區域綜合能源系統優化研究

王杰

（安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽淮南，232001）

0 引言

現如今我國正處于開展能源結構轉型和能源合理分配的改革之中，實現區域綜合能源系統的合理分配，是解決能源資源浪費和保護環境的關鍵。由于面向工業園區，其綜合能源系統較為雜亂、設備耦合程度復雜，促進不同能源系統之間將電、熱、氣等多種能量合理分配。將不同能源間的優勢互補，從而完成不同能源的梯級高效能運用。因此，研究綜合能源系統優化可以作為解決能源危機和環境問題一種方式，而解決其中的多目標優化問題是關鍵。其中最具有代表性的是冷-熱-電聯供系統（combined cooling heating and power，CCHP），它能夠將熱能、冷能和電能同一時間提供給用戶，來滿足不同用戶的不同需求。綜合能源系統優化改變了傳統能源供給各自獨立運行的單一模式，能夠做到將電、氣、冷、熱等不同能源系統的統一協調運行并合理優化分配能源資源。本文以面向工業園區，以經濟性和環保性為目標，基于園區內不同的季節所需求的能源形式不同，分別討論綜合能源系統的優化模型。2022年3月，俄羅斯烏克蘭戰爭爆發，掌握大量石油天然氣等資源的俄羅斯立即采取能源封鎖，使得世界能源價格上漲、用能緊張。因此，研究綜合能源系統優化可以作為解決能源缺乏危機和環境污染問題一種方式。

1 區域綜合能源系統基本架構和優化模型

1.1 區域綜合能源系統的基本架構

在我國，工業園區的發展是作為一個城市發展的焦點，傳統的工業園區是以煤炭、石油、鋼鐵等物質資源為依托而建立起來的，而現今的現代化工業園區則將先進的科技、資源整合到一起去，其中涉及多種能源的生產、利用、存儲和交換。綜合能源系統能夠實現多能耦合，可以根據不同城市的資源特色建立起不同類型的現代化工業園區，主要解決園區內的復雜的能源系統，如何在滿足不同用戶需求的同時還能夠實現能源轉化、存儲和分配利益最大化。

綜合能源系統的優化運行是滿足園區的能源需求，在園區內建立起階梯化利用，從而減少成本投入，避免能源資源浪費，本文考慮一年四季不同季節的多個能流多個設備的耦合互補，建立以經濟性和環保性為目標的優化模型。

1.2 優化運行的目標函數

工業園區內的目標函數可以有多種多樣，本文考慮工業園區的總成本為目標函數，以不同的約束建立多種數學模型。

目標函數：

1.3 優化運行的約束條件

基于一年四季不同的氣候條件，園區內的設備工況、能源效率、能源需求量不同，分別討論綜合能源系統優化的系統運行約束模型。選擇我國北方的某一煤炭業發達城市內一工業園區為例。

1.3.1 處于采暖期時

處于冬季時，此時園區內采暖需求大，園區內的供儲能系統由電鍋爐、地源熱泵機組、蓄熱裝置和煤炭等構成。由于嚴寒帶來的設備工況運行效率低，設備運行的效率是平時的60%，綜合能源系統優化主要滿足園區內的電負荷和熱負荷。

1.3.2 處于空調期時

處于夏季時，此時園區內的設備工況運行效率良好，且北方光照足，此時可借用太陽能、地熱能為補充能源，此時的綜合能源系統優化主要滿足園區內用戶的電負荷和冷負荷的需求。此時的園區內的供儲能系統由太陽能、地熱能、制冷系統機組和蓄冷系統組成。

2 區域綜合能源系統的優化算法

從數學邏輯層面，綜合能源系統的優化運行是非線性無規律的優化問題。綜合能源系統優化具有約束條件復雜、多能耦合機組運行偏離標準工況、多目標多約束條件，求解維度高，難以得到解析解。

粒子群算法（particle swarm optimization，PSO）全局搜索能力強，因而常用于在系統優化中尋取最優解。粒子群算法的流程圖如圖1。

圖1 粒子群算法的流程圖

粒子群算法是通過粒子的速度和位置兩種屬性，通過一定的速度向不同的位移方向移動，每個粒子猶如小鳥般分散啄食，每個粒子在空間中區尋取最優解，當找到最優的解的那個粒子被作為該群體的全局最優。每個粒子都是根據前一個粒子的迭代并根據前一次的位置和速度去尋取個體的最優解，并將自己的解與其余粒子分享，也就是鳥兒距離食物的位置，也稱作適應度值，根據適應度值的大小判斷能否取得最優解。

粒子群算法公式：

公式1：

其中，公式1表示的是粒子的速度信息，公式2是表示的粒子的位置信息。Vi( t )是粒子i在t時刻的速度，Xi是i在t時刻的位置，ω被稱作慣性因子（非負值），ω在最基礎的粒子速度更新公式中的出現是為了更好地完善粒子群算法，當慣性因子的值較大時，粒子能夠飛行的更廣闊的天地去尋取最優解，粒子群算法的全局尋優能力隨之增強，反之當慣性因子值較小時，粒子群算法的全局搜索能力下降。因此我們在運用粒子群算法求解工程應用問題求不出最優解或者壞解較多時，根據算法的尋優特性可以去改進慣性因子，在MATLAB對算法求解過程中對慣性因子由高至低遞減的改變，使得粒子群算法在前期能夠擁有更全面更廣闊的探索能力。

3 園區內綜合能源系統的優化框架

對工業園區能源系統的組成和特性進行研究。第一階段為規劃層面的優化，將園區內綜合能源系統設計上加工，即根據園區內各種能源的情況、設備的經濟性和技術參數合理設計系統的設備配置優化，節約投資成本，是以年總費用作為目標函數。第二階段是運行層面的優化，在系統運行上面改進，考慮恰當分配各項耦合機組、各項能源資源的價格因素，是以運行維護成本作為目標函數。根據一年四季不同的氣象條件分為供暖期和空調期，園區內對能源的需求分配不相同。不同的氣象條件，各項耦合機組運行效率不同，將設備的效率考慮進去來討論綜合能源系統優化的約束模型。

圖2 綜合能源系統的優化框架

4 區域綜合能源系統優化的優勢

綜合能源系統較傳統的能源所帶來的優勢：

（1）安全系數高、可靠性高、靈活性強

傳統的能源系統供給單一、安全性能地下、不能夠靈活的變通合理分配能源，避免浪費。綜合能源系統能將某一區域內的各類能源合并起來規劃分配，實現能源分配的最大化，使得系統整體的安全性與可靠性得到提升。

（2）能源供給系統運行生產力高、設備使用價值高

傳統的能源供給系統由于系統是單一控制，不同類型能源間互補協調性能差，造成能源供給系統生產力不高、設備使用價值低的后果。綜合能源系統可以將某一區域內各項不同類型的能源有效整合為一體，可實現不同能源供給系統與不同類型能源負荷間靈活的供需匹配，提升系統整體的優化分配，并最大程度地提高各個能源供給系統中設備的利用率，避免能源浪費。

（3）節省能源多、節能減排潛力大

相比于傳統能源系統的耗能多、浪費嚴重，綜合能源系統能將多種能源進行轉換協調控制與優化運行，為用戶提供相對安全性能高、成本便宜用能可持續的性價比高的用能方案。綜合能源系統能夠實現高效率用能，減少能源資源浪費，以至于能達到節能減排。