一种基于多负荷响应的园区综合能源系统调度方法
技术领域
本发明属于能源系统的优化领域，具体涉及一种基于多负荷响应的园区综合能源系统调度方法。
背景技术
随着化石能源的逐渐枯竭、环境污染的日益严重，为了缓解传统电网的供电压力、转变能源结构，风电并网的规模日益增大。为了解决电力系统、热力系统和天然气系统等子系统单独设计和运行而造成的能源利用率低的问题，“能源互联网”的概念被提出，基于电力、热力和天然气供能的综合能源系统是典型的用户侧用能形态。
电储能的出现促进了新能源的消纳。现有存储风能的方式中，除抽水蓄能外，存在存储容量有限、经济性不足、无法大规模使用等问题。由于电转气(P2G)技术的发展，可以实现电能以天然气的方式大规模存储，各种形式的能源在生产、传输、使用等阶段的耦合作用也越来越强。目前对于电热耦合的综合能源系统研究非常全面，然而对于电、热、冷、气综合能源系统的研究较少。现有的园区综合能源调度方法中，对能源的利用率不高，也无法达到最优的资源配置。
发明内容
为解决上述问题，提供一种用于对园区综合能源系统进行调度的方法，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供了一种基于多负荷响应的园区综合能源系统调度方法，用于对园区综合能源系统进行调度，其特征在于，包括如下步骤：确定耦合关系，确定包括电负荷、热负荷、冷负荷以及气负荷的园区综合能源系统的耦合设备以及耦合关系；负荷分类，将园区综合能源系统中的主要负荷分为基础负荷以及柔性负荷；设置调度计划，依据高峰时段的电价、低谷时段的电价以及平时时段的电价，设置柔性负荷的调度计划；建立目标函数，采用园区综合能源系统的运行成本的最小值作为目标函数；计算调度的补偿成本，根据园区的用能负荷的用能需求和用能满意度对柔性负荷的调度过程进行补偿和约束并计算补偿的成本；建立调度模式，基于主要负荷的分类，根据柔性负荷的不同响应，建立调度模式；其中，柔性负荷包括可平移负荷、可削减负荷以及可转移负荷。
本发明提供的基于多负荷响应的园区综合能源系统调度方法，还可以具有这样的特征，其中，耦合设备包括电热耦合设备、电冷耦合设备、电气耦合设备以及热冷耦合设备，电热耦合设备包括燃气轮机以及燃气锅炉，电冷耦合设备包括电制冷机，电气耦合设备包括电转气设备，热冷耦合设备包括溴化锂机组。
本发明提供的基于多负荷响应的园区综合能源系统调度方法，还可以具有这样的特征，其中，燃气轮机产生的热量QMT(t)与输出电功率Pe(t)之间的关系为：
式中，ηe为燃气轮机的发电效率，η1为燃气轮机的热损失系数，燃气轮机消耗的天然气量VMT(t)表示为：
式中，LNG为天然气的低位热值，Δ(t)为时间步长，
燃气锅炉的供热量QGB和额定供热量RGB为之间的关系为：
QGB＝RGBηGB
式中，ηGB为锅炉的热效率，
燃气锅炉消耗的天然气量VGB(t)表示为：
电转气设备注入的电功率PP2G与输出天然气流量fP2G之间的关系为：
式中，ηP2G为电转气设备的转换效率，HG为天然气热值，
储气设备的约束条件为：
W(t)＝W(t-1)+(Qc(t)-Qd(t))Δ(t)
0≤W(t)≤Wmax
Cc(t)+Cd(t)≤1
W(0)＝W(T)
式中，W(t)为t时段储气设备的储气量；Wmax为储气设备的最大储气量；Qc(t)、Qd(t)分别为t时段储气设备的储气、放气速率； 分别为储气设备的储气、放气最大速率；Cc(t)、Cd(t)为0-1的状态变量，分别表示储气设备的储气、放气状态，储气设备的储气和放气状态不能同时进，储气设备在运行一个周期后的储气量恢复到初始储气量。
本发明提供的基于多负荷响应的园区综合能源系统调度方法，还可以具有这样的特征，其中，储气设备的储气和放气状态不能同时进，储气设备在运行一个周期后的储气量恢复到初始储气量。
本发明提供的基于多负荷响应的园区综合能源系统调度方法，还可以具有这样的特征，其中，电负荷包含基础负荷、可平移负荷、可削减负荷以及可转移负荷，热负荷、冷负荷以及气负荷包含基础负荷、可平移负荷以及可削减负荷，基础负荷为不可控负荷，园区综合能源系统不能改变其用能方式和用能时间，可平移负荷的用电时间跨越多个时段并且可以变动，在变动时需要将可平移负荷整体平移，可削减负荷可以承受短时的中断和降功率以及减少运行时间，根据供需情况可以对可削减负荷进行部分削减或全部削减，可转移负荷的用电量可以进行变动，并满足变动后的园区综合能源系统的整个周期负荷总量与变动前一致。
本发明提供的基于多负荷响应的园区综合能源系统调度方法，还可以具有这样的特征，设置调度计划的具体步骤如下：根据园区综合能源系统所在地的高峰时段的电价、低谷时段的电价以及平时时段的电价，将可平移负荷和可转移负荷从高分时段平移或转移至低谷时段，并对高峰时段的可削减负荷进行削减。
本发明提供的基于多负荷响应的园区综合能源系统调度方法，还可以具有这样的特征，其中，园区综合能源系统的运行成本的最小值的计算公式为：
式中，Fdh为系统综合运行成本，为分布式电源运行成本，为电网购电成本，为用户侧柔性负荷优化的补偿成本，为燃气设备的燃料成本，为蓄电池、蓄热槽、蓄冷槽以及储气设备的维护成本。
本发明提供的基于多负荷响应的园区综合能源系统调度方法，还可以具有这样的特征，计算调度的补偿成本的步骤如下：设可平移时段区间为[tsh-,tsh+]，计算调度可平移负荷的补偿费用Fshift，计算公式为：
式中，为单位功率负荷平移的补偿价格，用电功率之和，αt为可平移负荷的状态量，αt＝0表示可平移负荷不平移，αt＝1表示可平移负荷平移，tD为持续时间，设可转移负荷的最小持续运行时间为对最小持续运行时间进行约束：
式中，βt表示在t时段的可转移负荷的转移状态，计算转移可转移负荷后的补偿费用计算公式为：
设可削减负荷的最大削减次数为Nmax，对最大削减次数进行约束：
式中，γτ＝1表示Lcut在τ时段被削减，计算单位功率负荷转移的补偿费用Fcut，计算公式为：
式中，为单位功率负荷转移的补偿价格。
本发明提供的基于多负荷响应的园区综合能源系统调度方法，还可以具有这样的特征，其中，调度模式包括不响应模式和响应模式，不响应模式下，电负荷、热负荷、冷负荷以及气负荷不响应，响应模式下，电负荷、热负荷、冷负荷以及气负荷响应。
发明作用与效果
根据本发明的基于多负荷响应的园区综合能源系统调度方法，基于电负荷、热负荷、冷负荷以及气负荷之间的耦合关系建立了详细的数学模型，根据主要负荷的分类和柔性负荷的不同响应，建立两种不同的调度模式，然后根据不同时段的电价设置调度计划，对园区综合能源系统进行调度，使得园区内的用能费用达到最低，节省了用能花费。利用电转气技术，通过化学反应将电能转化为天然气，直接利用已有天然气系统的基础设施包括管道以及储气装置等进行远距离传输和大规模储存，加强了电力系统和天然气系统间的耦合，实现了能量的双向流动。根据园区内用内负荷的用能需求和用能满意度对柔性负荷的调度过程进行补偿和约束，使得调度结果在满足用能需求的同时提高用能的满意度。
附图说明
图1是本发明实施例的基于多负荷响应的园区综合能源系统调度方法的流程图；
图2是本发明实施例中柔性负荷不响应情况下的电功率平衡图；
图3是本发明实施例中柔性负荷响应情况下的电功率平衡图；
图4是本发明实施例中柔性负荷响应情况下的热功率平衡图；
图5是本发明实施例中柔性负荷响应情况下的气功率平衡图；
图6是本发明实施例仿真验证风光预测出力图。
具体实施方式
以下结合附图以及实施来说明本发明的具体实施方式。
<实施例>
本实施例提供一种基于多负荷响应的园区综合能源系统调度方法，用于对园区综合能源系统进行调度。
图1是本发明实施例的基于多负荷响应的园区综合能源系统调度方法的流程图。
如图1所示，本实施例中基于多负荷响应的园区综合能源系统调度方法的步骤如下：
步骤S1，确定耦合关系，确定包括电负荷、热负荷、冷负荷以及气负荷的园区综合能源系统的耦合设备以及耦合关系。
耦合设备包括电热耦合设备、电冷耦合设备、电气耦合设备以及热冷耦合设备。电热耦合设备包括燃气轮机以及燃气锅炉，电冷耦合设备包括电制冷机，电气耦合设备包括电转气设备，热冷耦合设备包括溴化锂机组。
燃气轮机产生的热量QMT(t)与输出电功率Pe(t)之间的关系为：
式中，ηe为燃气轮机的发电效率，η1为燃气轮机的热损失系数，燃气轮机消耗的天然气量VMT(t)表示为：
式中，LNG为天然气的低位热值，Δ(t)为时间步长，
燃气锅炉的供热量QGB和额定供热量RGB为之间的关系为：
QGB＝RGBηGB
式中，ηGB为锅炉的热效率，
燃气锅炉消耗的天然气量VGB(t)表示为：
电转气设备注入的电功率PP2G与输出天然气流量fP2G之间的关系为：
式中，ηP2G为电转气设备的转换效率，HG为天然气热值，
储气设备的约束条件为：
W(t)＝W(t-1)+(Qc(t)-Qd(t))Δ(t)
0≤W(t)≤Wmax
Cc(t)+Cd(t)≤1
W(0)＝W(T)
式中，W(t)为t时段储气设备的储气量；Wmax为储气设备的最大储气量；Qc(t)、Qd(t)分别为t时段储气设备的储气、放气速率； 分别为储气设备的储气、放气最大速率；Cc(t)、Cd(t)为0-1的状态变量，分别表示储气设备的储气、放气状态，
储气设备的储气和放气状态不能同时进，储气设备在运行一个周期后的储气量恢复到初始储气量。
步骤S2，负荷分类，将园区综合能源系统中的主要负荷分为基础负荷、可平移负荷、可削减负荷以及可转移负荷。
电负荷包含基础负荷、可平移负荷、可削减负荷以及可转移负荷，
热负荷、冷负荷以及气负荷包含基础负荷、可平移负荷以及可削减负荷，
基础负荷为不可控负荷，园区综合能源系统不能改变其用能方式和用能时间，
可平移负荷的用电时间跨越多个时段并且可以变动，在变动时需要将可平移负荷整体平移，
可削减负荷可以承受短时的中断和降功率以及减少运行时间，根据供需情况可以对可削减负荷进行部分削减或全部削减，
可转移负荷的用电量可以进行变动，并满足变动后的园区综合能源系统的整个周期负荷总量与变动前一致。
步骤S4，设置调度计划，依据高峰时段的电价、低谷时段的电价以及平时时段的电价，设置柔性负荷的调度计划。
根据园区综合能源系统所在地的高峰时段的电价、低谷时段的电价以及平时时段的电价，将可平移负荷和可转移负荷从高分时段平移或转移至低谷时段，并对高峰时段的可削减负荷进行削减。
本实施例中，设高峰段为10:00～15:00和18:00～21:00，电价为0.82￥/kWh；平时段为7:00～10:00、15:00～18:00和21:00～24:00，电价为0.53￥/kWh；低谷段为0:00～7:00，电价为0.25￥/kWh，
则电负荷中的平移负荷移前用能时段为17:00-22:00，可平移时段为05:00-23:00。热负荷中的可平移负荷移前用能时段为16:00-21:00，可平移时段为04:00-24:00。冷负荷中的可平移负荷移前用能时段为12:00-19:00，可平移时段为00:00-21:00。气负荷中的可平移负荷移前用能时段为14:00-18:00，可平移时段为02:00-24:00。电负荷中的可转移负荷移前用能时段为12:00-16:00，可平移时段为05:00-23:00。
步骤S4，建立目标函数，采用园区综合能源系统一天的运行成本的最小值作为目标函数。
园区综合能源系统的运行成本的最小值的计算公式为：
式中，Fdh为系统综合运行成本，为分布式电源运行成本，为电网购电成本，为用户侧柔性负荷优化的补偿成本，为燃气设备的燃料成本，为蓄电池、蓄热槽、蓄冷槽以及储气设备的维护成本。
步骤S5，计算调度的补偿成本，根据所述园区的用能负荷的用能需求和用能满意度对所述柔性负荷的调度过程进行补偿和约束并计算所述补偿的成本。
设可平移时段区间为[tsh-,tsh+]，计算调度可平移负荷的补偿费用Fshift，计算公式为：
式中，为单位功率负荷平移的补偿价格，用电功率之和，αt为可平移负荷的状态量，αt＝0表示可平移负荷不平移，αt＝1表示可平移负荷平移，tD为持续时间，
设可转移负荷的最小持续运行时间为对最小持续运行时间进行约束：
式中，βt表示在t时段的可转移负荷的转移状态，
计算转移可转移负荷后的补偿费用计算公式为：
设可削减负荷的最大削减次数为Nmax，对最大削减次数进行约束：
式中，γτ＝1表示Lcut在τ时段被削减，
计算单位功率负荷转移的补偿费用Fcut，计算公式为：
式中，为单位功率负荷转移的补偿价格。
步骤S3，建立调度模式，基于主要负荷的分类，根据柔性负荷的不同响应，建立调度模式。
调度模式包括不响应模式和响应模式。
不响应模式下，电负荷、热负荷、冷负荷以及气负荷不响应。
响应模式下，电负荷、热负荷、冷负荷以及气负荷响应。
表1是两种模式下运营成本对比。如表1所示，在响应模式下的运用成本明显小于不响应模式下的运营成本。
表1
图2是本发明实施例中柔性负荷不响应情况下的电功率平衡图。图3是本发明实施例中柔性负荷响应情况下的电功率平衡图。图4是本发明实施例中柔性负荷响应情况下的热功率平衡图。图5是本发明实施例中柔性负荷响应情况下的气功率平衡图。图6是本发明实施例仿真验证风光预测出力图。
如图2～6所示，由于电网的电价分为高峰段、平时段以及低谷段，而天然气的价格固定，当向电网购电价格高于天然气发电价格时，电负荷优先使用燃气轮机发电电量。同时由于电、热、冷、气的耦合程度更高，因此园区的综合能源调度潜力变大。
实施例作用与效果
根据本实施例的基于多负荷响应的园区综合能源系统调度方法，基于电负荷、热负荷、冷负荷以及气负荷之间的耦合关系建立了详细的数学模型，根据主要负荷的分类和柔性负荷的不同响应，建立三种不同的调度模式，然后根据不同时段的电价设置调度计划，对园区综合能源系统进行调度，使得园区内的用能费用达到最低，节省了用能花费。
根据本实施例的基于多负荷响应的园区综合能源系统调度方法，利用电转气技术，通过化学反应将电能转化为天然气，直接利用已有天然气系统的基础设施包括管道以及储气装置等进行远距离传输和大规模储存，加强了电力系统和天然气系统间的耦合，实现了能量的双向流动。
根据本实施例的基于多负荷响应的园区综合能源系统调度方法，根据园区内用内负荷的用能需求和用能满意度对柔性负荷的调度过程进行补偿和约束，使得调度结果在满足用能需求的同时提高用能的满意度。
上述实施例仅用于举例说明本发明的具体实施方式，而本发明不限于上述实施例的描述范围。
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