基于運行最優(yōu)模擬的綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟評價方法

馬 超, 肖 漢，李嘉逸

(中國電力工程顧問集團西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610021)

0 引 言

隨著中國能源結(jié)構(gòu)的持續(xù)調(diào)整，一種能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排、有效提高能源利用效率促進綠色健康發(fā)展的新型一體化能源系統(tǒng)(綜合能源系統(tǒng))得到越來越多的關(guān)注。作為新型能源系統(tǒng)，其具有多元、耦合、協(xié)調(diào)的鮮明特征。如何讓系統(tǒng)能夠滿足用戶多變的能源需求。同時實現(xiàn)效率最大化，是亟需研究的問題[1-4]。

目前，各類綜合能源示范系統(tǒng)大多以熱電聯(lián)供系統(tǒng)(combined heat and power，CHP)為供能核心，聚合風(fēng)能、太陽能、地?zé)帷δ艿认到y(tǒng)聯(lián)合構(gòu)建一個完整的供能系統(tǒng)。根據(jù)用戶的電、熱負(fù)荷情況，采用合理的運行策略和供能模式對聯(lián)供系統(tǒng)運行性能的提高有很大幫助[5-6]：一方面可以減少非可再生能源消耗，優(yōu)化電源結(jié)構(gòu)；另一方面可以促進新能源消納，改善電能清潔度。中國正在加速能源系統(tǒng)的多能協(xié)同、互補發(fā)展，新能源微電網(wǎng)示范項目朝著“源-網(wǎng)-荷-儲”一體化方向發(fā)展建設(shè)[7-8]。

下面從綜合能源規(guī)劃設(shè)計角度出發(fā)，將綜合能源優(yōu)化調(diào)度與項目全生命周期經(jīng)濟分析相結(jié)合，提出了基于運行最優(yōu)模擬的綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟評價方法。外層為全生命周期的經(jīng)濟評價模型，內(nèi)層為生產(chǎn)模擬的0-1混合整數(shù)規(guī)劃模型，通過調(diào)節(jié)能源供給生產(chǎn)運行方式和狀態(tài)，實現(xiàn)對系統(tǒng)綜合效益的分析評價。

1 綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

綜合能源系統(tǒng)是指以電力網(wǎng)為載體，融合熱網(wǎng)、天然氣網(wǎng)等多種能源網(wǎng)絡(luò)，涵蓋多能源的生產(chǎn)、傳輸、供給的系統(tǒng)。目前應(yīng)用和推廣較多的一般是以三聯(lián)供系統(tǒng)為核心，輔以風(fēng)電/光伏系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)等構(gòu)成的多能源綜合供給系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 一般綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 經(jīng)濟評價分析模型

經(jīng)濟評價分析模型是在項目全生命周期內(nèi)，綜合考慮能源系統(tǒng)的生產(chǎn)協(xié)調(diào)調(diào)度優(yōu)化問題，聚合不同供能單元間和不同能源品類間的能量傳輸供給，實現(xiàn)電、熱等能量的平衡，從而準(zhǔn)確地計算出工程項目的經(jīng)濟性。所建經(jīng)濟評價分析模型由外層模型和內(nèi)層模型構(gòu)成，外層模型為全生命周期的建設(shè)項目經(jīng)濟評價模型，內(nèi)層模型為生產(chǎn)模擬的最大運行收益優(yōu)化模型。在設(shè)定目標(biāo)收益值下，不斷調(diào)整邊際參數(shù)，通過內(nèi)外層的循環(huán)迭代，計算得到滿足工程需求的邊界值來分析工程項目的經(jīng)濟可行性，從而為工程的規(guī)劃咨詢設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持，其算法流程如圖2所示。

2.1 經(jīng)濟評價分析模型

一般對于工程的經(jīng)濟性分析以盈利能力分析為主，清償能力分析為輔，通過各種分析指標(biāo)評價判斷項目在經(jīng)濟上的可行性。這里主要從盈利分析的角度建立經(jīng)濟分析模型，依據(jù)《建設(shè)項目經(jīng)濟評價方法與參數(shù)》[9]，主要從融資前和融資后兩個角度分析項目的經(jīng)濟可行性。主要指標(biāo)包括財務(wù)內(nèi)部收益率(FIRR)、投資回收期(P)、財務(wù)凈現(xiàn)值(FNPV)等。

圖2 運行最優(yōu)模擬的綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟評價流程

1)財務(wù)內(nèi)部收益率

(1)

式中：Csale為銷售收入，包含售電、售熱等收入之和；Crun為運行成本包括原料成本、維修成本或購電成本等；Coth為借貸費用及稅費支出等；FIRR·aim為設(shè)定財務(wù)內(nèi)部收益率；n為項目運營計算周期。

2) 項目投資回收期

(2)

式中，Pt為項目投資回收期，投資回收期一般以年為單位，宜從建設(shè)期開始算起。

3) 財務(wù)凈現(xiàn)值

(3)

式中：FNPV為項目財務(wù)凈現(xiàn)值；ic為按照行業(yè)基準(zhǔn)選取的基準(zhǔn)收益率。

2.2 運行模擬調(diào)度優(yōu)化模型

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

內(nèi)層優(yōu)化調(diào)度模型以最大收益為優(yōu)化目標(biāo)，在設(shè)定目標(biāo)收益值的情況下，綜合能源系統(tǒng)主要收益來源為售電、售熱收入，運行成本主要是系統(tǒng)運行費用、維護費用以及電網(wǎng)電量購入費用[10-16]。其優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)可以表示為

(4)

式中：Csale.h為h時段能源系統(tǒng)銷售收入；Crun.h為h時段能源系統(tǒng)的運行成本；T為優(yōu)化調(diào)度計算周期。

綜合能源系統(tǒng)的銷售收益為

Csale.h=Cele.h+Cheat.h

(5)

綜合能源系統(tǒng)的運行成本為

Crun.h=Cfuel.h+Cope.h+Cgrid.h

(6)

2.2.2 約束條件

綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型的約束條件包括功率平衡約束、設(shè)備運行約束、設(shè)備容量約束等。

1)電功率平衡方程式

(7)

2)熱功率平衡方程式

(8)

3)設(shè)備出力約束

(9)

式中：Pi.max、Pi.min分別為第i臺機組電功率的上、下限；Pgrid.max、Pgrid.min分別為向電網(wǎng)購售電的上、下限；Qi.max、Qi.min分別為第i臺機組熱功率的上、下限；Pstore.out.max、QHstore.out.max、Pstore.in.max、QHstore.in.max、Pstore.out.min、QHstore.out.min、Pstore.in.min、QHstore.in.min分別為儲能蓄電與蓄熱裝置的單位時間輸入、輸出功率上、下限。

4)儲能裝置能量約束

(10)

2.3 模型求解方法

經(jīng)濟評價模型求解的核心在于內(nèi)層生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度的模型求解。內(nèi)層函數(shù)為含有耗量特性曲線、熱電比曲線的非線性函數(shù)模型，通過分段線性化的方法將問題轉(zhuǎn)化為0-1混合整數(shù)線性規(guī)劃問題，求解標(biāo)準(zhǔn)形式為[10]

(11)

式中：x為源類設(shè)備的出力、轉(zhuǎn)換設(shè)備的輸入、儲能的輸入和輸出、電網(wǎng)購電量的優(yōu)化變量；等式約束為能量平衡方程式以及儲能設(shè)備的儲能量關(guān)系式；不等式約束為各設(shè)備運行約束。由于約束條件中包含耦合變量，如蓄電池的充放電功率、電網(wǎng)的購電和回購功率等，因此在模型中引入0-1變量。

針對上述模型，可采用常用線性規(guī)劃軟件如CPLEX等對其求解，這里采用Matlab編寫了基于CPLEX優(yōu)化引擎的算法求解程序?qū)υ撃Ｐ瓦M行求解。

3 實例分析

3.1 邊際條件

該案例位于重慶某規(guī)劃工業(yè)園區(qū)，總面積約為4.6 km2，是以環(huán)保及裝備制造、醫(yī)藥化工、特色輕工產(chǎn)業(yè)功能為主的產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)。園區(qū)用電負(fù)荷約為30.96 MWh，熱負(fù)荷約為26 t/h。圖3為園區(qū)典型日負(fù)荷曲線，由于工業(yè)園區(qū)生產(chǎn)型企業(yè)居多，且其倒班輪換的工作機制使得工業(yè)園區(qū)一般都具有較為穩(wěn)定的電、熱負(fù)荷。工業(yè)園區(qū)各類負(fù)荷都比較大，受季節(jié)性變化影響較小，案例中假設(shè)每月逐天的需求相同。園區(qū)綜合能源系統(tǒng)方案如表1所示，對其CHP系統(tǒng)、光氣互補系統(tǒng)進行評價比較。通過調(diào)研分析，該系統(tǒng)投資造價、負(fù)荷及光伏預(yù)測出力數(shù)據(jù)如表2、表3所示。

圖3 園區(qū)典型日電熱負(fù)荷需求

表1 園區(qū)綜合能源系統(tǒng)方案

表2 綜合能源系統(tǒng)投資估算

表3 光伏出力和負(fù)荷分布

3.2 結(jié)果分析

為了驗證所提經(jīng)濟評價方法的有效性，采用基于運行最優(yōu)模擬的經(jīng)濟評價分析方法對兩種設(shè)定的供能方案分別進行計算分析，分析邊際條件如表4所示，兩種方案優(yōu)化計算結(jié)果如表5所示，日間熱電調(diào)度情況如圖4、圖5所示。該分析計算結(jié)果為假定熱價不變的情況下，以電價為測算指標(biāo)進行計算。

表4 綜合能源系統(tǒng)方案測算邊際條件

表5 兩種方案分析結(jié)果比較

圖4 電熱負(fù)荷調(diào)度優(yōu)化情況(方案1)

圖5 電熱負(fù)荷調(diào)度優(yōu)化情況(方案2)

對比方案1和方案2可以發(fā)現(xiàn)，通過增加光伏系統(tǒng)實現(xiàn)光氣互補，能夠在滿足工程項目收益的情況下有效降低用戶側(cè)的用能成本，同時模擬得到全生命周期的優(yōu)化調(diào)度生產(chǎn)曲線。

在實際工程生產(chǎn)中，通常需要對銷售側(cè)電熱價格進行比選計算，下面通過運行最優(yōu)模擬的經(jīng)濟評價方法，將熱價、電價作為雙變量進行分析計算，給出了在方案2的基礎(chǔ)上，當(dāng)電力市場熱價格浮動5%的情況下的對應(yīng)電價格曲線，如圖6所示。通過計算曲線，能夠根據(jù)不同客戶需求，制定不同熱電市場交易套餐，即不同的熱電價格組合，從而更有利于推進工程項目落地實施。

圖6 目標(biāo)收益下終端電價、熱價變化

4 結(jié) 語

前面提出了基于運行最優(yōu)模擬的綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟評價方法，建立了聚合燃?xì)廨啓C、鍋爐、風(fēng)機、光伏、電熱儲能、電負(fù)荷、熱負(fù)荷等的綜合能源協(xié)調(diào)調(diào)度優(yōu)化模型和全生命周期經(jīng)濟分析的經(jīng)濟評價模型，解決了傳統(tǒng)綜合能源規(guī)劃設(shè)計中粗放式分析估算的問題。以重慶某園區(qū)CHP型綜合能源系統(tǒng)為例，通過對不同供能方案下經(jīng)濟性的分析，驗證該經(jīng)濟評價分析方法的有效性。結(jié)果表明，所提出的基于運行最優(yōu)模擬的綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟評價方法能夠極大地提高綜合能源規(guī)劃設(shè)計分析的精確性和靈活性，能夠更好地實現(xiàn)自然資源的合理配置和系統(tǒng)方案設(shè)計。