本發(fā)明屬于綜合能源領(lǐng)域,具體涉及考慮工載特性的社區(qū)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法。
背景技術(shù):
1、具有環(huán)保、節(jié)能和清潔等特點的綜合能源系統(tǒng)成為近些年的熱點,綜合能源系統(tǒng)可以實現(xiàn)多能轉(zhuǎn)化及存儲,提高系統(tǒng)的能源利用率,促進新能源的利用。
2、氫能源作為環(huán)保且高效的二次能源,近幾年開始在綜合能源系統(tǒng)中得到應(yīng)用和發(fā)展;但現(xiàn)有研究階段對電制氫的研究,并未對電解槽的變載特性和啟停特性作為研究方向,未考慮電解槽的過載、變載、低載三種狀態(tài),對綜合能源系統(tǒng)的靈活運行產(chǎn)生影響。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的技術(shù)問題:針對社區(qū)綜合能源系統(tǒng)的需求響應(yīng)的研究主要針對居民家庭,主要考慮的也是空調(diào)、電暖器、電熱水器等能量轉(zhuǎn)換設(shè)備,缺乏考慮用戶的多能互補特性。在研究此類優(yōu)化問題時,對氫能利用進行了研究和分析,忽視了電氫耦合設(shè)備的能效特性,同時研究需求響應(yīng)時,一般采用價格彈性矩陣法來表征其不同的電價下的削減、轉(zhuǎn)移以及替代行為,并未考慮實際用戶的可替代能源。
2、本發(fā)明的目的是針對上述問題,提供考慮工載特性的社區(qū)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法,并建立了考慮電解槽啟停特性以及變載特性精細化氫能利用模型,并在用戶側(cè)將用戶負(fù)荷分為可轉(zhuǎn)移、可削減以及基于消費者心理學(xué)的可替代負(fù)荷,并基于可替代負(fù)荷制定激勵政策進一步優(yōu)化負(fù)荷曲線,在考慮碳交易機制的基礎(chǔ)上,達到優(yōu)化綜合能源系統(tǒng)運行以及新能源消納的目的。
3、本發(fā)明的技術(shù)方案為:
4、考慮工載特性的社區(qū)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法,包括以下步驟:
5、s1:確立社區(qū)綜合能源系統(tǒng)物理模型并考慮需求響應(yīng)的不確定性;
6、s2:建立考慮工載特性的電解槽模型以及對應(yīng)的氫能轉(zhuǎn)化模型并確立熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備的模型及運行方式;
7、s3:基于消費者心理學(xué)理論確定用戶替代效應(yīng),確定替代型需求響應(yīng)并考慮可轉(zhuǎn)移以及可消減負(fù)荷,繪制用戶側(cè)的電、熱負(fù)荷曲線;
8、s4:以社區(qū)綜合能源系統(tǒng)日成本最低為優(yōu)化目標(biāo),并增加滿足功能要求和自身設(shè)備的約束條件,結(jié)合用戶側(cè)的電、熱負(fù)荷曲線,建立社區(qū)綜合能源系統(tǒng)的最優(yōu)化調(diào)度模型;
9、s5:基于步驟s3得到用戶側(cè)的電、熱負(fù)荷曲線,以步驟s4的優(yōu)化目標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)求解綜合能源系統(tǒng)的最優(yōu)化調(diào)度模型,采用cplex得到調(diào)度結(jié)果,分析所采用模型以及機制對綜合能源系統(tǒng)的影響。
10、優(yōu)選的,步驟s1中,步驟s1中的建立的社區(qū)綜合能源系統(tǒng),包括風(fēng)機、光伏、儲能設(shè)備、燃氣輪機、溴冷機、空氣源熱泵、甲烷反應(yīng)器、燃料電池、電解槽;風(fēng)機、光伏機組提供電能,社區(qū)綜合能源系統(tǒng)通過主網(wǎng)及氣網(wǎng)彌補能量缺失;以電解槽和燃料電池組成的電-氫耦合單元降低社區(qū)綜合能源系統(tǒng)的能源梯級損耗,提高綜合利用率,熱泵裝置將電能轉(zhuǎn)化為熱能,由燃氣輪機和溴冷機組成的電熱聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)熱電解耦,提高電熱產(chǎn)出比。
11、進一步的,步驟s2中,熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)運行的燃氣輪機、溴冷機、熱泵、甲烷反應(yīng)器、燃料電池和電解槽,分別為:
12、(1)燃氣輪機的制熱功率的計算式為:
13、;
14、;
15、式中、分別表示t時段燃氣輪機的發(fā)電和發(fā)熱功率,、分別表示燃氣輪機的發(fā)電效率以及余熱散失損失率,表示t時段燃氣輪機制熱功率,、分別表示燃氣輪機的余熱回收率和制熱效率,gt表示燃氣輪機。
16、(2)?熱泵制熱功率的計算式為:
17、;
18、式中:表示t時段熱泵的制熱功率,表示t時段熱泵的輸入功率,表示制熱系數(shù),hp表示熱泵;
19、(3)?燃料電池通過改變自身運行狀態(tài)調(diào)節(jié)自身的熱電比,表達式為:
20、;
21、式中:、和為時刻的用氫功率、產(chǎn)電功率和產(chǎn)熱功率;為燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率, hfc表示燃料電池;
22、(4)甲烷反應(yīng)器將氫氣轉(zhuǎn)換為天然氣并供給產(chǎn)熱產(chǎn)電,表達式為:
23、;
24、式中:和為時刻的用氫功率和產(chǎn)氣功率;表示甲烷反應(yīng)器的氫-氣轉(zhuǎn)換效率, mt表示甲烷反應(yīng)器。
25、(5)電解槽設(shè)備的電氫轉(zhuǎn)化關(guān)系的計算式為:
26、;
27、式中,、表示第個電解槽在時間段的產(chǎn)氫功率和用電功率;表示電解槽的電-氫轉(zhuǎn)換效率;表示電解槽處于冷待機狀態(tài)所需的電功率;表示電解槽處于冷待機的懲罰系數(shù);二進制變量為控制變量,當(dāng)其為1時表示電解槽從冷待機轉(zhuǎn)換到工作狀態(tài), pem表示電解槽;
28、優(yōu)選的電解槽包含停機、冷待機、工作三個狀態(tài),用、來表示停機以及冷待機狀態(tài);其中工作狀態(tài)又可以分為低載、變載和過載三個狀態(tài)且只有工作狀態(tài)制氫,用、、來描述,上述變量均為二進制變量。
29、停機狀態(tài);電解槽在任何時候可以迅速停機。
30、冷待機狀態(tài):電解槽以低功率待機維持控制和防凍單元的運行。
31、工作狀態(tài):為了保證電解槽制氫安全,其在大部分時間應(yīng)處在変載狀態(tài)。電解槽過載運行以及低載運行且時間不宜過長。
32、(1)控制變量約束條件為:
33、;
34、式中,控制變量表示第n個電解槽在t時刻的狀態(tài),.,,,表示第n個電解槽在t時刻的狀態(tài);
35、(2)電解槽不同狀態(tài)之間的協(xié)調(diào)控制表達式為:
36、;
37、式中:為電解槽的額定功率;
38、(3)電解槽的狀態(tài)轉(zhuǎn)換的邏輯約束表達式為:
39、;
40、;
41、;
42、;
43、;
44、式中:上式依次為啟停、啟動間隔、運行狀態(tài)互斥約束、過載與低載最長時間限制約束;和為電解槽過載、低載狀態(tài)最長運行時間;
45、(4)停機以及冷待機時間約束條件為:
46、;
47、;
48、式中:、分別為電解槽連續(xù)運行在停機、冷待機狀態(tài)的最短時間。
49、進一步的,步驟s2中,熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)包括4個部分:能量供給、能量耦合、儲能、用能單元。風(fēng)機、光伏機組提供電能,同時社區(qū)綜合能源系統(tǒng)通過主網(wǎng)及氣網(wǎng)彌補能量缺失;電-氫耦合單元可以降低社區(qū)綜合能源系統(tǒng)的能源梯級損耗,提高綜合利用率;熱泵裝置可以將電能轉(zhuǎn)化為熱能,幫助由燃氣輪機和溴冷機組成的電熱聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)實現(xiàn)熱電解耦,改善系統(tǒng)的電熱產(chǎn)出比;同時多元儲能設(shè)備以及居民的綜合需求響應(yīng)將為系統(tǒng)的靈活性提供保證。
50、優(yōu)選的,步驟s3中儲能是綜合能源系統(tǒng)的重要組成部分,在儲能環(huán)節(jié)中的充放過程中,存在損耗以及具有隨時間消散特性,數(shù)學(xué)模型為:
51、;
52、;
53、式中:表示儲能裝置在t時段的功率,和分別表示儲能的輸入輸出功率,表示儲能的剩余容量,表示損失系數(shù),和表示能量轉(zhuǎn)化率。
54、進一步的,步驟s3中,所述分析居民需求響應(yīng),是分析用戶負(fù)荷基于logtic回歸曲線描述用戶的替代行為,用戶負(fù)荷分為基礎(chǔ)負(fù)荷、可削減負(fù)荷、可轉(zhuǎn)移負(fù)荷和可替代負(fù)荷,在同一價格信號下不同類型的負(fù)荷的反應(yīng)程度會存在差異。
55、(1)可削減、轉(zhuǎn)移負(fù)荷表達式為:
56、;
57、式中:為t時刻初始可削減、可轉(zhuǎn)移負(fù)荷量;為負(fù)荷價格需求彈性矩陣,表示j時刻電價;表示實際轉(zhuǎn)移負(fù)荷量;表示初始時刻電價
58、(2)替代型負(fù)荷,引入基于?logistic?函數(shù)的模糊需求響應(yīng)機理來描述用戶替代行為。當(dāng)刺激水平低于閾值時,用戶不會做出反應(yīng),這一區(qū)域為死區(qū)。當(dāng)刺激達到閾值后,用戶才會做出反應(yīng),并隨著刺激水平的提高,反應(yīng)程度不斷變大。但是當(dāng)刺激達到一定程度后,用戶的響應(yīng)程度將不再改變,進入飽和區(qū)。用戶的負(fù)荷替代行為當(dāng)中只考慮電熱的替代效應(yīng),即電負(fù)荷轉(zhuǎn)化為熱負(fù)荷,其能量轉(zhuǎn)換通過空調(diào)、電熱水器、電暖器等設(shè)備實現(xiàn)。用戶的替代行為主要受電、熱能源相對價格以及用能習(xí)慣的影響,假定該社區(qū)冬季習(xí)慣采用完全由社區(qū)綜合能源系統(tǒng)供熱,但是當(dāng)電熱價差相差達到某一水平后,會采用通過電負(fù)荷轉(zhuǎn)化為熱負(fù)荷的方式滿足熱需求。引入用能替代率的概念來表征替代負(fù)荷的比例。數(shù)學(xué)模型為:
59、;
60、式中:表示電價差;表示負(fù)荷替代率函數(shù),為函數(shù)最大值,為函數(shù)中間值,為上平移函數(shù)。
61、步驟s4中為提高模型精度,通過用戶響應(yīng)隨機性和樂觀響應(yīng)隸屬度進行概率約束。當(dāng)電熱價差位于死區(qū)時,用戶響應(yīng)行為具有很強的隨機性,為了描述該區(qū)域的負(fù)荷替代率,采用兩條預(yù)測曲線的平均值確定。伴隨電熱價差的增大,當(dāng)電熱價差位于響應(yīng)區(qū)時,用戶替代程度明顯采用偏大型半梯形的隸屬度函數(shù)作為需求響應(yīng)的概率約束。但電熱價差繼續(xù)增大,達到飽和區(qū),兩條曲線融合,替代率用最大替代率表示。
62、;
63、;
64、式中:表示負(fù)荷轉(zhuǎn)移率;和分別為樂觀和悲觀預(yù)測結(jié)果;m表示樂觀響應(yīng)隸屬度。由此得到電熱負(fù)荷替代行為的數(shù)學(xué)模型如下所示,
65、;
66、;
67、式中,、和、分別表示電熱替代前后的t時段電負(fù)荷量和熱負(fù)荷量。
68、優(yōu)選的,在已知終端用戶電熱替代率曲線的相關(guān)參數(shù)的前提下,根據(jù)上述公式便可計算得到各區(qū)段電熱價差對應(yīng)的可替代負(fù)荷的電熱替代率。為增強可替代負(fù)荷的替代程度,增加激勵型政策,將參加替代型負(fù)荷需求響應(yīng)的用戶采用電價補貼的方式進行激勵,對于該部分用戶采用空調(diào)取暖的電量增加部分進行定向的電價補貼,采取激勵政策后的熱負(fù)荷表示式為:
69、;
70、式中,、分別表示響應(yīng)前后的t時段熱負(fù)荷量,以及理論上激勵響應(yīng)后的熱負(fù)荷量。
71、進一步的,所述步驟4中,以社區(qū)綜合能源系統(tǒng)的日成本最低為優(yōu)化目標(biāo),日成本最低的目標(biāo)函數(shù),包括交互、燃料、運維、環(huán)境治理;社區(qū)綜合能源系統(tǒng)模型的約束條件是其決策變量必須滿足熱、負(fù)荷峰值時的功能要求以及自身設(shè)備的運行約束;
72、以社區(qū)綜合能源系統(tǒng)的日成本最低為優(yōu)化目標(biāo),目標(biāo)函數(shù)為:
73、;
74、式中:表示社區(qū)綜合能源系統(tǒng)運行成本目標(biāo)函數(shù);、、、分別為t時段的交互、燃料、懲罰、以及補貼成本;
75、(1)交互成本
76、;
77、式中:表示交互單價;表示交互功率;
78、(2)燃料成本
79、;
80、式中:i表示設(shè)備總個數(shù);表示時段t設(shè)備i的輸出功率;表示設(shè)備i的效率;
81、(3)懲罰成本
82、;
83、式中:表示單位懲罰成本;表示t時段新能源發(fā)電的預(yù)測量,表示t時段新能源上網(wǎng)功率;表示t時段懲罰成本。
84、(4)補貼成本
85、;
86、式中:表示t時段單位負(fù)荷的補貼價格;表示t時段電負(fù)荷的替代量;
87、進一步的,步驟s4中,滿足功能要求和自身設(shè)備的約束條件為:
88、(1)能量平衡約束
89、;
90、;
91、;
92、(2)儲能設(shè)備約束
93、;
94、;
95、;
96、式中:和均為?0、1?變量
97、(3)機組約束
98、;
99、;
100、式中:、、和為設(shè)備i出力和爬坡上下限
101、(4)交互功率約束
102、;
103、式中:,表示交互功率的上下限。
104、進一步的,所述步驟s5中,采用cplex求解器求解綜合能源系統(tǒng)的最優(yōu)化調(diào)度模型,包括通過cplex求解器對所述最優(yōu)化調(diào)度模型進行優(yōu)化計算,模擬各場景下的電熱負(fù)荷的優(yōu)化曲線,隨后對社區(qū)綜合能源系統(tǒng)建模,引入碳交易機制,建立社區(qū)綜合能源系統(tǒng)安全運行下的約束條件,最后確定社區(qū)綜合能源系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù),對各種類型的運行成本定義,將約束條件輸入cplex求解器求解,最終得到社區(qū)綜合能源系統(tǒng)的運行成本以及設(shè)備出力情況和社區(qū)綜合系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果。
105、相比現(xiàn)有技術(shù),本發(fā)明的有益效果包括:
106、1)本發(fā)明通過研究社區(qū)綜合能源系統(tǒng)工載特性,分析實際能源用戶的可替代能源,并基于用戶的需求響應(yīng),優(yōu)化用戶負(fù)荷曲線,在考慮環(huán)境污染成本的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)了綜合能源系統(tǒng)的最優(yōu)化運行,增加新能源消納。
107、2)本發(fā)明對分析通過研究實際用戶的可替代能源,將用戶負(fù)荷分為可轉(zhuǎn)移、可削減以及可替代負(fù)荷,基于可替代負(fù)荷進一步優(yōu)化負(fù)荷曲線,并采用logtic回歸曲線描述用戶的替代行為,分析激勵政策對需求響應(yīng)的影響。
108、3)所提出的由電解槽和燃料電池組成的電氫耦合單元可以依據(jù)負(fù)荷的變化實時調(diào)整設(shè)備出力,有效提高系統(tǒng)的靈活性,促進新能源消納,提高系統(tǒng)運行經(jīng)濟性。