一种基于水泥企业不连续生产过程及仓储能力的电力需求响应方法

1.本发明属于电网需求侧响应技术领域，具体涉及到一种基于水泥企业不连续生产过程及仓储能力的电力需求响应方法。


背景技术：

2.水泥行业是传统高能耗行业之一，面对化石能源短缺和国家双碳目标的双重压力，水泥企业亟待进行能源转型调整。目前水泥行业的节能降耗技术主要集中于生产工艺改进、产品原料改进、废料再利用和具体设备的节能技术，并未意识到对可再生能源和水泥不连续工序进行时间调配的节能潜力。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种基于水泥企业不连续生产过程及仓储能力的电力需求响应方法，本发明针对水泥行业中存在不连续生产过程、可中断负荷设备，增加物料仓储环节，使水泥企业集群的生产过程和可再生能源发电商的可再生能源弃电曲线或电网的过剩发电曲线进行时间调配，使得水泥企业集群能在新能源弃电严重或电网发电过剩时多消纳能源，提供了一种基于水泥企业不连续生产过程及仓储能力的电力需求响应方法，有效减少电网对抽水蓄能和储能电池的依赖，增强未来新型电力系统应对大规模新能源并网带来间歇性和波动性等问题的及时消纳能力，同时助力高能耗企业节省运行成本并提高其对能源和资源的利用率，有利于实现新型电力系统与水泥企业集群需求侧响应的源荷互动和协同增效。
4.为了达到上述目的，本发明提供了一种基于水泥企业不连续生产过程及仓储能力的电力需求响应方法，包括如下步骤：
5.s1，将水泥企业中的用电负荷分为可中断负荷和不可中断负荷，统计水泥制备不连续生产过程中涉及的可中断负荷的工序和设备；
6.s2，通过企业的历史运行数据计算上述可中断负荷用电设备的平均运行时间和平均功率；
7.s3，实时跟踪并入电网的可再生能源弃电曲线，获取可再生能源发电商的弃电时序数据，可中断负荷优先消纳可再生能源弃电，不足则基于电网的峰谷电价优先考虑谷电；
8.s4，基于运行成本最小目标建立水泥物料的仓储调度模型：在电网能源过剩时从仓储单元中取料进行水泥制备，仓储单元可为不连续工序和可再生能源提供物料和能源缓冲和平衡；
9.s5，对模型进行优化求解，得到各调度时间段内仓储单元的物料仓储量以及各用电设备的运行时间；
10.s6，企业基于求解结果控制各用电设备的启停时间和仓储单元进出物料量。
11.上述技术方案中，进一步地，步骤s1包括如下步骤：
12.步骤s11，将水泥行业中的用电负荷分为可中断负荷和不可中断负荷，其中不可中断负荷指全天连续运行或者在固定时间段内运行的用电设备，可中断负荷是指用电时间段可中断的用电设备。
13.步骤s12，统计涉及可中断负荷的工序和设备，工序主要包括原料制备、生料制备、熟料煅烧和水泥粉磨。其中，原料制备工序设备主要包括破碎石灰石电动机、石灰石入配料库皮带输送机和石灰石预均化堆场皮带传送机；生料制备工序设备主要包括生料磨选粉机、原料入生料磨皮带输送机、生料磨主电动机、生料入库提升机和生料磨系统风机等；熟料煅烧工序设备主要包括窑尾废气排风机、熟料破碎机、窑头废气排风机、生料入窑提升机、窑主传电动机、熟料拉链输送机、冷却机系统鼓风机、一次风机和窑尾高温风机等；水泥粉磨工序设备主要包括水泥磨系统风机、水泥磨主电动机、辊压机主电动机和水泥磨选粉机等。
14.上述技术方案中，进一步地，所述的步骤s2中：
15.根据历史运行数据测算各可中断负荷工序能耗占水泥生产单位总能q的百分比w(i)，根据历史运行数据获取用电设备的平均运行时长t(i)，i＝1,2,..,m。设该日的水泥产量为x，则各用电设备的平均用电功率为p(i)＝q*x*w(i)/t(i)。
16.进一步地，步骤s4中，建立的水泥物料的仓储调度模型具体为：
17.1)目标函数
18.设调度时间间隔为δt，每日的调度次数为n次，则构建的日内运行成本最小目标函数如下：
[0019][0020]
其中：
[0021][0022]
式中：
[0023]
c为日内运行成本；
[0024]
为每个调度时间段内的用电设备的总用电成本；
[0025]
为每个调度时间段内的用电设备的总启动成本；
[0026]
为每个调度时间段内的物料仓储成本；
[0027]
wy是企业与可再生能源发电商在电力市场挂牌交易签订合同协商的优惠电价；
[0028]
wg、w
p
和wf分别为企业当地规定的低谷、平段和高峰分时电价；
[0029]
为每个调度时间段内消耗的可再生能源电力；
[0030]
和分别为企业在低谷、平段和高峰时段的用电量；
[0031]
2)决策变量
[0032]
决策变量为各个调度时间段内各个用电设备的运行时间和物料仓储量。
[0033]
t
t
＝{t
t
(1),t
t
(2),
…
t
t(i)…
,t
t
(m)},t＝1,2,..,n
[0034]
s＝{s1,s2,
…st
…
,sn}
[0035]
式中：
[0036]
t
t
(i)为第i个可中断负荷用电设备在第t个调度时间内的运行时间，0代表设备不运行；
[0037]st
为仓储单元在第t个调度时间内的物料仓储量；
[0038]
m为可中断负荷用电设备数目。
[0039]
3)约束方程
[0040]
a.时间约束
[0041][0042][0043][0044]
tg t
p
tf＝24
[0045]
式中：
[0046]
t(i)是基于历史运行数据计算的用电设备每日平均运行时间；
[0047]
和分别为第i个可中断负荷用电设备在第t个调度时间内在耗的可再生能源电力以及低谷、平段和高峰时段情况下的运行时间；
[0048]
tg、t
p
和tf分别为低谷、平段和高峰时段的时间；
[0049]
b.仓储约束
[0050]
na≤n
t
≤nb[0051]
sa≤s
t
≤sb[0052][0053]
式中：
[0054]
na和nb为第t个调度时间内磨机产量下限和上限；
[0055]nt
为第t个调度时间内磨机产量；
[0056]
sa和sb为第t个调度时间内缓冲仓储存储能力的下限和上限；
[0057]st
为第t个调度时间内缓冲仓储的储量；
[0058]
为第t个调度时间内熟料制备工序对原料的需求量。
[0059]
c.功率约束
[0060]
假设企业所需的最大电力需求量为p，则有：
[0061]
p(i)≤αp,i＝1,2,
…
,m
[0062]
式中：
[0063]
p(i)为各用电设备的平均发电功率；
[0064]
α为裕度系数，一般α＝0.85-0.95。
[0065]
d.能量约束
[0066][0067][0068]
式中，
[0069]
为第i个用电设备在第t个调度时间段内的耗电量；
[0070]
和分别为第i个用电设备在第t个调度时间段内消耗的可再生能源电力以及在低谷、平段和高峰时段的电量。
[0071]
本发明的发明原理为：
[0072]
在传统电网向高比例新能源为主体的新型电力系统的转型过程中，存在弃风、弃光等严重的能源浪费，而水泥企业存在的大量不连续生产过程可以使其合理选择生产设备的启停时间，如果将过剩的可再生能源与水泥企业集群的不连续生产过程进行时间匹配则可有效提升对可再生能源的消纳同时可助力水泥行业的节能减排。
[0073]
本发明的有益效果是：
[0074]
本发明首先对水泥行业中涉及的不连续生产过程和可中断负荷用电设备进行了统计分析，基于企业的历史运行数据对可中断负荷用电设备的平均运行时间和平均功率进行了计算预测，并同步跟踪电网的可再生能源弃电曲线获取可再生能源发电商的弃电时序数据，基于以上数据以运行成本最小为目标构建水泥企业集群生产的物料仓储调度模型，对模型进行优化求解给出各调度时间段内仓储单元的物料仓储量以及各用电设备的运行时间，企业基于求解结果控制各用电设备的启停时间和仓储单元进出物料量。本发明可有效减少电网对抽水蓄能和储能电池的依赖，增强未来新型电力系统应对大规模新能源并网带来间歇性和波动性等问题的及时消纳能力，同时助力高能耗企业的节省运行成本并提高其对能源和资源的利用率，有利于实现新型电力系统与水泥企业集群需求侧响应的源荷互动和协同增效。
[0075]
由于水泥制备涉及多个不连续生产过程，通过增加原料和熟料等的缓冲仓储单
元，可以做到在电网能源过剩时从仓储中取料进行水泥制备，基于水泥企业的生产过程和特点以及电网能源的消纳现状，结合需求侧响应技术实现源荷双侧的协同调度，有助于新型电力系统能源的及时消纳并降低水泥企业的生产和运行成本。
附图说明
[0076]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0077]
图1是本发明方法的主要步骤。
[0078]
图2是水泥生产中涉及可中断负荷的工艺流程图。
具体实施方式
[0079]
本发明的一种基于水泥企业不连续生产过程及仓储能力的电力需求响应方法，包括如下步骤：
[0080]
步骤s1，将水泥企业中的用电负荷分为可中断负荷和不可中断负荷，统计涉及可中断负荷的工序和设备。
[0081]
步骤s11，将水泥企业中的用电负荷分为可中断负荷和不可中断负荷，其中不可中断负荷指全天连续运行或者在固定时间段内运行的用电设备，可中断负荷是指用电时间段可中断配的用电设备。
[0082]
步骤s12，统计涉及可中断负荷的工序和设备，工序主要包括原料制备、生料制备、熟料煅烧和水泥粉磨。其中，原料制备工序设备主要包括破碎石灰石电动机、石灰石入配料库皮带输送机和石灰石预均化堆场皮带传送机；生料制备工序设备主要包括生料磨选粉机、原料入生料磨皮带输送机、生料磨主电动机、生料入库提升机和生料磨系统风机等；熟料煅烧工序设备主要包括窑尾废气排风机、熟料破碎机、窑头废气排风机、生料入窑提升机、窑主传电动机、熟料拉链输送机、冷却机系统鼓风机、一次风机和窑尾高温风机等；水泥粉磨工序设备主要包括水泥磨系统风机、水泥磨主电动机、辊压机主电动机和水泥磨选粉机等。
[0083]
步骤s2，通过企业的历史运行数据计算上述可中断负荷用电设备的平均运行时间和平均功率。
[0084]
根据历史运行数据测算各可中断负荷工序能耗占水泥生产单位总能q的百分比w(i)，根据历史运行数据获取用电设备的平均运行时长t(i)，i＝1,2,..,m。设该日的水泥产量为x，则各用电设备的平均用电功率为p(i)＝q*x*w(i)/t(i)。
[0085]
步骤s3，实时跟踪并入电网的可再生能源弃电曲线，获取可再生能源发电商的弃电时序数据，可中断负荷优先消纳可再生能源弃电，不足则基于电网的峰谷电价优先考虑谷电。
[0086]
步骤s4，基于运行成本最小目标建立水泥物料的仓储调度模型：在电网能源过剩时从仓储单元中取料进行水泥制备，仓储单元可为不连续工序和可再生能源提供物料和能源缓冲和平衡。
[0087]
1)目标函数
[0088]
设调度时间间隔为δt，每日的调度次数为n次，则构建的日内运行成本最小目标函数如下：
[0089][0090]
其中：
[0091][0092]
式中：
[0093]
c为日内运行成本；
[0094]
为每个调度时间段内的用电设备的总用电成本；
[0095]
为每个调度时间段内的用电设备的总启动成本；
[0096]
为每个调度时间段内的物料仓储成本；
[0097]
wy是企业与可再生能源发电商在电力市场挂牌交易签订合同协商的优惠电价；
[0098]
wg、w
p
和wf分别为企业当地规定的低谷、平段和高峰分时电价；
[0099]
为每个调度时间段内消耗的可再生能源电力；
[0100]
和分别为企业在低谷、平段和高峰时段的用电量；
[0101]
2)决策变量
[0102]
决策变量为各个调度时间段内各个用电设备的运行时间和物料仓储量。
[0103]
t
t
＝{t
t
(1),t
t
(2),
…
t
t(i)…
,t
t
(m)},t＝1,2,..,n
[0104]
s＝{s1,s2,
…st
…
,sn}
[0105]
式中：
[0106]
t
t
(i)为第i个可中断负荷用电设备在第t个调度时间内的运行时间，0代表设备不运行；
[0107]st
为仓储单元在第t个调度时间内的物料仓储量；
[0108]
m为可中断负荷用电设备数目。
[0109]
3)约束方程
[0110]
a.时间约束
[0111][0112]
[0113][0114]
tg t
p
tf＝24
[0115]
式中：
[0116]
t(i)是基于历史运行数据计算的用电设备每日平均运行时间；
[0117]
和分别为第i个可中断负荷用电设备在第t个调度时间内在耗的可再生能源电力以及低谷、平段和高峰时段情况下的运行时间；
[0118]
tg、t
p
和tf分别为低谷、平段和高峰时段的时间；
[0119]
b.仓储约束
[0120]
na≤n
t
≤nb[0121]
sa≤s
t
≤sb[0122][0123]
式中：
[0124]
na和nb为第t个调度时间内磨机产量下限和上限；
[0125]nt
为第t个调度时间内磨机产量；
[0126]
sa和sb为第t个调度时间内缓冲仓储存储能力的下限和上限；
[0127]st
为第t个调度时间内缓冲仓储的储量；
[0128]
为第t个调度时间内熟料制备工序对原料的需求量。
[0129]
c.功率约束
[0130]
假设企业所需的最大电力需求量为p，则有：
[0131]
p(i)≤αp,i＝1,2,
…
,m
[0132]
式中：
[0133]
p(i)为各用电设备的平均发电功率；
[0134]
α为裕度系数，此处α＝0.9。
[0135]
d.能量约束
[0136]
[0137][0138]
式中，
[0139]
为第i个用电设备在第t个调度时间段内的耗电量；
[0140]
和分别为第i个用电设备在第t个调度时间段内消耗的可再生能源电力以及在低谷、平段和高峰时段的电量。
[0141]
步骤s5，对模型进行优化求解，得到各调度时间段内仓储单元的物料仓储量以及各用电设备的运行时间。
[0142]
步骤s6，企业基于求解结果控制各用电设备的启停时间和仓储单元进出物料量。