考慮岸電負荷彈性的港區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型與方法

趙景茜， 米翰寧， 程昊文， 陳思捷

(上海交通大學 電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海 200240)

為應對日益嚴峻的氣候問題，我國提出了“碳達峰，碳中和”目標.對耗能大戶進行節(jié)能減排改造，從源頭上減少碳排放是實現(xiàn)雙碳目標的關鍵[1].港區(qū)是典型的高能耗負荷集中園區(qū)[2]，對其進行節(jié)能減排改造迫在眉睫.

港區(qū)的一個重要碳排放來源為船只靠港期間的輔助發(fā)電機運轉.船只自備輔助發(fā)電機燃油發(fā)電污染較高[3]，而使用岸上電源代替船用輔助發(fā)電機為靠港期間的船舶電力系統(tǒng)供電，可以有效降低港區(qū)能耗[4-6].此外，作為一種能源密集型園區(qū)，港區(qū)存在著冷、熱、電、氫氣和天然氣等多種類型的負荷.傳統(tǒng)港區(qū)中各類型能源供給缺少耦合與交互，造成能源過度消耗.綜合能源系統(tǒng)可以實現(xiàn)多能協(xié)調(diào)互補，顯著提升園區(qū)能量利用效率，降低用能成本，優(yōu)化能源結構[7-8].因此，在港區(qū)建設綜合能源系統(tǒng)可以顯著降低港區(qū)能耗.

現(xiàn)有綜合能源系統(tǒng)的研究對象大多為工業(yè)園區(qū)、校園或智能樓宇[9-13]，針對港區(qū)的綜合能源系統(tǒng)研究非常少.區(qū)別于傳統(tǒng)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃，港區(qū)負荷水平與到港船只情況與貨運情況有關，且波動較大.此外，港區(qū)的地理條件使其擁有大量可開發(fā)的可再生能源.因此，規(guī)劃港區(qū)綜合能源系統(tǒng)時應因地制宜，結合港區(qū)負荷條件和供能潛力選擇相關設備.文獻[14]分析了天津港新能源發(fā)電潛力和負荷特性，論述了港區(qū)分布式能源系統(tǒng)建設的必要性.文獻[15]以一個新加坡港口為例，分析了在港區(qū)使用能量管理系統(tǒng)帶來的經(jīng)濟效益與減排效益.文獻[16]研究了在港區(qū)部署新能源與儲能設備，進而滿足港區(qū)的岸電負荷.文獻[17-18]針對港口貨運特點, 在綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行模型中考慮了港口綜合需求響應.但現(xiàn)有研究默認到港船只均使用岸電，忽略岸電負荷的價格彈性和自主選擇權，導致當前岸電項目存在“岸側熱、船側冷”的窘境.市場環(huán)境下，船只會對比岸電服務費與自身發(fā)電成本，自主決定是否使用岸電，因此岸電負荷隨岸電服務費的變動而動態(tài)變化，而這種特性也會影響港區(qū)的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃.

針對現(xiàn)有研究的不足，本文通過對船只行為決策精細化建模，構建了基于港船互動的彈性岸電負荷模型.通過岸電用電量和港區(qū)用能成本將彈性岸電負荷與港區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃相耦合，構建了計及岸電負荷彈性的港區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型.采用最佳響應法求解規(guī)劃模型，極大地降低了模型求解復雜度，提升了模型求解效率.算例表明，本文模型能有效降低港區(qū)碳排放量與用能成本.本文研究可為港口節(jié)能改造提供理論基礎.

1 考慮岸電改造的港區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型

1.1 綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型

港區(qū)多能負荷包含冷、熱、電、氫氣和天然氣，系統(tǒng)內(nèi)部無法滿足的電、氫氣和天然氣需求可以通過從外界購買.港區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型對系統(tǒng)內(nèi)部的能源供給設備、能量轉換設備和儲能設備容量進行部署.

1.1.1目標函數(shù) 港區(qū)綜合能源系統(tǒng)以經(jīng)濟效益最優(yōu)為規(guī)劃目標，目標函數(shù)如下式所示：

(1)

1.1.2供能設備運行約束 港區(qū)可選供能設備有風機和光伏，其輸出受自然條件影響，具有間斷性、波動性及隨機性.運行約束為

(2)

1.1.3能源轉換設備運行約束 能源轉換設備可以把某種形式的能源轉化為一種或多種其他形式的能源.對單輸入單輸出設備，能源轉換設備輸入j1類能量，輸出j2類能量，則對該類設備輸入輸出建模為

(3)

對單輸入多輸出設備，設其輸入j1類能量，輸出JN類能量，其模型為

(4)

x∈JN,i∈JC, ?t

能源轉換設備運行約束為

(5)

?i∈JR, ?t

1.1.4能源存儲設備運行約束 能源存儲設備可以提升系統(tǒng)可靠性與靈活性，港區(qū)可選擇建設的能源存儲設備件有電池、儲熱設備、蓄冷設備、儲氣設備和儲氫設備.儲能設備的荷電狀態(tài)(SOC)滿足連續(xù)性約束：

(6)

儲能設備的SOC應維持在上下限范圍內(nèi)，且在起始與結束階段滿足連續(xù)性：

(7)

Ωi(0)=Ωi(T), ?i∈JS

(8)

儲能設備的充能與放能功率應在上下限范圍內(nèi)，功率約束為

(9)

(10)

?i∈JS, ?t

1.1.5能量供需平衡約束 港區(qū)綜合能源系統(tǒng)存在著多種類型的能源，除電之外的其他各類能源滿足實時供需平衡約束：

(11)

由于岸電負荷量受岸電服務費的影響而動態(tài)變化，有必要建立彈性岸電負荷模型.對于電負荷，由于存在動態(tài)變化的岸電負荷Pos(πser,t)，其供能平衡約束區(qū)別于其他類型的負荷，考慮能源種類j為電力(ele)時，如下式所示：

(12)

1.2 岸電負荷彈性建模

在市場環(huán)境下，到港船舶會預估并比較自身用油、用電成本，選擇是否使用岸電.因此，岸電負荷水平受船只到港順序、船只自身屬性及港口發(fā)布的岸電服務費影響.對已知的到港船舶數(shù)據(jù)集，t時刻的岸電負荷Pos(πser,t)是當前靠泊且選擇使用岸電的船舶充電量的總和，則有：

(13)

式中：Wk(t)為船只k在t時刻的充電量；Xk為船只k的決策.彈性負荷模型充分考慮船只自主決策權，當用油成本大于用電成本時選擇連接岸電，否則在靠港時繼續(xù)使用自備輔助發(fā)電機供電，如下式所示：

(14)

(15)

(16)

(17)

2 考慮岸電改造的規(guī)劃模型求解算法

2.1 模型分解方法

圖1 彈性岸電負荷模型與綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型耦合關系Fig.1 Coupling relation of dynamic shore power model and integrated energy system planning model

第1部分為綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型，由式(1)～(12)組成.該模型是凸優(yōu)化問題，可集中求解，通過求解該部分模型可以得到最優(yōu)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方案.第2部分為彈性岸電負荷模型，由式(13)～(17)組成，通過求解該部分模型可以得到彈性岸電負荷.在這種拆分方式下，兩個模型通過港口用能成本和最優(yōu)岸電服務費下的岸電負荷量相耦合.

2.2 基于主從博弈的彈性岸電負荷模型求解

在彈性岸電負荷模型中，由于港區(qū)擁有岸電服務費定價權，可以構建主從博弈描述該過程.博弈參與方為港區(qū)與船只群體，博弈順序為：第1階段港區(qū)決定岸電服務費，決策目標是自身收益最大化；第2階段為船公司根據(jù)船只自身參數(shù)(停靠時間、用電功率、等待意愿、自備輔助發(fā)電機的油電轉換效率)、油價、岸電服務費等因素決策是否使用岸電.博弈模型可表示為

G={(M∪Q); (sM∪sQ); (UM∪UQ)}

(18)

式中包含元素如下：

(1) 博弈參與者包括港區(qū)M(領導者)及船舶集合Q(跟隨者)；

(2)sM={πser}為港區(qū)策略集合，包含所有岸電服務費πser的可能取值；sQ={Xk,k∈Q}為船只策略集合，包含所有船只策略組合；

(3)UM和UQ為船只與港區(qū)收益函數(shù).

對于船只，以用能成本的負數(shù)代表收益，決策變量為是否使用岸電Xk，第k條船的收益函數(shù)UQ,k為

(19)

對于港區(qū)，收益函數(shù)UM即為港口在岸電服務中的營收，決策變量為岸電服務費πser，則有：

(20)

圖2 彈性岸電負荷模型求解流程Fig.2 Flowchart of solving flexibility of shore power model

2.3 考慮岸電改造的規(guī)劃模型求解

最佳響應法適用于分析或求解兩個通過少量信息耦合的系統(tǒng)[19-20]，本文采用最佳響應法迭代求解上述兩部分模型，算法如下所示.首先初始化港區(qū)用電邊際電價，計算該用電成本下的港區(qū)最優(yōu)岸電服務費，并計算對應的岸電量.其次，根據(jù)岸電負荷用電量求解港區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方案，并得到此方案下對應的用電邊際電價.隨后將新的邊際電價作為港區(qū)用電成本，重復迭代上述過程直至誤差小于規(guī)定精度ω或達到最大迭代次數(shù)zmax.

算法1考慮岸電改造的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方法

否則，更新迭代次數(shù)z←z+1, 返回步驟2.

3 算例分析

3.1 參數(shù)設置

港區(qū)從主網(wǎng)購電價格依據(jù)上海市工業(yè)用戶分時電價，如圖3所示，其中：πgrid為電網(wǎng)電價.天然氣的價格為2.55 元/Nm3，熱值為39.8 MJ/Nm3，折算后的價格為0.231元/(kW·h).氫氣的價格為2.6 元/Nm3，熱值為18.79 MJ/Nm3，折算后價格為0.498元/(kW·h).

圖3 主網(wǎng)分時電價Fig.3 Time-of-use price of main grid

規(guī)劃模型中風機建設成本為 6 000 元/(kW·h)，使用年限為20 a；光伏建設成本為10 000元/(kW·h)，使用年限為20 a.能源轉換設備與儲能設備的參數(shù)與效率如表1所示.

表1 待建能源轉換設備與儲能設備參數(shù)

3.2 結果分析

在港區(qū)部署綜合能源系統(tǒng)后的最優(yōu)岸電服務費為0.742元/(kW·h)，在該服務費下港區(qū)的年岸電負荷如圖4所示.

由圖4可知，最大時刻的岸電負荷用電量達到 10.8 MW·h，最低時刻為0 MW·h，表明在給定岸電服務費下，岸電負荷的用電量隨船舶選擇變化呈現(xiàn)出劇烈的波動性.證明了根據(jù)船只自身用能特性與岸電服務費對岸電負荷進行精細化建模的必要性.

圖4 最優(yōu)岸電服務費下港區(qū)岸電年用電量Fig.4 Annual electricity consumption of shore power of optimal service charge

港區(qū)綜合能源系統(tǒng)計劃部署設備種類及容量如圖5所示.首先，對港區(qū)綜合能源系統(tǒng)中的多能協(xié)調(diào)互補進行分析.圖6展現(xiàn)了典型日內(nèi)港區(qū)綜合能源系統(tǒng)的電、熱、冷、氫與天然氣五種能源的實時供需平衡，其中：Pi描述各類能源流動量，正值代表輸入，負值代表輸出.從圖6(a)可以看出，由于不計風機運行成本，優(yōu)先考慮利用風機出力，在風機出力不足的時刻由外部購電、燃氣輪機與電池提供不足的電量.在滿足港區(qū)內(nèi)岸電負荷與其他電負荷需求后，多余的風電一部分被電池存儲，一部分被電解槽利用產(chǎn)氫，剩余部分被壓縮式制冷機利用.從圖6(b)可以看出該日的熱負荷全部來源于燃氣輪機，且在負荷高峰時刻由儲熱設備進行調(diào)節(jié).產(chǎn)生的熱能除了滿足熱負荷需求，還為吸收式制冷機供能.從圖6(c)可以看出，在風能充足時刻系統(tǒng)冷能由壓縮式制冷機供應，且多余的冷能由蓄冷裝備存儲，在風能不足時刻，除了蓄冷裝置供冷外，吸收式制冷機會利用燃氣輪機產(chǎn)生的熱量補充不足的冷能.從圖6(d)可以看出，在風電充足時刻系統(tǒng)氫氣來源于電解槽，其余時刻主要來源于外部氫氣網(wǎng).從圖6(e)可以看出，系統(tǒng)的天然氣全部來源于外部氣網(wǎng)，由于本地沒有天然氣負荷，天然氣全部用于燃氣輪機.

圖5 港區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃結果Fig.5 Planning result of integrated energy system in the port area

圖6 綜合能源系統(tǒng)能量供需平衡Fig.6 Balance of energy supply and demand in integrated energy system

其次，對港區(qū)的經(jīng)濟效益進行分析.圖7為港區(qū)內(nèi)24 h各種形式能源的用能成本，其中：λ為系統(tǒng)對于不同種類能源的用能成本，由各類能源供需平衡等式的拉格朗日乘子計算得到.對于電能，與圖3中的分時電價相比，全部時刻的用電成本均低于或等于圖7中對應時刻的數(shù)值.氫能在 0:00—7:00 以及 20:00—24:00 時刻的用能成本低于從外部氣網(wǎng)購氣價格0.498元/(kW·h).由于系統(tǒng)規(guī)劃方案中不存在產(chǎn)生天然氣的設備，天然氣的用能成本始終等于從氣網(wǎng)購氣價格.由圖7可知，部署綜合能源系統(tǒng)后，港區(qū)各種能源的用能成本大幅下降，因為多能協(xié)同機制可以保證系統(tǒng)以最經(jīng)濟的出力方式運行.部署綜合能源系統(tǒng)的成本為172.4萬元，在部署綜合能源系統(tǒng)前，港口在最優(yōu)岸電改造方案下盈利15.4萬元，而部署綜合能源系統(tǒng)設備后，港口在最優(yōu)岸電方案下盈利60.8萬元(計及用電成本).

圖7 綜合能源系統(tǒng)用能成本Fig.7 Price of energy in integrated energy system

對港區(qū)的減排效果進行分析.隨著用電成本的下降，港區(qū)愿意降低岸電服務費以吸引更多船只使用岸電，整體增加岸電服務收益.因此，港區(qū)用電比例大幅提高，電氣化率隨之提高，耗能總量下降.綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃前后港口耗能對比如表2所示.部署綜合能源系統(tǒng)后，岸電用電總量提升10.03%，總能耗下降10.97%，電力占比提高17.3%.

表2 綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃前后港口耗能對比Tab.2 Comparison of port energy consumption before and after integrated energy system planning

此外，由于港區(qū)約60%電負荷由本地風電機組供給，相較于電廠火電機組屬無污染無排放的清潔能源，港區(qū)及全市污染氣體排放下降.綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃前后污染物年排放量對比如表3所示.在部署綜合能源系統(tǒng)后，城市范圍內(nèi)SO2、NOx和CO2排放分別下降58.01%、61.09%和57.17%.

表3 綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃前后污染物年排放量對比Tab.3 Comparison of annual pollutant emissions before and after integrated energy system planning

最終對求解算法的收斂性進行分析.由于規(guī)劃模型是凸優(yōu)化，采用分布式算法求解時具有較好的收斂性.在本文采用的最佳響應算法中，設置算法的收斂精度為ω=0.01，最大迭代次數(shù)zmax=30.兩部分模型在迭代3次后達到收斂，誤差分別為 8 411.2、17.1、0.證明本文采用的模型拆分方法與求解算法具有良好的收斂性，最佳響應法可以有效求解考慮岸電負荷彈性的港區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型.

4 結論

本文充分考慮船只與港口關于岸電服務費與岸電用電量之間的博弈，在建立彈性岸電負荷模型的基礎上對港區(qū)綜合能源系統(tǒng)進行規(guī)劃.仿真結果表明，本文模型能有效提升港區(qū)電氣化率，降低能耗與污染排放，顯著增加港區(qū)收益，所獲得的具體結論如下.

(1) 綜合能源系統(tǒng)部署使港區(qū)供能成本下降90%，同時激勵港區(qū)岸電改造且提升岸電改造收益至改造前的4倍.

(2) 考慮岸電改造，港區(qū)總能耗比無岸電改造下降52%，電力占比增加70.6%；部署綜合能源系統(tǒng)后，港區(qū)總能耗進一步下降11%，電力占比提高17%.

(3) 部署綜合能源系統(tǒng)后，港區(qū)約60%電負荷由本地風電機組供給，港區(qū)及全市污染氣體排放下降，城市范圍內(nèi)SO2、NOx和CO2排放分別下降58.01%、61.09%和57.17%.

本文研究對港區(qū)的規(guī)劃與決策具有較好的借鑒意義，在本文研究的基礎上，后續(xù)研究可以對港區(qū)其他類型負荷精細化建模，考慮港口綜合需求響應與負荷調(diào)度，優(yōu)化港區(qū)用能策略.