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申请/专利权人：天津大学

摘要：本发明涉及一种区域电‑热综合能源系统太阳能消纳能力评估方法，首先，确定区域电‑热综合能源系统模型；其次，基于电、热协同消纳，建立太阳能消纳能力评估指标；接着，以系统消纳能力最大为目标，建立区域电‑热综合能源系统太阳能消纳能力评估模型；随后，确定配电网系统参数、区域热网参数以及区域电‑热综合能源系统设备参数；最后，对区域电‑热综合能源系统进行太阳能消纳能力评估，得到系统最大化消纳模式及相应的太阳能消纳设备合理配置。本发明以消纳技术性的角度采用本方法进行太阳能消纳能力评估时，区域电‑热综合能源系统可探究自身消纳能力、消纳模式及太阳能消纳设备的合理配置，并实现太阳能最大化消纳。

主权项：1.一种区域电-热综合能源系统太阳能消纳能力评估方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：确定区域电-热综合能源系统组成部分及组成结构；步骤2：依据步骤1提供的区域电-热综合能源系统组成部分及组成结构，确定区域电-热综合能源系统模型；步骤3：基于太阳能电、热协同消纳，建立区域电-热综合能源系统太阳能消纳能力评估指标；步骤4：根据步骤3所提太阳能消纳能力评估指标，建立以太阳能消纳能力最大同时且考虑对弃光及网损的抑制为目标的区域电-热综合能源系统太阳能消纳能力评估模型；步骤5：根据步骤4所提区域电-热综合能源系统太阳能消纳能力评估模型，输入如下的系统参数，包括配电网系统参数、区域热网参数以及区域电-热综合能源系统设备参数，典型日负荷参数、环境参数；步骤6：求解步骤4所提区域电-热综合能源系统太阳能消纳能力评估模型及步骤5输入数据，对区域电-热综合能源系统进行太阳能消纳能力评估，得到使系统最大化消纳的消纳模式及太阳能消纳设备合理配置；所述的步骤2中的区域电-热综合能源系统模型的建立包括以下步骤：步骤2-1：采用Distflow模型对配电网进行建模，具体如下：对于任意时刻，对于区域电力系统中任意节点j，有以下功率平衡关系： 其中，ζej表示以j为末端节点的支路首端节点集合；ξej表示以j为首端节点的支路末端节点集合；分别为节点i流向节点j的有功功率kW和无功功率kVar；分别是t时刻节点i的有功和无功注入功率；rij、xij分别为线路ij的电阻和电抗Ω；为t时刻线路ij上电流幅值的平方A2；分别为t时刻节点j处大电网注入的有功、无功功率；分别为t时刻负荷节点j处的有功负荷和无功负荷；分别为t时刻节点j处CHP机组的有功、无功出力；为t时刻节点j处光伏的有功出力；为t时刻节点j处电热锅炉消耗的有功功率；分别为t时刻节点j处储电设备的充、放电功率；为配电网节点j处的最大注入功率；对于任意时刻，对于配电网中任意支路ij，有以下关系成立： 其中，为t时刻节点i电压幅值的平方V2；为t时刻支路ij的有功功率损失；对于任意时刻t，全网任意节点电压及任意支路电流须在安全运行范围内： 其中，umax、umin分别为节点i允许的电压平方上限和下限V2；imax为线路ij允许的最大电流平方A2；步骤2-2：采用质调节模式对区域热网进行建模，具体步骤包括：步骤2-2-1：建立热网节点温度模型，具体步骤如下：节点j的在供回水管网中的温度混合方程可分别表示为： 其中，mij、mloadj分别为管道ij质量流量和节点j的负荷流量kgs；分别为t时刻供水管道ij、回水管道jk的出口温度℃；分别为t时刻节点j的供、回水温度℃；为t时刻负荷j的回水温度℃；ζsj、ζrj分别为供、回水管网中以节点j为末节点的管道首节点集合，ξsj、ξrj分别为供、回水管网中以节点j为首节点的管道末节点集合；方程两边同时除以节点j总注入质流量，并引入供回水管网上游质流量占比βs、βr，同时，令则公式11-12可表示为： 管道入口温度、出口温度的延时特性用时间离散化的方法进行处理；以供水管道ij为例，假设时间间隔为Δt，管道ij长度为lijm，管道ij可根据Δt被近似分为τij个长度为Δlijm的单元；由此，τij可由下式计算： 其中，Dij为管道ij的直径m，ρ为热水密度kgm3；由于区域热网的热力过程以质流量速度传输，节点i温度对节点j温度的影响延时时间可由τijΔt表示；因此，考虑温度的延时特性后，t时刻管道ij的出口温度可看作t-τijΔt时刻入口节点i的温度经过管道散热后的结果： 其中，c为热水比热容kJkg·K；λij为管道ij导热系数kWm·K；将公式20带入公式13，令可得t时刻供水管网中节点j的温度计算公式： 同理，t时刻回水管网中节点j的计算公式为： 当tτΔt时，分别带入节点i的初始供水温度及节点k的初始回水温度；步骤2-2-2：建立热网管道热损模型，具体步骤如下：设t时刻管道ij中每个单元管道的热水温度由t时刻单元管道出入口平均温度表示，则t时刻管道ij的热损可表示为： 其中，节点i为管道ij的入口节点；上式同时适用于供水管网及回水管网；步骤2-2-3：建立热网热源及热负荷热功率模型，具体步骤如下：对于节点i处的热源及热负荷，其t时刻热功率均为其t时刻供回水管网的热势差： 其中，分别为节点i处的热源及热负荷功率kW；对于节点i处的热源，其热功率为各供热设备热出力之和： 其中，分别为t时刻节点i处太阳能集热器、CHP机组的热出力kW；分别为t时刻节点i处储热设备的充放热功率kW；步骤2-2-4：建立热网全网温度运行模型，具体步骤如下：对供、回水管网中的任意节点i，无论是热源节点、热负荷节点还是普通节点，供回水温度均有特定运行范围： 其中，Ts,min、Tr,min分别为供、回水管网的最小运行温度℃，Ts,max、Tr,max分别为供、回水管网的最大运行温度℃；此外，为防止热网延时特性效果向后一天“不顾后果地堆积”，在每天最后一个调度时刻，热源供水温度Tis,end应与当天初始调度时刻的温度Tis,init保持一致：Tis,end＝Tis,init29步骤2-3：建立区域电-热综合能源系统设备模型，具体步骤包括：步骤2-3-1：建立光伏模型，具体如下： 其中，为t时刻节点i处光伏发电系统实际产出的有功功率kW，亦即被区域电-热综合能源系统实际消纳的光伏电功；为光伏发电系统的弃光功率kW，其与之和为节点i处的光伏发电系统在t时刻可产出的最大电功率；APV,i为节点i处光光伏阵列安装面积m2；ηPV,i为节点i处光伏发电系统的转换效率；为t时刻节点i处的光照强度kWm2；步骤2-3-2：建立太阳能集热器模型，具体如下： 其中，是系统在t时刻节点i处实际消纳的太阳能集热器供热功率kW，是系统的太阳能弃热功率kW，ASC,i为节点i处太阳能集热器安装面积m2，ηSC,i为太阳能集热器的热转换效率；在太阳能集热器性能研究中，热转换效率有瞬时效率和日均效率两种；太阳能集热器瞬时效率与太阳能集热器热水平均温度及环境温度之差有关，而热水平均温度的变化与供热情况、太阳能集热器结构、内部参数、环境温度、光照之间存在极为复杂的热力学关系，受外界运行条件影响很大；太阳能集热器日均效率通常为经过集热器工质全天总得热与全天太阳总辐照量之比，顾及了太阳能集热器在全天的整体性能表现，受运行条件的随机变化影响较小，适用于更关注太阳能集热器与外部系统的协同，而非太阳能集热器内部设计的情景；选择太阳能集热器日均效率进行研究，其计算如下： 其中，为节点i处太阳能集热器在初始温度等于全天平均温度时的截距效率；为全天总太阳辐照量kWm2；UlossT,SC,i为关于环境温度的热损系数kW℃2·m2；步骤2-3-3：建立燃气轮机式CHP机组模型，具体如下： 其中，αCHP,i为节点i处CHP机组的热电比率，为t时刻节点i处CHP机组的热输出功率kW，为t时刻节点i处CHP机组的电输出功率kW，为节点i处CHP机组的最大供电功率kW；步骤2-3-4：建立电热锅炉模型，具体如下： 其中，ηEB,i为节点i处电热锅炉的转换效率，为节点i处电热锅炉的最大供热功率kW；步骤2-3-5：建立储电设备模型，具体如下： 其中，分别为该储电设备最大、最小荷电状态系数；σEES,i为节点i处储电设备自放电率；ηEES,C,i、ηEES,D,i分别为节点i处储电设备的充、放电效率；分别为t时刻节点i处储电设备的充、放电功率kW；γEES,C,i、γEES,D,i分别为节点i处储电设备的最大充、放电率；为t时刻节点i处储电设备的充、放电状态，为0-1变量，当为0时，表示节点i处储电设备在t时刻处于充电状态；当为1时，表示节点i处储电设备在t时刻处于放电状态；为节点i处储电设备初始荷电状态系数；步骤2-3-5：建立储热设备模型，具体如下： 其中，CapTES,i为节点i处的储热设备容量kWh；分别为t时刻、调度周期初始时刻、调度周期最末时刻节点i处储热设备的储热量kWh；分别为节点i处储热设备的最大、最小状态系数；σTES,i为节点i处储热设备的自放热率；分别为t时刻节点i处储热设备的吸、放热功率kW；ηTES,C,i、ηTES,D,i分别为节点i处储热设备的吸、放热效率；γTES,C,i、γTES,D,i分别为节点i处储热设备的最大吸、放热率；为t时刻节点i处储热设备的吸、放热状态，为0-1变量，当为0时，表示节点i处储热设备在t时刻处于吸热状态；反之处于放热状态；节点i处储热设备初始储热状态系数；所述的步骤4中的区域电-热综合能源系统太阳能消纳能力评估模型的建立包括以下步骤：步骤4-1：区域热-电综合能源系统太阳能消纳能力评估旨在协调各类促进太阳能消纳的技术手段及能源网络特性，最大化系统ASEAC，并据此确定系统最佳的太阳能消纳设备装机容量占比方案；然而，单纯的追求ASEAC最大化可能会导致消纳方案中电损、热损或弃光率偏大，为了兼顾绿色及节能的原则，提高能源利用效率，在模型中考虑对电损、热损及弃光量的抑制；综合以上考虑，采用时间尺度为一年的典型日分析法对区域热-电综合能源系统太阳能消纳能力进行评估，目标函数如下： 其中，分别为配电网网损、区域热网热损的惩罚系数，一般电损及热损远小于系统ASEAC，考虑到前后二者的数量级关系，以及大量算例测试，配电网网损、热网热损的惩罚系数推荐在1-100之间；μsolar为弃光惩罚系数，当系统可以自主调节弃光功率时，可根据系统较优弃光率确定弃光功率，此时弃光惩罚系数可设置为0；若系统不可自主调节弃光功率，则根据数量级关系及大量算例测试，弃光惩罚系数推荐在0.5-100之间；为第d天内t时刻支路b的电力网损kW；为第d天内t时刻管道p的热力网损kW；Nbranch、Npipe分别为配电网支路数量及区域热网管道数量；步骤4-2：建立步骤4-1中模型的优化变量x包含规划优化变量及运行优化变量，具体包括：1规划优化变量包括各能源站内的光伏安装面积APV、太阳能集热器安装面积ASC；2运行优化变量包括：●各典型日各个时刻上级电网出力热源出力●各典型日各个时刻配电网母线电压ut,d，支路电流it,d，支路功率Pt,d、Qt,d，母线注入功率●各典型日各个时刻区域热网节点供、回水温度Ts,t,d、Tr,t,d；●各典型日各个时刻各类能源转换、能源存储设备的出力及运行状态，包括、在优化变量x中，除了能源存储设备的充、放能状态为0-1整数变量外，其余优化变量均为连续变量；步骤4-3：建立步骤4-1中模型的约束条件，具体包括以下步骤：步骤4-3-1：建立太阳能消纳设备约束；对于考虑电-热协同消纳的太阳能消纳能力评估问题，需要考虑太阳能消纳设备安装面积约束；太阳能消纳设备需要安装在区域电-热综合能源系统内光照强度较高的地方，以最大化利用太阳能；但无论是安装在屋顶还是空地，安装区域面积常常有限，当光伏和太阳能集热器建在同一区域时，二者将存在竞争关系： 其中，APV,i、ASC,i分别为节点i处的PV、SC安装面积m2，为节点i处的最大太阳能消纳设备可安装面积m2；综上，太阳能消纳设备约束包含公式30-34、54；步骤4-3-2：建立热电耦合设备约束；太阳能消纳能力评估问题中的热电耦合设备约束包括公式35-38，均为线性约束；步骤4-3-3：建立储能设备约束，即公式39-48；步骤4-3-4：建立区域热网运行约束，即公式21-22、24-29；步骤4-3-5：建立电网运行约束，即公式1-7、9-10；所述的步骤5中的输入系统参数包括以下步骤：步骤5-1：输入配电网系统参数，包括配电网线路参数、负荷水平、网络拓扑连接关系及母线电压安全范围和支路电流限制；步骤5-2：输入区域热网参数，包括区域热网的管道参数、负荷水平、网络拓扑连接关系、热源节点初始温度及节点供、回水温度运行范围限制；步骤5-3：输入区域电-热综合能源系统设备参数，包括各供能设备及储能设备的接入位置、容量，各可安装太阳能设备节点的最大安装面积；步骤5-4：输入典型日负荷参数，包括冬季、过渡季、夏季典型日24h的电、热负荷情况；步骤5-5：输入环境参数，包括太阳能光照强度情况、环境温度情况；步骤5-6：设置仿真时间间隔及网损、弃光惩罚系数；所述的步骤6中太阳能消纳能力评估包括以下步骤：步骤6-1：基于步骤4-1、4-2、4-3中对区域电-热综合能源系统太阳能消纳能力评估模型的阐释，可知该模型属于0-1混合整数非线性优化问题；为了方便计算求解，需对模型目标函数及约束条件进行处理，具体包括以下步骤：步骤6-1-1：处理目标函数；目标函数53中，由于能质系数κt,d的存在，使得目标函数为非线性；经过对公式50计算可判断，当供水温度一定时，同一环境温度下回水温度变化20℃时的能质系数变化小于同一回水温度下环境温度变化20℃时的能质系数变化；回水温度一定时也如此；因此，环境温度对能质系数的影响大于供、回水温度对能质系数的影响；基于上述分析，为简化计算，将能质系数计算公式50中的Tis,t、Tir,t分别用每簇能质系数变化曲线中位值处的供、回水温度代替，即用温度范围均值代替能质系数计算公式3-2中的Tis,t、Tir,t；至此，能质系数计算公式50化为： 其中，分别为热源节点i处的供、回水温度运行范围均值K；步骤6-1-2：处理约束条件由于区域电-热综合能源系统太阳能消纳能力评估模型经上述处理后，除配电网约束7为非凸非线性约束外，目标函数及其他约束均为线性；为克服模型求解困难的问题，将配电网约束7松弛为二阶锥形式： 为验证二阶锥松弛约束在最优解处的准确性，定义松弛误差如下： 步骤6-2：基于步骤6-1对区域电-热综合能源系统太阳能消纳能力评估模型的处理，采用诸如Gurobi、CPLEX的数学软件直接求解，并得到使系统最大化消纳的消纳模式及太阳能消纳设备合理配置。

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