考慮供能可靠性的電-氣綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方法

白樺， 郁丹， 劉臻， 趙家悅， 郭創(chuàng)新， 李海疆

(1.浙江華云電力工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，浙江 杭州 310014；2. 浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027； 3. 中國聯(lián)合工程有限公司，浙江 杭州 310056)

0 引 言

近年來，隨著能源枯竭和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)峻，棄風(fēng)棄光的現(xiàn)象屢有發(fā)生[1]。為緩解長(zhǎng)期的能源壓力，解決可再生能源消納問題，提出了能源互聯(lián)網(wǎng)的概念[2]。能源互聯(lián)網(wǎng)使得可再生能源、電力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)和交通系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)而可靠地運(yùn)行[3]。電網(wǎng)與氣網(wǎng)分開規(guī)劃不僅會(huì)降低可再生能源的消納能力，也會(huì)影響其經(jīng)濟(jì)性[4]。因此，考慮電-氣綜合能源系統(tǒng)聯(lián)合規(guī)劃是十分有必要的[5]。文獻(xiàn)[6]考慮電轉(zhuǎn)氣技術(shù)(power to gas,PtG)和燃?xì)廨啓C(jī)(gas turbine ,GT)對(duì)電-氣綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行建模，解決可再生能源出力的不確定性問題。文獻(xiàn)[7]考慮了綜合能源系統(tǒng)中存在的多個(gè)投資商，提出一種聯(lián)合規(guī)劃的動(dòng)態(tài)博弈模型。

另一方面，隨著系統(tǒng)規(guī)模的愈發(fā)龐大與架構(gòu)的愈發(fā)復(fù)雜，如何維護(hù)可靠性成為了一項(xiàng)重要的前瞻性工作[8]。分布式能源的并入與柔性負(fù)荷的靈活調(diào)度也為可靠性規(guī)劃帶來了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)[9]考慮極端自然災(zāi)害下配電網(wǎng)抵御災(zāi)害的能力對(duì)網(wǎng)架進(jìn)行規(guī)劃。文獻(xiàn)[10]根據(jù)線路綜合故障率完成電網(wǎng)線路的差異化規(guī)劃。以上文獻(xiàn)均為面向配電網(wǎng)進(jìn)行高可靠性規(guī)劃，缺乏對(duì)電-氣綜合能源系統(tǒng)可靠性規(guī)劃的討論與研究。

綜上，本文提出了一種考慮供能可靠性的電氣綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方法。在風(fēng)電和光伏等分布式電源接入的背景下，計(jì)及各項(xiàng)投資成本和運(yùn)行成本，通過對(duì)柔性負(fù)荷引入懲罰系數(shù)，考慮系統(tǒng)的能量短缺成本，建立系統(tǒng)規(guī)劃模型。對(duì)模型進(jìn)行線性化處理建立整數(shù)線性規(guī)劃模型，通過對(duì)改進(jìn)的12節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)系統(tǒng)和10節(jié)點(diǎn)配氣網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電線路、天然氣管道及冷熱電三聯(lián)供機(jī)組廠站等的選址和定容，驗(yàn)證本文提出方法的可行性和有效性。

1 電-氣綜合能源系統(tǒng)模型說明

含有冷熱電三聯(lián)供(combined cooling, heating and power system, CCHP)的電-氣綜合能源系統(tǒng)物理模型如圖1所示。配電網(wǎng)、配氣網(wǎng)和CCHP機(jī)組共同組成了待規(guī)劃的電-氣綜合能源系統(tǒng)。

圖1 待規(guī)劃的電-氣綜合能源系統(tǒng)

1.1 CCHP機(jī)組模型

CCHP機(jī)組通過能量的梯級(jí)利用，提升系統(tǒng)的能源利用率。本文考慮以天然氣為原料，輸出為電能的CCHP機(jī)組模型，采用燃?xì)鈾C(jī)組耗氣一次模型，如式(1)所示。

Pe,GT=ηGTPgas,GT

(1)

式中：ηGT為燃?xì)廨啓C(jī)的能量轉(zhuǎn)換系數(shù);Pe,GT為燃?xì)廨啓C(jī)輸出到配電網(wǎng)的電量;Pgas,GT為配氣網(wǎng)輸入到燃?xì)廨啓C(jī)的氣量。

1.2 能量短缺成本

1.2.1 柔性負(fù)荷模型

本文所考慮的柔性負(fù)荷包含可削減負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷。削減的負(fù)荷量不高于負(fù)荷總量：

(2)

可轉(zhuǎn)移負(fù)荷要求負(fù)荷總量保持不變：

(3)

1.2.2 能量短缺成本

根據(jù)不同的負(fù)荷性質(zhì)構(gòu)建損失函數(shù)fi：

(4)

由此描述能量短缺成本Crel為：

(5)

1.2.3 可靠性約束

要求滿足切負(fù)荷量和轉(zhuǎn)移負(fù)荷量不超過規(guī)定的最大值，對(duì)于?y,?s,?h：

(6)

(7)

長(zhǎng)時(shí)間的轉(zhuǎn)移負(fù)荷會(huì)增加系統(tǒng)調(diào)度成本。故要求負(fù)荷轉(zhuǎn)移不能超過規(guī)定時(shí)長(zhǎng)：

(8)

2 協(xié)同規(guī)劃模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù)從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，一般包括投資成本與維護(hù)成本。本文在此基礎(chǔ)上構(gòu)建含有CCHP的電-氣系統(tǒng)綜合能源物理模型目標(biāo)函數(shù)，將系統(tǒng)可靠性轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)性。故協(xié)同規(guī)劃模型的目標(biāo)函數(shù)描述為：

minf=Ccap+Cmain+Crel

(9)

(10)

(11)

(12)

2.2 約束條件

電-氣綜合能源系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃約束包含四部分：配電網(wǎng)約束、天然氣網(wǎng)約束、CCHP約束和狀態(tài)變量約束。

2.2.1 狀態(tài)變量約束

考慮狀態(tài)變量約束如下：規(guī)劃年限內(nèi)一條通道只會(huì)選擇一種類型進(jìn)行建設(shè)，且在規(guī)劃年限內(nèi)不被拆除。

對(duì)于?i∈Ωi,?θ∈Ωtype在規(guī)劃年間安裝狀態(tài)可描述為：

(13)

Xy-1,i,θ≤Xy,i,θ

(14)

Xy-1,i≤Xy,i

(15)

式中:Xy,i為在第y年是否存在通道或設(shè)備i，值為1時(shí)表示存在，值為0時(shí)表示不存在。

2.2.2 CCHP耦合約束

考慮CCHP耦合約束如下：

(1) CCHP能量轉(zhuǎn)換約束。對(duì)于?i∈ΩECCHP,m∈ΩGCCHP，?y,?s,?h,有：

(16)

(2) CCHP輸出約束。對(duì)于已存在的CCHP設(shè)備，?y,?s,?h，有：

(17)

對(duì)于待投建的CCHP設(shè)備，?y,?s,?h，有：

(18)

2.2.3 配電網(wǎng)約束

考慮配電網(wǎng)約束如下：

(19)

(20)

(2) 線路容量約束。對(duì)于?i∈Ωel，?y,?s,?h，線路有功和無功功率應(yīng)滿足：

(21)

(22)

(3) 變電站容量約束。對(duì)于?i∈Ωes，?y,?s,?h，變電站的有功和無功功率應(yīng)滿足：

(23)

(24)

2.2.4 配氣網(wǎng)約束

考慮配氣網(wǎng)約束如下：

(25)

(2) 管道容量約束。對(duì)于?i∈Ωgl，?y,?s,?h，管道輸送潮流應(yīng)滿足：

(26)

(3) 配氣站容量約束。對(duì)于?i∈Ωgs，?y,?s,?h，配氣站輸入輸出應(yīng)滿足：

(27)

2.2.5 輻射狀約束

為了滿足配網(wǎng)輻射狀運(yùn)行的要求，需滿足以下約束：

zysh,ij≥0

(28)

zysh,im=0 ?m∈Ωs

(29)

(30)

(31)

2.3 求解算法

(32)

(33)

(34)

式中:L為下限;U為上限。

(35)

(36)

可將該項(xiàng)線性化處理為：

(37)

本文調(diào)用Gurobi求解器對(duì)該優(yōu)化問題進(jìn)行求解。

3 算例分析

浙江省某區(qū)域綜合能源系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D2、圖3所示，分別為12節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)和10節(jié)點(diǎn)配氣網(wǎng)，配電網(wǎng)與配氣網(wǎng)之間通過2處CCHP設(shè)備耦合。算例采用浙江省分時(shí)電價(jià)。規(guī)劃期為6年，分為2階段，每階段3年，待投建設(shè)備可于每階段第一年年初投建。浙江省的負(fù)荷增長(zhǎng)率為5%，投資折現(xiàn)率為5%。每類設(shè)備有3種容量及費(fèi)用不同的投建類型可選。風(fēng)電和光伏分別建于配電

圖2 待規(guī)劃的配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 待規(guī)劃的配氣網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

網(wǎng)節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)5。對(duì)于削減負(fù)荷和轉(zhuǎn)移負(fù)荷的能量短缺成本分別為1.27 元/kW·h和0.57 元/kW·h。

算例場(chǎng)景設(shè)置如下。

場(chǎng)景1：配電網(wǎng)與配氣網(wǎng)獨(dú)立規(guī)劃。

場(chǎng)景2：通過CCHP耦合的電-氣互聯(lián)系統(tǒng)網(wǎng)架規(guī)劃。

場(chǎng)景3：在場(chǎng)景2基礎(chǔ)上考慮系統(tǒng)可靠性的電-氣互聯(lián)系統(tǒng)網(wǎng)架規(guī)劃。

3種場(chǎng)景下的最優(yōu)規(guī)劃方案分別如表1～表3所示，括號(hào)內(nèi)表示投建的通道或設(shè)備型號(hào)，1～3代表容量由小到大。表4展示了3種場(chǎng)景下的最優(yōu)規(guī)劃方案成本比較。

表1 場(chǎng)景1下的最優(yōu)規(guī)劃方案

表2 場(chǎng)景2下的最優(yōu)規(guī)劃方案

表3 場(chǎng)景3下的最優(yōu)規(guī)劃方案

表4 3種場(chǎng)景下最優(yōu)方案成本比較 萬元

與場(chǎng)景1相比，場(chǎng)景2通過CCHP耦合配電網(wǎng)與配氣網(wǎng)，因?yàn)榧尤肓薈CHP設(shè)備，故系統(tǒng)投資成本有所上升,總成本也呈上升趨勢(shì)。與場(chǎng)景1中的拓?fù)湎啾龋瑘?chǎng)景2中新增了一臺(tái)CCHP設(shè)備，連接了配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)6和配氣網(wǎng)節(jié)點(diǎn)5。配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)8從由節(jié)點(diǎn)4供電變?yōu)橛膳cCCHP相連的節(jié)點(diǎn)7供電。節(jié)點(diǎn)3從由風(fēng)電和節(jié)點(diǎn)2供電變?yōu)橛娠L(fēng)電和CCHP供電。設(shè)備容量上，線路1-2容量降低，但10-12容量升高。

與場(chǎng)景2相比，場(chǎng)景3將系統(tǒng)可靠性納入考慮，驗(yàn)證了考慮可靠性的電-氣互聯(lián)系統(tǒng)網(wǎng)架的優(yōu)越性。高可靠性需要犧牲一定的經(jīng)濟(jì)性，場(chǎng)景3的總成本與場(chǎng)景2相比增加了82.7萬元。一方面是因?yàn)橐肓艘豁?xiàng)新的成本，即可靠性成本；另一方面是線路容量增加導(dǎo)致。考慮系統(tǒng)供能可靠性之后，電-氣互聯(lián)系統(tǒng)通過配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)10和配氣網(wǎng)節(jié)點(diǎn)7處的CCHP耦合；配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)3從由風(fēng)電和CCHP供電變?yōu)橛娠L(fēng)電和節(jié)點(diǎn)2供電；線路1-2、4-8、5-9容量升高，故投資成本和維護(hù)成本都有明顯提升。

通過以上算例可以說明，電-氣互聯(lián)可以提升系統(tǒng)對(duì)風(fēng)光等可再生能源的消納水平。同時(shí)，高可靠性會(huì)使經(jīng)濟(jì)性有一定的損失，越高的懲罰因子會(huì)帶來越高的可靠性，但相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性就會(huì)降低。實(shí)際工程中，切負(fù)荷可能會(huì)帶來其他的經(jīng)濟(jì)損失和安全問題，因此考慮供能短缺場(chǎng)景是更加合理和有效的。

4 結(jié)束語

本文在可再生能源接入的背景下考慮了供能可靠性對(duì)電-氣綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃的影響，建立了典型的電-氣綜合能源系統(tǒng)耦合設(shè)備模型，構(gòu)建了系統(tǒng)規(guī)劃模型的目標(biāo)函數(shù)與約束條件。將方法應(yīng)用于12節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)和10節(jié)點(diǎn)配氣網(wǎng)的耦合系統(tǒng)的規(guī)劃，最終求解得到適應(yīng)性最強(qiáng)的規(guī)劃方案。結(jié)果表明：考慮供能可靠性的電-氣綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方法有一定的優(yōu)越性。通過CCHP耦合的綜合能源系統(tǒng)從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看降低了系統(tǒng)的維護(hù)成本，有利于整體規(guī)劃的經(jīng)濟(jì)性。考慮能量短缺成本有效提升系統(tǒng)的供能可靠性。進(jìn)一步提升可再生能源利用率與系統(tǒng)主動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)電氣耦合系統(tǒng)中各種設(shè)備的最優(yōu)選址和定容。