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CN115513992A - 基于生物质能的全可再生能源多能互补耦合供能系统及其调度策略优化模型 - Google Patents

基于生物质能的全可再生能源多能互补耦合供能系统及其调度策略优化模型 Download PDF

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CN115513992A
CN115513992A CN202210275209.3A CN202210275209A CN115513992A CN 115513992 A CN115513992 A CN 115513992A CN 202210275209 A CN202210275209 A CN 202210275209A CN 115513992 A CN115513992 A CN 115513992A
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hour
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CN202210275209.3A
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陈海军
陈新
任洪波
黄文龙
古阳光
朱跃钊
杨谋存
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Nanjing Tech University
Original Assignee
Nanjing Tech University
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Abstract

本发明公开了一种基于生物质能的全可再生能源多能互补耦合供能系统及其调度策略优化模型，该系统利用四种可再生的一次能源经过能源转换、能源输送、能源存储满足一定规模的用户对电负荷（17）、热负荷（15）、冷负荷（14）、气负荷（13）的需求；风能（1）、沼气生物质能（2）、太阳能（3）、气化生物质能（4）、直燃生物质能（5）、地热能（6）通过能源转换设备转变为二次能源送入相应的电母线（21）、热母线（16）、冷母线（10）、气母线（9）并供给用户和能源存储设备。调度策略优化模型的目标函数要求系统年总费用最小。本发明的系统利用当地可再生能源，供能稳定，减少碳排放，避免对大电网的冲击，具有较好的经济性。

Description

基于生物质能的全可再生能源多能互补耦合供能系统及其调 度策略优化模型
技术领域
本发明涉及可再生能源利用技术领域，具体地说是一种基于生物质能的全可再生能源多能互补耦合供能系统及其调度策略优化模型。
背景技术
国家发改委、能源局印发《推进多能互补集成优化示范工程建设的实施意见》，明确了加快推进多能互补集成优化示范工程建设的目标。国内外应用相关理论和技术成果，已建成多样性示范工程，包括多能互补、分布式能源、微电网以及冷热电气联供等，相关工作既有区别，也可相互借鉴。《2030年前碳达峰行动方案》中要求严控跨区外送可再生能源电力配套煤电规模，新建通道可再生能源电量比例原则上不低于50％。
现有多能互补耦合供能系统多是依靠化石能源保证供能稳定性，可再生能源电量在系统中占比较低，且容易造成CO2的过量排放。而生物质能可连续可控地输出冷热和电，形成基于生物质能的全可再生能源多能互补耦合供能系统有望实现100％可再生化。
建立基于生物质能的全可再生能源多能互补耦合供能系统是“双碳”目标下补齐我国能源系统短板弱项、推动绿色低碳转型和实现“双碳”目标的必由之路。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于生物质能的全可再生能源多能互补耦合供能系统及其调度策略优化模型；该系统结合用能地的资源禀赋情况，耦合当地多种可再生能源，实现系统供能的全可再生化，同时保证系统稳定供能，减少碳排放；并通过合理配置单元的装机容量、形成稳定供能的调度策略。
本发明的目的是通过以下技术方案解决的：
一种基于生物质能的全可再生能源多能互补耦合供能系统，其特征在于：该系统利用生物质能、风能、太阳能、地热能四种可再生的一次能源，经过能源转换、能源输送、能源存储满足一定规模的用户对电负荷、热负荷、冷负荷、气负荷的需求；其中，风能通过风力发电机组将当地部分风资源转变为电能后接入电母线；沼气生物质能的部分通过沼气发电机组转变为电能后进入电母线、其余部分送入气母线；太阳能通过光伏发电机组将当地部分太阳能资源转变为电能后接入电母线；气化生物质能的部分通过热电联产单元转变为电能后进入电母线且热电联产单元按照相应的热电比产生一定的热量并以水为工质进入热母线、其余部分送入气母线；直燃生物质能利用生物质直燃锅炉以直燃供热的方式得到热量并以水为工质进入热母线；地热能在冬季通过地源热泵以热泵的方式转变为热量并以水为工质将热量送入热母线、在夏季通过地源热泵以热泵的方式将室内热量引入地下且产生的冷量以水为工质进入冷母线；电母线与储电单元、就地消纳接口和电负荷相连接；热母线与储热单元和热负荷相连接；冷母线与储冷单元和冷负荷相连接；气母线与储气单元和气负荷相连接。
所述的沼气生物质能利用发酵罐以厌氧/好氧的发酵方式得到生物质粗燃气、再经沼气生物质净化单元得到洁净的生物质燃气，通过沼气发电机组将部分洁净的生物质燃气转变为电能后进入电母线、再将其余部分洁净的生物质燃气送入气母线。
所述的气化生物质能利用生物质气化炉以气化的方式得到生物质粗燃气、再经气化生物质净化单元得到洁净的生物质燃气，通过热电联产单元将部分洁净的生物质燃气转变为电能后进入电母线且热电联产单元按照相应的热电比产生一定的热量并以水为工质进入热母线、再将其余部分洁净的生物质燃气送入气母线。
所述的热母线与吸收式制冷单元相连接，吸收式制冷单元利用热母线的热量产生冷量并将其传输给冷母线。
基于生物质能的全可再生能源多能互补耦合供能系统的调度策略优化模型，其特征在于：所述调度策略优化模型的目标函数要求系统的年投资费用、年运行费用、年维护费用和年碳税额之和最小，该调度策略优化模型的目标函数为：
Figure RE-GDA0003812792290000021
式(1)中，TAC为系统年总费用，元；ICi为第i个单元的年投资费用，元；MCi,m,h为第i个单元在第m个月第h小时的维护费用，元；OCi,m,h为第i个单元在第m个月第h小时的运行费用，元；CEi,m,h为第i个单元在第m个月第h小时因碳排放所缴纳的碳税，元；i为单元种类，i包括风力发电单元、生物质沼气发电单元、光伏发电单元、生物质气化热电联产单元、生物质直燃供热单元、地源热泵单元、储电单元、储热单元、吸收式制冷单元、储冷单元和储气单元，其中风力发电单元包括风力发电机组，生物质沼气发电单元包括发酵罐、沼气生物质净化单元和沼气发电机组，光伏发电单元包括光伏发电机组，生物质气化热电联产单元包括生物质气化炉、气化生物质净化单元和热电联产单元，生物质直燃供热单元包括生物质直燃锅炉，地源热泵单元包括地源热泵。
第i个单元的年投资费用ICi由第i个单元的额定容量乘以第i个单元的千瓦造价之和经过年化处理后得到，如公式(2)所示：
Figure RE-GDA0003812792290000022
式(2)中，ICi为第i个单元的年投资费用；g为资金投资年利率；y为设备使用年限；RCi为第i个单元的容量配置，kW；UPi为第i个单元投资费用的千瓦造价，元/kW。
第i个单元的年运行费用OCi由第i个单元参与系统能源调度时出力过程中消耗的原料和原料的价格决定，如公式(3)所示：
Figure RE-GDA0003812792290000031
式(3)中，OCi表示第i个单元的年运行费用；EOBCHP,m,h为电力调度时生物质气化热电联产单元在第m个月第h小时输出的电量，kW；
Figure RE-GDA0003812792290000032
为生物质气化热电联产单元的电转换效率；CVBRM为生物质原料的热值，kJ/kg；PBRM，m为生物质原料的单价，元/kg；EOBPG,m,h为电力调度时生物质沼气发电单元在第m个月第h小时输出的电量，kW；
Figure RE-GDA0003812792290000033
为生物质沼气发电单元的电转换效率；CVKW为餐厨垃圾的热值，kJ/kg；PKW,m为餐厨垃圾收运及处理补贴价，元/kg；HOBDCH,m,h为热量调度时生物质直燃供热单元在第m个月第h小时输出的热量，kW；
Figure RE-GDA0003812792290000034
为生物质直燃供热单元的热转换效率；CVBRM为生物质原料的热值，kJ/kg；。
第i个单元的年维护费用MCi由第i个单元参与系统能源调度时出力大小和单位维护费用决定，如公式(4)所示：
Figure RE-GDA0003812792290000035
式(4)中，MCi为第i个单元的年维护费用；EOi,m,h为电量调度时第i个单元在第m个月第h小时输出的电量，kW；HOi,m,h为热量调度时第i个单元在第m个月第h小时输出的热量，kW；COi,m,h为冷量调度时第i个单元在第m个月第h小时输出的冷量，kW；Pi为第i个单元参与调度时的单位维护费用，元/kW。
第i个单元的年碳税额CEi由第i个单元参与系统能源调度时二氧化碳排放量和单位碳税决定，如公式(5)所示：
Figure RE-GDA0003812792290000036
式(5)中，CEi为第i个单元的年碳税额；αi为第i个单元参与电量调度出力时的二氧化碳排放量折算系数，kg/kW；βi为第i个单元参与热量调度出力时的二氧化碳排放量折算系数，kg/kW；δi为第i个单元参与冷量调度出力时的二氧化碳排放量折算系数，kg/kW；η为二氧化碳排放税，元/kg。
所述调度策略优化模型的目标函数的约束条件包括电量平衡约束、热量平衡约束、冷量平衡约束，其中电量平衡约束如公式(6)所示：
Figure RE-GDA0003812792290000041
式(6)中：EOBCHP,m,h表示生物质气化热电联产单元电量调度时在第m个月第h小时输出的电量，kW；EOPV,m,h表示光伏发电单元电量调度时在第m个月第h小时输出的电量，kW；EOWT,m,h表示风力发电单元电量调度时在第m个月第h小时输出的电量，kW；EOBPG,m,h表示生物质沼气发电单元电量调度时在第m个月第h小时输出的电量，kW；EOSBT,m,h表示储电单元电量调度时在第m个月第h小时输出的电量，kW；UELm,h表示用户侧的电负荷在第m个月第 h小时消耗的电量，kW；ECGSHP,,m,h表示地源热泵单元在第m个月第h小时消耗的电量，kW； ECCS,m,h表示储冷单元在第m个月第h小时储冷过程中消耗的电量，kW；ECCSR,m,h表示储冷单元在第m个月第h小时放冷过程的耗电量，kW；ECSBT,m,h表示储电单元第m个月第h小时储存的电量，kW；
热量平衡约束如公式(7)所示：
HOBCHP,m,h+HOGSHP,m,h+HOBDCH,m,h+HOHS,m,h＝UHLm,h+HCAC,m,h+HCHS,m,h (7)
式(7)中，HOBCHP,m,h表示生物质气化热电联产单元热量调度时在第m个月第h小时输出的热量，kW；HOGSHP,m,h表示地源热泵单元热量调度时在第m个月第h小时输出的热量，kW；HOBDCH,m,h表示生物质直燃供热单元热量调度时在第m个月第h小时输出的热量，kW；HOHS,m,h表示储热单元热量调度时在第m个月第h小时输出的热量，kW；UHLm,h表示用户侧的热负荷热量调度时在第m个月第h小时消耗的热量，kW；HCAC,m,h表示吸收式制冷单元热量调度时在第m个月第h小时消耗的热量，kW；HCHS,m,h表示储热单元热量调度时在第m个月第h小时储存的热量，kW；
冷量平衡约束如公式(8)所示：
COGSHP,m,h+COAC,m,h+COCS,m,h＝UCLm,h+CCCS,m,h (8)
式(8)中，COGSHP,m,h表示地源热泵单元冷量调度时在第m个月的第h小时输出的冷量， kW；COAC,m,h表示吸收式制冷单元冷量调度时在第m个月的第h小时输出的冷量，kW；COCS,m,h表示储冷单元冷量调度时在第m个月的第h小时输出的冷量，kW；UCLm,h表示用户侧的冷负荷冷量调度时在第m个月的第h小时消耗的冷量，kW；CCCS,m,h表示储冷单元冷量调度时在第 m个月的第h小时储存的冷量，kW。
该系统涉及的四种可再生能源通过六个能源转换单元将其转变为二次能源，其中生物质能利用单元包括：生物质沼气发电单元、生物质气化热电联产单元和生物质直燃供热单元。基于调度策略优化模型的目标函数，获得生物质沼气发电单元的相对装机比例为10％～50％，生物质气化热电联产单元的相对装机比例为60％～100％，生物质直燃供热单元的相对装机比例为60％～80％；风力发电单元的相对装机比例为20％～100％，光伏发电单元的相对装机比例为20％～100％，地源热泵单元的相对装机比例为20％～60％，吸收式制冷单元的相对装机比例为50％～200％。
在本发明专利所述的系统中，相应能源生产或能源转换单元的装机容量与用户侧年最大用能负荷的比值为相对装机比例。即相对装机比例指的是某一个单元的装机容量与总负荷(将热负荷、冷负荷、气负荷全部乘以相应的系数，转变成电负荷；具体计算过程为：先假定热负荷是燃煤供应，然后计算该负荷下消耗标煤的速度，然后再把标煤转变成电负荷，其他负荷也是这样的思路)的比值。
基于调度策略优化模型的目标函数，将每天分为两个用能高峰期和一个用能低谷期：其中第一用能高峰期的用能负荷约占全天总负荷的40％，为每天的0：00～8：00；用能低谷期的用能负荷约占全天总负荷的10％，为9：00～16：00；第二用能高峰期的用能负荷约占全天总负荷的50％，为每天17：00～24：00。就地消纳接口在第一用电高峰期、用电低谷期和第二用电高峰期的就地消纳率分别为：在第一用电高峰期，夏季的就地消纳率为30％～40％、过渡季的就地消纳率为5％～10％、冬季的就地消纳率为35％～45％；在用电低谷期，夏季的就地消纳率为60％～70％、过渡季的就地消纳率为10％～20％、冬季的就地消纳率为60％～70％；第二用电高峰期，夏季的就地消纳率为30％～40％、过渡季的就地消纳率为5％～10％、冬季的就地消纳率为30％～40％。
在本发明专利中，系统经过能源转换、能源输送、能源存储满足一定规模的用户对电负荷、热负荷、冷负荷、气负荷的需求，以二次能源的就地消纳量与总产量的比值定义就地消纳率。例如：该系统计划给1000户居民区供能，则用户没有用掉的电量通过就地消纳接口送到当地其他用户处，故用于其他用户的电量与系统产生的总电量之比即为就地消纳率。
就地消纳率是反应系统调度策略的优劣，以及系统配置的合理程度，就地消纳率越低代表这一段时间系统的调度策略越合理，反之则越不合理。之所以用就地消纳率来说明调度策略主要原因是：系统的调度策略是结合负荷、风速与太阳辐射强度，同时按照基于调度策略优化模型的目标函数最小的原则进行调度，随机性较强，规律性差，无法形成完全统一的调度策略；故计算就地消纳率侧面反映能源调度侧率的优劣。
该基于生物质能的全可再生能源多能互补耦合供能系统主要布置在我国东部地区，包括河北省、北京市、天津市、山东省、江苏省、浙江省、上海市。系统中的可再生能源包括风能、生物质能、太阳能、地热能等，且可再生能源种类要达到三种或三种以上。系统中所有的能源全部为可再生能源，不能出现煤炭、石油、天然气等不可再生能源。系统能够同时满足用户的冷负荷、热负荷、电负荷、气负荷需求。
本发明相比现有技术有如下优点：
本发明的系统中的生物质沼气发电单元和生物质气化热电联产单元相对装机比例之和不高于150％，且避免了储电单元的装机容量过大的问题，不仅保证了系统供能的稳定性，还使得系统具有较好的经济性。
本发明的系统耦合了四种可再生能源，经过能源转换、能源输送、能源存储满足一定规模的用户对电负荷、热负荷、冷负荷、气负荷的需求；系统产生的二次能源大多被用户侧负荷消纳，少量多余的二次能源通过市网耦合进行就地消纳，因此系统的就地消纳率较低，且没有隔墙售电的情况；该系统充分利用当地可再生能源，供能稳定，减少碳排放，避免对大电网的冲击，具有较好的经济性。
附图说明
附图1为本发明的基于生物质能的全可再生能源多能互补耦合供能系统的能流图；
附图2为本发明实施例一的基于生物质能的全可再生能源多能互补耦合供能系统的夏季调度策略；
附图3为本发明实施例一的基于生物质能的全可再生能源多能互补耦合供能系统的过渡季调度策略；
附图4为本发明实施例一的基于生物质能的全可再生能源多能互补耦合供能系统的冬季调度策略。
其中：1—风能；2—沼气生物质能；3—太阳能；4—气化生物质能；5—直燃生物质能；6—地热能；7—生物质直燃锅炉；8—地源热泵；9—气母线；10—冷母线；11—储气单元；12—吸收式制冷单元；13—气负荷；14—冷负荷；15—热负荷；16—热母线；17—电负荷；18—储热单元；19—就地消纳接口；20—储电单元；21—电母线；22—热电联产单元；23—光伏发电机组；24—沼气发电机组；25—风力发电机组；26—沼气生物质净化单元；27—气化生物质净化单元；28—发酵罐；29—生物质气化炉；30—储冷单元。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
在本发明提供的基于生物质能的全可再生能源多能互补耦合供能系统及其调度策略优化模型中，首先建立各单元的物理模型和经济模型，物理模型保证各单元按照附图1所示的能流图进行连接，保证能量平衡；经济模型可以保证按照能流平衡过程计算系统年总费用(也叫目标函数，包括各单元年投资费用、年运行费用、年维护费用、碳税费用)，而混合整数线性规划法则会在众多能量平衡方案中选取目标函数值最小，也就是最省钱的能量平衡方案。而这个能量平衡方案就包括各单元的装机容量(配置)和各单元在能量平衡过程中的能源调度策略。
如图1所示：一种基于生物质能的全可再生能源多能互补耦合供能系统，该系统利用生物质能、风能1、太阳能3、地热能6四种可再生的一次能源，经过能源转换、能源输送、能源存储满足一定规模的用户对电负荷17、热负荷15、冷负荷14、气负荷13的需求。风能1 通过风力发电机组25将当地部分风资源转变为电能后接入电母线21；沼气生物质能2利用发酵罐28以厌氧/好氧的发酵方式得到生物质粗燃气、再经沼气生物质净化单元26得到洁净的生物质燃气，通过沼气发电机组24将部分洁净的生物质燃气转变为电能后进入电母线21、再将其余部分洁净的生物质燃气送入气母线9；太阳能3通过光伏发电机组23将当地部分太阳能资源转变为电能后接入电母线21；气化生物质能4利用生物质气化炉29以气化的方式得到生物质粗燃气、再经气化生物质净化单元27得到洁净的生物质燃气，通过热电联产单元 22将部分洁净的生物质燃气转变为电能后进入电母线21且热电联产单元22按照相应的热电比产生一定的热量并以水为工质进入热母线16、再将其余部分洁净的生物质燃气送入气母线 9；直燃生物质能5利用生物质直燃锅炉7以直燃供热的方式得到热量并以水为工质进入热母线16；地热能6在冬季通过地源热泵8以热泵的方式转变为热量并以水为工质将热量送入热母线16、在夏季通过地源热泵8以热泵的方式将室内热量引入地下且产生的冷量以水为工质进入冷母线10；电母线21与储电单元20、就地消纳接口19和电负荷17相连接；热母线16 与储热单元18和热负荷15相连接，同时热母线16与吸收式制冷单元12相连接，吸收式制冷单元12利用热母线的热量产生冷量并将其传输给冷母线10；冷母线10与储冷单元30和冷负荷14相连接；气母线9与储气单元11和气负荷13相连接。
基于生物质能的全可再生能源多能互补耦合供能系统的调度策略优化模型，该调度策略优化模型的目标函数要求系统的年投资费用、年运行费用、年维护费用和年碳税额之和最小，该调度策略优化模型的目标函数为：
Figure RE-GDA0003812792290000081
式(1)中，TAC为系统年总费用，元；ICi为第i个单元的年投资费用，元；MCi,m,h为第i个单元在第m个月第h小时的维护费用，元；OCi,m,h为第i个单元在第m个月第h小时的运行费用，元；CEi,m,h为第i个单元在第m个月第h小时因碳排放所缴纳的碳税，元；i为单元种类，i包括风力发电单元、生物质沼气发电单元、光伏发电单元、生物质气化热电联产单元、生物质直燃供热单元、地源热泵单元、储电单元20、储热单元18、吸收式制冷单元12、储冷单元30和储气单元11，其中风力发电单元包括风力发电机组25，生物质沼气发电单元包括发酵罐28、沼气生物质净化单元26和沼气发电机组24，光伏发电单元包括光伏发电机组 23，生物质气化热电联产单元包括生物质气化炉29、气化生物质净化单元27和热电联产单元22，生物质直燃供热单元包括生物质直燃锅炉7，地源热泵单元包括地源热泵8。
第i个单元的年投资费用ICi由第i个单元的额定容量乘以第i个单元的千瓦造价之和经过年化处理后得到，如公式(2)所示：
Figure RE-GDA0003812792290000082
式(2)中，ICi为第i个单元的年投资费用；g为资金投资年利率；y为设备使用年限；RCi为第i个单元的容量配置，kW；UPi为第i个单元投资费用的千瓦造价，元/kW。
第i个单元的年运行费用OCi由第i个单元参与系统能源调度时出力过程中消耗的原料和原料的价格决定，如公式(3)所示：
Figure RE-GDA0003812792290000083
式(3)中，OCi表示第i个单元的年运行费用；EOBCHP,m,h为电力调度时生物质气化热电联产单元在第m个月第h小时输出的电量，kW；
Figure RE-GDA0003812792290000084
为生物质气化热电联产单元的电转换效率；CVBRM为生物质原料的热值，kJ/kg；PBRM，m为生物质原料的单价，元/kg；EOBPG,m,h为电力调度时生物质沼气发电单元在第m个月第h小时输出的电量，kW；
Figure RE-GDA0003812792290000091
为生物质沼气发电单元的电转换效率；CVKW为餐厨垃圾的热值，kJ/kg；PKW,m为餐厨垃圾收运及处理补贴价，元/kg；HOBDCH,m,h为热量调度时生物质直燃供热单元在第m个月第h小时输出的热量，kW；
Figure RE-GDA0003812792290000092
为生物质直燃供热单元的热转换效率；CVBRM为生物质原料的热值，kJ/kg；。
第i个单元的年维护费用MCi由第i个单元参与系统能源调度时出力大小和单位维护费用决定，如公式(4)所示：
Figure RE-GDA0003812792290000093
式(4)中，MCi为第i个单元的年维护费用；EOi,m,h为电量调度时第i个单元在第m个月第h小时输出的电量，kW；HOi,m,h为热量调度时第i个单元在第m个月第h小时输出的热量，kW；COi,m,h为冷量调度时第i个单元在第m个月第h小时输出的冷量，kW；Pi为第i个单元参与调度时的单位维护费用，元/kW。
第i个单元的年碳税额CEi由第i个单元参与系统能源调度时二氧化碳排放量和单位碳税决定，如公式(5)所示：
Figure RE-GDA0003812792290000094
式(5)中，CEi为第i个单元的年碳税额；αi为第i个单元参与电量调度出力时的二氧化碳排放量折算系数，kg/kW；βi为第i个单元参与热量调度出力时的二氧化碳排放量折算系数，kg/kW；δi为第i个单元参与冷量调度出力时的二氧化碳排放量折算系数，kg/kW；η为二氧化碳排放税，元/kg。
该调度策略优化模型的目标函数的约束条件包括电量平衡约束、热量平衡约束、冷量平衡约束，如公式(6)～(8)所示。
Figure RE-GDA0003812792290000095
电量平衡约束如公式(6)所示，式(6)中：EOBCHP,m,h表示生物质气化热电联产单元电量调度时在第m个月第h小时输出的电量，kW；EOPV,m,h表示光伏发电单元电量调度时在第m个月第h小时输出的电量，kW；EOWT,m,h表示风力发电单元电量调度时在第m个月第h小时输出的电量，kW；EOBPG,m,h表示生物质沼气发电单元电量调度时在第m个月第h小时输出的电量，kW；EOSBT,m,h表示储电单元20电量调度时在第m个月第h小时输出的电量，kW；UELm,h表示用户侧的电负荷17在第m个月第h小时消耗的电量，kW；ECGSHP,,m,h表示地源热泵单元在第m个月第h小时消耗的电量，kW；ECCS,m,h表示储冷单元30在第m个月第h小时储冷过程中消耗的电量，kW；ECCSR,m,h表示储冷单元30在第m个月第h小时放冷过程的耗电量，kW； ECSBT,m,h表示储电单元20第m个月第h小时储存的电量，kW；
HOBCHP,m,h+HOGSHP,m,h+HOBDCH,m,h+HOHS,m,h＝UHLm,h+HCAC,m,h+HCHS,m,h (7)
热量平衡约束如公式(7)所示，式(7)中，HOBCHP,m,h表示生物质气化热电联产单元热量调度时在第m个月第h小时输出的热量，kW；HOGSHP,m,h表示地源热泵单元热量调度时在第 m个月第h小时输出的热量，kW；HOBDCH,m,h表示生物质直燃供热单元热量调度时在第m个月第h小时输出的热量，kW；HOHS,m,h表示储热单元18热量调度时在第m个月第h小时输出的热量，kW；UHLm,h表示用户侧的热负荷15热量调度时在第m个月第h小时消耗的热量，kW； HCAC,m,h表示吸收式制冷单元12热量调度时在第m个月第h小时消耗的热量，kW；HCHS,m,h表示储热单元18热量调度时在第m个月第h小时储存的热量，kW；
COGSHP,m,h+COAC,m,h+COCS,m,h＝UCLm,h+CCCS,m,h (8)
冷量平衡约束如公式(8)所示，式(8)中，COGSHP,m,h表示地源热泵单元冷量调度时在第m个月的第h小时输出的冷量，kW；COAC,m,h表示吸收式制冷单元12冷量调度时在第m个月的第h小时输出的冷量，kW；COCS,m,h表示储冷单元30冷量调度时在第m个月的第h小时输出的冷量，kW；UCLm,h表示用户侧的冷负荷14冷量调度时在第m个月的第h小时消耗的冷量，kW；CCCS,m,h表示储冷单元30冷量调度时在第m个月的第h小时储存的冷量，kW。
实施例一
选取江苏省盐城市某县1000户的小区为供能对象。生物质气化热电联产单元的相对装机比例为60％，生物质沼气发电单元的相对装机比例为10％，生物质直燃供热单元的相对装机比例为60％，风力发电单元的相对装机比例为100％，光伏发电单元的相对装机比例为100％，地源热泵单元的相对装机比例为20％，吸收式制冷单元12的相对装机比例为50％。
调度策略如图2～4所示：在第一用电高峰期，对于夏季，就地消纳率为30％，对于过渡季，就地消纳率为5％，对于冬季，就地消纳率为35％；在用电低谷期，对于夏季，就地消纳率为60％，对于过渡季，就地消纳率为10％，对于冬季，就地消纳率为60％；第二用电高峰期，对于夏季，就地消纳率为30％，对于过渡季，就地消纳率为5％，对于冬季，就地消纳率为30％。
实施例二
选取上海市某1000户的小区为供能对象。生物质气化热电联产单元的相对装机比例为 80％，生物质沼气发电单元的相对装机比例为20％，生物质直燃供热单元的相对装机比例为 70％，风力发电单元的相对装机比例为80％，光伏发电单元的相对装机比例为80％，地源热泵单元的相对装机比例为30％，吸收式制冷单元12的相对装机比例为100％。
调度策略：在第一用电高峰期，对于夏季，就地消纳率为35％，对于过渡季，就地消纳率为6％，对于冬季，就地消纳率为40％；在用电低谷期，对于夏季，就地消纳率为65％，对于过渡季，就地消纳率为15％，对于冬季，就地消纳率为65％；第二用电高峰期，对于夏季，就地消纳率为35％，对于过渡季，就地消纳率为7％，对于冬季，就地消纳率为35％。
实施例三
选取山东省济南市某1000户的小区为供能对象。生物质气化热电联产单元的相对装机比例为90％，生物质沼气发电单元的相对装机比例为40％，生物质直燃供热单元的相对装机比例为75％，风力发电单元的相对装机比例为50％，光伏发电单元的相对装机比例为60％，地源热泵单元的相对装机比例为50％，吸收式制冷单元12的相对装机比例为150％。
调度策略：在第一用电高峰期，对于夏季，就地消纳率为38％，对于过渡季，就地消纳率为8％，对于冬季，就地消纳率为42％；在用电低谷期，对于夏季，就地消纳率为68％，对于过渡季，就地消纳率为18％，对于冬季，就地消纳率为68％；第二用电高峰期，对于夏季，就地消纳率为38％，对于过渡季，就地消纳率为8％，对于冬季，就地消纳率为38％。
实施例四
选取河北省张家口市某1000户的小区为供能对象。生物质气化热电联产单元的相对装机比例为100％，生物质沼气发电单元的相对装机比例为50％，生物质直燃供热单元的相对装机比例为80％，风力发电单元的相对装机比例为20％，光伏发电单元的相对装机比例为20％，地源热泵单元的相对装机比例为60％，吸收式制冷单元12的相对装机比例为200％。
调度策略：在第一用电高峰期，对于夏季，就地消纳率为40％，对于过渡季，就地消纳率为10％，对于冬季，就地消纳率为45％；在用电低谷期，对于夏季，就地消纳率为70％，对于过渡季，就地消纳率为20％，对于冬季，就地消纳率为70％；第二用电高峰期，对于夏季，就地消纳率为40％，对于过渡季，就地消纳率为10％，对于冬季，就地消纳率为40％。
本发明的系统耦合了四种可再生能源，经过能源转换、能源输送、能源存储满足一定规模的用户对电负荷、热负荷、冷负荷、气负荷的需求；系统产生的二次能源大多被用户侧负荷消纳，少量多余的二次能源通过市网耦合进行就地消纳，因此系统的就地消纳率较低，且没有隔墙售电的情况；该系统充分利用当地可再生能源，供能稳定，减少碳排放，避免对大电网的冲击，具有较好的经济性。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。

Claims (12)

1.一种基于生物质能的全可再生能源多能互补耦合供能系统，其特征在于：该系统利用生物质能、风能(1)、太阳能(3)、地热能(6)四种可再生的一次能源，经过能源转换、能源输送、能源存储满足一定规模的用户对电负荷(17)、热负荷(15)、冷负荷(14)、气负荷(13)的需求；其中，风能(1)通过风力发电机组(25)将当地部分风资源转变为电能后接入电母线(21)；沼气生物质能(2)的部分通过沼气发电机组(24)转变为电能后进入电母线(21)、其余部分送入气母线(9)；太阳能(3)通过光伏发电机组(23)将当地部分太阳能资源转变为电能后接入电母线(21)；气化生物质能(4)的部分通过热电联产单元(22)转变为电能后进入电母线(21)且热电联产单元(22)按照相应的热电比产生一定的热量并以水为工质进入热母线(16)、其余部分送入气母线(9)；直燃生物质能(5)利用生物质直燃锅炉(7)以直燃供热的方式得到热量并以水为工质进入热母线(16)；地热能(6)在冬季通过地源热泵(8)以热泵的方式转变为热量并以水为工质将热量送入热母线(16)、在夏季通过地源热泵(8)以热泵的方式将室内热量引入地下且产生的冷量以水为工质进入冷母线(10)；电母线(21)与储电单元(20)、就地消纳接口(19)和电负荷(17)相连接；热母线(16)与储热单元(18)和热负荷(15)相连接；冷母线(10)与储冷单元(30)和冷负荷(14)相连接；气母线(9)与储气单元(11)和气负荷(13)相连接。
2.根据权利要求1所述的基于生物质能的全可再生能源多能互补耦合供能系统，其特征在于：所述的沼气生物质能(2)利用发酵罐(28)以厌氧/好氧的发酵方式得到生物质粗燃气、再经沼气生物质净化单元(26)得到洁净的生物质燃气，通过沼气发电机组(24)将部分洁净的生物质燃气转变为电能后进入电母线(21)、再将其余部分洁净的生物质燃气送入气母线(9)。
3.根据权利要求1所述的基于生物质能的全可再生能源多能互补耦合供能系统，其特征在于：所述的气化生物质能(4)利用生物质气化炉(29)以气化的方式得到生物质粗燃气、再经气化生物质净化单元(27)得到洁净的生物质燃气，通过热电联产单元(22)将部分洁净的生物质燃气转变为电能后进入电母线(21)且热电联产单元(22)按照相应的热电比产生一定的热量并以水为工质进入热母线(16)、再将其余部分洁净的生物质燃气送入气母线(9)。
4.根据权利要求1所述的基于生物质能的全可再生能源多能互补耦合供能系统，其特征在于：所述的热母线(16)与吸收式制冷单元(12)相连接，吸收式制冷单元(12)利用热母线的热量产生冷量并将其传输给冷母线(10)。
5.根据权利要求1-4任一所述的基于生物质能的全可再生能源多能互补耦合供能系统的调度策略优化模型，其特征在于：所述调度策略优化模型的目标函数要求系统的年投资费用、年运行费用、年维护费用和年碳税额之和最小，该调度策略优化模型的目标函数为：
Figure FDA0003555586680000021
式(1)中，TAC为系统年总费用，元；ICi为第i个单元的年投资费用，元；MCi,m,h为第i个单元在第m个月第h小时的维护费用，元；OCi,m,h为第i个单元在第m个月第h小时的运行费用，元；CEi,m,h为第i个单元在第m个月第h小时因碳排放所缴纳的碳税，元；i为单元种类，i包括风力发电单元、生物质沼气发电单元、光伏发电单元、生物质气化热电联产单元、生物质直燃供热单元、地源热泵单元、储电单元(20)、储热单元(18)、吸收式制冷单元(12)、储冷单元(30)和储气单元(11)。
6.根据权利要求5所述的基于生物质能的全可再生能源多能互补耦合供能系统的调度策略优化模型，其特征在于：第i个单元的年投资费用ICi由第i个单元的额定容量乘以第i个单元的千瓦造价之和经过年化处理后得到，如公式(2)所示：
Figure FDA0003555586680000022
式(2)中，ICi为第i个单元的年投资费用；g为资金投资年利率；y为设备使用年限；RCi为第i个单元的容量配置，kW；UPi为第i个单元投资费用的千瓦造价，元/kW。
7.根据权利要求5所述的基于生物质能的全可再生能源多能互补耦合供能系统的调度策略优化模型，其特征在于：第i个单元的年运行费用OCi由第i个单元参与系统能源调度时出力过程中消耗的原料和原料的价格决定，如公式(3)所示：
Figure FDA0003555586680000023
式(3)中，OCi表示第i个单元的年运行费用；EOBCHP,m,h为电力调度时生物质气化热电联产单元在第m个月第h小时输出的电量，kW；
Figure FDA0003555586680000024
为生物质气化热电联产单元的电转换效率；CVBRM为生物质原料的热值，kJ/kg；PBRM，m为生物质原料的单价，元/kg；EOBPG,m,h为电力调度时生物质沼气发电单元在第m个月第h小时输出的电量，kW；
Figure FDA0003555586680000025
为生物质沼气发电单元的电转换效率；CVKW为餐厨垃圾的热值，kJ/kg；PKW,m为餐厨垃圾收运及处理补贴价，元/kg；HOBDCH,m,h为热量调度时生物质直燃供热单元在第m个月第h小时输出的热量，kW；
Figure FDA0003555586680000026
为生物质直燃供热单元的热转换效率；CVBRM为生物质原料的热值，kJ/kg；。
8.根据权利要求5所述的基于生物质能的全可再生能源多能互补耦合供能系统的调度策略优化模型，其特征在于：第i个单元的年维护费用MCi由第i个单元参与系统能源调度时出力大小和单位维护费用决定，如公式(4)所示：
Figure FDA0003555586680000031
式(4)中，MCi为第i个单元的年维护费用；EOi,m,h为电量调度时第i个单元在第m个月第h小时输出的电量，kW；HOi,m,h为热量调度时第i个单元在第m个月第h小时输出的热量；COi,m,h为冷量调度时第i个单元在第m个月第h小时输出的冷量，kW；Pi为第i个单元参与调度时的单位维护费用，元/kW。
9.根据权利要求5所述的基于生物质能的全可再生能源多能互补耦合供能系统的调度策略优化模型，其特征在于：第i个单元的年碳税额CEi由第i个单元参与系统能源调度时二氧化碳排放量和单位碳税决定，如公式(5)所示：
Figure FDA0003555586680000032
式(5)中，CEi为第i个单元的年碳税额；αi为第i个单元参与电量调度出力时的二氧化碳排放量折算系数，kg/kW；βi为第i个单元参与热量调度出力时的二氧化碳排放量折算系数，kg/kW；δi为第i个单元参与冷量调度出力时的二氧化碳排放量折算系数，kg/kW；η为二氧化碳排放税，元/kg。
10.根据权利要求5所述的基于生物质能的全可再生能源多能互补耦合供能系统的调度策略优化模型，其特征在于：所述调度策略优化模型的目标函数的约束条件包括电量平衡约束、热量平衡约束、冷量平衡约束，其中电量平衡约束如公式(6)所示：
Figure FDA0003555586680000033
式(6)中：EOBCHP,m,h表示生物质气化热电联产单元电量调度时在第m个月第h小时输出的电量，kW；EOPV,m,h表示光伏发电单元电量调度时在第m个月第h小时输出的电量，kW；EOWT,m,h表示风力发电单元电量调度时在第m个月第h小时输出的电量，kW；EOBPG,m,h表示生物质沼气发电单元电量调度时在第m个月第h小时输出的电量，kW；EOSBT,m,h表示储电单元(20)电量调度时在第m个月第h小时输出的电量，kW；UELm,h表示用户侧的电负荷(17)在第m个月第h小时消耗的电量，kW；ECGSHP,,m,h表示地源热泵单元在第m个月第h小时消耗的电量，kW；ECCS,m,h表示储冷单元(30)在第m个月第h小时储冷过程中消耗的电量，kW；ECCSR,m,h表示储冷单元(30)在第m个月第h小时放冷过程的耗电量，kW；ECSBT,m,h表示储电单元(20)第m个月第h小时储存的电量，kW；
热量平衡约束如公式(7)所示：
HOBCHP,m,h+HOGSHP,m,h+HOBDCH,m,h+HOHS,m,h＝UHLm,h+HCAC,m,h+HCHS,m,h (7)
式(7)中，HOBCHP,m,h表示生物质气化热电联产单元热量调度时在第m个月第h小时输出的热量，kW；HOGSHP,m,h表示地源热泵单元热量调度时在第m个月第h小时输出的热量，kW；HOBDCH,m,h表示生物质直燃供热单元热量调度时在第m个月第h小时输出的热量，kW；HOHS,m,h表示储热单元(18)热量调度时在第m个月第h小时输出的热量，kW；UHLm,h表示用户侧的热负荷(15)热量调度时在第m个月第h小时消耗的热量，kW；HCAC,m,h表示吸收式制冷单元(12)热量调度时在第m个月第h小时消耗的热量，kW；HCHS,m,h表示储热单元(18)热量调度时在第m个月第h小时储存的热量，kW；
冷量平衡约束如公式(8)所示：
COGSHP,m,h+COAC,m,h+COCS,m,h＝UCLm,h+CCCS,m,h (8)
式(8)中，COGSHP,m,h表示地源热泵单元冷量调度时在第m个月的第h小时输出的冷量，kW；COAC,m,h表示吸收式制冷单元(12)冷量调度时在第m个月的第h小时输出的冷量，kW；COCS,m,h表示储冷单元(30)冷量调度时在第m个月的第h小时输出的冷量，kW；UCLm,h表示用户侧的冷负荷(14)冷量调度时在第m个月的第h小时消耗的冷量，kW；CCCS,m,h表示储冷单元(30)冷量调度时在第m个月的第h小时储存的冷量，kW。
11.根据权利要求5所述的基于生物质能的全可再生能源多能互补耦合供能系统的调度策略优化模型，其特征在于：基于调度策略优化模型的目标函数，获得生物质沼气发电单元的相对装机比例为10％～50％，生物质气化热电联产单元的相对装机比例为60％～100％，生物质直燃供热单元的相对装机比例为60％～80％；风力发电单元的相对装机比例为20％～100％，光伏发电单元的相对装机比例为20％～100％，地源热泵单元的相对装机比例为20％～60％，吸收式制冷单元(12)的相对装机比例为50％～200％。
12.根据权利要求5所述的基于生物质能的全可再生能源多能互补耦合供能系统的调度策略优化模型，其特征在于：基于调度策略优化模型的目标函数，就地消纳接口(19)在第一用电高峰期、用电低谷期和第二用电高峰期的就地消纳率分别为：在第一用电高峰期，夏季的就地消纳率为30％～40％、过渡季的就地消纳率为5％～10％、冬季的就地消纳率为35％～45％；在用电低谷期，夏季的就地消纳率为60％～70％、过渡季的就地消纳率为10％～20％、冬季的就地消纳率为60％～70％；第二用电高峰期，夏季的就地消纳率为30％～40％、过渡季的就地消纳率为5％～10％、冬季的就地消纳率为30％～40％。
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