基于參數特征提取的綜合能源運行需求優化方法研究

馮雙

（國網陜西省電力公司營銷服務中心（計量中心），陜西西安 710000）

隨著科技的發展以及人們生活水平的提高，環境與能源問題日益凸顯，在保護環境的同時，如何持續利用有限能源、滿足能源運行需求的變化對其進行優化并實現能源的高效生產，成為當前世界共同討論的話題。傳統能源之間在進行互相轉化時，具有較低的耦合度，在能源利用方面效率較低，與傳統能源相比，綜合能源存在于綜合能源系統中，通過綜合能源系統整合固定區域內用戶周圍的能源系統，利用能源系統的資源優勢，綜合能源可滿足用戶對冷、熱、電、氣的不同需求，利用能源轉化技術實現能源的多元化，能夠防止傳統電網對能源生產和距離傳輸造成不良影響，實現更大范圍的能源共享，滿足其運行需求。對于綜合能源運行需求的優化，國內已有相當多的研究，有學者利用能源中心，對綜合能源間的不同關系進行描述和分析，建立需求模型對綜合能源的運行需求進行優化并求解，還有學者根據不同能源之間的需求特征，建立聯合滿意度模型并對其進行雙層求解[1-2]。

但以上方法均沒有調整綜合能源的運行參數，也較少涉及對綜合能源不同運行需求的優化，因此，該文提出基于參數特征提取的綜合能源運行需求優化方法，對綜合能源的不同結構進行參數調整，將綜合能源的運行需求納入優化范圍內，通過參數建立相應的優化模型并對其進行需求分析，再由建立的優化模型給出優化過程，最后通過實驗驗證該文方法的有效性。

1 運行參數調整

調整的運行參數如圖1 所示。

圖1 調整的運行參數

由圖1 可知，調整的運行參數從上而下為聯供系統參數、燃氣鍋爐參數、熱泵參數、電熱制冷機參數、儲電裝置參數、儲熱裝置參數[3-4]。

對綜合能源運行參數的調整，主要包括以下幾個方面。

1）對聯供系統參數的調整。在聯供系統中，微燃機運行過程需要吸收式制冷機的參與，在運行過程中會產生產熱特征參數、產電特征參數、散熱損失參數等，參數中包含一定數值的負荷向量，負荷向量一般會受燃料燃燒量與燃燒效率值所影響，在一個采樣周期內，影響的程度隨著吸收式制冷機吸收量的變化而升高或降低[5-7]。

2）調整太陽能發電設備參數。在綜合能源系統中，太陽能發電設備具有較多的優點，例如：開發周期短、環保耐高溫、建設簡單等，太陽能發電設備運行中的參數通常會受到光照強度和溫度的雙重影響，在對其進行調整時，可將光伏輸出功率參數與光照強度參數進行轉換，實現太陽能發電設備參數的調整。

3）調整燃氣鍋爐參數。燃氣鍋爐燃燒燃料產生蒸汽，而鍋爐內的水獲得來自燃氣鍋爐的熱能，熱能的轉化效率受燃氣鍋爐參數的影響，所以為了提升燃氣的轉換效率，需要對燃氣鍋爐參數作出一定的調整。燃氣鍋爐參數由鍋爐的供熱效率與燃氣的消耗速率共同決定，因此調整供熱效率與消耗速率即可實現對燃氣鍋爐參數的調整。

4）調整熱泵參數。熱泵是綜合能源系統中的一種高效節能裝置，可將低位熱傳輸到高位熱，為了提升綜合能源的利用效率，需要對熱泵參數進行一定程度的調整。熱泵參數根據制冷與制熱特性，可通過提高熱泵的制冷量與制熱量實現對熱泵參數的調整，采用轉換原理降低熱泵的耗電量從而提升熱泵的制冷量與制熱量[8-12]。

5）調整電制冷機組參數。電制冷機組是一種補冷裝置，在綜合能源系統中進行制冷作業，為了提升綜合能源的運行水平，需要對電制冷機組的參數進行調整，由于電制冷機組的制冷量與耗電量影響著電制冷機組參數，因此可通過提高制冷量與耗電量實現對電制冷機組參數的調整。

步驟2 對EDI=(ediny)N×N進行規范化處理，得到規范化影響矩陣NDI=ne·EDI=(ndiny)N×N，其中

6）調整儲電裝置參數。儲電裝置可以提升綜合能源的運行速度，改善綜合能源質量，維護綜合能源系統的平穩，實現削峰填谷。為了提升儲電裝置的運行效率，最大程度滿足綜合能源運行的需求，需要對儲電裝置參數進行調整，調整的過程可通過轉換儲電裝置的充電功率與放電功率來實現[13-14]。

7）調整儲熱裝置參數。綜合能源系統中的儲熱裝置具有重要作用，可以向綜合能源提供較高的熱量，為了提高儲熱裝置的存儲能力和存儲效率，同樣需要對儲熱裝置參數進行調整。

2 優化模型

綜合能源優化調度邏輯如圖2 所示。

圖2 綜合能源優化調度邏輯

通過對綜合能源運行參數的調整，得到聯供系統參數、太陽能發電參數、燃氣鍋爐參數、熱泵參數、電制冷機組參數、儲電裝置參數和儲熱裝置參數，通過這些綜合能源運行參數建立優化模型。在建立綜合能源運行需求優化模型前，需要全面、準確地定義綜合能源系統的物理結構，這是建立優化模型的基礎。通過綜合能源系統可以實現綜合能源的輸入、輸出和相互轉換，綜合能源系統是一種能源互聯網，主要包括外部能源供應子系統、能源轉換子系統、能源輸送網絡和用戶終端子系統四部分組成。外部能源供應子系統是整個綜合能源系統的核心，需要向綜合能源系統提供一次能源和二次能源，一次能源包括天然氣、燃油、煤炭，二次能源包括電力、蒸汽、煤氣。能源轉換子系統主要包括三種，第一種是小型水力發電與風力發電的能源系統，第二種是微燃機、燃料電池等熱、電系統，第三種是能源轉換設備，例如：燃氣鍋爐、儲熱裝置、儲能裝備等。通過這三種子系統可將一次能源和二次能源轉換成綜合能源，滿足終端用戶對綜合能源的運行需求。能源輸送網絡負責將一次能源和二次能源傳輸到終端用戶網絡，用戶終端子系統主要負責消耗轉換完成的能源。儲能能源標準化建模物理結構如圖3 所示。

圖3 儲能能源標準化建模物理結構

描述完綜合能源系統的物理結構后，基于綜合能源的運行參數，建立優化模型。綜合能源系統是一種雙端口網絡，設能源輸入為Cin，能源輸出為Vout，能源轉換子系統轉換一次能源和二次能源的過程用矩陣C表示。式中矩陣C用來描述能源設備轉化能源的過程：

系統中燃氣鍋爐、儲能裝置的轉換表達式如下：

電制冷機組的轉換輸出為：

式中，ηAB為電制冷機組的制冷效率。

太陽能發電裝置的轉換輸出為：

式中，ηc為太陽能發電裝置的發電效率。

基于以上轉換關系得出綜合能源的優化模型為：

式中，Yd為綜合能源的運行效率[15-16]。

3 基于優化模型的優化過程實現

綜合能源運行需求的優化是為了盡可能滿足能源用戶的用能需求，確定單位時間內能源設備的產能量以及終端用戶的用能量，采用有效的綜合能源輸入與輸出方式對綜合能源進行快速傳輸，結合能源轉換子系統、能源供應子系統、能源輸送子系統以及能源用戶終端子系統，利用上述子系統建立的綜合能源運行需求優化模型，得出綜合能源運行需求的優化過程，綜合能源優化過程如圖4 所示。

圖4 綜合能源優化過程

為了保障用戶的用能安全，能源管理中心負責協調用戶的用能要求，根據用能要求將終端用戶進行分類，分類的標準參考優化調度的負荷種類，普通居民用戶對負荷的要求包含剛性負荷和柔性負荷，剛性負荷包括照明燈、燃氣、熱水器等，這些需要燃氣鍋爐的燃氣能源、太陽能發電裝置的電力能源、以及熱泵產熱能源，一大部分用能需求為柔性負荷，在有效的用能計劃中可安排用戶的用電和燃氣使用行為。工商業用戶通常是高載能負荷，高載能負荷的特點是穩定性高、速度快、自動化水平高，由于生產計劃與商業活動的原因，工商業用戶的用能要求較高，用能量較多。根據工商業用戶和普通居民用戶提供的用能需求制作整個綜合能源系統的供能方案，用能需求在剛性負荷和柔性負荷的基礎上再進行具體的分類，通常分為電負荷、熱負荷、冷負荷。

根據不同用戶的用能需求找出對應的供能設備。將終端用戶不同的用能需求進行系統分類后，按照用能需求找出對應的綜合能源設備。由于用戶的需求分為電負荷、冷負荷、熱負荷，所以對應的供能設備為電制式、吸收式制冷、傳統鍋爐、電制熱、風力發電、光伏發電、熱電聯產設備、光熱地熱、燃氣鍋爐、儲電裝置、太陽能發電裝置等。

采用優化模型中的優化算法對各類供能設備進行優化。根據用能需求找出對應的供能設備后，根據優化模型建立供能設備的目標函數，采用優化算法對這些多目標函數進行優化，經過優化后，如果目標函數為最小，則輸出目標函數，否則繼續采用優化算法對目標函數進行優化。

4 實驗研究

為了滿足不同能源運行需求的變化，提出了基于參數特征提取的綜合能源運行需求優化方法，為了驗證該文方法的有效性，與傳統方法進行了對比實驗。實驗使用四種功能設備，包括一臺額定功率為150 kW 的太陽能發電裝置，一臺額定功率為300 kW的儲電裝置，一臺額定功率為300 kW 的儲熱裝置，一臺額定功率為400 kW 熱泵，分別接入500 kW 的綜合能源系統中。運行實驗參數如表1 所示。

表1 運行實驗參數

根據上述參數，選用該文方法與傳統方法進行對比實驗。差額補冷實驗結果如圖5 所示。

由圖5 可知，傳統優化方法下綜合能源系統中的負荷量偏低，熱負荷與電負荷差別較大，不能同時滿足冷、熱負荷的需求變化，熱泵的產熱功率不符合熱負荷的要求，并且差額補電效果較差，差額補冷不及時。由實驗結果可知，利用該文提出的基于參數特征提取的綜合能源運行需求優化方法，熱負荷來自用戶用能的日常需求，負荷量偏低，熱負荷曲線與電負荷曲線基本相同，在谷時段，熱泵在供能過程中的產熱功率不符合熱負荷的要求，需要進行差額補熱，由熱負荷曲線可知，差額補熱較穩定，證明熱泵的差額補熱效果優于傳統方法。

圖5 差額補冷實驗結果

綜上，該文提出的基于參數特征提取的綜合能源運行需求優化方法優于傳統方法，熱泵的產熱功率負荷熱負荷要求，且差額補電效果優于傳統方法，差額補冷具有更高的實時性。

5 結束語

基于傳統方法中出現的熱負荷與電負荷差別大、差額補電效果差、差額補冷實時性低等問題，提出基于參數特征提取的綜合能源運行需求優化方法，該方法首先對綜合能源的運行參數進行了調整，運行參數包括：太陽能發電裝置參數、電制冷機組參數、熱泵參數、儲電裝置參數、儲熱裝置參數、燃氣鍋爐參數。然后根據調整完的運行參數建立綜合能源運行需求的優化模型，根據優化模型給出綜合能源的優化過程。最后通過實驗驗證該文提出的基于參數特征提取的綜合能源運行需求優化方法優于傳統方法，差額補冷的實時性較高，差額補熱效果更優，具有一定的有效性。