基于混合潮流算法的多能源互補調度仿真研究

魏齊鳴，楊太華，高余奇

(上海電力大學，上海 201306)

1 引言

全球環境逐漸惡化，能源供需關系日益緊張，能源問題是人類目前需要開展的重要研究。綜合能源系統是目前能源節約的重要方式，綜合能源系統的協調運行以及統一規劃具有重要意義[1]。綜合能源系統是包含集中式能源供應網絡與分布式能源單元耦合的重要系統，綜合能源系統可實現眾多能源優勢互補，提升能源利用率，促進新能源的充分利用，提升可再生能源滲透率。綜合能源系統是人類用能領域的重要變革[2]，可保證全球能源的用能安全以及能源可持續發展。

綜合能源系統中主要包含電力系統、熱力管網系統、燃氣系統以及能量轉換樞紐(Energy Hub，EH)等眾多能源環節，能量轉換樞紐中包含眾多冷熱電聯供單元、常規可控發電機組等可控能源環節[3]，同時包含電動汽車、新能源發電等具有較高隨機性以及間歇性地控制較為困難的能源環節。綜合能源系統是極為復雜的綜合能源系統，混合潮流算法是協調優化系統內眾多能源環節以及能源系統的高效算法，混合潮流算法可充分利用與挖掘眾多能源間的互補潛力[4]，互補調度各類能源，提升綜合能源系統眾多能源的可利用率。

多能源互補調度是指合理安排用能環節的用能調度以及不同能源系統出力，滿足綜合能源系統供需匹配問題。目前眾多研究學者針對多能源優化調度問題進行大量研究，文獻[5]研究基于混沌增強煙花算法的多能源系統并網優化調度；文獻[6]研究基于擴展節點法的交直流混合電網統一潮流算法，以上兩種方法均可實現多能源系統的優化調度，但過于考慮系統優化的成本問題，忽略多能源優化調度的清潔性問題以及可靠性問題。為此提出基于混合潮流算法的多能源互補調度仿真，建立可體現多能源系統耦合關系的多能源互補調度多目標優化模型，充分考慮影響綜合能源系統燃氣管網、能量轉換樞紐運行的相關約束，利用最優混合潮流算法求解所建立多目標優化模型。通過仿真驗證該算法具有較高的多能源優化調度性能，所獲取調度方案可提升綜合能源系統的清潔性、安全性以及經濟性，保證綜合能源系統安全運行。所研究方法將綜合能源系統中眾多設備運行工作參數設置為多能源互補調度優化模型綜合潮流計算輸入，降低單次網絡潮流計算的計算量，提升網絡整體收斂速度，可應用于多能源互補調度實際應用中。

2 混合潮流算法的多能源互補調度

選取經濟成本最小化、清潔能源利用率最大化和系統安全可靠運行建立多目標的多能源互補調度優化模型。設定影響多能源互補調度的相關約束，利用多目標最優混合潮流計算平臺基于非劣排序遺傳算法求解多目標優化模型輸出最優解實現混合潮流算法的多能源互補調度。

2.1 多能源互補調度優化模型

2.1.1 經濟指標

經濟指標總成本Bprice可分為電網購電成本Bgrid、天然氣成本Bgas、設備啟停以及維護成本Bre三部分，由補燃鍋爐耗天然氣成本以及燃氣輪機耗天然氣成本兩部分組成天然氣成本。用Δt表示系統運行時間段，可得經濟指標目標函數公式如下

(1)

(2)

(3)

式(2)與式(3)中，Ec與Eh分別表示冷、熱電聯供系統的制冷機制冷功率以及余熱鍋爐制熱功率；Ebrgl與ηbrgl分別表示補燃鍋爐輸入功率以及補燃鍋爐制熱效率；Egrid表示電網注入功率；LHV與mgas分別表示天然氣低位發熱量以及單位天然氣價格；ηc與ηt分別表示制冷機制冷效率以及燃氣輪機發電效率；ηh與mgrid分別表示余熱鍋爐制熱效率以及電價。

2.1.2 安全可靠性指標

多能源互補調度的安全可靠性是綜合能源系統運行的重要任務，系統的設備啟停、事故發生率、設備運行壽命等因素直接影響多能源互補調度的安全可靠性[7]。選取設備啟停頻率以及系統可靠性作為多能源互補調度的安全可靠性指標。

充分考慮運行時間、事故率等因素的安全可靠性指標T公式如下

(4)

設備在時間段為Δt內啟停頻率PΔt公式如下

(5)

2.1.3 清潔性指標

選取清潔能源利用率作為多能源互補調度的清潔性指標，重點考慮綜合能源系統中光伏以及風能利用率[8]。系統運行時間段為Δt時，清潔能源利用率公式如下

(6)

2.1.4 構建多能源互補調度優化模型

所建立多能源互補調度優化模型中涉及多種指標[9]，采用式(7)歸一化處理眾多指標，消除由于量綱差異對互補調度結果造成的差異

(7)

綜合考慮以上指標建立最終目標函數如下

(8)

式(8)中，wB、wT、wP和wZ表示各指標權重，用戶可依據不同模式設定相應權重。

2.2 約束條件

2.2.1 能量轉換樞紐單元輸出容量約束

能量轉換樞紐單元輸出容量約束如下

(9)

2.2.2 能量轉換樞紐單元多能流耦合約束

能量轉換樞紐單元熱電比需滿足以下約束

(10)

式(10)中，R表示熱電比。

2.2.3 供能平衡約束

能量轉換樞紐單元內分布式電源與熱電聯產發電量之和應與其等效電需求相同，能量轉換樞紐單元所需輸出電量與電制冷機耗電量之和即等效電需求[10]；熱電聯產與燃氣鍋爐輸出熱量之和應與等效熱需求相同，吸收式制冷劑供冷耗熱量與能量轉換樞紐單元內需提供熱量之和即等效熱需求。

供能平衡約束如下

(11)

式(11)中，Pi與Qi分別表示輸入節點i的有功功率以及無功功率；η表示效率；W表示輸出功率；α表示制冷比。

2.2.4 設備運行約束

多能源互補調度設備運行約束如下

(12)

2.3 多目標優化算法

以往通常利用加權求和法、最大最小法等方法將所建立多目標函數轉化為單一目標完成求解，存在計算量過大以及復雜度過高的缺陷。采取遺傳算法求解混合潮流算法的多能源互補調度的多目標優化問題，遺傳算法可獲取眾多非劣解，避免出現局部最優情況。

利用改進的遺傳算法非劣排序遺傳算法求解多目標優化問題，非劣排序遺傳算法將快速非劣排序算法應用于遺傳算法中，有效降低模型求解復雜度[11]。將擁擠距離引入分層中設置為優秀個體保留標準，擴展所獲取最優解范圍，均勻分布最優前沿結果。

基于OpenDSS平臺以及Marlab仿真平臺搭建多目標最優潮流求解計算平臺總體結構圖如圖1所示。

圖1 多目標最優混合潮流計算平臺

圖1可以看出該計算平臺包含天然氣管網潮流計算、能量中心潮流計算以及三相潮流計算模塊三部分。配電網三相潮流計算分析利用OpenDSS平臺實現，Matlab平臺可實現天然氣管網潮流計算、能量中心潮流計算。電/氣網絡邊界、交換功率大小、能量中心能量轉換以及內部功率分配利用能量中心潮流計算模塊實現。Marlab仿真平臺與OpenDSS計算程序以及各分析模塊間數據通信利用組件對象實現。

多目標最優混合潮流計算流程圖如圖2所示。

圖2 最優混合潮流計算流程圖

圖2可以看出，依據多目標最優混合潮流計算平臺，利用Matlab仿真軟件調用非劣排序遺傳算法求解多能源互補調度優化模型[12]，輸出最終最優解實現多能源互補調度。

3 仿真分析

選取某工業園區作為仿真對象，利用Marlab仿真平臺模擬該工業園區綜合能源系統運行狀況，基于OpenDSS平臺以及Marlab仿真平臺搭建多目標最優潮流求解的計算平臺。設區域能源系統中除平衡節點以及耦合節點輸入輸出有所改變，其它節點各項負荷均為不變狀態，設置以電定熱模式以及以熱定電兩種綜合能源系統運行模式。

綜合能源系統中包含供能設備以及參數如表1所示。

表1 供能設備參數

綜合能源系統于2020年2月18日24h冷、熱、電負荷曲線如圖3所示。

圖3 冷、電、熱負荷曲線圖

該地區電網分時電價如圖4所示。

圖4 電網分時電價

綜合能源系統不考慮并網倒送情況。風機出力為恒定功率22kW；光伏依據最大功率出力。該地區天然氣價格為2.84元/m3，天然氣管道流量與直徑分別為14kg/s以及160mm。供熱供冷管道長度均為3km。電網母線電壓為11kV，主干線長度為9.6km。

基于以上條件采用本文方法互補調度綜合能源系統內多能源，獲取以電定熱以及以熱定電兩種運行模式下綜合能源系統天然氣系統內各節點壓力值如圖5所示。

圖5 天然氣系統節點壓力值

系統間能量互動統計結果如表2所示。

表2 能量互動統計

圖5、表2實驗結果可以看出，綜合能源系統中的天然氣系統內各節點壓力均在額定工作壓力之下，主要原因是經過本文方法的多能源互補調度，保持負荷不變情況下，電力系統可與燃氣系統所獲取燃氣流量良好協調，滿足綜合能源系統負荷需求。若不采用本文方法互補協調調度，將出現電力系統功率不平衡情況，導致頻率波動較大，出現燃氣網絡壓力越限運行情況，導致系統出現安全隱患。

為了直觀展示本文方法的多能源互補協調調度性能，將本文方法與混沌增強煙花方法(參考文獻[5])以及擴展節點方法(參考文獻[6])對比。綜合能源系統運行各項指標對比結果如表3所示。

表3 系統運行指標

表3實驗結果可以看出，混沌增強煙花方法由于僅考慮各區域熱負荷，并未考慮系統靜態安全指標以及系統運行成本，因此靜態安全性以及經濟性并不理想；擴展節點方法僅考慮經濟性，可有效實現系統運行經濟性優化，但未考慮系統運行安全性，多能源協調優化效果較差。采用本文方法互補調度綜合能源系統內各項能源，支路潮流、節點電壓以及熱媒管道流量越限指標相比于另外兩種方法均有明顯優化，經濟性以及靜態安全性優化幅度明顯，說明本文方法可實現綜合能源系統安全性能以及經濟性的良好權衡，實現綜合能源系統內多能源互補調度，應用性高。本文方法可滿足經濟環保性需求，綜合能源系統運行過程中，應盡可能開啟光伏、風機等清潔能源，實現綜合能源系統良好多能源互補調度。

4 結論

伴隨綜合供用能環境復雜，能源結構不斷升級，綜合能源系統運行已不僅需考慮系統的經濟成本，更需要綜合考慮能源互補情況的可靠性、清潔性等眾多方面因素，從多目標角度出發建立多能源互補調度模型，利用混合潮流算法實現多能源互補調度優化。通過仿真結果驗證利用該方法所獲取的多能源互補調度方案可全面考慮綜合能源系統的安全性、經濟性以及清潔性，可為系統運行決策人員提供多維度調度方案，便于決策人員依據實際情況選取最優方案。所研究方法可實現不同能源間眾多維度優勢互補，獲取理想運行效益，可操作性強，實用價值高。