![点击分享此内容可以赚币 分享](/master/images/share_but.png)
基于能量枢纽可变能量效率的电热网优化运行.pdf
《基于能量枢纽可变能量效率的电热网优化运行.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于能量枢纽可变能量效率的电热网优化运行.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、2023 年11月郑 州 大 学 学 报(工 学 版)Nov.2023第 44 卷第 6 期Journal of Zhengzhou University(Engineering Science)Vol.44No.6收稿日期:2023-04-11;修订日期:2023-05-19基金项目:国家自然科学基金资助项目(51905457);国家社会科学基金资助项目(22XGL019)作者简介:李红伟(1977),男,河南安阳人,西南石油大学教授,博士,主要从事配电网分析与优化、多能量优化与控制研究,E-mail:。引用本文:李红伟,荆浩婕,吴磊,等.基于能量枢纽可变能量效率的电热网优化运行J.郑州大学
2、学报(工学版),2023,44(6):76-83.LI H W,JING H J,WU L,et al.Optimal operation of electric heating network based on variable ener-gy efficiency of energy hubJ.Journal of Zhengzhou University(Engineering Science),2023,44(6):76-83.文章编号:1671-6833(2023)06-0076-08基于能量枢纽可变能量效率的电热网优化运行李红伟,荆浩婕,吴磊,李婷玉(西南石油大学 电气信息学院,四
3、川 成都 610500)摘要:基于能量枢纽的电热网优化运行中,忽略能量枢纽设备能量效率随其输入或输出功率变化而变化的特性会导致优化运行结果与实际结果之间存在明显偏差。针对以上问题,首先,采用分段线性化方法逼近设备的可变能量效率,建立标准化矩阵模型对考虑设备可变能量效率的能量枢纽进行描述。其次,以系统购能总成本最小为目标,通过考虑设备可变能量效率的能量枢纽将区域供热网和配电网耦合,建立了电热网优化运行线性模型。最后,通过算例验证了电热网优化运行与能量枢纽设备可变能量效率有关。结果表明:基于设备可变能量效率的电热网运行情况与基于设备恒定能量效率的电热网运行情况相比,运行成本相对误差从 12.71%
4、降到了 0.03%,风电消纳率增加了 4.29%。关键词:可变能量效率;能量枢纽;标准化矩阵模型;电热网;优化运行中图分类号:TM732文献标志码:Adoi:10.13705/j.issn.1671-6833.2023.04.015近年来,随着储能技术、电转热技术的逐渐成熟,出现了能源互联网、多能源 系统(multi-energy system,MES)的理念。MES 建模作为 MES 运行的基础显得尤为重要,其中能够转换、调节和存储多个能源载体的能量枢纽(energy hub,EH)成为 MES 建模的关键单元1-6。含热电联供(combined heat and power,CHP)的 E
5、H 可以将配电网(power distribution network,PDN)和 区 域 供 热 网(district heating net-work,DHN)耦合,从而解决热能易储存、不易运输以及电能易运输、不易储存的问题3-6。虽然已有学者探讨了基于 EH 模型的 MES 的优化规划1-2、优化运行3-4以及碳排放5-6等问题,但针对 MES 标准化建模的研究很少。常雨芳等7根据建立的含风力发电的冷热电联供系统,利用能量的耦合关系将 EH 设定成以矩阵建模为基础的运行方式,但这种建模方式只适用于结构简单的EH。Wang 等8提出了一种自动计算 EH 标准化矩阵建模的方法,利用图论将 E
6、H 设备特性转化为矩阵形式,进而建立不考虑调度因子的能量流线性方程组进行调度。Wang 等9提出了用于制定 EH 中能量转换的自动线性化建模方法,并基于 EH 的耦合矩阵及其秩分析了 EH 的灵活性。以上研究将EH 设备能量效率视为常数,或简化 MES 的输入和输出为线性关系,而实际工程中设备的运行效率会随运行条件发生变化。有一些学者考虑了设备能量效率变化对 MES的影响。陈晚晴等10将 EH 设备效率和负载率数据拟合为效率修正模型,反映设备负载率对效率的影响,基于修正模型建立以经济性为目标的 MES 优化调度模型。李虹等11基于 MES 中 EH 常用设备效率与负载率之间的函数关系构建 EH
7、 矩阵模型,从而对 MES 优化配置进行研究。Huang 等12提出了基于可变能量效率的 EH 标准化矩阵建模方法以研究 MES 的运行优化。Zheng 等13建立了设备恒定能量效率和设备能量效率变化的 2 种 EH 模型,通过比较两者的运行成本及相对误差,证明了设备能量效率变化特性对 EH 优化运行的影响不能忽略。Chen 等14为了研究 EH 设备的能效优化有效性,提出了一种由考虑设备能量效率变化特性的 EH、天然气网络和 PDN 构成的 MES 调度方法。但以上研究均未考虑可变 EH 能效模型与电热网相耦合的网络约束。第 6 期李红伟,等:基于能量枢纽可变能量效率的电热网优化运行 77
8、为研究可变能量效率特性对电热网运行的影响,本文将 PDN 和 DHN 与考虑设备能量效率随输入或输出功率变化的 EH 相结合,建立了电热网优化运行线性模型。首先,对 EH 设备可变能量效率进行了分段线性化,建立了含 CHP、储热设备及电热泵的 EH 标准化矩阵模型;其次,将所建立的矩阵模型应用到电热网中,使得 EH 在电热网中发挥节能消纳、提供电能和热能的作用,构建了含 EH 的电热网优化运行模型;最后,通过算例验证了本文模型的有效性。1EH 结构及可变能量效率分段线性化1.1EH 结构及描述本文所研究的 EH 结构如图 1 所示,新能源输入为风电;能量转换设备为背压运行模式的 CHP 和电热
9、泵;在 CHP 侧配置储热设备实现热电解耦。根据图论将能量设备定义为节点,EH 的输入输出被视为特殊的节点,每个节点的输入输出定义为端口,能量流用分支 v 表示。定义风电输入为节点 1;电能输入为节点 2;天然气输入为节点 3;CHP 为节点 4;储热设备为节点 5;电热泵为节点 6;电输出为节点7;热输出为节点 8。图 1EH 结构示意图Figure 1EH structure diagram通过图论将设备特性转换为矩阵形式,此 EH的输入向量 Vin和输出向量 Vout8分别为Vin=vin,1vin,2vin,3T;(1)Vout=vout,1vout,2T。(2)1.2可变能量效率分段
10、线性化为了处理可变能量效率带来的非线性问题,对EH 中设备的可变能量效率进行分段线性化,将一个非线性能量转换和储存过程等效为多个并行的线性转换过程12。以单输入单输出设备为例,假设有单个输入功率 ving和单个输出功率 voutg的节点 g,其能量转换效率 g是输入功率的函数,则有voutg=g(ving)ving。(3)将 ving分为 s 段,voutg也可以和 ving一样分成 s 段。ving=sk=1ving,k;(4)voutg=sk=1voutg,k。(5)式中:ving,k和 voutg,k分别为每段的输入功率和输出功率;k=1,2,s。用v-ing表示 ving的范围,则在第
11、 k 段中,能量转换效率 g(ving)(变效率)可用恒定效率 g,k代替:g,k=v-outg,k/v-ing,k。(6)式中:v-ing,k和 v-outg,k分别表示第 k 段输入功率和输出功率的范围。引入二进制数据 Ug=ug,1 ug,2 ug,s-1保证 ving和 voutg的连续性。令 Ving为所有分段的输入功率集合;V-ing为所有分段的输入功率范围的集合,则有V-ingUg,a VingV-ingUg,b;(7)Ug,a=Ug0T;(8)Ug,b=IUgT。(9)将储能设备节点 g 看作单输入单输出设备,输入端口建模储能,输出端口建模放能,vcharg和 vdischg分
12、别表示储能设备的储能功率和放能功率,该设备的荷能状态变化率 Eg12为Eg=vchargCg-vdischg/Dg。(10)式中:Cg和 Dg表示储能设备的储能和放能效率。分段线性化后的 Eg表示为Eg=sk=1(vcharg,kCg,k)-sk=1(vdischg,k/Dg,k)。(11)式中:Cg,k和 Dg,k分别为第 k 段中储能设备的恒定储能效率和放能效率;vcharg,k和 vdischg,k分别为每个分段中的储能功率和放能功率;k=1,2,s。储能荷能状态约束8为Eg(t)=Eg(t-1)+Eg(t);(12)0 Eg Emaxg;(13)Eming Eg Emaxg。(14)进
13、一步引入分线器和集线器,促进分段线性化以后能量流的分离和合并,保证线性化前后结果一致12。分段线性化过程相当于将非线性能量设备转换为分线器、线性能量设备、集线器 3 层结构。若单输入多输出设备每个输出端口的能量输出与能量输入成比例(如本文所采用的 CHP),则以类似于单输入单输出设备的方式分别分段线性化从输入端口到每个输出端口之间的能量转换过程。2EH 标准化矩阵模型建立与全负荷工况相比,部分负荷工况下的 CHP 电78 郑 州 大 学 学 报(工 学 版)2023 年效率至少可降低 20%,热效率升高不超过 10%;储热设备的储放热效率分别随储放热功率变化15,所以可将 CHP 和储热设备看
14、作非线性设备12,它们的能量效率是变化的。电热泵的能量效率在部分负荷工况下没有显著差异,因此可假设电热泵是线性设备,它的能量效率是恒定的。图 2 为对 CHP 和储热设备分段线性化(以两段为例)后的 EH,EH 中的原始分支称为一级分支,从一级分支分裂出来的分支称为二级分支,所有二级分支的能量流构成一个向量 V,基于此建立 EH 标准化矩阵模型。总分支向量 V表示为V=v1v2v3v4v5v6v7v8v9VEgT。(15)图 2分段线性化后的 EHFigure 2EH after piecewise linearization2.1建立输入和输出关联矩阵X=X0。(16)X(,)=1,分支 与
15、输入端口 有关;0,其他。(17)Y=Y0。(18)Y(,)=1,分支 与输出端口 有关;0,其他。(19)Vin=XV;(20)Vout=YV。(21)式中:Vin和 Vour分别表示图 2 中 EH 的输入向量和输出向量。输入关联矩阵X的行数是 EH 输入端口的个数,列数是V的列数;输出关联矩阵Y的行数是EH 输出端口的个数,列数是V的列数。而矩阵 X和 Y 中的元素值由式(17)和式(19)确定。由此可以得 到 图 2 中 EH 的 输 入 关 联 矩 阵 和 输 出 关 联矩阵。2.2建立端口分支关联矩阵若节点 g 表示非线性设备,则端口分支关联矩阵 Ag为Ag(k,b1)=1,二级分
16、支 b1与节点 g 输入端口 k 有关;-1,二级分支 b1与节点 g 输出端口 k 有关;0,其他。(22)节点 5 扩充端口分支关联矩阵为A5=A500-1。(23)若节点 g 表示线性设备,则Ag=Ag0。(24)Ag(k,b2)=1,一级分支 b2与节点 g 输入端口 k 有关;-1,一级分支 b2与节点 g 输出端口 k 有关;0,其他。(25)其中,Ag行数是端口的个数,列数是分支的个数,矩阵中的元素值由式(22)或式(25)确定。由此可以得到图 2 中 EH 各节点的端口分支关联矩阵。2.3建立设备特性矩阵对于单个输入 n 个输出的非线性转换器,从输入端口到每个输出端口的能量转换
17、过程分别分段线性化,将单个输入 n 个输出非线性转换器转换为 s个输入 ns 个输出转换器,若每个输出端口的能量输出与能量输入成比例,则转换器特性矩阵 Hg12为Hg=1,ssIss0ss0ss0ss2,ss0ssIss0ss0ssn-1,ss0ss0ssIss0ssn,ss0ss0ss0ssIss。(26)如图 2 中的 CHP 将 1 个输入 3 个输出各分成了两段,分别以 1,1、1,2这 2 个恒定效率表示电效率,2,1、2,2、3,1、3,2这 4 个恒定效率表示热效率,1,ss=diag(1,1,1,2,1,s),可建立节点 4 的特性矩阵。同理建立节点 5 特性矩阵为H5=CD1
18、=CHS,1CHS,21/DHS,11/DHS,21。(27)线性设备的特性矩阵为Hg(a,k)=a,输入端口 k 与能量转换过程 a 有关;1,输出端口 k 与能量转换过程 a 有关;0,其他。(28)其中,Hg行数是能量转换过程的个数,列数是端口的个数,矩阵中的元素值由式(28)确定。由此可以得到图 2 中 EH 节点 6 的特性矩阵。第 6 期李红伟,等:基于能量枢纽可变能量效率的电热网优化运行 79 2.4建立能量平衡矩阵节点 g 的节点能量平衡矩阵 Zg为Zg=HgAg。(29)2.5建立分线器或集线器特性矩阵节点 g 表示的非线性设备的分线器或集线器特性矩阵 Wg为Wg=-A-gW
19、g;(30)A-gV=WgV;(31)Wg=I1s01s01sI1s 。(32)式中:A-g中的元素为 Ag中元素的绝对值;A-gV 表示与节点 g 相关的一级分支中的能量流。可建立节点4 和节点 5 的分线器或集线器特性矩阵。2.6EH 的综合能量流方程EH 的综合能量流方程可作为能量流约束:XT YT ZT WTTV=VTinVTout0T0TT。(33)同时还应满足设备的容量约束:0 Ag,tVt Cmaxg。(34)式中:t 为时间;Ag,tVt为第 g 个设备端口的能量流;Cmaxg为第 g 个设备的最大容量8。3基于 EH 的电热网优化运行模型电热网通常通过含 CHP 的 EH 紧
20、密耦合,因此本文采用水力-热力模型描述 DHN 潮流分布,采用DistFlow 描述 PDN 潮流模型16。3.1DHN 模型DHN 一般由热源、热负荷、供回水网组成。对DHN 进行水力分析,水力分析用于描述各管道水质量流量及各节点的注入水流的水质量流量16-18:bF(i)mSb,t+mdi,t=mgi,t+bT(i)mSb,t;(35)bF(i)mRb,t+mgi,t=mdi,t+bT(i)mRb,t;(36)0 mSb,t mub,0 mRb,t mub。(37)式中:mgi,t、mdi,t分别为节点 i 热源、热负荷的水质量流量;mSb,t、mRb,t分别为管道 b 供回水网的水质量流
21、量;F(i)、T(i)分别表示节点 i 为首节点与末节点的管道集。热力分布描述管道和节点的温度与水质量流量的关系,其热力分布可建模17-18为bF(i)(S,outb,tmSb,t)=Si,tbT(i)mSb,t;(38)S,inb,t=Si,t;(39)bF(i)(R,outb,tmRb,t)=Ri,tbF(i)mRb,t;(40)R,inb,t=Ri,t;(41)S,outb,t=(S,inb,t-amt)e-bLbcwmSb,t+amt;(42)R,outb,t=(R,inb,t-amt)e-bLbcwmRb,t+amt。(43)式中:cw为载热工质(水)的 比 热 容;S,outb,t
22、、S,inb,t、R,outb,t、R,inb,t分别为供回水管网出口、入口温度;b为管道 b 的温度损耗系数;Lb为管道 b 的长度16。DHN 中热负荷与热源的热功率满足:hdi,t=cwmdi,t(Si,t-Ri,t);(44)vti,CHP+vti,HP-vti,char+vti,disch=cwmgi,t(Si,t-Ri,t);(45)S,li Si,t S,ui,R,li Ri,t R,ui。(46)式中:vti,CHP、vti,HP分别为 CHP 和电热泵的输出功率;vti,char、vti,disch分别为储热设备的储热功率和放热功率;hdi,t为热负荷的热功率需求;S,li、
23、S,ui、R,li、R,ui分别为供回水节点 i 的温度最大和最小值。DHN 存在 2 种调节方式:恒定质量流量变温度、变质量流量变温度。实际工程中通常采用恒定质量流量变温度的运行方式,使整个 DHN 模型变成线性化模型17。3.2PDN 模型PDN 一般为辐射式结构,可采用如下线性 Dist-Flow 潮流模型对潮流分布进行描述19。Pij,t+pWj,t+pCHPj,t=k(j)Pjk,t+pdj,t;(47)Qij,t=k(j)Qjk,t+qdj,t;(48)Uj,t=Ui,t-(rijPij,t+xijQij,t)/U0;(49)Uli Ui,t Uui,U0=V2sl,plj pWj
24、,t puj。(50)式中:Pij,t、Qij,t分别为线路上传输的有功和无功功率;pWj,t、qCHPj,t分别为节点 j 处风电机组和 CHP 发出的有功功率;pdj,t、qdj,t分别为节点 j 的有功和无功功率需求;(j)为节点 j 的子节点集合;rij、xij分别为线路的电阻、电抗;Uj,t为节点电压幅值 Vj,t的平方;Vsl为平衡节点的电压幅值;上标 u 和 l 分别代表上下界16,20。3.3优化运行目标及约束本文以天然气价格与分时电价为基准,以全天系统购能总成本最少为目标函数,求解含 EH 的电热网优化运行问题。目标函数为minTt=1Cgas(FCHP,t)+Cte(FHP
25、,t+Fgrid,t)。(51)式中:Cgas为天然气价格;Cte为分时电价;FCHP,t、80 郑 州 大 学 学 报(工 学 版)2023 年FHP,t、Fgrid,t分别为 CHP 在 t 时段的购气量、电热泵和 PDN 在 t 时段从上级电网购买的电量。式(7)(9)表示分段线性化;式(12)(14)表示储热设备荷热状态约束;式(33)(34)表示 EH 能量流和设备容量约束;式(35)(50)表示电热网运行约束。4算例分析4.1算例数据本文将含 EH 的电热网优化运行问题转换为混合整数线性规划问题,使用 MATLAB 中 YALMIP 建模、CPLEX 求解器求解21。算例测试系统如
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 能量 枢纽 可变 效率 电热 优化 运行
![提示](https://www.zixin.com.cn/images/bang_tan.gif)
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。