一种面向工业园区的供水-供能耦合规划方法技术

本发明专利技术提供一种面向工业园区的供水

【技术实现步骤摘要】
一种面向工业园区的供水-供能耦合规划方法


[0001]本专利技术涉及工业园区能源利用
，具体是一种面向工业园区的供水-供能耦合规划方法。

技术介绍

[0002]为缓解全球能源危机带来的压力，特别是在电力行业，各种可再生能源发电技术被开发和应用，其中风能和光伏发电占最大份额。然而，这些可再生能源发电的不确定性和可变性对电力系统的运行灵活性提出了重要的要求。为了充分发挥不同能源间的互补优势，提高能源利用效率，在分析不同能源系统之间的相互依赖性方面，现已开展了许多具有启发性的工作。水资源和能源作为人类生存和社会发展的基础，引起了工业界和学术界的高度重视,逐渐形成水能联系的概念，二者的优化协调对能源系统的优化以及资源的节约都具有较高的研究价值。当下在对水资源与多能流关系的研究中，一些研究学者对配水网与电网之间的关系进行了一定的研究，其中较为普遍的是对最优泵调度问题的研究。但由于不同学科之间存在差异性，目前对配水网和电网之间相互作用的研究仍较浅，但仅停留在对水泵运行能耗的优化层面，鲜有将水泵以及蓄水箱的灵活性应用于供能网络的规划研究中。更直观地来说，缺乏跨部门的协调来引导对水和能源的有效利用。
[0003]近年来，研究学者们在不同时间尺度下对水-能关系的相互依赖性和益处进行了大量的研究。由于发电过程中存在一定的耗水量，部分学者从宏观角度分析水和电能的相关性政策对自然环境、社会经济的影响，并进行了水电依赖综合评价；在规划层面也有部分研究结合当地供水压力、发电资产扩张和长期气候变化等因素设计了可再生能源驱动的水能耦合系统框架，为未来水-能场景研究提供了研究支撑。当下有文献结合当地供水压力、发电资产扩张和长期气候变化等因素对可再生能源驱动下的水-电依赖关系进行了评估；也有强调了美国热电容量的增加导致严重缺水的情况，但大多仅仅关注恶劣情况下的水电矛盾，并未对二者耦合联系的正面作用进行分析调研。此外，它们没有将电力规划、水管理或气候变化的影响纳入量化，实际上，由于供水网络的加入，综合能源系统的能源生产和转换模式可能因此而改变，不仅仅是从水泵耗电的转换形式方面，同时也从储水装置的时空灵活性对电网运行带来的调度潜力方面均使得设备投资的形式和配置发生了转换。这表明有必要从多能源规划的角度重新考察水-能耦合系统的相互依赖性，更全面的水-能耦合系统的联合规划研究亟待开展。
[0004]同时，近年来随着城市化和工业化的推进，工业园区的建设进程加快，然而工业园区能源利用效率低，能源与资源、环境与社会发展的矛盾日益突出。为此，提高能源利用效率，构建面向工业园区高效、清洁的供能系统尤为关键。储能作为供能系统中调节能源供需在时间上的不匹配的一种重要的手段，随着风、光等高度不确定性的可再生能源对于电网的渗透，储能正在得到越来越广的应用，该方面的规划策略的研究也越来越深入。然而，除了供能系统本身的储能装置之外，供水系统中蓄水箱也可以配合水泵设备对能源进行灵活性的调配，但当前工业园区供能规划还未扩展至此，缺乏更加综合的供能-供水耦合系统的
联合规划。探索供水与供能之间的相互依存关系以及研究其联合规划模型成为迫切的需求，二者之间的协调规划对能源系统的建设以及综合能源的规划设计有良好的经济性作用。同时供水-供能耦合系统能够增加整个供电系统乃至多供能网络的灵活性和稳定性，最终构建统一的社会综合能源与水资源优化系统，因此该种耦合形式下的协调规划研究具有很好的社会意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种向工业园区的供水-供能耦合规划方法，为能源和资源的耦合作用下的联合规划提出了新方向，两者的耦合运行规划模型对将来构建智能一体化的社会综合能源-资源网络具有良好的社会意义。
[0006]本专利技术的技术方案：
[0007]一种面向工业园区的供水-供能耦合规划方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1：首先分别建立配电网模型、供热网模型以及配水网模型，包括光伏发电、火电机组、CHP机组这些供能设备，以及水泵、电储能、蓄水装置这些辅助协调设备；
[0009]步骤2：基于所建立模型，搭建一个相互依赖和作用的水-能联系网络的耦合规划模型，结合耦合元件搭建有相互耦合关系的具体规划模型；
[0010]步骤3：结合水-能网络构建以总投资运行成本为目标函数的混合整数非线性规划模型，通过IPOPT求解器对其进行优化求解，并给出最优供能方案，并探究如何合理配置储能、蓄水设备来优化投资运行成本。
[0011]所述配电网模型的建立具体为：
[0012]采用交流配网模型模拟接有光伏发电以及与其他网络相耦合的电力负荷的供电网络，工业园区中配电网中节点电压约束如式(1)所示，其中电压上下限采用0.95p.u.和1.05p.u.，支路容量约束如式(2)所示，S
ij,max
表示支路ij上允许通过的最大功率，交流潮流模型中线路电流约束为含有二次项的等式(3)，可通过令进一步简化约束，其中表示支路电流的平方，表示节点电压平方，
[0013][0014][0015][0016]供电网节点有功功率平衡约束如式(4)所示，其中表示接于节点j的发电机，表示接于节点的电力负荷，表示接于节点j的水泵机组，表示接于节点j的光伏发电机组，i∈u(j)表示以节点i为末端i为首端的线路，i∈v(j)表示以节点i为首端i为末端的输电管道，表示光伏发电功率，g
j
表示节点j对地电导，分别表示电网中接入的各类负荷：水泵、热网水泵以及电网常规负荷的有功功率，式(5)为线路电压降落约束，
[0017][0018][0019]储能约束为式(6)-(8)，其中表示电储能的蓄电量，表示电储能的充电功率，表示电储能的放电功率，和分别表示电储能的充电和放电效率，和分别表示电储能的蓄电量下限和上限避免过充和过放损害电池寿命，表示电储能的充电功率上限，表示电储能的放电功率上限，
[0020][0021][0022][0023]所述配水网模型的建立具体为：
[0024]在供水网中，水负荷包括工业用水负荷、CHP供电单元耗水与开式热网的水损耗，供水网中节点平衡方程如式(9)所示，其中Ξ表示一系列接于节点w设备，其中表示以节点w为管道首节点和末节点的水网管道集合，表示水网管道流量，表示出水装置的提取和注入流量，表示大型储水装置的取水流量，表示管道流量的上限，表示大型储水装置取水量上限；其中负荷处水网自身负荷之外，还包括有CHP机组运行耗水以及热网补给耗水之外，还包括有CHP机组运行耗水以及热网补给耗水为CHP机组耗水系数，式(10)为水网管道流量限制，大型储水装置流量约束为式(11)，
[0025][0026][0027][0028]在供水网中，普通管道和装有水泵管道的水力特性分别如式(12)和(13)所示，其中为压力系数；采用恒速水泵模型，即含有水泵的管道压力约束需要考虑水泵水头压力可以通过近似线性表达式(14)求得，其中由于含有水泵的管道水流方向确定，不需要对方向进行进一步的约束和处理，表示水泵压力系数，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向工业园区的供水-供能耦合规划方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：首先分别建立配电网模型、供热网模型以及配水网模型，包括光伏发电、火电机组、CHP机组这些供能设备，以及水泵、电储能、蓄水装置这些辅助设备；步骤2：基于所建立模型，搭建一个相互依赖和作用的水-能联系网络的耦合规划模型，结合耦合元件搭建有相互耦合关系的具体规划模型；步骤3：结合水-能网络构建以总投资运行成本为目标函数的混合整数非线性规划模型，通过IPOPT求解器对其进行优化求解，并给出最优供能方案，并探究如何合理配置储能、蓄水设备来优化投资运行成本。2.根据权利要求1所述的一种面向工业园区的供水-供能耦合规划方法，其特征在于，所述配电网模型的建立具体为：采用交流配网模型模拟接有光伏发电以及与其他网络相耦合的电力负荷的供电网络，工业园区中配电网中节点电压约束如式(1)所示，其中电压上下限采用0.95p.u.和1.05p.u.，支路容量约束如式(2)所示，S
ij,max
表示支路ij上允许通过的最大功率，交流潮流模型中线路电流约束为含有二次项的等式(3)，可通过令进一步简化约束，其中表示支路电流的平方，表示节点电压平方，表示节点电压平方，表示节点电压平方，供电网节点有功功率平衡约束如式(4)所示，其中表示接于节点j的发电机，表示接于节点的电力负荷，表示接于节点j的水泵机组，表示接于节点j的光伏发电机组，i∈u(j)表示以节点i为末端i为首端的线路，i∈v(j)表示以节点i为首端i为末端的输电管道，表示光伏发电功率，g
j
表示节点j对地电导，分别表示电网中接入的各类负荷：水泵、热网水泵以及电网常规负荷的有功功率，式(5)为线路电压降落约束，的有功功率，式(5)为线路电压降落约束，储能约束为式(6)-(8)，其中表示电储能的蓄电量，表示电储能的充电功率，表示电储能的放电功率，和分别表示电储能的充电和放电效率，和分别表示电储能的蓄电量下限和上限避免过充和过放损害电池寿命，表示
电储能的充电功率上限，表示电储能的放电功率上限，表示电储能的放电功率上限，表示电储能的放电功率上限，3.根据权利要求2所述的一种面向工业园区的供水-供能耦合规划方法，其特征在于，所述配水网模型的建立具体为：在供水网中，水负荷包括工业用水负荷、CHP供电单元耗水与开式热网的水损耗，供水网中节点平衡方程如式(9)所示，其中Ξ表示一系列接于节点w设备，其中表示以节点w为管道首节点和末节点的水网管道集合，表示水网管道流量，表示出水装置的提取和注入流量，表示大型储水装置的取水流量，表示管道流量的上限，表示大型储水装置取水量上限；其中负荷处水网自身负荷之外，还包括有CHP机组运行耗水以及热网补给耗水为CHP机组耗水系数，式(10)为水网管道流量限制，大型储水装置流量约束为式(11)，(11)，(11)，在供水网中，普通管道和装有水泵管道的水力特性分别如式(12)和(13)所示，其中为压力系数；采用恒速水泵模型，即含有水泵的管道压力约束需要考虑水泵水头压力可以通过近似线性表达式(14)求得，其中由于含有水泵的管道水流方向确定，不需要对方向进行进一步的约束和处理，表示水泵压力系数，表示管道压力损耗系数，表示水网节点压力上下限，表示水泵效率，表示水泵能耗，表示水泵所在管道流量，表示水泵产生的压头，π
w,s,t
表示水网节点压力，整个供水网中节点压头约束为式(15)，水泵能耗方程如(16)所示，个供水网中节点压头约束为式(15)，水泵能耗方程如(16)所示，
4.根据权利要求3所述的一种面向工业园区的供...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯艳，王涛，刘志松，王程，高宁，刘笑洋，郭玲，秦小安，万淑娟，金燕云，钱雷，胡凡麒，荣芳，李文娟，
申请(专利权)人：国网湖北省电力有限公司武汉供电公司国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：