一种综合能源系统多能耦合分层建模方法技术方案

本发明专利技术实施例公开了一种综合能源系统多能耦合分层建模方法，包括如下步骤：步骤100、确定五个层级，分别为分配层、转换层、集成层、储能层和网络层，每个层级都以传递矩阵的形式表述；步骤200、将五个层级的传递矩阵相乘，得到综合能源系统的输入能源和输出能源的耦合关系。本发明专利技术将综合能源系统中的能源转换设备、储能设备、能源网络等元素分别建模于不同的层级之中，层次清晰分明，当系统的结构发生变化时，只需修改发生变化的相应传递矩阵，而无需修改其他层的传递矩阵，通过各层传递矩阵的联合运算实现系统整体的输入与输出关系建模，可以实现各环节元素见的联合优化及规划，实现多能耦合优势互补。

A multi energy coupling layered modeling method for integrated energy system

【技术实现步骤摘要】
一种综合能源系统多能耦合分层建模方法
本专利技术实施例涉及能源系统
，具体涉及一种综合能源系统多能耦合分层建模方法。
技术介绍
随着社会能源短缺和环境问题的日益突显，如何保证能源供应、提高能源利用效率成为当前亟待解决的问题。传统的电/气/热/冷等多种形式的能源分产分供的模式无法发挥多能之间的互补优势和协同作用，成为制约实现能源高效利用的瓶颈。综合能源系统是由电/气/热/冷等能源形式通过耦合形成的有机整体，为多能协调及综合利用提供平台，可以有效发挥多能之间的互补作用，具有较大发展潜力。在综合能源系统中，电能易于大规模、远距离传输，但无法大量存储；而(天然)气能、热能传输能力较弱，但存储能力较强。以气能、热能等形式进行能量的存储，而以电能的形式进行能量的传输，能够极大提高整体的能源利用水平。多种能源的耦合建模是综合能源系统分析的基础。这方面研究具有标志性的是ETHZurich教授提出的能源集线器(EnergyHub)模型。该能源集线器模型是包含能源转换设备、储能设备以及能源网络拓扑关系的多能耦合线性模型，通过该模型可以进行能源系统的优化分析。同时，也有一些学者提出了能源路由器(EnergyRouter)模型用于综合能源系统的控制与管理。能量路由器由电力电子控制模块、通信模块、能量调度模块组成，具备系统综合优化与能量调配功能。能源路由器作为综合能源系统中的智能控制单元，从信息层面对综合能源系统多能耦合建模提供了支持。虽然目前国内外在综合能源系统的多能耦合建模方面取得了一定的成果，但仍存在下述问题：1)将能源转换过程简化处理为单一类型的能源转换关系，这对于包含多种存在功能替代关系的能源转换设备的综合能源系统缺乏最优能流路径的选择能力，未能充分发挥多能之间的互补优势和协同作用，优化潜力挖掘不足；2)在建模过程中未对综合能源系统中的能源转换设备、储能设备、能源网络等各环节加以区分，各元素混杂在一起，导致模型辨识度不高，修改及重构困难，可扩展性不强。
技术实现思路
为此，本专利技术实施例提供一种综合能源系统多能耦合分层建模方法，以解决现有技术中互补优势不明显，而且模型重构困难的问题。为了实现上述目的，本专利技术的实施方式提供如下技术方案：一种综合能源系统多能耦合分层建模方法，包括如下步骤：步骤100、确定五个层级，分别为分配层、转换层、集成层、储能层和网络层，每个层级都以传递矩阵的形式表述；步骤200、依据不同层级加工多功能耦合的过程分解为能量的分配、转换、集成、存储和传输，并将五个层级的传递矩阵相乘，得到综合能源系统的输入能源和输出能源的耦合关系。作为本专利技术的一种优选方案，所述分配层用于表述综合能源系统的输入能源按照一定的比例分配给能源转换设备的过程，以矩阵M1表示，则能源经过分配层的变化过程表示为：式中：Pα,Pβ,…,Pω为能源输入，其上标α,β,…,ω表示能源形式，，表示分配层的输出能源，其下标表示能源转换设备的编号。作为本专利技术的一种优选方案，M1表示分配层传递矩阵，由分配系数构成，表示为：式中：表示分配系数，用以表征某种形式的能源在能源转换设备之间的分配比例；所述分配系数满足如下约束条件：…且有式中：k表示分配系数的编号，k∈[1,n]。作为本专利技术的一种优选方案，所述转换层用于表述能源在能源转换设备上的转换过程，以矩阵M2表示，则能源经过转换层的变化过程表示为：式中：i表示能源形式，k∈[α,β,…,ω]；表示转换层的输出能源。作为本专利技术的一种优选方案，M2表示转换层传递矩阵，由转换效率构成，表示为：式中：式中：表示转换设备的效率。作为本专利技术的一种优选方案，所述集成层用于表述各能源转换设备所输出的能量在相同能源形式上的集成过程，以矩阵M3表示，则能源经过集成层的变化过程表示为：式中：Iα,Iβ,…,Iω表示集成层的输出能源。作为本专利技术的一种优选方案，M3表示集成层的传递矩阵，由指示变量构成，表示为：式中：表示集成层的指示变量，均为二进制0-1变量，其取值规则为：当x＝i，则否则，其中x,y∈[α,β,…,ω]。作为本专利技术的一种优选方案，所述储能层用于表述各种形式能源在储能设备上的存储/释放过程，以矩阵M4表示，则能源经过储能层的变化过程表示为：式中：Tα,Tβ,…,Tω表示储能层的输出能源；Sα,Sβ,…,Sω表示储能设备的输出功率；M4表示储能层传递矩阵，为对角线阵，表示为：式中：对角线元素均为1，而非对角线元素均为0。作为本专利技术的一种优选方案，所述网络层用于表述能源在网络上的传输过程，以矩阵M5表示，则能源经过网络层的变化过程表示为：式中：Lα,Lβ,…,Lω表示网络层的输出能源；M5表示网络层传递矩阵，为对角线阵，表示为：式中：rα,rβ,…,rω表示能源网络的网损率。作为本专利技术的一种优选方案，综合上述五层模型，最终可得到综合能源系统整体的输入与输出之间的关系为：本专利技术的实施方式具有如下优点：1)本专利技术模型层次清晰，可操作性强，易于修改与扩展。将综合能源系统中的能源转换设备、储能设备、能源网络等元素分别建模于不同的层级之中，层次清晰分明。当系统的结构发生变化时，只需修改发生变化的相应传递矩阵，而无需修改其他层的传递矩阵。例如，当系统中增设电热锅炉时，只需修改转换层传递矩阵M2，而无需修改M1、M3、M4、M5，极大程度低提高了多能耦合模型的可操作性与可扩展性；2)本专利技术为综合能源系统的优化及规划提供了空间。每层的传递矩阵均由变量构成，理论上均可作为决策变量供系统优化或规划使用。充分地挖掘了综合能源系统能源转换设备、储能设备、能源网络等各环节元素的优化潜力，通过各层传递矩阵的联合运算实现系统整体的输入与输出关系建模，可以实现各环节元素见的联合优化及规划，实现多能耦合优势互补。附图说明为了更清楚地说明本专利技术的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。图1为本专利技术实施方式中多能耦合分层建模方法示意图。具体实施方式以下由特定的具体实施例说明本专利技术的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术基于传递矩阵的思想构建了综合能源系统多能耦合分层建模方法，如图1所示。该模型包括五个层级，分别为：分配层、转换本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种综合能源系统多能耦合分层建模方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤100、确定五个层级，分别为分配层、转换层、集成层、储能层和网络层，每个层级都以传递矩阵的形式表述；/n步骤200、依据不同层级加工多功能耦合的过程分解为能量的分配、转换、集成、存储和传输，并将五个层级的传递矩阵相乘，得到综合能源系统的输入能源和输出能源的耦合关系。/n

【技术特征摘要】
1.一种综合能源系统多能耦合分层建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤100、确定五个层级，分别为分配层、转换层、集成层、储能层和网络层，每个层级都以传递矩阵的形式表述；
步骤200、依据不同层级加工多功能耦合的过程分解为能量的分配、转换、集成、存储和传输，并将五个层级的传递矩阵相乘，得到综合能源系统的输入能源和输出能源的耦合关系。


2.根据权利要求1所述的一种综合能源系统多能耦合分层建模方法，其特征在于，所述分配层用于表述综合能源系统的输入能源按照一定的比例分配给能源转换设备的过程，以矩阵M1表示，则能源经过分配层的变化过程表示为：



式中：Pα,Pβ,…,Pω为能源输入，其上标α,β,…,ω表示能源形式，，表示分配层的输出能源，其下标表示能源转换设备的编号。


3.根据权利要求2所述的一种综合能源系统多能耦合分层建模方法，其特征在于，M1表示分配层传递矩阵，由分配系数构成，表示为：



式中：表示分配系数，用以表征某种形式的能源在能源转换设备之间的分配比例；
所述分配系数满足如下约束条件：






···



且有
式中：k表示分配系数的编号，k∈[1,n]。


4.根据权利要求3所述的一种综合能源系统多能耦合分层建模方法，其特征在于，所述转换层用于表述能源在能源转换设备上的转换过程，以矩阵M2表示，则能源经过转换层的变化过程表示为：



式中：i表示能源形式，k∈[α,β,…,ω]；表示转换层的输出能源。


5.根据权利要求4所述的一种综合能源系统多能耦合分层建模方法，其特征在于，M2表示转换层传递矩阵，由转换效率构成，表示为：

【专利技术属性】
技术研发人员：饶欢，翟柱新，邱泽坚，黎鸣，
申请(专利权)人：广东电网有限责任公司，广东电网有限责任公司东莞供电局，
类型：发明
国别省市：广东;44