一种分层解耦的电气热综合能源系统最优负荷削减量方法技术方案

本发明专利技术涉及一种分层解耦的电气热综合能源系统最优负荷削减量方法，其技术特点在于包括以下步骤：步骤1：输入综合能源系统数据，设定并初始化模型的相关参数；步骤2：求解分层解耦优化模型外层中能源集线器的调度优化结果，并进一步修正模型内层中各能源子系统的负荷；步骤3：分别计算电气热子系统的最优负荷削减量，并基于此修正外层模型中能源集线器的输入上限；步骤4：循环迭代步骤2和3，直至结果收敛或达到最大迭代次数。本发明专利技术利用现有成熟的最优潮流求解方法对各能源子系统进行独立求解，再基于能源集线器求解能源耦合方程，将综合能源系统最优负荷削减问题转化为单一系统的最优潮流问题，极大地降低了原问题的复杂性，显著提高了计算效率、稳定性和实用性。

An optimal load reduction method based on hierarchical decoupling for electric thermal integrated energy system

【技术实现步骤摘要】
一种分层解耦的电气热综合能源系统最优负荷削减量方法
本专利技术涉及一种综合能源系统最优负荷削减量计算方法。特别是涉及一种分层解耦的电气热综合能源系统最优负荷削减量方法。
技术介绍
随着环境污染和气候变化等问题日益严重，全球能源领域正在掀起一场有史以来最深刻和最广泛的革命，传统电力系统难以适应新的能源供需格局和发展趋势，而以电力系统为核心的综合能源系统(IntegratedEnergySystem,IES)将成为未来人类社会能源的主要承载形式。综合能源系统耦合多种能源子系统，统一规划调度多种能源的产生、传输、转换、分配等过程，从而满足需求侧的多样化需求，提高能源利用效率，增强能源供用的灵活性。但相较于传统电力系统，综合能源系统规划设计和优化运行过程中面临着更多的不确定性因素，如空气源热泵、燃气轮机和蓄能式电暖器等新设备，这些不确定性因素使得电网、热网和气网的耦合程度大幅度增加，系统规划、运行工作更加复杂困难，给系统的安全稳定运行带来巨大挑战。综合能源系统最优负荷削减算法的目标函数是系统的负荷削减量最低，结合等式约束和不等式约束条件，利用优化方法求解得到系统在元件故障、检修等情况下的最小损失负荷，该算法可用来分析综合能源系统元件故障、分布式能源出力变化和负荷波动等各类不确定因素对供能充裕性和安全性的影响，并提出相应的提升措施。因此，一种高效准确的电气热综合能源系统的最优负荷削减量计算方法对系统规划、运行、调度等过程都有着极为重要的意义。最优负荷削减量算法可用于量化计算综合能源系统故障状态下的最优负荷削减情况，目前的研究多采用统一求解法，将各子系统潮流过程和能源转换过程综合起来建立的最优负荷削减模型，但该模型的方程往往是非凸的，雅可比矩阵奇异，算法难以收敛，且计算结果也难以保证全局最优。因此如何研究出一种求解高效，易于收敛的电气热综合能源系统最优负荷削减量计算方法是本领域研究技术人员待于解决的技术难题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种能够高效准确地求解电气热综合能源系统在各种故障状态下的最优负荷削减量的分层解耦的电气热综合能源系统最优负荷削减算法。本专利技术解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：一种分层解耦的电气热综合能源系统最优负荷削减量方法，所述电气热综合能源系统包括电力系统、天热气系统、热力系统和能源集线器；建立分层解耦模型，对综合能源系统最优负荷削减量进行优化求解，包括如下步骤：步骤1：将综合能源系统中各个系统的参考数据输入分层解耦优化模型；步骤2：设定分层解耦优化模型的收敛阈值δ和最大迭代次数NHDOF；令初始化迭代次数计算器n＝1；步骤3：采用线性规划对分层解耦模型外层的能源集线器进行求解达到调度优化结果，以负荷削减量最低为目标函数：式中：NEH为耦合节点即能源集线器的数量；i为能源集线器标号；e、g、h分别为电\气\热三种能源；ΔLe,i、ΔLg,i和ΔLh,i分别为第i个能源集线器的电负荷削减量、气负荷削减量和热负荷削减量。步骤4：根据步骤3中能源集线器系统调度优化结果对分层解耦优化模型中内层各能源子系统的负荷进行修正；步骤5：计算电力系统负荷削减的最优潮流获得电力系统的最优负荷削减量；步骤6：计算天然气系统负荷削减的最优潮流获得天然气系统的最优负荷削减量；步骤7：计算热力系统负荷削减的最优潮流获得热力系统的最优负荷削减量；步骤8：根据分别获得的电力系统、天然气系统和热力系统的最优负荷削减量修正外层模型中能源集线器输入的上限值Pmax；步骤9：根据步骤5、6、7中电气热子系统的最优负荷削减量来计算层解耦优化模型的差值向量δmax；步骤10：若δmax<δ，转到步骤12，否则，转到下一步；步骤11：迭代计数器n＝n+1，若n<NHDOF，转到步骤3，否则，模型不收敛，退出；步骤12：输出综合能源系统的最优负荷削减量。根据步骤1输入的能源集线器的结构类型和设备参数建立能源集线器模型，利用耦合矩阵来准确描述综合能源系统中各种设备对电、热、气等能源的转化与分配：式中：L、C和P向量分别代表能源集线器的输入端、耦合矩阵和输出端；cij表示能量从第i个输入能源转换到第j个输出能源的效率。所述步骤3中能源集线器优化目标函数的约束条件为：式中：L、C和P分别代表能源集线器的输出端、输入端和耦合矩阵；Pmin和Pmax为P的下限值和上限值；ΔL为能源集线器电\气\热输出负荷削减量；L0为能源集线器电\气\热输出负荷。所述步骤4中修正分层解耦优化模型中内层各能源子系统的负荷：式中：Le,i、Lg,j和Lh,k分别为电力系统节点i、天然气系统节点j和热力系统节点k的负荷削减量；Pe,i、Pg,j和Ph,k分别为步骤3)中电力系统节点i、天然气系统节点j和热力系统节点k计算得到的潮流量；i∈EH、j∈EH和k∈EH分别表示电力系统节点i、天然气系统节点j和热力系统节点k与能源集线器EH相连；和分别表示电力系统节点i、天然气系统节点j和热力系统节点k不与能源集线器EH相连；i∈Ne表示节点i为电力系统节点；j∈Ng表示节点j为天然气系统节点；k∈Nh表示节点k为热力系统节点。所述步骤5中电力系统负荷削减的最优潮流模型如下：电力系统的最优负荷削减模型以最优潮流为基础，以负荷削减量最低为目标函数：式中：Ne为电力系统的节点数量；ΔLe,i为电力系统节点i的负荷削减量。相应模型的约束条件为：式中：ΔLe为电力系统节点的负荷削减量；Le为电力系统节点负荷；Pe为电力系统节点潮流；P、Q、V、θ分别为电力系统的有功潮流，无功潮流，电压和相角，对应后四个公式分别表示其取值的上下限；方程fe为电网节点注入功率与节点电压关系的节点功率方程，极坐标形式下的功率平衡方程为：式中：Pi和Qi分别为节点i注入的有功功率和无功功率，Ui和Uj分别为节点i和j的电压，Gij和Bij分别为节点导纳矩阵的电导和电纳，θij为节点i和j电压相角差，θij＝θi–θj。所述步骤6中天然气系统负荷削减的最优潮流模型如下：式中：Ng为天然气系统的节点数量；ΔLg,j为天然气系统节点j的负荷削减量。相应模型的约束条件为：式中：ΔLg为天然气系统节点的负荷削减量；Lg为天然气系统节点负荷；Pg为天然气系统节点潮流；Fmn、Hc、π分别为天然气网络支路流量，压缩机功率和节点气压，对应后三个公式分别表示其取值的上下限；方程fg为天然气系统潮流方程：AFmn+S-L-GFc＝0(10)式中：A为系统的拓扑矩阵，表示节点与支路的关联关系，支路包括压缩机和管道；S为气源节点出力；L为负荷节点需求；G为压缩机与节点的关联矩阵；若压缩机由燃气轮机驱动，即压缩机需要消耗一定量的天然气，Fc为压缩机消耗气体量：式中：ac、bc和cc本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种分层解耦的电气热综合能源系统最优负荷削减量方法，所述电气热综合能源系统包括电力系统、天热气系统、热力系统和能源集线器；其特征在于，建立分层解耦模型，对综合能源系统最优负荷削减量进行优化求解，包括如下步骤：/n步骤1：将综合能源系统中各个系统的参考数据输入分层解耦优化模型；/n步骤2：设定分层解耦优化模型的收敛阈值δ和最大迭代次数N

【技术特征摘要】
1.一种分层解耦的电气热综合能源系统最优负荷削减量方法，所述电气热综合能源系统包括电力系统、天热气系统、热力系统和能源集线器；其特征在于，建立分层解耦模型，对综合能源系统最优负荷削减量进行优化求解，包括如下步骤：
步骤1：将综合能源系统中各个系统的参考数据输入分层解耦优化模型；
步骤2：设定分层解耦优化模型的收敛阈值δ和最大迭代次数NHDOF；令初始化迭代次数计算器n＝1；
步骤3：采用线性规划对分层解耦模型外层的能源集线器进行求解达到调度优化结果，以负荷削减量最低为目标函数：



式中：NEH为耦合节点即能源集线器的数量；i为能源集线器标号；e、g、h分别为电\气\热三种能源；ΔLe,i、ΔLg,i和ΔLh,i分别为第i个能源集线器的电负荷削减量、气负荷削减量和热负荷削减量。
步骤4：根据步骤3中能源集线器系统调度优化结果对分层解耦优化模型中内层各能源子系统的负荷进行修正；
步骤5：计算电力系统负荷削减的最优潮流获得电力系统的最优负荷削减量；
步骤6：计算天然气系统负荷削减的最优潮流获得天然气系统的最优负荷削减量；
步骤7：计算热力系统负荷削减的最优潮流获得热力系统的最优负荷削减量；
步骤8：根据分别获得的电力系统、天然气系统和热力系统的最优负荷削减量修正外层模型中能源集线器输入的上限值Pmax；
步骤9：根据步骤5、6、7中电气热子系统的最优负荷削减量来计算分层解耦优化模型的差值向量δmax；
步骤10：若δmax<δ，转到步骤12，否则，转到下一步；
步骤11：迭代计数器n＝n+1，若n<NHDOF，转到步骤3，否则，模型不收敛，退出；
步骤12：输出综合能源系统的最优负荷削减量。


2.根据权利要求1所述的一种分层解耦的电气热综合能源系统最优负荷削减量方法，其特征在于，根据步骤1输入的能源集线器的结构类型和设备参数建立能源集线器模型，利用耦合矩阵来准确描述综合能源系统中各种设备对电、热、气等能源的转化与分配：



式中：L、C和P向量分别代表能源集线器的输入端、耦合矩阵和输出端；cij表示能量从第i个输入能源转换到第j个输出能源的效率。


3.根据权利要求1所述的一种分层解耦的电气热综合能源系统最优负荷削减量方法，其特征在于，所述步骤3中能源集线器优化目标函数的约束条件为：



式中：L、C和P分别代表能源集线器的输出端、输入端和耦合矩阵；Pmin和Pmax为P的下限值和上限值；ΔL为能源集线器电\气\热输出负荷削减量；L0为能源集线器电\气\热输出负荷。


4.根据权利要求1所述的一种分层解耦的电气热综合能源系统最优负荷削减量方法，其特征在于，步骤4中修正分层解耦优化模型中内层各能源子系统的负荷：



式中：Le,i、Lg,j和Lh,k分别为电力系统节点i、天然气系统节点j和热力系统节点k的负荷削减量；Pe,i、Pg,j和Ph,k分别为步骤3)中电力系统节点i、天然气系统节点j和热力系统节点k计算得到的潮流量；i∈EH、j∈EH和k∈EH分别表示电力系统节点i、天然气系统节点j和热力系统节点k与能源集线器EH相连；和分别表示电力系统节点i、天然气系统节点j和热力系统节点k不与能源集线器EH相连；i∈Ne表示节点i为电力系统节点；j∈...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯恺，刘泽宇，贾宏杰，朱乐为，穆云飞，王丹，余晓丹，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12