一种提升电网灵活性的楼宇热电联产系统运行优化方法技术方案

本发明专利技术属于需求侧响应的控制技术领域，尤其涉及一种提升电网灵活性的楼宇热电联产系统运行优化方法。本发明专利技术包括不同需求的楼宇灵活性量化和需求灵活性度量，其中，不同需求的楼宇灵活性量化包括以下步骤：外部数据的获取和设定；优化模型求解；优化模型数据结果量。本发明专利技术综合考虑了不同的运行策略、目标函数及约束条件，优化微型热电联产系统的最佳容量和运行曲线。采用基于物理先验知识公式约束的混合整数线性规划实现优化，并综合考虑物理模型中重要的技术指标。具有运行效率高、鲁棒性强的优点。可应用于不同热、电消耗模式的住宅楼宇，与热电系统单独运行相比，可同时降低总成本和温室气体排放，间接提高电网运行灵活性和清洁能源消纳能力。

【技术实现步骤摘要】
一种提升电网灵活性的楼宇热电联产系统运行优化方法
本专利技术属于需求侧响应的控制
，尤其涉及一种提升电网灵活性的楼宇热电联产系统运行优化方法。
技术介绍
二氧化碳co2，甲烷CH4和一氧化二氮N2O等温室气体的浓度，自1750年以来分别增加了40％，150％和20％，这是在过去的80万年中从未有过的现象，这导致了全球变暖问题。面对全球变暖的挑战性影响，巴黎协议各方同意限制平均气温到2100年，相对于工业化前，把气温上升控制在2℃以下，但是迄今全球平均气温上升超过0.8℃意味着实现这一目标是很大的挑战。关键能源技术的竞争性替代和扩散对能源结构的演变具有重要影响，这反过来又影响到温室气体排放的减缓和气候变化的预防，分散发电是通过减少输配电损失来优化能源利用的有效途径之一。分散发电的方法之一是使用热电联产技术。这些技术将通过从燃料源，同时产生热量和电力来提高能源转换的效率，从而实现许多社会和能源政策目标，例如减少能源供应产生的温室气体排放，并可能降低消费者的能源成本。考虑到上述好处，能源消费水平较高的楼宇是使用微型热电联产技术是潜在领域之一。例如，在英国，天然气总消耗量最高(61％)和电能(35％)，占其他地区最终消费的28.4％能源，和温室气体排放量的14.5％。尽管小规模(<100kwe)和微型(<15kwe)的热电联产系统已商业化，适合应用于楼宇建筑[8]，但这些技术在这一领域的应用仍没有尽可能广泛。例如，在英国，2017年已安装的热电联产装置的总发电量中，只有0.6％的功率范围小于100千瓦，而就在今年，针对上网电价FIT而制定的微型热电联产计划的总发电量仅为总装机容量的0.009％。在扩大微型热电联产装置的使用中有一些障碍，楼宇部门技术不成熟，实施缓慢，意识不足[8]。但是，在经济方面，来自各个测试国家的反馈表明，激励政策可能对热电联产技术的发展产生重大影响。如果投资成本仍然很高，则这些技术通常符合“FIT”的条件，可以帮助获得投资回报。然而，实现低成本是使微型热电联产市场更具吸引力的重要目标之一。在开发微型热电联产的过程中系统，掌握微型CHP装置的最佳容量，避免低估和高估分别对系统的有效性和可行性的不利影响，和最优运行策略，用于最小化满足电力和热量需求的成本并开发合理的方案以确定系统的最佳运行策略的策略，对于利用微型CHP系统的高经济和节能潜力非常重要，并且具有成为制造商和客户都感兴趣的研究重点。此外，由于微型CHP单元可以与其他热电联产组成部件耦合以提高运行灵活性，例如储能单元。因此应谨慎选型和先进策略用于解决较高的资本成本支出和复杂性系统。因此，开发一种综合方法，以寻求微机的最佳容量大小和运行目标、约束的CHP系统，例如减少总成本和减少温室气体，包括热电联产组成部件和运行策略具有重要意义。大多数研究变量优化方法的目的都考虑了成本最小化。一些研究采用线性规划LP方法优化。如果针对投资，运营和维护，燃料和更换成本以及可靠性进行长期规划，假定为热电联产机组定义了尺寸，并以离散形式执行尺寸调整，以找到这些机组的最佳数量，系统的年成本和能源消耗可以大大降低。但是，其他一些研究也考虑了减少温室气体的目标。除成本和温室气体减排目标外，还应考虑节水的目标函数，并结果在目标之间提供了折衷的解决方案。一些参考文献提出了以负荷跟随运行策略为主导的能源系统的最佳规模和运行的方法，如遗传算法GA来研究针对一次能源消耗最小化的多源能源系统的各种能源技术的最佳容量的方法。而多目标优化与单目标优化相比，最大的优点之一是提高余热回收率。尽管大多数研究都是针对楼宇能量管理，但鲜有涉及微型热电联产规模的优化。此外，大多只研究了一种或两种策略，在这种情况下，不可能相互比较运行策略，彻底评估它们的优势。在所有情况下，针对电力负荷跟踪运行策略和热负荷跟踪运行策略的系统优化问题，由于在这些策略的制定过程中存在相互冲突的备选方案和离散的线性关系，采用非线性或基于仿真的优化方法具有其相应的困难和限制。另一点是，在某些情况下，所考虑的容量是某些热电联产组成部件的离散或预定类型的形式。根据他们的要求，这些研究考虑了优化模型的不同目标函数导致了结果显著差异。在大多数此类研究中，成本优化是唯一被评估的目标功能，较少研究考虑了多目标优化目标函数，在所有文献中，锅炉、加热器多是恒定负荷，但在某些情况下未考虑储热的灵活性。热电联产机组考虑采用不同的技术，其中一些技术例如内燃机ICE，斯特林发动机SE和燃气轮机GT是基于交流电AC的技术，而其他一些技术，例如燃料，电池FC基于直流电DC。尽管这两种技术之间存在根本差异，但是在相关研究中并未为基于DC的技术提供考虑DC/AC逆变器效率的一般公式。综上，有两个问题没有妥善处理。首先，尚未对能够在单个优化模型中实现不同运行策略，约束条件和目标函数的集成方法的开发进行建模和分析。其次，尚未开发出使用混合整数线性规划优化来避免常见解决方案在实现冲突替代方案时的局限性以及特定运行策略的离散关系，例如负荷跟随策略。尽管微热电联产是目前最值得推广的分散式发电方式之一，但通过楼宇热电联产控制优化以提升电网灵活性的研究还不够成熟，且微型热电联产系统最佳容量和运行模式的优化对目前相关技术发展的关键难题。因此，本领域技术人员进行了不断的创新和研发。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的不足之处，本专利技术提供了一种提升电网灵活性的楼宇热电联产系统运行优化方法。其目的是为了提出一种运行效率高、鲁棒性强的提升电网灵活性的楼宇热电联产系统运行优化方法。本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：一种提升电网灵活性的楼宇热电联产系统运行优化方法，包括不同需求的楼宇灵活性量化和需求灵活性度量，其中，不同需求的楼宇灵活性量化包括以下步骤：步骤1.外部数据的获取和设定；步骤2.优化模型求解；步骤3.优化模型数据结果量。进一步的，所述优化模型约束包括：(1)所有策略的一般约束；(2)负荷跟踪策略的一般约束；(3)负荷跟踪策略的特定约束条件。进一步的，所述优化模型的目标函数是以总年成本(TAC)和温室气体年产生量或温室气体产生量，两个独立的优化公式作为优化模型。进一步的，所述目标函数包括：(1)最小化年度总投资成本；(2)最小化年温室气体排放量；(3)同时最小化年度总投资成本和温室气体排放量。进一步的，所述年度总投资成本为TAC，即每年进口的天然气和电能的成本之和；相关网络以及年度运营和维护O&M成本减去从出口和发电产生的年收入，其表达如下：TAC＝TACO&M+TACEl,Im+TACO&M-TAREx&Ge(1)其中，TAC为年度总投资成本($)，TACEl,Im为每年进口电的总费用($)，TACO&M为年度总运营和维护成本($)，TAREx&Ge为发电产生的年收入；将热电联产组成部件的总投资成本分摊到部件的整个本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提升电网灵活性的楼宇热电联产系统运行优化方法，其特征是：包括不同需求的楼宇灵活性量化和需求灵活性度量，其中，不同需求的楼宇灵活性量化包括以下步骤：/n步骤1.外部数据的获取和设定；/n步骤2.优化模型求解；/n步骤3.优化模型数据结果量。/n

【技术特征摘要】
1.一种提升电网灵活性的楼宇热电联产系统运行优化方法，其特征是：包括不同需求的楼宇灵活性量化和需求灵活性度量，其中，不同需求的楼宇灵活性量化包括以下步骤：
步骤1.外部数据的获取和设定；
步骤2.优化模型求解；
步骤3.优化模型数据结果量。


2.根据权利要求1所述的一种提升电网灵活性的楼宇热电联产系统运行优化方法，其特征是：所述优化模型约束包括：
(1)所有策略的一般约束；
(2)负荷跟踪策略的一般约束；
(3)负荷跟踪策略的特定约束条件。


3.根据权利要求1所述的一种提升电网灵活性的楼宇热电联产系统运行优化方法，其特征是：所述优化模型的目标函数是以总年成本(TAC)和温室气体年产生量或温室气体产生量，两个独立的优化公式作为优化模型。


4.根据权利要求2所述的一种提升电网灵活性的楼宇热电联产系统运行优化方法，其特征是：所述目标函数包括：
(1)最小化年度总投资成本；
(2)最小化年温室气体排放量；
(3)同时最小化年度总投资成本和温室气体排放量。


5.根据权利要求4所述的一种提升电网灵活性的楼宇热电联产系统运行优化方法，其特征是：所述年度总投资成本为TAC，即每年进口的天然气和电能的成本之和；相关网络以及年度运营和维护O&M成本减去从出口和发电产生的年收入，其表达如下：
TAC＝TACO&M+TACEl,Im+TACO&M-TAREx&Ge(1)
其中，TAC为年度总投资成本($)，TACEl,Im为每年进口电的总费用($)，TACO&M为年度总运营和维护成本($)，TAREx&Ge为发电产生的年收入；
将热电联产组成部件的总投资成本分摊到部件的整个生命周期中，根据以下关系对热电联产组成部件P的投资成本进行年度化：



其中，为组件P的年投资成本，CP为组件P的资本成本(美元/千瓦或美元/升)LTP为组件P的寿命(年)，i为每年的利益率；
式(3)中的年度化总投资成本是年化投资成本的总和，并已考虑用于式(4)的锅炉、式(5)的微型热电联产机组和式(6)的蓄热罐，此成本通过以下关系获得：












其中，TACInvest为投资年度总投资成本($)，为CHP单位的年度投资成本(美元)，为燃气锅炉的年度投资成本(美元)，为储热器的年度投资成本(美元)，CB为燃气锅炉的资本成本(美元/千瓦)，SalμCHPμ为CHP单位的残值与资本成本的比率(％)，μCHP为微热电联产，为μCHP单位的最佳容量(尺寸)(kWe)CHS为储热器的资本成本(美元/升)，CPW为恒压下的水比热(kJ/(kg.K))，Tmax为蓄热器的最高温度(℃)，Hmax为热量存储中的最大允许存储能量(千瓦时)，为μCHP的年投资成本(美元/kW)；
式(7)–(9)表示微型热电联产系统的运行成本，锅炉和微型热电联产机组是天然气的唯一用户，式(7)表示进口天然气的年成本，式(8)表示从公用电网进口电能的成本，式(9)表示锅炉和微型热电联产机组的运行和维护成本；公式(10)表示系统出口和发电的运营收入，Wi是一个加权因子，根据年度调研结果确定；












其中，TACNG为年度天然气总成本($)，TACEl,Im为每年进口电的总费用($)，B为锅炉，i为年利益率，ηB为燃气锅炉的热效率(％)，μCHP为微热电联产，TACO&M为锅炉和微型热电联产机组的运行和维护成本，TACEX&Ge为系统出口和发电的运营收入，Cimp为进口电价($/kWh)，CNG为天然气价格(美元/千瓦时)，HB，i为第i小时燃气锅炉的热输出，EμCHP，I为第i小时(kWh)中的μCHP单位的电输出，Eexp,I为向电网输出的电力(kWh)，Eimp,I为从电网输入的电量(kWh)，ημCHP，el为单位的电效率(％)，ημCHP,inv为单位逆变器的效率(％)，ημCHP为单位的热效率(％)，FITExp为出口电的FITExp收入($/kWh)，Wi为代表日的加权系数(以小时为单位)，OMB为燃气锅炉的运行和维护成本($/kWh)，OMμCHP为装置的运行和维护成本($/kWh)。


6.根据权利要求4所述的一种提升电网灵活性的楼宇热电联产系统运行优化方法，其特征是：所述年温室气体排放量目标函数为：
式(11)为每年的温室气体排放量，是由进口天然气的消费引起的年度温室气体排放量与由进口的产生引起的年度电网侧温室气体排放量的总和楼宇建筑的电能减去每年向电网输出电力引起的温室气体排放替代量，由式(14)表示；
其中，式(11)为每年的温室气体产生量，式(12)为年度温室气体排放量，式(13)为楼宇建筑的电能，式(14)为温室气体排放替代量；
关系式如下：
GHGG＝GHGGNG+GHGGEl,Im-GHGSEl,Ex(11)









其中，GHGG为温室气体产生量(kg)，GHGGNG为天然气产生的温室气体(kg)，GHGGEl,Im为电网发电温室气体(kg)，GHGSElEx为关于出口电力的替代温室气体(公斤)，EFNG为天然气的排放系数(kg/kWh)，Wi为代表日的加权系数(以小时为单位)，HB,I为燃气锅炉的热输出(第i小时)(kWh)，ηB为燃气锅炉的热效率(％)，EμCHP，I为第i小时(kWh)中的μCHP单位的电输出ημCHP，el为单位的电效率(％)，EFEl为电网电力排放系数(kg/kWh)，Eimp,I为从电网输入的电量(kWh)；
年度总成本和温室气体排放量目标，表示如下：
MinTACZ(15)
GHGGz≤εz(16)
式中，z＝1，2，3…m；m是帕累托图中假定的解点数。


7.根据权利要求2所述的一种提升电网灵活性的楼宇热电联产系统运行优化方法，其特征是：所述优化模型约束，是通过MILP混合整数线性规划算法实现的，利用二元决策变量将命题逻辑语句重新构造或转换成线性约束系统，形成所需的逻辑约束，此类转换的关键转换表述如下：
如果δ′k＝1，那么∑jak...

【专利技术属性】
技术研发人员：李家珏，崔嘉，王安妮，王刚，董之微，卢岩，曲艺，张强，朱蠡，黄鸶羽，
申请(专利权)人：国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，沈阳工业大学，国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁;21