李紅偉, 張 翔, 周海林, 李 茜, 王芮琪
(西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院, 成都 610500)
能源危機(jī)和環(huán)境污染日益加劇,尋求一種高效清潔的能源供應(yīng)方式成為目前能源領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system,IES)集電、熱、冷、氣、可再生能源等多種能源于一體,實(shí)現(xiàn)多能耦合,有助于提高能源利用效率[1-2]。然而,多能耦合以及系統(tǒng)內(nèi)可再生能源出力和負(fù)荷不確定性增加了IES運(yùn)行難度,對(duì)其安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)調(diào)度帶來了挑戰(zhàn)。
目前,中外學(xué)者對(duì)于IES優(yōu)化調(diào)度已進(jìn)行了相關(guān)研究。徐達(dá)等[3]構(gòu)建了考慮電熱綜合需求響應(yīng)的微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型,通過算例分析了應(yīng)用綜合需求響應(yīng)有利于降低運(yùn)行成本。楊志鵬等[4]構(gòu)建了含電、冷、熱三種儲(chǔ)能裝置和熱泵的微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型,討論了熱泵和儲(chǔ)能裝置對(duì)提高微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性和靈活性的作用。林紫菡等[5]構(gòu)建了考慮柔性負(fù)荷和碳交易機(jī)制的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型,驗(yàn)證了柔性負(fù)荷參與調(diào)度能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排。孫強(qiáng)等[6]對(duì)含電、熱、氣、冷4種負(fù)荷的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)建模,驗(yàn)證了各子系統(tǒng)耦合運(yùn)行相對(duì)于獨(dú)立運(yùn)行能獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。然而以上文獻(xiàn)均未考慮不確定因素對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。
針對(duì)IES優(yōu)化調(diào)度中可再生能源出力和負(fù)荷不確定性等因素,目前常采用場(chǎng)景分析法、隨機(jī)規(guī)劃、魯棒優(yōu)化等方法對(duì)其求解。朱嘉遠(yuǎn)等[7]構(gòu)建了基于風(fēng)電出力極端場(chǎng)景的雙層魯棒優(yōu)化調(diào)度模型,其中外層為日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度主問題,內(nèi)層為因風(fēng)電出力不確定性而引起的調(diào)控成本子問題,采用列約束生成算法對(duì)該模型進(jìn)行交互迭代求解。Bai等[8]考慮綜合能源系統(tǒng)中風(fēng)電出力不確定性和需求側(cè)響應(yīng),并利用隨機(jī)優(yōu)化方法對(duì)其求解。但上述文獻(xiàn)僅考慮了風(fēng)電出力不確定性,并未考慮負(fù)荷波動(dòng)帶來的影響。文獻(xiàn)[9-10]采用蒙特卡洛模擬法和場(chǎng)景削減技術(shù)生成多個(gè)可再生能源出力的典型場(chǎng)景,然而此方法獲取典型性場(chǎng)景不太容易以及場(chǎng)景削減過程中存在一些極端場(chǎng)景信息丟失的問題。文獻(xiàn)[11-12]充分考慮不確定因素對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響,構(gòu)建了魯棒優(yōu)化模型,得到極端場(chǎng)景下的經(jīng)濟(jì)最優(yōu)解,然而魯棒優(yōu)化方法導(dǎo)致所得結(jié)果過于保守。相比之下,模糊機(jī)會(huì)約束在處理不確定性問題時(shí)不要求不確定參數(shù)具有統(tǒng)計(jì)特征,可以借助歷史數(shù)據(jù)或?qū)<蚁到y(tǒng)得到不確定參數(shù)的隸屬度函數(shù),因此具有較好的適應(yīng)性。
基于以上研究,以熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、儲(chǔ)熱、蓄電裝置以及電鍋爐等組成的電熱綜合能源系統(tǒng)作為研究對(duì)象,充分考慮源荷不確定性因素,以系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行為目標(biāo),建立基于可信任性理論的模糊機(jī)會(huì)約束規(guī)劃經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型,采用模糊機(jī)會(huì)約束的清晰等價(jià)類將含模糊參數(shù)的機(jī)會(huì)約束規(guī)劃模型轉(zhuǎn)化為確定性的混合整數(shù)規(guī)劃模型,在Python環(huán)境中進(jìn)行建模,利用Gurobi求解器求解,最后利算例驗(yàn)證所提模型的有效性。
本文中研究的電熱綜合能源系統(tǒng)包含電、熱、氣 3種能源形式,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,由可控設(shè)備單元、可再生分布式電源、電熱儲(chǔ)能設(shè)備以及電熱負(fù)荷組成。

圖1 電熱綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和光伏發(fā)電機(jī)組可以分別利用風(fēng)能和太陽能發(fā)電;燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池通過燃燒天然氣進(jìn)行發(fā)電,其中燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的高溫余熱煙氣通過溴冷機(jī)吸收制熱以此供應(yīng)熱負(fù)荷;電鍋爐在分時(shí)電價(jià)的引導(dǎo)下協(xié)調(diào)供熱;蓄電池和儲(chǔ)熱罐根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況,實(shí)時(shí)充放能量;電鍋爐和儲(chǔ)熱罐的加入可以解耦燃?xì)廨啓C(jī)“以熱定電”運(yùn)行模式,此外,電能在系統(tǒng)與大電網(wǎng)之間雙向交互。
熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)主要由微型燃?xì)廨啓C(jī)和溴冷機(jī)兩部分構(gòu)成[4]。燃?xì)廨啓C(jī)通過燃燒天然氣進(jìn)行發(fā)電,同時(shí)此過程產(chǎn)生的高溫余熱煙氣經(jīng)溴冷機(jī)吸收制熱,電熱出力模型及能耗成本可表示為
(1)
Hgt,h(t)=Hgt(t)Khηrec
(2)
(3)
式中:Pgt(t)、Hgt(t)分別為t時(shí)刻燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電功率以及對(duì)應(yīng)所產(chǎn)生的余熱量;ηgt、ηloss分別為燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率和散熱損失率;Hgt,h(t)、Kh分別為溴冷機(jī)的制熱功率和制熱系數(shù);ηrec為余熱回收率;CGT(t)為燃?xì)獬杀荆籆NG、RLHVT(t)分別為天然氣的價(jià)格和低位熱值;Δt為單位時(shí)段。
燃料電池將天然氣中的化學(xué)能高效清潔的轉(zhuǎn)換為電能,其發(fā)電效率隨輸出功率的增加而減小,燃料成本與輸出功率關(guān)系特性為
(4)
ηFC(t)=-0.002 3PFC(t)+0.647
(5)
式中:PFC(t)、ηFC(t)分別為t時(shí)刻燃料電池輸出的電功率和發(fā)電效率;CFC(t)為燃料電池的耗能成本。
電鍋爐是典型的電熱耦合設(shè)備,在分時(shí)電價(jià)的作用下協(xié)調(diào)供熱,其電熱轉(zhuǎn)化模型為
QEB(t)=ηEBPEB(t)
(6)
式(6)中:QEB(t)、PEB(t)分別為t時(shí)刻電鍋爐的制熱功率和耗電功率;ηEB為電鍋爐的電熱轉(zhuǎn)換效率。
儲(chǔ)能裝置能夠?qū)⒍嘤嗟哪芰窟M(jìn)行存儲(chǔ)并在用能高峰時(shí)段釋放。本文研究的系統(tǒng)中包含的儲(chǔ)能裝置為蓄電池和儲(chǔ)熱罐,其數(shù)學(xué)模型可表示為
Ei(t)=(1-μiΔt)Ei(t-1)+
[Pi_chr(t)ηi_,chr-Pi_dis(t)/ηi_,dis]Δt
(7)
式(7)中:Ei(t)為儲(chǔ)能設(shè)備i在t時(shí)刻的容量;μi表示儲(chǔ)能設(shè)備i的自損耗率,%/h;Δt為時(shí)間間隔;Pi_chr(t)、Pi_dis(t)分別為儲(chǔ)能i在t時(shí)刻的充放功率;ηi_,chr、ηi_,dis分別為儲(chǔ)能i的充放能效率。
經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性是綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的兩個(gè)重要指標(biāo),從經(jīng)濟(jì)和環(huán)保兩方面建立優(yōu)化目標(biāo),在滿足機(jī)組出力約束和電熱負(fù)荷平衡的條件下使總運(yùn)行成本達(dá)到最優(yōu),目標(biāo)函數(shù)為

CEX(t)+CEN(t)]
(8)
式(8)中:T為調(diào)度周期;Ftotal為一個(gè)周期內(nèi)總的運(yùn)行成本;CFU(t)、COM(t)、CEX(t)、CEN(t)分別為t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的燃料成本、運(yùn)行維護(hù)成本、電能交互成本、污染物處理成本。
(1)燃料成本為
CFU(t)=CGT+CFC
(9)
(2)運(yùn)行維護(hù)成本為
(10)
(3)電能交互成本為
(11)
(4)污染物處理成本為
(12)

系統(tǒng)約束條件包括電熱能量平衡約束、機(jī)組出力約束、電網(wǎng)交互功率約束,其中,電熱能量平衡約束條件中含有模糊變量,因此只能在一定置信水平下滿足能量平衡約束。
(1)電能平衡約束為
(13)

(2)熱能平衡約束為
(14)
(3)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行約束為
(15)
(4)儲(chǔ)能設(shè)備約束為
(16)
(5)系統(tǒng)與大電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線交互功率約束為
(17)
(6)其余機(jī)組出力約束為
(18)
對(duì)于約束條件中含有模糊變量的優(yōu)化問題可以表述為

(19)
式(19)中:f(x)為目標(biāo)函數(shù);g(x,ξ)為約束函數(shù);x為n維決策變量;ξ為模糊參數(shù)向量。
約束條件中含有模糊參數(shù)導(dǎo)致其可行域具有不確定性,進(jìn)而無法獲得確定的最優(yōu)解;針對(duì)此問題,可采用基于可信性測(cè)度的機(jī)會(huì)約束處理,即只在一定置信水平α下約束條件成立[13],可表示為

(20)
式(20)中:Cr{g(x,ξ)≤0}為約束條件g(x,ξ)≤0發(fā)生的可信性測(cè)度。
根據(jù)可再生能源出力和負(fù)荷的模糊不確定性特征,其模糊參數(shù)均可用梯形隸屬度函數(shù)表示為
(21)
式(21)中:μ(PF)為隸屬度函數(shù);PFi(i=1,2,3,4)為隸屬度參數(shù),其決定隸屬度函數(shù)的形狀。
PFi(i=1,2,3,4)與預(yù)測(cè)值Ppre的關(guān)系表示為
PFi=wkPpre,i=1,2,3,4
(22)
式(22)中:wk為比例系數(shù),其值通常由可再生能源出力及負(fù)荷的歷史數(shù)據(jù)確定[14]。
梯形模糊參數(shù)可由四元組表示為
(23)
當(dāng)約束函數(shù)g(x,ξ)具有式(24)[14]所示形式:
g(x,ξ)=h1(x)ξ1+h2(x)ξ2+…+
ht(x)ξt+h0(x)
(24)
式(24)中:ξk為梯形模糊參數(shù)(rk1,rk2,rk3,rk4),k=1,2,…,t,t∈R;rk1~rk4為梯形隸屬度參數(shù)。
定義下面兩個(gè)函數(shù):
(25)
(26)
式中:k=1,2,…,t,特殊的,若h(x)=1,則h+(x)=1,h-(x)=0;若h(x)=-1,則h+(x)=0,h-(x)=1。
當(dāng)置信水平α≥0.5時(shí),則機(jī)會(huì)約束的清晰等價(jià)類為

h0(x)≤0
(27)
風(fēng)電、光伏出力和電、熱負(fù)荷均為模糊變量,通過第3.3節(jié)所述方法將模型中包含模糊變量的模糊約束條件式(13)、式(14)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的清晰等價(jià)類,具體如下。
(1)電能平衡約束條件的清晰等價(jià)類為
(2-2α)[PLD3(t)-Pwind2(t)-PPV2(t)]+
(2α-1)[PLD4(t)-Pwind1(t)-PPV1(t)]+
PEB(t)-Pgrid(t)-Pgt(t)-PFC(t)-
Pbt_dis(t)+Pbt_chr(t)=0
(28)
(2)熱能平衡約束條件的清晰等價(jià)類為
(2-2α)HLD3(t)+(2α-1)HLD4(t)+
Htst_chr(t)-Hgt,h(t)-QGB(t)-
Htst_dis(t)=0
(29)
式中:PLD3(t)、PLD4(t)、HLD3(t)、HLD4(t)分別為電、熱負(fù)荷預(yù)測(cè)值的隸屬度參數(shù);Pwind1(t) 、Pwind2(t)、PPV1(t)、PPV2(t)分別為風(fēng)電、光伏出力預(yù)測(cè)值的隸屬度參數(shù)。
以中國北方某區(qū)域電熱綜合能源系統(tǒng)為研究對(duì)象,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。選取調(diào)度周期為24 h,調(diào)度時(shí)間間隔為1 h,冬季典型日電熱負(fù)荷以及風(fēng)光出力預(yù)測(cè)值數(shù)據(jù)如圖2所示,系統(tǒng)各機(jī)組運(yùn)行參數(shù)如表1所示;系統(tǒng)在與電網(wǎng)進(jìn)行電能交互時(shí),考慮分時(shí)電價(jià),購電和售電價(jià)格均分為3個(gè)不同的價(jià)格檔位,如表2所示;天然氣價(jià)格、天然氣低位熱值RLHVT(t)分別為2.5元/m3、9.7kWh/m3。

表1 模型參數(shù)

表2 分時(shí)購/售電價(jià)

圖2 可再生能源及負(fù)荷預(yù)測(cè)出力曲線
由于風(fēng)電、光伏出力受自然環(huán)境因素的影響較大,對(duì)其預(yù)測(cè)相對(duì)困難,而負(fù)荷預(yù)測(cè)相對(duì)更為準(zhǔn)確;根據(jù)以上特征可設(shè)置梯形隸屬度參數(shù)如表3所示。選取置信水平α為0.9,在Python環(huán)境中建模,利用Gurobi求解器對(duì)所建立模型進(jìn)行求解。

表3 梯形隸屬度參數(shù)
電能供應(yīng)和熱能供應(yīng)的調(diào)度結(jié)果分別如圖3和圖4所示。在谷時(shí)段(00:00—07:00,23:00),購電成本相比于燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電成本更低,燃料電池處于停機(jī)狀態(tài);由于夜間電負(fù)荷較小而熱負(fù)荷較大,為保證系統(tǒng)內(nèi)熱能供應(yīng)平衡,燃?xì)廨啓C(jī)以“以熱定電”運(yùn)行方式工作,儲(chǔ)熱罐也處于放熱狀態(tài);當(dāng)儲(chǔ)熱罐容量不足時(shí),制熱電鍋爐開始工作以此平衡系統(tǒng)此時(shí)段較大的熱負(fù)荷需求,同時(shí),此時(shí)段風(fēng)力發(fā)電和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電產(chǎn)生的多余電量將通過蓄電池進(jìn)行存儲(chǔ)。

圖3 電能供應(yīng)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果

圖4 熱能供應(yīng)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果
電網(wǎng)電價(jià)平時(shí)段和峰時(shí)段的購電成本均比燃料電池和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電成本更高,所以此時(shí)段一般不向電網(wǎng)購電。在峰時(shí)段(10:00—15:00),系統(tǒng)向電網(wǎng)售電的價(jià)格較高,光伏發(fā)電功率和電負(fù)荷較大,燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池以較大功率運(yùn)行,蓄電池處于放電狀態(tài),盡可能在滿足系統(tǒng)內(nèi)電負(fù)荷的同時(shí)多向電網(wǎng)售電以此獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益;同時(shí)儲(chǔ)熱罐將燃?xì)廨啓C(jī)工作產(chǎn)生的多余熱量進(jìn)存儲(chǔ)。在峰時(shí)段(18:00—21:00),電熱負(fù)荷均較大,燃?xì)馊紮C(jī)和燃料電池以最大功率運(yùn)行,儲(chǔ)熱罐和蓄電池均處于放能狀態(tài),不足的電能供應(yīng)將從電網(wǎng)購買來滿足。在平時(shí)段(21:00—23:00),隨著電負(fù)荷逐漸減小,燃料電池出力也隨之減小,而燃?xì)廨啓C(jī)依舊以最大功率運(yùn)行以此滿足系統(tǒng)較大的熱負(fù)荷,不足的熱能供應(yīng)將由儲(chǔ)熱罐放熱滿足。
為了驗(yàn)證本文中構(gòu)建的IES模型中蓄電、儲(chǔ)熱設(shè)備對(duì)于提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的作用,設(shè)置了4種儲(chǔ)能配置案例,分別研究了4種儲(chǔ)能配置下IES的運(yùn)行費(fèi)用,所得結(jié)果如表4所示。由表4可以看出,加入蓄電和儲(chǔ)熱設(shè)備均能減少系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用,而同時(shí)加入蓄電和儲(chǔ)熱設(shè)備能進(jìn)一步提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。以案例4作為具體分析對(duì)象,圖5、圖6分別為蓄電池和儲(chǔ)熱罐在一個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)行情況,可以看出,在整個(gè)運(yùn)行周期中,在分時(shí)電價(jià)機(jī)制下,蓄電池在電價(jià)谷時(shí)段或平時(shí)段充電,在電價(jià)峰時(shí)段放電;儲(chǔ)熱罐將調(diào)度過程中多余熱能進(jìn)行儲(chǔ)存,在熱負(fù)荷需求高峰放熱,一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)“以熱定電”進(jìn)行解耦。

圖6 儲(chǔ)熱罐運(yùn)行狀態(tài)

表4 不同儲(chǔ)能配置下運(yùn)行費(fèi)用
電、熱儲(chǔ)能設(shè)備協(xié)調(diào)運(yùn)行可以緩解能量供需之間的矛盾,提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和靈活性;由于儲(chǔ)能系統(tǒng)各時(shí)段均具有一定能量儲(chǔ)備,也有利于提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。
置信水平的大小反映系統(tǒng)的安全性能,為研究置信水平對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響,基于本文算例數(shù)據(jù),模糊度取值如表3所示,設(shè)置置信水平范圍為[0.5,1],逐次遞增0.05,系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用如圖7所示。
由圖7可以看出,隨著置信水平的增大,系統(tǒng)運(yùn)行抗風(fēng)險(xiǎn)的能力提高,運(yùn)行費(fèi)用不斷增加,即系統(tǒng)運(yùn)行以犧牲經(jīng)濟(jì)性來提高運(yùn)行的可靠性;但α在取值為0.85和0.9時(shí)出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn),α在區(qū)間[0.85,0.9]取值時(shí),隨著運(yùn)行可靠性的提升沒有使運(yùn)行成本顯著增大,由此可以認(rèn)為α取值為0.9是最優(yōu)置信水平。在實(shí)際的工程應(yīng)用中,可以選擇合適的置信水平實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性的平衡。

圖7 置信水平與運(yùn)行費(fèi)用的關(guān)系曲線
不確定性程度可以用模糊度來表征,設(shè)置α為0.9,風(fēng)電和光伏出力的模糊程度一致,用模糊隸屬度參數(shù)w1~w4表征;電熱負(fù)荷模糊程度一致,用模糊參數(shù)w5~w8表征。表5列出了5種模糊程度,從模糊程度1到5,可再生能源出力和負(fù)荷的模糊程度逐漸增大,系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用如圖8所示。

表5 梯形模糊隸屬度參數(shù)
由圖8可以看出:在一定置信水平下,隨著可再生能源和電熱負(fù)荷模糊度增加,系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用也不斷增加,表明系統(tǒng)以犧牲經(jīng)濟(jì)性來保證其在惡劣環(huán)境下的可靠性。

圖8 模糊度與運(yùn)行費(fèi)用的關(guān)系曲線
充分考慮了電熱綜合能源系統(tǒng)中可再生能源出力和電熱負(fù)荷不確定性,構(gòu)建了基于可信性理論的模糊機(jī)會(huì)約束規(guī)劃日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。置信水平和模糊度是表征決策者風(fēng)險(xiǎn)偏好的兩個(gè)參數(shù),置信水平和模糊度越大,系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用越大,抗風(fēng)險(xiǎn)能力越強(qiáng)。在實(shí)際的工程應(yīng)用中,可以選擇合適的置信水平和模糊度實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和魯棒性的平衡。
本文研究主要考慮系統(tǒng)內(nèi)源荷不確定性對(duì)優(yōu)化運(yùn)行的影響,接下來可在本研究基礎(chǔ)上,進(jìn)一步考慮電熱柔性負(fù)荷對(duì)于優(yōu)化運(yùn)行的影響。