考慮設備變工況運行特性的綜合能源系統(tǒng)區(qū)間優(yōu)化方法
1.本發(fā)明涉及一種綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行方法。特別是涉及一種考慮設備變工況運行特性的綜合能源系統(tǒng)區(qū)間優(yōu)化方法。
背景技術：
2.在能源結構綠低碳轉型的背景下，改變傳統(tǒng)能源系統(tǒng)建設路徑和發(fā)展模式、著力構建綜合能源系統(tǒng)將成為踐行中國減碳的重要方式。園區(qū)綜合能源系統(tǒng)作為能源互聯(lián)的“終端”，可充分發(fā)揮多類異質能源互補互濟的綜合優(yōu)勢，通過協(xié)調各類能源設備為園區(qū)內的用戶提供可靠、經濟的能源供應。
3.由于園區(qū)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行模型面臨著模型精度與求解效率之間的矛盾，為便于工程求解，當前研究往往一定程度上對其進行簡化，將能量轉換設備效率設置為恒定常數。然而，部分能量轉換設備的效率易受負載率、溫度、氣壓等影響，將其設置為恒定常數會使能量轉換發(fā)生偏移，進而導致用能偏差。此外，園區(qū)綜合能源系統(tǒng)中多類型源荷的不確定性同樣制約著優(yōu)化運行方案的準確程度。鑒于此，亟需設計一種考慮源荷不確定性和設備變工況運行特性的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行方法。
技術實現要素：
4.本發(fā)明所要解決的技術問題是，為了克服現有技術的不足，提供一種能夠提高優(yōu)化運行方案可靠性和多能源協(xié)同效果的考慮設備變工況運行特性的綜合能源系統(tǒng)區(qū)間優(yōu)化方法。
5.本發(fā)明所采用的技術方案是：一種考慮設備變工況運行特性的綜合能源系統(tǒng)區(qū)間優(yōu)化方法，包括如下步驟：
6.1)建立考慮能量轉換設備變工況運行特性的綜合能源系統(tǒng)區(qū)間優(yōu)化模型；包括
7.(1.1)以經濟性為目標，建立綜合能源系統(tǒng)區(qū)間優(yōu)化模型的目標函數：
8.minfc＝c
pe
+c
om
9.其中，fc為綜合能源系統(tǒng)的運行成本，c
pe
為購能成本，c
om
為設備運維成本；
10.(1.2)建立綜合能源系統(tǒng)區(qū)間優(yōu)化模型的約束條件，所述的約束條件包括能量平衡約束、能量供應設備運行約束、能量轉換設備運行約束、儲能設備運行約束、外網購能約束；
11.2)利用非線性區(qū)間數表征源荷不確定性，并對表征源荷不確定性的非線性區(qū)間數進行確定性轉換，包括：
12.(2.1)利用非線性區(qū)間數表征源荷不確定性；
13.(2.2)根據表征源荷不確定性的非線性區(qū)間數，修正步驟1)第(1.2)步中的能量平衡約束、能量供應設備運行約束；
14.(2.3)對表征源荷不確定性的非線性區(qū)間數進行確定性轉換；
15.3)利用能量轉換效率表征能量轉換設備的變工況運行特性，通過數據擬合方式得
到能量轉換設備的能量轉換效率與負載率的函數關系，并對能量轉換效率與負載率的函數關系曲線進行自適應分段線性化擬合；
16.4)對處理后的考慮能量轉換設備變工況運行特性的綜合能源系統(tǒng)區(qū)間優(yōu)化模型進行求解，得到綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行方案。
17.本發(fā)明的考慮設備變工況運行特性的綜合能源系統(tǒng)區(qū)間優(yōu)化方法，能夠提高優(yōu)化運行方案可靠性和多能源協(xié)同效果。具有如下優(yōu)點：
18.1、本發(fā)明利用非線性區(qū)間數表征源荷不確定性，并引入快速可調節(jié)容量預留，減小了源荷不確定性帶來的不利影響；
19.2、本發(fā)明的能量轉換設備變工況運行特性的自適應分段線性化擬合方法，在不影響求解精度的前提下，減少了分段數量，提高了綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行方案的計算效率；
20.3、本發(fā)明的綜合能源系統(tǒng)區(qū)間優(yōu)化方法能夠有效降低源荷不確定性與設備變工況特性帶來的供/用能偏差，提高優(yōu)化運行方案可靠性和多能源協(xié)同效果。
附圖說明
21.圖1是本發(fā)明實例中雄安某智慧小鎮(zhèn)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)結構示意圖。
具體實施方式
22.下面結合實施例和附圖對本發(fā)明的考慮設備變工況運行特性的綜合能源系統(tǒng)區(qū)間優(yōu)化方法做出詳細說明。
23.本發(fā)明的考慮設備變工況運行特性的綜合能源系統(tǒng)區(qū)間優(yōu)化方法，包括如下步驟：
24.1)建立考慮能量轉換設備變工況運行特性的綜合能源系統(tǒng)區(qū)間優(yōu)化模型；包括
25.(1.1)以經濟性為目標，建立綜合能源系統(tǒng)區(qū)間優(yōu)化模型的目標函數：
26.minfc＝c
pe
+c
om
27.其中，fc為綜合能源系統(tǒng)的運行成本，c
pe
為購能成本，c
om
為設備運維成本；
28.其中，
29.所述的目標函數中的購能成本為：
[0030][0031]
其中，c
pe
為購能成本；t為調度時段個數；為第i類能源t時段從配網的購能量；為第i類能源t時段配網的購能單價；i代表綜合能源系統(tǒng)冷、熱、電、氣類中的一類能源，用c表示冷，用h表示熱，用e表示電，用g表示氣。
[0032]
所述的目標函數中的設備運維成本為：
[0033][0034]
其中，c
om
為設備運維成本；t為調度時段個數；w為設備總數；為t時段第w個設備的出力值；sw為第w個設備的運維單價。
[0035]
(1.2)建立綜合能源系統(tǒng)區(qū)間優(yōu)化模型的約束條件，所述的約束條件包括能量平
衡約束、能量供應設備運行約束、能量轉換設備運行約束、儲能設備運行約束、外網購能約束；其中所述的約束條件具體為：
[0036]
(1.2.1)能量平衡約束：
[0037][0038]
其中，為第i類能源t時段從配網的購能量；為提供第i類能量的能量供應設備v 在t時段的出力；為將第j類能量轉換為第i類能量的能量轉換設備u在t時段的出力；為存儲/釋放第i類能量的儲能設備r在t時段的出力；為將第i類能量轉換為第j類能量的能量轉換設備u的能量轉換效率；l
i,t
為第i類能源t時段的負荷需求；v為能量供應設備集合；u為能量轉換設備集合；r為儲能設備集合；
[0039]
(1.2.2)能量供應設備運行約束：
[0040][0041]
其中，為提供第i類能量的能量供應設備v在t+1時段的出力；δv為能量供應設備v 的爬坡速率；分別為提供第i類能量的能量供應設備v在t時段的出力上限和出力下限；
[0042]
(1.2.3)能量轉換設備運行約束：
[0043][0044]
其中，為將第i類能量轉換為第j類能量的能量轉換設備u在t時段的能耗值；為將第i類能量轉換為第j類能量的能量轉換設備u在t+1時段的出力；δu為能量轉換設備u 的爬坡速率；分別為將第i類能量轉換為第j類能量的能量轉換設備u的出力上限和出力下限；
[0045]
(1.2.4)儲能設備運行約束：
[0046][0047]
其中，為存儲/釋放第i類能量的儲能設備r在t+1時段的出力；δr為儲能設備r的爬坡速率；分別為存儲/釋放第i類能量的儲能設備r的出力上限和出力下限；ori,t 為可存儲/釋放第i類能量的儲能設備r在t時段所存儲的能量值；為存儲/釋放第i類能量的儲能設備r在t+1時段所存儲的能量值；σr為存儲/釋放第i類能量的儲能設備r的自損耗率；分別為存儲/釋放第i類能量的儲能設備r的儲能上限和儲能下限；
[0048]
(1.2.5)外網購能約束：
[0049][0050]
其中，分別為第i類能源從配網購能的能量上限和能量下限。
[0051]
2)利用非線性區(qū)間數表征源荷不確定性，并對表征源荷不確定性的非線性區(qū)間數進行確定性轉換，包括：
[0052]
(2.1)利用非線性區(qū)間數表征源荷不確定性；包括：
[0053]
(2.1.1)確定源荷不確定性的來源，包括能量供應設備出力上限的預測誤差，以及冷、熱、電、氣四類能源負荷需求的預測誤差；
[0054]
(2.1.2)定義能量供應設備出力上限的非線性區(qū)間數，以及冷、熱、電、氣四類能源負荷需求的非線性區(qū)間數，具體為：
[0055]
能量供應設備出力上限的非線性區(qū)間數：
[0056][0057]
其中，為提供第i類能量的能量供應設備v在t時段出力上限的非線性區(qū)間數；數；分別為提供第i類能量的能量供應設備v在t時段出力上限預測值的上限和下限；
[0058]
冷、熱、電、氣四類能源負荷需求的非線性區(qū)間數：
[0059][0060]
其中，為第i類能源t時段負荷需求的非線性區(qū)間數；li
,t
分別為第i類能源t時段負荷需求預測值的上限和下限；i代表綜合能源系統(tǒng)冷、熱、電、氣類中的一類能源，用c 表示冷，用h表示熱，用e表示電，用g表示氣。
[0061]
(2.2)根據表征源荷不確定性的非線性區(qū)間數，修正步驟1)第(1.2)步中的能量平衡約束、能量供應設備運行約束；修正后的能量平衡約束、能量供應設備運行約束具體為：
[0062]
修正后的能量平衡約束：
[0063][0064]
其中，為第i類能源t時段從配網的購能量；為提供第i類能量的能量供應設備v 在t時段的出力；為將第j類能量轉換為第i類能量的能量轉換設備u在t時段的出力；為存儲/釋放第i類能量的儲能設備r在t時段的出力；為將第i類能量轉換為第j類能量的能量轉換設備u的能量轉換效率；為第i類能源t時段負荷需求的非線性區(qū)間數；v為能量供應設備集合；u為能量轉換設備集合；r為儲能設備集合；
[0065]
修正后的能量供應設備運行約束：
[0066][0067]
其中，為提供第i類能量的能量供應設備v在t+1時段的出力；δv為能量供應設備v 的爬坡速率；為提供第i類能量的能量供應設備v在t時段的出力下限；為提供第 i類能量的能量供應設備v在t時段出力上限的非線性區(qū)間數。
[0068]
(2.3)對表征源荷不確定性的非線性區(qū)間數進行確定性轉換；包括：
[0069]
(2.3.1)對修正后的能量平衡約束進行確定性轉換，具體為：
[0070]
定義：
[0071][0072]
其中，為修正后的第i類能量的能量平衡約束區(qū)間表達式，x為決策變量；為第i類能源t時段從配網的購能量；為提供第i類能量的能量供應設備v在t時段的出力；為將第j類能量轉換為第i類能量的能量轉換設備u在t時段的出力；為存儲/釋放第i 類能量的儲能設備r在t時段的出力；為將第i類能量轉換為第j類能量的能量轉換設備u 的能量轉換效率；為第i類能源t時段負荷需求的非線性區(qū)間數；v為能量供應設備集合； u為能量轉換設備集合；r為儲能設備集合；
[0073]
增加松弛變量，并進行確定性轉換：
[0074][0075]
其中，為人工增加的松弛變量，其物理含義為第i類能源的快速可調節(jié)容量；p()表示計算概率；為第i類能源快速上調的能量上限；εi為第i類能源快速削減的能量上限；λ
i1
、λ
i2
為預先給定的可能度水平；
[0076]
(2.3.2)對修正后的能量供應設備運行約束進行確定性轉換，具體為：
[0077][0078]
其中，為提供第i類能量的能量供應設備v在t時段出力上限的非線性區(qū)間數；λ
i3
為預先給定的可能度水平。
[0079]
3)利用能量轉換效率表征能量轉換設備的變工況運行特性，通過數據擬合方式得到能量轉換設備的能量轉換效率與負載率的函數關系，并對能量轉換效率與負載率的函數關系曲線進行自適應分段線性化擬合；其中，
[0080]
所述的通過數據擬合方式得到能量轉換設備的能量轉換效率與負載率函數關系具體為：
[0081]
利用多項式擬合方法得到能量轉換設備的能量轉換效率與負載率函數關系，公式如下：
[0082][0083]
其中，為將第i類能量轉換為第j類能量的能量轉換設備u的能量轉換效率；為將第i類能量轉換為第j類能量的能量轉換設備u額定工況下的能量轉換效率；m為擬合階數； k
u,n
為能量轉換設備u的n階擬合系數；nu為能量轉換設備u的負載率，即輸出功率與容量的比值；u為能量轉換設備集合。
[0084]
所述的能量轉換效率與負載率的函數關系曲線，是根據數據擬合方式得到的能量轉換設備的能量轉換效率與負載率函數關系多項式繪制的曲線。
[0085]
所述的對能量轉換效率與負載率的函數關系曲線進行自適應分段線性化擬合，包
括：
[0086]
(3.1)對利用多項式擬合方法得到的能量轉換設備的能量轉換效率與負載率函數關系進行離散化處理，將離散化后的全部數據視為一個分段；
[0087]
(3.2)將分段的首端和末端作為擬合線段的起點和終點，進行線性化擬合；
[0088]
(3.3)計算擬合后數據與擬合前數據的均方誤差mse；
[0089]
(3.4)判斷mse是否小于預先給定的誤差閾值；是則進行第(3.6)步；否則進行第(3.5) 步；
[0090]
(3.5)判斷是否達到迭代上限；是則進行第(3.6)步；否則使用二分法拆分均方誤差最大的分段，并返回第(3.2)步；
[0091]
(3.6)計算兩相鄰分段合并后的預期值，計算方式如下：
[0092]
ev(a,b)＝mse(c)
·
(mse(a)+mse(b)-2mse(c))
[0093]
其中，ev(a,b)為兩相鄰分段a、b合并后的預期值；c為兩相鄰分段a、b合并后形成的新分段；mse(a)為分段a擬合后數據與擬合前數據的均方誤差；mse(b)為分段b擬合后數據與擬合前數據的均方誤差；mse(c)為分段c擬合后數據與擬合前數據的均方誤差；
[0094]
(3.7)將合并后預期值最小的兩個相鄰分段進行合并；
[0095]
(3.8)判斷是否滿足分段個數約束；若不滿足，則返回第(3.6)步；若滿足，則得到分段線性函數。
[0096]
4)對處理后的考慮能量轉換設備變工況運行特性的綜合能源系統(tǒng)區(qū)間優(yōu)化模型進行求解，得到綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行方案。
[0097]
下面給出實例：
[0098]
以雄安某智慧小鎮(zhèn)為例，其園區(qū)綜合能源系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示。設計8種場景進行仿真模擬和對比分析。場景細節(jié)如下：
[0099]
場景1：不考慮多類型能量轉換設備的變工況運行特性；
[0100]
場景2-4：考慮多類型能量轉換設備的變工況運行特性，對其進行常規(guī)分段線性化(分別劃分為5、8、9段)；
[0101]
場景5：考慮多類型能量轉換設備的變工況運行特性，對其進行自適應分段線性化(劃分為5段)。
[0102]
場景6：隨機優(yōu)化，考慮多類型能量轉換設備的變工況運行特性，對其進行自適應分段線性化(劃分為5段)；
[0103]
場景7：魯棒優(yōu)化，考慮多類型能量轉換設備的變工況運行特性，對其進行自適應分段線性化(劃分為5段)；
[0104]
場景8：區(qū)間優(yōu)化，考慮多類型能量轉換設備的變工況運行特性，對其進行自適應分段線性化(劃分為5段)。
[0105]
表1為不同分段情況下仿真結果比較。
[0106]
表1
[0107][0108][0109]
表2為預測誤差隨機波動情況下不同優(yōu)化方法仿真結果比較。設置各源荷出力的預測誤差按正態(tài)分布波動，隨機生成10000組(240000個時段)風電、光伏、各能源負荷的功率曲線。分別將場景5-8的優(yōu)化運行方案代入10000組隨機場景，統(tǒng)計得到不同優(yōu)化方法無法滿足用能需求的次數。
[0110]
表2
[0111][0112]
根據表1和表2中的數據，可以明顯的反應出本發(fā)明所提方法的效果：
[0113]
對比場景1-4，可以看出考慮多類型能量轉換設備的變工況運行特性可以顯著降低能量偏差總額，提高園區(qū)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行方案的準確性。變工況運行特性表征越精確，能量偏差越小，運行方案的準確性越高，但同時也會導致運行方案計算時間的增加。
[0114]
對比場景5與場景1-4，可以看出本發(fā)明的考慮設備變工況運行特性的綜合能源系統(tǒng)區(qū)間優(yōu)化方法能夠有效提高線性化精度。相較于場景2，在相同分段數量的情況下，場景5運行方案計算時間與其接近，但優(yōu)化運行方案的準確性更高，電、熱、氣各能量用能偏差分別降低了61％、62％、85％。相較于場景3，場景5運行方案的電、熱能量偏差與其接近，而氣能偏差低66％，場景5的運行方案優(yōu)于場景3。相較于場景4，場景5優(yōu)化方案各能量偏差均較高。故在此實施例中，本發(fā)明的自適應分段方法劃分5段的效果近似于常規(guī)分段劃分8～9段的效果，但計算效率大大提高(計算時間減少約70％～80％)。
[0115]
對比場景5-9，可以看出采用確定性優(yōu)化與隨機優(yōu)化時日運行成本最低，但其受源荷不確定性影響最大，源荷波動時熱能、冷能無法滿足用能需求的比例高達49.6％和4.14％。采用魯棒優(yōu)化時由于考慮了最惡劣情況，其受源荷不確定性影響最小，源荷波動時各能源近乎均可滿足用能需求，但其日運行成本最高，相較于確定性優(yōu)化增長了35％。采用
區(qū)間優(yōu)化時可以平衡日運行成本增長和用能需求的滿足，通過設置不同的可能度水平來不同程度上克服源荷不確定性的影響。
