一种乡村生物质综合能源系统两阶段运行优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种乡村生物质综合能源系统两阶段运行优化方法，包括以下步骤：构建乡村生物质综合能源系统结构，建立设备出力模型；构建两阶段优化模型；第一阶段，以日总热量供给最低为目标进行热源出口温度的优化控制；第二阶段，以日收益最大为目标优化综合能源系统各个设备的出力；针对两阶段优化模型求解；第一阶段采用自适应交叉概率的改进差分算法求解；第二阶段采用Gurobi求解器直接求解；根据求解结果输出各设备出力值，基于所输出的各设备出力值控制各个设备的出力。该方法中两个阶段优化模型通过热源出口温度将设备功率与热网潮流解耦，大大降低问题求解的复杂性，提高方法的适用性。

【技术实现步骤摘要】
一种乡村生物质综合能源系统两阶段运行优化方法
本专利技术涉及综合能源系统
，具体涉及一种乡村生物质综合能源系统两阶段运行优化方法。
技术介绍
随着我国能源结构变革的推进，一次能源中可再生能源占比逐步提高，预计2050年将超过60％。为进一步提高分布式可再生能源消纳和能源利用效率，各国都在努力发展综合能源系统，其主要能源是分布式燃气和风、光、地热等可再生能源。而我国由于燃气供应量不足，限制了综合能源的进一步发展。生物质能是一种能够与环境友好发展、储量巨大且还未被充分利用的能源，受到世界各国的广泛关注，近十年发展快速。为此，充分利用我国农村地区丰富的生物质能，依托生物质热电联产构建乡村综合能源供给系统，对促进美丽乡村计划的实施、提高乡村收入、促进产业调整都具有重要的意义。近年来，针对生物质热电联产(CHP)的研究和应用已取得了部分成果，研究表明相同生产电热负荷下就地利用生物质热电联产可减少煤耗量，节约单位用能成本；计及环境成本，对林木为主的生物质热电联产和燃煤热电联产进行包括设备初始投资、运营费用、环境价值等全成本经济比较，发现生物质环境效益显著，全成本低于燃煤热电联产；生物质总CO2排放量远远小于燃煤，而且得到CO2排放价格越大，生物质热电联产的效益越优异，生物质热电联产环境效益显著。现有研究验证了生物质热电联产具有较好的经济性和环境效益，但针对其发电特性和建模的研究较少，而这却是综合能源系统运行与优化规划的基础。目前，针对综合能源系统优化运行的研究已经较为深入，研究对象可分为不考虑热网网架和考虑的两类。不考虑网架调度优化通常采用能源集线器(EnergyHub)模型描述综合能源系统能量转换，此类不考虑网络损耗的研究结果存在偏差。考虑热网网架的综合能源系统的运行优化，其通常做法是首先建立热网水力模型和热力模型、热源设备输出功率与出口温度映射模型，然后采用综合能流优化方法进行设备输出功率的日前或日内优化。目前热网潮流优化模型，大多是以热源功率为控制变量，温度为状态量，属于非线性非凸的优化问题，常用方法是采用牛顿法、构造拉格朗日函数、构造障碍函数将问题转换为凸函数进行求解，存在函数构造复杂、计算量大，不利于实际应用的问题。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供一种乡村生物质综合能源系统两阶段运行优化方法，本专利技术考虑热网损耗和生物质出力特性进行综合系统优化运行，该方法中两个阶段优化模型通过热源出口温度将设备功率与热网潮流解耦，大大降低问题求解的复杂性，提高方法的适用性。本专利技术所采用的技术方案是：一种乡村生物质综合能源系统两阶段运行优化方法，包括以下步骤：S1：构建乡村生物质综合能源系统结构，建立设备出力模型；S2：构建两阶段优化模型；第一阶段，以用户热负荷、外界温度、网络结构为输入，计及热网网络损耗，以日总热量供给最低为目标进行热源出口温度的优化控制；第二阶段，基于获取的控制温度和电、热需求，以日收益最大为目标优化综合能源系统各个设备的出力；S3：针对两阶段优化模型求解；第一阶段采用自适应交叉概率的改进差分算法求解；第二阶段采用Gurobi求解器直接求解；S4：根据求解结果输出各设备出力值，基于所输出的各设备出力值控制各个设备的出力。优选的，步骤S1中建立所述设备出力模型包括建立生物质出力模型、光伏出力模型、热泵出力模型和电锅炉出力模型。优选的，所述生物质出力模型由下式表示：式中，Pb(t)为t时生物质电功率；αe为生物质系统电转换效率；mb(t)为t时所燃烧的生物质量；ηb为生物质的燃烧转化效率；NCVb为所使用的生物质的净热值；Δt为调度时间(h)；生物质热值分为总热值(GCV)和净热值(NCV)，净热值与总热值满足下列公式：其中，w为燃料的含水量；h为燃料不含水分状态下，燃料中氢的比重；GCV为总热值。优选的，所述光伏出力模型由下式表示：PPV＝PstcGSL[1+k(Tp-Tc)]/GSTC(5)式中，PPV为光伏发电的输出功率；Pstc为在标准条件下，测试出的最大发出功率；GSL为太阳辐射强度；GSTC为在标准条件下，测试出的太阳辐射强度；k为功率温度系数；Tp为电池温度；Tc为参考温度。优选的，所述热泵出力模型由下式表示：ΦHP＝ηHPPHP(6)式中，ΦHP、ηHP和PHP分别为地源热泵的输出热功率、输入电功率和转换效率。优选的，所述电锅炉出力模型由下式表示：ΦEB＝ηEBPEB(7)式中，ΦEB、ηEB和PEB分别为电锅炉的输出热功率、转换效率和锅炉的输入电功率。优选的，步骤S2中建立所述第一阶段优化模型具体为：(1)目标函数在已知用户热负荷、外界温度、网络结构条件下，考虑热网损耗以日总热量供给最低为目标，建立热源出口温度优化控制模型，其目标函数表示为：式中，F为总热量供给；NT为调度时段总数；N为用户数；ΦL(i,t)为第i个用户，第t个时段的热负荷；Φloss(t)为第t个时段热网的损耗；(2)约束条件1)热源供给与返回温度约束式中，Ts_source和Tr_source分别为热源出口的供给温度和返回温度；和分别为供给温度的上下限；和分别为返回温度的上下限；2)负荷节点供给与返回温度约束式中，Tsi和Tri分别为负荷节点i的供给温度和返回温度；和分别为供给温度的上、下限；和分别为返回温度的上、下限；3)热负荷平衡约束式中，Φsource为热源供给的热功率；N为用户数；ΦL(i)为第i个用户的热负荷；Φloss为热网的损耗。优选的，步骤S2中建立所述第一阶段优化模型中还包括建立热网水力模型，具体为：1)水流连续性模型式中，A为网络关联矩阵(nnode×npipe)，由+1，0，-1组成，+1表示管道中的水流入节点，-1表示管道中的水流量流出节点，0表示管道与节点没有连接；为每个管道的水流量；为每个负荷节点的注入水流量；2)循环压力方程Bhf＝0(15)式中，B为回路与管道之间的矩阵(nloop×npipe)，由+1，0，-1组成，+1表示管道内水流向与回路定义的正方向相同，-1表示管道内水流向与回路定义的正方向相反，0表示管道与回路无联系；hf为水从管道一头流向另一头的压力损失；3)水头压力损失方程式中，K为各管道阻力系数；L为管道长度；D为管道直径；ρ为水密度；g为重力加速度；f为摩擦系数；为管道粗糙度；Re为雷诺数；μ为水运行粘度(m2/s)；v为管道水流速(m/s)。优选的，步骤S2中建立所述第一阶段优化模型中还包括建立热力模型，具体为：1)热功率计算式中，Φ为热功率；Cp为水的比热容；为每个负荷节点的注入水流量；Ts为水供给温度；To为水出口温度；...

【技术保护点】
1.一种乡村生物质综合能源系统两阶段运行优化方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：构建乡村生物质综合能源系统结构，建立设备出力模型；/nS2：构建两阶段优化模型；第一阶段，以用户热负荷、外界温度、网络结构为输入，计及热网网络损耗，以日总热量供给最低为目标进行热源出口温度的优化控制；第二阶段，基于获取的控制温度和电、热需求，以日收益最大为目标优化综合能源系统各个设备的出力；/nS3：针对两阶段优化模型求解；第一阶段采用自适应交叉概率的改进差分算法求解；第二阶段采用Gurobi求解器直接求解；/nS4：根据求解结果输出各设备出力值，基于所输出的各设备出力值控制各个设备的出力。/n

【技术特征摘要】
1.一种乡村生物质综合能源系统两阶段运行优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：构建乡村生物质综合能源系统结构，建立设备出力模型；
S2：构建两阶段优化模型；第一阶段，以用户热负荷、外界温度、网络结构为输入，计及热网网络损耗，以日总热量供给最低为目标进行热源出口温度的优化控制；第二阶段，基于获取的控制温度和电、热需求，以日收益最大为目标优化综合能源系统各个设备的出力；
S3：针对两阶段优化模型求解；第一阶段采用自适应交叉概率的改进差分算法求解；第二阶段采用Gurobi求解器直接求解；
S4：根据求解结果输出各设备出力值，基于所输出的各设备出力值控制各个设备的出力。


2.根据权利要求1所述的一种乡村生物质综合能源系统两阶段运行优化方法，其特征在于，步骤S1中建立所述设备出力模型包括建立生物质出力模型、光伏出力模型、热泵出力模型和电锅炉出力模型。


3.根据权利要求2所述的一种乡村生物质综合能源系统两阶段运行优化方法，其特征在于，所述生物质出力模型由下式表示：



式中，Pb(t)为t时生物质电功率；αe为生物质系统电转换效率；mb(t)为t时所燃烧的生物质量；ηb为生物质的燃烧转化效率；NCVb为所使用的生物质的净热值；Δt为调度时间(h)；
生物质热值分为总热值(GCV)和净热值(NCV)，净热值与总热值满足下列公式：



其中，w为燃料的含水量；h为燃料不含水分状态下，燃料中氢的比重；GCV为总热值。


4.根据权利要求2所述的一种乡村生物质综合能源系统两阶段运行优化方法，其特征在于，所述光伏出力模型由下式表示：
PPV＝PstcGSL[1+k(Tp-Tc)]/GSTC(5)
式中，PPV为光伏发电的输出功率；Pstc为在标准条件下，测试出的最大发出功率；GSL为太阳辐射强度；GSTC为在标准条件下，测试出的太阳辐射强度；k为功率温度系数；Tp为电池温度；Tc为参考温度。


5.根据权利要求2所述的一种乡村生物质综合能源系统两阶段运行优化方法，其特征在于，所述热泵出力模型由下式表示：
ΦHP＝ηHPPHP(6)
式中，ΦHP、ηHP和PHP分别为地源热泵的输出热功率、输入电功率和转换效率。


6.根据权利要求2所述的一种乡村生物质综合能源系统两阶段运行优化方法，其特征在于，所述电锅炉出力模型由下式表示：
ΦEB＝ηEBPEB(7)
式中，ΦEB、ηEB和PEB分别为电锅炉的输出热功率、转换效率和锅炉的输入电功率。


7.根据权利要求1所述的一种乡村生物质综合能源系统两阶段运行优化方法，其特征在于，步骤S2中建立所述第一阶段优化模型具体为：
(1)目标函数
在已知用户热负荷、外界温度、网络结构条件下，考虑热网损耗以日总热量供给最低为目标，建立热源出口温度优化控制模型，其目标函数表示为：



式中，F为总热量供给；NT为调度时段总数；N为用户数；ΦL(i,t)为第i个用户，第t个时段的热负荷；Φloss(t)为第t个时段热网的损耗；
(2)约束条件
1)热源供给与返回温度约束






式中，Ts_source和Tr_source分别为热源出口的供给温度和返回温度；和分别为供给温度的上下限；和分别为返回温度的上下限；
2)负荷节点供给与返回温度约束






式中，Tsi和Tri分别为负荷节点i的供给温度和返回温度；和分别为供给温度的上、下限；和分别为返回温度的上、下限；
3)热负荷平衡约束



式中，Φsource为热源供给的热功率；N为用户数；ΦL(i)为第i个用户的热负荷；Φloss为热网的损耗。


8.根据权利要求1所述的一种乡村生物质综合能源系统两阶段运行优化方法，其特征在于，步骤S2中建立所述第一阶段优化模型中还包括建立热网水力模型，具体为：
1)水流连续性模型



式中，A为网络关联矩阵(nnode×npipe)，由+1，0，-1组成...

【专利技术属性】
技术研发人员：李守强，刘文霞，王静，刘宗歧，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京;11