技术领域
[0001] 本
发明实施例涉及能源系统技术领域，具体涉及一种综合能源系统多能耦合分层建模方法。
背景技术
[0002] 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。
[0003] 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ETH Zurich教授提出的能源集线器(Energy Hub)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(Energy Router)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。
[0004] 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。
发明内容
[0005] 为此，本发明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。
[0006] 为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：
[0007] 一种综合能源系统多能耦合分层建模方法，包括如下步骤：
[0008] 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；
[0009] 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。
[0010] 作为本发明的一种优选方案，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：
[0011]
[0012] 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。
[0013] 作为本发明的一种优选方案，M1表示分配层传递矩阵，由分配系数构成，表示为：
[0014]
[0015] 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；
[0016] 所述分配系数满足如下约束条件：
[0017]
[0018]
[0019] …
[0020]
[0021] 且有
[0022] 式中：k表示分配系数的编号，k∈[1,n]。
[0023] 作为本发明的一种优选方案，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：
[0024]
[0025] 式中：i表示能源形式，k∈[α,β,…,ω]；表示转换层的输出能源。
[0026] 作为本发明的一种优选方案，M2表示转换层传递矩阵，由转换效率构成，表示为：
[0027]
[0028] 式中：式中： 表示转换设备的效率。
[0029] 作为本发明的一种优选方案，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：
[0030]
[0031] 式中：Iα,Iβ,…,Iω表示集成层的输出能源。
[0032] 作为本发明的一种优选方案，M3表示集成层的传递矩阵，由指示变量构成，表示为：
[0033]
[0034] 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]。
[0035] 作为本发明的一种优选方案，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：
[0036]
[0037] 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：
[0038]
[0039] 式中：对角线元素均为1，而非对角线元素均为0。
[0040] 作为本发明的一种优选方案，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：
[0041]
[0042] 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：
[0043]
[0044] 式中：rα,rβ,…,rω表示能源网络的网损率。
[0045] 作为本发明的一种优选方案，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：
[0046]
[0047] 本发明的实施方式具有如下优点：
[0048] 1)本发明模型层次清晰，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；
[0049] 2)本发明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
[0050] 为了更清楚地说明本发明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。
[0051] 图1为本发明实施方式中多能耦合分层建模方法示意图。
具体实施方式
[0052] 以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，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发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0053] 本发明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。该模型将多能耦合过程清晰的分解为五个部分，即能量的分配、转换、集成、存储和传输。将五个层级的传递矩阵相乘，即得到综合能源系统的输入能源和输出能源的耦合关系。
[0054] 本发明提供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：
[0055] 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；
[0056] 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。
[0057] 作为本发明的一种优选方案，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：
[0058]
[0059] 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。
[0060] 作为本发明的一种优选方案，M1表示分配层传递矩阵，由分配系数构成，表示为：
[0061]
[0062] 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；
[0063] 所述分配系数满足如下约束条件：
[0064]
[0065]
[0066] …
[0067]
[0068] 且有
[0069] 式中：k表示分配系数的编号，k∈[1,n]。
[0070] 作为本发明的一种优选方案，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：
[0071]
[0072] 式中：i表示能源形式，k∈[α,β,…,ω]；表示转换层的输出能源。
[0073] 作为本发明的一种优选方案，M2表示转换层传递矩阵，由转换效率构成，表示为：
[0074]
[0075] 式中：式中： 表示转换设备的效率。
[0076] 作为本发明的一种优选方案，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：
[0077]
[0078] 式中：Iα,Iβ,…,Iω表示集成层的输出能源。
[0079] 作为本发明的一种优选方案，M3表示集成层的传递矩阵，由指示变量构成，表示为：
[0080]
[0081] 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]。
[0082] 作为本发明的一种优选方案，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：
[0083]
[0084] 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：
[0085]
[0086] 式中：对角线元素均为1，而非对角线元素均为0。
[0087] 作为本发明的一种优选方案，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：
[0088]
[0089] 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：
[0090]
[0091] 式中：rα,rβ,…,rω表示能源网络的网损率。
[0092] 作为本发明的一种优选方案，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：
[0093]
[0094] 实施例：
[0095] 下面以包含
变压器、CHP、锅炉、
热交换器等四种能源转换设备和电储能、热储能两种储能的综合能源系统为例，阐述本课题所提出的多能流转换分析与联合建模的具体思路。算例参数设置情况如表1、表2与表3所示：
[0096] 表1能源转换设备的参数
[0097]
[0098]
[0099] 表2储能的参数设置
[0100]编号 设备 符号 蓄能效率 释能效率
1 电储能 Se 0.9 0.9
2 热储能 Sh 0.9 0.9
[0101] 表3能源网络参数设置一览表
[0102]编号 设备 网损率
1
电网络 re
2 热网络 rh
[0103] 结合图1所示的多能耦合分层建模方法，可以逐级计算各层级传递矩阵的表达式如下：
[0104] 传递矩阵M1：
[0105]
[0106] 传递矩阵M2：
[0107]
[0108] 传递矩阵M3：
[0109]
[0110] 传递矩阵M4：
[0111]
[0112] 传递矩阵M5：
[0113]
[0114] 最终得到综合能源系统整体的输入与输出之间的关系为：
[0115]
[0116] 本发明具备如下优点：
[0117] 1)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；
[0118] 2)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。
[0119] 虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
