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CN110991735A - 一种考虑aa-caes的热电联供系统优化调度方法 - Google Patents

一种考虑aa-caes的热电联供系统优化调度方法 Download PDF

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CN110991735A
CN110991735A CN201911199077.5A CN201911199077A CN110991735A CN 110991735 A CN110991735 A CN 110991735A CN 201911199077 A CN201911199077 A CN 201911199077A CN 110991735 A CN110991735 A CN 110991735A
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Huazhong University of Science and Technology
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Abstract

一种考虑AA‑CAES的热电联供系统优化调度方法，该方法先建立以燃气轮机运行能耗、柴油机运行能耗、废弃光伏等效能耗和可转移负荷等效调度能耗之和最小为目标函数的热电联供系统日前调度模型，再将获取的光伏、热负荷和电负荷的短期预测数据输入所述日前调度模型中，得到热电联供系统的日前调度结果，然后根据日前调度结果对热电联供系统进行调度。本设计不仅提高了热电联供系统的运行灵活性、稳定性和可靠性，而且改善了系统可再生能源的消纳能力、降低了系统的运行能耗。

Description

一种考虑AA-CAES的热电联供系统优化调度方法
技术领域
本发明属于热电联供系统优化调度领域，具体涉及一种考虑AA-CAES的热电联供系统优化调度方法。
背景技术
相对于传统微电网，热电联供系统可以通过热能和电能的联储、联供，实现热能和电能间的相互转换、互补互济，增强系统供能可靠性，提高综合能量利用率和供能质量。
近年来，先进绝热压缩空气储能(Advanced Adiabatic Compressed Air EnergyStorage，AA-CAES)技术逐步兴起。AA-CAES调节迅速，系统效率较高，除具备良好的热电联储/供能力，还可为系统提供调峰、备用、无功调节等多类型辅助服务。上述诸多优点使该储能装置成为目前最具发展潜力的物理储能技术之一，受到了学术界和工业界的广泛关注。而对于包含AA-CAES装置的热电联供系统的调度方法，目前并没有成熟的技术，无法保证包含该储能装置的热电联供系统可靠、稳定的运行。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种能够保证热电联供系统的可靠、稳定运行的考虑AA-CAES的热电联供系统优化调度方法。
为实现以上目的，本发明的技术方案如下：
一种考虑AA-CAES的热电联供系统优化调度方法，依次包括以下步骤：
步骤A、建立考虑AA-CAES的热电联供系统日前调度模型，该模型以燃气轮机运行能耗、柴油机运行能耗、废弃光伏等效能耗和可转移负荷等效调度能耗之和最小为目标函数；
步骤B、先将获取的光伏、热负荷和电负荷的短期预测数据输入所述日前调度模型中，得到热电联供系统的日前调度结果，然后根据日前调度结果对热电联供系统进行调度。
步骤A中，所述日前调度模型的目标函数为：
Figure BDA0002295406000000021
上式中，T为日前调度时间段内的时刻数量，NGT、NG、NPV、NDR分别为燃气轮机、柴油机、光伏电站、可转移负荷节点的数量，bGT,i为燃气轮机i的能耗系数，HGT,t,i为t时刻燃气轮机i的产热功率，PG,t,s为t时刻柴油机s的出力值，bs为柴油机s的发电功率燃煤耗量参数，cs为柴油机s启停工况且切换的燃煤耗量参数，ut,s为t时刻柴油机s的开关状态，CDR为可转移负荷的调度等效能耗参数，
Figure BDA0002295406000000022
分别为t时刻第j个可转移负荷节点的增、减负荷功率，cppv为废弃光伏惩罚等效能耗系数，Ppva,t,k为t时刻光伏电站k的实际弃光功率。
所述目标函数的约束条件包括AA-CAES装置参与日前调度并进行热电联供的约束、燃气轮机参与日前调度运行的约束、电锅炉参与日前调度运行的约束、柴油机参与日前调度运行的约束、交直流配电网的潮流约束、光伏电站参与日前调度运行的约束、可转移负荷参与日前调度运行的约束、热能平衡约束、系统备用约束，其中，
所述AA-CAES装置参与日前调度并进行热电联供的约束包括：
AA-CAES一般运行约束：
uCAESc,t+uCAESg,t≤1
Figure BDA0002295406000000023
Figure BDA0002295406000000024
上式中，uCASEg,t为t时刻AA-CAES装置的发电状态变量，uCASEc,t为t时刻AA-CAES装置的压缩状态变量，PCASEg,t、PCASEc,t分别为t时刻AA-CAES装置的发电、压缩功率，PCAEScmax、PCAEScmin分别为AA-CAES装置的压缩功率上、下限值，PCAESgmax和PCAESgmin分别为AA-CAES装置的发电功率上、下限值，pst,t为t时刻AA-CAES装置的储气室气压，pstmax、pstmin分别为储气室的气压上、下限值，△pst,0为储气室的初始气压变化率，△pst,τ为τ时刻储气室的气压变化率，△t为一个调度时段的时长；
AA-CAES膨胀/压缩换热约束：
Hg,m,t＝mg,tcp,a(Tg,,m,in,t-Tg,m-1,out,t)
Figure BDA0002295406000000031
上式中，Hg,m,t和Hg,t分别为t时刻第m级膨胀过程和AA-CAES装置的整体放热功率，cp,a为空气比热容，Tg,m,in,t和Tg,m-1,out,t分别为m级膨胀机入口温度和m–1级膨胀机出口温度，ng为AA-CAES的膨胀级数；
AA-CAES供热功率约束：
Figure BDA0002295406000000032
上式中，Hst,t、Hstout,t分别为t时刻储热器的热能损耗功率和实际对外热输出功率，Hstmax为储热器的对外供热功率限值，kst为储热器对外供热损耗系数；
AA-CAES剩余热量约束：
Figure BDA0002295406000000033
上式中，HHS,0和HHS,t分别为AA-CAES储热室的热量初值和t时刻剩余热量，Hc,τ、Hg,τ、Hst,τ分别为τ时刻AA-CAES装置的压缩放热功率、发电耗热功率和对外供热功率，HHSmax、HHsmin分别为AA-CAES装置的储热量上、下限值；
AA-CAES提供旋转备用约束：
Figure BDA0002295406000000034
上式中，RCAES,t为t时刻AA-CAES可以为系统提供的旋转备用，RCAESc,t、RCAESg,t分别为t时刻AA-CAES运行在压缩、发电工况时可以为系统提供的旋转备用，khg、khc分别为AA-CAES装置在发电、压缩过程中换热功率的功率系数，kg、kc分别为AA-CAES装置在发电、压缩过程中其储气室气压变化率的功率系数。
所述燃气轮机参与日前调度运行的约束包括热电出力比例约束、热电出力上下限约束、燃料耗量上下限约束和爬坡约束；
所述电锅炉参与日前调度运行的约束为：
Figure BDA0002295406000000041
上式中，Heb,t为t时刻电锅炉的热出力功率，Ppv,t,k和Ppvh,t,k分别为t时刻光伏电站k的总发电功率和用于电锅炉产热的电功率，ηpvh为电锅炉的电热转换效率；
所述柴油机参与日前调度运行的约束包括出力上下限约束、最小开关机时间约束和爬坡速率约束；
所述交直流配电网的潮流约束包括VSC换流站调度运行约束、基于DistFlow的支路潮流平衡约束和系统安全约束；
所述光伏电站参与日前调度运行的约束为：
Figure BDA0002295406000000042
上式中，Ppva,t,k为t时刻光伏电站k的实际弃光功率，Ppve,t,k为t时刻光伏电站k用于满足电负荷需求的功率；
所述可转移负荷参与日前调度运行的约束为：
Figure BDA0002295406000000043
Figure BDA0002295406000000044
Figure BDA0002295406000000045
上式中，
Figure BDA0002295406000000046
和
Figure BDA0002295406000000047
分别为可转移负荷节点j上负荷转入量的下限和上限，
Figure BDA0002295406000000048
为可转移负荷节点j在t时刻的正向负荷调度状态变量，
Figure BDA0002295406000000049
为可转移负荷节点j在t时刻的负向负荷调度状态变量，
Figure BDA00022954060000000410
和
Figure BDA00022954060000000411
分别为可转移负荷节点j上可转移负荷的负荷转出量的下限和上限，
Figure BDA00022954060000000412
为可转移负荷节点j负荷的单日转移量上限；
所述热能平衡约束为：
Figure BDA0002295406000000051
上式中，Hload,t为t时刻系统的热负荷；
所述系统备用约束为：
Figure BDA0002295406000000052
上式中，PGTmax,i、PGTmax,s分别为燃气轮机i、柴油机s的出力上限值，PT,t、PTmax分别为t时刻上级电网支援功率及其上限值，RL、RPV分别为预留给负荷、光伏的备用功率。
步骤B中，所述日前调度结果包括AA-CAES装置、燃气轮机、柴油机的启停状态和运行工况，以及AA-CAES装置、燃气轮机、柴油机、电锅炉、可转移负荷的调度计划。
所述热电联供系统包括交流配电网、直流配电网、换流站、区域供热系统以及热电耦合装置，所述交流配电网包括柴油机和交流负荷，所述直流配电网包括直流负荷和光伏电站，所述区域供热系统包括热负荷，所述热电耦合装置包括AA-CAES装置、燃气轮机和电锅炉。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明一种考虑AA-CAES的热电联供系统优化调度方法先建立以燃气轮机运行能耗、柴油机运行能耗、废弃光伏等效能耗和可转移负荷等效调度能耗之和最小为目标函数的热电联供系统日前调度模型，再将获取的光伏、热负荷和电负荷的短期预测数据输入所述日前调度模型中，得到热电联供系统的日前调度结果，然后根据日前调度结果对热电联供系统进行调度，该设计面向热电联供系统的运行场景，建立的热电联供系统日前调度模型考虑了AA-CAES装置、可转移负荷、光伏、柴油机以及燃气轮机的协调互动，可有效提高热电联供系统的运行灵活性、稳定性和可靠性，同时改善热电联供系统可再生能源的消纳能力，降低系统的运行能耗。因此，本发明不仅提高了热电联供系统的运行灵活性、稳定性和可靠性，而且改善了系统可再生能源的消纳能力、降低了系统的运行能耗。
附图说明
图1为本发明热电联供系统的结构及能流关系示意图。
图2为本发明实施例1的热电联供系统拓扑图示意图。
图3为本发明实施例1中系统光伏发电量、热负荷、电负荷的短期预测数据曲线图。
图4为本发明实施例1中场景1的系统电源出力曲线图。
图5为本发明实施例1中场景1的系统能源出力曲线图。
图6为本发明实施例1中场景1的系统热源出力情况示意图。
图7为本发明实施例1中场景3的系统热源出力情况示意图。
图8为本发明实施例1中场景1和场景3的系统热源出力比值情况示意图。
图9为本发明实施例1中场景1各备用源的备用功率提供情况示意图。
图10为本发明实施例1中场景4各备用源的备用功率提供情况示意图.
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1，一种考虑AA-CAES的热电联供系统优化调度方法，依次包括以下步骤：
步骤A、建立考虑AA-CAES的热电联供系统日前调度模型，该模型以燃气轮机运行能耗、柴油机运行能耗、废弃光伏等效能耗和可转移负荷等效调度能耗之和最小为目标函数；
步骤B、先将获取的光伏、热负荷和电负荷的短期预测数据输入所述日前调度模型中，得到热电联供系统的日前调度结果，然后根据日前调度结果对热电联供系统进行调度。
步骤A中，所述日前调度模型的目标函数为：
Figure BDA0002295406000000061
上式中，T为日前调度时间段内的时刻数量，NGT、NG、NPV、NDR分别为燃气轮机、柴油机、光伏电站、可转移负荷节点的数量，bGT,i为燃气轮机i的能耗系数，HGT,t,i为t时刻燃气轮机i的产热功率，PG,t,s为t时刻柴油机s的出力值，bs为柴油机s的发电功率燃煤耗量参数，cs为柴油机s启停工况且切换的燃煤耗量参数，ut,s为t时刻柴油机s的开关状态，CDR为可转移负荷的调度等效能耗参数，
Figure BDA0002295406000000062
分别为t时刻第j个可转移负荷节点的增、减负荷功率，cppv为废弃光伏惩罚等效能耗系数，Ppva,t,k为t时刻光伏电站k的实际弃光功率。
所述目标函数的约束条件包括AA-CAES装置参与日前调度并进行热电联供的约束、燃气轮机参与日前调度运行的约束、电锅炉参与日前调度运行的约束、柴油机参与日前调度运行的约束、交直流配电网的潮流约束、光伏电站参与日前调度运行的约束、可转移负荷参与日前调度运行的约束、热能平衡约束、系统备用约束，其中，
所述AA-CAES装置参与日前调度并进行热电联供的约束包括：
AA-CAES一般运行约束：
uCAESc,t+uCAESg,t≤1
Figure BDA0002295406000000071
Figure BDA0002295406000000072
上式中，uCASEg,t为t时刻AA-CAES装置的发电状态变量，uCASEc,t为t时刻AA-CAES装置的压缩状态变量，PCASEg,t、PCASEc,t分别为t时刻AA-CAES装置的发电、压缩功率，PCAEScmax、PCAEScmin分别为AA-CAES装置的压缩功率上、下限值，PCAESgmax和PCAESgmin分别为AA-CAES装置的发电功率上、下限值，pst,t为t时刻AA-CAES装置的储气室气压，pstmax、pstmin分别为储气室的气压上、下限值，△pst,0为储气室的初始气压变化率，△pst,τ为τ时刻储气室的气压变化率，△t为一个调度时段的时长；
AA-CAES膨胀/压缩换热约束：
Hg,m,t＝mg,tcp,a(Tg,,m,in,t-Tg,m-1,out,t)
Figure BDA0002295406000000073
上式中，Hg,m,t和Hg,t分别为t时刻第m级膨胀过程和AA-CAES装置的整体放热功率，cp,a为空气比热容，Tg,m,in,t和Tg,m-1,out,t分别为m级膨胀机入口温度和m–1级膨胀机出口温度，ng为AA-CAES的膨胀级数；
AA-CAES供热功率约束：
Figure BDA0002295406000000074
上式中，Hst,t、Hstout,t分别为t时刻储热器的热能损耗功率和实际对外热输出功率，Hstmax为储热器的对外供热功率限值，kst为储热器对外供热损耗系数；
AA-CAES剩余热量约束：
Figure BDA0002295406000000081
上式中，HHS,0和HHS,t分别为AA-CAES储热室的热量初值和t时刻剩余热量，Hc,τ、Hg,τ、Hst,τ分别为τ时刻AA-CAES装置的压缩放热功率、发电耗热功率和对外供热功率，HHSmax、HHsmin分别为AA-CAES装置的储热量上、下限值；
AA-CAES提供旋转备用约束：
Figure BDA0002295406000000082
上式中，RCAES,t为t时刻AA-CAES可以为系统提供的旋转备用，RCAESc,t、RCAESg,t分别为t时刻AA-CAES运行在压缩、发电工况时可以为系统提供的旋转备用，khg、khc分别为AA-CAES装置在发电、压缩过程中换热功率的功率系数，kg、kc分别为AA-CAES装置在发电、压缩过程中其储气室气压变化率的功率系数。
所述燃气轮机参与日前调度运行的约束包括热电出力比例约束、热电出力上下限约束、燃料耗量上下限约束和爬坡约束；
所述电锅炉参与日前调度运行的约束为：
Figure BDA0002295406000000083
上式中，Heb,t为t时刻电锅炉的热出力功率，Ppv,t,k和Ppvh,t,k分别为t时刻光伏电站k的总发电功率和用于电锅炉产热的电功率，ηpvh为电锅炉的电热转换效率；
所述柴油机参与日前调度运行的约束包括出力上下限约束、最小开关机时间约束和爬坡速率约束；
所述交直流配电网的潮流约束包括VSC换流站调度运行约束、基于DistFlow的支路潮流平衡约束和系统安全约束；
所述光伏电站参与日前调度运行的约束为：
Figure BDA0002295406000000091
上式中，Ppva,t,k为t时刻光伏电站k的实际弃光功率，Ppve,t,k为t时刻光伏电站k用于满足电负荷需求的功率；
所述可转移负荷参与日前调度运行的约束为：
Figure BDA0002295406000000092
Figure BDA0002295406000000093
Figure BDA0002295406000000094
上式中，
Figure BDA0002295406000000095
和
Figure BDA0002295406000000096
分别为可转移负荷节点j上负荷转入量的下限和上限，
Figure BDA0002295406000000097
为可转移负荷节点j在t时刻的正向负荷调度状态变量，
Figure BDA0002295406000000098
为可转移负荷节点j在t时刻的负向负荷调度状态变量，
Figure BDA0002295406000000099
和
Figure BDA00022954060000000910
分别为可转移负荷节点j上可转移负荷的负荷转出量的下限和上限，
Figure BDA00022954060000000911
为可转移负荷节点j负荷的单日转移量上限；
所述热能平衡约束为：
Figure BDA00022954060000000912
上式中，Hload,t为t时刻系统的热负荷；
所述系统备用约束为：
Figure BDA00022954060000000913
上式中，PGTmax,i、PGTmax,s分别为燃气轮机i、柴油机s的出力上限值，PT,t、PTmax分别为t时刻上级电网支援功率及其上限值，RL、RPV分别为预留给负荷、光伏的备用功率。
步骤B中，所述日前调度结果包括AA-CAES装置、燃气轮机、柴油机的启停状态和运行工况，以及AA-CAES装置、燃气轮机、柴油机、电锅炉、可转移负荷的调度计划。
所述热电联供系统包括交流配电网、直流配电网、换流站、区域供热系统以及热电耦合装置，所述交流配电网包括柴油机和交流负荷，所述直流配电网包括直流负荷和光伏电站，所述区域供热系统包括热负荷，所述热电耦合装置包括AA-CAES装置、燃气轮机和电锅炉。
本发明的原理说明如下：
本发明提供了一种考虑AA-CAES的热电联供系统优化调度方法，其针对建立的含AA-CAES的热电联供系统调度架构，根据AA-CAES装置在储热、换热及供热等关键环节的运行特性以及热电联供系统中其他调度资源的运行特性，构建了考虑AA-CAES的热电联供系统日前调度模型，其中，所述热电联供系统调度架构括交流配电网、直流配电网、换流站、区域供热系统以及热电耦合装置五部分，交流配电网包括柴油机和交流负荷(交流负荷中的一部分设为可转移负荷)，直流配电网包括直流负荷和光伏电站，换流站实现交流配电网和直流配电网间的功率传输和端口电压控制，区域供热系统包括热负荷，热电耦合装置包括AA-CAES装置、燃气轮机和电锅炉，实现热电能流间的转换。
日前调度模型：调度目标为热电联供系统的运行能耗的最小化，为了提升光伏消纳率，在该模型的目标函数中考虑了弃光等效能耗。
AA-CAES一般运行约束：主要指AA-CAES的单一运行工况约束、功率上下限值约束、气压限值约束。
AA-CAES储热器剩余热量约束；AA-CAES对外供热的前提是储热器剩余热量必须足够支持后续一段时间内膨胀发电的要求，同时，储热器储热值达到容量上限后则不能继续储热，压缩过程所回收的热量只能被耗散浪费。本约束条件可以保证AA-CAES储热器剩余热量满足后续发电需求以及压缩回收热能的利用率，从而提高系统的能效。
AA-CAES提供旋转备用约束：AA-CAES的剩余气压和热量需维持在一定水平之上，以保证功率缺额等紧急情况下能够为系统提供足够的备用功率。因此，AA-CAES提供旋转备用，需计及充放电功率约束、剩余气压及剩余热量约束。
光伏电站参与日前调度运行的约束：为光伏电量供应平衡约束，其作用体现在：光伏电站的电能主要用于供电和电锅炉产热，富余光伏电能将被废弃。因此光伏供电量、电锅炉产热用电量及弃光量之和应等于光伏发电量。
热能平衡约束：该约束条件用于保证系统中燃气轮机、电锅炉及AA-CAES装置等热源的产热量与热负荷量平衡，避免负荷缺额或产热浪费。
系统备用约束:为保证系统在功率波动或发生事故时能够安全运行，本发明根据负荷及光伏的预测值为系统预留一定的旋转备用功率。
实施例1：
参见图2，一种考虑AA-CAES的热电联供系统优化调度方法，该方法以图2所示的热电联供系统为对象(其中，系统的交直流混合配电网部分采用IEEE-14节点系统，交流配电网部分主要包括节点1-9、燃气轮机、柴油机、AA-CAES装置，且节点5和节点7的交流负荷用户可以参与激励型需求响应，为可转移负荷，直流配电网部分主要包括节点10-14以及光伏电站，燃气轮机直接向热能母线供热，AA-CAES装置通过AA-CAES储热器向热能母线供热，光伏电站的部分发电量供应给电锅炉产热，进一步向热能母线供热)，依次按照以下步骤进行：
步骤1、建立考虑AA-CAES的热电联供系统日前调度模型，该模型以燃气轮机运行能耗、柴油机运行能耗、废弃光伏等效能耗和可转移负荷等效调度能耗之和最小为目标函数：
Figure BDA0002295406000000111
上式中，T为日前调度时间段内的时刻数量，NGT、NG、NPV、NDR分别为燃气轮机、柴油机、光伏电站、可转移负荷节点的数量，bGT,i为燃气轮机i的能耗系数，HGT,t,i为t时刻燃气轮机i的产热功率，PG,t,s为t时刻柴油机s的出力值，bs为柴油机s的发电功率燃煤耗量参数，cs为柴油机s启停工况且切换的燃煤耗量参数，ut,s为t时刻柴油机s的开关状态，CDR为可转移负荷的调度等效能耗参数，
Figure BDA0002295406000000112
分别为t时刻第j个可转移负荷节点的增、减负荷功率，cppv为废弃光伏惩罚等效能耗系数，Ppva,t,k为t时刻光伏电站k的实际弃光功率；
所述目标函数的约束条件包括AA-CAES装置参与日前调度并进行热电联供的约束、燃气轮机参与日前调度运行的约束、电锅炉参与日前调度运行的约束、柴油机参与日前调度运行的约束、交直流配电网的潮流约束、光伏电站参与日前调度运行的约束、可转移负荷参与日前调度运行的约束、热能平衡约束、系统备用约束，其中，
所述AA-CAES装置参与日前调度并进行热电联供的约束包括：
AA-CAES一般运行约束：
uCAESc,t+uCAESg,t≤1
Figure BDA0002295406000000121
Figure BDA0002295406000000122
上式中，uCASEg,t为t时刻AA-CAES装置的发电状态变量，uCASEc,t为t时刻AA-CAES装置的压缩状态变量，PCASEg,t、PCASEc,t分别为t时刻AA-CAES装置的发电、压缩功率，PCAEScmax、PCAEScmin分别为AA-CAES装置的压缩功率上、下限值，PCAESgmax和PCAESgmin分别为AA-CAES装置的发电功率上、下限值，pst,t为t时刻AA-CAES装置的储气室气压，pstmax、pstmin分别为储气室的气压上、下限值，△pst,0为储气室的初始气压变化率，△pst,τ为τ时刻储气室的气压变化率，△t为一个调度时段的时长；
AA-CAES膨胀/压缩换热约束：
Hg,m,t＝mg,tcp,a(Tg,,m,in,t-Tg,m-1,out,t)
Figure BDA0002295406000000123
上式中，Hg,m,t和Hg,t分别为t时刻第m级膨胀过程和AA-CAES装置的整体放热功率，cp,a为空气比热容，Tg,m,in,t和Tg,m-1,out,t分别为m级膨胀机入口温度和m–1级膨胀机出口温度，ng为AA-CAES的膨胀级数；
AA-CAES供热功率约束：
Figure BDA0002295406000000124
上式中，Hst,t、Hstout,t分别为t时刻储热器的热能损耗功率和实际对外热输出功率，Hstmax为储热器的对外供热功率限值，kst为储热器对外供热损耗系数；
AA-CAES剩余热量约束：
Figure BDA0002295406000000131
上式中，HHS,0和HHS,t分别为AA-CAES储热室的热量初值和t时刻剩余热量，Hc,τ、Hg,τ、Hst,τ分别为τ时刻AA-CAES装置的压缩放热功率、发电耗热功率和对外供热功率，HHSmax、HHsmin分别为AA-CAES装置的储热量上、下限值；
AA-CAES提供旋转备用约束：
Figure BDA0002295406000000132
上式中，RCAES,t为t时刻AA-CAES可以为系统提供的旋转备用，RCAESc,t、RCAESg,t分别为t时刻AA-CAES运行在压缩、发电工况时可以为系统提供的旋转备用，khg、khc分别为AA-CAES装置在发电、压缩过程中换热功率的功率系数，kg、kc分别为AA-CAES装置在发电、压缩过程中其储气室气压变化率的功率系数；
所述燃气轮机参与日前调度运行的约束包括热电出力比例约束、热电出力上下限约束、燃料耗量上下限约束和爬坡约束；
所述电锅炉参与日前调度运行的约束为：
Figure BDA0002295406000000133
上式中，Heb,t为t时刻电锅炉的热出力功率，Ppv,t,k和Ppvh,t,k分别为t时刻光伏电站k的总发电功率和用于电锅炉产热的电功率，ηpvh为电锅炉的电热转换效率；
所述柴油机参与日前调度运行的约束包括出力上下限约束、最小开关机时间约束和爬坡速率约束；
所述交直流配电网的潮流约束包括VSC换流站调度运行约束、基于DistFlow的支路潮流平衡约束和系统安全约束；
所述光伏电站参与日前调度运行的约束为：
Figure BDA00022954060000001413
上式中，Ppva,t,k为t时刻光伏电站k的实际弃光功率，Ppve,t,k为t时刻光伏电站k用于满足电负荷需求的功率；
所述可转移负荷参与日前调度运行的约束为：
Figure BDA0002295406000000141
Figure BDA0002295406000000142
Figure BDA0002295406000000143
上式中，
Figure BDA0002295406000000144
和
Figure BDA0002295406000000145
分别为可转移负荷节点j上负荷转入量的下限和上限，
Figure BDA0002295406000000146
为可转移负荷节点j在t时刻的正向负荷调度状态变量，
Figure BDA0002295406000000147
为可转移负荷节点j在t时刻的负向负荷调度状态变量，
Figure BDA0002295406000000148
和
Figure BDA0002295406000000149
分别为可转移负荷节点j上可转移负荷的负荷转出量的下限和上限，
Figure BDA00022954060000001410
为可转移负荷节点j负荷的单日转移量上限；
所述热能平衡约束为：
Figure BDA00022954060000001411
上式中，Hload,t为t时刻系统的热负荷；
所述系统备用约束为：
Figure BDA00022954060000001412
上式中，PGTmax,i、PGTmax,s分别为燃气轮机i、柴油机s的出力上限值，PT,t、PTmax分别为t时刻上级电网支援功率及其上限值，RL、RPV分别为预留给负荷、光伏的备用功率；
步骤2、先将获取的光伏、热负荷和电负荷的短期预测数据(参见图3)输入所述日前调度模型中，得到热电联供系统的日前调度结果，然后根据日前调度结果对热电联供系统进行调度，其中，日前调度每24小时执行一次，单位调度时长为15分钟，调度时间窗为24小时，日前调度结果包括AA-CAES装置、燃气轮机、柴油机的启停状态和运行工况，以及AA-CAES装置、燃气轮机、柴油机、电锅炉、可转移负荷的调度计划，AA-CAES装置、燃气轮机、柴油机的调度参数参见表1-3：
表1 AA-CAES装置的调度参数
参数项目 数值
最大发电功率/MW 16
最小发电功率/MW 6.4
最大压缩功率/MW 8
最小压缩功率/MW 3.2
最小开机时间/min 45
最小关机时间/min 45
每日最大开/关机次数 5
发电气压变化率功率系数/(Pa·kW<sup>-1</sup>) 2.17
压缩气压变化率功率系数/(Pa·kW<sup>-1</sup>) 2.68
储气室气压变化范围/MPa 4.5～5.5
储热器对外供热热能损耗系数 0.7
最小功率因数 0.8
表2燃气轮机的调度参数
Figure BDA0002295406000000151
Figure BDA0002295406000000161
表3柴油机的调度参数
参数项目 数值
最大有功出力值/MW 15
最小有功出力值/MW 2
最大无功出力值/MW 5
最小无功出力值/MW 1
爬坡速率/(MW·h-1) 1
最小开机时间/h 2
最小关机时间/h 2
线性耗量参数/(m3·MW<sup>-1</sup>·h<sup>-1</sup>) 0.089
固定耗量参数/(m3·MW<sup>-1</sup>) 0.57
。
为验证本发明方法的有效性，本实施例设定了如表4所示的4种运行场景。其中，场景1中系统包含AA-CAES装置且其同时参与系统的备用和供热；场景2中不包含AA-CAES装置；场景3中AA-CAES装置不参与系统供热；场景4中AA-CAES装置不参与备用。
表4各运行场景的设置
Figure BDA0002295406000000162
图4、图5为场景1的系统电源出力和系统能源出力曲线图，从图中可以看出，在00:00-08:30时段内，系统电负荷和光伏出力值较低，热负荷水平较高，该时段内，AA-CAES储热器保持热出力满发，为燃气轮机分担部分热负荷。随着时间的推移，电负荷水平逐渐提高而热负荷水平下降，AA-CAES维持其热出力不变，燃气轮机的电出力随其热出力的下降而同步下降，AA-CAES转入发电工况，为系统提供电能支持。在08:30-17:30时段内，系统热负荷水平较低而电负荷水平较高，同时光伏发电量激增，在12:30达到峰值，并在09:45-15:00时段内超过电负荷。该时段内，为提高系统运行经济性，调度的首要目标是削减弃光，因此AA-CAES在08:30后出力逐渐下降，并在09:30-15:30时段内转入压缩工况储存富余光伏电量，同时，部分光伏发电量被用于电锅炉产热，燃气轮机热出力和AA-CAES热出力均下降。在17:30-24:00时段内，热、电负荷均进入高峰期，而光伏发电量逐渐减弱至0。在光伏下降为0后，AA-CAES和燃气轮机承担了系统全部的热负荷。为保证剩余气压、热量维持在一定水平内，AA-CAES没有在光伏降为0后进行长时间的发电释能。值得注意的是，在15:45-17:15时间段内，光伏迅速下降，电负荷值已经达到较高水准，而热负荷值尚未抬升。AA-CAES为维持剩余气压及热量处于关机状态，而燃气轮机出力受热负荷限制维持在较低水平，系统需要柴油机提供较高的出力方能满足电负荷需求。因此，在该时段内AA-CAES无法提供备用，而柴油机能够提供的备用也相应减少，系统的备用资源处于一天中最紧缺的状态，该时段备用资源的合理配置将成为调度的重要目标。总体而言，AA-CAES装置的电出力曲线满足储能“低储高放”的出力特征，在系统净负荷低谷期压缩储能，高峰期膨胀释能，起到了削减弃光、丰富备用的作用；AA-CAES装置为系统提供了大量热功率，分担了燃气轮机的产能负担，起到热电联储/供，降低系统运行能耗的作用。
图6、图7、图8显示了场景1和场景3的系统热源出力情况。AA-CAES参与系统供热，主要在光伏低谷期进行热能输出，每日共承担系统17.35％的热负荷。AA-CAES参与系统供热后，电锅炉的热出力产生了小幅削减，燃气轮机的热出力大幅削减。在光伏电站有出力的全周期，即05:45-19:45时段内，均有部分光伏电量用于电锅炉产热。在09:15-15:30时段内，光伏出力较高，光伏承担了系统主要的电负荷和部分的热负荷，燃气轮机保持最小出力。AA-CAES的热出力主要分布在00:00-10:15和15:00-24:00时段内，其中，00:00-8:45和17:30-24:00时段内，AA-CAES的储热器满发放热，大幅削减燃气轮机的热出力，而在08:45-10:15和15:00-17:30时段内，系统尚无突出的光伏消纳问题，因此AA-CAES提供了一定的热能，使光伏热出力削减，更大比例的光伏发电量用于满足系统电负荷，进一步降低了系统运行能耗。
图9、图10分别为场景1、场景4各备用源的备用功率提供情况示意图，由图中可知，系统备用资源充足，燃气轮机和柴油机已经能充分满足系统的备用要求，因而AA-CAES电站是否提供备用对系统运行策略影响较小。然而，AA-CAES的投入可以为系统提供更充足的备用资源，能够在紧急情况下为系统提供更多的调度和应急资源，增强系统运行安全性、可靠性。同时，由于AA-CAES启动速度较快，工况转换迅速，其在向下备用、事故备用和黑启动方面还有更加广阔的应用潜力，能够为系统安全稳定运行提供更强的支撑。
通过上述分析不难发现，系统光伏出力的高峰集中在09:15-15:30时段内，其主要用途包括:1)满足系统电负荷需求；2)用于电锅炉产热满足系统热负荷需求；3)AA-CAES压缩储能。在满足上述需求后仍无法充分利用的光能被弃用。由于系统不考虑下备用，弃光仅会在光伏出力超过电负荷总量的情况下发生。在场景2(不含AA-CAES)中，12:30-14:15时段内产生弃光，弃光总量为3.8MW·h；而在AA-CAES加入系统运行后，09:30-15:15内进行了储能，系统弃光完全削减，提高了系统的光伏消纳能力。
此外，场景1、2、3的系统每日调度运行能耗明细如表5所示(为方便比较，系统各部分能耗都已经转换为天然气体积)：
表5系统每日调度运行能耗明细
Figure BDA0002295406000000181
由表5可知，场景1和场景3的每日调度运行能耗分别较场景2下降17.78％和1.70％。基于前文的分析，AA-CAES参与系统运行，主要起到热电联储联供、提高系统光伏消纳能力和丰富系统备用资源的作用。结合表2，AA-CAES的经济效益在热能供应方面体现最为明显。系统供热的能耗可以用燃气轮机的能耗来等效，场景1下燃气轮机的运行能耗分别较场景2和场景3削减28.03％和26.28％。在上述3个场景中，燃气轮机的调度能耗分别占其每日调度运行总能耗的94.54％、99.51％和99.86％。AA-CAES的引入，可以分担系统17.35％的热负荷量，因而在减小系统供热能耗方面效果显著。其次，投入AA-CAES后，系统弃光被完全削减，弃光等效能耗削减100％。但由于光伏电量可以用于产热，系统本身弃光量较低，因此AA-CAES在该方面产生的经济效益对总能耗影响相对较小。除此之外，AA-CAES的投入提高了系统调度运行的灵活性，可转移负荷的调度需求相应减小，场景1和场景3下可转移负荷的调度等效能耗分别较场景2下降了38.54％和3.81％。
综上所述，本发明所提出的优化调度方法具备有效性及合理性。

Claims (6)

1.一种考虑AA-CAES的热电联供系统优化调度方法，其特征在于：
所述方法依次包括以下步骤：
步骤A、建立考虑AA-CAES的热电联供系统日前调度模型，该模型以燃气轮机运行能耗、柴油机运行能耗、废弃光伏等效能耗和可转移负荷等效调度能耗之和最小为目标函数；
步骤B、先将获取的光伏、热负荷和电负荷的短期预测数据输入所述日前调度模型中，得到热电联供系统的日前调度结果，然后根据日前调度结果对热电联供系统进行调度。
2.根据权利要求1所述的一种考虑AA-CAES的热电联供系统优化调度方法，其特征在于：
步骤A中，所述日前调度模型的目标函数为：
Figure FDA0002295405990000011
上式中，T为日前调度时间段内的时刻数量，NGT、NG、NPV、NDR分别为燃气轮机、柴油机、光伏电站、可转移负荷节点的数量，bGT,i为燃气轮机i的能耗系数，HGT,t,i为t时刻燃气轮机i的产热功率，PG,t,s为t时刻柴油机s的出力值，bs为柴油机s的发电功率燃煤耗量参数，cs为柴油机s启停工况且切换的燃煤耗量参数，ut,s为t时刻柴油机s的开关状态，CDR为可转移负荷的调度等效能耗参数，
Figure FDA0002295405990000012
分别为t时刻第j个可转移负荷节点的增、减负荷功率，cppv为废弃光伏惩罚等效能耗系数，Ppva,t,k为t时刻光伏电站k的实际弃光功率。
3.根据权利要求2所述的一种考虑AA-CAES的热电联供系统优化调度方法，其特征在于：
所述目标函数的约束条件包括AA-CAES装置参与日前调度并进行热电联供的约束、燃气轮机参与日前调度运行的约束、电锅炉参与日前调度运行的约束、柴油机参与日前调度运行的约束、交直流配电网的潮流约束、光伏电站参与日前调度运行的约束、可转移负荷参与日前调度运行的约束、热能平衡约束、系统备用约束，其中，
所述AA-CAES装置参与日前调度并进行热电联供的约束包括：
AA-CAES一般运行约束：
uCAESc,t+uCAESg,t≤1
Figure FDA0002295405990000021
Figure FDA0002295405990000022
上式中，uCASEg,t为t时刻AA-CAES装置的发电状态变量，uCASEc,t为t时刻AA-CAES装置的压缩状态变量，PCASEg,t、PCASEc,t分别为t时刻AA-CAES装置的发电、压缩功率，PCAEScmax、PCAEScmin分别为AA-CAES装置的压缩功率上、下限值，PCAESgmax和PCAESgmin分别为AA-CAES装置的发电功率上、下限值，pst,t为t时刻AA-CAES装置的储气室气压，pstmax、pstmin分别为储气室的气压上、下限值，△pst,0为储气室的初始气压变化率，△pst,τ为τ时刻储气室的气压变化率，△t为一个调度时段的时长；
AA-CAES膨胀/压缩换热约束：
Hg,m,t＝mg,tcp,a(Tg,,m,in,t-Tg,m-1,out,t)
Figure FDA0002295405990000023
上式中，Hg,m,t和Hg,t分别为t时刻第m级膨胀过程和AA-CAES装置的整体放热功率，cp,a为空气比热容，Tg,m,in,t和Tg,m-1,out,t分别为m级膨胀机入口温度和m–1级膨胀机出口温度，ng为AA-CAES的膨胀级数；
AA-CAES供热功率约束：
Figure FDA0002295405990000024
上式中，Hst,t、Hstout,t分别为t时刻储热器的热能损耗功率和实际对外热输出功率，Hstmax为储热器的对外供热功率限值，kst为储热器对外供热损耗系数；
AA-CAES剩余热量约束：
Figure FDA0002295405990000025
上式中，HHS,0和HHS,t分别为AA-CAES储热室的热量初值和t时刻剩余热量，Hc,τ、Hg,τ、Hst,τ分别为τ时刻AA-CAES装置的压缩放热功率、发电耗热功率和对外供热功率，HHSmax、HHsmin分别为AA-CAES装置的储热量上、下限值；
AA-CAES提供旋转备用约束：
Figure FDA0002295405990000031
上式中，RCAES,t为t时刻AA-CAES可以为系统提供的旋转备用，RCAESc,t、RCAESg,t分别为t时刻AA-CAES运行在压缩、发电工况时可以为系统提供的旋转备用，khg、khc分别为AA-CAES装置在发电、压缩过程中换热功率的功率系数，kg、kc分别为AA-CAES装置在发电、压缩过程中其储气室气压变化率的功率系数。
4.根据权利要求3所述的一种考虑AA-CAES的热电联供系统优化调度方法，其特征在于：
所述燃气轮机参与日前调度运行的约束包括热电出力比例约束、热电出力上下限约束、燃料耗量上下限约束和爬坡约束；
所述电锅炉参与日前调度运行的约束为：
Figure FDA0002295405990000032
上式中，Heb,t为t时刻电锅炉的热出力功率，Ppv,t,k和Ppvh,t,k分别为t时刻光伏电站k的总发电功率和用于电锅炉产热的电功率，ηpvh为电锅炉的电热转换效率；
所述柴油机参与日前调度运行的约束包括出力上下限约束、最小开关机时间约束和爬坡速率约束；
所述交直流配电网的潮流约束包括VSC换流站调度运行约束、基于DistFlow的支路潮流平衡约束和系统安全约束；
所述光伏电站参与日前调度运行的约束为：
Figure FDA0002295405990000041
上式中，Ppva,t,k为t时刻光伏电站k的实际弃光功率，Ppve,t,k为t时刻光伏电站k用于满足电负荷需求的功率；
所述可转移负荷参与日前调度运行的约束为：
Figure FDA0002295405990000042
Figure FDA0002295405990000043
Figure FDA0002295405990000044
上式中，
Figure FDA0002295405990000045
和
Figure FDA0002295405990000046
分别为可转移负荷节点j上负荷转入量的下限和上限，
Figure FDA0002295405990000047
为可转移负荷节点j在t时刻的正向负荷调度状态变量，
Figure FDA0002295405990000048
为可转移负荷节点j在t时刻的负向负荷调度状态变量，
Figure FDA0002295405990000049
和
Figure FDA00022954059900000410
分别为可转移负荷节点j上可转移负荷的负荷转出量的下限和上限，
Figure FDA00022954059900000411
为可转移负荷节点j负荷的单日转移量上限；
所述热能平衡约束为：
Figure FDA00022954059900000412
上式中，Hload,t为t时刻系统的热负荷；
所述系统备用约束为：
Figure FDA00022954059900000413
上式中，PGTmax,i、PGTmax,s分别为燃气轮机i、柴油机s的出力上限值，PT,t、PTmax分别为t时刻上级电网支援功率及其上限值，RL、RPV分别为预留给负荷、光伏的备用功率。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种考虑AA-CAES的热电联供系统优化调度方法，其特征在于：
步骤B中，所述日前调度结果包括AA-CAES装置、燃气轮机、柴油机的启停状态和运行工况，以及AA-CAES装置、燃气轮机、柴油机、电锅炉、可转移负荷的调度计划。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的一种考虑AA-CAES的热电联供系统优化调度方法，其特征在于：
所述热电联供系统包括交流配电网、直流配电网、换流站、区域供热系统以及热电耦合装置，所述交流配电网包括柴油机和交流负荷，所述直流配电网包括直流负荷和光伏电站，所述区域供热系统包括热负荷，所述热电耦合装置包括AA-CAES装置、燃气轮机和电锅炉。
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