[发明专利]一种园区综合能源系统薄弱环节辨识及扩容改造方法

权利要求书

1.一种园区综合能源系统薄弱环节辨识及扩容改造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对PIES及各设备进行建模；

2)构建PIES运行效能评价指标体系：

3)通过数据获取、数据分析及指标测算、薄弱环节三个阶段，辨识既有PIES的薄弱环节；

4)对既有PIES进行扩容改造，提升PIES在运行经济性、节能减排、促进可再生能源消纳等方面的效能。

2.根据权利要求1所述的一种园区综合能源系统薄弱环节辨识及扩容改造技术，其特征在于，所述步骤1)中对PIES及各设备进行建模的具体方式为：根据既有园区特征，对园区综合能源系统进行建模，包括园区综合能源系统结构模型和各设备模型；

A.建立园区综合能源系统结构模型，描述各单元的连接方式、能量耦合和能量转换关系等；园区综合能源系统包括能量生产单元、转换单元和储存单元，能量生产单元和转换单元将一种形式的能量通过耦合设备转换成另一种形式的能量，包括热电联产系统、地源热泵、光伏等；能量储存单元利用储能设备将热能、电能等形式的能量储存起来，并在某一时刻释放供用户使用，包括储电装置和蓄热系统等；

B.建立各能量生产单元、转换单元、储存单元的数学模型，详细描述各设备的运行方式、出力限制、能量转换关系及约束。

3.根据权利要求1所述的一种园区综合能源系统薄弱环节辨识及扩容改造技术，其特征在于，所述构建PIES运行效能评价指标体系，包括建立经济性、光伏能量消纳率、二氧化碳排放量等指标，具体为：

A.经济性指标:

采用总费用C刻画PIES在实际运行的经济性，其包括PIES每年产生的运行费用和维护费用：

B.光伏消纳指标：

定义光伏能量消纳率来描述光伏的效能，它反映了光伏的实际利用效果，光伏能量消纳率越高，光伏的消纳能力越强，其计算公式为：

式中，λ_PV,c表示光伏能量消纳率，它的量测时间跨度可以选取一小时、一天或一年；W_PV表示光伏理论最大出力量，W_PV,c表示光伏实际消纳量；N表示量测区间包括的时段数；

C.二氧化碳排放指标：

二氧化碳排放量包括两部分，一部分为购气用于发电及产热所产生的CO₂排放量，另一部分是从电网购电消耗后产生的CO₂排放量，表达式如下：

式中，f_e表示总CO₂年排放量(kg)；分别表示园区购气用于发电及产热和从电网购买并消耗电能对应的CO₂年排放量(kg)；G_gas表示园区消耗的天然气能量(kW·h)，表示使用天然气对应的CO₂排放系数(kg/(kW·h))；W_grid表示园区的购电量(kW·h)，表示用电所对应的CO₂排放系数(kg/(kW·h))。

4.根据权利要求1所述的一种园区综合能源系统薄弱环节辨识及扩容改造技术，其特征在于，所述辨识既有PIES的薄弱环节，包括数据收集、数据分析及指标测算、薄弱环节确认3个阶段，具体为：

A.数据收集阶段

数据收集阶段获得PIES的规划及实际运行数据以及用户满意度等反馈信息。需指出，对于运行数据充足的PIES，可直接获得其实际运行数据，而对于数据缺乏的PIES，需结合既有PIES特征，采用PIES优化运行方法，模拟得到PIES运行数据；

B.数据分析及指标测算阶段：

数据分析及指标测算阶段，首先分析各设备的容量配置及实际运行情况，其次根据PIES运行效能评价指标体系，计算经济性、光伏消纳能力、环保性等指标，定量分析既有PIES实际运行效能；

C.薄弱环节确认阶段：

薄弱环节确认阶段，根据上一阶段的分析结果和各指标值，确认各设备是否存在容量配置冗余或短缺情形，以及PIES在经济性、可再生能源消纳、环保性等方面的薄弱环节。

5.根据权利要求1所述的一种园区综合能源系统薄弱环节辨识及扩容改造技术，其特征在于，所述PIES扩容改造，针对薄弱环节，对既有园区综合能源系统实施扩容改造，解决既有园区综合能源系统的问题，提升其运行效能，包括如下改造内容：

A.目标函数

既有PIES改造以设备投资费用等年值和年运行、维护费用最小为目标函数，即：

C＝min(C_I+C_O+C_M)

式中，C为总费用，C_I为投资费用，C_O为年运行费用，C_M为年维护费用；

a)投资费用

C_I为PIES设备扩容的投资费用，假设既有PIES共有k种类型设备，则C_I的表达式如下所示：

式中，R_i为设备i的年值系数，i＝1,2,…,k；r为折现率；n_i为设备i的寿命；c_i,I为设备i单位容量的投资成本；P_i,I为设备i的扩容量；

b)年运行费用

年运行费用C_O包括从外网的购电费用和购气费用，计算表达式如下：

式中，c_grid(t)为t时刻电价，c_gas为天然气价格；P_grid(t)和G_CHP(t)分别为t时刻从电网购电功率以及CHP输入端的功率；Δt为调度时段，取1小时；

c)年维护费用

年维护费用C_M的计算公式如下：

C_M＝C_PV+C_CHP+C_HP+C_ES+C_HS

式中，C_PV、C_CHP、C_HP、C_ES、C_HS分别为PV、CHP、HP、ES和HS的维护费用；c_M,PV、c_M,CHP、c_M,HP、c_M,ES和c_M,HS分别为PV、CHP、HP、ES和HS单位功率的维护费用；|H_HS(t)|和|P_ES(t)|分别为t时刻ES和HS的充放能功率的绝对值；

B.约束条件

a)设备运行约束

既有PIES各设备首先需满足基本运行约束，此外，对于能量生产和转换单元，扩容后的设备运行裕量变大，运行约束表达式的上限需要增加扩容容量，以设备i为例，其改造后的运行约束为：

式中，Pⁱ(t)为t时刻设备i的功率值；为改造后设备i的出力上限；为改造前设备i的出力上限；

对于能量储存单元，扩容后新的约束需要相应增加其额定容量值；

b)电/热功率平衡约束

PIES需满足的电功率平衡约束为：

式中，和表示t时刻ES的充放电功率；P_L(t)表示t时刻电负荷功率。

热功率平衡约束为：

式中，和表示t时刻HS的充放热功率；H_L(t)表示t时刻热负荷功率；

c)求解方法

最后，采用混合整数线性规划算法，使用MATLAB的Yalmip工具包调用混合整数线性规划求解器求解，得到扩容改造结果及相应的运行方案。