。本發(fā)明選取出現(xiàn)概率最大的中屯、曲線作為最 終的風(fēng)電預(yù)測曲線。
[001 ^ 2、能量樞紐模型
[0013] 能源樞紐模型運行策略為:整個運行周期內(nèi)，能源樞紐通過燃?xì)獍l(fā)電機(jī)發(fā)電、風(fēng)電 的消納和向電網(wǎng)購電W及蓄電池放電來滿足用電需求，在電轉(zhuǎn)氣裝置產(chǎn)氣的效益大于所耗 電成本時，通過向電網(wǎng)購電和使用滿足能源樞紐用電需求后剩余的風(fēng)電進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)生 成天然氣，電轉(zhuǎn)氣裝置產(chǎn)生的天然氣儲存到儲氣裝置中，供能源樞紐在下一時段首先消耗 使用，不足的部分進(jìn)行購買；其余時段，當(dāng)滿足能源樞紐用電需求后還有剩余的風(fēng)電時，就 售賣給電網(wǎng)，和蓄電池在電價處于高價位時售賣給電網(wǎng)的電能一起形成反饋電能。能源樞 紐模型如圖2所示。
[0014] 3、P2G模型及電轉(zhuǎn)氣投產(chǎn)因子
[0015] 在現(xiàn)有的技術(shù)發(fā)展水平下，從水到生成甲燒完整的化學(xué)反應(yīng)流程的綜合能量轉(zhuǎn)換 率I1P2G約為60%dP2G技術(shù)的數(shù)學(xué)模型為式(3-1)。
[0016] Fp2G,t = A.Et.押2G (3-1)
[0017]式中時2G,t為通過P2G技術(shù)在t時段所生成的天然氣量，單位為therm;Et為P2G設(shè)備 在t時段所消耗的電能量;押2G為P2G設(shè)備把電能量轉(zhuǎn)換為天然氣量的效率;電能換氣量系數(shù) 入=0.0341:1161'111/化胖.11)。
[0018] 電轉(zhuǎn)氣裝置是否投入產(chǎn)氣，取決于電轉(zhuǎn)氣裝置產(chǎn)氣的效益和所耗電成本的大小， 因此與天然氣和電的價格W及電轉(zhuǎn)氣效率密切相關(guān)。電費率采用峰平谷結(jié)構(gòu)，天然氣費率 結(jié)構(gòu)為使用量越大，價格越低，則定義電轉(zhuǎn)氣投產(chǎn)因子et。為購買單位天然氣的成本與產(chǎn)生 單位天然氣所耗電量成本之差，表達(dá)式為：
[0019]
(3-2)
[0020] 式中nng為天然氣的價格，單位為$/therm;mc為購電價格，單位為$/化W.h);當(dāng)etc >0時，電轉(zhuǎn)氣裝置投入產(chǎn)氣，etc《0時，則不投入。
[0021] 4、燃?xì)獍l(fā)電機(jī)模型
[0022] 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)模型采用Ξ階效率模型，能夠較好的體現(xiàn)機(jī)組出力波動對系統(tǒng)產(chǎn)生的 影響。
[0026]式中FG,i,t為第i臺燃?xì)獍l(fā)電機(jī)在t時段的燃?xì)夂牧?EG,i,t為第i臺燃?xì)獍l(fā)電機(jī)在t 時段提供的電能量;％，功第i臺燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的發(fā)電效率;31心、心(11為第1臺燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的 效率系數(shù);？〇，1,*、巧;,,為第1臺燃?xì)獍l(fā)電機(jī)在*時段的電功率和標(biāo)么值。
[0027] 5、儲能設(shè)備模型
[002引蓄電池數(shù)學(xué)模型如式(5-1)所示：
[0029]
[0030] 式中：SBat,l,t、SBat,l,t-l分別為蓄電池組l在t、t-l時段的剩余容量;σBat,功蓄電池 組1的自放電率;譜：,,，、雜,,,為蓄電池組1在t時段的充電功率和放電功率，放電時功率為負(fù) 值;相已、誠為蓄電池組1的充電效率和放電效率。
[0031] 6、輔助供熱供冷設(shè)備模型
[0032] 輔助供熱供冷設(shè)備包括燃?xì)忮仩t、熱回收系統(tǒng)、吸收制冷機(jī)和電制冷機(jī)，它們的模 型表達(dá)式分別為式(6-1 )、式(6-2)、式(6-3)和式(6-4)。
[0037]式中：FB〇i,t為鍋爐在t時段消耗的燃料量;化。i,t為鍋爐在t時段提供的熱功率;riBoi 為鍋爐的熱效率;化~t為熱回收系統(tǒng)在t時段提供的熱功率;riHrs為熱回收系統(tǒng)的熱回收效 率;Qa。, t為吸收制冷機(jī)在t時段提供的冷功率；巧為熱回收系統(tǒng)在t時段提供的冷功率； 為燃?xì)忮仩t在t時段提供的冷功率;CoPA。為吸收制冷機(jī)的能效比;QEe,t為電制冷機(jī)在t時 段提供的冷功率;PEc,t為電制冷機(jī)在t時段制冷所消耗的電功率;Cope。為電制冷機(jī)的能效比。
[0038] 7、能源樞紐的多目標(biāo)優(yōu)化
[0039] 本發(fā)明對W能量樞紐運行燃料成本最低和與主網(wǎng)能量交互成本最低為優(yōu)化目標(biāo) 的能量樞紐模型進(jìn)行優(yōu)化。
[0040] 7.1能源樞紐運行燃料成本
[0041] 能源樞紐運行燃料成本CLng是指能源樞紐中燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組發(fā)電與燃?xì)忮仩t產(chǎn)熱所 需購買天然氣的費用。
[0046] 式中：Fg、Fb〇i分別為能源樞紐發(fā)電總耗氣量和鍋爐產(chǎn)熱總耗氣量;Fs為調(diào)度周期內(nèi) 能源樞紐消耗生成的天然氣量;Fs,t為t時段能源樞紐消耗生成的天然氣量。
[0047] 7.2與主網(wǎng)能量交互成本
[0050]式中：Ce為周期內(nèi)能源樞紐與主電網(wǎng)的能量交互成本，此成本可正可負(fù)；Cj, t為t時 段內(nèi)與主電網(wǎng)交互的實際電價;Pgrid,t為t時段內(nèi)與主電網(wǎng)交互的電量;nic,t為t時段向電網(wǎng) 購電的價格;Rei。, t為t時段向電網(wǎng)售電的價格。
[0化1] 8、約束條件
[0052] (11P2G設(shè)備啟停次數(shù)和儲氣設(shè)備容量約束
[0056] 式中：up,t為P2G設(shè)備在t時段的啟停狀態(tài)，當(dāng)etc《0時，up,t取0表示停止產(chǎn)氣，當(dāng)et。 >0時，UP,t取1表示投入產(chǎn)氣;化2G,t為儲氣裝置在t時段所儲存的天然氣量;化2G,max為儲氣裝 置的最大容量。
[0057]間燃?xì)獍l(fā)電機(jī)出力與啟動次數(shù)約束 [005引巧巧含也含巧7 (8-4)
[0化9]
[0060]式中：心為第i臺燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的切除系數(shù)；巧Γ第i臺燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的額定功率； uc,i,t為第i臺燃?xì)獍l(fā)電機(jī)在t時段的啟停狀態(tài)，0表示停機(jī)，1表示開機(jī)。
[0061 ]間風(fēng)電出力約束
[0064] 式中巧潔瑞為第j臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)在t時段的預(yù)測功率和額定功率。
[00化](4)光伏電池組出力約束
[006引式中巧立.,、巧為第k組光伏電池在t時刻的預(yù)測功率和額定功率。
[0069]間蓄電池儲能設(shè)備約束
[0074] 式中：端;"，、環(huán)：：：,和巧：：,分別為蓄電池組1在協(xié)調(diào)周期內(nèi)的額定容量和保持穩(wěn)定運 行的最小、最大容量;片：：.,、分1,為蓄電池組1在t時段的最大充電率和最大放電率。
[0075] 做輔助供熱供冷設(shè)備約束
[0082] 式中化c,t、強(qiáng)Γ為電制冷機(jī)t時段的功率和額定功率;QAc,t、er為吸收制冷機(jī)t時段 的功率和額定功率；結(jié)結(jié)懲;"為熱回收系統(tǒng)在t時段的制熱功率、制冷功率和額定 功率;結(jié)!:"、紹Γ;、貨Γ為燃?xì)忮仩t在t時段的制熱功率、制冷功率和額定功率。
[0083] 例聯(lián)絡(luò)線功率約束
[0084] P 口 id,min《P^id,t《P^id,max (8-20)
[0085] 式中Pgrid,t為t時段時能源樞紐與電網(wǎng)交互的電功率;Pgrid,max為交互功率的最大限 值;Pgrid,min為交互功率的最小限值，此值為負(fù)數(shù)，表示能源樞紐能反饋給電網(wǎng)電量的最大 值。
[0086]腳冷、熱、電負(fù)荷平衡約束
[0090]式中貨7'為t時段能源樞紐需要滿足的冷負(fù)荷;殺Γ為t時段能源樞紐需要滿足的 熱負(fù)荷;Pd,t為t時段能源樞紐需要滿足的預(yù)測電功率;PP2G,t為t時段電轉(zhuǎn)氣裝置消耗的電功 率。
【主權(quán)項】
1. 考慮風(fēng)電不確定性的含電轉(zhuǎn)氣和CCHP的能量樞紐優(yōu)化模型，包括如下步驟： ⑴風(fēng)電出力的不確定性； ⑵能量樞紐模型； (3)P2G模型及電轉(zhuǎn)氣投產(chǎn)因子； ⑷燃?xì)獍l(fā)電機(jī)模型； (5) 儲能設(shè)備模型； (6) 輔助供熱供冷設(shè)備模型； ⑵能源樞紐的多目標(biāo)優(yōu)化； (8)約束條件。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮風(fēng)電不確定性的含電轉(zhuǎn)氣和CCHP的能量樞紐優(yōu)化模型， 其特征在于:能源樞紐模型運行策略為，整個運行周期內(nèi)，能源樞紐通過燃?xì)獍l(fā)電機(jī)發(fā)電、 風(fēng)電的消納和向電網(wǎng)購電以及蓄電池放電來滿足用電需求，在電轉(zhuǎn)氣裝置產(chǎn)氣的效益大于 所耗電成本時，通過向電網(wǎng)購電和使用滿足能源樞紐用電需求后剩余的風(fēng)電進(jìn)行電化學(xué)反 應(yīng)生成天然氣，電轉(zhuǎn)氣裝置產(chǎn)生的天然氣儲存到儲氣裝置中，供能源樞紐在下一時段首先 消耗使用，不足的部分進(jìn)行購買；其余時段，當(dāng)滿足能源樞紐用電需求后還有剩余的風(fēng)電 時，就售賣給電網(wǎng)，和蓄電池在電價處于高價位時售賣給電網(wǎng)的電能一起形成反饋電能。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮風(fēng)電不確定性的含電轉(zhuǎn)氣和CCHP的能量樞紐優(yōu)化模型， 其特征在于:在現(xiàn)有的技術(shù)發(fā)展水平下，從水到生成甲烷完整的化學(xué)反應(yīng)流程的綜合能量 轉(zhuǎn)換率約為60% ;P2G技術(shù)的數(shù)學(xué)模型為式下式， Fp2G，t = X · Et · YP2G 式中FP2G,t為通過P2G技術(shù)在t時段所生成的天然氣量，單位為therm;Et為P2G設(shè)備在t時 段所消耗的電能量;YP2C*P2G設(shè)備把電能量轉(zhuǎn)換為天然氣量的效率；電能換氣量系數(shù)λ = 0.034therm/(kff.h)； 電轉(zhuǎn)氣裝置是否投入產(chǎn)氣，取決于電轉(zhuǎn)氣裝置產(chǎn)氣的效益和所耗電成本的大小，因此 與天然氣和電的價格以及電轉(zhuǎn)氣效率密切相關(guān)；電費率采用峰平谷結(jié)構(gòu)，天然氣費率結(jié)構(gòu) 為使用量越大，價格越低，則定義電轉(zhuǎn)氣投產(chǎn)因子et。為購買單位天然氣的成本與產(chǎn)生單位 天然氣所耗電量成本之差，表達(dá)式為：式中rug為天然氣的價格，單位為$/therm;rEic為購電價格，單位為$/(kW.h);當(dāng)etc>0 時，電轉(zhuǎn)氣裝置投入產(chǎn)氣，ete<0時，則不投入。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮風(fēng)電不確定性的含電轉(zhuǎn)氣和CCHP的能量樞紐優(yōu)化模型， 其特征在于:本發(fā)明對以能量樞紐運行燃料成本最低和與主網(wǎng)能量交互成本最低為優(yōu)化目 標(biāo)的能量樞紐模型進(jìn)行優(yōu)化； 4.1能源樞紐運行燃料成本 能源樞紐運行燃料成本CLng是指能源樞紐中燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組發(fā)電與燃?xì)忮仩t產(chǎn)熱所需購 買天然氣的費用：式中:Fc、FBq1分別為能源樞紐發(fā)電總耗氣量和鍋爐產(chǎn)熱總耗氣量;Fs為調(diào)度周期內(nèi)能源 樞紐消耗生成的天然氣量;Fs,t*t時段能源樞紐消耗生成的天然氣量； 4.2與主網(wǎng)能量交互成本式中：Ce為周期內(nèi)能源樞紐與主電網(wǎng)的能量交互成本，此成本可正可負(fù);Cj,t為t時段內(nèi) 與主電網(wǎng)交互的實際電價;Pgrid,t為t時段內(nèi)與主電網(wǎng)交互的電量;mc,t為t時段向電網(wǎng)購電 的價格;Rei。, t為t時段向電網(wǎng)售電的價格。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮風(fēng)電不確定性的含電轉(zhuǎn)氣和CCHP的能量樞紐優(yōu)化模型， 其特征在于： 5.1 P2G設(shè)備啟停次數(shù)和儲氣設(shè)備容量約束式中：uP,t為P2G設(shè)備在t時段的啟停狀態(tài)，當(dāng)etc^O時，uP, t取0表示停止產(chǎn)氣，當(dāng)etc>0 時，UP,t取1表不投入產(chǎn)氣;Rp2G,t為儲氣裝置在t時段所儲存的天然氣量;Rp2G,max為儲氣裝置 的最大容量； 5.2聯(lián)絡(luò)線功率約束 Pgrid^in^Pgrid, t^Pgrid,max 式中Pgrid,t為t時段時能源樞紐與電網(wǎng)交互的電功率;Pgrid,max為交互功率的最大限值； Pgrid,min為交互功率的最小限值，此值為負(fù)數(shù)，表示能源樞紐能反饋給電網(wǎng)電量的最大值； 5.3冷、熱、電負(fù)荷平衡約束式中eSf為t時段能源樞紐需要滿足的冷負(fù)荷；為t時段能源樞紐需要滿足的熱負(fù) 荷;pD,t為t時段能源樞紐需要滿足的預(yù)測電功率;pP2C, t為t時段電轉(zhuǎn)氣裝置消耗的電功率。
【文檔編號】H02J3/38GK106058942SQ201610631626
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月3日
【發(fā)明人】馬瑞, 鄧劍波
【申請人】長沙理工大學(xué)