基于热惯性的热电联产系统混合时间尺度调度方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于热惯性的热电联产系统混合时间尺度调度方法，首先建立区域热网热惯性模型与建筑物热惯性模型，其次建立热电联产系统混合时间尺度调度模型，包括日前调度模型‑日内滚动调度模型‑实时调度模型‑自动发电控制模型，最后基于设备运行约束和负荷特性分别确定日前调度模型、日内滚动调度模型和实时调度模型下各供电、供热设备的调度时间尺度。本发明专利技术所提出的混合时间尺度调度方法充分考虑了电、热子系统的传输网络和负荷特性差异，通过将供热系统热惯性作为约束条件加入优化调度模型中，并协调四个模型相互配合，最大限度地促进热电联产系统消纳可再生能源，并逐级降低可再生能源和负荷不确定性对系统功率平衡的影响。

【技术实现步骤摘要】
基于热惯性的热电联产系统混合时间尺度调度方法
本专利技术涉及一种热电联产系统优化调度方法，具体属于能源系统运行优化

技术介绍
热电联产(CombinedHeatandPowerGeneration,CHP)作为一种高效地能源利用方式，已经获得了世界范围内学术界和工业界的广泛关注。截至2016年底，世界热电联产机组总装机容量已经达到755.2GW，其中亚太地区和欧洲地区分别占据了46％和39％。在荷兰、芬兰和丹麦，热电联产机组已经占据了火电总机组数目的60％以上；在中国，80％的工业供热和30％的民用供热均由热电联产机组提供。一方面，热电联产机组在提升能源利用率和减少环境污染方面带来了良好效益；另一方面，机组发电和发热之间存在的强耦合性限制了系统的运行灵活性，这一问题将随着越来越多具有随机输出特性的可再生能源(如风电和光伏)接入电网而日益突出。例如，在中国东北地区，冬季夜间的热负荷需求远大于白天，这与风电场的输出电功率特性截然相反。由于热电联产机组通常运行在“以热定电”的模式，夜间机组为了满足大量的热负荷需求不得不增加热功率输出，机组的电功率输出也随之增加，这些多出的电功率挤占了用于消纳夜间大量风电的空间，为了保证系统的安全稳定运行，不得不大规模弃风。根据国家能源局的统计数据，2017年全国总弃风量达到419亿千瓦时，甘肃、新疆和吉林省的弃风比例分别达到了33％、29％和21％。由此可见，如何协调热电联产机组的推广与促进风电消纳已经成为阻碍热电联产系统可持续发展的一个关键问题。虽然已有文献提出了配置储能电站、蓄热罐、蓄热槽等主动储能装置，以及利用以区域热网的热惯性和建筑物的蓄热特性为代表的被动式储热装置来提升风电消纳等措施。但是这些措施需要增加额外的投资成本，并且消纳风电的潜力有限。
技术实现思路
专利技术目的：为减少投资成本，并且最大限度地促进热电联产系统消纳可再生能源本专利技术提供一种基于热惯性的热电联产系统混合时间尺度调度方法。技术方案：本专利技术提供一种基于热惯性的热电联产系统混合时间尺度调度方法，首先建立基于热力学定律建立供热系统热惯性模型，该模型包括两个方面内容：一是由区域热网的传输时延和蓄热能力而造成的区域热网热惯性模型；二是由建筑物围护结构的蓄热特性而造成的建筑物热惯性模型。其次建立热电联产系统混合时间尺度调度模型，包括日前调度模型-日内滚动调度模型-实时调度模型-自动发电控制模型四个模型，各模型内部的供电、热设备依据不同时间尺度进行调度，四个模型相互配合，逐级降低可再生能源和负荷不确定性对系统功率平衡的影响。最后考虑电、热子系统在运行特性方面的差异，基于设备运行约束和负荷特性分别确定日前调度模型、日内滚动调度模型和实时调度模型下各供电、供热设备的调度时间尺度。有益效果：本专利技术所提出的混合时间尺度调度方法充分考虑了电、热子系统的传输网络和负荷特性差异，通过将供热系统热惯性作为约束条件加入优化调度模型中，并协调四个模型相互配合，可以最大限度地促进热电联产系统消纳可再生能源，并逐级降低可再生能源和负荷不确定性对系统功率平衡的影响。附图说明图1是本专利技术的系统结构图；图2是本专利技术的流程图；图3是本专利技术的电功率调度结果图；图4是本专利技术的热功率调度结果图。具体实施方式构成本专利技术的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。如图1所示，本实施例的热电联产系统由大电网、热电联产机组、电锅炉、分布式热泵、储能电站、风机、发电机和燃气锅炉组成。该系统中，热电联产机组承担供热基荷，电功率缺额由发电机、电网、风机和储能设备补偿，热功率缺额由电锅炉、燃气锅炉和分布式热泵补偿。系统通过一条联络线与大电网相连，可从电网购电也可向电网售电，系统同时向电、热两种负荷提供能量需求，调度中心通过输入的预测信息、价格信息、室温约束和系统运行约束进行统一优化，然后将优化运行指令下发给各设备执行。如图2所示，本实施的一种基于热惯性的热电联产系统混合时间尺度调度方法，具体包括如下步骤：步骤1：建立供热系统热惯性模型，该模型包括两个方面：一：建立由区域热网的传输时延和蓄热能力而造成的区域热网热惯性模型，二：建立由建筑物围护结构的蓄热特性而造成的建筑物热惯性模型；步骤2：将上述的供热系统热惯性模型作为约束条件，建立热电联产系统混合时间尺度调度模型；步骤3：根据建筑物热惯性模型与热电联产系统混合时间尺度调度模型，确定各个供电、供热设备的调度时间尺度，所述各个供热设备包括：所述各个供热设备包括：热电联产机组、燃气锅炉、分布式热泵、电锅炉。步骤1中所述区域热网热惯性模型包括：区域热网中热媒在相邻两节点之间的传输时延、任一节点处热媒的温度模型、热网的蓄热特性模型、温度损失模型；所述区域热网中热媒在相邻两节点之间的传输时延为：其中，τij为节点i与节点j之间管段的传输时延；lij为节点i与节点j之间管段的长度；vij为节点i与节点j之间管段内热煤的流速；所述任一节点处热媒的温度模型为：其中，Ti为节点i处的热媒温度，qki为节点k至节点i所连接管段中的热媒流量；Tki为节点k至节点i所连接管段中节点i端的热媒温度；Si为所有与节点i直接相连并且热媒流向i的节点集合；所述热网的蓄热特性模型由热媒温度的变化范围表示，具体为如下公式：其中，Tin，x和Tout，x分别为流入和流出管道x的热媒温度；下标min和max分别为相应物理量的最小值和最大值；Sp为所有管道的集合；所述温度损失模型为：一根管道中热媒的入口温度和出口温度应满足公式4时，这部分热损失被看做热网作为一个储能设备在充放热量时产生的能量损失；其中，Tair，ex为室外环境温度；lx为x管道的长度；R为管道热阻；cw为热媒比热容；为x管道中热媒的质量流量，e为自然对数的底数；建立建筑物热惯性模型；由于建筑物的围护结构具有较大热阻，在供热不变的条件下，室温随外界温度的变化较为缓慢，呈现出一种“惯性”特征。同时，对于民用采暖建筑等以舒适性为主的供暖建筑，室温通常存在一个变化区间(我国一般为18～26℃)，这一温度变化区间为建筑物蓄存热量提供了一定空间。建筑物室内温度Tair满足式(5)所示热力学方程步骤1.1，建立热力学方程：其中，Tair为建筑物室内温度，Qin为散热器的散热功率；和分别为建筑物的围护结构传热耗热功率、冷风渗透耗热功率、冷风侵入耗热功率和通风耗热功率，cair、ρair、Vair分别为室内空气的比热容、密度和体积；Tair，0为初始时刻室温；t为时间变量；所述和计算方法如下：其中，Kenv为建筑物围护结构的传热系数；Fenv为建筑物正对的散热面积；γ为温差修正系数；xh、xo和xw分别为房高附加率、朝向修正率和风力附加率；为室外空气的定压比热容；ρair，ex为室外空气的密度；Linfil为渗透的冷风量；N为外门的冷风侵入附加率；为建筑物外门传热引起的耗热量；η为外门基本耗热功率占建筑总体基本耗热功率的比值；Lven为建筑物所需的通风量；步骤1.2，建立逆流式热水-空气换热器模型：其中，KRad和FRad分别为散热器的传热系数和散热面积；β为散热器组装片数、连接形式和安装形式综合修正系数；Tav为散热器内热本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于热惯性的热电联产系统混合时间尺度调度方法，其特征在于，具体包括如下步骤；步骤1：建立供热系统热惯性模型，该模型包括两个方面：一：建立由区域热网的传输时延和蓄热能力而造成的区域热网热惯性模型，二：建立由建筑物围护结构的蓄热特性而造成的建筑物热惯性模型；步骤2：将上述的供热系统热惯性模型作为约束条件，建立热电联产系统混合时间尺度调度模型；步骤3：根据建筑物热惯性模型与热电联产系统混合时间尺度调度模型，确定各个供热设备的调度时间尺度，所述各个供热设备包括：热电联产机组、燃气锅炉、分布式热泵、电锅炉。

【技术特征摘要】
1.基于热惯性的热电联产系统混合时间尺度调度方法，其特征在于，具体包括如下步骤；步骤1：建立供热系统热惯性模型，该模型包括两个方面：一：建立由区域热网的传输时延和蓄热能力而造成的区域热网热惯性模型，二：建立由建筑物围护结构的蓄热特性而造成的建筑物热惯性模型；步骤2：将上述的供热系统热惯性模型作为约束条件，建立热电联产系统混合时间尺度调度模型；步骤3：根据建筑物热惯性模型与热电联产系统混合时间尺度调度模型，确定各个供热设备的调度时间尺度，所述各个供热设备包括：热电联产机组、燃气锅炉、分布式热泵、电锅炉。2.根据权利要求1所述的基于热惯性的热电联产系统混合时间尺度调度方法，其特征在于，所述步骤1中区域热网热惯性模型包括：区域热网中热媒在相邻两节点之间的传输时延、任一节点处热媒的温度模型、热网的蓄热特性模型、温度损失模型；所述区域热网中热媒在相邻两节点之间的传输时延为：其中，τij为节点i与节点j之间管段的传输时延；lij为节点i与节点j之间管段的长度；vij为节点i与节点j之间管段内热煤的流速；所述任一节点处热媒的温度模型为：其中，Ti为节点i处的热媒温度，qki为节点k至节点i所连接管段中的热媒流量；Tki为节点k至节点i所连接管段中节点i处的热媒温度；Si为所有与节点i直接相连并且热媒流向i的节点集合；所述热网的蓄热特性模型由热媒温度的变化范围表示，具体为如下公式：其中，Tin，x和Tout，x分别为流入和流出管道x的热媒温度；下标min和max分别为相应物理量的最小值和最大值；Sp为所有管道的集合；所述温度损失模型为：其中，Tair,ex为室外环境温度；lx为x管道的长度；R为管道热阻；cw为热媒比热容；为x管道中热媒的质量流量，e为自然对数的底数；所述建立建筑物围护结构的蓄热特性而造成的建筑物热惯性模型具体包括如下步骤：步骤1.1：建立热力学方程：其中，Tair为建筑物室内温度，Qin为散热器的散热功率；和分别为建筑物的围护结构传热耗热功率、冷风渗透耗热功率、冷风侵入耗热功率和通风耗热功率，cair、ρair、Vair分别为室内空气的比热容、密度和体积；Tair,0为初始时刻室温；t为时间变量；所述和计算方法如下：其中，Kenv为建筑物围护结构的传热系数；Fenv为建筑物正对的散热面积；γ为温差修正系数；xh、xo和xw分别为房高附加率、朝向修正率和风力附加率；为室外空气的定压比热容；ρair,ex为室外空气的密度；Linfil为渗透的冷风量；N为外门的冷风侵入附加率；为建筑物外门传热引起的耗热量；η为外门基本耗热功率占建筑总体基本耗热功率的比值；Lven为建筑物所需的通风量；步骤1.2：建立逆流式热水-空气换热器模型：其中，KRad和FRad分别为散热器的传热系数和散热面积；β为散热器组装片数、连接形式和安装形式综合修正系数；Tav为散热器内热媒的平均温度；Tin和Tout分别为散热器的进水温度和出水温度；mw为热媒的流量；步骤1.3：由公式7得散热功率与热网供水温度和室内温度的关系：步骤1.4：设立系数α、α1、α2和α3，α、α1、α2和α3计算公式如下：将系数α、α1、α2和α3代入公式5中，化简得：求得其离散解为：其中，n为调度的时间间隔数,n＝0,1,2…；Δt为调度的时间间隔；为第b个调度时段的供水温度；为第b个调度时段的室外温度,b＝n；为保证供暖舒适性，室温在一定范围内波动：其中，和分别为室温的下限和上限。3.根据权利要求2所述的基于热惯性的热电联产系统混合时间尺度调度方法，其特征在于：所述热电联产系统混合时间尺度调度模型包括日前调度模型；所述日前调度模型的具体建立步骤如下：步骤2.1：热电联产系统在区域热网热惯性模型、建筑物热惯性模型、节点流量平衡、温室平均温度、电网运行的约束下运行，供电设备一小时更新一次，供热设备1～24小时更新一次；所述热网热惯性模型为公式1～4，所述建筑物热惯性模型为公式11～12，所述节点流量平衡如公式13所示：其中，流入节点i的流量取正，流出取负；所述温室平均温度如公式14所示：其中,为一天内室内温度的平均值，t表示时间变量，为t时间段室内温度；步骤2.2；建立目标函数，以下一日日运行费用的最小化为目标，具体目标函数如下：其中，和分别表示t时段系统的燃料费用、运行维护费用、联络线交互费用和弃风惩罚费用，所述和具体计算方法为：其中和分别表示t时段第δ种燃料的耗量和该种燃料的价格；和分别表示t时段第λ种燃料的耗量和该种燃料的价格；和分别表示t时段第σ种供电设备输出的电功率和该种设备的运行维护系数；和分别表示t时段第γ1种供热设备输出的热功率和该种设备的运行维护系数；Pttie,p和分别表示t时段联络线上注入的电功率和该时段联络线上的电价；Pttie,s和分别表示t时段联络线上输出的电功率和该时段联络线上的电价；Ptwind,real和Ptwind,cons分别表示t时段风电场的实际输出...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾伟，姚帅，周苏洋，陆帅，吴晨雨，潘光胜，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32