考慮經(jīng)濟性與環(huán)保性的微能源網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計

國網(wǎng)江蘇省電力有限公司泗洪縣供電分公司 張理智

相比傳統(tǒng)化石能源，低碳環(huán)保的風光等新能源更符合未來人類社會的發(fā)展需求。但風光等新能源更易受到自然環(huán)境的影響，呈現(xiàn)波動性和間歇性的出力特征，導(dǎo)致較為嚴重的消納問題。微能源網(wǎng)內(nèi)的多能轉(zhuǎn)換與存儲設(shè)備有利于可再生能源消納，得到廣泛的研究與關(guān)注。

針對離岸微型綜合能源系統(tǒng)，文獻[1]以經(jīng)濟性和二氧化碳排放作為衡量指標，提出同時計及經(jīng)濟性與環(huán)保性的多目標隨機規(guī)劃方法，進而采用多目標進化算法進行求解；文獻[2]從環(huán)境、經(jīng)濟和能耗三個方面入手，建立了同時考慮年碳排最少、年能耗最低和年總費用最低的微能源網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計模型，該模型可獲得綜合效益最優(yōu)的規(guī)劃方案；文獻[3]同樣以經(jīng)濟性和環(huán)保性為目標，建立了非線性多目標隨機規(guī)劃模型，進而采用NSGA-II優(yōu)化算法求解；考慮電動汽車的普及程度逐漸加深，文獻[4]針對含電動汽車集成綜合能源系統(tǒng)提出考慮經(jīng)濟性和環(huán)保性的規(guī)劃設(shè)計方法。在模型求解中，通過引出碳排放懲罰費用將環(huán)保性轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟性，進而轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)線性規(guī)劃問題直接求解。

對比以上兩種多目標規(guī)劃模型求解思路發(fā)現(xiàn)：常規(guī)算法一般是先將多目標規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為單目標規(guī)劃問題，然后基于Cplex等商用求解器進行求解，具有求解速度快的優(yōu)勢。但劣勢在于優(yōu)化結(jié)果受目標權(quán)重的影響很大，考慮目標權(quán)重一般是人為設(shè)定，不同的目標權(quán)重的規(guī)劃結(jié)果差異很大。智能算法盡管可以處理非線性問題，但系統(tǒng)求解規(guī)模大，且不一定能獲取全局最優(yōu)規(guī)劃方案[5]。

基于此，本文提出一種針對微能源網(wǎng)的主從雙層規(guī)劃設(shè)計方法，求取多目標的均衡解。文章首先介紹微能源網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)；其次，構(gòu)建主從雙層規(guī)劃模型；隨后給出模型求解過程；最后通過仿真算例驗證本文所提模型的有效性。

1 微能源網(wǎng)

微能源網(wǎng)包含燃氣輪機、燃氣鍋爐、蓄電池、蓄熱槽、熱泵、制冷機和新能源發(fā)電（圖1）。此外，微能源網(wǎng)還與上級電網(wǎng)買賣并從天然氣網(wǎng)絡(luò)購氣，滿足區(qū)域內(nèi)的電、熱、冷需求。以下公式給出多能輸入輸出關(guān)系：(2)；(3)；(4)。

圖1 微能源網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2 規(guī)劃模型

該規(guī)劃模型分為上下雙層，上層模型以最小化系統(tǒng)年投資和運行費用最低為目標，下層模型以最小化系統(tǒng)的年碳排量為目標。具體建模過程如下：

式(8)限定每種設(shè)備的最大投資容量，χ分別表示燃氣輪機、燃氣鍋爐、蓄電池、蓄熱槽、制冷機、熱泵和可再生能源發(fā)電設(shè)備。上層模型中的y（連續(xù)運行變量）和z（二元狀態(tài)變量）同時要滿足下層約束式(9)～(24)。如式(9)所示，下層模型目標函數(shù)包含燃氣輪機的年碳排放量，燃氣鍋爐的年碳排放量和購電導(dǎo)致的年碳排放量，其中分別為燃氣輪機、燃氣鍋爐和購電的相應(yīng)碳排放系數(shù)。式(10)限定每種設(shè)備的實時輸入或者輸出功率，式(11)進一步限定可再生能源發(fā)電設(shè)備的實時出力，式(12)～(13)限定與電網(wǎng)的購售電電功率，式(14)～(23)分別限定蓄電池和蓄熱槽的充放功率與存儲狀態(tài)，式(24)給出微能源網(wǎng)內(nèi)的電、熱、冷功率供需平衡約束。

3 模型求解及規(guī)劃分析

首先，將該雙層規(guī)劃模型表述成矩陣形式：

其中：x為上層投資變量矩陣，y為下次連續(xù)變量矩陣，z為下層二元狀態(tài)變量。此外f、g、b、w、h、r、A、E、P、Q、K均為相應(yīng)的系數(shù)矩陣。考慮下層模型引入了二元狀態(tài)變量來表征系統(tǒng)的交互狀態(tài)，導(dǎo)致下層模型非凸，無法直接轉(zhuǎn)化為帶平衡約束的數(shù)學(xué)規(guī)劃問題進行求解。為此，本文采用一種重新生成與分解方法有效求解該規(guī)劃模型，具體求解流程參考文獻[6]。

以圖1所示微能源網(wǎng)為例驗證本文所提雙層規(guī)劃設(shè)計方法的有效性。根據(jù)不同季節(jié)的用能特征，分別選取夏季、過度季和冬季三個典型運行場景，針對圖1所示微能源網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖、結(jié)合相關(guān)技術(shù)經(jīng)濟參數(shù)與負荷數(shù)據(jù)，兩個案例系統(tǒng)規(guī)劃結(jié)果中的設(shè)備（MW）分別為：燃氣輪機4/4、燃氣鍋爐2/1、風機6/6、制冷機6/6、熱泵0/0、蓄電池2/2、蓄熱槽6/6，經(jīng)濟性（×105）分別為投資172.8/170.7、運行157.3/167.2，碳排放（×106kg）5.12/3.81。其中案例一僅考慮了上層經(jīng)濟性目標，案例二同時考慮經(jīng)濟性與環(huán)保性目標。可看出：案例二中配置的燃氣鍋爐容量較小，總投資費也少于案例一。但案例二年運行費用較高且系統(tǒng)年總費用亦高于案例一。以上差異性主要歸因于下層優(yōu)化碳排的同時降低了系統(tǒng)經(jīng)濟性，案例二中年碳排放量相比案例一降低1.3×106kg，明顯降低系統(tǒng)年碳排量。

結(jié)果表明，本文所提雙層規(guī)劃模型可使規(guī)劃結(jié)果同時滿足經(jīng)濟性與環(huán)保性要求，更符合政府低碳路線。考慮碳交易市場尚不成熟，不合理的碳價設(shè)置或會阻礙人們的積極性或難以發(fā)揮重要作用，本文所提雙層模型可在有效考慮碳排放指標的前提下，使系統(tǒng)經(jīng)濟性達到最優(yōu)。