考慮源-荷-儲多能互補的冷-熱-電綜合能源系統優化運行研究

2020-03-04 00:47:40歐陽斌袁志昌陸超屈魯李東東

發電技術 2020年1期

歐陽斌，袁志昌，陸超，屈魯，李東東

歐陽斌1,2，袁志昌2，陸超2，屈魯2，李東東1

（1．上海電力大學電氣工程學院，上海市楊浦區 200090；2．清華大學電機工程與應用電子技術系，北京市海淀區 100084）

綜合能源系統(integrated energy system，IES)以多能互補和能量階梯利用為核心，將大大提高系統的能量利用率，實現多種能流互補優化。通過建立冷-熱-電綜合能源系統，以系統總運行成本最低為目標函數，考慮設備模型約束和功率平衡約束，采用日前負荷模擬綜合能源系統經濟優化運行；同時考慮到系統在冬、夏季運行工況差異較大，采用分季調節運行模式，利用分支界定(branch and bound，B-a-B) 算法求解優化模型。仿真結果表明，系統能量供給平衡，“源-荷-儲”互補搭配性強，系統運行靈活、經濟高效，同時，系統污染氣體排放量少，有利于環境保護。

綜合能源系統(IES)；多能互補；源-荷-儲；優化運行；分季調節；分支界定

0 引言

能源產業作為支撐日常生活消費、工業生產等活動的關鍵因素呈現出能源需求量大、能源種類多、能源結構差異性大和能流變化迅速等特點[1-6]。現有的能源生產結構大多彼此獨立，且單獨運營，這就容易造成能量轉換損失嚴重，各個系統彼此耦合關系稀疏，結構單一；在能源消費端，巨大的能量需求和能源消費方式的快速轉變不斷沖擊現有的能源系統結構，對能源系統的穩定性和安全性帶來巨大挑戰。

近年來，有學者針對上述問題，提出在靠近能源消費終端建立起綜合能源系統(integrated energy system，IES)[7-11]，通過實現多種能源互相補充以及能量階梯利用的原理，充分消納吸收分布式能源(distributed energy，DE)，以解決現有的能源“生產-傳輸-存儲-消費”困境。

在對綜合能源系統的研究方面，英國曼徹斯特大學開發了電-熱-氣系統及用戶交互平臺的綜合能源系統，對用戶終端實現了用能、節能和需求響應3個功能[12]。德國通過鼓勵E-Energy項目建設，側重于能源和信息系統集成，采用數字網絡實現發電的安全供給、高效利用以及氣候保護[13]。歐盟規劃了歐盟電網新計劃路線圖，致力于融合各國能源系統建設跨歐洲的高效能源系統[14]。日本早在2010年就成立日本智能社區聯盟，專注于智能社區技術與綜合能源系統示范工程建設[15]。近幾年，綜合能源系統研究在國內成為潮流，在示范工程方面，廣州明珠工業區同構冷-熱-電-氣的綜合能源系統，優化提高能源利用率，積極打造智能工業示范園區[12]。北京延慶的“城市能源互聯網”示范工程，旨在建設支撐高滲透率的區域綜合能源系統[16]。張家口張北的“多能互補高效階梯利用的分布式供能”示范工程[8]，綜合運用多種能源生產方式、儲能設備以及光熱化學互補原理，為實現大規模綜合能源系統應用和協調控制提供新的發展機遇。

由于綜合能源系統耦合了多類異質能流，通過對多種能源生產方式的互補搭配和各個能源設備的協調控制，實現整體系統更高的能源利用率和節能效益，但由于系統本身耦合關系復雜，非線性特征明顯，增加了系統在協調運行上的難度。因此，迫切需要對系統進行優化運行。在優化運行方面，文獻[17]以433座樓宇組成的綜合建筑的冷熱需求為模型，比較了以熱定電和以電定熱2種運行方式在樓宇中的適應程度以及存在的不足。鑒于以熱定電和以電定熱方法并不合理，文獻[18]提出了分別以運行成本、一次能源消耗(primary energy consumption，PEC)、二氧化碳排放量(carbon dioxide emissions，CDE)最小化為目標的能源調度算法，并指出只要PEC和CDE達到標準要求，就應該考慮系統的安裝運行。文獻 [19]則提出一種應用于小型冷熱電三聯供系統的多目標優化函數，綜合考慮能源效率、資金消耗、環境效益，并對冷熱電三聯供系統進行了風險分析。文獻[20]提出了一種以運行費用和燃料價格最低為經濟目標的線性規劃方法。文獻[21]提出了一種光/儲/水/柴微網經濟調度策略，分3層對系統進行控制：經濟調度層采用邊際成本競價機制結合水電和光伏補償策略，安排下一時段的運行計劃；穩態控制層中，接收調度層指令并執行；緊急控制層通過備用功率分配、可用功率調整、切負荷等手段維持系統功率平衡，保證系統穩定運行。

綜上所述，在綜合能源系統優化方面已有較多研究，但對耦合“源-荷-儲”的綜合能源系統的優化運行以及考慮季節工況差異性方面，特別是季節負荷差異性大可能使系統難以穩定運行方面考慮較少，為此，本文將針對冷-熱-電綜合能源系統的“源-荷-儲”多能互補和分季節優化運行開展研究。

1 系統架構及工作原理

1.1 系統架構

冷-熱-電綜合能源系統結構多樣，形態多端，系統耦合關系復雜，本文針對冷-熱-電綜合能源系統優化運行現狀分析，基于耦合多種能源生產方式，多種能流互相搭配補充，并且擁有對電、熱2種能量的儲能裝置的冷-熱-電綜合能源系統的通用拓撲結構，建立綜合能源系統研究模型。

圖1中冷-熱-電綜合能源系統的設備主要包括燃氣內燃機、缸套水換熱器、吸收式制冷機、電鍋爐、電制冷機以及煙氣吸收熱泵設備，并且配以儲電、儲熱2種儲能設備，系統還接入了光伏發電機組，提高可再生能源的滲透率，并接入電網以保證有充足的電能供電力負荷使用。

圖1 冷-熱-電綜合能源系統能流拓撲圖

1.2 工作原理

本文的冷-熱-電綜合能源系統為微能源網，以燃氣內燃機為核心，通過消耗天然氣，產出電能直接供給部分電力負荷；燃氣內燃機工作時產生的熱蒸汽則通過缸套水換熱器轉化為熱水供給熱力負荷；同時，天然氣燃燒時產生的煙氣可以被煙氣吸收熱泵大部分接收，轉化為熱能和冷能直接供給用戶；為彌補冷能供給不足的情況，可由吸收式制冷機吸收部分熱能轉化為冷能供給負荷使用。當電能供給充足而供冷或者供熱不足時，可以通過電鍋爐或者電制冷機工作補充。系統中還加入了儲電、儲熱設備，保證系統有足夠的功率容量裕度，穩定系統運行。光伏發電機組的主動接入，增加了系統的環保性和經濟效益。當電能負荷需求較大時，系統可與電網交互，同時，為了降低系統與電網的信息通道以及物理通道的建設費用和協調成本，本系統采用“并網不上網”原則，向電網購買電能，以彌補系統的電能缺額，保證系統穩定運行。

2 優化運行策略

在對冷-熱-電綜合能源系統的優化運行方面，本文考慮了系統負荷需求供給平衡約束、各類設備容量約束和設備運行約束，采用同一時間尺度(D=1h)進行系統功率調節，以實現系統功率平衡和經濟效益最大化。

2.1 目標函數

以系統總運行成本最小為目標構建冷-熱-電綜合能源系統的目標函數，即

式中：grid()為系統與電網的購電費用，元；gas()為系統購買天然氣費用，元；main()為系統設備維護費用，元；poll()為污染氣體排放治理費用，元。

其中，系統購電費用、購氣費用、設備維護費用、污染氣體排放治理費用具體表示如下：

2.2 約束條件

2.2.1 設備模型約束

1）燃氣內燃機模型。

2）煙氣吸收熱泵。

3）缸套水換熱器。

4）吸收式制冷機。

5）電鍋爐。

式中：EB()為電鍋爐輸入電功率，kW；EB()為電鍋爐輸出熱功率，kW；EB為電鍋爐的制能系數；EB.min、EB.max分別為電鍋爐最小、最大電功率，kW；EB.max為電鍋爐的出力坡度約束，kW。

6）電制冷機。

7）光伏發電機組模型。

式中：PV()為光伏發電機組的實時出力，kW；STC()為光伏發電機組的額定出力，kW；ING()為實時輻照強度，W/m3；STC為光伏發電機組的額定輻照強度，W/m3；為光伏發電機組的發電系數；out()為外界溫度，℃；s為發電機組的參考溫度，℃。

8）儲電設備模型。

最后，健全農業科學技術的推廣體系，發展技術市場和中介服務體系，避免農業科技與農業生產脫節的現象。加強農科教相互協作，推進農業科研、教育、推廣體系“三位一體”建設，充分形成農業科學教育系統的整體優勢。

9）儲熱設備模型。

2.2.2 功率平衡約束

1）電功率平衡約束。

式中：batt.dis()、batt.cha()分別為儲電設備的放電、充電變量；ele()為電力負荷，kW。

2）熱功率平衡約束。

3）冷功率平衡約束。

式中：cool()為冷力負荷，kW。

2.3 求解算法和步驟

本優化模型為混合整數非線性規劃模型，其耦合關系復雜、非線性特征明顯，特別是燃氣內燃機和煙氣吸收熱泵設備存在多變量輸入、轉換，使得模型表現出強非凸特性，一般的優化求解器(如CPLEX、GUROBI等)和普通算法均無法求解，因此，本文采取分支界定法求解該問題。

求解步驟如附錄圖A1所示。分支界定算法通過放寬約束條件，將原問題分解成眾多子問題，采用求解子問題的最優解的方式，當所求最優解為原問題可行解時，該最優解為原問題最優解；否則，以最優解的目標函數為原問題上界，最優解的可行解最大值目標函數為原問題下界，繼續求解該程序，當上界低于下界時，則原問題無最優解。

3 算例仿真與分析

冷-熱-電綜合能源系統在季節負荷差異較大時，特別是冬、夏季對冷、熱負荷需求懸殊，系統工況運行復雜。在系統冷、熱、電負荷相互獨立且不確定的情況下，如果對不同季節采用單一工況運行，則存在系統無法滿足負荷需求、設備無法運行的情況。此時，應當考慮對系統進行分季運行調節。本文通過調節系統設備參數，改變系統運行工況，調節系統分季運行。其中，冬、夏季部分設備模型參數如表1所示。其余部分模型參數可參考文獻[22-23]進行設置，詳見附錄表A1。

表1 冬、夏季日前優化部分設備參數

采用夏季日前負荷對綜合能源系統運行結果分析如下：

夏季日前冷-熱-電負荷及各個設備電功率出力情況如圖2、圖3所示，燃氣內燃機輸出電功率基本承擔了電能負荷的基荷部分；光伏發電設備主動接入系統，且被系統完全消納，此時系統從電網吸收電功率降低，尤其是在第9、11和12h用電高峰期為0kW，充分體現了系統實現削峰填谷作用；系統中儲電設備的充、放電功率較低，儲電設備對系統參與度小，有利于提高儲電設備壽命，同時也說明系統能夠實現自我消納，系統穩定性好。夏季日前各個設備熱功率出力情況如圖4所示，缸套水換熱器輸出的熱能功率穩定，滿足一天的熱能負荷基荷。系統的熱能負荷在一天內存在2個峰荷時段，煙氣吸收熱泵調節靈活，能夠實現對熱能輸出的“隨入隨放，隨出隨停”功能。同時，儲熱設備通過吸收和放出熱量維持熱力系統的功率穩定性，有效調節熱力系統經濟穩定運行。夏季日前各個設備冷功率出力情況如圖5所示，夏季冷能需求最大，主要由煙氣吸收熱泵供給冷能負荷，煙氣吸收熱泵輸出冷功率穩定，滿足系統冷能負荷平衡。電制冷機靈活運行，在煙氣吸收熱泵冷功率不足時，提供部分冷能，滿足冷力系統負荷缺額，實現“源-荷-儲”功率平衡，系統穩定運行。

圖2 夏季日前冷-熱-電負荷圖

圖3 夏季日前各個設備電功率出力圖

采用冬季日前負荷對綜合能源系統運行結果分析如下：

圖4 夏季日前各個設備熱功率出力圖

圖5 夏季日前各個設備冷功率出力圖

冬季日前冷-熱-電負荷情況及各個設備電功率出力情況如圖6、圖7所示，在電能谷時段(第1—6h以及第24h)燃氣內燃機電功率出力較少，此時，電網功率價格低，電網電功率出力大，有利于系統經濟運行；在電能峰時段(第7—22h) 燃氣內燃機電功率隨電能負荷需求增加而增加，其提供了電能負荷的50%以上，且輸出穩定。從第9—17h，光伏發電出力明顯，系統能夠實現完全消納光伏電功率，峰時段系統從電網接收的功率降低，特別是在第10、11h，系統幾乎不需要從電網吸收電能，能夠完全自主發電和消納，在用電的高峰期(第12—15h)電網電功率較低，實現系統經濟性最優。在冬季日前優化中，儲電設備的充、放電功率均在較低水平，既減少儲電設備的維護費用，又提高設備的使用壽命。冬季日前各個設備熱功率出力情況如圖8所示，系統通過從缸套水換熱器中接納大量的熱能供給負荷使用。當缸套水換熱器提供的熱功率不足時，系統通過煙氣吸收熱泵、電鍋爐靈活運行，并供給了熱能負荷缺額，當熱能出力較多時，儲熱設備投入運行，以儲存部分熱能或發出部分熱能方式調節系統運行，實現熱能系統的功率平衡。冬季日前各個設備冷功率出力情況如圖9所示，因冬季冷功率需求較低，系統則通過煙氣吸收熱泵良好的制冷效應和電制冷機制冷運行實現對冷負荷的全部供應。

圖6 冬季日前冷-熱-電負荷圖

圖7 冬季日前各個設備電功率出力圖

圖8 冬季日前各個設備熱功率出力圖

圖9 冬季日前各個設備冷功率出力圖

在費用方面，將冷-熱-電綜合能源系統與未添加儲能系統進行分析，結果如表2所示。

表2 優化費用對比

由表2可知，通過添加儲能，系統功率存在一個緩沖空間，降低了系統在購電和購買天然氣的費用，系統總成本減小。

綜上所述，冷-熱-電綜合能源系統在冬、夏季日前負荷條件下實現需求供給平衡，“源-荷-儲”各個設備充分參與系統調節，有效提高了系統的能源利用率，充分消納、吸收系統中光伏發電功率，大大促進環境保護和系統經濟效益。

4 結論

1）基于冷-熱-電綜合能源系統拓撲，耦合多種能源生產方式，包括燃氣內燃機的制電、制冷效應，煙氣吸收熱泵良好的制冷、制熱性能以及眾多的能源轉換裝置，系統中加入光伏發電機組，提高可再生能源的滲透率，為保證系統穩定運行，加入儲熱/儲電設備以增加系統功率的容量裕度，并對系統進行優化運行。

2）以系統整體運行經濟性最優為優化目標，考慮設備模型約束與功率平衡約束，并采用冬、夏季日前負荷參數進行優化計算。由于冬、夏季負荷特性差異較大，系統運行工況復雜，通過調節系統設備參數使其運行在較適宜條件下運行。所建模型為強耦合、非線性和強非凸特征，采用分支界定算法求解模型。仿真結果表明，系統功率平衡，能夠穩定運行，且整體系統具有良好的制電、制熱、制冷效應，滿足負荷需求，“源-荷-儲”的互補搭配極大地提高系統優化運行能力，系統運行方式靈活，能流供給多變，同時，系統所排放污染氣體少，治理成本較低，能夠實現系統經濟效益和環境保護最大化。

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Research on Optimal Operation of Cold-Thermal-Electric Integrated Energy System Considering Source-Load-Storage Multi-Energy Complementarity

OYANG Bin1,2, YUAN Zhichang2, LU Chao2, QU Lu2, LI Dongdong1

(1. Electric Power Engineering, Shanghai University of Electricity Power, Yangpu District, Shanghai 200090, China; 2. Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China)

The integrated energy system (IES) is based on multi-energy complementarity and energy ladder utilization, which will greatly improve the energy utilization of the system and achieve multiple energy flow complementary optimization. A cold-thermal-electric IES was established. The objective function is the lowest total operating cost of the system. Considering the constraints of equipment model and power balance, the daily load is used to simulate the economic optimal operation of the comprehensive energy system. Considering that the operating conditions of the system vary greatly in winter and summer, the operation mode is adjusted by the seasons,and the branch and bound (B-a-B) was used to solve the optimization model. The simulation results show that the system energy supply balance, "source-load-storage" complementary collocation, the system is flexible, economical and efficient, and at the same time, the system emits less pollutant gas, which is conducive to environmental protection.

integrated energy system (IES); multi-energy complementarity; source-load-storage; optimal operation; different seasonal adjusts; branch and bound