區(qū)域多能源電網(wǎng)可再生能源發(fā)電容量規(guī)劃及投資收益優(yōu)化模型

張 濤， 劉樹森， 王 闖， 居 輝

（1.國網(wǎng)盤錦供電公司， 遼寧 盤錦 124010； 2.中廣核新能源投資（深圳）有限公司遼寧分公司， 遼寧 沈陽110000； 3.沈陽工業(yè)大學， 遼寧 沈陽 110870）

0 前言

在“再電氣化”的能源發(fā)展背景下，越來越多的電制氫、電制熱、電制天然氣、氫燃料電池、甲烷燃料電池、化學電池儲能、天然氣儲能、氫氣儲能、熱儲能等多能源轉(zhuǎn)換、存儲、消費元件接入了傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中。 可以預見，隨著電動汽車、氫燃料電池汽車、集中和分布式風電、集中和分布式光伏、光熱發(fā)電等新能源供能和消費規(guī)模的不斷擴大，隨著物聯(lián)網(wǎng)等信息物理融合技術(shù)的飛速發(fā)展和技術(shù)普及，未來將會形成以傳統(tǒng)電網(wǎng)為核心的多能源形式緊密耦合和高效協(xié)調(diào)的多能源電網(wǎng)[1]，[2]。

目前，國內(nèi)外針對多能源系統(tǒng)和電網(wǎng)電源容量規(guī)劃所開展的研究顯示，區(qū)域多能源電網(wǎng)中可再生能源的配置容量，一方面決定了多能源電網(wǎng)的協(xié)調(diào)自治能力及其功能質(zhì)量，另一方面也在很大程度上影響著區(qū)域多能源電網(wǎng)的投資收益效率。 文獻[3]以提高多能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化水平和運行效益，縮短投資回收周期為目標，在研究虛擬儲能、可再生能源協(xié)調(diào)配置、分時電價等因素關(guān)系的基礎(chǔ)上， 提出了虛擬儲能容量與收益協(xié)調(diào)優(yōu)化模型，提高了多能源系統(tǒng)中儲能優(yōu)化配置水平。文獻[4]為解決在綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃中，多能源供能設(shè)備利用率對系統(tǒng)容量規(guī)劃制約問題， 在可再生能源供能、多種類負荷不確定性研究的基礎(chǔ)上，提出一種能夠有效提高設(shè)備利用小時數(shù)的多能源系統(tǒng)容量優(yōu)化配置模型。 文獻[5]針對多個多能源系統(tǒng)規(guī)劃協(xié)調(diào)問題，基于多能源線性化模型，研究能源網(wǎng)絡(luò)與能源樞紐分層協(xié)調(diào)規(guī)劃模型， 提出了能夠較好兼容多能源組成部分和系統(tǒng)分層調(diào)度的多能源系統(tǒng)規(guī)劃方法。

以上研究主要是針對多能源系統(tǒng)或電網(wǎng)容量規(guī)劃問題， 在滿足多能源系統(tǒng)或電網(wǎng)的電力需求前提下， 以最小容量或最大投資收益為目標而進行系統(tǒng)規(guī)劃或電源容量優(yōu)化。目前，針對多能源設(shè)備大規(guī)模接入電網(wǎng)后的源荷不確定性、 多能源轉(zhuǎn)換協(xié)調(diào)以及電網(wǎng)可靠性等綜合因素制約下， 以可再生能源比例提升與投資收益兼顧的可再生能源發(fā)電容量規(guī)劃的研究尚少。

本文首先以地區(qū)級多能源電網(wǎng)中電、熱、燃氣等多種類型能源的供能、轉(zhuǎn)換、存儲、消費的協(xié)調(diào)自治優(yōu)化、電網(wǎng)建設(shè)投資收益最大化為目標，研究實現(xiàn)多能源系統(tǒng)供能質(zhì)量、供能效率、供能收益等因素的相互協(xié)同，優(yōu)化區(qū)域多能源系統(tǒng)可再生能源發(fā)電容量規(guī)劃方法；然后，研究區(qū)域多能源電網(wǎng)中，多能源負荷在不確定性下的價格響應(yīng)，建立基于分時段供能價格響應(yīng)及供能質(zhì)量控制成本約束的可再生能源投資收益優(yōu)化模型；最后，結(jié)合東北某城市多能源電力系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，根據(jù)傳統(tǒng)電網(wǎng)、熱網(wǎng)和燃氣網(wǎng)供能、儲能參數(shù)，對該系統(tǒng)可再生能源配置容量和投資收益進行優(yōu)化仿真分析。 研究結(jié)果表明，可再生能源發(fā)電容量規(guī)劃及投資效益優(yōu)化模型，能夠在兼容供能質(zhì)量和供能價格時段特性的前提下，較好地提升電網(wǎng)可再生能源容量配置和投資收益水平。

1 區(qū)域多能源電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)基礎(chǔ)上， 接入較大規(guī)模的可再生能源發(fā)電、電制熱鍋爐、電制天然氣及天然氣燃料電池、 熱電聯(lián)產(chǎn)機組形成多能源電力系統(tǒng)， 能夠同時滿足一定地理區(qū)域內(nèi)的電、熱、天然氣等多種能源形式的負荷需求。一般意義上的區(qū)域級多能源電力系統(tǒng)如圖1 所示。 該區(qū)域級多能源電力系統(tǒng)， 不僅能夠通過系統(tǒng)內(nèi)部的能源轉(zhuǎn)換與存儲， 實現(xiàn)高效的區(qū)域內(nèi)多種能源自治運行，同時還可與上級燃氣網(wǎng)、電網(wǎng)進行能量交互， 為上級能源主干網(wǎng)絡(luò)提供一定的峰谷調(diào)節(jié)能力。 因此，區(qū)域級多能源電力系統(tǒng)，是實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的重要綜合能源供給、轉(zhuǎn)換、存儲和消費單元。 區(qū)域級多能源電力系統(tǒng)在為內(nèi)部負荷和外部網(wǎng)絡(luò)提供能源時都可產(chǎn)生收益， 區(qū)域內(nèi)可再生能源發(fā)電規(guī)模在較大程度上決定了系統(tǒng)總運行成本和投資收益。

圖1 區(qū)域級多能源電力系統(tǒng)拓撲模型Fig.1 Regional-level multi-energy electric power system topology model

在圖1 所示的區(qū)域多能源電網(wǎng)中， 以電網(wǎng)為主要能源載體，電、熱、燃氣3 種能源網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過3種能源間的轉(zhuǎn)換與存儲單元， 實現(xiàn)網(wǎng)間能源形式的交互。 電、熱、燃氣可以根據(jù)區(qū)域內(nèi)3 種能源消費的實時狀態(tài)進行轉(zhuǎn)換、存儲和分配，該特性能夠協(xié)調(diào)各類能源供給與消費的不同峰谷特性， 平衡地區(qū)內(nèi)能源總量消費的時間特征。因此，在區(qū)域多能源電網(wǎng)內(nèi)可再生能源發(fā)電規(guī)劃過程中， 充分考慮可再生能源發(fā)電特性、 多種類能源形式間的轉(zhuǎn)換和存儲特性、電網(wǎng)內(nèi)多能源負荷特性、多能源消費收益之間的協(xié)調(diào)優(yōu)化， 能夠有效地提高可再生能源規(guī)劃及其投資收益水平。

2 考慮不確定性的多能源轉(zhuǎn)換約束模型

2.1 多源負荷不確定性模型

將區(qū)域多能源電網(wǎng)中的電、熱、氣負荷分為可調(diào)節(jié)負荷和不可調(diào)節(jié)負荷， 考慮不確定性的多能源電網(wǎng)負荷模型為

式中：PM-U，PM-C分別為多能源電網(wǎng)內(nèi)的不可控負荷、可控負荷需求值；fMU，fMC分別為多能源電網(wǎng)內(nèi)的不可控負荷、可控負荷的時間特性；ζ，ξ 為可控負荷調(diào)節(jié)時間參數(shù)；ΔLU，ΔLC分別為不可控負荷、可控負荷的不確定性；ts，te分別為電網(wǎng)一個調(diào)度周期的開始時間、結(jié)束時間。

2.2 可再生能源功率不確定性模型

考慮可再生能源輸出功率不確定性， 區(qū)域多能源系統(tǒng)中可再生能源功率特性為

式中：PRE為多能源電網(wǎng)中總可再生能源發(fā)電輸出功率； fRE為多能源電網(wǎng)中可再生能源發(fā)電時間特性； ΔLR為可再生能源發(fā)電出力的不確定性。

2.3 多能源轉(zhuǎn)換約束模型

考慮系統(tǒng)內(nèi)包含上級電網(wǎng)、火電機組、熱電機組、可再生能源發(fā)電、上級燃氣網(wǎng)等電、熱、燃氣供給單元和能源轉(zhuǎn)換、存儲單元，多能源電網(wǎng)內(nèi)電、熱、氣負荷和供能單元間的功率平衡模型為

式中：PM-E，PM-T，PM-G分別為區(qū)域多能源電網(wǎng)中電、熱、 氣負荷的需求功率；PEG，PGG，PRE，PCP，PCL分別為區(qū)域多能源電網(wǎng)中上級電網(wǎng)、上級氣網(wǎng)、可再生能源、熱電機組、火電機組輸入電網(wǎng)的功率；κ11～κ35分別為區(qū)域多能源電網(wǎng)中各能源供給單元與各種類負荷間的供能效率或能源轉(zhuǎn)換系數(shù)。

3 考慮價格響應(yīng)的可再生能源收益模型

3.1 多能源電網(wǎng)可再生能源價格響應(yīng)模型

在多能源電網(wǎng)中， 將所有能源供給資源分為兩類：一是由區(qū)域內(nèi)可再生能源供能的能源供給，即區(qū)域可再生能源供給單元； 二是由其他能源供給資源供能的能源供給， 即區(qū)域非可再生能源供給單元。 考慮區(qū)域可再生能源供給單元和區(qū)域非可再生能源供給單元， 在一個調(diào)度周期內(nèi)[ts，te]，分別以價格 PRIRE（t），PRIURE（t）向負荷供能。 此時，為保證調(diào)度周期內(nèi)各自的多能源供能質(zhì)量， 區(qū)域可再生能源供給單元和區(qū)域非可再生能源供給單元的供能成本為

CRE，CURE分別是與可再生供能、 非可再生供能質(zhì)量無關(guān)的基礎(chǔ)供能成本。 這一成本的高低是由可再生能源和非可再生能源供能設(shè)備的發(fā)展水平?jīng)Q定的，屬于固有成本，無法通過容量優(yōu)化配置去影響其大小。

?RCQRE，?UCQURE是為保證系統(tǒng)供能質(zhì)量而隨著系統(tǒng)中多能源供給、轉(zhuǎn)換、存儲與需求之間的波動及波動的不確定性， 對供能系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)所產(chǎn)生的供能成本。 區(qū)域多能源電網(wǎng)內(nèi)部協(xié)調(diào)運行水平越高，對應(yīng)的調(diào)節(jié)成本就越小。?R，?U為單位供能調(diào)節(jié)成本參數(shù)。 該參數(shù)與多能源電網(wǎng)總的調(diào)度運行控制系統(tǒng)投入有關(guān)， 與可再生能源的裝機容量配置無關(guān)， 在進行容量配置時， 可認為其為常數(shù)。 CQRE，CQURE為供能可靠性成本，也即裝機容量成本。 CQRE，CQURE與系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行能力無關(guān)，與系統(tǒng)中可再生供能和非可再生供能設(shè)備裝機容量有關(guān)。 裝機容量越大，裝機容量成本越高，系統(tǒng)的可靠性也越高，供能質(zhì)量也越好。 裝機容量成本為

式中：ρR，ρU為單位裝機容量成本參數(shù)。

在上述供能質(zhì)量成本下， 區(qū)域多能源電網(wǎng)中負荷對價格的響應(yīng)：

式中：σ 為供能價格響應(yīng)參數(shù)；γ 為供能質(zhì)量響應(yīng)參數(shù)；PL（0）為系統(tǒng)初始能源消費需求。

3.2 可再生能源供能收益模型

在可再生能源裝機容量一定的區(qū)域多能源電網(wǎng)中，可再生能源供能收益可表示為

式中：ERN1=PRIRE（t）-CRE-?RCQRE（t）；φ 為可再生能源供能收益折現(xiàn)率；e-φt表示可再生能源發(fā)電設(shè)備投運后， 在當前投資額度下的供能收益與折現(xiàn)率r 成負指數(shù)關(guān)系，隨著時間推移，初期投資所投入設(shè)備的供能能力或保證一定質(zhì)量的供能能力將呈指數(shù)形式下降。

式（8）表明，較高的可再生能源裝機容量能夠帶來較高的可再生能源供能可靠性， 相應(yīng)地增加供能收入；裝機容量增大也帶來成本增加，質(zhì)量水平的提高會帶來需求增大； 質(zhì)量提高也會帶來可再生能源投資成本增加。因此，可再生能源容量規(guī)劃的優(yōu)化， 即是在可再生能源供能收益和可靠性之間找到最優(yōu)解。

4 可再生能源容量與收益優(yōu)化模型

在區(qū)域多能源電網(wǎng)的可再生能源容量規(guī)劃中， 假設(shè)可再生能源設(shè)備的技術(shù)經(jīng)濟參數(shù)保持恒定， 系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度策略能夠較好地滿足運行成本優(yōu)化。 同時考慮區(qū)域多能源電網(wǎng)可再生能源容量優(yōu)化與收益優(yōu)化的目標函數(shù)為

可再生能源容量優(yōu)化與收益優(yōu)化的約束函數(shù)主要有多能源電網(wǎng)實時功率平衡約束和多能源電網(wǎng)實時運行狀態(tài)約束。

（1）多能源電網(wǎng)實時功率平衡約束

在區(qū)域多能源電網(wǎng)內(nèi)，電、熱、燃氣能源供給與需求間功率約束為

式中：PME（t）為多能源電網(wǎng)中各電、熱、燃氣能源消費單元的能源需求；PSUP（t）為多能源電網(wǎng)中各電、熱、燃氣能源供給單元的出力；PLOS（t）為多能源電網(wǎng)中電、熱、燃氣網(wǎng)絡(luò)能源損耗。

（2）多能源電網(wǎng)實時運行狀態(tài)約束

為保證區(qū)域多能源電網(wǎng)內(nèi)電、熱、燃氣能源供給可靠性和供能質(zhì)量， 多能源電網(wǎng)應(yīng)滿足的運行約束為

式中：PELSUP（t）為區(qū)域多能源電網(wǎng)中所有電源在時刻 t 的輸出功率函數(shù)；PGSSUP（t）為區(qū)域多能源電網(wǎng)燃氣供能設(shè)備在時刻t 的輸出功率函數(shù)；PTHSUP（t）為區(qū)域多能源電網(wǎng)熱力供能設(shè)備在時刻t 的輸出功率函數(shù)；UEL（t）為電網(wǎng)節(jié)點在時刻t的電壓波動函數(shù)；EBT（t）為多能源電網(wǎng)內(nèi)儲能系統(tǒng)儲能設(shè)備在時刻t 的荷能狀態(tài)函數(shù)。

5 仿真算例分析

以東北某地區(qū)級多能源電網(wǎng)實際運行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合階梯電價、燃氣價格和熱力價格，仿真分析可再生能源在不同配置規(guī)模下的系統(tǒng)運行特性與投資收益。 該地區(qū)多能源電網(wǎng)電、熱、氣典型日負荷曲線如圖2 所示。 區(qū)域級多能源電力系統(tǒng)參數(shù)如表1 所示。

圖2 區(qū)域級多能源電力系統(tǒng)電、熱、氣典型日負荷曲線Fig.2 Multi-energy load curves of regional-level multi-energy electric power system

表1 區(qū)域多能源電網(wǎng)非可再生供能參數(shù)Table 1 Non-renewable energy supply parameters of regional-level multi-energy electric power system

根據(jù)目前采用的電、熱、燃氣供能系統(tǒng)分時段供能價格機制， 本文設(shè)定多能源電網(wǎng)中供能價格的時段特性如表2 所示。同時，考慮區(qū)域多能源電網(wǎng)中對綜合供能質(zhì)量的要求和可再生能源不確定性對供能可靠性的影響， 本文針對不同的系統(tǒng)供能可靠性指標要求， 分析對應(yīng)的可再生能源容量配置情況，如表3 所示。

表2 多能源供能分時段價格Table 2 Prices of multi-energy supply at each time

表3 不同供能質(zhì)量水平下所需的可再生能源配置Table 3 Necessary configuration of renewable energy devices under different energy supplement quality

表3 數(shù)據(jù)表明， 隨著對供能可靠性要求的增加，可再生能源容量配置需求呈現(xiàn)加速上升趨勢，相應(yīng)也將導致初始投資和后期運維費用增加。

考慮如表4 所示的可再生能源投資和運維成本等收益參數(shù)要求，在給定的投資收益要求下，設(shè)區(qū)域多能源電網(wǎng)供能可靠性要求為0.998 以上，且按表2 實行階段供能價格機制， 則表1 所示的多能源電網(wǎng)中可再生能源容量配置優(yōu)化結(jié)果如表5 所示。

表4 可再生能源發(fā)電設(shè)備投資收益參數(shù)Table 4 Parameters of renewable energy equipment investment and benefit

表5 多能源電網(wǎng)可再生能源最優(yōu)配置Table 5 Optimal configuration of renewable energy in multi-energy electric power system

由表5 數(shù)據(jù)可知， 采用本文的可再生能源容量配置與投資收益協(xié)調(diào)優(yōu)化方法， 能夠較好地兼顧兩者關(guān)系，在確保較高的供能可靠性前提下，實現(xiàn)較小的容量配置和較好的投資收益。

6 結(jié)論

在進行區(qū)域多能源電網(wǎng)中的可再生能源容量配置時， 不僅要考慮供能區(qū)域內(nèi)的多種類負荷的不確定性和可再生能源出力的不確定性對供能質(zhì)量的影響， 同時也須要考慮可再生能源供能與非可再生能源供能協(xié)調(diào)所帶來的供能質(zhì)量控制成本， 方可有效協(xié)調(diào)不確定性與供能質(zhì)量控制間的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)化問題。

區(qū)域多能源電網(wǎng)采用分時段供能價格機制，不僅能有效提升系統(tǒng)多能源供能協(xié)調(diào)自治水平，減小可靠性成本， 還能夠有效優(yōu)化可再生能源容量配置，提升多能源電網(wǎng)供能收益水平。

針對特定的區(qū)域多能源電網(wǎng)中的電、熱、燃氣負荷需求特性及非可再生能源供能設(shè)備參數(shù)，本文提出的可再生能源容量配置及其投資收益優(yōu)化模型， 在相同供能質(zhì)量要求下， 容量配置減小了12.4%，投資回收周期縮短了17%。