冷热电综合能源系统先进调度方法研究

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在全球致力于碳中和的大背景下,绿色可持续的新能源技术得到了世界各国的高度重视,一些新的能源利用系统也应运而生。其中冷热电综合能源系统因能够实现不同能量形式之间的耦合转化,并且可以利用灵活的能流拓扑结构更好地消纳新能源,实现了在节流和开源两大方面的性能提升,因此近年来得到了广泛的关注。在冷热电综合能源系统的多个研究领域中,优化调度负责切换能流流向以及协调设备出力等,对系统运行起着关键作用。但冷热电综合能源系统因耦合了多种能源形式,具有强不确定性、强耦合性、多时间尺度以及动态特性等问题。因此有必要研究先进的调度方法以更好地处理这些问题,为此本文展开了以下工作:(1)提出了典型冷热电综合能源系统的配置结构,并建立了系统内供冷、供热、供电以及储能设备的调度模型。在基于传统热量-电量为优化变量的调度模型之上,优化求解了冷热电综合能源系统的混合整型线性规划问题。为了评估该系统内能量参数、技术参数以及经济参数的不确定对优化调度问题的影响,提出了采用基于方差的Sobol方法对系统内的大量参数进行全局灵敏度分析,以定量比较参数单独作用、相互作用以及总作用对调度结果的影响程度。最后通过算例仿真分析发现,该系统17个典型不确定性参数中,经济参数波动对系统的优化调度结果影响最大,供需参数变化对调度结果影响范围最广,而对于系统内的大量技术参数,仅有很少的技术参数波动会对调度结果有重要的影响。(2)提出了采用温度-流量作为优化变量对系统内的热工过程进行建模,从而更好地考虑系统内冷热电之间的耦合关系,解决了传统以传热量为优化变量对系统内工质流量-温度关系过度简化的问题;并采用随机模型预测控制调度方法对冷热电综合能源系统内的不确定性参数进行强化处理,以充分抑制参数波动对调度结果的影响。通过四种运行模式的算例对比研究,发现基于温度-流量的随机模型预测控制调度方法可以方便地处理系统内复杂的热工特性与过程约束。此外,研究发现管网温度的变化对调度经济性影响最大,同时环境温度变化也会对调度结果产生很大影响,而采用传热量进行优化调度并不能直观地体现出工质热工特性的影响,从而证明了采用本文所提方法的必要性。(3)为了更好地协调冷热电综合能源系统内供需参数的多时间尺度特性,本文提出一种单层多时间尺度调度方法,该方法可以在一层内很好地权衡小时间尺度的抗干扰性与长时间尺度的经济性。此外,本文提出采用最小二乘支持向量机方法对供需参数进行多时间尺度预测,保证了供需预测模型的时间尺度与所提优化方法时间尺度的一致性。该多时间尺度窗口进一步作为随机模型预测控制调度方法的优化时域,强化了传统随机模型预测控制调度方法的性能。算例研究结果表明所提的单层多时间尺度随机模型预测控制调度方法可以大幅度缩减计算时间,同时较传统方法仍能保持很好的经济性与鲁棒性,具有最优的综合性能。(4)除了供需参数的多时间尺度特性,设备动态特性对调度结果也有重要影响。为此,本文建立了冷热电综合能源系统的混合逻辑动态调度模型,并采用约束优先级处理的方法对系统内不同等级的约束进行松弛处理,保证了基于动态模型调度问题的可行性。最后结合本文所提的多时间尺度调度方法,提出一种基于混合逻辑动态模型的冷热电综合能源系统多时间尺度调度方法。该方法不仅能够兼顾系统的多时间尺度特性,还可以考虑设备动态特性对优化调度的影响。通过算例分析发现,基于动态模型的调度结果较基于稳态模型的调度更符合底层设备特性,进而可以显著地提高调度结果的鲁棒性。并且所提的基于混合逻辑动态模型的多时间尺度调度方法在改善鲁棒性的同时,仍能较好地保持优化调度的计算效率以及经济性能。
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