“煤改電”用戶綜合能源利用系統優化配置方法*

邢其敬， 孟凡鳳， 宮 成， 孫欽斐， 李香龍

(國網北京市電力公司 a. 營銷部， b. 檢修分公司， c. 電力科學研究院， 北京 100031)

在國家推動能源生產、提升能源利用效率、加大節能減排力度和防治霧霾的新形勢下，借助轉變傳統取暖方式改造為清潔取暖的契機，中國廣大地區的用戶“煤改電”工程得到了極大地推進.同時在“光伏扶貧”的背景下，將用戶電、熱、冷能負荷與太陽能利用相結合，構建“煤改電”型住宅戶用多能互補綜合能源利用系統，為打通多形態能源需求與分布式能源間的能量通道提供解決方案[1].而如何配置新、舊住宅用戶中供能、用能及配套儲能的類型與容量，實現用戶用能成本的最小化成為該項技術成功實施的關鍵技術[2].

針對家庭用戶能源利用問題，現有文獻多聚焦于以電能為主導的微電網能量優化研究.基于用戶滿意度[3-4]或運行經濟性[5-6]等目標，制定戶用分布式發電和家庭用電調度策略.而對于“煤改電”用戶這種電、熱、冷多種能源并重的家庭用戶綜合能源利用問題，相關研究文章討論較少.柯國華等[7]探討了在北京農村家庭開展能源綜合利用方式供暖的可行性，分析了太陽能集熱器+空氣源熱泵等6種能源綜合利用模式的投資運行費用和適用性.另一方面，針對能源設備優化配置問題，現有文獻多集中于樓宇級或園區級較大規模、多網絡節點用戶綜合能源系統的優化規劃.張濤等[8]針對樓宇建筑，以投資運行費用最小為目標，建立了包含能源生產、回收、轉換和儲存4個環節的綜合能源系統容量優化配置模型；楊水麗等[9]建立了園區用電/用能負荷與供電數學模型，提出基于線性規劃方程排序的儲能容量優化配置方法；崔全勝等[10]構建了多網絡節點的用戶側綜合能源系統規劃模型，得到設備類型、容量、安裝位置、能量配送管網規劃以及運行策略，并應用于城市街區建筑樓群構成的綜合能源系統中.綜上所述，現有文獻尚未涉及“煤改電”用戶特色的戶用電、熱、冷綜合能源利用系統產能、儲能、用能設備優化配置問題的研究.

本文基于現有研究和技術，著力解決“煤改電”用戶綜合能源利用系統的產能、儲能與用能設備的優化配置問題.為此建立綜合考慮設備投資與運行費用經濟性的戶用綜合能源利用系統優化配置雙層規劃模型，制定基于解空間枚舉算法的雙層迭代優化求解方法，以實際“煤改電”新、舊住宅用戶綜合能源利用系統的優化配置問題為例，驗證所提出模型與算法的有效性.

1 用戶綜合能源利用系統典型結構

“煤改電”用戶綜合能源利用系統主要包括：產能、儲能和用能三種類型設備.

產能設備主要包括：作為電源的光伏發電單元與市電；作為熱源的太陽能光熱板集熱器與以空氣源熱泵為代表的電采暖設備.需要指出的是，基于可再生能源最大化利用原則，光伏發電與太陽能光熱板集熱器在系統控制中屬于無需控制能量輸出的可再生能源產能設備，因此在系統建模中可以作為必須滿足的反向電(熱)負荷來進行處理.

儲能設備可以控制輸入輸出能量，起到能量搬移作用，包括：儲存電能的家用蓄電池，相變蓄熱或蓄熱水箱等儲熱設備.

用能設備主要包括“煤改電”用戶內照明、冰箱、電炊具等不可時移電負荷，電動汽車、洗衣機等可時移電負荷，以及通過暖通管道散熱、為使室內溫度維持在舒適溫度所需的用戶建筑熱負荷.

2 系統優化配置模型

2.1 上層容量優化配置模型

上層優化問題以系統年綜合費用最低為目標，包括綜合能源系統的投資成本f1，綜合能源系統運行維護成本f2和綜合能源系統碳排放費用f3，目標函數為

minF1=f1+f2+f3

(1)

綜合能源系統投資成本f1主要是光伏、光熱、空氣源熱泵、電采暖設備、蓄電池、蓄熱水箱、水泵和用能末端(風機盤管等)等設備的投資費用總和，采用年均值算法進行計算，即

(2)

式中：Ci為分布式能源i單位容量初始投資；pi為分布式能源i的配置容量；N為分布式能源種類數目；r為年折舊率；yi為分布式能源工程壽命；xi為分布式能源安裝與否狀態，1為安裝，0為未安裝.

年運行維護費用f2表達式為

(3)

式中：Pgrid，t為t時刻與電網的交互電量；CGR，t為t時刻購電或售電價格；Pi，t為i設備在t時刻的運行功率；CiOM，t為i設備單位功率維護成本；ds為每種典型日的天數；M為年劃分場景日種類；Z為場景日內劃分的時段數.

年碳排放費用f3表達式為

(4)

式中：μe為每千瓦時電量對應的CO2排放量；β為單位CO2排放的費用，通常取0.164元/kg.

最大投建容量約束為

0≤pc≤pc，max

(5)

式中，pc，max為設備的最大投建容量.

2.2 下層日運行維護費用優化模型

下層優化問題目標函數可表示為

(6)

下層優化問題主要約束條件如下：

1) 電平衡約束，其約束表達式為

Pgrid，t+xpvePpv，e，t+xBTPBT，t=

(7)

式中：Ppv，e，t與PBT，t分別為t時刻光伏發電功率和蓄電池放電功率；xpve與xBT分別為t時刻光伏發電狀態參數和蓄電池放電狀態參數；PAH，I，t與PBH，I，t分別為t時刻空氣源熱泵電功率和電鍋爐電功率；xAH與xBH分別為t時刻空氣源熱泵和電鍋爐狀態參數；Pdxe，t與Pei，t分別為t時刻不可時移電負荷和第i種可時移電負荷的功率；xei，t為t時刻第i種可時移電負荷的狀態參數；D為t時刻可時移電負荷的數目.

2) 熱平衡約束，其約束表達式為

xpvhPPV，h，t+xAHPAH，O，t+xBHPBH，O，t+

xPHPPH，O，t+xWSPWS，O，t=PhL，t

(8)

式中：PPV，h，t、PAH，O，t、PBH，O，t、PPH，O，t和PWS，O，t分別為t時刻光熱單元制熱功率、空氣源熱泵制熱功率、電鍋爐制熱功率、相變蓄熱放熱功率和蓄熱水箱放熱功率；xpvh、xPH和xWS分別為t時刻光熱單元狀態參數、相變蓄熱放熱狀態參數和蓄熱水箱放熱狀態參數；PhL，t為t時刻用戶所需的熱負荷.

3) 冷平衡約束，其約束表達式為

xAHPAH，O，t+xACPAC，O，t=PcL，t

(9)

式中：PAC，O，t為t時刻空調制冷功率；xAC為空調制冷狀態參數；PcL，t為t時刻用戶所需冷負荷.

（4）工藝優點：在以往鋼絲繩捆綁出運沉箱的施工工藝中，需要大量人力進行人工拖拉鋼絲繩，布置捆綁牽引及解綁回收工作，約需4小時，而采用插銷牽引工藝后，只需少量工作人員對插銷進行穿插工作，節省人力和施工時間，布置牽引及回收主要使用卷揚機及裝載機，時效約2小時，相比捆綁式工藝節省約2小時。

4) 儲能輸入輸出狀態量互斥約束，其約束表達式為

xItxOt=0

(10)

式中：xIt為設備輸入狀態；xOt為設備輸出狀態.

3 雙層迭代優化求解方法

本文雙層規劃中上層模型屬于規劃問題，下層模型屬于生產模擬問題；上層解空間為各設備規劃容量，下層解空間為各產能、儲能、用能設備在各典型場景下的運行計劃數值.雙層規劃模型求解流程如圖1所示.

圖1 雙層規劃模型求解流程

求解方法基本步驟為：上層模型的目標函數是年綜合費用最低，首先人為按預設方案設定安裝設備的種類，然后采用枚舉法在各設備容量取值空間內依次均勻離散枚舉產生各設備的容量，從而生成E套容量配置方案；下層模型以上層模型產生的某套容量配置方案為各設備運行計劃約束范圍，并基于運行維護費用最低這一目標，代入上層模型計算年綜合費用；如此雙層循環迭代尋優，直至找到配置方案最優解.在以上迭代過程中，上層模型的解(規劃容量)是下層模型解(運行計劃)的約束條件，下層解形成的目標函數值是上層目標函數值的一部分，影響上層解的尋優方向.

4 算例分析

4.1 算例對比方案設計

以北京某農村“煤改電”用戶為例，采用本文提出的優化配置模型與算法，分別針對新住宅和舊住宅設計了產能、儲能設備的容量優化配置方案.需要配置的各主要設備的投建運維參數如表1所示.

表1 主要設備投資運維相關參數

新住宅是指剛建成未安裝任何設備的用戶，本文分3種情況比較分析：可再生能源只選擇光伏發電的A類方案，可再生能源只選擇光熱的B類方案及兩種均選擇的C類方案.針對新住宅用戶配置的各類具體設備種類方案如表2所示.舊住宅是指已安裝部分取暖設備和末端的家庭，與新住宅類似.針對舊住宅用戶配置的設備種類方案如表3所示.

表2 新住宅配置方案設計

表3 舊住宅配置方案設計

4.2 配置方案對比分析

4.2.1 新住宅配置方案及費用對比

表4、5分別為A類方案中優化配置的各設備容量與方案費用對比情況.

表4 A方案設備容量配置情況

結合表4、5可以看出，A1與A2相比，相變蓄熱的效果比蓄熱水箱更好；A2與A3相比，蓄電池能夠起到谷電蓄電以節省電費的效果，但由于使用成本較高，從整體來看對系統經濟性沒有起到良性作用；A3與A4相比，安裝風機盤管以配合空氣源熱泵，既可以制冷又可以供熱，雖然運維費用有所升高，但整體依然更為經濟.A5和A6是安裝電鍋爐與安裝空氣源熱泵的方案對比，投資費用均較高，因此，之后的方案中不再討論安裝電鍋爐的情況.從總費用和收回投資年限對比來看，在A類方案中A4最優.

表5 A方案費用情況

B、C方案優化配置的各設備容量與方案費用對比情況分別如表6、7所示.

表6 B、C方案設備容量配置情況

B方案系統的運行方式為：在有光熱出力時段，首先由光熱出力來滿足系統內熱負荷需求；若出力大于負荷，則多余熱量存儲在蓄熱水箱或者相變蓄熱中；若出力小于負荷，則優先使用蓄熱水箱或相變蓄熱中的熱量補給.B2與B3相比可知，蓄電池的存在可以降低電費，但投資費用較高，且整體經濟性較低.因此，之后的方案中也不再討論蓄電池的安裝情況.B4由于安裝風機盤管末端，有效地利用了高能效比的空氣源熱泵，提高了經濟性.從總費用對比來看，在B類方案中方案B4最優.

表7 B、C方案費用情況

C方案與A方案、B方案比較可以看出，光伏+光熱的組合能夠有效降低年投資運行費用，提高經濟性.C1與C2比較，再次體現風機盤管與空氣源熱泵組合配置的優越性.

綜合表4～7分析可知，C2與A4相比，綜合投資運行費用比較低，屬于較優方案.雖然C2較A4多配置了光熱設備而增加投資，但由于C2的電費收益比A4多，使得C2的綜合投資運行費用最低.因此，若只考慮綜合投資運行費用最低，則C2為最優；若只考慮收回投資成本，則A4方案最優.

4.2.2 舊住宅配置方案及費用對比

舊住宅用戶已安裝了燃煤鍋爐供暖，末端散熱方式為地暖，因此將產生煤炭燃料費；夏季采用空調制冷，所有用電從電網購得.定義未采取“煤改電”設備優化配置措施前的這種能源利用方案為“方案y”.表8為D、E、F類方案中優化配置的各設備容量.表9為原方案y與D、E、F類方案費用對比情況.

表8 D、E、F方案設備容量配置情況

表9 D、E、F方案費用情況

由表9可以看出，“煤改電”設備優化配置后大幅度減少了舊住宅用戶年綜合投資運行費用.D1與D2相比，若使用已安裝的水箱，則投資費用減少，收回投資的時間更短.增加相變蓄熱容量后，收回投資的時間雖然增長，但整體費用降低，因此之后的方案只考慮增加相變蓄熱的情況；D2與D3相比，安裝風機盤管后更加經濟，E1與E2，F1與F2相比同樣也說明了這一問題.整體來看，光伏+光熱的組合依然可以增加光伏發電上網收益，所以方案F2的年綜合費用最低.

5 結 論

本文針對“煤改電”工程背景下農村用戶能源利用設備優化配置問題展開研究，通過分析典型“煤改電”用戶綜合能源利用系統的產能、儲能和用能基本構成形式，并基于可再生能源最大化利用原則，建立了綜合設備投資與運行費用經濟性的雙層規劃模型.實際“煤改電”新、舊住宅用戶算例表明，所提出的方法能夠給出用戶綜合能源利用系統設備安裝類型與容量的優化配置方案，保障了“煤改電”用戶投資運行成本的經濟性.