基于电热型综合能源系统运行优化的差分格式选择方法技术方案

本发明专利技术专利公开了基于电热型综合能源系统运行优化的差分格式选择方法，首先建立包含热网暂态传热特性约束的电热型综合能源系统运行优化模型，所述热网暂态传热特性约束由以热媒温度为变量的偏微分方程表示；再依据热网初边值条件，确定在运行优化中能够用于处理偏微分方程约束的差分格式，从而判定出可行差分格式需要满足的必要条件；最后基于稳定性条件、收敛性条件、仿真精度和计算复杂度四个指标综合确定最优的差分格式；本方法能够选择综合性能最优的差分格式，提升热网仿真精度的同时避免显著增加运行优化过程的计算量，获得较为精确的热网运行状态。

Differential Scheme Selection Method Based on Operational Optimization of Electrothermal Integrated Energy System

【技术实现步骤摘要】
基于电热型综合能源系统运行优化的差分格式选择方法所属领域本专利技术属于能源系统运行优化
，具体涉及一种基于电热型综合能源系统运行优化的差分格式选择方法。
技术介绍
当今社会发展与能源消耗之间的矛盾日益明显，英国石油公司2018年发布的世界能源统计年鉴显示，世界煤炭探明储量大约只能维持134年的人类生产活动，而石油和天然气仅能维持53年左右，因而要实现极具挑战性的环保目标，并为当代和后代人类提供经济的、可持续的能源供给，急需创新变革当下的能源使用方式。在此背景下，综合能源系统(IntegratedEnergySystem,IES)的概念应运而生，其实质是将各种能源(如电、气、热、氢等)相互整合，充分发挥它们之间的协同和互补作用，以此提高整体能源利用效率，促进可再生能源消纳，并降低能源消耗、成本和排放量。事实证明，IES是一种有效的能源解决方案，在构建安全、高效、清洁、灵活的未来能源系统方面潜力巨大。作为综合能源系统的一种典型形式，电热型综合能源系统通过耦合设备(如热电联产机组、电锅炉和电热泵)在电、热两个子系统之间建立广泛的联系。与传统的分立供应能源系统相比，电热型综合能源系统可以充分利用发电过程中产生的余热来满足部分民用或工业供热负荷，从而提高整体能源利用效率。此外，供热系统的热惯性可以显著增加系统消纳可再生能源和运行优化的灵活性，并通过减弱可再生能源的波动性来增强电力系统的稳定性。所以，电热型综合能源系统由于其多方面的优势越来越受到国内外广泛的研究关注。与单一供电系统或供热系统的运行优化不同，由于耦合设备的存在，两个物理特性截然不同的能源子系统彼此联系，相互耦合，由此导致系统规模激增，并引入了更多的强非线性因素，为系统整体的运行优化带来了巨大挑战。为了准确描述热网的暂态特性，需要在运行优化模型中引入偏微分方程约束，为了求解该模型，一个直接的做法是将偏微分方程约束差分成一系列线性等式约束，因而如何选取一种稳定性能、收敛性能、计算精度和计算复杂度都较为良好的差分格式至关重要。
技术实现思路
本专利技术正是针对现有技术中的问题，提供了基于电热型综合能源系统运行优化的差分格式选择方法，首先建立包含热网暂态传热特性约束的电热型综合能源系统运行优化模型，所述热网暂态传热特性约束由以热媒温度为变量的偏微分方程表示，再依据热网初边值条件，确定在运行优化中能够用于处理偏微分方程约束的差分格式，从而判定出可行差分格式需要满足的必要条件，最后基于稳定性条件、收敛性条件、仿真精度和计算复杂度四个指标综合确定最优的差分格式，获得较为精确的热网运行状态，确保运行优化模型稳定收敛，并最大限度地减少运行优化的计算复杂度。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：基于电热型综合能源系统运行优化的差分格式选择方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，建立电热型综合能源系统运行优化模型：所述优化模型包含热网暂态传热特性约束，所述热网暂态传热特性约束由以热媒温度为变量的偏微分方程表示；S2，可行差分格式需要满足的必要条件判定：依据热网初边值条件，确定在运行优化中能够用于处理偏微分方程约束的差分格式，从而判定出可行差分格式需要满足的必要条件；S3，确定最优的差分格式：所述最优的差分格式基于稳定性条件、收敛性条件、仿真精度和计算复杂度四个指标综合确定。作为本专利技术的一种改进，所述步骤S1中的优化模型基于热网、电网、各设备运行约束及系统供需平衡约束，以最小化电热型综合能源系统一天总运行费用为目标函数；所述设备运行约束中，发电机和热电机组的耗煤量是所发电、热功率的二次函数，储能设备充放电状态约束和联络线购售电状态约束引入0-1变量表示，所述模型以含偏微分方程约束的形式具体为：minf(x)＝xTcTx+dTxs.t.blb≤Ax≤bubAeqx＝beqxlb≤x≤xubxi∈{0,1},i∈I式中：决策向量x包括系统内各个机组的出力变量和网络的状态变量；上标T表示矩阵的转置运算；上标lb和ub分别表示某一变量的下限和上限；I为所有0-1变量构成的集合；T和Ta分别表示管道内热媒温度和管道外环境温度；v和c分别表示热媒的质量流量、流速和比热容；R为管道的热阻。作为本专利技术的一种改进，所述步骤S1优化模型中的热网约束包括元件特性约束和网络拓扑约束，所述元件特性约束是指每根管段的传热特性，具体为：所述网络拓扑约束为：式中：为第i根管道的质量流量；为从第i根管道流入第n个节点的热媒温度；为从第n个节点流入第j根管道的热媒温度；Tn为从第n个节点的热媒温度；和分别表示与第n个节点相连并有热媒流入和流出该节点的所有管段的集合。作为本专利技术的另一种改进，所述步骤S1优化模型中电网约束采用直流潮流模型，如下式所示：式中：为从发电机注入节点k的有功功率；为负荷从节点k取出的有功功率；Bkj为节点导纳矩阵中第k行第j列中的元素；θk为节点k的电压相角；Pkj为节点k和几点j之间的有功潮流；Sbus和Sgen分别为电网所有节点的集合与所有发电机节点的集合。作为本专利技术的另一种改进，所述的步骤S2进一步包括：S21，确定热网初边值条件：所述根据元件特性约束确定的初边值条件为：式中：为热媒温度关于空间位置的函数；ψ(t)为热媒温度关于时间的函数；S22，确定在运行优化中能够用于处理偏微分方程约束的差分格式：所述可行差分格式的确定原则是，依据步骤S21中的初边值条件，能够获得管道出口处热媒温度随时间变化的情况，所述节点(i,k+1)处的热媒温度Tik+1表示为：式中：为节点(xj，,tj)处的热媒密度；ωj为的非零系数；S23，根据步骤S22确定的可行差分格式，判断出可行差分格式需要满足的必要条件，所述必要条件为：节点(xj,tj)只能从集合{(xi-1,tk),(xi-1,tk+1),(xi,tk)}中选择。作为本专利技术的又一种改进，所述差分格式为：式中：α，β和γ为参数，取值如下：作为本专利技术的又一种改进，步骤S3中差分格式的稳定性条件满足：||(A-1B)k+1||2≤U2(0≤k≤N-1)式中：U2是一个表示上界的常数；||·||2为矩阵的2-范数；矩阵A、B取值如下：作为本专利技术的更进一步改进，所述收敛性条件至少满足时间上以二阶精度收敛，空间上以一阶精度收敛。与现有技术相比，本专利技术所提出的基于电热型综合能源系统运行优化的差分格式选择方法，能够得到综合性能最优的差分格式，获得较为精确的热网运行状态，确保运行优化模型稳定收敛，并最大限度地减少运行优化的计算复杂度。附图说明图1是本专利技术方法的步骤流程图；图2是本专利技术步骤S2中用于分析所有可行差分格式的网格示意图；图3是本专利技术方法最优结果的差分格式的网格示意图。具体实施方式以下将结合附图和实施例，对本专利技术进行较为详细的说明。实施例1基于电热型综合能源系统运行优化的差分格式选择方法，如图1所示，包括以下步骤：S1，建立电热型综合能源系统运行优化模型：所述优化模型包含热网暂态传热特性约束，所述热网暂态传热特性约束由以热媒温度为变量的偏微分方程表示，基于热网、电网、各设备运行约束及系统功率平衡约束，以最小化电热型综合能源系统一天总运行费用为目标函数。所述热网以热水作为热媒，采用质调节运行方式，与电网类似，热网的物理特性可以从以下两个方面描述：元本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于电热型综合能源系统运行优化的差分格式选择方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，建立电热型综合能源系统运行优化模型：所述优化模型包含热网暂态传热特性约束，所述热网暂态传热特性约束由以热媒温度为变量的偏微分方程表示；S2，可行差分格式需要满足的必要条件判定：依据热网初边值条件，确定在运行优化中能够用于处理偏微分方程约束的差分格式，从而判定出可行差分格式需要满足的必要条件；S3，确定最优的差分格式：所述最优的差分格式基于稳定性条件、收敛性条件、仿真精度和计算复杂度四个指标综合确定。

【技术特征摘要】
2019.03.08 CN 20191017498861.基于电热型综合能源系统运行优化的差分格式选择方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，建立电热型综合能源系统运行优化模型：所述优化模型包含热网暂态传热特性约束，所述热网暂态传热特性约束由以热媒温度为变量的偏微分方程表示；S2，可行差分格式需要满足的必要条件判定：依据热网初边值条件，确定在运行优化中能够用于处理偏微分方程约束的差分格式，从而判定出可行差分格式需要满足的必要条件；S3，确定最优的差分格式：所述最优的差分格式基于稳定性条件、收敛性条件、仿真精度和计算复杂度四个指标综合确定。2.如权利要求1所述的基于电热型综合能源系统运行优化的差分格式选择方法，其特征在于所述步骤S1中的优化模型基于热网、电网、各设备运行约束及系统供需平衡约束，以最小化电热型综合能源系统一天总运行费用为目标函数；所述设备运行约束中，发电机和热电机组的耗煤量是所发电、热功率的二次函数，储能设备充放电状态约束和联络线购售电状态约束引入0-1变量表示，所述模型以含偏微分方程约束的形式具体为：minf(x)＝xTcTx+dTxs.t.blb≤Ax≤bubAeqx＝beqxlb≤x≤xubxi∈{0,1},i∈I式中：决策向量x包括系统内各个机组的出力变量和网络的状态变量；上标T表示矩阵的转置运算；上标lb和ub分别表示某一变量的下限和上限；I为所有0-1变量构成的集合；T和Ta分别表示管道内热媒温度和管道外环境温度；v和c分别表示热媒的质量流量、流速和比热容；R为管道的热阻。3.如权利要求2所述的基于电热型综合能源系统运行优化的差分格式选择方法，其特征在于所述步骤S1优化模型中的热网约束包括元件特性约束和网络拓扑约束，所述元件特性约束是指每根管段的传热特性，具体为：所述网络拓扑约束为：式中：为第i根管道的质量流量；为从第i根管道流入第n个节点的热媒温度；为从第n个节点流入第j根管道的热媒温度；Tn为从第n个节点的...

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