能源互聯(lián)網(wǎng)下商業(yè)樓宇能量管理優(yōu)化算法*

鄭宇，趙俊華，董朝陽，王德志，潘振寧，李正佳

（1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州510080；2.蘇州華天國科電力科技有限公司，江蘇蘇州215000）

0 引 言

隨著世界能源的不斷消耗，傳統(tǒng)的石油能源十分緊缺，同時伴隨著各類新能源的開發(fā)和信息技術(shù)的發(fā)展，全球的能源格局正在從以往的單一能源供應(yīng)走向分布式小能源與集中式大能源共同供應(yīng)的能源互聯(lián)網(wǎng)模式。在這種模式下，電力網(wǎng)、天然氣網(wǎng)絡(luò)等能源網(wǎng)是能源互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，通過多能流的互相融合使用，能夠使得能量管理變得更為可靠和靈活［1-2］。

在能源互聯(lián)網(wǎng)下的需求側(cè)，工商業(yè)用戶是電力消費(fèi)的重要成分。工商業(yè)負(fù)荷具有總量大，用電規(guī)律和具有十分可觀的需求響應(yīng)潛力的特點(diǎn)。研究工商業(yè)的能量管理，能夠?qū)⒛茉磦?cè)與需求側(cè)結(jié)合起來，通過工商業(yè)負(fù)荷的需求響應(yīng)，不僅能夠有效優(yōu)化電網(wǎng)的負(fù)荷曲線，達(dá)到削峰填谷的效果，而且能夠給予工商業(yè)用戶一定的補(bǔ)貼，減輕其在能源方面的費(fèi)用支出。

由于商業(yè)負(fù)荷多為大量集中的照明負(fù)荷、空調(diào)負(fù)荷等，在不影響商業(yè)運(yùn)營的前提下，集中式的控制手段與調(diào)節(jié)方式更為靈活多樣，還能夠減少對電網(wǎng)造成的沖擊，是需求響應(yīng)實(shí)施的理想用戶［3］。而工業(yè)用戶由于其生產(chǎn)線及相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備不能頻繁開關(guān)，從而其可調(diào)性不如商業(yè)用戶來得靈活。商業(yè)負(fù)荷是區(qū)域用電負(fù)荷的重要組成部分，由于商業(yè)用戶的高度集中，使得商業(yè)負(fù)荷呈現(xiàn)高密度的特點(diǎn)，相比于分散的社區(qū)與家庭負(fù)荷，商業(yè)負(fù)荷能夠?qū)崿F(xiàn)集中的控制與調(diào)節(jié)，基于電價與激勵報(bào)酬的需求側(cè)響應(yīng)更容易實(shí)現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)效益更為客觀［4-5］。因此，本文以綜合商業(yè)樓宇負(fù)荷與多種能源為研究對象，考慮多能源融合的能源供應(yīng)模式，建立商業(yè)樓宇能量管理（commercial building energymanagement，CBEM）優(yōu)化模型，以商業(yè)樓宇的舒適度和經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)函數(shù)，同時考慮在分時電價機(jī)制下其主動通過儲能裝置來進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移抑制負(fù)荷曲線波動［6-7］。最后利用灰狼優(yōu)化算法［8］（grey wolf optimizer，GWS）對某市某綜合商業(yè)樓宇的模型進(jìn)行求解仿真。

1 CBEM模型

在CBEM模型中，綜合商業(yè)樓宇用電主要包括制冷系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、辦公設(shè)備及其他用電。其中照明系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、辦公設(shè)備及其他用電與季節(jié)沒有太大相關(guān)性，因此認(rèn)為其電負(fù)荷全年基本穩(wěn)定，但空調(diào)系統(tǒng)和供熱系統(tǒng)作為與人體舒適度相關(guān)的重要設(shè)備，其負(fù)荷與季節(jié)和溫度有十分緊密的聯(lián)系。在本文所提的綜合商業(yè)樓宇中，還包括了儲能系統(tǒng)和冷熱電聯(lián)產(chǎn)（combined cool、heat and power，CCHP）系統(tǒng)，其中CCHP與儲能裝置作為電力生產(chǎn)與儲存的裝置，與電網(wǎng)配合供電；熱能供給系統(tǒng)主要由CCHP的余熱供給。因此，本文的CBEM是一個多能源融合的能量管理模型，其框架圖如圖1所示。

圖1 CBEM框架圖Fig.1 Framwork of CBEM

本文所提的CCHP的工作原則是以熱定電，根據(jù)當(dāng)前時刻的商業(yè)樓宇所需熱負(fù)荷，通過燃?xì)獍l(fā)電機(jī)與熱回收裝置來提供所需的熱能與一定比例的電能［1］。基于該種工作模式，樓宇所需的電負(fù)荷由電網(wǎng)、CCHP與儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合供給，其基本原則為：樓宇電負(fù)荷優(yōu)先由CCHP提供的電能滿足，不足的電量則通過電網(wǎng)供電；若CCHP提供的電能有所富余，則通過儲能裝置進(jìn)行存儲電能；儲能系統(tǒng)則根據(jù)CCHP的工作狀態(tài)與當(dāng)前總負(fù)荷量與電價信息，確定其充放電狀態(tài)。儲能系統(tǒng)在商業(yè)樓宇能量管理系統(tǒng)中起到了轉(zhuǎn)移負(fù)荷的作用。

2 CBEM組件模型

本文的CBEM模型由基本負(fù)荷、室溫調(diào)節(jié)負(fù)荷、熱水負(fù)荷以及儲能系統(tǒng)與燃?xì)獍l(fā)電機(jī)等組件組成。其中基本負(fù)荷由照明系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、辦公設(shè)備及其他電負(fù)荷基本穩(wěn)定的部分組成，在考慮電價激勵的管理策略下，其基本不受電價波動影響。

2.1 室溫調(diào)節(jié)負(fù)荷模型

商業(yè)樓宇的室溫調(diào)節(jié)負(fù)荷需將室內(nèi)溫度控制在滿足用戶舒適度的范圍內(nèi)。根據(jù)能量守恒定理可知，單位時間內(nèi)室內(nèi)空氣從室外吸收的熱量為：

式中Qt為t時刻室內(nèi)從室外吸收的熱量；和分別為t時刻室外和室內(nèi)的溫度；R為房屋熱阻。

在制冷機(jī)工作時，其從室內(nèi)吸收熱量從而降低室內(nèi)溫度，室內(nèi)的溫度變化為：

其離散化表達(dá)式為［9］：

在供暖時，由CCHP提供熱量，室內(nèi)的溫度變化為：

其離散化表達(dá)式為：

2.2 熱水負(fù)荷模型

熱水負(fù)荷考慮為儲水箱，其主要為了使水箱儲存的熱水隨時能夠處于用戶可接受的溫度范圍內(nèi)，并假設(shè)當(dāng)熱水被消耗后，會立即有等量冷水注入。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，可得到水溫的表達(dá)式為［10］：

2.3 儲能模型

本文考慮的儲能模型為蓄電池組，并假設(shè)其△t時段內(nèi)充放電功率恒定，以其荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）作為評估變量，其充放電模型數(shù)學(xué)表達(dá)式為［11］：

式中SOCt為t時刻的蓄電池荷電狀態(tài)；和為蓄電池t時刻的充放電功率；δch和δdch分別為充放電效率；Bbatt為蓄電池容量。

同時，考慮蓄電池不工作時，會產(chǎn)生一定的靜態(tài)損耗，本文考慮1%／小時的靜態(tài)損耗。

2.4 CCHP模型

CCHP集成了發(fā)電、制熱、制冷等功能，其輸出的電功率和熱功率滿足［1］：

3 多目標(biāo)CBEM優(yōu)化模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

CBEM優(yōu)化模型以商業(yè)樓宇的舒適度及支出費(fèi)用成本作為目標(biāo)函數(shù)。其中舒適度目標(biāo)即樓宇的室內(nèi)溫度能夠控制在人體可接受范圍內(nèi)，本文以實(shí)際溫度與人體最舒適溫度的差值最小為舒適度目標(biāo)函數(shù)；而支出費(fèi)用成本函數(shù)則包括了電網(wǎng)購電費(fèi)用及天然氣消耗費(fèi)用，本文以兩者費(fèi)用之和最小為經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)，兩個目標(biāo)函數(shù)可表達(dá)如下：

3.2 約束條件

（1）電力有功功率平衡

電力能量交換需滿足能量守恒定律，即：

式中Pe為電負(fù)荷功率之和。

（2）室溫調(diào)節(jié)負(fù)荷和熱水負(fù)荷約束

室溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)與儲水箱需分別滿足功率約束與舒適度約束如下：

（3）儲能充放電功率約束

考慮到安全因素，蓄電池充放電功率須時刻控制在安全范圍之內(nèi)，并且其SOC不能低于一定的值：

（4）CCHP運(yùn)行約束：

當(dāng)室溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)處于制熱時，CCHP除了為儲水箱提供熱功率外，還為室內(nèi)供暖提供了熱功率其需要滿足能量守恒定律，即：

此外，CCHP工作與以熱定電模式，其輸出的電功率與熱功率還需滿足以下關(guān)系：

4 CBEM模型求解算法

本文采用GWO算法來求解上述CBEM優(yōu)化模型。GWO算法是Seyedali Mirjalili等人受狼群社會組織和捕獵策略行為啟發(fā)而提出的群搜索智能算法。該算法將每個解視作一匹狼，最優(yōu)解視作“獵物”，以“狼群”為依托對獵物進(jìn)行搜索捕食，借鑒狼群社會的等級制度對各解進(jìn)行分級，參照狼群捕食時的包圍策略和進(jìn)攻策略確定各解的位置和搜索方向，從而得到最優(yōu)解。GWO算法中，每一個解視作一匹狼，將每輪迭代適應(yīng)度最好的解設(shè)為α狼，次優(yōu)和第三優(yōu)的解分別設(shè)為β狼和δ狼，其余解皆為ω狼。α、β和δ共同領(lǐng)導(dǎo)狼群的行進(jìn)方向并找出最優(yōu)解。GWO算法流程圖如圖2所示。

圖2 灰狼優(yōu)化算法流程圖Fig.2 Framwork of CBEM

5 算例分析

5.1 仿真參數(shù)設(shè)置

對南方某市某棟綜合商業(yè)樓宇在夏季與冬季的典型日進(jìn)行仿真分析。假設(shè)該市商業(yè)電價采用分時電價機(jī)制，其電價曲線如圖3所示。天然氣價格為3.6元／m3。儲水箱及室溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1所示，CCHP的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2所示，儲能系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表3所示。本文優(yōu)化時間尺度為Δt＝1 h，仿真時間一天24小時。

圖3 商業(yè)分時電價曲線Fig.3 Commercial TOU curve

表1 儲水箱及室溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)設(shè)置Tab.1 Parameter setting ofwater tank and room temperature regulation system

表2 CCHP相關(guān)參數(shù)設(shè)置Tab.2 CCHP related parameter settings

表3 儲能系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)設(shè)置Tab.3 Parameter setting of energy storage system

5.2 仿真結(jié)果比較分析

在夏季典型日中，綜合商業(yè)樓宇中供暖系統(tǒng)不會啟用，故CCHP產(chǎn)生的熱功率僅供熱水負(fù)荷使用。由圖4可知，一天24小時內(nèi)，該樓宇的室內(nèi)溫度基本能夠維持在23℃上下，而熱水溫度則由于熱水的使用，冷熱水混合而導(dǎo)致其溫度在45℃上下波動。兩者均能夠滿足式（13）、式（14）的溫度約束條件。由圖5可知，樓宇的電負(fù)荷主要由基本負(fù)荷與制冷負(fù)荷組成，其電能來源包括CCHP出力、儲能出力與網(wǎng)購電。由于樓宇的電負(fù)荷量大，而CCHP與儲能裝置由于其出力及容量限制，大部分電負(fù)荷還是需要由網(wǎng)購電來滿足，但由于CCHP與儲能裝置的配合，從圖5中可以看出，樓宇電負(fù)荷曲線能夠有效的進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移，尤其是在分時電價的激勵下，儲能裝置能夠有效地通過高電價放電、低電價充電的方式來降低整體電費(fèi)支出，假如所有電負(fù)荷及熱負(fù)荷均有電網(wǎng)供電，其電費(fèi)支出需20 628元，而在當(dāng)前條件下，由表4可知，電費(fèi)加燃?xì)赓M(fèi)總共為19 295元，從而使得樓宇的能源費(fèi)用支出減少。由表4可以看出，夏季總負(fù)荷曲線標(biāo)準(zhǔn)差值為383.28 kW，而電網(wǎng)供電曲線標(biāo)準(zhǔn)差值為319.66 kW，由此可以看出，由于CCHP與儲能裝置的加入，使得電網(wǎng)的負(fù)荷曲線波動程度得到一定的抑制。圖6是CCHP的熱功率、電功率及天然氣消耗速率曲線，由于夏天無暖氣需求，該熱功率全部用來加熱熱水，并由于CCHP工作于“以熱定電”的模式，從而其電功率曲線與天然氣消耗曲線與熱功率曲線一致。CCHP的加入使得天然氣燃燒產(chǎn)生的熱能得以利用，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了電氣轉(zhuǎn)化的效果。

圖4 熱水溫度及室內(nèi)外溫度曲線（夏季）Fig.4 Hotwater temperature and indoor and outdoor temperature curves（Summer）

圖5 負(fù)荷及出力曲線（夏季）Fig.5 Load and output curve（Summer）

在冬季典型日中，由于室外氣溫相對較低，因此綜合商業(yè)樓宇啟用供暖系統(tǒng)，與此同時制冷系統(tǒng)關(guān)閉，且供暖系統(tǒng)所需的熱功率和熱水負(fù)荷均有CCHP產(chǎn)生的熱功率提供。由圖7可知，冬季由于室外溫度較低，室內(nèi)溫度基本能夠維持在22℃上下；而由于冬季熱水使用量較大較頻繁，熱水溫度維持在相對較低的水平，在41℃上下波動，但也能夠滿足式（14）的溫度約束條件。從圖8可以看出，相比于夏季，CCHP的熱負(fù)荷出力增長了2～3倍，并且其電能出力及天然氣消耗速率也相對提高了2～3倍。從圖9可以看出，冬季與夏季的基本負(fù)荷相同，這是因?yàn)樵摬糠钟秒娫O(shè)備的使用與季節(jié)基本無關(guān)，因此其負(fù)荷曲線在本文中假設(shè)不變。同時，由表5可知，冬季的電網(wǎng)負(fù)荷曲線與樓宇負(fù)荷曲線相比，其標(biāo)準(zhǔn)差降低了約40 kW。

圖6 CCHP輸出熱功率、電功率及天然氣消耗速率曲線（夏季）Fig.6 CCHP output thermal power，electrical power and natural gas consumption rate curve（Summer）

圖7 熱水溫度及室內(nèi)外溫度曲線（冬季）Fig.7 Hotwater temperature and indoor and outdoor temperature curves（Winter）

為了比較本文所用GWO優(yōu)化算法的效果，加入了遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）［12］與粒子群算法（Particle Swarm Optimization，PSO）［13］兩種典型優(yōu)化算法進(jìn)行比較，其比較結(jié)果如表4和表5所示。從兩個表格中可以看出，GWO的優(yōu)化結(jié)果，商業(yè)樓宇的電費(fèi)與燃?xì)饪傊С龅陀贕A與PSO的優(yōu)化結(jié)果。而在通過負(fù)荷轉(zhuǎn)移來抑制負(fù)荷曲線波動的效果上，GWO同樣具有一定的優(yōu)勢。綜上所述，本文所選GWO優(yōu)化算法對于求解CBEM模型具有良好的效果。

圖8 CCHP輸出熱功率、電功率及天然氣消耗速率曲線（冬季）Fig.8 CCHP output thermal power，electrical power and natural gas consumption rate curve（Winter）

圖9 負(fù)荷及出力曲線（冬季）Fig.9 Load and output curve（Winter）

表4 算法效果對比（夏季）Tab.4 Comparison of algorithm results（Summer）

表5 算法效果對比（冬季）Tab.5 Comparison of algorithm results（Winter）

6 結(jié)束語

在能源互聯(lián)網(wǎng)的背景下，提出了一種商業(yè)樓宇能量管理優(yōu)化模型，該模型具有多能源融合的特點(diǎn)，并考慮了在分時電價機(jī)制下，CCHP與儲能裝置的協(xié)調(diào)配合策略。由GWO求解CBEM模型的仿真結(jié)果可知，該模型能夠有效滿足樓宇舒適度的需求，同時能夠降低商業(yè)樓宇在能源費(fèi)用的支出。