技术领域
[0001] 本
发明涉及能量调度技术领域，具体涉及一种基于逆序动态规划的能量路由器最优运行调度方法。
背景技术
[0002]
可再生能源的快速增长和电动
汽车等新型大功率随机性负荷的接入对电
力系统运行和控制造成了一定困难。为了应对这些挑战，从经济和环境
角度来看，综合利用现有的电力、
天然气和区域供热等能源
基础设施，朝着综合能源系统发展成为新的趋势。综合能源系统是一个包含供电、供气以及供热的多种能源耦合的能源网络，它可以实现各种能源的协调和优化，提高整个能源系统的运行效率。
[0003] 针对综合能源系统的能量控制与优化调度问题，国内外研究机构进行了初步研究。常用方法包括综合能源分布式调度与运行管理，不同运行策略与运行模式的切换，以及对多能流动方向与大小进行仿真分析等方法，这些方法都只限于理论分析，难以付诸实施，特别是分布式调度依赖通信，可靠性低。也有一些研究对电力系统与天然气系统之间的耦合关系、
热电联产和
光伏发电联合运行、电力系统与热力系统联合潮流优化等方面进行了探讨，但都不够全面反映电-气-热综合能源的互补与及优化调控。
发明内容
[0004] 为此，本发明提供一种基于逆序动态规划的能量路由器最优运行调度方法，考虑电力和热量需求的随机
波动，建立了能量路由器运行优化调度运行调度目标函数模型，并提出采用逆序动态规划的方法对能量路由器多阶段优化运行调度模型进行求解，利用本
专利综合能量路由器及其最优运行调度方法可以实现电力、天然气、氢能和供热等多种能源的互补运行与优化调控，保证综合能源系统的经济高效运行，以解决
现有技术中不能互补以及优化调控的问题。
[0005] 为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0006] 一种基于逆序动态规划的能量路由器最优运行调度方法，包括如下步骤：
[0007] 步骤1、构建能量路由器结构：输入端为电力和天然气，输出端满足电负荷和热负荷需求，能量路由器的内部含四个转换器和三个存储设备；
[0008] 步骤2、建立能量路由器的物理约束与运行约束条件，确定能量路由器优化调度周期，并准备能量路由器优化调度周期内的全部数据；
[0009] 步骤3、建立能量路由器的运行调度目标函数模型；
[0010] 步骤4、采用逆序动态规划的求解方法，对能量路由器的多阶段优化运行模型进行求解，得到能量路由器优化运行调度结果，包括各阶段决策变量和状态变量的数值解；
[0011] 所述能量路由器包括两个不同类型的能量输入端口和两个不同类型的负荷需求端口，在能量输入端口和负荷需求端口之间包括能量转换器和存储设备；所述能量转换器的数量为四个，分别为
电解制氢设备、
燃料电池、热电联产设备和
锅炉；所述存储设备的数量为三个，分别为氢存储设备、热存储设备和电池存储设备；所述全部数据包括优化调度周期内的电价、天然气价、1→T优化调度周期内的电负荷和热负荷、能量转换设备的启停成本，以及各种物理运行约束的边界条件；根据电力和热量负荷的随机波动特性，将优化调度周期t内
电力负荷和热量负荷需求的随机过程表示如下：
[0012]
[0013] 式中， 为t时刻不同类型的负荷，e代表电力，th代表热量； ， ， 是确定性成分，通过历史数据计算每小时、每天、每月的平均值得
到； 是随机性成分；
[0014] 其中， 的随机特性由下面公式计算：
[0015]
[0016] 式中， 是标准的正态分布随机变量， ， 为均值， 为标准差， 是t-1时刻的随机性成分；能量路由器运行约束条件具体为：
[0017] 能量路由器系统中，在任何时刻t四个转换器和三个存储设备的运行功率 不能低于或高于某些功率
水平，需要满足如下的功率约束：
[0018]
[0019]
[0020] 式中， 为能量转换设备J的输出功率； 为设备J的工作状态，1表示开启，0表示停机； 和 为能量转换设备J输出功率的最小值和最大值；
[0021] 式中， 为能量存储设备S的输出功率，储氢、储热、储电释放时功率为正值 ，存储时为功率为负值 ； 和 为能量存储设备S输出功率的最小值和最大值；
[0022] 其中，P2H为电解制氢设备，FC为
燃料电池，CHP为热电联产设备，B为锅炉；SH为氢存储设备，Sth热存储设备，Sb为电池存储；
[0023] 为了保证电负荷和热负荷正常需求，能量路由器系统需要满足电功率和热平衡约束，计算公式如下：
[0024]
[0025]
[0026] 式中， 和 分别为t时刻电负荷和热负荷； 和 分别为热电联产设备和燃料电池设备的热电比；
[0027] 在系统内部能量转换的过程中，天然气和氢气需要满足以下平衡约束：
[0028]
[0029]
[0030] 式中， 、 、 和 分别为热电联产设备、锅炉、电解制氢和燃料电池设备的能量转换效率；
[0031] 在能量路由器系统中，储氢、储热、储电的存储率水平应保持在允许的范围内，约束如下：
[0032]
[0033] 为S类型储能在t时存储率水平， 和 分别为S类型储能在t时存储率水平的最小值和最大值。
[0034] 可选的，在步骤300中，能量路由器运行优化的目标函数的具体确定方法为：
[0035] 能量路由器运行成本除了外购的电力和天然气成本，还需考虑系统内部四个转换器的启动和停机成本，计算公式如下：
[0036]
[0037] 式中， 为能量转换设备J额定的启停成本； 为能量转换设备J实际运行中产生的启停成本； 和 分别为t和t-1时刻设备J的工作状态；
[0038] 能量路由器在t时刻运行成本 的计算公式：
[0039]
[0040] 式中， 和 分别输入端电力和天然气价格； 和 分别输入电力和天然气功率，系统运行成本包含与
电网能量交换
费用，购买天然气费用，以及四个能量转换器的启停费用；
[0041] 能量路由器在时间t=1→T所有时段总的运行成本 计算公式：
[0042]
[0043] 上述 即为能量路由器运行优化调度的目标函数。
[0044] 可选的，所述能量路由器的优化运行过程中，在时间维度上从t=1→T，分为T个决策阶段；
[0045] 能量路由器动态规划的多阶段决策过程中，所需的状态变量 可以写为下式：
[0046]
[0047] 两个相邻时刻t+1和t的状态变量 和 之间的关系，可以通过状态转移函数进行计算；
[0048] 中 的状态转移函数如下：
[0049] 为S类型储能在t时存储率水平， 为S类型储能的容量， 为S类型储能充放效率。
[0050] 可选的，基于逆序动态规划的求解方法对能量路由器的多阶段优化运行模型进行求解的具体步骤为：
[0051] 设定决策变量 ，包括能量路由器与电网交换功率，购买天然气功率，四个转换器设备的功率和运行状态；
[0052] 状态变量 包括电负荷，热负荷，以及储氢、储热、储电的存储率水平。
[0053] 可选的，能量路由器的多阶段优化运行动态规划的求解方程如下：
[0054] 。
[0055] 本发明具有如下优点：
[0056] （1）本发明提出了输入端为电力和天然气，输出端满足电负荷和热负荷需求的能量路由器结构，并在对其优化运行调度时，考虑电力和热量需求由随机过程，更为贴近实际运行情况；
[0057] （2）本发明建立的能量路由器运行优化调度运行调度目标函数模型，考虑了能量路由器运营商购入电力和天然气的成本价格，能量路由器内部设备启停损耗，以及各种物理约束条件，可以更好的指导调度员对系统进行优化；
[0058] （3）本发明提出采用逆序动态规划的求解方法，对能量路由器的多阶段优化运行模型进行求解，将系统运行决策变化和系统状态变量进行了很好的分离。
附图说明
[0059] 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。
[0060] 本
说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
[0061] 图1为本发明实施方式中的流程示意图；
[0062] 图2为本发明实施方式中能量路由器结构示意
框图。
具体实施方式
[0063] 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。
[0064] 如图1所示，本发明提供了一种基于逆序动态规划的能量路由器最优运行调度方法，包括如下步骤：
[0065] 步骤100、构建输入端为电力和天然气、输出端满足电负荷和热负荷需求，内部含四个转换器和三个存储设备的能量路由器。
[0066] 本发明所述的能量路由器配置如图2所示。能量路由器的输入端为电力和天然气，输出端满足电负荷和热负荷需求，能量路由器内部由四个转换器和三个存储设备组成。四个转换器分别为：电解制氢设备（P2H），燃料电池（FC），热电联产（CHP）和锅炉（B）； 三个存储设备分别为：氢存储（SH），热存储（Sth）和电池存储（Sb）。
[0067] 步骤200、准备能量路由器优化调度周期内t=1→T的全部数据。
[0068] 数据包括电价、天然气价，1-T时的电负荷和热负荷，能量转换设备启停成本，以及各种物理运行约束的边界条件。
[0069] 根据电力和热量负荷的随机波动特性，将优化调度周期t内电力负荷和热量负荷需求的随机过程表示如下：
[0070] （1）；
[0071] 式中， 为t时刻不同类型的负荷，e代表电力，th代表热量； ，， 是确定性成分，通过历史数据计算每小时、每天、每月的平均值得
到； 是随机性成分；
[0072] 其中， 的随机特性由下面公式计算：
[0073] （2）
[0074] 式中， 是标准的正态分布随机变量， ， 为均值，为标准差， 是t-1时刻的随机性成分。
[0075] 步骤300、建立能量路由器运行优化调度的运行调度目标函数模型。
[0076] 运行调度目标函数模型包含能量路由器的运行约束条件和运行优化的目标函数。
[0077] （1）能量路由器运行约束
[0078] 1）能量路由器系统中，在任何时刻t四个转换器和三个存储设备的运行功率不能低于或高于某些功率水平，需要满足如下的功率约束：
[0079] （3）
[0080] 式中， 为能量转换设备J的输出功率； 为设备J的工作状态，1表示开启，0表示停机； 和 为能量转换设备J输出功率的最小值和最大值；
[0081] （4）
[0082] 式中， 为能量存储设备S的输出功率，储氢、储热、储电释放时功率为正值，存储时为功率为负值 ； 和 为能量存储设备S输出功率的最小值和最大值。
[0083] 2）为了保证电负荷和热负荷正常需求，能量路由器系统需要满足电功率和热平衡约束，计算公式如下： （5）
[0084] （6）
[0085] 式中， 和 分别为t时刻电负荷和热负荷； 和 分别为热电联产设备和燃料电池设备的热电比。
[0086] 对于图1所述能量路由器系统，电功率平衡约束容易被满足，因为有无穷大电网作为后备电源
支撑。热功率平衡约束有可能造成系统运行优化问题不可行，因为受到各种产热设备容量限制，没有无穷大热源支撑。
[0087] 3）图1所述能量路由器系统，在系统内部能量转换的过程中，天然气和氢气需要满足以下平衡约束：
[0088] （7）
[0089] （8）
[0090] 式中， 、 、 和 分别为热电联产设备、锅炉、电解制氢和燃料电池设备的能量转换效率。
[0091] 4）图1所述能量路由器系统，储氢、储热、储电的存储率水平应保持在允许的范围内，约束如下：
[0092] 为S类型储能在t时存储率水平， 和 分别为S类型储能在t时存储率水平的最小值和最大值。
[0093] （2）能量路由器运行优化的目标函数
[0094] 能量路由器运行优化调度的主要目标是确定其内每个转换器和存储设备的运行状态和运行出力，满足运行约束和负荷需求的同时，使得系统在一段特定时间内的运行成本最小。
[0095] 能量路由器运行成本除了外购的电力和天然气成本，还需考虑系统内部四个转换器的启动和停机成本，计算公式如下：
[0096] （10）
[0097] 式中， 为能量转换设备J额定的启停成本； 为能量转换设备J实际运行中产生的启停成本； 和 分别为t和t-1时刻设备J的工作状态。
[0098] 能量路由器在t时刻运行成本 的计算公式：
[0099] （11）
[0100] 式中， 和 分别输入端电力和天然气价格； 和 分别输入电力和天然气功率，系统运行成本包含与电网能量交换费用，购买天然气费用，以及四个能量转换器的启停费用。
[0101] 能量路由器在时间t=1→T所有时段总的运行成本 计算公式：
[0102] （12）
[0103] 式（12）即为能量路由器运行优化调度的目标函数。
[0104] 步骤400、采用逆序动态规划的求解方法，对能量路由器的多阶段优化运行模型进行求解。
[0105] 能量路由器的优化运行，可以看成多阶段决策过程，在时间维度上从t=1→T，分为T个决策阶段；在每个阶段决策时，同时要考虑阶段内的优化运行目标和本阶段运行决策对未来阶段运行产生的影响，特别是能量路由器中储氢、储热、储电三个能量存储设备，其不同时段运行SOC相互耦合。
[0106] 能量路由器动态规划的多阶段决策过程中，所需的状态变量 可以写为下式：
[0107] （13）
[0108] 两个相邻时刻t+1和t的状态变量 和 之间的关系，可以通过状态转移函数进行计算。
[0109] 中 和 的状态转移函数为公式（1）-（2）。
[0110] 中 的状态转移函数如下：
[0111] （14）。
[0112] 为S类型储能在t时存储率水平， 为S类型储能的容量， 为S类型储能充放效率。
[0113] 本发明采用逆序动态规划的求解方法，对能量路由器的多阶段优化运行模型进行求解，求解过程中，决策变量：
[0114] ，包括能量路由器与电网交换功率，购买天然气功率，四个转换器设备的功率和运行状态；
[0115] 状态变量 ，包括电负荷，热负荷，以及储氢、储热、储电的存储率水平。
[0116] 能量路由器的多阶段优化运行动态规划的求解方程如下：
[0117] （15）
[0118] 步骤500、通过步骤4逆序动态规划的求解方法，编程进行优化计算，得到能量路由器优化运行调度结果。
[0119] 其中，该调度结果包括各阶段决策变量和状态变量的数值解。
[0120] 基于前述，本发明具有如下优点：
[0121] 1) 构建的能量路由器结构：输入端为电力和天然气，输出端满足电负荷和热负荷需求，内部含四个转换器和三个存储设备的能量路由器。
[0122] 2) 能量路由器调度模型考虑了电力和热量负荷的随机波动特性，将时间t的电力和热量需求由随机过程表述。
[0123] 3) 建立的能量路由器运行优化调度的运行调度目标函数模型。目标函数：系统运行成本包含与电网能量交换费用，购买天然气费用，以及四个能量转换器的启停费用。运行约束条件：包括公式（3）-（9）所述四类约束。
[0124] 4) 采用逆序动态规划的方法，对能量路由器的多阶段优化运行模型进行求解。
[0125] 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。
