计及天然气管网和热力管网特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计及天然气管网和热力管网特性的综合能源系统优化方法。本发明专利技术的综合能源系统优化方法，其包括步骤：1)构建含多能流耦合设备和储能设备的能源中心设备模型；2)构建含电力网络、天然气管网和热力管网的能源网络模型；3)以综合能源系统运行周期内总成本最小为优化目标，考虑综合能源系统建设约束和运行约束，建立计及天然气管网和热力管网特性的综合能源系统优化模型。本发明专利技术所提方法能够提供综合能源系统协同规划的技术方案，在增强系统灵活性的同时，提高综合能源利用率。

【技术实现步骤摘要】
计及天然气管网和热力管网特性的综合能源系统优化方法
本专利技术涉及电力系统优化领域，具体地说是一种计及天然气管网和热力管网特性的综合能源系统优化方法。
技术介绍
能源可持续发展形势的日益严峻，促使各国打破各能源系统单独规划、独立运行的既有模式，开展多能流综合利用的研究。多种能源系统在规划、设计、建设和运行阶段协调配合，能够推动多能流互补共济，促进可再生能源消纳，提升能源整体利用效率，增强能源系统灵活性。能源中心将综合能源系统中的多能流耦合设备和储能设备抽象为一个输入-输出双端口网络模型，模型中多种能流分别从两个端口输入与输出，简化了综合能源系统中复杂的多能流耦合关系。在此基础上，综合能源系统规划问题可以分为能源中心规划与能源网络规划两部分内容。目前，关于能源中心的规划问题已经开展了较为充分的研究。能源中心的规划大多建立在优化运行的基础上，主要关注能源中心的多能流耦合设备和储能设备的选址定容，但忽略了能源网络特性的影响。然而，综合能源系统中的能源中心往往不是独立运行的，对于综合能源系统规划问题，除考虑能源网络规划之外，还需要考虑能源网络特性对能源中心运行的影响。目前，关于能源网络特性对能源中心运行影响的研究主要集中在气网管存、热网损耗和热网延时方面。针对含多个能源中心的综合能源系统规划问题，部分研究考虑了天然气管网或热力管网，还未有兼顾天然气与热力管网特性的综合能源系统优化方法研究。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种计及天然气管网和热力管网特性的综合能源系统优化方法，其在满足多区域电、气、热负荷需求以及综合能源系统优化运行的基础上，得到多能量枢纽与能源网络的协同规划方案，增强能源系统的灵活性，提高综合能源利用效率。为此，本专利技术采用如下的技术方案：计及天然气管网和热力管网特性的综合能源系统优化方法，其包括步骤：1)构建含多能流耦合设备和储能设备的能源中心设备模型；2)构建含电力网络、天然气管网和热力管网的能源网络模型；3)以综合能源系统运行周期内总成本最小为优化目标，考虑综合能源系统建设约束和运行约束，建立计及天然气管网和热力管网特性的综合能源系统优化模型。本专利技术构造了计及管网特性的综合能源系统优化数学模型，通过MATLAB环境下的YALMIP/GUROBI求解便可得到综合能源系统中能量枢纽设备与能源网络的最优规划技术方案。进一步地，步骤1)中，所述能源中心设备模型抽象为一个输入-输出双端口网络模型，多种能流分别从两个端口输入与输出，多能流耦合设备和储能设备的输入和输出端按照能源形式，分别汇集到同一端点。进一步地，步骤1)中，所述的多能流耦合设备包括电热锅炉、燃气锅炉、燃气轮机和热电联产机组，其能源转移效率统一表示为：式中：Pκ,xi为多能流耦合设备x的输入功率，其中κ表示电能e、天然气能g和热能h，n表示输入能量种类的数目；为多能流耦合设备x输出的电、气、热功率；η(n×1)为能源转换效率矩阵；所述储能设备包括储电、储气和储热设备，储能设备的运行约束统一表示为：式中：下标t表示t时刻，为储能设备x的储能量；和分别为储能设备x的充、放能速率；ηκ,xi和ηκ,xo分别为储能设备x的充、放能效率；Δt为单位时间段的时长；和分别为储能设备x存储能量的上、下限；所述能源中心设备模型两个端口的输入与输出功率需满足：式中：下标k表示第k个能源中心；表示能源中心中所有设备的集合；和分别能源中心两个端口的输入与输出功率；和分别为设备x的输入和输出功率；为负荷功率。进一步地，步骤2)中，采用直流潮流模型描述电力网络：式中：为电力线路ij传输的有功功率；xL、θi,t和θj,t分别为电力线路ij的电抗值和首末端电压相角；电力网络节点能量平衡约束表示为：式中：为电网中与k节点相连的节点集合；为外部输电网的注入功率；为注入能源中心的电功率。进一步地，步骤2)中，所述的天然气管网中，天然气管道约束有：根据气体状态方程与波义耳定律，管存相关的计算式如下：且其满足质量守恒定律，如下式所示：其中，式中：Vij,t为天然气管道ij内的管存量；pi,t和pj,t分别为管道ij首末端的气压；和分别为管道ij的出、入口流量；和分别为管道ij内径和长度；Rgas为通用气体常数；为管道ij的管存系数；Mgas为天然气分子量；Tg、ψ和ρg分别为天然气温度、压缩因子和相对空气的密度；Δt为单位时间段的时长；此外，天然气管道传输的气流量与首末端气压有关，实际运行中大多数输气管道以高雷诺数的流速运行即处于湍流状态，满足管道气流方程，如下式所示，参数均折算到标准状况下：pi,min≤pi,t≤pi,max，其中式中：Qij.t为天然气管道ij内流经的平均气流量；为天然气管道ij的流量系数；ε为管道ij的绝对粗糙度；pi,max和pi,min分别为节点i的气压上、下限；所述的天然气管网中，加压站约束表示为：pi,t≤ξcompj,t，天然气网络节点能量平衡约束表示为：式中：为天然气管网中与节点k相连的节点集合；和分别为管道jk出口和入口端的气功率；为外部气源注入综合能源系统的气功率；为注入能源中心的气功率；为天然气热值；和分别为管道ik的出、入口流量；ξcom表示加压站最大加压系数。进一步地，步骤2)中，所述的热力管网中，换热站约束有：供水管和回水管的出入口温度约束表示如下：热负荷和能源中心与换热站热交换约束表示如下：热力管网节点热量守恒约束表示如下：式中：和和分别为第k个能源中心/第f个热负荷的供水管与回水管的出入口温度；和分别为第k个能源中心和第f个热负荷与其换热站的热交换功率；cw为水的比热容；和分别为单位时间内流过换热站的工质质量；NZ为流入汇集点z的管道集合；Tz,t和分别为汇集点z和管道b出口的工质温度；为单位时间内管道b流出的工质质量；所述的热力管网中，热网延时效应约束有：其中，式中：和分别为热力传输延时时长的上、下限；和分别为未计及温度损失时的管道出、入口温度；ρw为热力管网工质的密度；和分别为t-γb,t和t-φb,t+1时刻到t时刻注入管道的工质质量；Ν为正整数集合，n表示其中的元素；和分别为δt时间内流入和流出管道b的工质质量；和分别表示t-φb,t和t-γb,t时刻注入管道的工质温度；Ab和分别表示管道的横截面面积和长度。所述的热力管网中，热网损耗约束有：由于工质在传输过程中不可避免地与管道进行热交换而产生热量损耗，故管道出口温度根据苏霍夫温降公式进行修正：其中，式中：和为环境温度和修正后的管道出口温度；Jb,t和λb分别为温度保持系数与管道导热系数。所述的热力管网中，热网节点能量平衡约束有：能源中心和热负荷的热能平衡约束：式中：和分别为能源中心的输出热功率及其与换热站的热交换功率；和分别为第f个热负荷的功率及其与换热站的热交换功率。进一步地，步骤3)中，综合能源系统优化模型中，目标函数表示为：其中，式中：用下标s表示第s个场景；Cinv、和Ctotal分别表示计及设备残值的投资成本、第τ年的外部能源购买成本和系统运行周期内总成本；r为贴现率；Hor为规划年限；D为一年的天数；NS为一年内的场景集合；Νeh和Nbr分别为综合能源系统拓扑结构中的节点集合与支路集合；ΝX和Nnet分别为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.计及天然气管网和热力管网特性的综合能源系统优化方法，其特征在于，包括步骤：1)构建含多能流耦合设备和储能设备的能源中心设备模型；2)构建含电力网络、天然气管网和热力管网的能源网络模型；3)以综合能源系统运行周期内总成本最小为优化目标，考虑综合能源系统建设约束和运行约束，建立计及天然气管网和热力管网特性的综合能源系统优化模型。

【技术特征摘要】
1.计及天然气管网和热力管网特性的综合能源系统优化方法，其特征在于，包括步骤：1)构建含多能流耦合设备和储能设备的能源中心设备模型；2)构建含电力网络、天然气管网和热力管网的能源网络模型；3)以综合能源系统运行周期内总成本最小为优化目标，考虑综合能源系统建设约束和运行约束，建立计及天然气管网和热力管网特性的综合能源系统优化模型。2.根据权利要求1所述的计及天然气管网和热力管网特性的综合能源系统优化方法，其特征在于，步骤1)中，所述能源中心设备模型抽象为一个输入-输出双端口网络模型，多种能流分别从两个端口输入与输出，多能流耦合设备和储能设备的输入和输出端按照能源形式，分别汇集到同一端点。3.根据权利要求2所述的计及天然气管网和热力管网特性的综合能源系统优化方法，其特征在于，步骤1)中，所述的多能流耦合设备包括电热锅炉、燃气锅炉、燃气轮机和热电联产机组，其能源转移效率统一表示为：式中：Pκ,xi为多能流耦合设备x的输入功率，其中κ表示电能e、天然气能g和热能h，n表示输入能量种类的数目；为多能流耦合设备x输出的电、气、热功率；η(n×1)为能源转换效率矩阵；所述储能设备包括储电、储气和储热设备，储能设备的运行约束统一表示为：式中：下标t表示t时刻，为储能设备x的储能量；Ptκ,xi和Ptκ,xo分别为储能设备x的充、放能速率；ηκ,xi和ηκ,xo分别为储能设备x的充、放能效率；Δt为单位时间段的时长；和分别为储能设备x存储能量的上、下限；所述能源中心设备模型两个端口的输入与输出功率需满足：式中：下标k表示第k个能源中心；表示能源中心中所有设备的集合；和分别能源中心两个端口的输入与输出功率；和分别为设备x的输入和输出功率；为负荷功率。4.根据权利要求1所述的计及天然气管网和热力管网特性的综合能源系统优化方法，其特征在于，步骤2)中，采用直流潮流模型描述电力网络：式中：为电力线路ij传输的有功功率；xL、θi,t和θj,t分别为电力线路ij的电抗值和首末端电压相角；电力网络节点能量平衡约束表示为：式中：为电网中与k节点相连的节点集合；为外部输电网的注入功率；为注入能源中心的电功率。5.根据权利要求1所述的计及天然气管网和热力管网特性的综合能源系统优化方法，其特征在于，步骤2)中，所述的天然气管网中，天然气管道约束有：根据气体状态方程与波义耳定律，管存相关的计算式如下：且其满足质量守恒定律，如下式所示：其中，式中：Vij,t为天然气管道ij内的管存量；pi,t和pj,t分别为管道ij首末端的气压；和分别为管道ij的出、入口流量；和分别为管道ij内径和长度；Rgas为通用气体常数；为管道ij的管存系数；Mgas为天然气分子量；Tg、ψ和ρg分别为天然气温度、压缩因子和相对空气的密度；Δt为单位时间段的时长；此外，天然气管道传输的气流量与首末端气压有关，实际运行中大多数输气管道以高雷诺数的流速运行即处于湍流状态，满足管道气流方程，如下式所示，参数均折算到标准状况下：pi,min≤pi,t≤pi,max，其中式中：Qij.t为天然气管道ij内流经的平均气流量；为天然气管道ij的流量系数；ε为管道ij的绝对粗糙度；pi,max和pi,min分别为节点i的气压上、下限；所述的天然气管网中，加压站约束表示为：pi,t≤ξcompj,t，天然气网络节点能量平衡约束表示为：式中：为天然气管网中与节点k相连的节点集合；和分别为管道jk出口和入口端的气功率；为外部气源注入综合能源系统的气功率；为注入能源中心的气功率；为天然气热值；和分别为管道ik的出、入口流量；ξcom表示加压站最大加压系数。6.根据权利要求1所述的计及天然气管网和热力管网特性的综合能源系统优化方法，其特征在于，步骤2)中，所述的热力管网中，换热站约束有：供水管和回水管的出入口温度约束表示如下：热负荷和能源中心与换热站热交换约束表示如下：热力管网节点热量守恒约束表示如下：式中：和和分别为第k个能源中心/第f个热负荷的供水管与回水管的出入口温度；和分别为第k个能源中心和第f个热负荷与其换热站的热交换功率；cw为水的比热容；和分别为单位时间内流过换热站的工质质量；NZ为流入汇集点z的管道集合；Tz,t和分别为汇集点z和管道b出口的工质温度...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙可，郑伟民，李志强，张利军，徐晨博，孙轶恺，王蕾，邹波，袁翔，王一铮，薛友，文福拴，
申请(专利权)人：国网浙江省电力有限公司经济技术研究院，浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33