基于全生命周期成本和碳排放的综合能源系统规划方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于全生命周期成本和碳排放的综合能源系统规划方法，包括：建立综合能源系统数字孪生模型；构建以全生命周期总成本最优为第一目标函数的综合能源系统设备多阶段规划模型；构建以全生命周期碳排放量最小为第二目标函数的综合能源系统设备多阶段规划模型；将综合能源系统划分为多规划周期，选择第一目标函数和/或第二目标函数作为对应规划周期的综合能源系统设备多周期多阶段规划模型，并设置相应约束条件和决策变量；采用寻优算法对规划模型进行求解，获得该规划周期综合能源系统设备规划计算结果，并依据上一周期的计算结果调整下一周期的初始值和约束条件，进行逐周期滚动优化和动态调整，生成综合能源系统设备规划最优值。能源系统设备规划最优值。

【技术实现步骤摘要】
基于全生命周期成本和碳排放的综合能源系统规划方法


[0001]本专利技术属于综合能源系统
，具体涉及一种基于全生命周期成本和碳排放的综合能源系统规划方法。

技术介绍

[0002]能源是社会发展的第一要素，解决社会的发展与居民能源需求以及环境问题与能源开发之间的矛盾，成为近年来讨论的热点问题。综合能源系统耦合了可再生能源、电能、热能、天然气能等多种不同类型的能源，通过系统内部的各种耦合设备，不同能源之间可以实现替代与互补，既提高了一次能源的利用率，也促进了风光等可再生能源的消纳能力。
[0003]在全球环境问题日益凸显的背景下，节能减排已成为世界各国的共识。碳排放的主要来源是能源行业，依托可再生能源发电、热电联产、储能等技术，构建多能互补的综合能源系统，引导能源行业在节能减排中发挥主力军作用，被认为是促进低碳可持续发展的重要支撑。
[0004]合理规划是保障综合能源系统发挥运营效能的重要前提，在整个综合能源系统规划和运行过程中需要考虑初始投资成本、运维成本、回收成本等全生命周期成本和相应的碳排放量。如何考虑综合能源系统规划时的全生命周期成本及其所能产生的碳排放量，保证整个综合能源系统低碳经济运行是有待解决的关键问题。
[0005]基于上述技术问题，需要设计一种新的基于全生命周期成本和碳排放的综合能源系统规划方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种基于全生命周期成本和碳排放的综合能源系统规划方法，通过建立综合能源系统的数字孪生模型，并以数字孪生模型为支撑，建立以全生命周期总成本最优为第一目标函数的综合能源系统设备多阶段规划模型、以全生命周期碳排放量最小为第二目标函数的综合能源系统设备多阶段规划模型，将综合能源系统划分为多规划周期，采用改进的寻优算法对综合能源系统设备多周期多阶段规划模型进行求解，获得该规划周期综合能源系统设备规划计算结果，并将上一周期的设备规划计算结果作为下一周期的初始值，进行逐周期滚动优化和动态调整，生成综合能源系统设备规划最优值，实现了以数字孪生模型为基础建立综合能源系统的多周期多阶段多目标规划模型，以决策各个周期各个规划阶段的最优设备组合和容量配置。
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：
[0008]本专利技术提供了一种基于全生命周期成本和碳排放的综合能源系统设备规划方法，它包括：
[0009]步骤S1、采用机理建模和数据辨识方法建立综合能源系统数字孪生模型；
[0010]步骤S2、构建以全生命周期总成本最优为第一目标函数的综合能源系统设备多阶段规划模型；
[0011]步骤S3、构建以全生命周期碳排放量最小为第二目标函数的综合能源系统设备多阶段规划模型；
[0012]步骤S4、将综合能源系统划分为多规划周期，选择第一目标函数和/或第二目标函数作为对应规划周期的综合能源系统设备多周期多阶段规划模型，并设置综合能源系统设备多周期多阶段规划模型相应的约束条件，设置决策变量为综合能源系统设备组合和设备容量；
[0013]步骤S5、采用寻优算法对综合能源系统设备多周期多阶段规划模型进行求解，获得该规划周期综合能源系统设备规划计算结果，并依据上一周期的设备规划计算结果调整下一周期的初始值和约束条件，进行逐周期滚动优化和动态调整，生成综合能源系统设备规划最优值。
[0014]进一步，步骤S1中，采用机理建模和数据辨识方法建立综合能源系统数字孪生模型，具体包括：
[0015]构建综合能源系统虚拟实体：包括几何模型、物理设备实体模型、行为模型和规则模型；首先通过构建综合能源系统的三维几何模型，并导入可视化平台，添加设备物理属性；然后基于综合能源系统热力学基本理论构建行为模型，建立具有交互功能和模拟真实操作环境的综合能源系统虚拟仿真系统；最后建立虚拟实体的规则模型制定虚拟实体的控制策略；
[0016]进行综合能源系统虚实数据连接：首先布置综合能源系统物理设备上的传感器检测点，通过物联网技术采集综合能源系统物理设备的实际运行数据，以及在虚拟设备上设置对应检测点，采集相应位置的仿真数据；然后通过调用采集的实际运行数据驱动虚拟空间中的对应模型，与综合能源系统虚拟设备形成的仿真数据建立映射关系，形成综合能源系统作业策略；最后通过不断迭代和优化数据采集控制过程，实现物理实体与虚拟空间实时数据的连接与动态交互；
[0017]对数字孪生模型进行辨识：将综合能源系统设备的多工况实时运行数据接入已建立的数字孪生模型中，采用反向辨识方法对数字孪生模型的仿真结果进行自适应辨识修正，获得辨识修正后的综合能源系统数字孪生模型。
[0018]进一步，构建综合能源系统虚拟实体时，对综合能源系统物理设备实体建模包括：
[0019]热电联产机组建模：
[0020]热电联产机组是消耗天然气并将其转化为热能、电能的机组，热电联产机组模型表示为：
[0021]H
CHP
(t)＝η
CHP
G
CHP
(t)；
[0022][0023]其中，P
CHP
(t)、H
CHP
(t)分别为t时刻热电机组的电功率、热功率；η
CHP
分别为热电联产机组的热
‑
电比例系数、气
‑
热转换系数；G
CHP
(t)为t时刻热电联产机组消耗的天然气；
[0024]电锅炉建模：
[0025]电锅炉是将电能转化为热能的设备，其模型表示为：H
EB
(t)＝η
EB
P
EB
(t)；其中， H
EB
(t)、P
EB
(t)分别为t时刻电锅炉的热功率和消耗的电功率；η
EB
为电锅炉的电
‑
热转换系数；
[0026]燃气锅炉建模：
[0027]燃气锅炉是消耗天然气产生热能，其模型表示为：H
GB
(t)＝η
GB
G
GB
(t)；其中， G
GB
(t)、H
GB
(t)分别为t时刻燃气锅炉消耗的天然气、热功率；
[0028]储能装置建模：
[0029]采用广义储能系统的通用模型对电、热、气储能设备进行处理，其模型表示为：
[0030][0031]其中，W
s
(t)为t时段储能设备的荷能状态；P
scha
(t)、P
sdis
(t)分别为t时段储能设备充、放能功率的大小；分别为储能设备的充、放能效率；Δt为运行步长，取值为1h；
[0032]P2G设备建模：
[0033]P2G设备是将电能转化成H2或者CH4，并按照规定比例注入天然气网络，在实现电气互转的同时提升了清洁能源的消纳比例，其模型表示为：
[0034]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于全生命周期成本和碳排放的综合能源系统规划方法，其特征在于，它包括：步骤S1、采用机理建模和数据辨识方法建立综合能源系统数字孪生模型；步骤S2、构建以全生命周期总成本最优为第一目标函数的综合能源系统设备多阶段规划模型；步骤S3、构建以全生命周期碳排放量最小为第二目标函数的综合能源系统设备多阶段规划模型；步骤S4、将综合能源系统划分为多规划周期，选择第一目标函数和/或第二目标函数作为对应规划周期的综合能源系统设备多周期多阶段规划模型，并设置综合能源系统设备多周期多阶段规划模型相应的约束条件，设置决策变量为综合能源系统设备组合和设备容量；步骤S5、采用寻优算法对综合能源系统设备多周期多阶段规划模型进行求解，获得该规划周期综合能源系统设备规划计算结果，并依据上一周期的设备规划计算结果调整下一周期的初始值和约束条件，进行逐周期滚动优化和动态调整，生成综合能源系统设备规划最优值。2.根据权利要求1所述的综合能源系统规划方法，其特征在于，所述步骤S1中，采用机理建模和数据辨识方法建立综合能源系统数字孪生模型，具体包括：步骤S101、构建综合能源系统虚拟实体，包括：构建几何模型、物理设备实体模型、行为模型和规则模型；首先通过构建综合能源系统的三维几何模型，并导入可视化平台，添加设备物理属性；然后基于综合能源系统热力学基本理论构建行为模型，建立具有交互功能和模拟真实操作环境的综合能源系统虚拟仿真系统；最后建立虚拟实体的规则模型制定虚拟实体的控制策略；步骤S102、进行综合能源系统虚实数据连接，包括：首先布置综合能源系统物理设备上的传感器检测点，通过物联网技术采集综合能源系统物理设备的实际运行数据，以及在虚拟设备上设置对应检测点，采集相应位置的仿真数据；然后通过调用采集的实际运行数据驱动虚拟空间中的对应模型，与综合能源系统虚拟设备形成的仿真数据建立映射关系，形成综合能源系统作业策略；最后通过不断迭代和优化数据采集控制过程，实现物理实体与虚拟空间实时数据的连接与动态交互；步骤S103、对数字孪生模型进行辨识，包括：将综合能源系统设备的多工况实时运行数据接入已建立的数字孪生模型中，采用反向辨识方法对数字孪生模型的仿真结果进行自适应辨识修正，获得辨识修正后的综合能源系统数字孪生模型。3.根据权利要求2所述的综合能源系统规划方法，其特征在于，所述步骤S101中，构建综合能源系统虚拟实体时，对综合能源系统物理设备实体建模包括：热电联产机组建模：所述热电联产机组模型表示为：H
CHP
(t)＝η
CHP
G
CHP
(t)；
其中，P
CHP
(t)、H
CHP
(t)分别为t时刻热电机组的电功率、热功率；η
CHP
分别为热电联产机组的热
‑
电比例系数、气
‑
热转换系数；G
CHP
(t)为t时刻热电联产机组消耗的天然气；电锅炉建模：所述电锅炉的模型表示为：H
EB
(t)＝η
EB
P
EB
(t)；其中，H
EB
(t)、P
EB
(t)分别为t时刻电锅炉的热功率和消耗的电功率；η
EB
为电锅炉的电
‑
热转换系数；燃气锅炉建模：所述燃气锅炉的模型表示为：H
GB
(t)＝η
GB
G
GB
(t)；其中，G
GB
(t)、H
GB
(t)分别为t时刻燃气锅炉消耗的天然气、热功率；储能装置建模：所述储能装置的模型表示为：其中，W
s
(t)为t时段储能设备的荷能状态；分别为t时段储能设备充、放能功率的大小；分别为储能设备的充、放能效率；Δt为运行步长，取值为1h；P2G设备建模：所述P2G设备的模型表示为：G
P2G
(t)＝κP
P2G
(t)η
P2G
/L
gas
；其中，P
P2G
(t)、G
P2G
(t)分别为t时段P2G设备输入的电功率、输出的CH4体积；η
P2G
为P2G设备的效率；κ为电量与热量的转换系数；L
gas
为天然气的低位热值。4.根据权利要求1所述的综合能源系统规划方法，其特征在于，所述步骤S2中，构建以全生命周期总成本最优为第一目标函数的综合能源系统设备多阶段规划模型，具体包括：设置综合能源系统规划的阶段数为N，k为第k个规划阶段；依据综合能源系统设备第k阶段的初始投资成本CI
k
、运行成本CO
k
、维护成本CM
k
、易损耗设备的更换成本CF
k
和退役处置成本CD
k
计算综合能源系统设备全生命周期总成本LCC，所述综合能源系统设备多阶段全生命周期总成本LCC表示为：所述第k阶段初始投资成本CI
k
包括设备购买费用C
gm,k
、安装调试费用C
az,k
和其他费用C
qt,k
，所述第k阶段初始投资成本CI
k
的表达式为：其中，C
i,k
为在第k阶段时第i个设备初始投资费用，与设备容量相关；r为贴现率；n为规划总设备数；t为第k阶段持续的年限；所述第k阶段运行成本CO
k
包括年购电成本C
grid,k
和年购气成本C
gas,k
，所述第k阶段运行
成本CO
k
的表达式为：CO
k
＝C
grid,k
+C
gas,k
...

【专利技术属性】
技术研发人员：时伟，穆佩红，刘成刚，谢金芳，
申请(专利权)人：浙江英集动力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：