區(qū)域綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化研究

王杰

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南，232001）

0 引言

現(xiàn)如今我國(guó)正處于開展能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和能源合理分配的改革之中，實(shí)現(xiàn)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的合理分配，是解決能源資源浪費(fèi)和保護(hù)環(huán)境的關(guān)鍵。由于面向工業(yè)園區(qū)，其綜合能源系統(tǒng)較為雜亂、設(shè)備耦合程度復(fù)雜，促進(jìn)不同能源系統(tǒng)之間將電、熱、氣等多種能量合理分配。將不同能源間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，從而完成不同能源的梯級(jí)高效能運(yùn)用。因此，研究綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化可以作為解決能源危機(jī)和環(huán)境問題一種方式，而解決其中的多目標(biāo)優(yōu)化問題是關(guān)鍵。其中最具有代表性的是冷-熱-電聯(lián)供系統(tǒng)（combined cooling heating and power，CCHP），它能夠?qū)崮堋⒗淠芎碗娔芡粫r(shí)間提供給用戶，來滿足不同用戶的不同需求。綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化改變了傳統(tǒng)能源供給各自獨(dú)立運(yùn)行的單一模式，能夠做到將電、氣、冷、熱等不同能源系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)運(yùn)行并合理優(yōu)化分配能源資源。本文以面向工業(yè)園區(qū)，以經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性為目標(biāo)，基于園區(qū)內(nèi)不同的季節(jié)所需求的能源形式不同，分別討論綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化模型。2022年3月，俄羅斯烏克蘭戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)，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(jià)格上漲、用能緊張。因此，研究綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化可以作為解決能源缺乏危機(jī)和環(huán)境污染問題一種方式。

1 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)基本架構(gòu)和優(yōu)化模型

1.1 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的基本架構(gòu)

在我國(guó)，工業(yè)園區(qū)的發(fā)展是作為一個(gè)城市發(fā)展的焦點(diǎn)，傳統(tǒng)的工業(yè)園區(qū)是以煤炭、石油、鋼鐵等物質(zhì)資源為依托而建立起來的，而現(xiàn)今的現(xiàn)代化工業(yè)園區(qū)則將先進(jìn)的科技、資源整合到一起去，其中涉及多種能源的生產(chǎn)、利用、存儲(chǔ)和交換。綜合能源系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多能耦合，可以根據(jù)不同城市的資源特色建立起不同類型的現(xiàn)代化工業(yè)園區(qū)，主要解決園區(qū)內(nèi)的復(fù)雜的能源系統(tǒng)，如何在滿足不同用戶需求的同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)能源轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)和分配利益最大化。

綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行是滿足園區(qū)的能源需求，在園區(qū)內(nèi)建立起階梯化利用，從而減少成本投入，避免能源資源浪費(fèi)，本文考慮一年四季不同季節(jié)的多個(gè)能流多個(gè)設(shè)備的耦合互補(bǔ)，建立以經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性為目標(biāo)的優(yōu)化模型。

1.2 優(yōu)化運(yùn)行的目標(biāo)函數(shù)

工業(yè)園區(qū)內(nèi)的目標(biāo)函數(shù)可以有多種多樣，本文考慮工業(yè)園區(qū)的總成本為目標(biāo)函數(shù)，以不同的約束建立多種數(shù)學(xué)模型。

目標(biāo)函數(shù)：

1.3 優(yōu)化運(yùn)行的約束條件

基于一年四季不同的氣候條件，園區(qū)內(nèi)的設(shè)備工況、能源效率、能源需求量不同，分別討論綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化的系統(tǒng)運(yùn)行約束模型。選擇我國(guó)北方的某一煤炭業(yè)發(fā)達(dá)城市內(nèi)一工業(yè)園區(qū)為例。

1.3.1 處于采暖期時(shí)

處于冬季時(shí)，此時(shí)園區(qū)內(nèi)采暖需求大，園區(qū)內(nèi)的供儲(chǔ)能系統(tǒng)由電鍋爐、地源熱泵機(jī)組、蓄熱裝置和煤炭等構(gòu)成。由于嚴(yán)寒帶來的設(shè)備工況運(yùn)行效率低，設(shè)備運(yùn)行的效率是平時(shí)的60%，綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化主要滿足園區(qū)內(nèi)的電負(fù)荷和熱負(fù)荷。

1.3.2 處于空調(diào)期時(shí)

處于夏季時(shí)，此時(shí)園區(qū)內(nèi)的設(shè)備工況運(yùn)行效率良好，且北方光照足，此時(shí)可借用太陽能、地?zé)崮転檠a(bǔ)充能源，此時(shí)的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化主要滿足園區(qū)內(nèi)用戶的電負(fù)荷和冷負(fù)荷的需求。此時(shí)的園區(qū)內(nèi)的供儲(chǔ)能系統(tǒng)由太陽能、地?zé)崮堋⒅评湎到y(tǒng)機(jī)組和蓄冷系統(tǒng)組成。

2 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化算法

從數(shù)學(xué)邏輯層面，綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行是非線性無規(guī)律的優(yōu)化問題。綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化具有約束條件復(fù)雜、多能耦合機(jī)組運(yùn)行偏離標(biāo)準(zhǔn)工況、多目標(biāo)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(qiáng)，因而常用于在系統(tǒng)優(yōu)化中尋取最優(yōu)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(dòng)，每個(gè)粒子猶如小鳥般分散啄食，每個(gè)粒子在空間中區(qū)尋取最優(yōu)解，當(dāng)找到最優(yōu)的解的那個(gè)粒子被作為該群體的全局最優(yōu)。每個(gè)粒子都是根據(jù)前一個(gè)粒子的迭代并根據(jù)前一次的位置和速度去尋取個(gè)體的最優(yōu)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(yīng)度值，根據(jù)適應(yīng)度值的大小判斷能否取得最優(yōu)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(shí)刻的速度，Xi是i在t時(shí)刻的位置，ω被稱作慣性因子（非負(fù)值），ω在最基礎(chǔ)的粒子速度更新公式中的出現(xiàn)是為了更好地完善粒子群算法，當(dāng)慣性因子的值較大時(shí)，粒子能夠飛行的更廣闊的天地去尋取最優(yōu)解，粒子群算法的全局尋優(yōu)能力隨之增強(qiáng)，反之當(dāng)慣性因子值較小時(shí)，粒子群算法的全局搜索能力下降。因此我們?cè)谶\(yùn)用粒子群算法求解工程應(yīng)用問題求不出最優(yōu)解或者壞解較多時(shí)，根據(jù)算法的尋優(yōu)特性可以去改進(jìn)慣性因子，在MATLAB對(duì)算法求解過程中對(duì)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(qū)內(nèi)綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化框架

對(duì)工業(yè)園區(qū)能源系統(tǒng)的組成和特性進(jìn)行研究。第一階段為規(guī)劃層面的優(yōu)化，將園區(qū)內(nèi)綜合能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)上加工，即根據(jù)園區(qū)內(nèi)各種能源的情況、設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)參數(shù)合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)備配置優(yōu)化，節(jié)約投資成本，是以年總費(fèi)用作為目標(biāo)函數(shù)。第二階段是運(yùn)行層面的優(yōu)化，在系統(tǒng)運(yùn)行上面改進(jìn)，考慮恰當(dāng)分配各項(xiàng)耦合機(jī)組、各項(xiàng)能源資源的價(jià)格因素，是以運(yùn)行維護(hù)成本作為目標(biāo)函數(shù)。根據(jù)一年四季不同的氣象條件分為供暖期和空調(diào)期，園區(qū)內(nèi)對(duì)能源的需求分配不相同。不同的氣象條件，各項(xiàng)耦合機(jī)組運(yùn)行效率不同，將設(shè)備的效率考慮進(jìn)去來討論綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化的約束模型。

圖2 綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化框架

4 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化的優(yōu)勢(shì)

綜合能源系統(tǒng)較傳統(tǒng)的能源所帶來的優(yōu)勢(shì)：

（1）安全系數(shù)高、可靠性高、靈活性強(qiáng)

傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)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(fèi)。綜合能源系統(tǒng)能將某一區(qū)域內(nèi)的各類能源合并起來規(guī)劃分配，實(shí)現(xiàn)能源分配的最大化，使得系統(tǒng)整體的安全性與可靠性得到提升。

（2）能源供給系統(tǒng)運(yùn)行生產(chǎn)力高、設(shè)備使用價(jià)值高

傳統(tǒng)的能源供給系統(tǒng)由于系統(tǒng)是單一控制，不同類型能源間互補(bǔ)協(xié)調(diào)性能差，造成能源供給系統(tǒng)生產(chǎn)力不高、設(shè)備使用價(jià)值低的后果。綜合能源系統(tǒng)可以將某一區(qū)域內(nèi)各項(xiàng)不同類型的能源有效整合為一體，可實(shí)現(xiàn)不同能源供給系統(tǒng)與不同類型能源負(fù)荷間靈活的供需匹配，提升系統(tǒng)整體的優(yōu)化分配，并最大程度地提高各個(gè)能源供給系統(tǒng)中設(shè)備的利用率，避免能源浪費(fèi)。

（3）節(jié)省能源多、節(jié)能減排潛力大

相比于傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的耗能多、浪費(fèi)嚴(yán)重，綜合能源系統(tǒng)能將多種能源進(jìn)行轉(zhuǎn)換協(xié)調(diào)控制與優(yōu)化運(yùn)行，為用戶提供相對(duì)安全性能高、成本便宜用能可持續(xù)的性價(jià)比高的用能方案。綜合能源系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高效率用能，減少能源資源浪費(fèi)，以至于能達(dá)到節(jié)能減排。