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一种面向城市轨道交通的能源路由器结构及其控制方法

申请号 CN202311415568.5 申请日 2023-10-30 公开(公告)号 CN117955134A 公开(公告)日 2024-04-30
申请人 福州职业技术学院; 发明人 陈坚; 李昕; 连学军; 金涛; 崔宪阳;
摘要 本 发明 涉及一种面向城市轨道交通的 能源 路由器结构及其控制方法,包括路由器本体,路由器本体上设置有并网端口、列车端口、氢气 燃料 电池 端口、交流负载供电端口、光伏端口、储能电池端口、 电解 水 装置端口以及 燃气轮机 发电端口。本发明将能源路由器系统与城市轨道交通紧密结合,将 光伏发电 和 天然气 纳入城市轨道交通供电系统,同时通过氢气 燃料电池 和甲烷燃气轮机进行发电,实现高效的 热电联产 ,显著提升能源的利用效率,同时降低 碳 排放,而且配置了一个八端口 电能 路由器,并提出了一种基于最优鲁棒性的能源调度策略,以实现能源的高效利用。
权利要求

1.一种面向城市轨道交通的能源路由器结构,其特征在于,包括路由器本体,路由器本体上设置有并网端口、列车端口、氢气燃料电池端口、交流负载供电端口、光伏端口、储能电池端口、电解装置端口以及燃气轮机发电端口;
所述并网端口用于将地供电系统与外部电网电连接;
所述列车端口是双向端口,用于为列车供电,同时回收列车制动能量
所述氢气燃料电池端口用于将地铁供电系统多余的电能回收,通过电解水装置消纳多余的电能,将电能以氢气的形式储存起来;
所述交流负载供电端口用于为地铁供电系统的各种消耗提供能源;
所述光伏端口用于将光伏板产生的电能纳入地铁供电系统中;
所述储能电池端口用于储列车制动时的能量和站点多余的电能;
所述电解水装置端口用于消纳多余的电能,将电能以氢气的形式储存起来;
所述燃气轮机发电端口用于燃烧天然气产生电能供地铁供电系统使用。
2.如权利要求1所述的面向城市轨道交通的能源路由器结构,其特征在于,所述光伏端口采用交错并联Boost结构,以减少电流纹波;
所述并网端口采用全桥电路,实现双向功率流动;
所述储能电池端口采用多级交错并联Buck‑Boost结构,降低纹波;
所述列车端口采用输入并联输出串联型DAB解耦股,实现双向电能传输,并且
列车端口通过检测输电压值以确定提供能量或回收制动能量;
所述交流负载供电端口采用三相全桥电路,为车站提供三相交流电能;
所述储能电池端口接口采用交错并联Buck‑Boost结构,回收电能;
所述电解水装置端口采用buck降压电路,提供稳定的直流电压,消耗多余的电能并产生氢气绿色能源;
所述燃气轮机端口连接燃气轮机,将轮机产生的电能引入系统中进行重新利用。
3.如权利要求1所述的面向城市轨道交通的能源路由器结构,其特征在于,所述所述储能电池端口为氢气燃料电池储能端口。
4.一种权利要求1‑3任一所述的面向城市轨道交通的能源路由器结构的控制方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一、设置优化目标函数F:
min F=CEnergy+CEC+Cmai
其中,CEnergy为能源购买成本,CEC为系统排放价格,CMai为系统维护成本,t为系统单位采样时间,T为总体计算周期;m(t)为当前时刻电价,n(t)为当前时刻气价,PBuy,Ele(t)和PBuy,Gas(t)分别是设备的电功率以及气体功率,ηBuy,Ele和ηBuy,Gas分别是设备购买电、气量的对应电功,气功转换效率;CEC为对应碳交易价格,min表示最小化;
步骤二、在满足能源调度的情况下对优化目标函数求解。
5.如权利要求4所述的面向城市轨道交通的能源路由器结构的控制方法,其特征在于,CEC的计算方法如下:
其中,EC为需要购买的碳排放权额,,α是碳交易的基础价格,l是碳排放的区间长度,β是碳排放的价格增加比率。
6.如权利要求4所述的面向城市轨道交通的能源路由器结构的控制方法,其特征在于,CMai的计算方法如下:
其中,Cbat是电池的退化成本;n是储能蓄电池的数量,soct是t时刻储能电池荷电状态,表征电池容量,soct‑1是t‑1时刻储能电池荷电状态,前后两个采样时间点的电池容量值相减,表示电池的放电量多少;discharge表示耗电量,charge表示充电量。
7.如权利要求4所述的面向城市轨道交通的能源路由器结构的控制方法,其特征在于,在满足能源调度的情况下对优化目标函数求解的方法如下:
2.1)设置约束条件:
设置电解水装置出约束
为当前时刻电解水产氢功率, 为电解水装置设备效率, 为电解水
设备输入电能功率; 为电解水设备功率最小值, 为电解水设备功率最大
值; 分别表示电解水设备爬坡功率上下限;t表示单位采样时间段;
设置燃气轮机出力约束:
是燃气轮机产电功率, 是产电效率,PCHP_M,M(t)是甲烷输入功率,
是CHP_M产热功率, 是产热效率, 分别为输入功率上下
限, 分别为爬坡功率约束上下限, 分别为电热比上下限;
设置氢气燃料电池出力约束:
是氢气燃料电池产电功率, 是产电效率, 是氢气输入功
率, 是氢气燃料电池产热功率, 是产热效率; 为输入
功率上下限, 分别为爬坡功率约束上下限, 分别为电热
比上下限;
设置燃气锅炉出力约束:
其中,PGB(t)为燃气锅炉的产热功率,ηGB为燃气锅炉气热转换效率,PGB,M(t)为燃气锅炉输入气功率; 以及 分别为燃气锅炉功率最大最小值, 和 分别为
燃气锅炉爬坡功率约束上下限;
设置储能储气约束:
X为当前设备类型,分别对应电储能EES,热储能TES,天然气存储GT_M,以及氢气存储cha cha max dis
GT_H;PE 与PE 分别为当前充能功率以及充能功率最大值;PE 分别为当前放能功率dis max cha dis
值以及放能功率最大值PF ; 与 分别表示充能、放能效率;SX SX 分别为充能
以及放能标识,取值为0,1且两数互补;socX_min和socX_max分别表示储能设备存储下限和储能设备存储上限; 和 分别表示存储设备当前时刻输入、输出能量值;
设置能量功率平衡约束:
其中PBuy,Ele(t)为系统从上级电网中购电量, 为光伏系统的发电量;
为甲烷燃气轮机的发电量, 为氢气燃料电池的发电量, 和 为电储能
电池的储能充放电标识以及放电量,PEW,Ele(t)为电解水装置耗电量, 和 为储能电池充电标识以及充电量,PLoad,Ele为负载耗电量;
PBuy,Gas(t)为设备从上级气网中的购气量, 和 表征甲烷存储的放能标
识以及放能功率;PCHP_M,M(t)为甲烷燃气轮机的甲烷消耗, 表征甲烷存储
的充能标识以及充能功率,PLoad,Gas表征天然气负荷;
PCHP_M,H(t)为氢气燃料电池氢气输入氢气量, 为氢气存储的放能标识
以及放能功率 和 氢气存储的充能标识以及充能功率; 为电解水
氢气产生量;
和 分别为甲烷轮机的产热以及氢气燃料电池的产热, 和
表征储热的放能标识以及放能功率, 和 为储热的充能标识以及充能
功率 为热负荷;
2.2)对光伏发电力发电,以及负载消耗的不确定性量进行建模分析,不确定性量如下描述:
其中pPV和pLoad为光伏端口以及负载端口实际出力功率; 以及 分别表示光伏端
口以及负载端口的预测值,ξPV和ξLoad为预测值和实际值的误差;αPV以及αLoad分别为置信区间;
2.3)设置鲁棒优化系统:
对于任意具有单一约束的不确定区域的鲁棒性系统,均表达成如下形式:
其中,x表示决策向量, 表示决策向量所属的可行域;ξ表示不确定性变量;P表示不确定性变量的可能分布;l(x)和 分别表示目标函数和具有不确定性变量的约束;
上式中,常量η指不确定量参数的实际分布P与理论分布P0之间的距离,可采用K‑L散度形式获得不确定分布,则对于η,有如下求解形式:
上式转化为如下表达形式
上式中, 符合正态分布; 表示不确定值的预测,ξ表示误
差, 符合正态分布 假设ξ也符合正态分布 此时,则有
上式中,有 此时带有不确定域的鲁棒性约束转写为
经过以上变化非线性的鲁棒性约束部分转化为混合整数线性规划,利用求解器进行经济最优化求解。

说明书全文

一种面向城市轨道交通的能源路由器结构及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于能源控制技术领域,具体涉及一种物面向城市轨道交通的能源路由器结构及其控制方法。

背景技术

[0002] 城市轨道交通是城市公共交通系统中的重要组成部分,为城市居民提供了便捷的出行方式。然而,随着城市交通需求的增长和能源危机的加剧,城市轨道交通能源利用效率的提高成为了一个亟待解决的问题。同时立车站点对供热(供冷)有很大的需求,大约占整个车站能耗的60%,但是其能源来源均为电能,形式单一且经济性低。为此,本发明提出了基于能源路由器的城市轨道交通供能系统,通过热电联产的形式提高城市轨道交通供电的经济型,同时依赖多端口电能路由器用来实现新能源接入。
[0003] 城市轨道交通能源路由器是一种能够对城市轨道交通能源进行有效调度和管理的系统。通过对城市轨道交通能源的收集、分析和管理,能够实现对城市轨道交通的能源利用进行最优化,城市轨道交通能源路由路可实现如下功能。
[0004] 提高城市轨道交通的能源利用效率。城市轨道交通作为城市公共交通的重要组成部分,对城市居民的出行和生活起到了重要的支持作用。但是,由于城市轨道交通的能源利用效率较低,导致能源的浪费和环境的污染。基于城市轨道交通能源路由器的研究可以通过对城市轨道交通能源的收集、分析和管理,实现对城市轨道交通的能源利用进行最优化,提高城市轨道交通的能源利用效率,减少能源的浪费和环境的污染。
[0005] 促进城市轨道交通的可持续发展。城市轨道交通的可持续发展是一个重要的研究方向。基于城市轨道交通能源路由器的研究可以实现对城市轨道交通能源的收集、分析和管理,促进城市轨道交通的可持续发展。这种系统可以有效地降低城市轨道交通的能源消耗,减少对自然资源的消耗,从而推动城市轨道交通的可持续发展。
[0006] 推动城市轨道交通智能化发展。城市轨道交通智能化发展是城市交通发展的重要方向。基于城市轨道交通能源路由器的研究可以实现对城市轨道交通能源的智能调度和管理,推动城市轨道交通的智能化发展。这种系统可以通过数据分析和算法优化,实现对城市轨道交通能源的智能调度和管理,从而提高城市轨道交通的智能化城市轨道交通作为城市重要的公共交通方式,对能源的需求量日益增加,加上城市轨道交通系统的复杂性和规模,使其成为城市能源消耗的重要组成部分。然而,传统的能源供应方式存在很多问题,如能源消耗高、污染排放大等。因此,采用新能源供应方式成为减少城市轨道交通能源消耗的重要途径。

发明内容

[0007] 为了解决上述技术问题,本发明公开了一种面向城市轨道交通的能源路由器结构及其控制方法。
[0008] 本发明要解决的技术问题,通过以下技术方案实现:
[0009] 一种面向城市轨道交通的能源路由器结构,包括路由器本体,路由器本体上设置有并网端口、列车端口、氢气燃料电池端口、交流负载供电端口、光伏端口、储能电池端口、电解装置端口以及燃气轮机发电端口;
[0010] 所述并网端口用于将地供电系统与外部电网电连接;
[0011] 所述列车端口是双向端口,用于为列车供电,同时回收列车制动能量
[0012] 所述氢气燃料电池端口用于将地铁供电系统多余的电能回收,通过电解水装置消纳多余的电能,将电能以氢气的形式储存起来;
[0013] 所述交流负载供电端口用于为地铁供电系统的各种消耗提供能源;
[0014] 所述光伏端口用于将光伏板产生的电能纳入地铁供电系统中;
[0015] 所述储能电池端口用于储列车制动时的能量和站点多余的电能;
[0016] 所述电解水装置端口用于消纳多余的电能,将电能以氢气的形式储存起来;
[0017] 所述燃气轮机发电端口用于燃烧天然气产生电能供地铁供电系统使用。
[0018] 进一步的改进,所述光伏端口采用交错并联Boost结构,以减少电流纹波;
[0019] 所述并网端口采用全桥电路,实现双向功率流动;
[0020] 所述储能电池端口采用多级交错并联Buck‑Boost结构,降低纹波;
[0021] 所述列车端口采用输入并联输出串联型DAB解耦股,实现双向电能传输,并且列车端口通过检测输电压值以确定提供能量或回收制动能量;
[0022] 所述交流负载供电端口采用三相全桥电路,为车站提供三相交流电能;
[0023] 所述储能电池端口接口采用交错并联Buck‑Boost结构,回收电能;
[0024] 所述电解水装置端口采用buck降压电路,提供稳定的直流电压,消耗多余的电能并产生氢气绿色能源;
[0025] 所述燃气轮机端口连接燃气轮机,将轮机产生的电能引入系统中进行重新利用。
[0026] 进一步的改进,所述所述储能电池端口为氢气燃料电池储能端口。
[0027] 一种上述的面向城市轨道交通的能源路由器结构的控制方法,其特征在于,包括如下步骤:
[0028] 步骤一、设置优化目标函数F:
[0029] min F=CEnergy+CEC+Cmai
[0030]
[0031] 其中,CEnergy为能源购买成本,CEC为系统排放价格,CMai为系统维护成本,t为系统单位采样时间,T为总体计算周期;m(t)为当前时刻电价,n(t)为当前时刻气价,PBuy,Ele(t)和PBuy,Gas(t)分别是设备的电功率以及气体功率,ηBuy,Ele和ηBuy,Gas分别是设备购买电、气量的对应电功,气功转换效率;CEC为对应碳交易价格,min表示最小化;
[0032] 步骤二、在满足能源调度的情况下对优化目标函数求解。
[0033] 进一步的改进,CEC的计算方法如下:
[0034]
[0035] 其中,EC为需要购买的碳排放权额,,α是碳交易的基础价格,l是碳排放的区间长度,β是碳排放的价格增加比率。
[0036] 进一步的改进,CMai的计算方法如下:
[0037]
[0038] 其中,Cbat是电池的退化成本;n是储能蓄电池的数量,soct是t时刻储能电池荷电状态,表征电池容量,soct‑1是t‑1时刻储能电池荷电状态,前后两个采样时间点的电池容量值相减,表示电池的放电量多少;discharge表示耗电量,charge表示充电量。
[0039] 进一步的改进,在满足能源调度的情况下对优化目标函数求解的方法如下:
[0040] 2.1)设置约束条件:
[0041] 设置电解水装置出约束
[0042]
[0043] 为当前时刻电解水产氢功率, 为电解水装置设备效率, 为电解水设备输入电能功率; 为电解水设备功率最小值, 为电解水设备功率
最大值; 分别表示电解水设备爬坡功率上下限;t表示单位采样时间段;
[0044] 设置燃气轮机出力约束:
[0045]
[0046] 是燃气轮机产电功率, 是产电效率,PCHP_M,M(t)是甲烷输入功率,是CHP_M产热功率, 是产热效率, 分别为输入功率上下限,分别为爬坡功率约束上下限, 分别为电热比上下限;
[0047] 设置氢气燃料电池出力约束:
[0048]
[0049] 是氢气燃料电池产电功率, 是产电效率, 是氢气输入功率, 是氢气燃料电池产热功率, 是产热效率; 为输入
功率上下限, 分别为爬坡功率约束上下限, 分别为电热
比上下限;
[0050] 设置燃气锅炉出力约束:
[0051]
[0052] 其中,PGB(t)为燃气锅炉的产热功率,ηGB为燃气锅炉气热转换效率,PGB,M(t)为燃气锅炉输入气功率; 以及 分别为燃气锅炉功率最大最小值, 和 分别为燃气锅炉爬坡功率约束上下限;
[0053] 设置储能储气约束:
[0054]
[0055] X为当前设备类型,分别对应电储能EES,热储能TES,天然气存储GT_M,以及氢气存cha cha max dis储GT_H;PE 与PE 分别为当前充能功率以及充能功率最大值;PE 分别为当前放能功dis max cha dis
率值以及放能功率最大值PE ; 与 分别表示充能、放能效率;SX  SX 分别为充能以及放能标识,取值为0,1且两数互补;socX_min和socX_max分别表示储能设备存储下限和储能设备存储上限; 和 分别表示存储设备当前时刻输入、输出能量值;
[0056] 设置能量功率平衡约束:
[0057]
[0058] 其中PBuy,Ele(t)为系统从上级电网中购电量, 为光伏系统的发电量;为甲烷燃气轮机的发电量, 为氢气燃料电池的发电量, 和
为电储能电池的储能充放电标识以及放电量,PEW,Ele(t)为电解水装置耗电量,和 为储能电池充电标识以及充电量,PLoad,Ele为负载耗电量;
[0059] PBuy,Gas(t)为设备从上级气网中的购气量, 和 表征甲烷存储的放能标识以及放能功率;PCHP_M,M(t)为甲烷燃气轮机的甲烷消耗, 表征甲烷
存储的充能标识以及充能功率,PLoad,Gas表征天然气负荷;
[0060] PCHP_M,H(t)为氢气燃料电池氢气输入氢气量, 为氢气存储的放能标识以及放能功率 和 氢气存储的充能标识以及充能功率; 为电解
水氢气产生量;
[0061] 和 分别为甲烷轮机的产热以及氢气燃料电池的产热,和 表征储热的放能标识以及放能功率, 和 为储热的充能标识以及充
能功率 为热负荷;
[0062] 2.2)对光伏发电力发电,以及负载消耗的不确定性量进行建模分析,不确定性量如下描述:
[0063]
[0064] 其中pPV和pLoad为光伏端口以及负载端口实际出力功率; 以及 分别表示光伏端口以及负载端口的预测值,ξPV和ξLoad为预测值和实际值的误差;αPV以及αLoad分别为置信区间;
[0065] 2.3)设置鲁棒优化系统:
[0066] 对于任意具有单一约束的不确定区域的鲁棒性系统,均表达成如下形式:
[0067]
[0068] 其中,x表示决策向量, 表示决策向量所属的可行域;ξ表示不确定性变量;P表示不确定性变量的可能分布;l(x)和 分别表示目标函数和具有不确定性变量的约束;
[0069]
[0070] 上式中,常量η指不确定量参数的实际分布P与理论分布P0之间的距离,可采用K‑L散度形式获得不确定分布,则对于η,有如下求解形式:
[0071]
[0072] 上式转化为如下表达形式
[0073]
[0074] 上式中, 符合正态分布; 表示不确定值的预测,ξ表示误差, 符合正态分布 假设ξ也符合正态分布 此时,则

[0075]
[0076] 上式中,有 此时带有不确定域的鲁棒性约束转写为
[0077]经过以上变化非线性的鲁棒性约束部分转化为混合整数线性规划,利用求解器进行经济最优化求解。
[0078] 本发明的优点:
[0079] 1.能源路由器系统与城市轨道交通紧密结合,将光伏发电和天然气纳入城市轨道交通供电系统,同时通过氢气燃料电池和甲烷燃气轮机进行发电,实现高效的热电联产,显著提升能源的利用效率,同时降低碳排放。
[0080] 2.能源路由器系统中配置了一个八端口电能路由器,并提出了一种基于最优鲁棒性的能源调度策略,以实现能源的高效利用。针对电能路由器部分,采用单直流母线结构,以扩展其他端口,确保控制的简洁可靠,同时高度灵活,能够满足不同需求下的多功能要求。对于地铁供电,采用双向功率流动的拓扑结构,通过一个直流端口实现了原有能量馈送装置和24脉波整流变压器的双重功能,大大降低了系统的复杂性。附图说明
[0081] 图1为能源路由器的基本架构图。
[0082] 图2为八端口电能路由器的拓扑结构图。
[0083] 图3为系统整体工作流程图
[0084] 图4为城市轨道交通能源路由器的光伏发电量,电负荷,热负荷需求图。
[0085] 图5为综合能源系统以此控制策略最终的能源调度形式图。

具体实施方式

[0086] 下面通过具体实施案例进一步说明本发明,但本发明并不限于此,具体保护范围见权利要求
[0087] 本发明涉及一种应用于城市轨道交通的能源路由器组成结构以及控制方式,对于控制方式,具体来说包括内部的八端口电能路由器的控制策略以及系统整体的控制策略。考虑本发明的实施前应当熟悉传统的轨道交通的供电结构以及需要解决的问题。传统轨道交通供电形式单一,无法实现能量的双向流动,也无法实现新能源的接入,能耗巨大,无法满足未来双碳经济的发展。从以上痛点出发,本发明提出了一种可应用于城市轨道交通的能源路由器结构,该结构可以实现新能源的接入以及清洁能源的高效利用。
[0088] 如图1所示,展示了本文提出的能源路由器的基本架构。这一能源路由器结构被划分为电能部分和非电能部分两个层次。电能部分包括了一个八端口的电能路由器,具备多个关键供电接口:AC35kV供电接口:连接传统的地铁供电端口,实现电能的接入。DC1.5kV供电接口:用于为列车供电,同时回收列车制动时产生的能量。AC400V供电接口:为车站内部提供所需的电能,满足车站各项电能消耗需求。光伏端口:通过连接太阳能板,将光伏能源纳入城市轨道交通供电系统,实现可再生能源的整合。天然气接口:引入天然气能源,实现多能源供电的智能结合。供热接口:满足车站内部的供热需求,此处的热负载与供冷装置类似,通过连接供冷设备可满足冷负载需求。电能储存、天然气储存、氢气储存、热能储存:这四组能源存储设备,为能源平衡提供了重要支持,实现了能源的高效储存和利用。
[0089] 图2所示为电能部分的核心——八端口电能路由器的拓扑结构,这一设计与技术方案中所述一致。八端口电能路由器在系统中扮演着电能协调的关键色,整个系统采用了分层控制结构。此能源耦合系统的顶层设计目标是实现经济最优化,同时最大程度地减少碳排放。
[0090] 系统的目标函数可如下描述,以经济角度出发,考虑能源购买成本CEnergy,系统碳排放价格CEC以及系统维护成本CMai。系统单位采样时间为t,总体计算周期为T。
[0091] minF=CEnergy+CEC+Cmai (19)
[0092]
[0093] 其中,m(t)为当前时刻电价,n(t)为当前时刻气价,P(t)是设备的电功率以及气体功率。η是设备购买电、气量的对应电功,气功转换效率。CEC为对应碳交易价格,其值的计算如下所示。
[0094]
[0095] 在本系统中,碳交易价格按照分段计算,当碳排放较低时,碳交易价格较低,当碳排放较多时,碳排放按照阶梯的结构上涨。式中,EC为需要购买的碳排放权额, 是碳排放的交易成本,α是碳交易的基础价格,l是碳排放的区间长度,β是碳排放的价格增加比率。
[0096]
[0097] 其中,Cbat是电池的退化成本,与电池的循环次数有关,随着充放电次数的增加,电池的效率会逐渐降低,从而带来经济性的降低,而储气罐则不会有退化成本,因此系统优化需要考虑电池充放电损耗,提高储气罐的利用率。
[0098] 通常情况下,碳交易机制的运作是基于建立合法的碳排放权,允许生产商在市场上进行碳排放权的交易,从而有效地减少碳排放。监管机构首先为各个企业设定碳排放的基本配额。当企业的实际碳排放低于当前配额时,它可以将多余的配额投入到碳交易市场进行交易。反之,如果企业的碳排放超出配额,就需要购买额外的碳排放权。当前的碳排放模型通常包括两个关键部分:实际碳排放模型和阶梯式碳交易模型。实际碳排放模型用于跟踪和计算企业的实际碳排放量,它是整个机制的基础。而阶梯式碳交易模型则建立在实际排放的基础上,根据碳排放情况和配额设定,引导企业进行碳交易。
[0099] 在城市轨道交通能源路由器中,碳排放主要由两部分组成,分别有从上级的购电行为,燃气锅炉(GB)产碳行为,以及燃气轮机(CHP_M)产碳行为,系统的实际碳排放模型如下所示:
[0100]
[0101] 上式中,EC为实际总碳排放量, 为能源路由器的购电行为的导致的碳排放。是的CHP_M系统的碳排放量。 是GB的碳排放量。系统的总碳排放为所有能源路由器的碳排放之和。k是设备碳排放计算系数。 表示当前调度单位时间内设备的等效输出功率,A分别为CHP_M和GB。系统的能源调度需要进行模型建立,其调度值不能超出实际极限,系统有如下约束。
[0102] 1.电解水装置(EW)出力约束
[0103]
[0104] 为当前时刻电解水产氢功率, 为EW设备效率, 为电解水设备输入电能功率。 为电解水设备功率最小值, 为电解水设备功率最大值。
分别表示电解水设备爬坡功率上下限。
[0105] 2.燃气轮机(CHP_M)出力约束
[0106] CHP_M是一个消耗天然气,输出电能与热能的装置,有着电热比可调的特性,通常可认为其电热转化效率之和为一个常数,因此建立约束模型如下所示。
[0107]
[0108] 是CHP_M产电功率, 是产电效率,PCHP_M,M(t)是甲烷输入功率。是CHP_M产热功率, 是产热效率。 为输入功率上下限。
为爬坡功率约束上下限。 为电热比上下限。
[0109] 3.氢气燃料电池(CHP_H)出力约束,该约束与燃气轮机相似
[0110]
[0111] 是CHP_H产电功率, 是产电效率, 是氢气输入功率。是CHP_H产热功率, 是产热效率。 为输入功率上下限。
为爬坡功率约束上下限。 为电热比上下限。
[0112] 4.燃气锅炉(GB)出力约束
[0113]
[0114] 其中,PGB(t)为GB的产热功率,ηGB为GB气热转换效率,PGB,M(t)为GB输入气功率。以及 分别为GB功率最大最小值, 和 为GB爬坡功率约束上下限。
[0115] 本系统中,储能有两部分,分别是电储能,以及热储能。气体的存储有两部分,分别是氢气的储存以及甲烷的储存,储能储气部分结构相近,因此进行统一建模分析。
[0116]
[0117] X为当前设备类型,分别对应电储能(EES),热储能(TES),天然气存储(GT_M),以及cha cha max dis氢气存储(GT_H)。PE 与PE   分别为当前充能功率以及充能功率最大值。PE 分别为当dis max
前放能功率值以及放能功率最大值PE   。 与 分别表示充能、放能效率。(特别的cha dis
对于储气设备,不考虑漏气,有 )SX  SX 分别为充电以及放电标识,取值为
0,1且两数互补。
[0118] 由于小型分布式能源供电系统并不成熟,不规律的上网售电行为会加重上级电力系统的负担,同时为了简化系统,本系统中分布式能源产生的电能不考虑向上级电网进行出售,同样产生的气也不向上级的气网进行出售,假设氢气,以及甲烷的存储,允许过程中不考虑损耗,则系统的能量功率平衡约束有如下所示,四组方程依次是电能平衡,天然气平衡,氢气平衡以及热平衡。
[0119]
[0120] 系统的不确定量总共有三部分,分别是光伏发电,风力发电,以及负载消耗。需要对不确定性量进行建模分析,从而实现能源优化调度,不确定性量可以如下描述。
[0121]
[0122] 其中 为各模实际出力, 为预测值,ξX为预测值和实际值的误差。
[0123] αX为置信区间。对于线性鲁棒优化系统,总体可以按照如下公式描述[0124] (a+Bp)Tx≤β   (31)
[0125] 其中 为优化向量。 以及 为给定的已知参数, 为含有不确定参数的向量。U为包含A的所有区域,包括不确定域以及确定域,将上述系统分为两部分。
[0126]
[0127] 其中 为优化系统中含有不确定区域的鲁棒优化系统,确定区域优化模型上文所示已经建立,下文进行不确定区域鲁棒优化系统建立。对于不确定区域的建立,依据公式出发,等价于
[0128]
[0129]
[0130] 上式可以转化为如下表达形式
[0131]
[0132] 上式中, 符合正态分布。 表示不确定值的预测,ξ表示误差, 符合正态分布 假设ξ也符合正态分布 此时,则

[0133]
[0134] 上式中,有 此时带有不确定域的鲁棒性约束(12)可以转写为
[0135]
[0136] 经过如上变化,非线性的鲁棒性约束可以转化为混合整数线性规划的形式,从而可进行求解分析。
[0137] 系统的顶层控制方案采用经过鲁棒性分析优化的混合整数线性规划方程。其主要目标是实现经济效益的最大化,通过系统性的能源调度来协调各个部分的运行。在电能路由器方面,除了与上级能源调度协调外,还需要保持系统电压的稳定。这一目标可以通过以下形式来实现。
[0138] 能源路由器协调控制策略的实现,需要明确系统功率流向以及信息流向。由于结构上采用了八端口单直流母线的拓扑结构,八组端口全部连接至能源路由器公共母线,设定端口电流流入公共母线为正。i为个端口与直流母线交互电流,P为各端口与直流母线产生的交互功率。单一端口与能源路由器直流母线交互功率P=UCBi。并网端口电流为i1,与直流母线交互的功率为P1;列车供电端口电流为i2,与直流母线交互的功率为P2;氢气燃料电池端口为i3,与直流母线交互的功率为P3,交流负载端口为i4,与直流母线交互的功率为P4;光伏端口为i5,与直流母线交互的功率为P5;储能端口为i6,与直流母线交互的功率为P6;电解水端口为i7,与直流母线交互的功率为P7;燃气轮机端口为i8,与直流母线交互的功率为P8。忽略端口损耗,从公共母线出发,系统的实时功率平衡如下所示:
[0139] P1Δt+P2Δt+P3Δt+P4Δt+P5Δt+P6Δt+P7Δt+P8Δt+PnonΔt=0(38)(本发[0140] 明的功率是有方向的,图3中的电流全部都是朝向母线为正,但是实际上,电流并不会全部流向母线,是有正有负的,因此功率也有正有负,因此有功率之和为0)。
[0141]
[0142]
[0143] 其中UCB为当前公共母线电压值,CCB为直流母线电容值,Pk为各端口与直流母线产生的交互功率,Pnon为系统当前时刻不平衡的功率。由于光伏,负载等的变化,会导致Pnon的波动,同时会伴随UCB的波动。因此整体协调控制从UCB的稳定控制出发,通过端口同主线的能量交互状态,最终实现系统稳定工作。
[0144] 如图3所示为系统整体工作流程,该流程图展示了能源路由器系统中非电能部分与电能部分的配合方式。首先系统需要进行顶层的调控计算,统一进行对外端口的控制。获得当前四组储能状态,同时进行约束计算,成本规划,从而获得对外供能特性,即获取对外供电以及供热来源,从而确定电能路由器从动端口工作状态,分别获得单向端口的功率状态,近一部确定储能端口以及并网端口的工作模态,最终实现系统工作。
[0145] 如图4所示为城市轨道交通能源路由器的光伏发电量,电负荷,热负荷需求。以车站为例,夜晚用电,用热负荷需求降低,白天提高。图5为综合能源系统以此控制策略最终的能源调度形式,包括燃气轮机输出电热比,内部所涉及的设备电负荷,热负荷情况,以及储能分配情况。
[0146] 上文所述的一系列详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明,他们并不是用以限制本发明的保护范围,中所述技术领域普通技术人员所具备的知识氛围内,中不脱离本发明宗旨的前提下做出的各种变化均属于本发明的保护范围。
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