多能流耦合的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃運(yùn)行一體化優(yōu)化

陳云輝，王伊?xí)裕?俊，曹凌捷

(上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200025)

人類社會(huì)對(duì)能源需求量的急劇增加導(dǎo)致化石類能源的過快和過度開發(fā)，并由此引發(fā)了人類社會(huì)對(duì)于環(huán)境污染和未來能源供應(yīng)能否持續(xù)的擔(dān)憂。為應(yīng)對(duì)這一全人類共同面臨的挑戰(zhàn)，社會(huì)各界已開展了大量研究，主要體現(xiàn)在開源和節(jié)流兩方面。自20世紀(jì)五六十年代以來，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等為標(biāo)志的信息通信技術(shù)領(lǐng)域的大量變革創(chuàng)新，為能源領(lǐng)域的進(jìn)一步提升和發(fā)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。在信息通信技術(shù)的推動(dòng)下，能源領(lǐng)域先后出現(xiàn)了智能電網(wǎng)、綜合能源系統(tǒng)、能源互聯(lián)網(wǎng)3種重要技術(shù)[1-3]，其目的都是希望通過開源和節(jié)流兩種途徑，實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好和能源可持續(xù)供應(yīng)的目標(biāo)。

以新能源大規(guī)模開發(fā)利用為標(biāo)志、以再電氣化為根本路徑的新一輪能源革命，正在全球范圍深入開展。綜合能源系統(tǒng)是滿足多元供應(yīng)體系的具體實(shí)現(xiàn)方式[4-5]，已經(jīng)成為世界各國能源轉(zhuǎn)型爭(zhēng)相發(fā)展的重點(diǎn)。

綜合能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“電、熱、冷、氣”橫向多能源系統(tǒng)之間以及“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”縱向多能源供應(yīng)環(huán)節(jié)之間的生產(chǎn)協(xié)同、管廊協(xié)同、需求側(cè)協(xié)同以及生產(chǎn)和消費(fèi)間的互動(dòng)[6-8]，可以促進(jìn)可再生能源消納，保障供給側(cè)和需求側(cè)元素的友好接入，提升多能源綜合利用效率[9-10]，最終為區(qū)域內(nèi)用戶提供能源一體化解決方案，被認(rèn)為是未來人類社會(huì)能源的主要承載形式。

傳統(tǒng)的能源規(guī)劃存在不同能源系統(tǒng)之間互相解耦、互相割裂，規(guī)劃與運(yùn)行相對(duì)割裂的問題。同時(shí)，采用復(fù)雜優(yōu)化算法求解優(yōu)化模型，求解復(fù)雜度高。針對(duì)上述問題，本文建立能量轉(zhuǎn)換元件與能量存儲(chǔ)元件的實(shí)用化數(shù)學(xué)模型，提出“電、熱、冷、氣”多能流耦合輸入輸出矩陣，實(shí)現(xiàn)多能流之間耦合轉(zhuǎn)換、分配和存儲(chǔ)關(guān)系的建模，建立雙層迭代的規(guī)劃運(yùn)行一體化混合整數(shù)優(yōu)化規(guī)劃模型。

1 綜合能源系統(tǒng)能流

多能協(xié)同的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃問題主要關(guān)注多種能源之間的轉(zhuǎn)換過程，能量樞紐目前被廣泛用于綜合能源系統(tǒng)的建模中。能量樞紐將一個(gè)綜合能源系統(tǒng)抽象成為一個(gè)能源的輸入、輸出雙端口網(wǎng)絡(luò)，多種能源在其內(nèi)部進(jìn)行轉(zhuǎn)換、分配和存儲(chǔ)。能量樞紐的輸入端與能源網(wǎng)絡(luò)連接以輸入相應(yīng)的電、氣、油等能源，在輸出端輸出電、熱、冷等形式的能源以滿足消費(fèi)側(cè)的負(fù)荷需求。從實(shí)體而言，能量樞紐往往可以對(duì)應(yīng)于一座綜合能源站。

一個(gè)典型的能量樞紐包括光伏、電儲(chǔ)能系統(tǒng)、電熱鍋爐、熱泵、儲(chǔ)熱裝置、單工況制冷機(jī)、蓄冷裝置以及三聯(lián)供機(jī)組。可以把能量樞紐中的系統(tǒng)元件分為3類：能量轉(zhuǎn)換元件(如電熱鍋爐、熱泵、制冷機(jī)、三聯(lián)供)、能量存儲(chǔ)元件(如電儲(chǔ)能、儲(chǔ)熱、蓄冷)、分布式可再生能源元件(如光伏)。

典型能量樞紐能流如圖1所示。

圖1 典型能量樞紐能流圖

2 綜合能源系統(tǒng)多能流耦合計(jì)算方法

每種元件均可等效為能源輸入和能源輸出的雙端元件，只是在輸入和輸出能源類型上有所差別，通過線性化處理后可將能量樞紐的多能流進(jìn)行耦合計(jì)算。對(duì)于每個(gè)優(yōu)化時(shí)間斷面，能量樞紐整體的能量流入和流出可由下式計(jì)算：

(1)

(2)

根據(jù)多能設(shè)備的輸入輸出特性，可以將其分為能量轉(zhuǎn)換元件、能量存儲(chǔ)元件以及分布式可再生能源元件3種類型。

(1)能量轉(zhuǎn)換元件輸入輸出模型。能量轉(zhuǎn)換元件的輸入輸出功率關(guān)系如下：

(3)

式中ηij,k——能量轉(zhuǎn)換元件k從能量i轉(zhuǎn)換到能量j的效率。

一般來說能量轉(zhuǎn)換元件只將一種能源形式轉(zhuǎn)換為另一種能源形式，如熱泵將電能轉(zhuǎn)換為熱能，則ηij,k為性能系數(shù)COP，所以效率矩陣絕大部分元素為0。三聯(lián)供機(jī)組則能將氣轉(zhuǎn)換為電、熱、冷能，則效率矩陣中ηge,k、ηgh,k、ηgc,k不為0，其他元素為0。

(2)能量存儲(chǔ)元件輸入輸出模型。能量存儲(chǔ)元件是單輸入單輸出元件，能量存儲(chǔ)元件k對(duì)于能量i的輸入輸出功率關(guān)系如下：

(4)

(3)分布式可再生能源元件輸入輸出模型。分布式可再生能源元件的輸入為風(fēng)、光等可再生能源，可以看作零輸入單輸出元件，其輸出功率的上限受自然條件的影響。分布式可再生能源元件的功率輸出約束如下：

(5)

3 綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃運(yùn)行一體化優(yōu)化規(guī)劃模型

3.1 運(yùn)行策略優(yōu)化

3.1.1 目標(biāo)函數(shù)

多能協(xié)同綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行策略優(yōu)化可以包含多種優(yōu)化目標(biāo)，為了體現(xiàn)以電為中心的特征，本文的優(yōu)化目標(biāo)一方面考慮綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行成本最小，另一方面考慮用電能占總能源消費(fèi)量的比例最大來表征以電為中心的規(guī)劃導(dǎo)向。因此，綜合考慮運(yùn)行成本與電能占總能源消費(fèi)比例來構(gòu)成目標(biāo)函數(shù)。

(1)運(yùn)行成本最小。綜合能源系統(tǒng)主要運(yùn)行成本是能源站運(yùn)行所購入市電、燃?xì)赓M(fèi)用。運(yùn)行成本最小目標(biāo)函數(shù)如式(6)所示：

(6)

式中Cele(t)——t時(shí)刻市電電價(jià)；Pele(t)——t時(shí)刻能源站從大電網(wǎng)購電的功率；Δt——調(diào)度時(shí)間間隔；T——總的調(diào)度時(shí)間；Cgas(t)——t時(shí)刻燃?xì)鈨r(jià)格；Pgas(t)——t時(shí)刻能源站從外部購入燃?xì)獾牧髁俊?/p>

(2)電能占總能源消費(fèi)量的比例最大。電能占總能源消費(fèi)量的比例最大目標(biāo)函數(shù)如下式所示：

(7)

由于僅考慮最大化電能占總能源消費(fèi)量的比例，會(huì)使得電供能設(shè)備投資成本快速上升，因此還需要增加一個(gè)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化目標(biāo)，在最大化電能占總能源消費(fèi)量比例的解集中尋找經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的解。

(3)多目標(biāo)優(yōu)化。若同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性和電能占總能源消費(fèi)量比例兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，則采用帶權(quán)極小模理想點(diǎn)法來進(jìn)行多個(gè)子目標(biāo)的組合，其組合后的單目標(biāo)函數(shù)如下式所示：

(8)

3.1.2 約束條件

能量樞紐運(yùn)行策略優(yōu)化主要是滿足供能區(qū)域內(nèi)電負(fù)荷和熱負(fù)荷需求。本節(jié)主要考慮的設(shè)備元件包括蓄熱系統(tǒng)、電鍋爐和熱泵系統(tǒng)。蓄熱系統(tǒng)將結(jié)合電價(jià)變化為供能區(qū)域提供熱能，滿足供熱需求。

(1)電負(fù)荷供需平衡約束：

(9)

(2)熱負(fù)荷供需平衡約束：

(10)

(3)能量轉(zhuǎn)換元件功率約束。電供能設(shè)備額定功率往往以電功率表示，因此能量轉(zhuǎn)換元件功率約束如下：

(11)

對(duì)于功率不可調(diào)的能量轉(zhuǎn)換元件，功率約束包含0-1整數(shù)變量，如下：

(12)

(4)能量存儲(chǔ)元件功率約束。能量存儲(chǔ)元件對(duì)于存儲(chǔ)的功率和容量均有約束，如下：

(13)

(14)

(15)

(5)分布式可再生能源元件功率約束。分布式可再生能源元件輸出功率的上限受自然條件的影響，其功率輸出約束如式(5)。

3.2 雙層優(yōu)化規(guī)劃模型

為了實(shí)現(xiàn)在規(guī)劃階段更好地考慮運(yùn)行階段的實(shí)際情況，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃運(yùn)行一體化的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃，需要建立綜合能源系統(tǒng)“規(guī)劃運(yùn)行一體化”優(yōu)化規(guī)劃模型。該問題既涉及設(shè)備容量、數(shù)量的優(yōu)化配置方案，又涉及設(shè)備冷、熱、電運(yùn)行方式的優(yōu)化，根據(jù)分解協(xié)調(diào)思想，該問題可以轉(zhuǎn)化為雙層規(guī)劃模型。上層規(guī)劃以綜合能源系統(tǒng)內(nèi)部收益率或凈現(xiàn)值最大為目標(biāo)，開展設(shè)備容量、數(shù)量的優(yōu)化配置；下層優(yōu)化對(duì)應(yīng)綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行策略優(yōu)化，以上層優(yōu)化的設(shè)備容量和數(shù)量為基礎(chǔ)，將綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行成本最小和電能占總能源消費(fèi)量比例最大這2個(gè)目標(biāo)分別賦權(quán)構(gòu)成目標(biāo)函數(shù)，考慮設(shè)備運(yùn)行約束，開展設(shè)備冷、熱、電運(yùn)行方式的優(yōu)化，并將優(yōu)化目標(biāo)傳遞給上層優(yōu)化用于計(jì)算內(nèi)部收益率或凈現(xiàn)值，通過上下層迭代優(yōu)化得到最優(yōu)的“規(guī)劃運(yùn)行一體化”綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃方案。

雙層規(guī)劃的流程如圖2所示。

圖2 綜合能源系統(tǒng)雙層規(guī)劃模型

3.2.1 上層規(guī)劃模型

(1)優(yōu)化目標(biāo)：

maxIRR

(16)

內(nèi)部收益率可通過下列方程式求解得到：

(17)

式中CIt——第t年綜合能源系統(tǒng)的現(xiàn)金流入量；COt——第t年綜合能源系統(tǒng)的現(xiàn)金流出量。

CIt的值可由下層規(guī)劃計(jì)算得到的設(shè)備年運(yùn)行曲線和運(yùn)行收益計(jì)算得到。CIt包括設(shè)備的初始投資成本和運(yùn)行維護(hù)成本，初始投資成本可由設(shè)備的容量和數(shù)量計(jì)算得到，運(yùn)行維護(hù)成本中的運(yùn)行成本可由設(shè)備年運(yùn)行曲線計(jì)算得到，維護(hù)成本可由初始投資按一定比例計(jì)算得到。

3.2.2 約束條件

上層規(guī)劃的約束條件主要根據(jù)綜合能源系統(tǒng)空間限制確定的設(shè)備容量和數(shù)量的限制：

(18)

式中nj——第j個(gè)設(shè)備的數(shù)量；nlow,j，nup,j——第j個(gè)設(shè)備數(shù)量下限和上限；ECrate,j——第j個(gè)設(shè)備的容量；ECrate,low,j，ECrate,up,j——第j個(gè)設(shè)備容量下限和上限；Erate,j——第j個(gè)設(shè)備的功率；Erate,low,j，Erate,up,j——第j個(gè)設(shè)備的功率下限和上限。

3.2.3 下層規(guī)劃模型

下層規(guī)劃模型采用多綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行策略優(yōu)化模型。

4 算例研究

4.1 熱負(fù)荷預(yù)測(cè)

以某區(qū)域?yàn)榘咐_展綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃運(yùn)行一體化優(yōu)化規(guī)劃方法驗(yàn)證，區(qū)域典型能源站上層優(yōu)化模型以最大化綜合能源系統(tǒng)內(nèi)部收益率為目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)表達(dá)典型日逐時(shí)熱負(fù)荷如圖3所示。

圖3 典型日逐時(shí)熱負(fù)荷圖

4.2 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)雙層優(yōu)化模型建模，通過優(yōu)化算法計(jì)算得出區(qū)域能源站配置方案如表1所示，對(duì)比方案1和方案2是由專家經(jīng)驗(yàn)得到。

能源站供熱滿負(fù)荷運(yùn)行策略如圖4所示。

表1 雙層優(yōu)化模型最優(yōu)方案

圖4 能源站供熱滿負(fù)荷運(yùn)行策略圖

由圖4可知，熱負(fù)荷較小時(shí)，由中深層地?zé)峁┡?fù)荷增大后，優(yōu)先啟動(dòng)淺層地?zé)徇M(jìn)行補(bǔ)充，電蓄熱鍋爐通過谷電進(jìn)行蓄熱，白天釋熱調(diào)峰，天然氣鍋爐作為補(bǔ)充熱源和調(diào)峰熱源，滿足剩余供熱需求。

4.3 經(jīng)濟(jì)性比較

各方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比如表2所示。利用雙層優(yōu)化模型建模計(jì)算得到的優(yōu)化配置方案其全部投資稅后內(nèi)部收益率為6.79%，優(yōu)于由專家經(jīng)驗(yàn)得到的方案1的6.69%和方案2的5.92%。

表2 各方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比 %

5 結(jié)語

本文針對(duì)傳統(tǒng)能源規(guī)劃互相割裂、優(yōu)化難度大等問題，建立了多能協(xié)同綜合能源系統(tǒng)典型元件模型及多能流耦合計(jì)算方法，提出了多能協(xié)同綜合能源系統(tǒng)雙層迭代混合整數(shù)優(yōu)化規(guī)劃方法，支撐了規(guī)劃運(yùn)行一體化的多能協(xié)同綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)規(guī)劃。案例分析驗(yàn)證了多能協(xié)同綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃模型的正確性，優(yōu)化方案的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于傳統(tǒng)專家經(jīng)驗(yàn)得到的規(guī)劃方案。