考慮熱負荷二維可控性的微網熱電協調調度方法與流程

本發明涉及電力系統領域，具體地說是一種考慮熱負荷二維可控性的微網熱電協調調度方法。
背景技術：
：微網是一種由負荷和微電源共同組成的系統，通過集中管理控制，可向用戶進行冷熱電聯供，滿足用戶多樣化的需求，對外部大電網來說可看作一個受控單元。將微燃機引入微網，進行熱電聯供(combinedheatandpower,chp)，通過能源的梯級利用，熱電聯供總效率可達到90％，因此近年來以微型燃氣輪機為核心的熱電聯供系統在微網中得到廣泛的應用。然而熱電聯產機組通常以“以熱定電”模式運行，電-熱間的剛性耦合關系限制了其調度的靈活性。對于大電網而言，例如風電比例較高的“三北”地區，富風期與供熱期相重疊，為滿足冬季供熱需要，熱電聯產機組需優先運行，導致大量風機被迫停轉棄發。對微網而言，由于微電源數目少、容量小，微燃機在發電容量中所占份額較大，“以熱定電”的運行模式限制了微燃機的調峰能力，導致風電、光伏等間歇性可再生能源更難以消納。目前，已有一些學者針對微燃機熱-電的剛性耦合，以及微網中間歇性可再生能源電源的隨機性，研究微網的熱電聯供協調調度，其思路主要為引入熱源作為靈活性資源。引入新熱源可以提高熱電聯供系統的調度靈活性，有助于提高間歇性可再生能源的吸納率，但是大量靈活性熱源意味著增加投資。技術實現要素：為解決上述問題，本發明提供一種考慮熱負荷二維可控性的微網熱電協調調度方法，以有效減少熱-電間的剛性耦合關系，增大可再生能源的消納。本發明采用如下的技術方案：考慮熱負荷二維可控性的微網熱電協調調度方法，其包括：1)考慮用戶供熱舒適度的模糊性，提出采用室內熱舒適度指標將熱負荷需求由傳統的曲線轉換為區間，從而使熱負荷在各時間點上具有彈性；2)考慮微網供熱系統的熱慣性，采用自回歸滑動平均(arma)模型描述供熱系統多時段間的耦合關系，使供熱量在時間軸上具有可調節性；3)將上述特性統稱為熱負荷的二維可控性，綜合考慮熱負荷的二維可控性，建立微網在孤網/并網模式下的熱電協調調度模型。進一步地，所述步驟1)中的室內熱舒適度指標采用以下公式描述，并限制其區間范圍：其中，m為人體能量代謝率；w為人體所做的機械功率；fcl為人體覆蓋服裝面積與裸露面積之比；hc為對流熱交換系數；pa為人體周圍空氣的水蒸氣分壓力；ta、tr、tcl分別為人體周圍空氣溫度、平均輻射溫度和服裝外表面溫度。本發明關注的是熱負荷需求，且溫度是人對室內環境舒適度最直觀的感受，因此假設除人體周圍空氣溫度ta外，其他參數均為給定值。同時，iso7730推薦pmv值在±0.5之間，我國現有《采暖通風與空氣調節設計規范》規定pmv宜處于±1之間。進一步地，所述步驟2)中，微網供熱系統的熱慣性采用以下公式來描述供熱系統多時段間的耦合關系：其中，tg.t為熱網供水溫度、th.t為熱網回水溫度、tn.t為采暖建筑物室內溫度、tw.t為室外溫度；該arma時間序列模型中，階次j體現供熱系統熱慣性的大小，α、β、γ、θ、φ、ω為供熱系統熱慣性物理參數，通過實測數據進行參數辨識得到。進一步地，pmv指標中人體周圍空氣溫度ta即采暖建筑物室內溫度tn，ta＝tn。進一步地，步驟3)中，熱電協調調度模型的建立過程如下：假設風電、光伏出力場景s個，其中場景s的概率為ps，調度時段t個，微網中微電源i個，假設有風電、光、微燃機3個微電源，分別以i＝1,2,3表示，則i＝3，取時間間隔δt＝1h；假設風電、光伏成本不計，微網孤網運行時的費用包括微燃機發電成本、爬坡成本、臨時調整懲罰性費用和調用可中斷負荷成本四部分，其目標函數為：式中：為微燃機計劃出力；為微燃機在場景s下時段t的實際出力；為微燃機在場景s下時段t的實際出力；cgas為微燃機能耗成本；ηg3為微燃機發電效率；λ為爬坡能耗系數；ρpen為微燃機的臨時調整懲罰系數，用于表征微燃機希望按預定計劃出力，減少臨時性調節的意向；ρil、分別為調用的可中斷負荷價格和功率；供電系統約束包括：1)功率平衡約束式中：為微電源在場景s下時段t的實際出力；為電鍋爐的用電量；plt為用戶用電負荷；2)機組出力約束式中：pimin、pimax為機組i的最小/最大技術出力；為在場景s下的風電、光伏可發電量；微燃機處于較低負載時，效率變差，污染氣體排放增大，廠家建議微燃機在低于額定功率一半時，停止運行，因此本發明取p3min＝50％p3max；3)棄風電/棄光伏約束式中：πi為機組i的最大允許棄風電或棄光伏率；供熱系統約束包括：1)供熱熱網約束式中：分別為場景s下余熱鍋爐和電鍋爐的熱能出力；γ為鍋爐供熱量與熱網供/回水溫度差間的關系系數，與熱網水流量有關；為場景s下熱網供水溫度；為場景s下熱網回水溫度；tgmax為熱網最高供水溫度；pmvts為場景s下pmv指標值，σ為pmv指標取值范圍；式(10)為鍋爐供熱量與熱網供水/回水溫度之間的關系，與式(2～3)一起描述供熱系統消耗的熱能和建筑內溫度間具有熱慣性的多時段關系；2)鍋爐出力約束式(13)、(15)分別是微燃機和電鍋爐的電熱轉換關系，ηg3、ηg3h、ηeh、ηeb分別為微燃機的發電效率、制熱效率、余熱鍋爐的廢熱回收效率和電鍋爐的電熱轉換效率，其中ηg3h/ηg3為微燃機的熱電比值；heh.min、heh.max、heb.min、heb.max分別為余熱鍋爐和電鍋爐的出力上下限；微網并網運行時目標函數為式中：大電網負責微網不平衡電量的調節，ρbuy、ρsell分別為微網向大電網購/售電價格；為微網與大電網的交互功率，正值表示購電功率，負值表示售電功率，分段函數功率平衡約束為其他約束與微網孤網運行時相同。更進一步地，為方便處理分段函數f(x)，引入2個非負松弛變量us、vs，其實質分別為向大電網的購/售電量，則式(17)改寫為：上述的微網熱電協調調度方法，其流程如下：步驟1)，輸入pmv方程參數及室內熱舒適度要求的pmv指標范圍，化簡得到僅與室內溫度相關的pmv約束；步驟2)，輸入供熱系統實測數據對arma模型進行參數辨識，得到系數已知的arma時間序列模型；步驟3)，輸入風電/光伏各時段出力的連續概率分布，并采用場景技術生成s個經典場景；步驟4)，整合步驟1)和步驟2)所得約束與微網熱電協調調度其他約束，并利用步驟3)生成的s個場景處理風電、光伏的不確定性，建立確定性的微網熱電協調調度模型；步驟5)，輸入微網參數及運行初值，微網孤網運行時，求解孤網下的協調調度模型式(4)-(16)、(1)-(3)；并網運行時，求解并網下的協調調度模型式(17)-(18)、(7)-(16)、(1)-(3)；步驟6)，輸出微燃機計劃出力。本發明具有的有益效果是：1)本發明可以在不增加大量靈活性熱源的情況下，從熱負荷和供熱系統動態特性的角度減少了熱-電間的剛性耦合。2)本發明可實現熱-電的時間平移和優化匹配，增大了可再生能源的利用效率，并減少了微網的運行成本。3)本發明可在不增加大量投資的情況下，應用于熱電聯供型微網的協調調度，也可以拓展到大型的熱電聯供系統。附圖說明圖1為本發明實施例中chp型微網的基本架構圖。圖2為本發明實施例中chp型微網運行原理示意圖。圖3為本發明實施例中微網熱電協調調度的流程圖。圖4為本發明應用例中熱負荷二維可控性對孤網運行微網的影響圖。圖5為本發明應用例中熱慣性系數j對并網運行微網的影響圖。圖6為本發明應用例中pmv指標對并網運行微網的影響圖。圖7為本發明應用例中兩種熱電聯供模式下微網運行情況的對比圖。具體實施方式下面結合說明書附圖及具體實施方式對本發明作進一步詳細說明。本發明為一種考慮熱負荷二維可控性的微網熱電協調調度方法，其步驟如下：1)采用pmv指標描述室內環境熱舒適度，以此來考慮用戶供熱舒適度的模糊性；2)采用自回歸滑動平均(arma)模型描述供熱系統多時段間的耦合關系，以表征供熱系統的熱慣性；3)將上述特性統稱為熱負荷的二維可控性。綜合考慮熱負荷的二維可控性，建立微網在孤網/并網模式下的熱電協調調度模型。下面對各步驟進行詳細說明。步驟1)：采用pmv指標描述用戶供熱舒適度pmv指標表征了同一環境中多數人冷熱感覺的平均值，以7級標尺對應人體的7種感覺，pmv為0對應室內熱環境最佳熱舒適狀態，pmv為+1、+2、+3分別表示稍暖、暖與熱，pmv為-1、-2、-3分別表示稍涼、涼與冷。iso7730推薦pmv值在±0.5之間，我國現有《采暖通風與空氣調節設計規范》規定pmv宜處于±1之間。pmv值可以通過下式得到：式中：m為人體能量代謝率；w為人體所做的機械功率；fcl為人體覆蓋服裝面積與裸露面積之比；hc為對流熱交換系數；pa為人體周圍空氣的水蒸氣分壓力；ta、tr、tcl分別為人體周圍空氣溫度、平均輻射溫度和服裝外表面溫度。本發明關注的是供熱量，且溫度是人對室內環境舒適度最直觀的感受，因此假設除人體周圍空氣溫度ta外，其他參數均為給定值。步驟2)：采用arma模型表征供熱系統的熱慣性微網供熱系統由熱源、熱網以及采暖建筑物等組成，其中熱網和采暖建筑物都具有很大的熱慣性。熱慣性越大，意味著供熱系統溫度量在更多時段內存在耦合關系。假設熱網供水溫度tg.t、熱網回水溫度th.t、采暖建筑物室內溫度tn.t和室外溫度tw.t間關系為：該arma時間序列模型中，階次j體現了供熱系統熱慣性的大小，α、β、γ、θ、φ、ω為供熱系統熱慣性物理參數，可以通過實測數據進行參數辨識得到。pmv指標中人體周圍空氣溫度ta即采暖建筑物室內溫度tn，即有ta＝tn。步驟3)：考慮熱負荷二維可控性，建立微網在孤網/并網下的熱電協調調度模型a.chp型微網的組成及運行原理圖1為一個熱電聯供型微網的基本架構，包括風電、光伏、微燃機三個微電源，與微燃機相連的余熱鍋爐、電鍋爐向微網供熱，沒有配置儲能。假設該微網主要目的是以最低成本滿足內部用戶熱電需求，而非通過向大電網售電、或新能源發電補貼獲利。孤網運行時，內部功率平衡通過調整微電源出力，包括棄風/棄光，以及調用可中斷負荷等手段實現；并網運行時，微網和大電網間采用變功率輸入/輸出控制模式，按不平衡電價結算，即微網向大電網出售的電量以低價結算，購買的電量按高價結算。本發明假設可中斷負荷價格比向大電網購電價格高，因此并網模式下不會調用可中斷負荷，該假設合理，但并不是強制約束。圖2為如何利用熱負荷二維可控性實現熱電協調調度的示意圖。圖2a中給出兩種可再生能源出力場景，場景1平穩，場景2波動較大。時段i，場景2可再生能源出力較大，圖2b中場景2比場景1供熱量多，圖2c中相應的室內溫度曲線滯后于圖2b供熱量曲線，慢慢升高，供熱系統將可再生能源富余的出力以熱能形式“儲存”起來。時段ii，場景2可再生能源出力有較大減少，但室內溫度由于供熱系統此前“存儲”的熱能和室內較高的“余溫”依舊維持在符合pmv指標要求的溫度范圍內。b.微網熱電協調調度數學模型風電、光伏等具有不確定性，場景分析法由于能明確描述不確定性，并且優化模型計算方便，得到廣泛的使用。假設風光出力場景s個，其中場景s的概率為ps，調度時段t個，微網中微電源i個。為方便起見，本發明假設有風、光、微燃機3個微電源，分別以i＝1,2,3表示，則i＝3。取時間間隔δt＝1h。假設風電、光伏成本不計，微網孤網運行時的費用包括微燃機發電成本、爬坡成本、臨時調整懲罰性費用和調用可中斷負荷成本四部分，其目標函數為：式中：為微燃機計劃出力；為微燃機在場景s下時段t的實際出力；cgas為微燃機能耗成本；ηg3為微燃機發電效率；λ為爬坡能耗系數；ρpen為微燃機的臨時調整懲罰系數，用于表征微燃機希望按預定計劃出力，減少臨時性調節的意向；ρil、分別為調用的可中斷負荷價格和功率。供電系統約束包括：1)功率平衡約束式中：為電鍋爐的用電量；plt為用戶用電負荷。2)機組出力約束式中：pimin、pimax為機組i的最小/最大技術出力；為在場景s下的風、光可發電量。微燃機處于較低負載時，效率變差，污染氣體排放增大，廠家建議微燃機在低于額定功率一半時，停止運行，因此本發明取p3min＝50％p3max，這很大程度上限制了微燃機調節的靈活性。3)棄風/棄光約束式中：πi為機組i的最大允許棄風或棄光率。供熱系統約束包括：1)供熱熱網約束式中：分別為場景s下余熱鍋爐和電鍋爐的熱能出力；γ為鍋爐供熱量與熱網供/回水溫度差間的關系系數，與熱網水流量有關；tgmax為熱網最高供水溫度；σ為pmv指標取值范圍。式(10)為鍋爐供熱量與熱網供水/回水溫度之間的關系，與式(2-3)一起描述了供熱系統消耗的熱能和建筑內溫度間具有熱慣性的多時段關系。2)鍋爐出力約束式(13)、(15)分別是微燃機和電鍋爐的電熱轉換關系。這里ηg3、ηg3h、ηeh、ηeb分別為微燃機的發電效率、制熱效率、余熱鍋爐的廢熱回收效率和電鍋爐的電熱轉換效率，其中ηg3h/ηg3為微燃機的熱電比值；heh.min、heh.max、heb.min、heb.max分別為余熱鍋爐和電鍋爐的出力上下限。微網并網運行時目標函數為式中：大電網負責微網不平衡電量的調節，ρbuy、ρsell分別為微網向大電網購/售電價格。假設該微網的主要目的是以最低成本滿足自身內部用戶的熱電需求，而非通過購售電獲利，因此設微網向大電網購買的電量以較高價格結算，而出售的電量以較低價格結算。為微網與大電網的交互功率，正值表示購電功率，負值表示售電功率，分段函數功率平衡約束為其他約束與微網孤網運行時相同。為方便處理分段函數f(x)，引入2個非負松弛變量us、vs，其實質分別為向大電網的購/售電量，則式(17)可改寫為本發明提出的微網熱電協調調度流程圖如圖3所示。本發明的應用例如下：本發明的應用例數據基于某分布式電源示范工程項目，其中微燃機18mw，光伏發電4.5mw，風電6.5mw，其他基礎數據見附表1。pmv方程參數與供熱系統的arma時間序列模型給定參數分別見附表2、3-5，其中取pmv值為±1之間，熱慣性系數j＝2。日電負荷曲線和室外溫度曲線數據見附表6；風、光發電出力分布參數見附表7；微網運行初值見附表8。假設日調度時段數t＝24，經典場景數s＝10。將本發明的方法在微網孤網/并網運行模式下進行分析：a.熱負荷二維可控性對孤網運行微網的影響分析圖4為微網孤網運行模式下，改變熱慣性系數j及pmv指標范圍對微網運行的影響，附表9則為相應二維可控性參數下的微網運行指標。對比圖4a與圖4b：圖4a中，由于考慮了熱負荷二維可控性，超過用戶用電負荷的富裕電量，被轉化為熱能“儲存”起來，在隨后時段被利用，風/光全部被消納，微燃機在整個調度過程中出力相對比較平穩；圖4b中，則由于沒有考慮熱慣性，在風/光資源充裕、供熱需求較小的13-16時段出現棄風/棄光，此后熱電需求較大時段，微燃機出力明顯比4a高，在某些時段還調用了可中斷負荷。對比圖4c與圖4a可見：pmv限制嚴格，即熱負荷在幅值軸上的彈性減小，則導致允許供熱系統“儲熱”容量減小，在某些風/光資源充裕時段出現棄風/棄光，此后時段微燃機出力也明顯比圖4a高。附表9中數據也表明：考慮熱慣性、放寬pmv限制，微網均能增大對風/光的消納水平，使微燃機發電總量減少，微網運行成本降低。b.熱負荷二維可控性對并網運行微網的影響分析圖5顯示了熱慣性對并網運行微網的影響，圖5a為微燃機出力曲線、圖5b為微網與大電網交換電量、圖5c為室內溫度、圖5d為微網運行成本。由圖可見，j＝0情況與j＝1、j＝2情況相比，室內溫度比后者波動小，但微燃機出力、微網售電量、運行總成本明顯增加，這是因為考慮熱慣性情況下，對供熱量進行了多時段優化，使得供熱量與微網中多個微電源出力更匹配。例如13-16時，不考慮熱慣性，即j＝0時，圖5b顯示微網向大電網出售了大量的富余電能，圖5a則顯示該時段為減少售電量，微燃機有明顯的先壓出力、后快速調整出力過程，而j＝1和j＝2時微燃機出力要平穩得多。從圖5c可以看出，考慮熱慣性后，供熱系統便能在電能富余時段將電能轉換為供熱系統中的熱能，優化多個時段的供熱量，為隨后供熱需求增加的時段預先提升了室內溫度，實現了包括熱負荷、電負荷的“荷”和包括電源和熱源的“源”的優化匹配。在減少對大電網的依賴下，為風電/光伏的消納提供了一種新思路。值得指出的是，熱慣性系數j＝1和j＝2對微網運行效果并沒有太大區別，這是由于供熱系統有重近輕遠的特性，即時段i供熱量對時段i+1室內溫度影響較大，對隨后的時段i+2、i+3……等影響減小，并且時間間隔取得越大，重近輕遠的特性越明顯。圖6顯示了pmv指標對微網運行的影響，圖6c中虛線為對應pmv指標下室內溫度的波動范圍，實線為各pmv指標下實際室內溫度。由圖6b、6c可知，pmv越小，即熱舒適度要求越嚴格，室內溫度相對于最適溫度的允許偏差越小，意味著供熱系統熱能“存儲”容量越小，熱負荷在各時間點上的彈性越小，當室內溫度達到上限、微網電量還有富余時，只能以低價格向大電網售電。由圖6a、6d可見，在pmv減小時，微燃機出力增大、調整量增多，導致微網運行成本增加，這與微網孤網運行模式下所得結論相類似。圖7為微網采用跟隨固定熱負荷曲線供熱的運行情況與考慮熱負荷二維可控性后的運行情況對比。其中微網采用跟隨給定熱負荷曲線方式運行時的供熱負荷曲線數據見附表6，而考慮熱負荷二維可控性時取pmv為±1之間，j＝2。由圖7a、7d可知，微網在綜合考慮熱負荷二維可控性后，室內溫度在滿足熱舒適度要求的一定范圍內變化，供熱量不再跟隨固定的熱負荷曲線，變得更加平穩、調整減小，微網運行成本降低，同時向大電網售電量減少。由圖7b、7c可知，13-16時，在跟隨固定熱負荷曲線運行時難以消納的富余電能，被低價出售給大電網；而在考慮熱負荷二維可控性運行時，富余電能則能通過室內溫度升高而被“儲存”起來，并在之后供熱不足時得到“利用”，實現了微網中熱-電的時間平移和優化匹配。表1p1max/(mw)p2max/(mw)p3max/(mw)ρil/(元/(kw·h))ρbuy/(元/(kw·h))ρsell/(元/(kw·h))6.54.518.01.200.400.12cgas/(元/(kw·h))λ/((mw·h)/mw)π1π2γtgmax/(℃)0.252.80.50.50.63120.0heh.min/(mw)heh.max/(mw)heb.min/(mw)heb.max/(mw)ηg3ηg3h0.027.00.043.00.260.68ηehηebp1min/(mw)p2min/(mw)p3min/(mw)ρpen/(元/(kw·h))0.90.90.00.09.00.30表2m/(w/m2)w/(w/m2)pa/(pa)tr/(℃)70.00.02000.029.7tcl/(℃)fclhc/(w/(m2·k))σ32.01.154.71.0表3表4表5表6表7時段風電/mw光伏/mw時段風電/mw光伏/mw1n(4.6,0.8822)013n(3.9,1.8972)n(4.3,1.7972)2n(5.0,0.9772)014n(3.3,1.7172)n(4.1,1.7872)3n(5.6,1.2252)015n(3.5,1.7732)n(3.6,1.5032)4n(6.0,1.2102)016n(3.3,1.7582)n(3.0,1.6182)5n(5.1,1.3902)n(1.2,0.6312)17n(2.7,1.4602)n(2.3,1.2602)6n(4.3,1.2912)n(1.3,0.6522)18n(3.0,1.4502)n(2.3,1.2502)7n(3.6,1.2272)n(1.7,0.6272)19n(3.6,1.9082)n(1.4,0.7082)8n(2.6,0.9272)n(2.4,0.9272)20n(4.0,1.9282)n(1.0,0.5282)9n(3.9,1.5582)n(3.2,1.2582)21n(4.7,2.0102)010n(3.7,1.5652)n(3.7,1.5052)22n(3.9,1.7332)011n(3.8,1.8072)n(3.8,1.5562)23n(4.5,1.7092)012n(3.9,1.8552)n(4.3,1.5852)24n(5.2,2.0262)0表8表9上述具體實施方式用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和權利要求的保護范圍內，對本發明做出的任何修改和改變，都落入本發明的保護范圍。當前第1頁12