考慮碳排放的綜合能源系統經濟優化調度

周彩紅 顧斌 聶斌

摘 要：綜合能源系統（integratedenergysystem，IES）可利用一定區域內的電能、風能、光能等多種能源，實現能量階梯利用，以滿足該區域對電能、熱能和冷能的負荷需求。IES接入了分布式儲能設備（energystoragesystem，ESS），增加了系統運行靈活性和用戶的用電靈活性。在當前“雙碳”背景下，引進IES對電力系統減少二氧化碳排放、實現碳排放目標具有明顯的促進作用。

關鍵詞：綜合能源系統;粒子群算法;儲能系統;風電

引言

在全球環境污染問題日益嚴重的背景下，習近平總書記在聯合國大會上提出“碳達峰、碳中和”戰略目標。碳排放的主要來源是能源行業，能源行業響應“雙碳”目標，降低碳排放比重，實現低碳電力。綜合能源系統（integratedenergysystem，IES）是實現“雙碳”目標的重要手段，因其能源利用率高而成為未來低碳能源的主要發展方向。綜合能源系統整合多種能源并進行協調規劃，是減少碳排放的有效措施。以“低碳經濟”為核心的IES優化調度是該領域的研究熱點。

1.IES的基本結構及優化策略

1.1IES的基本結構考慮設備間碳排放信息的傳輸特性，構建基于碳信息流的綜合能源系統結構。此IES包括能源供給端、能源耦合端、儲能端和需求端。能源供給端由電網、天然氣網、熱網、風力發電（windturbine，WT）和光伏（photovoltaic，PV）發電組成;能源耦合端將電、氣、熱、冷能通過電轉氣（cogenerationpowertogas，P2G）、電鍋爐（electricboiler，EB）、電制冷（electricrefrigeration，ER）、燃料電池（fuelcell，FC）、燃氣鍋爐（gasboiler，GB）和冷熱電聯產機組（air-coolingheat-power，CCHP）實現耦合互補;儲能端有儲電、儲氣、儲熱、儲冷設備;需求端包含電、氣、熱、冷負荷。IES中碳信息來源于供能端、耦合端、儲能端，碳處理設備接收碳信息，處理二氧化碳，并將碳信息轉換為反饋信息輸送至需求端，需求端根據反饋信息調整負荷量，系統改變供給端、耦合端、儲能端出力，實現IES的低碳調度。

1.2IES的優化策略

本文所述IES的優化調度指在滿足需求側負荷的基礎上，降低系統的經濟成本和碳排放量。IES的優化策略考慮如下：1）在系統內各設備協調運行的前提下，優先利用風力、光伏發電;2）當風力、光伏發電無法滿足需求時，考慮向電網、氣網、熱網購能;3）當供能端能夠滿足需求時，儲能設備儲能，若不滿足需求，儲能設備供能;4）當儲能端和供能端均無法滿足需求時，耦合設備工作，按照經濟性、低碳性要求調度設備出力。

2電力系統的運行靈活性分析

電力系統的運行靈活性是指在一定的時間尺度下，在保證有功平衡的前提下，電力系統對凈負荷不確定波動的應對能力。即在一定時間尺度下，系統的靈活性供給要大于靈活性需求。電力系統靈活性具有如下5個特征：①方向性，具有上調和下調的靈活性需求;②多時間關聯性，在不同時間尺度下系統的靈活性供給能力與需求不相同;③狀態關聯性，系統靈活性的供給能力與機組以及系統的歷史狀態有較強的關聯，靈活性需求水平與凈負荷的變化密切相關;④雙向轉化性，如在下行靈活性需求較高時所儲存的能量，可以在其他上行靈活性需求較高時進行釋放;⑤不確定性，由于電力系統運行的不確定性以及系統實時運行狀態的變化，相應的靈活性評估往往選用概率方法或者明確關鍵調度場景設置運行靈活性約束。

3.IES低碳經濟調度模型

3.1碳排放分析

以碳排放效益為依據，分析系統是否低碳運行。碳排放來源包括電網購電、燃氣機組和系統運行的耗能。IES的碳排放量包括各分布式設備的碳排放量以及耦合設備的間接碳排放量，各機組碳排放量與其出力的大小呈線性關系。

3.2系統參數

將IES規劃應用到某北方城市街區，系統為該街區火車站和周圍酒店提供冷、熱和電負荷，該系統只能從大電網購電，不能向外輸送。基于中國當前發電結構下碳排放強度的平均水平，風力或光伏每發出1kW·h電能，平均可減少的CO2排放量為0.872kg，減少的SO2排放量為0.0263kg。

3.3調度結果分析

（1）在未加入P2G機組和儲能設備時，光伏和風電的輸出功率在不同時段差異明顯，燃氣輪機的出力穩定。由于當地夜間風速較大，所以夜間時段風力機組出力達到所有時段的最大值，而光伏機組不出力。通過對不含P2G機組和儲能設備的系統調度分析發現，系統因缺少P2G機組和儲能設備的削峰填谷作用，在夜間和白天都不同程度上造成了棄風棄光現象。2）加入P2G機組和儲能設備后，在負荷低谷時段，由于負荷需求量較小，且系統購電價格較低，當風能、光能滿足用戶負荷時，由P2G機組優先出力，將電能轉換成天然氣儲存;若P2G機組仍不能消納多余電量，則由蓄電池將剩余電能儲存起來。在用電高峰期，由于負荷需求急劇上升，燃機的出力不能滿足需求，從大電網購電的費用較高，此時儲能設備開始出力。

4熱網系統供給靈活性模型

4.1熱網動態特性分析。熱網系統可以分為動態水力系統模型和動態熱力系統模型兩部分。動態水力模型主要表達傳輸延時特性，由于熱水的傳輸速度緩慢，因此會有一部分的能量儲存在熱網系統中，這使得熱網管道具有天然的儲熱特性;動態熱力模型主要表達溫度損耗特性，由于熱水與周圍環境溫度有一定的差異，在傳輸過程中存在熱量流失，導致溫度下降。

4.2動態水力系統模型

在不考慮溫度損耗的前提下，使用歷史的管道入口溫度估計管道末端溫度。熱網管道縱切面如附錄A圖A1所示，其中ρ、Akl和Lkl分別表示為熱水的密度、管道kl的橫截面積和長度，管道中的水被均分為質量相同的質塊，其中橙色部分代表在一段時間內流入管道的熱水質量。

4.3熱網系統供給靈活性模型

管道傳輸延時和熱量損失會產生一定的溫差，從而會被動地存儲或釋放能量，可用來調節熱電聯產（combinedheatandpower，CHP）機組的出力，實現電力系統靈活性的提升。圖1（a）中展示出管道被動儲熱和放熱的過程。圖中：Hmaxkl和Hminkl分別為管道kl的功率上、下限;ΔHc，t和ΔHd，t分別表示次小時時間尺度下熱網管道儲存和釋放的功率，表明熱網管道的延時具有雙向調節的能力和在次小時時間尺度下快速響應的能力。熱網管道在實時運行中提供運行靈活性的能力與管道的儲放熱狀態密切相關，并受到實際管道溫度上下限和儲放熱運行時間的約束。

結束語

本文針對分布式能源系統協調優化問題，選取典型IES框架和系統設備構建數學模型，并綜合考慮系統運行成本和系統靈活性，構建目標函數，提出考慮儲能壽命特性的IES多目標運行優化策略。在研究IES系統的靈活性數學模型時，忽略了電-熱-氣網絡約束對系統靈活性的影響;此外，若使用改進ε約束法能夠克服Pareto前沿集分布不均的缺點，為決策者提供不同目標考慮和能效需求下的多樣化調度方案。因此，計及多因素的IES運行優化問題有待進一步的探討和研究。

參考文獻

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