基於供熱管網儲熱效益的熱‑電聯合機組組合方法與流程

2023-08-05 15:38:01

本發明屬於多能源耦合的電力系統的運行和控制
技術領域：
，特別涉及一種基於供熱管網儲熱效益的熱-電聯合機組組合方法。
背景技術：
：我國北方地區風電大量匯集，而冬季時棄風現象尤其嚴重。冬季期間，城區熱網主要通過大型熱電聯產機組集中供熱，在「以熱定電」運行模式下，熱電聯產機組受到最小供電出力的限制來保證供熱量滿足熱負荷需求。受到「以熱定電」的運行模式限制，冬季供暖期間大量熱電聯產機組啟動，並保持在最小發電出力狀態運行。同時，常規機組的出力空間同樣被壓縮到最小以保證系統下旋備容量，這直接導致了冬季期間的大量棄風。通過開發供熱管網的儲熱特性，鬆弛傳統「以熱定電」的耦合關係，合理安排傳統機組與熱電聯產機組的啟停狀態，可以在滿足供熱需求的前提下減少棄風。實際規模的區域集中供熱網由成千上萬絕熱管道組成，具有巨大的儲熱能力。區域集中供熱網絡的儲熱特性能夠在熱電聯產機組的供熱出力和熱用戶的熱負荷需求之間提供緩衝環節，以鬆弛集中供熱系統中供熱和用熱之間傳統的強耦合關係，從而提高熱電聯產機組運行的靈活性，增強電力系統消納大規模風電的能力。傳統電力系統機組組合方法中，熱網部分未被考慮，熱電聯產機組按照「以熱定電」的模式運行，其大量的發電出力限制了風電輸出，造成大量棄風。技術實現要素：本發明的目的是為克服已有技術的不足之處，提出一種基於供熱管網儲熱效益的熱-電聯合機組組合方法。本發明方法能夠充分開發熱網管網的儲熱效益，有效解決我國北方冬季風電消納不足的問題。本發明提出的一種基於供熱管網儲熱效益的熱-電聯合機組組合方法。該方法首先建立計及集中供熱管網儲熱特性的熱-電聯合機組組合模型，該模型由目標函數和約束條件構成；該模型的目標函數為熱-電聯合系統運行總成本最小化，約束條件分為電力系統運行約束條件和供熱系統運行約束條件；其中，供熱系統運行約束條件包含一個反映集中供熱管網儲熱特性的集中供熱系統模型；最後，通過迭代求解算法對熱-電聯合機組組合模型求解，將得到的最優解作為熱-電聯合機組組合方案。該方法具體包括以下步驟：1)建立熱-電聯合機組組合模型，該模型由目標函數和約束條件構成，具體包括：1.1)確定熱-電聯合機組組合模型決策變量熱-電聯合機組組合模型的決策變量分為電力側決策變量以及供熱側決策變量；電力側決策變量包括機組組合狀態、火電機組的發電出力和旋轉備用容量以及風電場出力；供熱側決策變量包括熱電聯產機組的供熱出力以及供熱網絡的溫度分布；1.2)構建熱-電聯合機組組合模型目標函數熱-電聯合機組組合模型的目標函數為熱-電聯合系統運行總成本最小化，如式(1)所示：其中，pg,t為第g臺機組在第t個調度時段的供電出力與最小出力之差，ug,t為第g熱電聯產機組在第t個調度時段的啟停狀態，xg,t為第g熱電聯產機組在第t個調度時段的啟動狀態，yg,t為第g熱電聯產機組在第t個調度時段的停止狀態，為第g個風電場在第t個調度時段的發電出力，hg,t為第g臺熱電聯產機組在第t個調度時段的供熱出力與最小出力之差，為火電機組下標集合，為風電場下標集合，為熱電聯產機組下標集合，為調度時段下標集合，為第g臺火電機組的運行成本，為第g個風電場的棄風成本，為第g臺熱電聯產機組的熱電聯產成本；常規火電機組的運行成本如式(2)所示：CgTU(pg,t,ug,t,xg,t,yg,t)=fgTU(pg,t)+cgSUxg,t+cgSDyg,t+cgNLug,t---(2)]]>其中，為第g臺火電機組運行成本，為分段線性函數；分別為第g臺火電機組啟動成本、停止成本和空載成本；風電場的棄風成本與棄風量的平方成正比，如式(3)所示：其中，為第g個風電場在第t個調度時段的出力預測值，σg為第g個風電場的棄風懲罰因子；熱電聯產機組熱電聯產成本如式(4)所示：1.3)構建熱-電聯合機組組合模型的約束條件熱-電聯合機組組合模型包含電力系統運行約束條件和供熱系統運行約束條件，具體包括：1.3.1)電力系統運行的約束條件1.3.1.1)功率平衡約束每個調度時段的發電功率與負荷功率相等，如式(5)所示：其中，Dn,t為電力網絡第i個母線在第t個調度時段的母線負荷，為母線下標集合；1.3.1.2)旋轉備用約束火電機組預留一定的旋轉備用容量以應對電力系統可能發生的故障，如式(6)～式(10)所示：其中，SUg和SDg分別為第g臺火電機組的啟動、停止爬坡能力，MUg為第g臺火電機組的最小啟動時間，rug,t和rdg,t分別為第g臺火電機組在第t個調度時段的向上、向下旋轉備用容量，和Pg分別為第i臺火電機組的最大、最小技術出力，SRup和SRdown分別為電力系統向上、向下旋轉備用容量要求；1.3.1.3)網絡約束電力網絡線路的潮流在線路傳輸容量以內，如式(11)～式(13)所示：其中，θi,t為電力網絡第i節點的相角，Xi,j為電力網絡連接節點i,j線路的感抗，F(i,j)為電力網絡連接節點i,j線路的傳輸容量；1.3.1.4)爬坡速率約束火電機組在相鄰調度時段內的發電出力增量受到爬坡速率的限制，如式(14)所示：1.3.1.5)火電機組出力限制約束火電機組的發電出力受到其技術出力範圍的限制，如式(15)所示：1.3.1.6)風電場出力限制約束風電場的發電出力受到可調度風電容量的限制，如式(16)所示：1.3.1.7)機組狀態邏輯約束機組狀態邏輯約束描述機組當前時刻啟停狀態與前一時刻啟停狀態的聯繫，如式(17)所示：1.3.8)機組最小停止、啟動時間約束在機組最小啟動/停止時間內，機組只啟動/停止一次，如式(18)～式(19)所示：其中，MDg為第g臺機組的最小停止時間；1.3.2)供熱系統運行約束條件供熱系統運行約束條件包含一個集中供熱系統模型，該模型包括熱電聯產機組子模型，換熱站子模型和供熱網絡子模型三個子模型，每個子模型分別由各自的約束條件構成；具體步驟如下：1.3.2.1)構建熱電聯產機組子模型熱電聯產機組子模型包含以下約束：1.3.2.1.1)供熱與供電關係約束熱電聯產機組的供電出力和供熱出力採用多邊形區域極點的凸組合來描述，如式(20)所示：pg,t=Σk=1NKgαg,tk(Pgk-Pg),hg,t=Σk=1NKgαg,tk(Hgk-Hg)---(20)]]>其中，式(20)中，為第g熱電聯產機組運行可行域近似多邊形的第k個極點，(Hg,Pg)為第g熱電聯產機組運行最小電出力與熱出力，為第g熱電聯產機組在第t個調度時段的運行點對應第k個極點的凸組合係數，NKg為第g熱電聯產機組的運行可行域近似多邊形的極點個數；1.3.2.1.2)循環水供熱約束熱電聯產機組的供熱出力用於加熱供熱網絡中的循環水流，如式(22)所示：其中，c為水的比熱容，為在第t個調度時段內流經第j個熱力站的循環水質量即循環水流量；分別為供熱網絡中第n個節點在第t個調度時段的供水、回水溫度，為熱力站下標集合，為供熱網絡中與第j個熱力站連接的節點下標；1.3.2.1.3)供熱網絡節點溫度約束供熱網絡節點溫度控制在合理範圍內以保證供熱質量並防止循環水汽化，如式(23)所示：其中，和分別為供熱網絡第n個節點的溫度下限和上限；1.3.2.2)構建換熱站子模型換熱站子模型包含以下約束：1.3.2.2.1)供回水溫度與換熱量的關係約束換熱站的供回水溫度與換熱量的約束如式(24)所示：其中，為第l個換熱站在第t個調度時段的循環水流量，為第l個換熱站在第t個調度時段的用熱負荷功率，為換熱站下標集合，為供熱網絡中與第l個換熱站連接的節點下標；1.3.2.2.2)回水溫度約束換熱站的回水溫度保持在一定的範圍之內，如式(25)所示：其中，與分別代表換熱站回水溫度的上限和下限；1.3.2.3)構建供熱網絡子模型供熱網絡中：表示以第i個供熱網絡節點為終點的供熱管道下標集合，表示以第i個供熱網絡節點為起點的供熱管道下標集合，分別表示第b條供水管道在第t個調度時段的首端、末端溫度，分別表示第b條回水管道在第t個調度時段的首端、末端溫度，分別表示第b條供水、回水管道在第t個調度時段的水流量；供熱網絡子模型包含以下約束：1.3.2.3.1)溫度混合約束來自不同管道的水流在同一網絡節點混合後的溫度滿足以下方程如式(26)和式(27)所示：1.3.2.3.2)網絡節點溫度約束從網絡節點流出的水流溫度等於該網絡節點的溫度，如式(28)和式(29)所示：1.3.2.3.3)水溫變化延時約束與沿管熱損耗約束採用節點法進行描述，此約束分為兩個步驟：第一步：利用過去時段的管道入口溫度估計忽略沿管熱損耗的管道出口溫度，如式(30)和式(31)所示：其中，和分別為第b條供熱管道在第t個調度時段忽略沿管熱損耗的管道出口溫度；變量Kb，t，k的取值由循環水流速決定，，如式(32)所示：Kb,t,k=(msb,tpipeΔt-Sb,t+ρAbLb)/(msb,tpipeΔt),k=t-φb,t(msb,kpipeΔt)/(msb,tpipeΔt),k=t-φb,t+1,...,t-γb,t-1(Rb,t-ρAbLb)/(msb,tpipeΔt),k=t-γb,t0,otherwise---(32)]]>其中，Δt為相鄰調度時段的時間間隔，Ab為第b條供熱管道的截面積，Lb為第b條供熱管道的長度；式(30)～式(32)中，整數變量φb,t和γb,t分別表示與水溫變化延時相關的調度時段數，如式(33)和式(34)所示：式(32)中的Rb,t和Sb,t表達式分別如式(35)和式(36)所示：Rb,t=Σk=0γb,t(msb,t-kpipeΔt)---(35)]]>Sb,t=Σk=0φb,t-1(msb,t-kpipeΔt),ifφb,tγb,t+1Rb,t,otherwise---(36)]]>第二步：對管道出口溫度進行熱損耗修正，如式(37)和式(38)所示：τb,tPS,out=τtam+(τb,t′PS,out-τtam)exp-λbΔtAbρc(γb,t+12+Sb,t-Rb,tmsb,t-γb,tpipeΔt)---(37)]]>τb,tPR,out=τtam+(τb,t′PR,out-τtam)exp-λbΔtAbρc(γb,t+12+Sb,t-Rb,tmsb,t-γb,tpipeΔt)---(38)]]>其中，為第t個調度時段的外界溫度，λb為第b條供熱管道的沿管熱損耗係數；2)對熱-電聯合機組組合模型求解，將得到的最優解作為熱-電聯合機組組合方案；2.1)求解機組組合主問題，所述主問題指的是不考慮網絡約束與供熱系統運行約束情況下的機組組合問題，得到機組組合解；2.2)將步驟2.1)得到的機組組合解代入如式(11)～式(13)所示的網絡約束並進行檢驗；若不滿足網絡約束，則生成關於機組組合解的可行割，並添加可行割約束至主問題，重新返回步驟2.1)進行求解；若滿足網絡約束，則轉入步驟2.3)；2.3)將通過步驟2.2)的機組組合解代入如式(20)～式(38)所示供熱系統運行約束並進行檢驗，若不滿足供熱系統運行約束，則生成關於機組組合解的可行割，並添加可行割約束至主問題，重新返回步驟2.1)進行求解；若滿足供熱系統運行約束，則所得機組組合解為最優機組組合解，迭代結束，將得到的最優解作為熱-電聯合機組組合方案。本發明的特點及有益效果是：本發明所提出的基於供熱管網儲熱效益的熱-電聯合機組組合方法能夠充分開發熱網管網的儲熱效益，有效解決我國北方冬季風電消納不足的問題；在保證供熱量的同時減少了棄風現象的出現。本發明所提出的迭代算法能夠充分應對模型的複雜性，適宜應用在調度中心主站系統中，通過熱-電聯合機組組合實現風電的最大消納。附圖說明圖1(a)為背壓式熱電聯產機組出力運行可行域示意圖。圖1(b)為抽凝式熱電聯產機組出力運行可行域示意圖。具體實施方式本發明提出的基於管網儲熱效益的熱-電聯合機組組合方法，下面結合具體實施方式進一步說明如下。本發明提出的基於管網儲熱效益的熱-電聯合機組組合方法，該方法首先建立計及集中供熱管網儲熱特性的熱-電聯合機組組合模型，該模型由目標函數和約束條件構成；該模型的目標函數為熱-電聯合系統運行總成本最小化，約束條件分為電力系統運行約束條件和供熱系統運行約束條件；其中，供熱系統運行約束條件包含一個反映集中供熱管網儲熱特性的集中供熱系統模型；最後，通過迭代求解算法對熱-電聯合機組組合模型求解，將得到的最優解作為熱-電聯合機組組合方案。該方法具體包括以下步驟：1)建立熱-電聯合機組組合模型，該模型由目標函數和約束條件構成，具體包括：1.1)確定熱-電聯合機組組合模型決策變量熱-電聯合機組組合模型的決策變量分為電力側決策變量以及供熱側決策變量；電力側決策變量包括機組組合狀態、火電機組的發電出力和旋轉備用容量以及風電場出力；供熱側決策變量包括熱電聯產機組的供熱出力以及供熱網絡的溫度分布；1.2)構建熱-電聯合機組組合模型目標函數熱-電聯合機組組合模型的目標函數為熱-電聯合系統運行總成本最小化，如式(1)所示：其中，pg,t為第g臺機組在第t個調度時段的供電出力與最小出力之差，ug,t為第g熱電聯產機組在第t個調度時段的啟停狀態，xg,t為第g熱電聯產機組在第t個調度時段的啟動狀態，yg,t為第g熱電聯產機組在第t個調度時段的停止狀態，為第g個風電場在第t個調度時段的發電出力，hg,t為第g臺熱電聯產機組在第t個調度時段的供熱出力與最小出力之差，為火電機組下標集合，為風電場下標集合，為熱電聯產機組下標集合，為調度時段下標集合，為第g臺火電機組的運行成本，為第g個風電場的棄風成本，為第g臺熱電聯產機組的熱電聯產成本；常規火電機組的運行成本如式(2)所示：CgTU(pg,t,ug,t,xg,t,yg,t)=fgTU(pg,t)+cgSUxg,t+cgSDyg,t+cgNLug,t---(2)]]>其中，為第g臺火電機組運行成本，為分段線性函數；分別為第g臺火電機組啟動成本、停止成本和空載成本；風電場的棄風成本與棄風量的平方成正比，如式(3)所示：其中，為第g個風電場在第t個調度時段的出力預測值，σg為第g個風電場的棄風懲罰因子，根據實際對風電的消納需求制定；熱電聯產機組熱電聯產成本如式(4)所示：1.3)構建熱-電聯合機組組合模型的約束條件熱-電聯合機組組合模型包含電力系統運行約束條件和供熱系統運行約束條件，具體包括：1.3.1)電力系統運行的約束條件1.3.1.1)功率平衡約束在忽略網損的情況下，每個調度時段的發電功率與負荷功率相等，如式(5)所示：其中，Dn,t為電力網絡第i個母線在第t個調度時段的母線負荷，為母線下標集合；1.3.1.2)旋轉備用約束火電機組預留一定的旋轉備用容量以應對電力系統可能發生的故障，如式(6)～式(10)所示：其中，SUg和SDg分別為第g臺火電機組的啟動、停止爬坡能力，MUg為第g臺火電機組的最小啟動時間，rug,t和rdg,t分別為第g臺火電機組在第t個調度時段的向上、向下旋轉備用容量，和Pg分別為第i臺火電機組的最大、最小技術出力，SRup和SRdown分別為電力系統向上、向下旋轉備用容量要求；1.3.1.3)網絡約束電力網絡線路的潮流在線路傳輸容量以內，如式(11)～式(13)所示：其中，θi,t為電力網絡第i節點的相角，Xi,j為電力網絡連接節點i,j線路的感抗，F(i,j)為電力網絡連接節點i,j線路的傳輸容量；1.3.1.4)爬坡速率約束火電機組在相鄰調度時段內的發電出力增量受到爬坡速率的限制，如式(14)所示：1.3.1.5)火電機組出力限制約束火電機組的發電出力受到其技術出力範圍的限制，如式(15)所示：1.3.1.6)風電場出力限制約束風電場的發電出力受到可調度風電容量的限制，如式(16)所示：1.3.1.7)機組狀態邏輯約束機組狀態邏輯約束描述機組當前時刻啟停狀態與前一時刻啟停狀態的聯繫，如式(17)所示：1.3.8)機組最小停止、啟動時間約束在機組最小啟動/停止時間內，機組只啟動/停止一次，如式(18)～式(19)所示：其中，MDg為第g臺機組的最小停止時間；1.3.2)供熱系統運行約束條件供熱系統運行約束條件包含一個集中供熱系統模型，該模型包括熱電聯產機組子模型，換熱站子模型和供熱網絡子模型三個子模型，每個子模型分別由各自的約束條件構成；具體步驟如下：1.3.2.1)構建熱電聯產機組子模型熱電聯產機組子模型包含以下約束：1.3.2.1.1)供熱與供電關係約束熱電聯產機組可分為背壓式和抽凝式兩種類型，兩種機組的供熱與供電出力關係如圖1所示。其中圖1(a)為背壓式熱電聯產機組，圖1(b)為抽凝式熱電聯產機組。兩個圖的橫坐標均為機組的供熱出力，縱坐標均為機組的供電出力。其中圖1(a)的背壓式熱電聯產機組供電出力與供熱出力為線性關係，圖1(b)的抽凝式機組供電出力與供熱出力關係為凸四邊形可行域；熱電聯產機組的供電出力和供熱出力採用多邊形區域極點的凸組合來描述，如式(20)所示：pg,t=Σk=1NKgαg,tk(Pgk-Pg),hg,t=Σk=1NKgαg,tk(Hgk-Hg)---(20)]]>其中，式(20)中，為第g熱電聯產機組運行可行域近似多邊形的第k個極點，(Hg,Pg)為第g熱電聯產機組運行最小電出力與熱出力，為第g熱電聯產機組在第t個調度時段的運行點對應第k個極點的凸組合係數，NKg為第g熱電聯產機組的運行可行域近似多邊形的極點個數；1.3.2.1.2)循環水供熱約束熱電聯產機組的供熱出力用於加熱供熱網絡中的循環水流，如式(22)所示：其中，c為水的比熱容，其具體值根據實際水質實驗測出，為在第t個調度時段內流經第j個熱力站的循環水質量(為方便起見，下文稱之為循環水流量)，分別為供熱網絡中第n個節點在第t個調度時段的供水、回水溫度，為熱力站下標集合，為供熱網絡中與第j個熱力站連接的節點下標；1.3.2.1.3)供熱網絡節點溫度約束供熱網絡節點溫度控制在合理範圍內以保證供熱質量並防止循環水汽化，如式(23)所示：其中，和分別為供熱網絡第n個節點的溫度下限和上限；1.3.2.2)構建換熱站子模型換熱站子模型包含以下約束：1.3.2.2.1)供回水溫度與換熱量的關係約束在輸熱系統中，換熱站可以被視為一個用熱負荷，換熱站的供回水溫度與換熱量的約束如式(24)所示：其中，為第l個換熱站在第t個調度時段的循環水流量，為第l個換熱站在第t個調度時段的用熱負荷功率，為換熱站下標集合，為供熱網絡中與第l個換熱站連接的節點下標；1.3.2.2.2)回水溫度約束換熱站的回水溫度保持在一定的範圍之內，如式(25)所示：其中，與分別代表換熱站回水溫度的上限和下限；1.3.2.3)構建供熱網絡子模型定義供熱網絡中的如下變量：表示以第i個供熱網絡節點為終點的供熱管道下標集合，表示以第i個供熱網絡節點為起點的供熱管道下標集合，分別表示第b條供水管道在第t個調度時段的首端、末端溫度，分別表示第b條回水管道在第t個調度時段的首端、末端溫度，分別表示第b條供水、回水管道在第t個調度時段的水流量；值得注意的是，供熱網絡中第i個節點在第t個調度時段的供水、回水溫度指的是流進該節點的水流相互混合後的穩態溫度，供水和回水管道在第t個調度時段的首末端溫度指的是在管道內的相應位置上混合前的水流溫度；供熱網絡子模型包含以下約束：1.3.2.3.1)溫度混合約束根據能量守恆定律，來自不同管道的水流在同一網絡節點混合後的溫度滿足以下方程如式(26)和式(27)所示：1.3.2.3.2)網絡節點溫度約束從網絡節點流出的水流溫度等於該網絡節點的溫度，如式(28)和式(29)所示：1.3.2.3.3)水溫變化延時約束與沿管熱損耗約束採用節點法進行描述，此約束分為兩個步驟：第一步：利用過去時段的管道入口溫度估計忽略沿管熱損耗的管道出口溫度，如式(30)和式(31)所示：其中，和分別為第b條供熱管道在第t個調度時段忽略沿管熱損耗的管道出口溫度；變量Kb，t，k的取值由循環水流速決定，，如式(32)所示：Kb,t,k=(msb,tpipeΔt-Sb,t+ρAbLb)/(msb,tpipeΔt),k=t-φb,t(msb,kpipeΔt)/(msb,tpipeΔt),k=t-φb,t+1,...,t-γb,t-1(Rb,t-ρAbLb)/(msb,tpipeΔt),k=t-γb,t0,otherwise---(32)]]>其中，Δt為相鄰調度時段的時間間隔，Ab為第b條供熱管道的截面積，Lb為第b條供熱管道的長度；式(30)～式(32)中，整數變量φb,t和γb,t分別表示與水溫變化延時相關的調度時段數，如式(33)和式(34)所示：式(32)中的Rb,t和Sb,t表達式分別如式(35)和式(36)所示：Rb,t=Σk=0γb,t(msb,t-kpipeΔt)---(35)]]>Sb,t=Σk=0φb,t-1(msb,t-kpipeΔt),ifφb,tγb,t+1Rb,t,otherwise---(36)]]>第二步：對管道出口溫度進行熱損耗修正，如式(37)和式(38)所示：τb,tPS,out=τtam+(τb,t′PS,out-τtam)exp-λbΔtAbρc(γb,t+12+Sb,t-Rb,tmsb,t-γb,tpipeΔt)---(37)]]>τb,tPR,out=τtam+(τb,t′PR,out-τtam)exp-λbΔtAbρc(γb,t+12+Sb,t-Rb,tmsb,t-γb,tpipeΔt)---(38)]]>其中，為第t個調度時段的外界溫度，λb為第b條供熱管道的沿管熱損耗係數；2)對熱-電聯合機組組合模型求解，將得到的最優解作為熱-電聯合機組組合方案；針對熱電聯合機組組合模型，該模型是一個混合整數線性規劃問題；應用Benders分解方法實現如下流程，可以在保證電網與熱網調度獨立性的前提下完成機組組合併得到全局最優解；2.1)求解機組組合主問題，所述主問題指的是不考慮電網網絡約束與區域熱網的供熱系統運行約束情況下的機組組合問題，得到機組組合解；2.2)將步驟2.1)得到的機組組合解代入如式(11)～式(13)所示的電網的網絡約束並進行檢驗；若不滿足網絡約束，則生成關於機組組合解的可行割，並添加可行割約束至主問題，重新返回步驟2.1)進行求解；若滿足網絡約束，則轉入步驟2.3)；2.3)將通過步驟2.2)的機組組合解代入如式(20)～式(38)所示區域熱網的供熱系統運行約束並進行檢驗，若不滿足供熱系統運行約束，則生成關於機組組合解的可行割，並添加可行割約束至主問題，重新返回步驟2.1)進行求解；若滿足供熱系統運行約束，則所得機組組合解為最優機組組合解，迭代結束，將得到的最優解作為熱-電聯合機組組合方案。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp