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申请/专利权人：国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院;沈阳工业大学;国家电网有限公司

摘要：本发明属于需求侧响应的控制技术领域，尤其涉及一种提升电网灵活性的楼宇热电联产系统运行优化方法。本发明包括不同需求的楼宇灵活性量化和需求灵活性度量，其中，不同需求的楼宇灵活性量化包括以下步骤：外部数据的获取和设定；优化模型求解；优化模型数据结果量。本发明综合考虑了不同的运行策略、目标函数及约束条件，优化微型热电联产系统的最佳容量和运行曲线。采用基于物理先验知识公式约束的混合整数线性规划实现优化，并综合考虑物理模型中重要的技术指标。具有运行效率高、鲁棒性强的优点。可应用于不同热、电消耗模式的住宅楼宇，与热电系统单独运行相比，可同时降低总成本和温室气体排放，间接提高电网运行灵活性和清洁能源消纳能力。

主权项：1.一种提升电网灵活性的楼宇热电联产系统运行优化方法，其特征是：包括不同需求的楼宇灵活性量化和需求灵活性度量，其中，不同需求的楼宇灵活性量化包括以下步骤：步骤1.外部数据的获取和设定；步骤2.优化模型求解；步骤3.优化模型数据结果量；所述优化模型约束包括：1所有策略的一般约束；2负荷跟踪策略的一般约束；3负荷跟踪策略的特定约束条件；所述优化模型的目标函数是以总年成本TAC和温室气体年产生量或温室气体产生量，两个独立的优化公式作为优化模型；所述目标函数包括：1最小化年度总投资成本；2最小化年温室气体排放量；3同时最小化年度总投资成本和温室气体排放量；所述年度总投资成本为TAC，即每年进口的天然气和电能的成本之和；相关网络以及年度运营和维护OM成本减去从出口和发电产生的年收入，其表达如下：TAC＝TACOM+TACEl,Im+TACOM-TARExGe1其中，TAC为年度总投资成本$，TACEl,Im为每年进口电的总费用$，TACOM为年度总运营和维护成本$，TARExGe为发电产生的年收入；将热电联产组成部件的总投资成本分摊到部件的整个生命周期中，根据以下关系对热电联产组成部件P的投资成本进行年度化： 其中，为组件P的年投资成本，CP为组件P的资本成本美元千瓦或美元升LTP为组件P的寿命年，i为每年的利益率；式3中的年度化总投资成本是年化投资成本的总和，并已考虑用于式4的锅炉、式5的微型热电联产机组和式6的蓄热罐，此成本通过以下关系获得： 其中，TACInvest为投资年度总投资成本$，为CHP单位的年度投资成本美元，为燃气锅炉的年度投资成本美元，为储热器的年度投资成本美元，CB为燃气锅炉的资本成本美元千瓦，SalμCHPμ为CHP单位的残值与资本成本的比率％，μCHP为微热电联产，为μCHP单位的最佳容量尺寸kWeCHS为储热器的资本成本美元升，CPW为恒压下的水比热kJkg.K，Tmax为蓄热器的最高温度℃，Hmax为热量存储中的最大允许存储能量千瓦时，为μCHP的年投资成本美元kW；式7-9表示微型热电联产系统的运行成本，锅炉和微型热电联产机组是天然气的唯一用户，式7表示进口天然气的年成本，式8表示从公用电网进口电能的成本，式9表示锅炉和微型热电联产机组的运行和维护成本；公式10表示系统出口和发电的运营收入，Wi是一个加权因子，根据年度调研结果确定； 其中，TACNG为年度天然气总成本$，TACEl,Im为每年进口电的总费用$，B为锅炉，i为年利益率，ηB为燃气锅炉的热效率％，μCHP为微热电联产，TACOM为锅炉和微型热电联产机组的运行和维护成本，TACEXGe为系统出口和发电的运营收入，Cimp为进口电价$kWh，CNG为天然气价格美元千瓦时，HB，i为第i小时燃气锅炉的热输出，EμCHP，I为第i小时kWh中的μCHP单位的电输出，Eexp,I为向电网输出的电力kWh，Eimp,I为从电网输入的电量kWh，ημCHP，el为单位的电效率％，ημCHP,inv为单位逆变器的效率％，ημCHP为单位的热效率％，FITExp为出口电的FITExp收入$kWh，Wi为代表日的加权系数以小时为单位，OMB为燃气锅炉的运行和维护成本$kWh，OMμCHP为装置的运行和维护成本$kWh；所述年温室气体排放量目标函数为：式11为每年的温室气体排放量，是由进口天然气的消费引起的年度温室气体排放量与由进口的产生引起的年度电网侧温室气体排放量的总和楼宇建筑的电能减去每年向电网输出电力引起的温室气体排放替代量，由式14表示；其中，式11为每年的温室气体产生量，式12为年度温室气体排放量，式13为楼宇建筑的电能，式14为温室气体排放替代量；关系式如下：GHGG＝GHGGNG+GHGGEl,Im-GHGSEl,Ex11 其中，GHGG为温室气体产生量kg，GHGGNG为天然气产生的温室气体kg，GHGGEl,Im为电网发电温室气体kg，GHGSElEx为关于出口电力的替代温室气体公斤，EFNG为天然气的排放系数kgkWh，Wi为代表日的加权系数以小时为单位，HB,I为燃气锅炉的热输出第i小时kWh，ηB为燃气锅炉的热效率％，EμCHP，I为第i小时kWh中的μCHP单位的电输出ημCHP，el为单位的电效率％，EFEl为电网电力排放系数kgkWh，Eimp,I为从电网输入的电量kWh；年度总成本和温室气体排放量目标，表示如下：MinTACZ15GHGGz≤εz16式中，z＝1，2，3…m；m是帕累托图中假定的解点数；所述优化模型约束，是通过MILP混合整数线性规划算法实现的，利用二元决策变量将命题逻辑语句重新构造或转换成线性约束系统，形成所需的逻辑约束，此类转换的关键转换表述如下：如果δ′k＝1，那么∑jakjxj-bk≤0≡∑jakjxj-bk≤Uk1-δ′k17如果δ′k＝1，那么∑jakjxj-bk≥0≡∑jakjxj-bk≥Lk1-δ′k18如果δ′k＝1，那么其中，Lk和Uk分别表示第k个线性约束的上界和下界：Lk≤∑jakjxj-bk≤Uk20其中，δ′k为指标变量，akj为约束系数，xj为连续变量，bk为调整量；所有运行策略的一般约束设置为：考虑锅炉和微型热电联产机组每一时间步的最小和最大输出，锅炉和微型热电联产机组的相应界限分别在式21和式22表示，储能的允许范围是其容量最大值Hmax与最高温度Tmax相关，最小值Hmin与最低温度Tmin相关；在选择温度变化时，假定蓄热罐的水量恒定，储存的能量与其温度成正比，其最小值等于储能的允许范围由式23表示；锅炉是所有系统结构中的固定热电联产组成部件，微型CHP单元和热量存储的存在是由两个二进制变量ConμCHP，ConHS作为外部数据确定的，从而形成了两用方程式；其中“1”代表存在，“0”代表热电联产组成部件不存在；在表示的参数中，变量i表示本参数在第i个时间步中的值，设为1小时： ConHS×TminTmax×Hmax≤Hi≤ConHS×Hmax23其中，ConμCHP为单元的存储条件-；ConHS为蓄热装置的存储条件-；单位的最佳容量尺寸kWe；Tmax为蓄热器的最高温度℃；Tmin为最低蓄热温度℃；B为锅炉，Hmin为热量存储中的最小允许存储能量千瓦时；HD,I为以小时为单位的热量需求ikWh；Hmax为蓄热的最佳容量大小kWh；HB,I为燃气锅炉的热输出第i小时kWh；Hi为储存到第i小时总热量kWh；系统的电力需求通过发电量，即微型热电联产机组的交流输出和从电网输入的电力减去输出的电力之和来满足，由式24表示，式中μCHP,inv表示微型CHP单元的逆变器的效率；建立热能平衡，由式25-27表示；式25和式26是另一个双用途方程，定义了存在和不存在蓄热的热流行为；在存在蓄热的情况下，式25表示热需求只能通过其相关放电效率ηHS,dch的蓄热放电来提供，否则，蓄热放电热Hi为零；在存在蓄热的情况下，式26表示蓄热罐中的充电热Hi是由微型热电联产机组和锅炉的输出热及其相关效率ηHS,ch；考虑充电和放电效率，上述热电联产组成部件的输出热量满足热需求，式27规定了储热中的能量平衡，式中hs表示每一时间步中损失的储能百分比，Hi是下一时间步中的储热量，在不存在蓄热的情况下，通过式23，25和27将Hi限制为零；采用式28计算以升为单位的储热能力，式中CPW为恒压水下的比热：ημCHP,inv×EμCHP,i+EImp,i-EEXP,i＝ED,i24 其中，Hi为储存到第i小时总热量kWh；为蓄热中的第i小时kWh；为第i小时kWh释放的热量；Hmin为热量存储中的最小允许存储能量千瓦时；ConHS为蓄热装置的存在条件-，HD,I为以小时为单位的热量需求ikWh；ηHS，CH为蓄热的充电效率％；ηHS，dCH为蓄热器排热效率％；ημCHP，el为单位的电效率％；ημCHP,inv为单位逆变器的效率％；ημCHP为单位的热效率％；Eexp,I为向电网输出的电力kWh；Eimp,I为从电网输入的电量kWh；HDu,I为第i小时kWh的热量存储热量；CPW为恒压下的水比热kJkg.K，ED，i为以小时为单位的电力需求ikWh，Tmax为蓄热器的最高温度℃；所述负荷跟踪策略的一般约束，适用于加载跟踪策略，包括：判断是否若是，则若不是，则判断是否若是，则设置HB,i＝0，并且继续判断是否若是，则若不是，则若不成立，则设置HDu,i＝0，并且继续判断是否若是，则若不是，则其中，是微型热电联产机组产生的热量的剩余，是在考虑充放电效率的情况下，在供应热量需求之后的每个时间步骤中本机组产生的热量的不足；是蓄热罐的可能充量，是蓄热罐在每个时间步骤中的可能排放量，HD,I为以小时为单位的热量需求ikWh，HB,i为气体锅炉第i小时的热输出kWh，rH:P为CHP的热电转换比，ηHS，ch为蓄热的充电效率％，ηHS，dCH为蓄热器排热效率％；通过下列方程得到： 其中，ηHS，dch为蓄热器排热效率％,ημCHP为单位的热效率％,αHS为每小时储热量的储量损失％,rH:P为CHP的热电转换比，μCHP为微热电联产；所述负荷跟踪策略的特定约束包括：判断操作策略是电力负荷跟踪运行策略还是热负荷跟踪运行策略，针对电力负荷跟踪运行策略，判断是否若是，则EμCHP,i＝ED,iημCHP,inv；若不是，则针对热负荷跟随策略，判断是否若是，则EμCHP,i＝HD,irH:P，若不是，则所述优化模型数据结果量确定了锅炉、微型热电联产和蓄热罐的最佳规模和运行，以及与电网的电力交换，包括电能的输入输出、年总成本和温室气体的排放；所述需求灵活性度量系统包括：锅炉、微型热电联产机组和蓄热罐，其中：微型热电联产机组运行产生电力和热能，其中电力通过热电联产转换器输送连接至电力接口，并汇入公共电网；所述系统还通过电接口连接到公用电网或微电网，以交换电能，最终送电至电力用户；产生的热能与锅炉产生的热能一并汇入蓄热罐，共同供热给热能用户；基于所选择的运行策略，上述热电联产组成部件的功能由中央控制器确定；所述微型热电联产单元包括基于直流和基于交流的技术，通过DCAC逆变器实现。

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