技术领域
[0001] 本
发明属于电
力系统中综合能源系统优化配置领域，具体涉及一种多区域综合能源系统优化配置方法。
背景技术
[0002] 综合能源系统作为一种能源产-供-消一体化系统，可以在提高能源利用效率、减少环境污染、加强能源安全、优化能源结构方面发挥积极作用，提供有效的技术手段以降低能耗。通过建设综合能源系统，可以最佳地共享所有类型的能源，并且显著地提高多能源利用率，降低系统运行成本。综合能源系统冷-热-电综合优化配置方法作为发展综合能源系统高效利用的必备条件，一直受到国内外学者的广泛关注。但是考虑到综合能源系统中多能耦合密切，其设备类型更是多种多样，优化配置模型本质是一个多维度、多层次以及非线性的复杂规划问题，而现阶段的综合能源系统优化配置方法大多只单纯的考虑独立系统(独立系统内荷侧的热电比与源侧的热电比不匹配制约着系统高效运行)，且没有考虑网络互联以及网络约束对于优化配置问题的影响，未充分利用多能源的互补特性。
发明内容
[0003] 本发明的目的是针对
现有技术存在的上述问题，提供一种考虑多区域互联的综合能源系统优化配置问题、能够有效提升系统运行灵活性的多区域综合能源系统优化配置方法。
[0004] 为实现以上目的，本发明的技术方案如下：
[0005] 一种多区域综合能源系统优化配置方法，依次包括以下步骤：
[0006] 步骤A、获取多区域综合能源系统的
基础数据；
[0007] 步骤B、基于获得的基础数据构建综合能源配电系统优化配置模型，其中，所述综合能源配电系统优化配置模型包括区域电力系统模型、区域热力系统模型和能源耦合系统模型；
[0008] 步骤C、求解上述优化配置模型，得到多区域综合能源系统内各类设备的选型优化结果以及设备的最优运行结果；
[0009] 步骤D、根据上述优化结果进行多区域综合能源系统的优化配置。
[0010] 步骤B中，所述区域电力系统模型为：
[0011]
[0012] 上式中，Pi(t)、Qi(t)分别为t时段
节点i的有、无功注入功率，Ui(t)为t时段节点i的
电压幅值，Uj(t)为t时段节点j的电压幅值，Gij、Bij分别为节点i到节点j之间线路的π型等值
电路中的电导、电纳，θij为节点i与节点j之间的相
角差，θij＝θi-θj，Iij(t)为t时段节点i到节点j支路的
电流幅值，Iijmax为节点i到节点j支路的电流幅值上限，N为节点i的数量，T为总时间；
[0013] 所述区域热力系统模型为：
[0014]
[0015] 上式中，Qi,t为t时段节点i与第i个综合能源系统之间的流量，qij,t为t时段管段中从节点i流向节点j的流量，Hex,i,t为t时段节点i与第i个综合能源配电系统之间的
热能交互，c为
水的
比热容，Ts、Tr分别为给水
温度、回水温度，Hij,t为t时段从管段中节点i流向节点j的热能，ηji为节点j到节点i的热损率，δ为单位长度管道热损率，lji为节点j到节点i的长度；
[0016] 所述能源耦合系统模型为：
[0017]
[0018] 上式中，CHN为热网的投资成本，Ccchp为机组投资成本，Cpump为水
泵运行电费，Cng为
燃料费用，CDN为配网交互费用，R为年成本折算系数，priceHN,fix为热网管段安装的固定费用，priceHN,var为热网管段安装的可变费用，li为1km，Zi为节点i处的管段状态，N1为节点i的数量，Nc为冷热电联供系统的数量，ΩGT为
燃气轮机的可选型号集合，ΩGB为燃气
锅炉的可选型号集合， 为r型号燃气轮机的投资成本， 为r型号燃气锅炉的投资成本，priceeb为电热锅炉的投资成本， xeb,i、xec,i、xac,i分别为节点i处r型号燃气轮机、r型号燃气锅炉、电热锅炉、电制冷器、吸收式制冷器的安装状态，Kec、Kac分别为电制冷器、吸收式制冷器的单位容量价格，Wec,i、Wac,i分别为节点i处电制冷器、吸收式制冷器的容量，Nt为总时段数，ηpump,i为耗电输热比，Hij,t为从i节点流向节点j的管段流量，pricee,i,t为t时段节点i处的购电电价，Δt为单位时间间隔，priceng为燃气单价，Hng为
天然气的热值， 为t时段节点i处r型号燃气轮机的电出力， 为r型号燃气轮机的发电效率， 为t时段节点i处r型号燃气锅炉的热出力， 为r型号燃气锅炉的发热效率，pricee,i,t为t时段节点i的电价，Pex,i,t为t时段节点i与配网间的交互功率。
[0019] 所述能源耦合系统模型的约束条件包括：
[0020] 功率平衡约束：
[0021]
[0022] 上式中，Pload,i,t、Hload,i,t、Cload,i,t分别为t时段节点i处的电、热、冷负荷需求，Qec,i,t、Qac,i,t分别为t时段节点i处电制冷机、
吸收式制冷机的制冷量，COPec为电制冷机的热力系数，Qeb,i,t为t时段节点i处电热锅炉的产热量，ηeb为电热锅炉的制热效率， 为t时段节点i处r型号燃气轮机的热出力，ηhr为余热回收器的回收效率，ηhe为
热交换器效率， 为燃气锅炉的发热效率，COPac为吸收式制冷机的热力系数；
[0023] 设备出力约束：
[0024]
[0025] 上式中， 分别为r型号燃气轮机的电功率上、下限， 分别为r型号燃气轮机的热功率上、下限， 分别为r型号燃气锅炉的热功率上、下限，分别为r型号电热锅炉的电功率上、下限，Qecmax、Qecmin分别为电制冷机的冷功率上、下限，Qacmax、Qacmin分别为吸收式制冷机的冷功率上、下限， yeb,i,t、yec,i,t、yac,i,t分别为t时段节点i处r型号燃气轮机、r型号燃气锅炉、电热锅炉、电制冷机、吸收式制冷机的运行状态；
[0026] 状态变量约束：
[0027]
[0028] 所述步骤C采用SCIP优化工具包求解优化配置模型。
[0029] 步骤A中，所述基础数据包括多区域综合能源系统组成部分、组合结构、电热冷负荷数据、设备的类型、设备的额定功率和效率、天然气价格、电价。
[0030] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0031] 本发明一种多区域综合能源系统优化配置方法构建了包括区域电力系统模型、区域热力系统模型和能源耦合系统模型的综合能源配电系统优化配置模型，该方法结合区域热力系统模型以及区域电力系统模型来综合考虑多区域互联的综合能源系统优化配置问题，在保证满足用户的多样化用能需求的前提下考虑了网络互联以及网络约束对于系统的影响，从而提供更合理的设备配置方式及能源耦合形式，一方面，该设计不仅有效地解决了机组设备容量小、设备利用率低、设备容量浪费等问题，提高了能源利用率，而且显著降低了系统的运行费用，另一方面，该设计通过多种能源网络耦合实现了多区域子系统之间的互联互通，保证了多区域综合能源系统的供需匹配，当某一子区域负荷有所
波动时，既可以通过子区域内部设备出力变化来满足负荷的波动变化，也可以通过多种能源网络耦合系统来满足负荷的波动变化，从而有效提升了系统运行的灵活性。因此，本发明不仅提高了能源利用率、降低了系统的运行费用，而且提升了系统运行的灵活性。
附图说明
[0032] 图1为本发明
实施例中多区域综合能源系统结构示意图。
[0033] 图2为本发明实施例中两情景下的年网损结果对比图。
[0034] 图3为本发明实施例中两情景下电力系统E2节点的春、夏、秋、冬四个典型日的电压波动曲线对比图。
具体实施方式
[0035] 下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步详细的说明。
[0036] 一种多区域综合能源系统优化配置方法，依次包括以下步骤：
[0037] 步骤A、获取多区域综合能源系统的基础数据；
[0038] 步骤B、基于获得的基础数据构建综合能源配电系统优化配置模型，其中，所述综合能源配电系统优化配置模型包括区域电力系统模型、区域热力系统模型和能源耦合系统模型；
[0039] 步骤C、求解上述优化配置模型，得到多区域综合能源系统内各类设备的选型优化结果以及设备的最优运行结果；
[0040] 步骤D、根据上述优化结果进行多区域综合能源系统的优化配置。
[0041] 步骤B中，所述区域电力系统模型为：
[0042]
[0043] 上式中，Pi(t)、Qi(t)分别为t时段节点i的有、无功注入功率，Ui(t)为t时段节点i的电压幅值，Uj(t)为t时段节点j的电压幅值，Gij、Bij分别为节点i到节点j之间线路的π型等值电路中的电导、电纳，θij为节点i与节点j之间的相角差，θij＝θi-θj，Iij(t)为t时段节点i到节点j支路的电流幅值，Iijmax为节点i到节点j支路的电流幅值上限，N为节点i的数量，T为总时间；
[0044] 所述区域热力系统模型为：
[0045]
[0046] 上式中，Qi,t为t时段节点i与第i个综合能源系统之间的流量，qij,t为t时段管段中从节点i流向节点j的流量，Hex,i,t为t时段节点i与第i个综合能源配电系统之间的热能交互，c为水的比
热容，Ts、Tr分别为给水温度、回水温度，Hij,t为t时段从管段中节点i流向节点j的热能，ηji为节点j到节点i的热损率，δ为单位长度管道热损率，lji为节点j到节点i的长度；
[0047] 所述能源耦合系统模型为：
[0048]
[0049] 上式中，CHN为热网的投资成本，Ccchp为机组投资成本，Cpump为水泵运行电费，Cng为燃料费用，CDN为配网交互费用，R为年成本折算系数，priceHN,fix为热网管段安装的固定费用，priceHN,var为热网管段安装的可变费用，li均为1km，Zi为节点i处的管段状态，N1为节点i的数量，Nc为冷热电联供系统的数量，ΩGT为燃气轮机的可选型号集合，ΩGB为燃气锅炉的可选型号集合， 为r型号燃气轮机的投资成本， 为r型号燃气锅炉的投资成本，priceeb为电热锅炉的投资成本， xeb,i、xec,i、xac,i分别为节点i处r型号燃气轮机、r型号燃气锅炉、电热锅炉、电制冷器、吸收式制冷器的安装状态，Kec、Kac分别为电制冷器、吸收式制冷器的单位容量价格，Wec,i、Wac,i分别为节点i处电制冷器、吸收式制冷器的容量，Nt为总时段数，ηpump,i为耗电输热比，Hij,t为从i节点流向节点j的管段流量，pricee,i,t为t时段节点i处的购电电价，Δt为单位时间间隔，priceng为燃气单价，Hng为天然气的热值， 为t时段节点i处r型号燃气轮机的电出力， 为r型号燃气轮机的发电效率， 为t时段节点i处r型号燃气锅炉的热出力， 为r型号燃气锅炉的发热效率，pricee,i,t为t时段节点i的电价，Pex,i,t为t时段节点i与配网间的交互功率。
[0050] 所述能源耦合系统模型的约束条件包括：
[0051] 功率平衡约束：
[0052]
[0053] 上式中，Pload,i,t、Hload,i,t、Cload,i,t分别为t时段节点i处的电、热、冷负荷需求，Qec,i,t、Qac,i,t分别为t时段节点i处电制冷机、吸收式制冷机的制冷量，COPec为电制冷机的热力系数，Qeb,i,t为t时段节点i处电热锅炉的产热量，ηeb为电热锅炉的制热效率， 为t时段节点i处r型号燃气轮机的热出力，ηhr为余热回收器的回收效率，ηhe为热交换器效率， 为燃气锅炉的发热效率，COPac为吸收式制冷机的热力系数；
[0054] 设备出力约束：
[0055]
[0056] 上式中， 分别为r型号燃气轮机的电功率上、下限， 分别为r型号燃气轮机的热功率上、下限， 分别为r型号燃气锅炉的热功率上、下限，分别为r型号电热锅炉的电功率上、下限，Qecmax、Qecmin分别为电制冷机的冷功率上、下限，Qacmax、Qacmin分别为吸收式制冷机的冷功率上、下限， yeb,i,t、yec,i,t、yac,i,t分别为t时段节点i处r型号燃气轮机、r型号燃气锅炉、电热锅炉、电制冷机、吸收式制冷机的运行状态；
[0057] 状态变量约束：
[0058]
[0059] 所述步骤C采用SCIP优化工具包求解优化配置模型。
[0060] 步骤A中，所述基础数据包括多区域综合能源系统组成部分、组合结构、电热冷负荷数据、设备的类型、设备的额定功率和效率、天然气价格、电价。
[0061] 本发明的原理说明如下：
[0062] 本发明提供了一种多区域综合能源系统优化配置方法，该方法从融合区域热力系统和区域电力系统来考虑综合能源中设备的最佳接入容量以及最佳热网路径，建立了以最小化投资成本加运行成本为目标函数、以系统潮流约束等约束条件的能源耦合系统模型；同时，针对电力系统进行了详细建模，采用交流潮流计算，包含由电压用极坐标表示的节点功率方程、节点电压、支路电流，通过精确的非线性交流潮流模型可得到精确的潮流结果，将多种能源类型统一协调调度，实现电力系统和热力系统的结合，不仅能够改善系统电压水平，提升
电能质量，而且能够优化系统内潮流分布，降低配电系统的网损。
[0063] 状态变量约束：本发明通过状态变量约束保证了只有当设备已安装(x＝1)的情况下才可以正常运行(y＝1)。
[0064] 实施例1：
[0065] 一种多区域综合能源系统优化配置方法，依次按照以下步骤进行：
[0066] 步骤1、获取多区域综合能源系统的基础数据，所述基础数据包括多区域综合能源系统组成部分、组合结构、电热冷负荷数据、设备的类型、设备的额定功率和效率、天然气价格、电价，具体数据如表1所示：
[0067] 表1(a)24h购电、购气价格
[0068] 时段 电价(元/kW·h) 气价(元/kW·h)子区域1 0.54 0.242
子区域2 0.71 0.242
子区域3 0.9 0.242
[0069] 表1(b1)子区域1春季典型日24小时各时段电/热/冷负荷
[0070]
[0071] 表1(b2)子区域1夏季典型日24小时各时段电/热/冷负荷
[0072]
[0073]表1(b3)子区域1秋季典型日24小时各时段电/热/冷负荷
[0074]
[0075]
[0076] 表1(b4)子区域1冬季典型日24小时各时段电/热/冷负荷
[0077]
[0078] 表1(b5)子区域2春季典型日24小时各时段电/热/冷负荷
[0079]
[0080]
[0081] 表1(b6)子区域2夏季典型日24小时各时段电/热/冷负荷
[0082]
[0083]
[0084] 表1(b7)子区域2秋季典型日24小时各时段电/热/冷负荷
[0085]
[0086] 表1(b8)子区域2冬季典型日24小时各时段电/热/冷负荷
[0087]
[0088]
[0089] 表1(b9)子区域3春季典型日24小时各时段电/热/冷负荷
[0090]
[0091]
[0092] 表1(b10)子区域3夏季典型日24小时各时段电/热/冷负荷
[0093]
[0094] 表1(b11)子区域3秋季典型日24小时各时段电/热/冷负荷
[0095]
[0096] 表1(b12)子区域3冬季典型日24小时各时段电/热/冷负荷
[0097]
[0098]
[0099] 表1(g)设备参数
[0100]设备参数 数值
余热回收装置额定效率 0.9
换热装置额定效率 0.75
[0101] 表1(h)系统设备及热网参数
[0102]
[0103] 步骤2、基于获得的基础数据构建综合能源配电系统优化配置模型，其中，所述综合能源配电系统优化配置模型包括区域电力系统模型、区域热力系统模型和能源耦合系统模型，本实施例选取区域电力系统中节点1为平衡节点，所述区域电力系统模型为：
[0104]
[0105] 上式中，Pi(t)、Qi(t)分别为t时段节点i的有、无功注入功率，Ui(t)为t时段节点i的电压幅值，Uj(t)为t时段节点j的电压幅值，Gij、Bij分别为节点i到节点j之间线路的π型等值电路中的电导、电纳，θij为节点i与节点j之间的相角差，θij＝θi-θj，Iij(t)为t时段节点i到节点j支路的电流幅值，Iijmax为节点i到节点j支路的电流幅值上限，N为节点i的数量，T为总时间；
[0106] 所述区域热力系统模型为：
[0107]
[0108] 上式中，Qi,t为t时段节点i与第i个综合能源系统之间的流量，Qi,t<0时表示节点i向第i个综合能源配电系统注入流量，Qi,t>0时表示第i个综合能源配电系统向节点i注入流量，qij,t为t时段管段中从节点i流向节点j的流量，Hex,i,t为t时段节点i与第i个综合能源配电系统之间的热能交互，Hex,i,t<0时表示热能的流向时从节点i向第i个综合能源配电系统，Hex,i,t>0时表示热能的流向时从第i个综合能源配电系统向节点i，c为水的比热容，为4187J/(kg·℃)，Ts、Tr分别为给水温度、回水温度，具体数值为95℃和75℃，Hij,t为t时段从管段中节点i流向节点j的热能，ηji为节点j到节点i的热损率，δ为单位长度管道热损率，为
0.1，lji为节点j到节点i的长度，另外，本实施例中，余热回收器的回收效率为0.75；热交换器效率为0.9；
[0109] 所述能源耦合系统模型为：
[0110]
[0111]
[0112]
[0113]
[0114] 上式中，CHN为热网的投资成本，Ccchp为机组投资成本，Cpump为水泵运行电费，Cng为燃料费用，CDN为配网交互费用，R为年成本折算系数，为0.13，priceHN,fix为热网管段安装的固定费用，priceHN,var为热网管段安装的可变费用，li均为1km，Zi为节点i处的管段状态，取1表示才存在该管段，N1为节点i的数量，Nc为冷热电联供系统的数量，ΩGT为燃气轮机的可选型号集合，ΩGB为燃气锅炉的可选型号集合， 为r型号燃气轮机的投资成本， 为r型号燃气锅炉的投资成本，priceeb为电热锅炉的投资成本， xeb,i、xec,i、xac,i分别为节点i处r型号燃气轮机、r型号燃气锅炉、电热锅炉、电制冷器、吸收式制冷器的安装状态，设备已安装时为1，Kec、Kac分别为电制冷器、吸收式制冷器的单位容量价格，Wec,i、Wac,i分别为节点i处电制冷器、吸收式制冷器的容量，Nt为总时段数，ηpump,i为耗电输热比，为0.0059，Hij,t为从i节点流向节点j的管段流量，pricee,i,t为t时段节点i处的购电电价，Δt为单位时间间隔，设定为1h，priceng为燃气单价，Hng为天然气的热值，为9.78(kW·h)/m3，为t时段节点i处r型号燃气轮机的电出力， 为r型号燃气轮机的发电效率， 为t
时段节点i处r型号燃气锅炉的热出力， 为r型号燃气锅炉的发热效率，pricee,i,t为t时段节点i的电价，Pex,i,t为t时段节点i与配网间的交互功率，Pload,i,t、Hload,i,t、Cload,i,t分别为t时段节点i处的电、热、冷负荷需求，Qec,i,t、Qac,i,t分别为t时段节点i处电制冷机、吸收式制冷机的制冷量，COPec为电制冷机的热力系数，Qeb,i,t为t时段节点i处电热锅炉的产热量，ηeb为电热锅炉的制热效率， 为t时段节点i处r型号燃气轮机的热出力，ηhr为余热回收器的回收效率，ηhe为热交换器效率， 为燃气锅炉的发热效率，COPac为吸收式制冷机的热力系数， 分别为r型号燃气轮机的电功率上、下限， 分别为r型号燃气轮
机的热功率上、下限， 分别为r型号燃气锅炉的热功率上、下限， 分
别为r型号电热锅炉的电功率上、下限，Qecmax、Qecmin分别为电制冷机的冷功率上、下限，Qacmax、Qacmin分别为吸收式制冷机的冷功率上、下限， yeb,i,t、yec,i,t、yac,i,t分别为t时段节点i处r型号燃气轮机、r型号燃气锅炉、电热锅炉、电制冷机、吸收式制冷机的运行状态，设备处于运行状态时为1；
[0115] 步骤3、采用Cplex优化
软件求解上述优化配置模型，得到多区域综合能源系统内各类设备的选型优化结果以及设备的最优运行结果，包括如表2所示的优化参数：
[0116] 表2优化配置模型的优化参数
[0117]
[0118] 步骤4、根据上述优化结果进行多区域综合能源系统的优化配置。
[0119] 为考察本发明方法的有效性，将不包含区域热力系统的多区域综合能源系统优化配置模型作为场景一得到的优化结果与包含区域热力系统的多区域综合能源系统优化配置模型(即本实施例)作为场景二得到的优化结果以及成本进行对比，优化结果对比参见表3、图2、图3，成本对比结果参见表4，：
[0120] 表3场景一、二的优化结果对比数据
[0121]
[0122] 表4场景一、二的成本对比数据
[0123]
[0124]
[0125] 不同的综合能源系统发展模式对于配
电网的影响是不同的，综合负荷的季节性、波动性的特征也都会对配电网造成影响。图2显示了电力系统和热力系统的结合能够优化系统内潮流分布，降低网损，提高能源利用率；图3表明：通过多种能源网络的耦合能够减少整个系统与配电网之间的电能交互，优化系统内的潮流分布，从而有效改善配电网的运行电压水平，提升电能质量。
[0126] 从表4可以看出，在年投资成本方面来说，场景二的年投资成本略高于场景一的年投资成本，高出16.4％，但在年运行费用方面，通过区域热力系统和区域电力系统实现了多区域的互连，显著降低了整个综合能源系统的配网交互成本，场景二的年运行成本小于场景一年运成本，减小了25.5％。综合考虑年投资总成本和年运行成本，场景二的年总成本为12842.03万元，场景一的年总成本为10432.25万元，相比较，场景二的经济性更好，整体节省了2409.78万元，节省率约为18.8％，这些数据表明了电力系统和热力系统的结合能够大幅降低系统运行费用。
[0127] 综上，本发明使得综合能源系统的优势得到充分的体现，能够提供更合理的设备配置方式及能源耦合形式。
