基于热管网约束自适应调节的综合能源系统优化调度方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于热管网约束自适应调节的综合能源系统优化调度方法。根据调度时间窗内的预测风电功率、热以及电负荷，考虑热网动态约束和电网直流潮流约束，构建热电综合能源系统优化调度模型，以运行成本最小为优化目标，得到CHP机组和向大电网购电的调度值；在实时调度中，利用CHP机组平抑风电功率实际值与预测值间的偏差，得到CHP机组的实际出力以及热网中的实际水温；判断水温是否越限，并计算水温越界的统计概率，根据该统计概率值动态自适应调节热网水温约束的边界值，并应用于下一个调度窗的优化模型中，调度窗在优化过程中不断地向前推进。本发明专利技术充分利用热管网水温的柔性约束以平抑可再生能源的随机波动，并实现综合能源系统优化调度。

【技术实现步骤摘要】
基于热管网约束自适应调节的综合能源系统优化调度方法
本专利技术属于综合能源优化调度领域，尤其涉及一种基于热管网约束自适应调节的综合能源系统优化调度方法。
技术介绍
热电综合能源系统通过热电耦合元件将热网和电网耦合在一起，实现能源的综合利用，有利于提高能源的利用效率，有重要的研究意义和巨大的发展前景，图1所示为热电综合能源系统的示意图。风电和太阳能等可再生能源由于出力受自然条件的限制，其不确定性和波动性会给要求实时供需平衡的电网带来很大的冲击，因此对于平抑风电不确定性的研究一直备受关注。热电综合能源系统中热管网的水温变化范围较大，具有天然的储能特性，因此目前利用综合能源系统平抑不确定可再生能源波动的优化调度模型和算法也越来越多。很多研究针对风电的不确定性问题展开，在热电综合能源系统的优化调度中，应对该问题的主要方法有：(1)模糊优化；(2)场景优化；(3)鲁棒优化。但在解决不确定性问题时，模糊优化方法存在合适的隶属函数较难选择，并易受到决策者主观因素影响等问题。场景优化方法存在着准确的概率分布函数较难获得且求解计算量大等问题，而鲁棒优化方法的缺点是有时求解结果过于保守。
技术实现思路
本专利技术的目的针对现有技术的不足，提供一种基于热管网约束自适应调节的综合能源系统优化调度方法，该方法以热网水温的柔性约束平抑可再生能源不确定性，提升系统面对不确定能源的运行鲁棒性，扩大可行域的范围，增强系统的可调度性，通过能源系统间的刚柔互济来提高系统能源利用效率。考虑到热管网水温的约束并不是刚性约束，偶尔的水温越限不会影响到系统的运行安全，是允许的；而且如果利用好，可以大大提升整个综合能源系统对不确定能源波动的消纳能力。因此，对于一定的水温允许越限概率的上限值，提出了基于热管网水温约束自适应调节的综合能源系统优化调度策略，其中水温约束边界根据当前的越限统计情况和允许越限概率的上限自适应进行调整，通过最大化地利用所允许的水温越限概率，实现不确定可再生能源的消纳。因此，该调度策略能够提高综合能源系统的柔性，使系统的综合能源利用效率得到提升。热管网水温约束自适应调节的目标是实现水温约束越限概率能够维持在上限，即最大允许值，通过计算当前的水温约束越限概率，以及其与最大期望值之间偏差的动态特性，利用PID反馈控制的思想，调节水温约束的边界值，最终实现水温约束越限概率达到其期望的上限值，即最大程度地利用热管网中水温的柔性约束来平抑随机不确定能源的波动，提高综合能源系统的运行灵活性。本专利技术提出的基于热管网约束自适应调节的综合能源系统优化调度方法，该方法的具体实现流程如下：步骤1：建立考虑水力热力的动态传热过程热网模型，该模型包括：1.1热管网通过保温层、土壤层的径向散热；1.2热管网沿着水流动方向的轴向散热；1.3考虑径向散热和轴向散热的管道动态传热模型。步骤2：建立多时间尺度热电综合能源系统优化调度模型，步骤如下：2.1根据管道动态传热模型构建热网动态模型；2.2建立电网直流潮流模型；2.3建立热电耦合元件模型；2.4将不同仿真时间尺度下的热网动态模型与电网直流潮流模型，通过热电耦合元件模型集成在统一的预测时间窗下，形成热电综合能源系统优化调度模型。步骤3：自适应动态调节热网水温约束，步骤如下：3.1根据在某一时间窗内的预测风电功率、热负荷以及电负荷，通过Cplex软件包求解热电综合能源系统优化调度模型，得到该时间窗内各仿真时刻点下的CHP机组出力与向大电网购电的调度值；3.2在实时调度中，用CHP机组消纳实际风电与预测值的不平衡量；3.3基于实际CHP机组出力，结合管道动态传热模型，求解得到热管网中的实际水温；3.4进行水温越限概率统计，并根据预先设置的水温越限概率允许的上界值，自适应动态调节水温约束边界值；3.5将滚动优化时间窗向前推进，并将更新过的水温约束边界值应用于下一时间窗内的优化调度中。进一步地，所述步骤1.1中，热管网通过保温层、土壤层的径向散热过程建模如下：由径向散热推导得到保温层微元温度公式为：其中，Dout和Din分别为管道外径和内径，Δx为管线微元长度，cb为保温层比热容，ρb为保温层密度，Rwb为水管与保温层之间的热阻，Rbs为管道与土壤之间的热阻，Tsoil为土壤温度，和分别为管线l的第k段微元水及保温层在仿真时刻τ的温度。进一步地，所述步骤1.2中，热管网沿着水流动方向的轴向散热过程建模如下：管道内水的温度随时间τ和位置x变化的偏微分方程如下式所示：其中，为管道中水流的横截面积，cw为水的比热容，ρ为水的密度，Ml,τ为管线l在仿真时刻τ的质量流速，μ为管道的热传递系数，对上式采用有限差分法进行求解，推导得到热管网内水温公式为：进一步地，所述步骤1.3中，考虑径向散热和轴向散热的管道动态传热模型的建模过程包括：A)热负载和换热站的热交换模型管线l-1的末端与管线l的始端连至热负载g，水依次流经管线l-1的末端、热负载g、管线l的始端，在负载上发生的热交换由下式表示：其中，L为管线l-1的长度，为负载g在仿真时刻τ的热需求功率。管线i的末端与管线j的始端与换热站相连，换热站的热能由CHP机组热输出来提供，其热交换由下式表示：其中，Bheat为与换热站相连的所有节点，为τ时刻的CHP机组输出的热功率。B)热管网中的水力模型管线j和j+1的末端与管线l的始端交汇在一起，热水在节点混合后，流出节点的热水温度相同，由下式表示：管线j和j+1的末端、管线l和l+1的始端汇合于一点，其流量平衡表示为：Mj,τ+Mj+1,τ＝Ml,τ+Ml+1,τ热管网中的水温有标称推荐的上下界约束：Tmax和Tmin，但该约束是柔性的，即在系统长期运行过程中，少概率的越界并不影响系统的运行安全，反而可以有效提升系统的控制灵活性。因此，水温的柔性约束表示为：为了使水温的约束越限出现的概率在长期运行过程中保持在期望的上限α值附近，在热网水温约束中引入动态松弛因子hT，即热网水温约束为：动态松弛因子hT根据当前的水温越限概率与期望上限值之前的偏差、该偏差相邻两个时刻间的变化，以及变化率的动态特性进行自适应调节。进一步地，所述步骤2.1中，根据热管网径向散热模型、轴向散热模型、热交换模型和水力模型，构建热网动态模型。进一步地，所述步骤2中建立电网直流潮流模型的过程如下：节点m到n的支路上的有功功率Pmn,T表示为：Pmn,T＝-bmn(δm,T-δn,T)其中，bmn为线路m-n的电纳参数，δm,T和δn,T分别为T时刻节点m和n处的电压相角。功率平衡公式为：其中，Ps,m,T和Pload,m,T分别为T时刻节点m上的有功功率注入和负载；j∈m为所有与节点m直接相连的支路，P本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于热管网约束自适应调节的综合能源系统优化调度方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：/n步骤1：建立考虑水力热力的动态传热过程热网模型，该模型包括：/n1.1热管网通过保温层、土壤层的径向散热；/n1.2热管网沿着水流动方向的轴向散热；/n1.3考虑径向散热和轴向散热的管道动态传热模型。/n步骤2：建立多时间尺度热电综合能源系统优化调度模型，步骤如下：/n2.1根据管道动态传热模型构建热网动态模型；/n2.2建立电网直流潮流模型；/n2.3建立热电耦合元件模型；/n2.4将不同仿真时间尺度下的热网动态模型与电网直流潮流模型，通过热电耦合元件模型集成在统一的预测时间窗下，形成热电综合能源系统优化调度模型。/n步骤3：自适应动态调节热网水温约束，步骤如下：/n3.1根据在某一时间窗内的预测风电功率、热负荷以及电负荷，求解热电综合能源系统优化调度模型，得到该时间窗内各仿真时刻点下的CHP机组出力与向大电网购电的调度值；/n3.2在实时调度中，用CHP机组消纳实际风电与预测值的不平衡量；/n3.3基于实际CHP机组出力，结合管道动态传热模型，求解得到热管网中的实际水温；/n3.4进行水温越限概率统计，并根据预先设置的水温越限概率允许的上界值，自适应动态调节水温约束边界值；/n3.5将滚动优化时间窗向前推进，并将更新过的水温约束边界值应用于下一时间窗内的优化调度中。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于热管网约束自适应调节的综合能源系统优化调度方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：建立考虑水力热力的动态传热过程热网模型，该模型包括：
1.1热管网通过保温层、土壤层的径向散热；
1.2热管网沿着水流动方向的轴向散热；
1.3考虑径向散热和轴向散热的管道动态传热模型。
步骤2：建立多时间尺度热电综合能源系统优化调度模型，步骤如下：
2.1根据管道动态传热模型构建热网动态模型；
2.2建立电网直流潮流模型；
2.3建立热电耦合元件模型；
2.4将不同仿真时间尺度下的热网动态模型与电网直流潮流模型，通过热电耦合元件模型集成在统一的预测时间窗下，形成热电综合能源系统优化调度模型。
步骤3：自适应动态调节热网水温约束，步骤如下：
3.1根据在某一时间窗内的预测风电功率、热负荷以及电负荷，求解热电综合能源系统优化调度模型，得到该时间窗内各仿真时刻点下的CHP机组出力与向大电网购电的调度值；
3.2在实时调度中，用CHP机组消纳实际风电与预测值的不平衡量；
3.3基于实际CHP机组出力，结合管道动态传热模型，求解得到热管网中的实际水温；
3.4进行水温越限概率统计，并根据预先设置的水温越限概率允许的上界值，自适应动态调节水温约束边界值；
3.5将滚动优化时间窗向前推进，并将更新过的水温约束边界值应用于下一时间窗内的优化调度中。


2.根据权利要求1所述的一种基于热管网约束自适应调节的综合能源系统优化调度方法，其特征在于，所述步骤1.1中，热管网通过保温层、土壤层的径向散热过程建模如下：
由径向散热推导得到保温层微元温度公式为：



其中，Dout和Din分别为管道外径和内径，Δx为管线微元长度，cb为保温层比热容，ρb为保温层密度，Rwb为水管与保温层之间的热阻，Rbs为管道与土壤之间的热阻，Tsoil为土壤温度，和分别为管线l的第k段微元水及保温层在仿真时刻τ的温度。


3.根据权利要求2所述的一种基于热管网约束自适应调节的综合能源系统优化调度方法，其特征在于，所述步骤1.2中，热管网沿着水流动方向的轴向散热过程建模如下：
管道内水的温度随时间τ和位置x变化的偏微分方程如下式所示：



其中，为管道中水流的横截面积，cw为水的比热容，ρ为水的密度，Ml,τ为管线l在仿真时刻τ的质量流速，μ为管道的热传递系数，对上式采用有限差分法进行求解，推导得到热管网内水温公式为：





4.根据权利要求3所述的一种基于热管网约束自适应调节的综合能源系统优化调度方法，其特征在于，所述步骤1.3中，考虑径向散热和轴向散热的管道动态传热模型的建模过程包括：
A)热负载和换热站的热交换模型
管线l-1的末端与管线l的始端连至热负载g，水依次流经管线l-1的末端、热负载g、管线l的始端，在负载上发生的热交换由下式表示：



其中，L为管线l-1的长度，为负载g在仿真时刻τ的热需求功率。
管线i的末端与管线j的始端与换热站相连，换热站的热能由CHP机组热输出来提供，其热交换由下式表示：



其中，Bheat为与换热站相连的所有节点，为τ...

【专利技术属性】
技术研发人员：包哲静，叶杨莉，刘睿捷，于淼，陆玲霞，郭晓钢，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33