一种基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法，包括以下步骤：步骤10)分别建立考虑传输延时的热网模型以及考虑蓄热特性的建筑物模型；步骤20)结合冷热电联供系统模型、热网模型及建筑物模型，建立综合能源系统优化模型；步骤30)运用综合能源系统优化模型求解得到最优调度计划，并按照该最优调度计划，控制燃气轮机和燃气锅炉每小时的出力，并向电网与风电场购电。该方法将热网与用户均纳入调度范畴，能实现多自由度的负荷调整，提高系统运行灵活，从而为消纳风电提供更大的裕度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法
本专利技术属于综合区域能源系统热电联合调度领域，具体来说，涉及一种基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法。
技术介绍
近年来，风电作为一种可再生能源由于其技术成熟，经济性较好且能源效率较高得到了快速发展。截止2015年底，全球风电总装机容量达到423GW，新增装机容量为63GW，其中，中国占30.5GW。中国风电的发展主要在三北地区，三北地区风力资源丰富且冬季热负荷需求极大。然而，随着风电的快速发展，风电消纳却由于热电联供中热出力与电出力的强耦合关系受到了限制。在吉林省，约有70％的热负荷由集中式热电联供机组(对应英文combinedheatingandpower，文中简称CHP)供应。热电联供机组在冬季一般运行在“以热定电”模式。这种运行模式极大的限制了CHP机组的电出力。在夜间，热负荷较高而电负荷较低，CHP机组运行在“以热定电”模式下则电力供应供过于求，因此导致此时段弃风严重。根据国家能源局数据显示，2016年上半年，全国平均风电利用小时数为917h，弃风量为323TWh，平均风电消纳率为21％。总之，风电消纳已成为风电行业可持续发展的关键问题。为解决风电消纳问题，电力人员已进行了大量的研究，例如采用蓄电池、电锅炉等。考虑到风电与热负荷在时间与空间上的关系，即风力资源丰富的地区与时间一般也是热负荷需求较大的地区与时间，故从整体能源消费的角度看，可以利用热力系统为风电消纳提供空间。
技术实现思路
技术问题：本专利技术所要解决的技术问题是：提出一种基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法，该方法既能利用热网传输延时通过在时间尺度上错开供需，又能利用房屋蓄热特性改变负荷分布，提高热电联供系统运行灵活性，有效改善弃风问题，提升系统整体经济性。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术实施例提供一种基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法，该方法包括以下步骤：步骤10)分别建立考虑传输延时的热网模型以及考虑蓄热特性的建筑物模型；步骤20)结合冷热电联供系统模型、热网模型及建筑物模型，建立综合能源系统优化模型；步骤30)运用综合能源系统优化模型求解得到最优调度计划，并按照该最优调度计划，控制燃气轮机和燃气锅炉每小时的出力，并向电网与风电场购电。作为优选例，所述的步骤10)中，建立热网模型的过程为：步骤101)建立热网管道模型，具体包括步骤1011)-步骤1015)：步骤1011)建立节点流量平衡方程，如式(1)和式(2)所示：式中：qps，kt表示第k段供水管道在t时刻的流量，单位：kg/h；qpr，k，t表示第k段回水管道在t时刻的流量，单位：kg/h；表示以节点i为终点的供水管道集合；表示以节点i为终点的回水管道集合，表示以节点i为起点的供水管道集合，表示以节点i为起点的供水管道集合，Sns表示供水管道节点集合，Snr表示回水管道节点集合，St表示调度时间段集合。步骤1012)建立管道压损方程，如式(3)至式(5)所示：式中：Δpps，k，t表示第k段供水管道在t时刻的压力损失，单位：m；μp表示压损因子，Sps表示供水管道集合，Δppr，k，t表示第k段回水管道在t时刻的压力损失，单位：m；Spr表示回水管道集合，Δppu，i，t表示第i个水泵在t时刻提供的压力，Spu表示管道中水泵集合；步骤1013)建立温度-流量-热量方程，如式(6)和式(7)所示：式中：表示第k段供水管道t时刻入口热量，单位：kW；C表示水的比热容；表示第k段供水管道t时刻入口温度，单位：℃；λ表示单位换算因子；表示第k段供水管道t时刻出口热量，单位：kW；表示第k段供水管道t时刻出口温度，单位：℃；表示第k段回水管道t时刻入口热量，单位：kW；表示第k段回水水管道t时刻入口温度，单位：℃；表示第k段回水管道t时刻出口热量，单位：kW；表示第k段回水水管道t时刻出口温度，单位：℃；步骤1014)建立温度融合方程：根据热力学第一定律，设以节点i为终点的各管道流量在节点i处融合后形成一个稳定的温度场，则以节点i为起点的管道入口温度均相等且等于节点温度，如式(8)至式(11)所示：式中：Tns，i，t表示供水管道节点i在t时刻的温度，单位：℃；Tnr，i，t表示回水管道节点i在t时刻的温度，单位：℃；步骤1015)建立热网传输延时方程：计算管道热水流速，如式(12)和式(13)所示：式中：vps，k，t表示第k段供水管道内的热水在t时刻的流速，单位：m/s；ρ表示热水密度；dk表示第k段管道内径，单位：m；vpr，k，t表示第k段回水管道内的热水在t时刻的流速，单位：m/s；热水流速约束条件满足式(14)和式(15)：式中：表示第k段供水管道在t时刻热水流速下限，单位：m/s；vps，k，t，表示第k段供水管道在t时刻热水流速，单位：m/s；表示第k段供水管道在t时刻热水流速上限，单位：m/s；表示第k段回水管道在t时刻热水流速下限，单位：m/s；vpr，k，t表示第k段回水管道在t时刻热水流速，单位：m/s；表示第k段回水管道在t时刻热水流速上限，单位：m/s；计算管道热水传输时间，如式(16)和式(17)所示：式中：τps，k，t表示第k段供水管道在t时刻的传输时间，单位：h；lj表示第j段管道的长度，单位，m；vps，j，t表示第j段供水管道t时刻的热水流速，单位：m/s；Sps，k表示热水从热源与第k段供水管道之间的管道集合；τpr，k，t表示第k段回水管道在t时刻的传输时间，单位：h；Spr，k表示热水从热源流与第k段回水管道之间的管道集合；vpr，j，t表示第j段回水管道在t时刻的热水流速，单位：m/s；对式(16)和式(17)计算的实际传输时间做取整处理，如式(18)和式(19)所示：式中：表示第k段供水管道在t时刻的传输时间段，单位：h；表示第k段回水管道在t时刻的传输时间段，单位：h；Δt表示调度时间尺度，单位：h；考虑热网传输延时及传输热损后，管道入口及出口温度满足如式(20)和式(21)所示约束：式中：表示供水管道k1在t时刻入口处热量，单位：kW；表示供水管道k2在时刻出口处热量，单位：kW；μhn表示热网热损率；表示热源与供水管道k2之间的管道集合；Sps，hs表示与热源相连的供水管道集合；表示回水管道k1在i时刻入口处热量，单位：kW；表示回水管道k2在时刻出口处热量，单位：kW；表示热源与回水管道k2之间的管道集合；Spr，m表示与第m个换热器相连的回水管道集合；表示t时刻从热源流出的热水至第k2段供水管道的延时时间段；表示t时刻从第k2段回水管道流至热源的延时时间段；lj表示第j条管道的长度，单位：m；步骤102)建立换热器模型：热网中，一级换热器耦合热源与一级供热网，模型如式(22)和式(23)所示：式中：表示供水管道k1在t时刻入口处热量，单位：kW；表示回水管道k2在t时刻出口处热量，单位：kW；Qgt，t表示燃气轮机在t时刻的热出力，单位：kW；Qgb，t表示燃气锅炉在t时刻的热出力，单位：kW；ηex，1表示一级热交换器的换热效率；表示第k1段供水管道在t时刻的热水流量，单位：kg/h；表示第k2段回水管道在t时刻的热水流量，单位：kg/h；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤10)分别建立考虑传输延时的热网模型以及考虑蓄热特性的建筑物模型；步骤20)结合冷热电联供系统模型、热网模型及建筑物模型，建立综合能源系统优化模型；步骤30)运用综合能源系统优化模型求解得到最优调度计划，并按照该最优调度计划，控制燃气轮机和燃气锅炉每小时的出力，并向电网与风电场购电。

【技术特征摘要】
1.一种基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤10)分别建立考虑传输延时的热网模型以及考虑蓄热特性的建筑物模型；步骤20)结合冷热电联供系统模型、热网模型及建筑物模型，建立综合能源系统优化模型；步骤30)运用综合能源系统优化模型求解得到最优调度计划，并按照该最优调度计划，控制燃气轮机和燃气锅炉每小时的出力，并向电网与风电场购电。2.按照权利要求1所述的基于热网和房屋热惯性的综合能源系统优化方法，其特征在于，所述的步骤10)中，建立热网模型的过程为：步骤101)建立热网管道模型，具体包括步骤1011)—步骤1015)：步骤1011)建立节点流量平衡方程，如式(1)和式(2)所示：式中：qps,k,t表示第k段供水管道在t时刻的流量，单位：kg/h；qpr,k,t表示第k段回水管道在t时刻的流量，单位：kg/h；表示以节点i为终点的供水管道集合；表示以节点i为终点的回水管道集合，表示以节点i为起点的供水管道集合，表示以节点i为起点的供水管道集合，Sns表示供水管道节点集合，Snr表示回水管道节点集合，St表示调度时间段集合。步骤1012)建立管道压损方程，如式(3)至式(5)所示：式中：Δpps,k,t表示第k段供水管道在t时刻的压力损失，单位：m；μp表示压损因子，Sps表示供水管道集合，Δppr,k,t表示第k段回水管道在t时刻的压力损失，单位：m；Spr表示回水管道集合，Δppu,i,t表示第i个水泵在t时刻提供的压力，Spu表示管道中水泵集合；步骤1013)建立温度-流量-热量方程，如式(6)和式(7)所示：式中：表示第k段供水管道t时刻入口热量，单位：kW；C表示水的比热容；表示第k段供水管道t时刻入口温度，单位：℃；λ表示单位换算因子；表示第k段供水管道t时刻出口热量，单位：kW；表示第k段供水管道t时刻出口温度，单位：℃；表示第k段回水管道t时刻入口热量，单位：kW；表示第k段回水水管道t时刻入口温度，单位：℃；表示第k段回水管道t时刻出口热量，单位：kW；表示第k段回水水管道t时刻出口温度，单位：℃；步骤1014)建立温度融合方程：根据热力学第一定律，设以节点i为终点的各管道流量在节点i处融合后形成一个稳定的温度场，则以节点i为起点的管道入口温度均相等且等于节点温度，如式(8)至式(11)所示：式中：Tns,i,t表示供水管道节点i在t时刻的温度，单位：℃；Tnr,i,t表示回水管道节点i在t时刻的温度，单位：℃；步骤1015)建立热网传输延时方程：计算管道热水流速，如式(12)和式(13)所示：式中：vps,k,t表示第k段供水管道内的热水在t时刻的流速，单位：m/s；ρ表示热水密度；dk表示第k段管道内径，单位：m；vpr,k,t表示第k段回水管道内的热水在t时刻的流速，单位：m/s；热水流速约束条件满足式(14)和式(15)：式中：表示第k段供水管道在t时刻热水流速下限，单位：m/s；vps,k,t表示第k段供水管道在t时刻热水流速，单位：m/s；表示第k段供水管道在t时刻热水流速上限，单位：m/s；表示第k段回水管道在t时刻热水流速下限，单位：m/s；vpr,k,t表示第k段回水管道在t时刻热水流速，单位：m/s；表示第k段回水管道在t时刻热水流速上限，单位：m/s；计算管道热水传输时间，如式(16)和式(17)所示：式中：τps,k,t表示第k段供水管道在t时刻的传输时间，单位：h；lj表示第j段管道的长度，单位，m；vps,j,t表示第j段供水管道t时刻的热水流速，单位：m/s；Sps,k表示热水从热源与第k段供水管道之间的管道集合；τpr,k,t表示第k段回水管道在t时刻的传输时间，单位：h；Spr,k表示热水从热源流与第k段回水管道之间的管道集合；vpr,j,t表示第j段回水管道在t时刻的热水流速，单位：m/s；对式(16)和式(17)计算的实际传输时间做取整处理，如式(18)和式(19)所示：式中：表示第k段供水管道在t时刻的传输时间段，单位：h；表示第k段回水管道在t时刻的传输时间段，单位：h；△t表示调度时间尺度，单位：h；考虑热网传输延时及传输热损后，管道入口及出口温度满足如式(20)和式(21)所示约束：式中：表示供水管道k1在t时刻入口处热量，单位：kW；表示供水管道k2在时刻出口处热量，单位：kW；μhn表示热网热损率；表示热源与供水管道k2之间的管道集合；Sps,hs表示与热源相连的供水管道集合；表示回水管道k1在t时刻入口处热量，单位：kW；表示回水管道k2在时刻出口处热量，单位：kW；表示热源与回水管道k2之间的管道集合；Spr,m表示与第m个换热器相连的回水管道集合；表示t时刻从热源流出的热水至第k2段供水管道的延时时间段；表示t时刻从第k2段回水管道流至热源的延时时间段；lj表示第j条管道的长度，单位：m；步骤102)建立换热器模型：热网中，一级换热器耦合热源与一级供热网，模型如式(22)和式(23)所示：式中：表示供水管道k1在t时刻入口处热量，单位：kW；表示回水管道k2在t时刻出口处热量，单位：kW；Qgt,t表示燃气轮机在t时刻的热出力，单位：kW；Qgb,t表示燃气锅炉在t时刻的热出力，单位：kW；ηex,1表示一级热交换器的换热效率；表示第k1段供水管道在t时刻的热水流量，单位：kg/h；表示第k2段回水管道在t时刻的热水流量，单位：kg/h；Spr,hs表示与热源相连的回水管道集合；二级换热器耦合一级供热网与...

【专利技术属性】
技术研发人员：楼冠男，顾伟，王珺，陆帅，骆钊，吴晨雨，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32