一种冷热电三联供机组状态优化控制方法与流程

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1.本发明涉及微网优化控制技术领域，具体涉及一种冷热电三联供机组状态优化控制方法。

背景技术：

2.冷热电三联供机组通过余热回收利用实现能源梯级综合高效利用，在电力现货市场背景下，如何根据电力现货价格的波动，在满足供冷供热实时需求以及保证自身运行状态最优的同时又能够获取最高的发电收益，是冷热电三联供机组运营过程中的核心问题。为实现冷热电三联供机组在全调控周期内的状态及其转移过程整体处于实时最佳状态，能够满足供冷供热的实时需求的同时，并实现冷热电三联供机组发电收益的最大化，必须在优化控制过程中量化分析冷热电三联供机组的状态及其控制方法。
3.国内外学者对冷热电三联供机组经济运行的控制模型进行了深入的研究。文献《内燃机及其热电联产系统的典型变工况解析特性》（何晓红，蔡睿贤．内燃机及其热电联产系统的典型变工况解析特性[j]．工程热物理学报，2008，(02)：191－194．）提出了内燃机热电联产系统典型变工况计算方法，为冷热电三联供机组的控制提供了理论基础；在此基础上，《冷热电联供微网优化调度通用建模方法》（王成山，洪博文，郭力，等．冷热电联供微网优化调度通用建模方法[j]．中国电机工程学报，2013，33(31)：26－33．）提出的动态经济调度模型被应用于冷热电三联供系统的控制，提高了系统的灵活性、鲁棒性、快速性和控制精度。学界基于对冷热电三联供机组不同的控制目标展开研究，《微燃机三联供机组的多变量鲁棒自适应负荷跟踪控制》（潘蕾，张俊礼，沈炯，等．微燃机三联供机组的多变量鲁棒自适应负荷跟踪控制[j]．中国电机工程学报，2017，37(23)： 6934-6942．）提出采用鲁棒自适应控制方法改善冷热电三联供机组的负荷跟踪性能，《考虑冷热电需求耦合响应特性的园区综合能源系统优化运行策略研究》（赵海彭，苗世洪，李超，等．考虑冷热电需求耦合响应特性的园区综合能源系统优化运行策略研究[j]．中国电机工程学报，2022，42(02)：573-589．）考虑热电耦合响应特性优化供给侧的售能价格和需求侧的设备参数。而冷热电三联供机组的控制常常是多目标优化问题，《采用模糊自修正粒子算法的碳排放权交易冷热电多目标调度》（周任军，李绍金，陈瑞先，等．采用模糊自修正粒子算法的碳排放权交易冷热电多目标调度[j]．中国电机工程学报，2014，34(34)：6119-6126．）提出了需要综合考虑机组运行的经济、气候、排放、建筑等因素进行协同优化。随着冷热电三联供技术应用范围的扩大，《基于储能电站服务的冷热电多微网系统双层优化配置》（吴盛军，李，刘建坤，等．基于储能电站服务的冷热电多微网系统双层优化配置[j]．电网技术，2021，45(10)：3822－3832.）提出的基于储能电站的系统优化得到了研究，在技术层面，《虚拟电厂源荷双侧热电联合随机优化调度》（袁桂丽，贾新潮，房方，等.虚拟电厂源荷双侧热电联合随机优化调度[j]．电网技术，2020，44(08)：2932－2940．）研究应用虚拟电网技术进行源荷双侧热电联合优化调度，以最大化期望的经济效益。
[0004]
以上控制模型与控制策略，无法结合内燃机排烟量、内燃机排烟温度、内燃机缸套
水温度的环境信息，实时判断机组的实际运行情况，难以保障冷热电三联供机组的内部状态及其转移过程在整个运行调控过程中实时处于最优，显然不利于冷热电三联供机组的持续运行。同时，上述模型无法考虑实时的负荷波动以及现货价格的波动情况，无法精准高效地实现经济运行。

技术实现要素：

[0005]
本发明提供一种冷热电三联供机组状态优化控制方法，能够基于信息物理融合的方法建立冷热电三联供机组的状态空间控制模型，能够结合内燃机排烟量、内燃机排烟温度、内燃机缸套水温度的环境信息，实时判断机组的实际运行情况，实现全调控周期内状态转移过程的可观可控；同时所提的控制策略可跟随负荷波动以及现货价格的波动情况，使机组内部状态及其转移过程处于最优状态，利于设备的长时间持续运行。
[0006]
本发明提供一种冷热电三联供机组状态优化控制方法，包括：（1）第一步，在调控开始时刻，数据采集设备通过传感设备采集设备输出有功功率信息、内燃机排烟量、内燃机排烟温度、内燃机缸套水温度的环境信息，通过网络获取气价信息、现货市场实时电价、是否执行考核信息、冷负荷信息、热负荷信息以及电负荷信息；（2）第二步，根据获取的数据信息校验冷热电三联供机组内部状态结果是否处于最优状态；首先，针对冷热电三联供机组各部件的负载情况以及现货市场是否参与调控过程对其划分状态，设为发电机轻载状态的上限阈值，为发电机适度负载的上限阈值，为大型锅炉轻载状态的上限阈值，为大型锅炉适度负载的上限阈值，为烟气热水型溴化锂机组轻载状态的上限阈值，为烟气热水型溴化锂机组适度负载的上限阈值；同时设定
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light loaded”（即是轻载状态）、“moderate loaded”（即是适度负载状态）、“fully loaded”（即是满载状态）、“downtime”（即是停机状态）为各部件可能处在的状态，“involved”（参与）、“uninvolved”（不参与）为电力现货市场的状态，则：对发电机的状态作如下规定：对大型锅炉的状态作如下规定：对烟气热水型溴化锂机组的状态作如下规定：
对电力现货市场是否参与机组调控的状态作如下规定：其中，是冷热电联产工况下的发电功率(单位为kw)，是单独发电工况下的发电功率(单位为kw)；和为机组冷热电联产时的制热量(单位为kw)和单独制热时的制热量(单位为kw)；和为机组冷热电联产时的制冷量(单位为kw)和机组单独制冷时的制冷量单位为(kw)；为从电力现货市场购买的电功率（单位为kw）；其次，结合实际运行环境信息对冷热电三联供机组的内部状态划分，具体划分为：好(good)、中(medium)和差(poor)三个状态，具体描述如下：具体描述如下：具体描述如下：具体描述如下：具体描述如下：具体描述如下：其中，为冷热电三联供机组的内部状态，为内燃机排烟量(单位为kg/s)，为内燃机排烟温度(单位为℃)，为内燃机缸套水温度(单位为℃)；所述下标
“”
表示当前调控时刻，所述下标
“”
表示上一调控时刻；若冷热电三联供机组内部状态处于“good”，则进入下一步；若否，则通过调节负荷率，根据冷热电三联供机组负荷率-内部状态关系将机组状态调整至“good”，具体为：
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其中，为内燃机排烟温度(单位为℃)，为内燃机缸套水温度(单位为℃)，为内燃机排烟量(单位为kg/s)，plr为内燃机的部分负荷率。
[0007]
（3）第三步：计算中心根据采集到的数据，以冷热电三联供机组的内部状态为边界条件，调用粒子算法求解经济性最优化问题；设定目标函数，具体如下所示：其中，表示调控时段内的机组燃料成本（单位为元）；表示某种负荷（电负荷、冷负荷、热负荷）的单位价格（单位为元/ kwh），表示某种商品的供应量（分别为：、、）。为t时刻冷热电联产电功率对应的单位时间天然气耗量，是t时刻单独发电功率对应的单位时间天然气耗量，和为t时刻机组单独制冷和单独制热时的单位时间天然气耗量()；是t时刻冷热电联产工况下的发电功率(单位为kw)，是t时刻单独发电工况下的发电功率(单位为kw)，和为t时刻机组冷热电联产时的制冷量(单位为kw)和机组单独制冷时的制冷量(单位为kw)；和为t时刻机组冷热电联产时的制热量(单位为kw)和单独制热时的制热量(单位为kw)；表示天然气的单位价格（单位为元/ ）；为调控时长（单位为h）；表示调控时段；通过粒子算法可以求得目标函数下的最优出力并生成调控指令发送至设备控制端。
[0008]
（4）第四步，控制系统接收调控指令并对机组的气阀导向进行控制，使机组自动沿着决策的结果改变运行状态，最后判断调控是否结束，若未结束，则等待下一个调控时刻。有益效果：由于本发明实施例采用一种冷热电三联供机组状态优化控制方法，因此能够结合内燃机排烟量、内燃机排烟温度、内燃机缸套水温度的环境信息，实时判断机组的实际运行情况，从而及时调整负荷率使得冷热电三联供机组的内部状态及其转移过程在整个运行调控过程中实时处于最优。且该方法考虑了获取实时的负荷波动以及现货价格的波动信息，可以精准高效地实现经济运行。
[0009]
其中，步骤一通过获取冷热电三联供机组的实时运行数据，并与负荷信息、负荷价格信息、是否执行考核信息相整合，可构建牵引冷热电三联实时运行的数据库；步骤二，可
实现自动判断冷热电三联供机组及其内部关键设备的运行状态，并通过调节负荷率使得冷热电三联供机组始终运行在适度负载状态下；步骤三中计算中心根据设定的目标和优化算法，可得到冷热电三联供机组的最优出力并生成指令；步骤四通过冷热电三联供机组的气阀导向调控完成机组的最优状态控制。
附图说明
[0010]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0011]
图1是本发明一种冷热电三联供机组状态优化控制方法的流程图；图2是冷热电三联供机组决策过程的粒子优化算法流程图；图3是典型制冷季各部件提供的电量；图4是典型制冷季单日各时段收益条形图；图5是单日内燃机排烟量变化曲线；图6是单日内燃机排烟温度变化曲线；图7是单日内燃机缸套水温度变化曲线。
具体实施方式
[0012]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0013]
如图1-2所示，本发明实施例提供一种冷热电三联供机组状态优化控制方法，能够使冷热电三联供机组各部件状态和内部状态在全调控周期内可观可控，实现冷热电三联供机组的实时最优经济控制。以下分别进行详细说明：（1）第一步，在调控开始时刻，数据采集设备通过传感设备采集设备输出有功功率信息、内燃机排烟量、内燃机排烟温度、内燃机缸套水温度的环境信息，通过网络获取气价信息、现货市场实时电价、是否执行考核的信息和冷热电负荷的信息；（2）第二步，根据获取的数据信息校验冷热电三联供机组内部状态结果是否处于最优状态。
[0014]
首先，针对冷热电三联供机组各部件的负载情况以及现货市场是否参与调控过程对其划分状态，设为发电机轻载状态的下限阈值，为发电机适度负载的上限阈值，为大型锅炉轻载状态的下限阈值，为大型锅炉适度负载的上限阈值，为烟气热水型溴化锂机组轻载状态的下限阈值，为烟气热水型溴化锂机组适度负载的上限阈值；同时设定“light loaded”（即是轻载状态）、“moderate loaded”（即是适度负载状态）、“fully loaded”（即是满载状态）、“downtime”（即是停机状态）为各部件可能处在
的状态，“involved”（即是参与状态）、“uninvolved”（即是不参与状态）为电力现货市场的状态，则：对发电机的状态作如下规定：对大型锅炉的状态作如下规定：对烟气热水型溴化锂机组的状态作如下规定：对电力现货市场是否参与机组调控的状态作如下规定：其中，是冷热电联产工况下的发电功率(单位为kw)，是单独发电工况下的发电功率(单位为kw)；和为机组冷热电联产时的制热量(单位为kw)和单独制热时的制热量(单位为kw)；和为机组冷热电联产时的制冷量(单位为kw)和机组单独制冷时的制冷量(单位为kw)；为从电力现货市场购买的电功率（单位为kw）；其次，结合实际运行环境信息对冷热电三联供机组的内部状态划分：好(good)、中(medium)和差(poor)三个状态，具体描述如下：具体描述如下：具体描述如下：
其中，为冷热电三联供机组的内部状态，为内燃机排烟量(单位为kg/s)，为内燃机排烟温度(单位为℃)，为内燃机缸套水温度(单位为℃)，所述下标
“”
表示当前调控时刻，所述下标
“”
表示上一调控时刻；若冷热电三联供机组内部状态处于“good”，则进入下一步；若否，则通过调节负荷率，根据冷热电三联供机组负荷率-内部状态关系将机组状态调整至“good”，具体为：
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其中，为内燃机排烟温度(单位为℃)，为内燃机缸套水温度(单位为℃)，为内燃机排烟量(单位为kg/s)，plr为内燃机的部分负荷率。
[0015]
（3）第三步：计算中心根据采集到的数据，以冷热电三联供机组的内部状态为边界条件，调用粒子算法求解经济性最优化问题。
[0016]
设定目标函数，具体如下所示：其中，t表示调控时段内的机组燃料成本（单位为元）；表示某种负荷（电负荷、冷负荷、热负荷）的单位价格（单位为元/ kwh），表示某种商品的供应量（分别为：、、）。为t时刻冷热电联产电功率对应的单位时间天然气耗量，是t时刻单独发电功率对应的单位时间天然气耗量，和为t时刻机组单独制冷和单独制热时的单位时间天然气耗量()；是t时刻冷热电联产工况下的发电功率(单位为kw)，是t时刻单独发电工况下的发电功率(单位为kw)，和为t时刻机组冷热电联产时的制冷量(kw)和机组单独制冷时的制冷量(单位
为kw)；和为t时刻机组冷热电联产时的制热量(单位为kw)和单独制热时的制热量(单位为kw)；表示天然气的单位价格（单位为元/）；为调控时长（单位为h）；表示调控时段。
[0017]
通过粒子算法可以求得目标函数下的最优出力并生成调控指令发送至设备控制端。
[0018]
第四步，控制系统接收调控指令并对机组的气阀导向进行控制，使机组自动沿着决策的结果改变运行状态，最后判断调控是否结束，若未结束，则等待下一个调控时刻。
[0019]
本发明实施例以300mw冷热电三联供机组为例，对应以冷热电三联供机组实时运行成本最低为目标函数的传统调控方法。求解冷热电三联供机组最优的状态转移过程，分析机组运行的单日96个调控时刻（单个调控周期为15分钟）的最高收益。
[0020]
负荷数据来源为：电负荷参考比利时电网公司公司(elias)在典型制冷季、典型制热季、典型过渡季的单日电负荷曲线；冷热负荷数据参考《考虑冷热电需求耦合响应特性的园区综合能源系统优化运行策略研究》（赵海彭，苗世洪，李超，等．考虑冷热电需求耦合响应特性的园区综合能源系统优化运行策略研究[j]．中国电机工程学报，2022，42(02)：573-589．）三个季节的典型日负荷曲线，得到冷热负荷协议曲线；单日的现货市场电价参考广东电力交易中心发布的各季节典型日的各时段燃气机组电量实时成交现货价格（单位：元/kwh）。冷量和热量的价格参考国家对集中制冷中央空调制冷价格的规定，和对工业蒸汽价格的规定。
[0021]
本发明具体实施案例中采用的冷热电三联供机组的容量为300mw，根据《关于发展热电联产的规定》文件对热电比的要求涉及机组参数。算例所用300mw机组的相关参数设定如下：表1300mw冷热电三联供机组相关参数
假设初始的信息系统中，仅考虑冷热负荷和气温的数据，则：将“考核”的值assess置为0，并考虑“实时电价”变量，计算中心调用目标函数并经过pso()决策得到最优结果：典型制冷季、典型采暖季、典型过渡季的单日最高收益依次为：67.68万元、94.32万元、37.49万元；限于篇幅，仅展示典型制冷季各供电方式提供电量情况和机组单日各时段收益条形图，如附图3、4所示。
[0022]
将一天以8个小时为单位分为三个“典型时段”，并给出在考虑现货价格和天然气价格时，各典型时段内冷热电三联供机组各部件状态和电力现货市场状态的数量统计表：表2 各典型时段内冷热电三联供机组各部件状态数量统计由上表可见，机组各部件状态能较好地跟随一天内各典型时段负荷的变化趋势，在8:00~15:45的负荷高峰期，各部件适度负载或满载的状态数量明显增多，而在另外两个负荷水平相对低的时段，各部件的状态以轻载或适度负载为主。
[0023]
下面给出机组各内部状态信息数值的单日变化曲线，见附图5、6、7。
[0024]
由图5~图7可知，本方法使内燃机排烟量维持在43kg/s左右，使内燃机排烟温度在单日大部分时间内在300℃至350℃之间变化，最大变化幅度在50℃左右，使内燃机缸套水温度在单日大部分时间内在80℃至90℃之间变化，最大变化幅度在10℃左右，且三种机组内部状态均能实时保持在“good”，相对稳定。
[0025]
本发明相比传统控制方法的优势：传统调控策略大多关注冷热电三联供机组运行成本的最小化，但在电力现货市场环境下，缺乏对实时现货价格的响应能力，无法使冷热电三联供机组运行在收益最大化的状态；而本发明根据采集的各维度信息自动更迭控制目标和控制方法，进一步提高了冷热电三联供机组运行的经济效益。同时，以机组各部件状态和内部状态为例，文献《考虑冷热电需求耦合响应特性的园区综合能源系统优化运行策略研究》（赵海彭，苗世洪，李超，等．考虑冷热电需求耦合响应特性的园区综合能源系统优化运行策略研究[j]．中国电机工程学报，2022，42(02)：573-589．）中典型制冷季单日的优化结
果显示，在1:00~8:00内燃机组始终不运行，全部电负荷由电网提供，但过多地购电对电网安全不利，且较为频繁的开停机操作也对稳定机组各部件出力、提高机组使用寿命不利；本发明的优化结果中，冷热电三联供机组必须时刻维持在最小出力水平以上，且购电量相对较低，在维持电网安全运行、提高机组调节的平稳性上具有明显的优势。
[0026]
需要说明的是，上述装置和系统内的各单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。
[0027]
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器（rom，read only memory）、随机存取存储器（ram，random access memory）、磁盘或光盘等。
[0028]
以上对本发明实施例所提供的一种冷热电三联供机组状态优化控制方法，进行了详细介绍，本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：

1.一种冷热电三联供机组状态优化控制方法，其特征在于，包括：步骤一：在调控开始时刻，数据采集设备通过传感设备采集设备输出有功功率信息、内燃机排烟量、内燃机排烟温度、内燃机缸套水温度的环境信息，通过网络获取气价信息、现货市场实时电价、是否执行考核信息、冷负荷信息、热负荷信息以及电负荷信息；步骤二：根据获取的数据信息校验冷热电三联供机组内部状态结果是否处于最优状态；若是，则进入下一步；若否，则通过调节负荷率，根据冷热电三联供机组负荷率-内部状态关系将机组状态调整至“good”；步骤三：计算中心根据采集到的数据，以冷热电三联供机组的内部状态为边界条件，调用粒子算法求解经济性最优化问题，并生成调控指令；步骤四：控制系统接收调控指令并对机组的气阀导向进行控制，使机组自动沿着决策的结果改变运行状态，最后判断调控是否结束，若未结束，则等待下一个调控时刻。2.根据权利要求1所述的冷热电三联供机组状态优化控制方法，其特征在于：将冷热电三联供机组设备出力信息和环境气温纳入机组运行状态的划分中，可实时判断冷热电三联供机组的实际运行情况；具体表示为：对冷热电三联供机组的内部状态划分：good、medium和poor三个状态，具体描述如下：具体描述如下：具体描述如下：具体描述如下：具体描述如下：具体描述如下：其中，为冷热电三联供机组的内部状态，为内燃机排烟量，为内燃机排烟温度，为内燃机缸套水温度，下标
“”
表示当前调控时刻，下标
“”
表示上一调控时刻。3.根据权利要求1所述的冷热电三联供机组状态优化控制方法，其特征在于：构建冷热电三联供机组负荷率-内部状态关系函数，通过调节负荷率可改变机组的内部状态，具体表示为：示为：示为：其中，为内燃机排烟温度，为内燃机缸套水温度，为内燃机排烟量，plr为
内燃机的部分负荷率。4.根据权利要求1所述的冷热电三联供机组状态优化控制方法，其特征在于：充分考虑了冷热电三联供机组实际运行工况，可跟随实时负荷的变化趋势，并使得冷热电三联供机组始终运行在最优状态以延长设备运行寿命。

技术总结

本发明公开了一种冷热电三联供机组状态优化控制方法。本发明的方法包括：首先通过采集设备实时获取各类数据信息，校验冷热电三联供机组内部状态并保证其始终运行在最佳状态下。其次，调用粒子算法求解经济性最优化问题，并生成对机组的气阀导向的调控指令，完成冷热电三联供机组全运行域的状态优化控制。本发明技术方案能够结合内燃机排烟量、内燃机排烟温度、内燃机缸套水温度的环境信息，实时判断机组的实际运行情况，实现全调控周期内状态转移过程的可观可控；经过计算所得到的控制方法可跟随负荷波动以及现货价格的波动情况，使机组内部状态及其转移过程处于最优状态，利于设备的长时间持续运行。设备的长时间持续运行。设备的长时间持续运行。