基于大數(shù)據(jù)的分布式多能源系統(tǒng)最優(yōu)運行策略研究

張 偉，李家斌，張 淵，姚雨晨，盧 偉

（1.國網(wǎng)常州供電公司，江蘇常州 213000；2.天津天大求實電力新技術(shù)股份有限公司，天津 300000）

隨著國民生活質(zhì)量的不斷提升，能源需求也呈現(xiàn)上升趨勢。雖然我國的煤炭等一次能源資源較為豐富，但人均能源占比與其他國家相比仍存在較大差距，且一次能源還會對生態(tài)環(huán)境造成巨大污染。基于此，可再生能源在碳中和背景下迎來了發(fā)展機遇[1-4]。

同時，大數(shù)據(jù)技術(shù)的蓬勃發(fā)展也有利于促進可再生能源的消納。在此背景下，通過利用非可再生能源和開發(fā)可再生能源實現(xiàn)多種能源耦合體，進而為電、熱、冷負荷提供電力保障。分布式多能源系統(tǒng)充分利用可再生能源與一次能源的互補，提高了可再生能源的利用率[5-8]。21 世紀初，美國與歐洲等國首先對綜合能源系統(tǒng)進行了研究，并展開了示范項目，從而推動了全球的多能互補綜合能源發(fā)展。而我國在分布式多能源系統(tǒng)方面的發(fā)展則較為滯后，且在推廣該能源系統(tǒng)時，還需確保并網(wǎng)的穩(wěn)定性以及居民生活用電不受影響。因此，我國正在建立智慧能源示范項目工程[9-10]。對于綜合能源系統(tǒng)建模是當前的研究熱點，有學者將能源系統(tǒng)的輸入與輸出進行簡化，進而建立了可反映能源輸入及輸出的集線器模型。例如文獻[11]通過細化集線器建模，對模型加以改進并提供考慮儲能裝置的多能源集線器模型。在分布式多能源系統(tǒng)運行策略方面，眾多研究將系統(tǒng)的輸入與輸出關(guān)系簡化為線性關(guān)系。然而在設備的實際運行工況中，其性能也會影響功率輸出，給分布式多能源系統(tǒng)造成不利的影響。而在能效利用效率方面，對冷-熱-電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的研究則較多。通常將三聯(lián)供系統(tǒng)的能源消耗、節(jié)約作為評價指標，來反映該系統(tǒng)的節(jié)能效果[12-14]。在此大數(shù)據(jù)背景下，考慮分布式可再生能源對傳統(tǒng)電網(wǎng)的影響，建立一套適用于智能電網(wǎng)的節(jié)能減排能效評估方法，并計算出能效量化數(shù)值，有利于多能源系統(tǒng)的經(jīng)濟運行[15-16]。

綜上所述，文中研究了基于大數(shù)據(jù)的分布式多能源系統(tǒng)最優(yōu)運行策略，并進行了分布式能源系統(tǒng)建模。在詳細分析分布式多能源系統(tǒng)的基本機構(gòu)與功能的基礎(chǔ)上，設計系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)，并針對各設備工況特性，建立了分布式多能源系統(tǒng)優(yōu)化模型；同時充分考慮了非可再生能源利用、可再生能源消納以及能效轉(zhuǎn)換狀況，提出能效評估體系；最后，通過實際算例驗證了所述方法的有效性與科學性。

1 大數(shù)據(jù)下的分布式多能源系統(tǒng)建模

1.1 分布式多能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通常，分布式多能源系統(tǒng)包括可再生能源發(fā)電、熱電聯(lián)產(chǎn)機組與儲能等主要組成部分。光伏、風力、太陽能和熱電聯(lián)產(chǎn)機組是可再生能源發(fā)電的關(guān)鍵，而儲能則主要通過蓄電池儲存用電低谷期的電能，并于用電高峰期釋放。其中，冷-熱-電聯(lián)產(chǎn)機組是能源供給的主力；可再生能源發(fā)電則同時具有調(diào)節(jié)電力不足的作用；儲能裝置負責在發(fā)電與負荷間進行協(xié)調(diào)；而對于燃氣機組，主要通過利用余熱推動氣缸內(nèi)的機組，從而平衡冷熱負荷。

1.2 分布式多能源系統(tǒng)設備模型

分布式多能源系統(tǒng)最典型的設備為燃氣內(nèi)燃機，其具有響應快、效率高及熱工轉(zhuǎn)換能力強等特點，并能充分回收利用余熱。該設備工作原理是利用燃燒的燃料推動氣缸運動，從而將機械能轉(zhuǎn)換為電能，且還可與光伏發(fā)電協(xié)作。對于燃氣機組，其發(fā)出的電能與燃料間的關(guān)系可表示為：

式中，PGE表示內(nèi)燃機的輸出功率，ηGE表示內(nèi)燃機的電能轉(zhuǎn)換效率，mgas表示消耗天然氣流量，HL為天然氣低位熱值。其中，負荷特性均會影響發(fā)電效率、燃氣排放流量以及煙氣溫度的值。

在分布式多能源系統(tǒng)中，冷溫水機具有回收排煙余熱的功能，故可通過回收余熱提高能源利用效率。但針對不同類型的冷溫水機，其能源利用效率也有所不同。根據(jù)機組輸入熱量與輸出能量間的關(guān)系，其計算公式如下：

式中，QAC為折合制冷/熱量，KQ1、KQ2、KQ3表示排煙流量二次系數(shù)、一次系數(shù)、常數(shù)項，F(xiàn)為排煙流量。

此外，光伏發(fā)電也是多能源系統(tǒng)的重要組成部分，其是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，且在碳中和背景下發(fā)揮著關(guān)鍵作用。單一的太陽能電池板難以形成規(guī)模化的應用場景，因此通常將各個單一的太陽能電池板進行排列，以形成光伏陣列，再根據(jù)太陽輻照的強度變化感知外界環(huán)境的改變。其光伏特性可表示為：

式中，T表示太陽能的實際溫度，Tr表示周圍正常的環(huán)境溫度，K為溫度系數(shù)，GAC表示太陽輻射強度。

在實際應用場景中，光伏裝置的輸出功率為：

其中，PPV表示光伏裝置的輸出功率，PSTC表示測試條件下的功率，ρ表示光能轉(zhuǎn)換系數(shù)，GSTC表示太陽光照強度。

在分布式多能源系統(tǒng)中，還應配置適當?shù)膬δ苎b置抵御發(fā)電的波動性，以提高供電可靠性。目前儲能裝置中使用最多的為蓄電池，其可利用化學反應實現(xiàn)化學能與電能的轉(zhuǎn)換，進而促進可再生能源的消納。

蓄電池的剩余容量表征如下：

式中，QES(t+1)、QES(t)分別表示t+1、t時刻蓄電池剩余電量，δe表示蓄電損失率，PES表示蓄電池的充放電功率，λES表示蓄電池充放電轉(zhuǎn)換系數(shù)，Δt表示時間間隔。

2 分布式多能源系統(tǒng)運行策略與評價

2.1 分布式多能源系統(tǒng)模型

分布式多能源系統(tǒng)模型僅從能源利用率角度來衡量較為片面，故需采用多種運行策略形成完整的能效評估方案。對于傳統(tǒng)的分布式多能源系統(tǒng)，光伏、天然氣與風能等均為輸入的一次能源，經(jīng)轉(zhuǎn)換后再以電能、熱能的形式輸出。因此，建立分布式綜合能源系統(tǒng)模型，還需滿足運行成本最小化：

式中，pi,t表示機組的發(fā)電出力，、分別表示火電機組、風電場機組與其他設備的運行成本。

2.2 多能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行

在分布式多能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行模型中，決策變量為火電機組、風電場、天然氣機組的發(fā)電出力以及儲能機組的出力。目標函數(shù)為分布式多能源系統(tǒng)的總運行成本最小，約束條件為：

2.3 多能源系統(tǒng)能效評價

由于當前還未形成統(tǒng)一的能效評價標準，而現(xiàn)階段流行的三聯(lián)供系統(tǒng)指標評價也并不適用于分布式能源系統(tǒng)。分布式能源系統(tǒng)需建立多維度的綜合評價體系，以克服指標的局限性。為了從多方面體現(xiàn)分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)越性，基于熱力學定律，在可再生能源的基礎(chǔ)上建立數(shù)量與質(zhì)量守恒關(guān)系，促進可再生能源的消納。

基于大數(shù)據(jù)的分布式多能源系統(tǒng)通過利用各種能源來提升能源消的納能力，為充分反映非可再生能源的利用情況，需要精確統(tǒng)計非可再生能源消納量，采用的計算公式如下：

式中，Qi表示非可再生能源消耗值，Mgas為分布式多能源系統(tǒng)的天然氣消耗量，Qep表示分布式多能源系統(tǒng)向外界吸收的電量。

基于大數(shù)據(jù)分布式多能源系統(tǒng)的可再生能源消納率等于其消納量與發(fā)電量之間的比值，即：

式中，Qre和Qre,i分別表示可再生能源的吸收電量和發(fā)電量。

2.4 多場景能效評估

對于基于大數(shù)據(jù)分布式多能源系統(tǒng)的能效評估，可根據(jù)其所在系統(tǒng)的周圍環(huán)境，考慮負荷大小、溫度與光照等因素進行綜合評價，并采用多場景分析法預測綜合能效近似值。在進行能效評估時，不確定因素可由系統(tǒng)加以設定。在滿足全年負荷需求的情況下，采用聚類分析法(Cluster Analysis)得到典型日場景集{S1,S2,…,Sn}，同時生產(chǎn)天數(shù)場景集為{D1,D2,…,Dn}。由于分布式系統(tǒng)的能源利用率與其工作狀態(tài)密切相關(guān)，當發(fā)電設備的運行策略發(fā)生變化時，會造成較大影響。因此在建立典型場景時，需綜合考慮該能源系統(tǒng)的運行策略。

基于多次典型場景的模擬，得到分布式多能源系統(tǒng)輸入與輸出量之間的關(guān)系，以及能效指標的定義，進而可以獲得典型場景下評價指標的具體數(shù)值；再根據(jù)平均加權(quán)，便可以估算全年能效近似值。具體的能效評估流程如圖1 所示。

圖1 分布式多能源系統(tǒng)能效評估流程

3 算例分析

文中以某地區(qū)的分布式多能源系統(tǒng)為算例進行數(shù)值實驗測試，該系統(tǒng)主要考慮燃氣機組、分布式光伏發(fā)電機組、儲能裝置與空氣源熱泵等發(fā)電設備，各設備參數(shù)如表1-2 所示。該系統(tǒng)與外界通過母線連接，利用母線傳輸功率，并與大電網(wǎng)之間進行能量交換。由于光伏發(fā)電機組屬于可再生能源，因此優(yōu)先消納分布式光伏發(fā)電能源。

表1 各設備容量

表2 儲能設備基本參數(shù)

此分布式多能源系統(tǒng)包含商業(yè)、居民與工業(yè)等用戶的基本用電負荷，因此具有冷熱電負荷的需求。采用當?shù)氐湫腿肇摵汕€進行測算，分布式多能源系統(tǒng)均能滿足附近用電需求，且其能源利用效率取決于系統(tǒng)的運行策略以及能源轉(zhuǎn)換關(guān)系。系統(tǒng)中，熱電聯(lián)產(chǎn)機組由內(nèi)燃機與冷水機構(gòu)成。電熱能之間存在耦合關(guān)系，采用冷熱電聯(lián)產(chǎn)策略，充分結(jié)合當?shù)丶竟?jié)氣候的變化情況，優(yōu)先滿足電負荷與冷/熱負荷。分別對比不同運行策略下的能源消耗量，具體如表3 所示。從表中可知，當以非可再生能源消耗量最小為優(yōu)化目標時，購氣量增加、購電量減少，可再生能源消耗量更低。

表3 不同運行策略下能源消耗量

文中采用UCI（University of California,Irvine）大學公開的大數(shù)據(jù)樣本集對典型場景進行運行模擬，獲得了各場景下的設備輸入與輸出量、結(jié)合能效評價體系，所得到的能效評估具體數(shù)值如表4 所示。

表4 能效指標統(tǒng)計

通過分析在各場景下設備的運行情況可知，在場景1 中其光照時間較為充足，可再生能源消納率為94.2%，效率為98.2%，效率最高。而在場景5 中分布式多能源系統(tǒng)內(nèi)無冷熱需求，因此內(nèi)燃機的熱量損失，則其能源利用率低于其他場景。

4 結(jié)束語

在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，分布式多能源系統(tǒng)應用愈加廣泛，而對該背景下的相關(guān)能源系統(tǒng)進行運行策略研究，可以為多能源系統(tǒng)經(jīng)濟運行提供理論依據(jù)。文中建立了分布式多能源系統(tǒng)輸入、輸出能量轉(zhuǎn)換模型，通過分析該多能源系統(tǒng)的供能結(jié)構(gòu)及功能設備，建立了分布式多能源系統(tǒng)模型，提出了能效評估體系；在對實際案例進行分析后，對比不同場景下能效指標的變化值，得到最優(yōu)的運行策略以滿足能效數(shù)值最高，從而為分布式多能源系統(tǒng)的高效運行提供了理論依據(jù)。但此次在分析分布式多能源系統(tǒng)的最優(yōu)運行策略時，僅考慮了其的經(jīng)濟性。因此，未來研究將綜合考慮該系統(tǒng)的經(jīng)濟性與可靠性，以期實現(xiàn)多目標優(yōu)化運行。