论文范文:考虑不确定性的综合能源系统规划研究

来源: 未知 作者:paper 发布时间: 2022-06-30 11:27
论文地区:中国 论文语言:中文 论文类型:工程硕士
综合能源系统集成了冷、热、电、气多能流网络,可实现能量的梯级利用, 实现多能源网络间的耦合和互补,在降低能耗,节约成本,环境保护方面具有 显著优势。在综合能源的大力
综合能源系统集成了冷、热、电、气多能流网络,可实现能量的梯级利用,
实现多能源网络间的耦合和互补,在降低能耗,节约成本,环境保护方面具有
显著优势。在综合能源的大力发展背景下,综合能源系统规划的计算结果和决
策方案直接影响着综合能源的优势体现和应用发展。因此,展开综合能源系统
规划的研究,合理规划系统中设备的类型和容量,对发挥综合能源系统的在经
济、环保和能效方面的优势有重要意义。基于目前综合能源系统规划的研究现
状和相关理论,展开了以下工作:
首先,建立了综合能源系统中典型设备的数学模型,包括发电设备风机、
光伏和燃气轮机,制冷设备吸收式制冷机和电制冷机,制热设备余热锅炉和燃
气锅炉,储能装置蓄电池和蓄热槽;对燃气轮机和吸收式制冷的变工况特性进
行建模分析,储能装置采用动态数学模型,并由此形成了较为全面的综合能源
系统架构。
 然后,建立了综合能源系统规划优化模型,优化目标为考虑系统经济性、
能效性和环保性多方面的综合评价指标,采用混合整数规划方法求解,并形成
了综合能源系统规划方法;基于该方法研究了系统联网方式、储能装置以及天
然气价格对系统规划设计结果的影响规律。
 接下来,考虑负荷不确定性因素,采用鲁棒优化方法,建立鲁棒规划模型,
分析了单个负荷不确定性因素对系统规划设计的影响。进一步,考虑负荷不确
定性和可再生能源强度不确定性,采用蒙特卡洛随机模拟技术处理两种不确定
因素,建立了综合能源系统规划模型,分析了两种不确定性因素对系统规划设
计结果的影响规律,最后对比分析了两种方法在处理综合能源系统不确定性问
题上的适用情况。
 最后,对不同地区建筑进行了负荷模拟,并根据不同地区环境资源情况、
负荷需求以及能源价格进行综合能源系统规划案例分析,对比分析了不同地区
建筑的规划结果和系统适用情况;进一步将本文所建立的数学模型和规划方法
集成开发形成综合能源系统规划软件系统,设计了规划软件页面,并基于相应
的规划算例,展示了规划软件系统内各个页面核心功能。该软件系统为后续综
合能源系统规划奠定了一定基础。
关键词:综合能源系统规划;不确定性;蒙特卡洛随机模拟;鲁棒优化
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Abstract
Abstract
The integrated energy system integrates multi-energy flow networks of cold,
heat, electricity, and gas, which can realize the cascade utilization of energy, realize
the coupling and complementarity between multi-energy networks, and have
significant advantages in reducing energy consumption, saving costs, and
environmental protection. Under the background of vigorous development of
integrated energy, the calculation results and decision-making plans of integrated
energy system planning directly affect the advantages and application development
of integrated energy. Therefore, to carry out research on integrated energy system
planning and to rationally plan the types and capacities of equipment in the system is
of great significance to give play to the advantages of the integrated energy system in
terms of economy, environmental protection and energy efficiency. Based on the
current research status and related theories of integrated energy system planning, the
following work has been carried out:
First, a mathematical model of typical equipment in the integrated energy system
was established, including power generation equipment fans, photovoltaics and gas
turbines, refrigeration equipment absorption refrigerators and electric refrigerators,
heating equipment waste heat boilers and gas boilers, energy storage devices,
batteries and heat storage groove; Carry out modeling and analysis on the variable-
condition characteristics of gas turbines and absorption refrigeration, and adopt
dynamic mathematical models for energy storage devices, and thus form a more
comprehensive integrated energy system architecture。
Then, an integrated energy system planning optimization model was established.
and the optimization objective was to consider the comprehensive evaluation
indicators of system economy, energy efficiency and environmental protection, and
the mixed integer programming method was used to solve the problem, and an
integrated energy system planning method was formed. Based on this method, the
influence law of system networking mode, energy storage device and natural gas price
on system planning and design results is studied.
Next, considering the load uncertainty factors, a robust optimization method is
adopted to establish a robust planning model, and the influence of a single load
uncertainty factor on system planning and design is analyzed; Further, considering
the uncertainty of load and the uncertainty of renewable energy intensity, Monte Carlo
stochastic simulation technology is used to deal with the two uncertain factors;
Established a comprehensive energy system planning model, and analyzed the
- II -
Abstract
influence of two uncertain factors on the results of system planning and design;
Finally, the application of the two methods in dealing with the uncertainty of the
integrated energy system is compared and analyzed.
Finally, load simulations for buildings in different regions , and according to the
environmental resource situation, load demand and energy price of different regions
to carry out the integrated energy system planning case analysis; Further, integrated
the mathematical model and planning method established in this paper to form a
comprehensive energy system planning software system, and designed the planning
software page; Based on the corresponding planning example, the core functions of
each page in the planning software system are demonstrated. This software system
has laid a certain foundation for the subsequent integrated energy system planning.
Keywords: Integrated energy system planning; Uncertainty; Monte Carlo stochastic
simulation; Robust optimization.
- III -
目 录
目 录
摘 要 ..........................................................................................................................I
Abstract....................................................................................................................... II
第 1 章 绪 论 .........................................................................................................1
1.1 课题背景及意义 ............................................................................................1
1.2 综合能源系统的发展现状 ............................................................................2
1.3 综合能源系统规划方法研究进展 ..................................................................4
1.3.1 综合能源系统确定性规划方法研究进展 .............................................4
1.3.2 综合能源系统不确定性规划方法研究进展 .........................................6
1.3.3 综合能源系统规划管理平台研究现状 .................................................7
1.4 本文的主要研究内容 ....................................................................................9
第 2 章 综合能源系统设备数学模型 ................................................................... 11
2.1 引言 .............................................................................................................. 11
2.2 电源设备数学模型 ...................................................................................... 11
2.2.1 风力发电系统 ....................................................................................... 11
2.2.2 光伏发电系统 .......................................................................................12
2.2.3 燃气轮机 ...............................................................................................13
2.3 供热供冷设备数学模型 ..............................................................................15
2.3.1 余热锅炉 ...............................................................................................15
2.3.2 燃气锅炉 ...............................................................................................15
2.3.3 吸收式制冷机 .......................................................................................15
2.3.4 电制冷机 ...............................................................................................17
2.4 储能设备数学模型 ......................................................................................17
2.4.1 蓄电池 ...................................................................................................17
2.4.2 蓄热槽 ...................................................................................................18
2.5 综合能源系统架构 ......................................................................................18
2.6 本章小结 ......................................................................................................19
第 3 章 综合能源系统规划运行研究 ...................................................................21
3.1 引言 ..............................................................................................................21
3.2 综合能源系统规划模型和方法 ..................................................................21
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目 录
3.2.1 综合能源系统规划优化模型 ...............................................................21
3.2.2 综合能源系统规划方法 .......................................................................26
3.3 综合能源系统规划算例研究 ......................................................................28
3.3.1 方案设计和数据输入 ...........................................................................28
3.3.2 系统规划设计结果 ...............................................................................30
3.3.3 系统运行情况分析 ...............................................................................32
3.4 联网方式对综合能源系统的影响 ..............................................................34
3.5 储能装置对综合能源系统的影响 ..............................................................36
3.6 天然气价格对综合能源系统的影响 ..........................................................38
3.7 本章小结 ......................................................................................................40
第 4 章 考虑不确定性的综合能源系统规划研究 ...............................................42
4.1 引言 ..............................................................................................................42
4.2 考虑不确定性综合能源系统规划优化模型 ..............................................42
4.2.1 不确定性优化方法 ...............................................................................42
4.2.2 优化模型 ...............................................................................................44
4.2.3 规划方法 ...............................................................................................45
4.3 考虑负荷不确定性的综合能源系统鲁棒规划研究 ..................................46
4.3.1 方案设计和数据输入 ...........................................................................46
4.3.2 负荷不确定性对系统配置结果的影响 ...............................................46
4.3.3 负荷不确定性对系统性能指标的影响 ...............................................49
4.3.4 考虑负荷不确定性的系统运行情况 ...................................................51
4.4 基于蒙特卡洛方法的综合能源系统规划研究 ..........................................52
4.4.1 方案设计和数据输入 ...........................................................................52
4.4.2 不确定性因素对系统配置结果的影响 ...............................................52
4.4.3 不确定性因素对系统性能指标的影响 ...............................................55
4.4.4 与鲁棒优化方法的对比 .......................................................................56
4.5 本章小结 ......................................................................................................58
第 5 章 不同地区建筑的综合能源系统规划研究及规划软件实现 ...................59
5.1 引言 ..............................................................................................................59
5.2 不同地区建筑负荷模拟 ..............................................................................59
5.2.1 负荷模拟方法 .......................................................................................59
5.2.2 建筑模型的建立 ...................................................................................60
- V -
目 录
5.2.3 负荷模拟结果及分析 ...........................................................................60
5.3 不同地区建筑的综合能源系统规划研究 ..................................................63
5.3.1 不同地区建筑的规划设计结果分析 ...................................................65
5.3.2 不同地区建筑的系统运行结果分析 ...................................................67
5.4 综合能源系统规划软件系统 ......................................................................72
5.4.1 功能定位和总体架构 ...........................................................................73
5.4.2 软件子功能模块 ...................................................................................73
5.5 本章小结 ......................................................................................................79
总 结 .......................................................................................................................81
参考文献 ...................................................................................................................83
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 ...........................................................88
哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 ...............................................89
致 谢 .......................................................................................................................90
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哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
第1章 绪 论
1.1 课题背景及意义
能源作为国民经济的命脉,能源问题将直接影响着社会的进步与发展。目
前,全球的能源消耗量在不断上升,而化石能源日益短缺和不可再生性与大量
消耗所带来的环境污染是能源可持续发展面临两大主要问题。
《BP 世界能源展望(2019 年版)》提到,从能源消费上来看,世界各地的
能源需求持续增长,但能源需求增长速度有所下降。从能源结构上看,天然气
的占比不断提高,可再生能源的重要性在近十年间不断上升,全世界的能源结
构将继续向绿色低碳能源系统转变[1]。如图 1-1 所示,预测未来的能源结构,天
然气资源占比持续上升,将超过煤炭资源,接近石油占比[1]。
图 1-1 2040 年一次能源消费量和一次能源结构预测[1]
近年来,天然气的需求快速增长,用来发电的比例在不断上升[2]。作为绿色
低碳能源,可再生能源(包括风能、太阳能、地热能等)快速增长,不断地渗
透到世界各地的能源结构体系中,成为能源转型的主要方向。在可再生能源的
开发利用中,风能和太阳能发展迅速,太阳能光伏发电量和风力发电量不断增
加,在总发电量中占比进一步提升[2]。
随着社会经济的快速发展,我国的能源消费仍存在着一些典型问题[3]:其一
是能源含量丰富的地区,能源需求量少,而人口稠密,资源短缺的地区能源含
量少,能源需求量大,这造成了能源供需之间距离较远,能源的传输距离较远,
会对能源利用的效率造成较大影响[3],如利用大电网为用户提供电能供电系统,
因为与用户距离较远,传输过程损耗较大,到达终端的能源利用率有所折扣[4];
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其二是节能减排问题依然面临着很大挑战,目前以煤炭发电为主的发电系统,
环境污染问题依旧存在,颗粒物以及温室气体的排放等问题还需要不断改善,
虽然我国的可再生能源发电量逐年上升,但同时也带来了消纳的问题,一定程
度上阻碍了可再生能源的发展;其三是能源需求多元化发展,用户端对能提供
冷、热、电、气等多种能源的绿色宜居方式需求增加。
党的“十九大”报告中指出了未来能源发展的方向和定位,即大力发展清
洁可再生能源,深入推进能源产业变革,构建绿色节能、高效低碳的能源结构。
十四五规划期间,我国将持续推进能源结构优化。随着风力发电、太阳能发电
提前实现平价,技术更加先进,可再生能源的重要性将不断提高。
综上所述,在传统能源紧缺,且传统供能体系能源利用效率低下,节能与
环保要求逐渐严格,可再生能源大规模应用发展的背景下,建立绿色低碳、节
能环保、安全高效的能源产业,是能源转型发展的重要方向。随着能源发展新
阶段的出现,能源互联网、综合能源系统等理念被提出,作为能源多元供给的
系统,综合能源系统已经成为许多国家能源产业变革的重要方式[5][6]。
能源互联网将信息技术与能源产业深度结合,通过智能信息处理技术科学
的对能源系统进行管理。综合能源系统是指采用多能源转换技术和信息技术以
及新型管理模式相结合,涵盖多种能源输入和输出,同时包含多种能源转换设
备,可以实现不同能源间的互补,在满足需求的同时降低能耗的新型一体化能
源系统。与传统能源系统不同,综合能源系统集成多种形式的能源,如可再生
能源、电能和天然气等,可实现风电等分布式发电系统实现就地消纳,系统内
各种能源以及设备相互耦合,采用需求侧就近集中供能模式,实现冷、热、电
的同时供给,在降低能源成本、提高能源效率方面优势明显[8]。
综合能源系统强调通过科学合理的规划,连接多种能源系统,打破单一能
源系统供能模式,实现能源综合高效利用[10]。综合能源规划的决策水平直接影 响能源体系改革的成效,因此,对综合能源系统规划中所涉及的数学模型、算
法支撑、评价体系研究具有重要意义[6]。
1.2 综合能源系统的发展现状
微能源网、冷热电三联供系统、分布式能源系统等都是综合能源系统的表
现形态,各个形态的综合能源系统架构基本一致,包括热电联产设备、屋顶光
伏、储能等分布式能源,通过研究调研,整理出综合能源系统的架构示意图,
包含了系统中典型的能源系统,如图 1-2 所示[11][12]。
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外部能源输入 综合能源系统结构示意 用户侧
 储气罐
天然气
用气负荷
燃气轮机
/内燃机 余热回收
 装置 电转气
 技术 燃料电
 池
热电联产设备/冷热电联供系统
电网
用电负荷
风能 风力发电
 机组 光伏发电
 机组 电热锅
炉、热
 泵 储电池
储热罐
太阳能 太阳能集
 用热负荷
热器
冰蓄冷、
吸收
式制
冷机
电制冷机
 蓄冷罐
天然气 电力管网
 热力管网 输冷管网
设备耦合单元 用冷负荷
图 1-2 综合能源系统架构框架示意图
国外对综合能源系统早已开始研究,欧洲最先开展研究综合能源系统的项
目研究,重点研究多能源间的协调互补优化以及与需求侧的交互,于 2020 年提
出了《综合能源系统 2020—2030 年研发路线图》[13]。
图 1-3 欧盟综合能源系统发展愿景示意图[13]
美国发展综合能源系统侧重不同能源的优势互补和协调供能[14],目前,美
国在冷热电联供系统方面的研究和应用已较为成熟,拥有一定数量的分布式冷
热电联供系统。日本能源资源匮乏,为了长远发展,提出了智能社区联盟,以
实现社区内能源信息综合调度,计划在 2030 年前达成冷热电联供系统发电量占
总发电量 1/5 以上。加拿大计划至 2050 年构建覆盖全国的社区级综合能源系统
[15]。我国的综合能源系统起步较晚,先后提出了一系列研究计划和指导意见,
推进综合能源研究和示范项目的开展[15]。近十年来,国内天津、北京、上海以
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及广州开展了近 40 个分布式能源系统项目,冷热电联供综合能源系统朝着多能
源互补、多技术联合的方向发展。随着“十四五”能源规划的提出,发展综合
能源系已成为我国推进能源革命的重要方式。
综合能源的快速发展离不开综合能源的合理规划开发,目前,仍存在部分
分布式能源项目存在运行效率低下、经济效益不明显、建设不成形的问题[17]。
为此,围绕综合能源系统规划展开研究,具有重要意义和研究价值。
1.3 综合能源系统规划方法研究进展
1.3.1 综合能源系统确定性规划方法研究进展
综合能源系统集成了冷、热、电、气多能流网络,同时用户侧的需求具有
多样化和不确定性的特点,系统内多能耦合设备关系复杂,是一个多能流输入、
输出的复杂能源系统。综合能源系统的科学合理规划是综合能源项目发展的基
础,直接影响着系统高效、经济、环保等优势的实现。因此,已有不少研究围
绕综合能源系统的规划广泛开展,主要集中在系统设备建模,设备容量配置,
系统评价指标分析,系统不确定性研究[18][19]。
综合能源系统内多能设备关系复杂,在建模时应重点分析各子系统的运行
特性和子系统之间的耦合关系。曾鸣等人[20]较为详细的对将综合能源系统中典
型设备进行了分类,并对各个设备进行了物理建模和经济性建模。李奇[21]针对
综合能源系统微网,构建了包含风电、光伏、外部能源网络、冷热电连供系统、
燃料电池、储能装置、电转冷/热/气设备数学模型,对系统进行了规划设计。Wu
等人[22]搭建了一个全面的微型冷热联产系统,由燃气发动机、吸附式冷水机组、
电冷水机组、辅助装置等组成。Zhou 等[23]考虑了电转气和电转热技术,在园区
综合能源系统规划中,建立了包含碱性电解槽,质子交换膜燃料电池,储氢罐,
固体蓄热电锅炉等设备数学模型,进行了系统的优化设计。熊文等[24]中研究了
储电,蓄冷,储热以及混合储能对综合能源系统运行的影响,分别建立了相应
的储能模型。燃气轮机、内燃机等发电设备的效率与系统的容量水平和负载率
相关,在对燃气轮机进行数学建模时,应该考虑效率的动态变化。因此,高章
鹏[25]、唐沂媛[26]在进行综合能源系统规划时,考虑燃机输出功率、余热利用效
率、发电效率和燃料消耗之间的关系,对燃气轮机模型进行简化,建立了数学
模型。王成文等人[27]提出围绕冷热电联供系统的母线式结构,并基于母线连接
源测、负荷侧、系统内能源设备构成微网系统,并进行数学建模。
在综合能源系统的规划过程中,所在地区的环境资源条件、用能密度、能
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源价格、政策环境等都会对其规划过程产生影响,涉及因素众多。同时,在规
划过程中需要考虑能源产生、能源转换、能源传输和能源存储等各个系统之间
的耦合机制,还需考虑冷、热、电、气不同能流网络间的融合影响,因此,综
合能源系统规划约束条件众多、非线性明显、目标选择多样化,问题较为复杂。
基于不同的用户需求,综合能源系统优化设计的不同指标有所不同,因此,
在建立规划模型时,要先确立规划的目标。目前,针对综合能源系统规划的主
要的评价指标有经济指标、环保指标、能效指标[28]。根据综合能源系统规划模
型的不同,模型求解方法有多种。智能算法和数学规划方法是目前主要应用的
两种求解方法,其中,智能算法中遗传算法和粒子群算法应用最广,数学规划
方法包括分支界定法、benders 分解法、内点法等[29]。
文献[15]以年成本最低构建了容量配置优化模型,考虑到存在非线性因素,
引入新的变量对其近线性化后求解。随着对综合能源项目发展要求的提高,单
从经济性方面或单一方面评价能源系统已不再具有客观性、合理性,因此,建
立从经济性、环保性、能效性多方面的综合评价体系更符合客观实际,更加合
理。刘泽健等人[30]建立了综合考虑经济-环境目标区域综合能源系统规划模型,
选择粒子群算法并对该方法进行改进,合理规划系统设备容量。Li 等人[31]以最
小化生命周期的净成本和二氧化碳排放量为优化目标,提出了冷、热、电联合
微网系统两阶段优化设计方法,求解方法为遗传算法和混合整数线性规划算法。
Wang 等人[32]选择从降低能源消耗、节约成本和减少污染物排放这三个标准来
评价冷热电联供系统的性能,采用遗传算法对该系统的进行容量优化,在此基
础上,通过敏感性分析,分析了电价和燃气价格变化对系统运行的影响。秦成
伟等人[33]分别建立了以能效、经济、环保和综合评价指标的天然气冷热电联供
系统的优化模型,设计了年综合优化和分季节优化的两种方案进行设备选型和
对比分析,采用遗传算法进行优化。王志贺等人[34]建立了综合考虑系统总经济
成本、二氧化碳排放量的冷热电联供系统规划模型,并对比分析了不同目标权
重对系统容量配置的影响。杨允[35]针对区域分布式供能系统,形成了规划设计
模型并对其规划方法进行研究。Zhu 等人[36]建立了综合能源系统规划优化模型,
对耦合可再生能源的热电联产系统进行了不同优化目标下下的经济和环境性能
评价。引入净现值、内部收益率和动态回收期作为经济指标,确定该系统的最
优组合、容量和运行策略。
围绕综合能源系统规划,仍存在一些问题需要研究,首先,针对综合能源
系统结构,大多数为冷热电联供系统研究展开,对可再生能源系统和储能系统
考虑较少,系统结构简单,同时在建立设备的数学模型时,对设备的运行特性
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考虑较为简单;其次,综合能源系统规划中的影响因素众多,各种因素对系统
规划设计结果的影响规律值得探究。
1.3.2 综合能源系统不确定性规划方法研究进展
综合能源规划涉及因素众多,在进行优化配置会面临多种多样的不确定性
因素[35]:(1)用户侧需求具有多样性,由于受到季节、昼夜变化等外界因素的
影响,负荷需求发生变化,具有不确定性和随机性;(2)源端的可再生能源发
电系统发电功率稳定性差,具有不确定性;(3)考虑到项目运作长达 10~30 年,
而在规划初期能源、电力价格以及外部市场环境等条件也会出现不确定性,会
对规划的结果产生影响。因此,不确定性因素的存在会使得确定性规划方法得
出的规划方案过于理想,当负荷等不确定因素发生变化时,系统可能无法满足
负荷需求,从而无法稳定运行,因此,有必要规划阶段对不确定因素予以考虑。
为了考虑不确定性因素对系统规划的影响,许多不确定性规划方法被发展应用,
目前应用较多的有敏感性分析方法、随机规划方法、鲁棒优化方法等[37]。
敏感性分析方法一般假设敏感性因素之间互不相关,通过改变其中某个或
者多个因素,分析指标的变化情况,在综合能源规划中常被用来分析能源价格、
电价、税收等因素的分析。彭树勇[38]建立了冷热电联供型微电网配置模型,采
用蒙特卡洛随机模拟技术负荷和光伏出力不确定性,并对能源价格进行了敏感
性分析。赵军等人[39]提出了包含冷热电联供系统、电热泵和蓄能装置的综合能
源系统,对碳税和天然气价格进行了敏感性分析。Wang 等人[32]在冷热电联供系
统优化配置模型基础上,分析比较了目标权重系数、能源价格、设备技术参数,
环境参数对规划结果以及系统运行的影响。张子阳等人[40]考虑风电消纳问题,
进行综合能源系统规划,并进行了设备的价格、能源价格和电热负荷比对系统
设计方案的影响分析。
在随机规划方法中,需要已知不确定因素的概率分布情况,对历史数据要
求较高。随机规划方法可结合蒙特卡洛抽样进行场景生成,应用于电力系统的
优化中[41],部分研究通过多场景[42]、场景生成、场景削减[43]等方法提高了不确
定性规划问题的效率。雷金勇等人[41]考虑规划中的不确定性因素,包括负荷需
求和光伏出力,采用随机优化方法,建立综合能源系统规划模型,将系统的规
划设计问题和系统运行问题分阶段考虑。S.A.Mansouri 等人[44]采用随机规划方
法结合多场景方法,建立了考虑风力发电和负荷预测的不确定性规划模型,并
引入了场景削减技术,降低模型的计算负担。
在鲁棒优化的研究中,采用不确定集合的形式来描述不确定参数。相较于
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随机优化,鲁棒优化对历史数据的要求较低,不需要大量历史数据形成概率密
度函数,仅需要知道随机变量的波动范围,且所得到的决策结果具有较强的鲁
棒性,能保证在一定的不确定性范围内优化问题的可行性,应用广泛[45]。
沈欣炜等人[37]考虑负荷需求不确定性因素,采用鲁棒优化方法处理,以上
下区间描述负荷波动情况,构造鲁棒优化模型,并转化为混合整数规划模型,
分析了不同典型日情况下负荷不确定性对规划设计结果的影响。Yan 等人[46]采
用负荷预测方法、鲁棒不确定性集合方法和模糊 c 均值聚类算法,构建了负荷
不确定性模型。基于这种不确定性模型,提出了一种结合模糊多目标决策和两
阶段自适应鲁棒优化的规划方法,分析了负荷预测结果、年负荷增长率和能源
价格对规划结果的影响。Chen 等人[47]考虑综合能源系统中不确定性因素,建立
鲁棒优化模型,利用对偶范数将不确定约束转化为鲁棒约束,采用 Benders 分
解算法求解。Li 等人[48]考虑可再生能源强度、能源价格和负荷不确定性,采用
盒不确定性集、椭球不确定性集和凸不确定性集来描述不确定性参数的分布,
进行综合能源系统规划,并利用仿射决策规则对提出的两阶段鲁棒问题进行求
解。
在综合能源系统规划中,不确定性因素的存在会对系统产生影响,而对于
不确定性因素的考虑,部分研究相对简单,只针对负荷不确定性进行研究,而
可再生能源作为综合能源的重要输入,需要在规划阶段对其不确定性予以考虑
分析,因此围绕综合能源系统中不确定性问题展开相关研究,具有一定价值。
1.3.3 综合能源系统规划管理平台研究现状
为便于规划,国内外研究人员将综合能源系统规划方法和模型集成,形成
相应的软件模型,例如国外的 HOMER、DER-CAM、RETScreen、H2RES、iHOGA、
EnergyPLAN;国内的研究院所和高校科研团队也展开了相应的研究,由中科院
广州能源研究所研发的联产设计工具包 DCOT、天津大学电气工程研究团队开
发的微电网规划设计软件 PDMG[49][50]。这些软件在应用对象,计算方法,功能
模块上都有所侧重,如美国的 HOMER 模拟不同可再生能源系统规模与配置,
但缺少对网路进建模分析。由加拿大政府、工业和学术界联合开发的 RETScreen
模型支持多种热电联产和三联供发电技术,能够评估孤立和并网热电联产项目
的能效性、财务状况、减排能力和风险性。DCOT 主要应用冷热电联供系统,
具有完备的设备模型库以及算法库等。
同时,国内的部分高校、研究院所和能源企业都开展了综合能源系统规划
运行平台相关研究,有一定的成果。如清华大学的 Cloud EIP、东南大学综合能
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源一站式规划平台 IES-Plan、西安交通大学的能源互联网仿真验证平台以及上
海电气集团的 DES-PSO 规划平台等。仿真平台的功能各有不同,例如东南大学
的 IES-Plan 核心功能有 8 部分,较为全面的涵盖了综合能源系统规划的内容,
包括设备初选,方案优化以及经济减排分析等;清华大学的 Cloud EIP 主要包
含 4 部分内容,负荷需求预测,能源供需平衡分析,规划方案优选,项目全面
评估;西安交通大学的能源互联网仿真验证平台含有“规划平台”、“运行平台”、
“交易平台”和“大数据平台”四大板块。
图 1-4 HOMER 热电联产模块界面
图 1-5 西安交通大学能源互联网仿真验证平台
综合分析目前的系统规划设计模型以及规划平台,都在围绕综合能源系统
规划设计进行研发,处于不断研究发展阶段。
综上所述,在综合能源系统规划研究中,系统设备建模,系统评价指标,
规划模型的求解以及不确定规划方法是目前研究的重点。考虑到综合能源耦合
多种能源系统,需从技术、经济、环保等多方面考虑,构建更加全面的综合能
源系统架构和评价指标,形成较为通用的规划方法;此外,考虑到综合能源系
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统规划中不确定性因素众多,有必要在规划阶段予以考虑;综合能源规划平台
是辅助综合能源系统规划的重要工具,对综合能源的发展有促进意义。
1.4 本文的主要研究内容
考虑到综合能源系统规划过程复杂,影响因素众多,因此,基于当前综合
能源系统规划优化设计方面存在的问题,本文的主要研究内容如下:首先对综
合能源系统内设备进行数学建模,分析设备运行特点与系统内能流结构,形成
综合能源系统典型架构,作为本文分析的基础;其次,建立综合能源系统规划
模型,形成综合能源系统规划方法;然后,考虑系统中的不确定性因素,建立
相应的规划优化模型,形成综合能源系统不确定性规划方法;最后,针对不同
地区建筑的综合能源系统进行案例分析,同时将前文所建立的规划模型和方法
集成到一起,依托网络信息技术形成综合能源规划软件系统。本文的章节安排
和研究内容如图 1-6 所示,每章具体研究内容如下:
考虑不确定性的综合能源系统规划研究
第二章
综合能源系统设备数学模型
形成综合能源系统架构
第三章 第四章
综合能源系统规
 划运行研究 考虑不确定性的综合
 能源系统规划研究
混合整数线
性规划方法
鲁棒优化方法
第五章 随机优化方法
考虑不同地区综合能源系统规划研究及规划软件实现
图 1-6 本文章节结构图
(1)综合能源系统设备数学模型
建立综合能源系统多能耦合设备数学模型,包括分布式电源、制冷制热设
备以及储能设备等综合能源系统中典型设备,并对各设备的运行特性分析,其
中储能设备采用动态数学模型,并形成综合能源系统架构。
(2)综合能源系统规划运行研究
采用 k-means 聚类方法从一年 8760 个小时的负荷历史数据中聚类得出来四
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个典型日负荷曲线,以综合评价指标为目标函数,以系统能量平衡、设备运行
等相关约束建立综合能源系统规划模型,优化变量包括设备的额定容量、设备
的运行状态 0-1 变量和设备的出力值,采用混合整数线性规划方法求解,并形
成相应的规划方法;基于该方法研究系统联网方式、储能装置以及天然气价格
对系统规划设计结果的影响规律。
(3)考虑不确定性的综合能源系统规划研究
在上一章模型基础上,考虑综合能源系统的不确定性因素,即负荷需求和
可再生能源强度,首先考虑负荷需求不确定性,采用鲁棒优化方法进行建模分
析,并分析负荷波动范围对系统规划设计的影响;之后,采用随机优化方法,
基于蒙特卡洛随机模拟技术,分析多能负荷和可再生能源强度不确定性因素对
系统方案设计结果和各项指标的影响。
(4)考虑不同地区综合能源系统规划研究及规划软件实现
采用 DesT 能耗模拟软件分别模拟不同地区、不同建筑的负荷数据,并基此
进行案例分析,分别对不同地区建筑的综合能源系统规划结果进行分析;基于
本文的规划优化模型和规划方法,并结合计算机网络技术和能源互联网发展背
景,建立综合能源系统规划软件,主体功能模块包括负荷需求、环境数据、设
备选型、参数设定和结果展示 5 个模块,并将利用规划算例的数据展示软件系
统内的各个功能页面。
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第2章 综合能源系统设备数学模型
2.1 引言
综合能源系统设备类型多样,设备间耦合关系复杂,同时,系统中每一种
设备都有自身的技术经济参数,运行特性等因素,这些因素都会对整个系统的
规划及运行产生影响。因此,综合能源系统规划的第一步就是对系统内涉及到
的多能耦合设备进行数学建模和特性分析,并以此作为整个系统规划设计的基
础,之后再进行优化模型的构建。本文采用燃气轮机组合余热锅炉,作为热电
联产设备。对于可再生能源,本文采用风力发电系统和光伏发电作为可再生能
源发电子系统进行研究。考虑到系统内能源波动的情况,引入储能装置,灵活
调节系统内的能量流动,本文采用蓄电池作为储电设备,蓄热槽作为储热设备,
将储能装置与可再生能源发电子系统和冷热电联供子系统连接起来,建立源-荷
-储并存的综合能源系统。此外还包括吸收式制冷机、电制冷和燃气锅炉设备单
元。本章节将具体介绍系统内设备的详细数学模型。
2.2 电源设备数学模型
2.2.1 风力发电系统
风能分布广泛、清洁可再生,可用于发展风力发电。相较于传统发电系统,
风力发电系统稳定性强、发电成本更低,规模化发展有较为显著的收益。随着
技术的发展,风机的投资成本逐步降低,风力发电系统逐步完善,后期运行维
护简单,这使得风力发电成为目前发展最快的可再生能源发电系统,根据目前
风机技术的发展,当风速达 3m/s 时,就可以进行发电。此外,风力发电机的容
量不断增大,风机的类型多样[51],其中,永磁同步发电机常用于分布式能源系
统。风机系统的工作原理是风能推动风机叶片旋转,通过风机机械系统将其转
化为风机转子的机械能,带动发电机进行发电。
风力发电系统的发电能力与风速大小密切相关,风机在一定的风速范围内
运行,存在切入风速和切出风速,如图 2-1 所示[51]。风机的发电功率由其额定
功率大小和风能密度决定。风力发电系统的数学模型可以用分段函数表示,数
学模型如下:
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0, v v 或v v
ci co
 
( ) ( − )
 v v
P v P ,v v v
=  ci  
wt WT ci r
( − )
v v
 
r ci
  
P , v v v
 
r r co (2-1)
式中 ( )
P v ——风力发电机输出功率(kW);
wt
v ——实际风速(m/s);
v ——额定风速(m/s);
r
v ——切出风速(m/s);
co
v ——切入风速(m/s);
ci
P ——风力发电机的额定输出功率( kW )。
WT
0
风速(m/s)
图 2-1 风力发电系统输出功率与风速的关系
2.2.2 光伏发电系统
太阳能资源丰富且分布广泛,目前主要应用有光伏发电和光热发电。光伏
发电系统主要有如下优点[52]:(1)太阳能资源丰富,且分布广泛;(2)光伏发
电系统发电过程环保且无噪声污染,可靠近需求端就近安装;(3)光伏电池板
安装灵活,可在建筑屋顶或墙面安装小面积光伏电池板,也可以在空旷地区投
建大型光伏发电站。在实际的光伏发电系统中,一般将多个太阳能光伏电池排
列封装,形成具有一定容量的光伏电池组。
光伏发电系统的发电功率大小与其额定功率、环境温度和辐射强度有关。
光伏发电系统的输出功率计算公式如下所示:
G
(1 ( )) P P k T T
= C + − (2-2) pv PV c STC
G
STC
式中 P ——光伏阵列的实际输出功率(kW);
pv
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G ——标准条件下光辐射强度,取1kW/푚2;
STC
G ——实际太阳辐射强度(W/푚2);
C
P ——光伏电池板的额定输出功率(kW);
PV
k——功率温度系数,取-0.0047(℃);
T ——标准条件下的光伏电池板组件表面温度,取 25(℃);
STC
T ——实际光伏电池板的温度(℃)。
c
考虑到测量光伏电池板表面温度不易操作,一般可以依据经验计算公式估
算,计算公式如下:
G
T = T +30 C (2-3)
c a
1000
式中 T ——环境温度,(℃)。
a
2.2.3 燃气轮机
燃气轮机具有发电效率高、启停速度快、污染物排放量少、结构紧凑且重
量轻等优点,因此可作为分布式能源系统发电设备,应用较为广泛。燃气轮机
通过燃烧天然气进行发电,获得高品位的电能,同时,燃气轮机发电同时会产
生低品位的热能,可用来回收利用提供热量或冷量。因此,燃气轮机辅以余热
回收装置所形成的冷热电联供系统可以实现能量的梯级利用,相较于燃气轮单
独用来发电,发电效率提高,能源利用率得到了提升。微型燃气轮机的功率范
围一般在 30~4000kW,是一种典型的分布式能源系统,可以为园区或者楼宇供
能[25]。
燃气轮机的设备初投资成本较高,同时,额定效率与其额定容量有关,具
体关系式如下:
nom−e = +  −5  −  −9  2 (2-5)
GT 0.2188 2.21 10 PGT 1.02 10 PGT
式中 P ——燃气轮机额定容量,(KW);
GT
nom−e ——燃气轮机额定发电效率。
GT
燃气轮机内部数学结构复杂,热力学特性复杂,在进行综合能源系统规划
时,由于考虑的时间尺度以及模型的复杂程度,重点关注其能量的输入输出的
特性,因此,在建立综合能源系统中燃气轮机的数学模型时,重点研究燃气轮
机的发电功率与发电效率、天然气消耗量和制热效率间的关系,燃气轮机的发
电过程可用如下数学模型描述:
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P = V (2-6)
e
gt GT GT
(1 ) P − −
e loss
Q = (2-7)
gt GT GT
gt e
 GT
 
3600P
V
= gt (2-8)
GT e
q GT g
式中 P ——燃气轮机的发电功率( kW );
gt
Q ——燃气轮机的余热输出功率( kW );
gt
 ——燃气轮机的发电效率;
e GT
 ——损失效率;
 loss
GT
V ——天然气消耗量( Nm3 );
GT
q ——天然气热值,大小为 34750( kJ / Nm3 )。
g
实际上,燃机的发电效率与设备负荷率、设备额定效率有关系,呈现变工
况的特性,燃气轮机的发电效率公式如下:
( )
e =   +   +   + nom−e (2-9)
3 2
GT a gt b gt c gt d GT
P
 = (2-10)
gt gt
P
GT
式中 ——燃气轮机的负荷率;
gt
a,b,c,d ——燃气轮机发电效率系数,分别取 0.8264、-2.334、2.329、0.1797。
以 1500kW 的燃气轮机为例,其变工况特性如图 2-2 所示,随着负荷率的
变小,燃机的发电效率逐渐下降,为保证系统运行在较高的发电效率下,对燃
机的负荷率进行一定约束,当负荷率小于一定值时,燃机不工作。
图 2-2 燃气轮机发电效率曲线
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2.3 供热供冷设备数学模型
2.3.1 余热锅炉
余热锅炉通常作为冷热电联供系统或热电联产设备中的余热回收装置,回
收燃气轮机的高温燃气的余热,回收的热量可提供热负荷和热水负荷,也可用
来制冷。余热锅炉的模型可用输出热量与输出热量表示,在本文中,认为输入
与输出之间呈线性关系,其数学模型如下[53]:
Q = Q (2-11)
HB HB GT
式中 Q ——余热锅炉的输出功率(kW);
HB
 ——余热锅炉的利用效率。
HB
2.3.2 燃气锅炉
燃气锅炉常作为综合能源系统中热备用设备,与冷热电联供系统一起,共
同满足热负荷需求,实现系统内热能的平衡。燃气锅炉主要的燃料是天然气,
根据供热的需求不同,可分为燃气热水锅炉、燃气蒸汽锅炉等不同的类型,燃
气锅炉具有经济、环保和节能等特点,应用广泛[26]。
燃气锅炉的输出功率与其运行特性和负荷率有关,数学模型如下:
Q = V (2-12)
GB GB GB
V
GB 3600Q
= (2-13)
GB
 q
GB g
式中 Q ——燃气锅炉的输出功率( kW );
GB
V ——燃气锅炉消耗的燃气量( Nm3 );
GB
 ——燃气锅炉的制热效率。
GB
2.3.3 吸收式制冷机
在冷热电联供系统中,吸收式制冷机是余热利用的主要部件,也是联供系
统能源梯级利用的重要设备。吸收式制冷机的工质一般为溴化锂或氨水,类型
众多,其中,应用较为广泛的是溴化锂吸收式制冷机组[54]。
在本文系统中,吸收式制冷机的热量来源既包括燃机发电产生的余热,也
包括燃气锅炉产生的热量以及蓄热槽内的热量,通过内部工质的物性变化实现
制冷,来满足系统的冷负荷。吸收式制冷机的数学模型如下:
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Q = COP Q (2-14)
AC AC AC.in
式中 Q ——吸收式制冷机的输出冷功率(kW);
AC
COP ——吸收式制冷机的制冷系数;
AC
Q ——吸收式制冷机的输入热功率(kW)。
AC.in
吸收式制冷机在工作过程中,其制冷系数并不是恒定不变的,与设备的运
行工况有关系,根据参考文献[55]中对吸收式制冷机变工况特性的描述,制冷系
数的变工况特性可由如下公式表示:
 
COP = AC COP
nom
AC AC
e  + f   + g   + h
3 2
AC AC AC (2-15)
Q
 = AC (2-16)
AC
Q
AC.in
式中 COPnom ——吸收式制冷机的额定制冷系数;
AC
 ——吸收式制冷机的负荷率;
AC
e, f , g,h ——制冷系数的变工况拟合参数。
以额定制冷系数为 1.2 的吸收式制冷机为例,拟合参数 e, f , g,h 分别取
0.66,-0.915,1.27,0.015,得到其变工况特性如图 2-3 所示。在大部分工况下,
吸收式制冷机的制冷系数在 1 以上,当负荷率小于 0.2 时,制冷系数开始急剧
下降,因此,为保证吸收式制冷能工作在较高的制冷效率下,对负荷率进行一
定约束。
图 2-3 吸收式制冷机制冷系数曲线
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2.3.4 电制冷机
电制冷机常作为综合能源系统中辅助供冷设备,当联供系统无法满足冷能
需求时,电制冷机作为冷调峰设备,满足系统内额外的冷能需求。电制冷机的
工作原理是由电能驱动压缩机,使内部制冷工质液化放热,而后在通过蒸发吸
热实现热量的转移。电制冷机工作效率高,受负荷变化的影响较小,因此,将
其数学模型表示为耗电量与制冷量之间的关系,可用制冷系数来表示。电制冷
机的数学模型如下:
Q = COP  P (2-17)
EC EC EC
式中 Q ——电制冷机的输出冷功率( kW );
EC
COP ——电制冷机的制冷系数;
EC
P ——电制冷机的输入电能( kW )。
EC
2.4 储能设备数学模型
在综合能源系统中,考虑到可再生能源受环境影响具有波动性,能源供需
之间存在不平衡的时段,因此,为了平抑系统内的能量波动,应在规划中考虑
的储能设备的利用,从而提高系统能量供给的可靠性和系统运行稳定性。当系
统中能量供给大于需求时,蓄能装置可回收存储多余的这部分能量。当系统内
能源供给短缺时,蓄能装置可释放之前存储的能量用来供给用户或者其他设备
的能源需求。
2.4.1 蓄电池
目前,蓄电池是应用最为广泛的电能存储装置,工作电压平稳、安全性能
高。蓄电池通过内部活性物质的化学变化,实现电能的存储和释放[54]。在实际
应用中,蓄电池种类繁多,其中铅酸蓄电池和镍镉电池应用最为广泛。
蓄电池存储释放电能的特性与设备存储容量和设备充放电效率有关,工作
状态可分为三种:充电过程、放电过程和静置状态。由于电能的充放与相邻两
时段储电设备的能量存储量有关,是一个动态过程,因此储电设备采用动态数
学模型:
t t t bat dis
+ = − +   − Pt  
 1 ( k )  P . tt t t bat dis
E 1 E
BAT l BAT bat.cha bat.cha
 
 
bat.dis (2-18)
式中 Et ——蓄电池实时容量( kW h );
BAT
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k ——蓄电池的自损耗系数;
l
 ——蓄电池的充电效率;
bat.cha
 ——蓄电池的放电效率;
bat.dis
P ——蓄电池 t 时段的充电功率,kW;
t
bat.cha
P ——蓄电池 t 时段的放电功率,kW。
t
bat.dis
2.4.2 蓄热槽
在综合能源中,储能装置除了蓄电池之外,还包括蓄热装置,用来调节系
统内的热量平衡。与蓄电池工作过程相同,蓄热槽也有三种工作状态:存储热
能过程、释放热能过程和静置过程。蓄热槽的存储释放热能的特性与设备存储
容量和设备充放电效率有关,蓄热槽的动态数学模型如下:
+ = − +   − Qt  
Qt 1 k Qt  Qt hs.dis t
( )
1
s hs.cha hs.cha
 
HS HS  
hs.dis (2-19)
式中 Qt ——储热设备实时容量( kW h );
HS
k ——储热设备的自损耗系数;
s
 ——储热设备的储热效率;
hs.cha
 ——储热设备的放热效率;
hs.dis
P ——储热设备的储热功率(kW);
t
hs.cha
Pt ——储热设备的放热功率(kW)。
hs.dis
2.5 综合能源系统架构
根据前文所建立的综合能源系统设备数学模型,采用母线式建模方式,建
立形成本文的综合能源系统架构,如下图 2-4 所示。
图中左侧为本文所建立的综合能源系统,右侧为分供能源系统,作为综合
能源规划对比参考系统。在综合能源系统中,外部输入能源有电网、天然气和
可再生能源,用户侧负荷需求有电负荷、冷负荷和热负荷。设备间的耦合关系
如图 2-4 所示,包含可再生能源发电系统,燃气轮机和余热锅炉组成热电联产
设备,系统内电能不足时可以从电网购电,燃气锅炉作为热补充设备通过消耗
天然气提供热量,吸收式制冷机吸收系统内的热量用于制冷,电制冷机作为冷
补充设备消耗电能进行制冷,储能设备蓄电池和蓄热槽分别用来调节系统内电
能和热能的平衡,平抑波动。
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电网 用电
负荷 电网
燃气轮机 光伏发电
 机组 储电池
余热锅炉 风力发电
 机组 电制冷机
吸收式制
 冷机 用冷
负荷 电制冷机
天然气 燃气锅炉 用热
负荷 燃气锅炉 天然气
储热罐
综合能源系统
 分供系统
 电能流
冷能流
热能流 设备耦合单元
图 2-4 综合能源系统架构和分供能源系统
系统中各母线能量的供需关系可以由如下表示:
电母线:
Pt + Pt + Pt + Pt + Pt − Pt − Pt = Pt (2-20)
gt grid pv wt batt.dis batt.cha ec ele
热母线:
Q + Q + Q −Q −Q = Q (2-21)
t t t t t t
hb gb hs.dis hs.cha ac.in heat
冷母线:
Qt +Qt = Qt (2-22)
ec ac cool
式中 Pt , Pt ——燃气轮机和电网在 t 时段的出力,(kW),其余设备同理。
gt grid
在传统分供系统中,能源单独供给,外部能源输入为电网和天然气。供冷
设备选择电制冷机,供热设备选择燃气锅炉,电能由大电网供给。
电母线:
P − P = P (2-23)
 t t t
grid ec ele
热母线:
Qt = Qt (2-24)
gb heat
冷母线:
Qt = Qt (2-25)
ec cool
2.6 本章小结
在综合能源系统规划中,设备数学模型是优化模型的基础。本章对综合能
源系统中较为常见的能源转换设备建立了相应的数学模型,电源设备包括风机、
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光伏和燃气轮机,供冷供热设备包括吸收式制冷机、电制冷、余热锅炉、燃气
锅炉,储能装置包括蓄电池和蓄热槽。其中建立了燃气轮机和吸收式制冷机变
负荷工况下的发电效率数学模型,建立了考虑储能容量、充放能功率和充放能
效率的蓄能装置动态数学模型,并将系统内设备连接形成了较为全面的综合能
源系统架构,为后续开展综合能源系统研究提供了基础设备模型。
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