[发明专利]计及风光相关性与预防维护的能量枢纽系统规划方法

权利要求书

1.一种计及风光相关性与预防维护的能量枢纽系统规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：对能量枢纽系统内风光出力的不确定性和相关性进行表征；

步骤2：基于设备随机故障率计算能量枢纽系统内每个设备的维护成本和可使用容量；

步骤3：将步骤1求得的风光出力场景数据，步骤2求得的维护成本和可使用容量数据，以及电价，天然气价格，设备参数和冷/热/电负荷需求作为输入参数，建立计及风光相关性与预防维护的能量枢纽系统双层多场景规划模型，确定满足负荷侧冷/热/电需求以及能量枢纽系统约束的设备的型号、数量、容量、维护计划及最优出力数据。

2.根据权利要求1所述的一种计及风光相关性与预防维护的能量枢纽系统规划方法，其特征在于，所述步骤1具体包括以下步骤：

步骤1.1：获取需要进行能量枢纽系统规划地区n天风机和光伏出力历史数据，采用非参数核密度法选取高斯核函数分别生成能量枢纽优化配置地区24小时内每个时段风机和光伏出力的概率密度函数和

式中，t＝1,2,...,24，为24个小时；PW^t和PI^t分别为t时刻风机和光伏的出力，PW_i^t和PI_i^t分别为第i天t时刻风机和光伏的出力；h为带宽，K(·)为高斯核函数，表示如下：

步骤1.2：对生成的风机和光伏出力的概率密度函数和求积分，得到能量枢纽优化配置地区24小时内每个时段风机和光伏出力的累积分布函数Φ(PW)和Φ(PI)，表示如下:

选取Frank-Copula函数作为联合分布函数C_F，得到每个时段风机和光伏出力的联合分布函数：

式中，θ为相关参数，θ∈(-1,1)；

步骤1.3：基于蒙特卡洛模拟方法对得到的每个时段风机和光伏出力的联合分布函数进行反演运算，生成计及随机性和相关性的风光出力场景数据。

3.根据权利要求1所述的一种计及风光相关性与预防维护的能量枢纽系统规划方法，其特征在于，步骤2中所述维护成本和可使用容量方法计算公式如下：

组件故障率函数为：

式中，f_j(t)和F_j(t)分别为第j个组件发生故障的概率密度函数和累积分布函数，J为能量枢纽内组件的集合，J＝{EHP,CHP,AB,ab,ESS}，j∈J，EHP、CHP、AB、ab、EES分别代表电热泵、热电联产机组、燃气锅炉、吸收式制冷机和电储能；

设备维护成本函数：

式中，n_j为第j个组件的维护周期；N为固定维护时间τ的数量；和分别为第j个组件的预防性维护成本和纠正性维护成本；τ为以月、日或者周为单位的周期长度；

式中，k_j为第j个组件的标准容量；n为维护周期数；u为辅助变量，无实际意义；和分别为第j个组件在进行预防性维护和纠正性维护后损耗的设备容量，有：

4.根据权利要求1所述的一种计及风光相关性与预防维护的能量枢纽系统规划方法，其特征在于，步骤3中所述计及风光相关性与预防维护的能量枢纽系统双层多场景规划模型包括上下两层，上层模型用于进行能量枢纽设备配置，决策变量为每个组件的型号和台数，目标函数为能量枢纽系统年化投资成本和预防性维护成本最低；下层用于计算能量枢纽系统内组件最优出力，决策变量为天然气分配系数、余热分配系数和设备小时最优出力，目标函数为能量枢纽系统年化运行成本最低，包括能量枢纽购气成本、能量枢纽与配电网交互成本；能量枢纽系统规划总体目标函数为系统年化总成本最低，包括上层目标函数中的年化投资成本和预防性维护成本和下层目标函数中的年化运行成本，其公式如下：

Min{ZIC+ZOC+ZMC}

式中，ZIC、ZOC和ZMC分别表示能量枢纽系统规划模型中年化总成本、年化运行成本和预防性维护费用；

其中

式中，分别为配置CHP、WT、PV、AB、EES、EHP、Ab的建设成本；m，n，i，j，h，v，k分别为能量枢纽内配置CHP、WT、PV、AB、EES、EHP、Ab的序号；CH，CW，CP，CB，CH，CE，CA分别为能量枢纽内候选CHP、WT、PV、AB、EES、EHP、Ab的集合；CRF为资本回收系数；

式中，r为贴现率；l为能量枢纽规划过程中设备运行的年限；

式中，分别为配置CHP、WT、PV、AB、EES、EHP、Ab的额定容量；分别为配置CHP、WT、PV、AB、EES、EHP、Ab的单位容量成本；I_CHP，I_WT，I_PV，I_AB，I_EES，I_EHP，I_Ab分别为是否配置CHP、WT、PV、AB、EES、EHP、Ab的二元变量，配置取1，否则为0；

式中，N_s为场景总数；p_s为第s个场景发生的概率；为在场景s，时间t下从电网购买的电量；为在场景s，时间t下从电网购电的价格；分别为CHP、AB、EHP、Ab的运行成本；

式中，表示编号为m的CHP在场景s，时间t消耗燃料费用；表示编号为m的CHP在场景s，时间t产生的电功率；λ_g,t为时间t时的天然气价格；表示编号为j的AB在场景s，时间t消耗燃料费用；表示编号为j的AB在场景s，时间t产生的热功率；λ_g,t为时间t时的天然气价格；表示编号为v的EHP在场景s，时间t使用电力产生的成本；表示编号为v的EHP在场景s，时间t产生的电功率；λ_e,t为时间t时的电力价格；表示编号为v的Ab在场景k，时间t使用电力产生的成本；表示编号为k的EHP在场景s，时间t产生的电功率；

ZMC＝CM_j×Z_j

式中，CM_j为第j个设备的维护成本，Z_j为第j个设备是否进行维修的二元变量；

其中总体目标函数的约束条件包括：能量守恒约束、联络线功率约束、场景约束、设备运行约束、维护计划约束；

所述能量守恒约束包括电平衡功率约束、热平衡功率约束、冷平衡功率约束：

其中电平衡功率约束：

式中，分别表示编号为h的EES在场景s，时间t时充电和放电功率；分别表示编号为m、n、i的CHP、WT、PV在场景s，时间t时的电出力；为场景s，时间t时电负荷需求；

热平衡功率约束：

式中，分别表示编号为m、j、v的CHP、AB、EHP在场景s，时间t时的热出力；为场景s，时间t时热负荷需求；

冷平衡功率约束：

式中，分别表示编号为v、k的EHP、Ab在场景s，时间t时的冷出力；为场景s，时间t时冷负荷需求；

所述联络线功率约束为：

式中，分别表示编号为联络线功率的最小值和最大值；

所述场景约束为：

式中，N_s为场景总数；ρ_s为场景概率；

所述设备运行约包括热电联产机组运行约束、燃气锅炉运行约束、蓄电池运行约束：

其中热电联产机组运行约束：

式中，分别表示编号为m的CHP输出电功率的上限和下限；

燃气锅炉运行约束：

式中，分别表示编号为j的燃气锅炉输出热功率的上限和下限；

蓄电池运行约束：

式中，分别表示编号为h的EES在场景s，时间t和t-1时的储能；分别表示编号为h的EES在场景s，时间t时的充电功率和放电功率；η^EES,Ch、η^EES,Dis分别表示编号为h的EES在场景s，时间t时的充电功率和放电效率；E^EES,Max、E^EES,Min分别表示编号为h的EES在场景s，时间t时的储能上限和下限；P^EES,Ch,Max、P^EES,Dis,Max分别表示EES充电功率和放电功率最大值；分别表示编号为h的EES在场景s，时间t时充电和放电的二元变量，进行充电或放电为1，否则为0；

所述设备维护计划约束为：

式中，S为维护周期集合，S＝{1，…，N}

该约束确保能量枢纽内每个设备只能根据备选周期选择一个维护策略。