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申请/专利权人：湖南华电融盛电气科技有限公司

摘要：一种多能互补园区低碳综合能源系统及其管理方法，包括能源流产生模块、能源流转换存储模块、能源流综合需求响应模块；能源流产生模块用于产生能源供给园区需求用户；包括但不限于代表联络线功率的市电网、风电、光伏、代表天然气输入的上级气网，代表管道集中供热的热网；能源流转换存储模块建立系统优化模型，将能源流产生模块产生的上述能源转化并存储为园区内可传输的能源，包括：电转气、空气源热泵、热电联供、储能装置能源耦合转换机组；能源流综合需求响应模块：从荷侧用能曲线变化的角度出发，采用电气热三种能源形式的用能指标衡量考虑电能替代的综合需求响应的性能，产生综合需求响应信息流。

主权项：1.一种多能互补园区低碳综合能源系统，包括多个单元区能量子系统，每个单元区能量子系统之间通过能源网络与其他单元区实现能量互联互通；包括多个单园区能源结构，并且每个单园区内部产生的各种能量一方面可以自用，另一方面也可以通过电力联络线及热力联络线与其他互联园区进行能量交互实现能量互联互通，通过信息交互服务器进行信息交互来达到各园区最优运行目标，而各园区与配电网之间通过电量配额调度中心与配电网交互必要的信息用以最优运行方案的制定；多园区综合能源系统协同运行架构，建立多园区综合能源系统能量转换平衡矩阵，该平衡矩阵表示为如下形式： 式中：Lc、Lh和Lc分别为电负荷、热负荷、冷负荷；ηT、ηgee、ηgeh、ηgh分别为变压器效率、CHP机组产电效率、CHP机组产热效率、燃气锅炉效率；Pe、Pge、Pgh分别为购电量，CHP机组耗气量、燃气锅炉耗气量：Rechar、Pedis、Phchar、Phdis分别为电储能系统充放电功率、热储能系统充放热功率；PPVe、PPVh分别为分布式能源发电、发热功率；Pei为电制冷机组消耗电功率，Phi为吸收式制冷机组消耗热功率；Peic、Phic分别为电制冷机组和吸收式制冷机组产冷功率；Pexe、Pexh为流入能源站的电功率、热功率；式中包含系统间的能量交互部分EX向量；在多园区综合能源系统中，各个园区之间通过联络线进行互联传输能量，但为了系统稳定运行，应保证彼此之间传输的各种能量达到平衡，对于整个系统来说，应该保证： 式中，Ω为与系统内所有进行能量交互的园区的集合；Pexe，j、Pexh，j分别为园区j交互的电功率、热功率；在上述能量转换平衡矩阵的基础上，确保各个园区之间能量平衡，我们首先对综合能源系统给出详细的描述：综合能源系统包括能源流产生模块、能源流转换存储模块、能源流传输模块、能源流综合需求响应模块以及能源流综合需求响应信息模块；一、能源流产生模块用于产生能源包括但不限于代表联络线功率的市电网、风电、光伏、代表天然气输入的上级气网，代表管道集中供热的热网；1市电作为多园区综合能源系统重要的电能供给保障，在系统内部供能设备无法满足用户电负荷需求时进行补充，满足电负荷的需求，单个园区一般通过变压设备接入市电网，并对市电网的供给分布进行优化；首先对市电网进行建模以获得良好的收敛速度，从而以满足最优供给求解的需求；二、能源流转换存储模块将能源流产生模块产生的上述能源转化并存储为园区内可传输的能源，包括：电转气、空气源热泵、热电联供、储能装置能源耦合转换机组；三、能源流综合需求响应模块包括：代表多能用户负荷需求的包括电、热、气、机械、冷负荷以及可中断、转移、转换负荷多能用户的可调度资源；电力价格型需求响应，是通过价格手段影响用户用能行为的一种需求侧项目；价格型需求响应具体是将每一天的时段电价提前分发给用户，用户在接收到的能源价格信号的基础上，自主选择是否在价格高的时候减少用能；而实时电价由于价格更新时间尺度较短，对通信系统、价格信号传递较高，而综合能源系统气网、热网具有一定的时延特性，实时电价对于综合能源系统适用性较低，而分时电价更新周期较长，即将一天的电价时段信息分发给用户路，且对通信要求较低，选择分时电价作为价格型需求响应项目进行荷侧用能曲线的优化；电价变化在一定程度上决定着用户的负荷改变量的大小，即电价变化率与负荷改变量的大小具有一定的相关性，而这种相关性便是价格弹性系数，对分时电价作用下的价所述能源流综合需求响应信息模块响应综合需求响应，产生综合需求响应信息流；采用分时电价中的多时段响应，即将分时电价具体为峰平谷三个不同的电价，影响峰平谷分时电价的最大因素为单独时段内的自弹性系数以及不同时段内的互弹性系数，因此，在峰平谷分时电价背景下，价格型需求响应模型可建模如下： 式中：Pe，0t：t时段需求响应项目前的负荷用电量，kW；ΔPet：表示用户t时段电负荷需求响应调用量，kW；Pe，1t：表示用户t时段需求响应后的实际用电量，kW；晚上用电负荷总量较大，因此可采用较高的能源价格使得负荷可调度资源在一定程度上减少用能需求，而凌晨用电负荷总量较小，采用较低能源价格使得可调度资源在一定程度上增加用能需求，因此分时电价具有较好的削峰填谷效果；除此之外，因可转移负荷的价格型需求响应仅为用能时间段的转移，因此在调度周期内用能总量需要保持不变，因此对价格型需求响应进行约束如下：Pel0t表示t时段电负荷预测值，kW；ΔPe，movt表示用户t时段电转移负荷改变量，kW；Pellt表示用户t时段电负荷转移后的用电量，kW；ΔPmaxt、ΔPmint用户可转移负荷t时段响应量限制，kW；xt表示用户t时段是否发生负荷转移的辅助变量，表示1时发生转移；Cmov表示用户单位功率电负荷转移的补偿价格，元kW·h；激励型需求响应模型，为电网与用户签订调用合同，合同中指出用激励补偿形式对用户削减用能量进行补偿，提高自身与用户两者的供用能经济性，供热温度在一定温度范围内变化，人体热舒适度变化不大；即可将温度范围等效换算出用户热负荷用热减少量进行激励削减补偿，充分利用荷侧用能特性的可调度特性；而导致综合能源系统弃风的主要原因即为电热曲线峰谷时段的矛盾以及热电联供“以热定电”运行约束代表的电热供给矛盾，因此对热负荷进行激励型需求响应，能够在一定程度上直接缓解电热供需矛盾，协助风电并网消纳；因夜间处于热负荷高峰时期，热电联供因工作在“以热定电”运行约束下导致其具有较高的热功率，而考虑对热负荷在一定范围内采用激励型需求响应，在不影响用户身体感知的前提下削减一定量的热负荷，减少热电联供热出力的同时，等效减少热电联供夜间的强制电出力，协助风电并网消纳；现对综合能源系统中的热负荷激励型需求响应建模如下： Ph，cutt表示t时段用户热可削减负荷改变量，负值表示削减，kW；Ph，cut，maxt、Ph，cut，mint表示用户t时段热可削减负荷改变量，kW；yt表示用户t时段是否发生热负荷削减的辅助变量，表示1时发生削减；Ccut表示用户单位功率热负荷削减的补偿价格，元kW·h；考虑电热、电气用能转换、考虑异质能源价格因素以及耦合机组转换效率偏差前提下，得到等效的综合电价与气价，用户通过比较综合电价和气价，可直接进行供能方式的选择，提高自身用能经济性；在综合电价高于气价时，多能用户选择用气减少用电，综合电价相对较低时，多能用户则会增加用电需求而减少天然气使用，达到自身利益最大化，电热转换同理；四、能源流综合需求响应信息模块，从荷侧用能曲线变化的角度出发，采用电气热三种能源形式的用能指标衡量考虑电能替代的综合需求响应的性能；所述热电联合功能装置模型是以天然气为输入，首先通过燃气轮机发电供给用户电能需要，然后发电余热被余热锅炉回收利用进而发热；由于其能量梯级利用特性，将其特性体现在数学模型中：PGT，ht＝PGT，ct1-σGT-σlossσGTPht＝PGt，htσrccσh式中PGT，et—表示燃气轮机t时段发电功率，kW；PGT，ht—表示燃气轮机t时段排出的余热资源总量，kW；Pht—表示t时段余热锅炉输出热功率总量，kW；σh—表示余热锅炉余热资源利用效率，％；σGT—表示燃气轮机发电效率，％；σloss—表示燃气轮机发电过程中热损耗效率，％；σrec—表示余热锅炉对燃气轮机发电过程中余热资源回收利用率，％；所述电转气加强电气之间的能源耦合，利用电气能源不同时段的价格差异性，在电负荷低谷时通过电转气将富余风能转换为天然气供给负荷或存储，并在电负荷高峰时段通过热电联合功能装置供给电负荷；电转气分为电制氢与甲烷化反应两个阶段，将其用于供应生活热水，延伸电转气消纳风电的手段，促进能源的梯级高效利用：单位时间内甲烷产率与反应放热量的计算公式如下： 式中表示制氢气速率，Nm33.47kW·h； 表示氢制甲烷速率，Nm33.47kW·h； 表示氢制甲烷放热量，kW·h； Qp2g，表示甲烷热值与甲烷化反应的放热量，mJm3； 表示氢气与甲烷的气体密度，gm3；Pp2g表示电转气所消耗的电能，kW；ηp2g，h表示除去循环所需热量，反应热注入热网的比例，％；余热回收的电转气风电消纳能力特性模型如下所示：Ph，p2gt＝Pp2gt·ηhPg，p2gt＝Pp2gt·ηp2g式中：Pg，p2gt、Ph，p2gt、Pp2gt表示t时段电转气的产气、制热、耗电功率，％；ηh、ηp2g表示余热回收率、电转气的运行效率，％；考虑到余热回收后，延伸了电转气消纳风电的价值，一方面作为负荷低谷时期的电负荷消纳富余风电，另一方面作为热源与热电联供协调供热，使得电气热能源耦合更加密切的同时，延伸了风电消纳空间；空气源热泵变工况运行特性建模：引入空气源热泵与热电联合功能装置共同供热，增加源侧电热供能方式灵活性；当空气源热泵工作在制热工况下时，低温热源为空气，空气低温热源的热量被蒸发器吸收然后使得水箱中水温上升成为蒸汽，然后蒸发器得到的低温蒸汽流向压缩机被压缩成为高温高压气体，产生的高温气体在制冷剂的作用下经冷凝器冷凝，同时热量传递到室内机通过风机盘管供给室内供热需要，冷凝后的液体在流经储液罐、干燥过滤器、膨胀阀后进行干燥处理，完成一个供热循环；该系统还包括综合园区能源协调调度方法，其步骤如下：Step1:采用系统优化模型，以运行成本最小为目标函数，根据各约束条件用罚函数进行控制；Step2:将目标函数值作为适应度值，适应度函数为FIES＝minFIDR+FW+FG+FEN+FMC+FEX；式中：FIES表示系统运行总费用，元；FIDR表示需求响应项目费用，元；FW表示系统风电弃风现象惩罚费用，元；FG表示系统多能耦合机组燃料成本，元；FEN表示系统多能耦合机组运行产生污染气体的环境成本，元；FMC表示系统多能耦合机组运行维护成本，元；FEX表示上级联络线购能成本，等于购能与售能费用之差，元；Step3:种群初始化及参数设置，包括当前迭代次数t＝1,初始种群鱼个体位置xit，种群规模NP,步长缩放因子Ct，最大迭代次数tmax，引导惯性权重ωn，最大引导运动Nmax，觅食惯性权重ωf，最大觅食速度Vf和最大随机扩算速度Dmax；Step4:计算每个鱼个体的适应度值；Step5:利用鱼个体的运动方式步骤对鱼个体的三种运动分量进行计算:引导运动Ni，觅食运动Fi，随机扩散运动Di；Step6:根据更新鱼的位置步骤分别计算鱼个体的运动和位置xit；Step7:根据交叉操作步骤以及变异操作步骤对个体进行遗传操作；Step8:计算迭代后新鱼个体的适应度值,利用选择操作步骤进行选择操作，更新种群；Step9:比较当前鱼个体适应度值的变化,动态更新鱼个体的惯性权重；Step10:令t＝t+1，更新步长缩放因子Ct，返回Step3步,直到满足t达到设定的最大迭代次数tmax。

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