考慮天然氣季節(jié)性存儲的綜合能源系統(tǒng)年度運行方式研究

劉赫川，周孝信，楊小煜，李亞樓，李雄

(1. 中國電力科學研究院有限公司 國家電網仿真中心，北京 100192；2. 華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京 102206)

0 引言

社會發(fā)展伴隨著不斷增加的能源需求，大量化石能源消耗帶來了溫室氣體排放過度和環(huán)境污染，因此需要一場能源革命從根本上改變全社會的用能方式，實現可持續(xù)發(fā)展[1-2]。2012年華北地區(qū)冬季多次出現大范圍長時間霧霾現象后，多部門聯合開展冬季供暖“煤改電、煤改氣”專項行動[3-5]。“煤改電”中冬季供熱電負荷增幅較大，重點區(qū)域的燃煤電廠逐步關?；蜻M行了燃氣改造，天然氣發(fā)電量顯著增加?！懊焊臍狻敝刑烊粴馓娲济汗┡购臍饬看蠓仙?。上述措施減少污染物排放同時增加了能源系統(tǒng)中的電氣耦合程度。

能源消耗中天然氣占比逐漸增加，其消耗和存儲有明顯的季節(jié)性變化，因此在評估電氣耦合綜合能源系統(tǒng)供應能力時應對其進行年度仿真。綜合能源系統(tǒng)生產模擬是研究綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行、規(guī)劃的有效工具，其研究方法以多階段時序分析方法為主，在考慮若干時段內各種能源與用能負荷功率以及能量平衡的基礎上，計算綜合能源系統(tǒng)的生產費用等經濟、環(huán)境指標，確定一次能源的消耗、安排設備的運行方式，得到系統(tǒng)的最優(yōu)運行策略，同時比較不同方案的生產費用、能效、溫室氣體排放等指標。該方法考慮了負荷和設備運行過程中的時序約束，是一種確定性時序分析方法。

綜合能源系統(tǒng)近年來取得了豐富的研究成果。文獻[6]概括了國內外關于綜合能源系統(tǒng)建模方法、優(yōu)化模型方面的研究進展，重點提出了綜合能源系統(tǒng)在優(yōu)化運行方面的現存問題以及研究方向。文獻[7]以電氣熱耦合的典型能源系統(tǒng)為背景，提出了一種基于能源集線器（energy hub，EH）的研究思路，對多能互補的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃、能量流優(yōu)化等穩(wěn)態(tài)問題提供了建議。EH通過能源轉換耦合矩陣，以端口的形式簡明的描述綜合能源系統(tǒng)中能量的轉化、傳輸以及存儲[8]。文獻[9]介紹了EH的基本概念以及建模方法，并對EH的優(yōu)化求解方法進行了概括。包含大量分布式供能設備的園區(qū)級綜合能源系統(tǒng)受到廣泛關注，文獻[10]列出了以分布式冷熱聯供站為核心的綜合能源系統(tǒng)中包括分布式可再生能源、冷熱電聯產機組（combined cooling heating and power，CCHP）用于規(guī)劃、優(yōu)化運行的詳盡模型，并對綜合能源系統(tǒng)在運行中的多目標優(yōu)化及決策進行了研究。文獻[11]則研究了包含電氣熱冷的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)經濟優(yōu)化調度問題，比較子系統(tǒng)獨立運行與多能互補協(xié)同運行在運行費用上的差異，展示多能互補運行方式的經濟性。

當前在求解綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化問題時主要用到現代數學規(guī)劃以及啟發(fā)式算法兩類方法。數學規(guī)劃以混合整數非線性規(guī)劃為主，包含了設備部分負荷特性[12]、設備啟停二進制輔助變量[13]等非線性因素。通常將上述模型轉換成混合整數線性規(guī)劃（mixed integer linear programming，MILP）問題，應用商業(yè)求解器進行求解。啟發(fā)式算法處理非線性、非凸優(yōu)化等問題具很強的參考價值，常見的算法包括遺傳算法[14]、粒子群算法[15]等。

在輸電網層面的電氣耦合網絡也受到大量關注，文獻[16]以英國National Grid電氣聯營網絡為背景，研究了以燃氣輪機為耦合元件的電氣網絡拓展規(guī)劃問題。文獻[17]研究了電氣耦合系統(tǒng)需求響應，通過算例驗證所提出的需求響應策略對系統(tǒng)削峰填谷和提升運行效率的積極影響。近年來CCHP技術的發(fā)展為電氣耦合系統(tǒng)增添了新的能量轉換途徑。上述文獻中的綜合能源系統(tǒng)算例多涉及CCHP，目前大部分機組以天然氣為燃料，服務于綜合能源園區(qū)，在國內外已有多項示范工程投入運行[18]，增加了電網與天然氣網耦合程度。文獻[19]研究了CCHP、電鍋爐、儲熱裝置協(xié)同運行解決棄風問題，服務于可再生能源消納。文獻[20]構建了風光氣儲互補發(fā)電的冷熱電聯供優(yōu)化模型，采用典型日方法考慮費率結構等季節(jié)性因素，平抑可再生能源波動。上述文獻涉及電、熱的存儲，對天然氣存儲的考慮不足。

電氣耦合綜合能源系統(tǒng)在運行方式優(yōu)化方面多以天、周為仿真時長。對于長時間尺度（一年）的場景研究，文獻中多通過采用典型日（周）方法，將多個短時間尺度生產模擬問題進行循環(huán)累加予以實現。典型日（周）方法在綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃運行方面應用較廣且效果較好[21]，但采用典型日方法無法考慮長時間尺度的約束條件，無法滿足對天然氣季節(jié)性儲氣裝置的模擬要求。文獻[22]實現了對氫氣年度存儲裝置的模擬，但其中描述年度存儲裝置的約束仍是要求存儲裝置的存儲量實現日（周）內平衡。電力系統(tǒng)生產模擬分層優(yōu)化的方法，在綜合能源系統(tǒng)中運用時存在一定不足之處。文獻[23]中分層優(yōu)化先解決中長期時間尺度上的約束條件如發(fā)電機組檢修計劃，然后將中長期計算結果代入到短期（日、周）的生產模擬中。電力系統(tǒng)中能源形式比較單一，該方法能很好地考慮出力長時間尺度約束條件。而綜合能源系統(tǒng)包含了多種形式的能源，能源之間還可以通過相互轉換實現優(yōu)化，該方法將負荷曲線作為輸入條件在中長期時間尺度進行求解，不同負荷間的轉換沒有進行優(yōu)化。對于當前天然氣跨季節(jié)存儲規(guī)模逐漸增大的電氣耦合系統(tǒng)運行優(yōu)化來說，需要一種有效的仿真手段考慮不同時間尺度的約束條件。

CCHP在冬季供暖之外還提供夏季供冷模式，提高了燃氣輪機、管網的利用率，具備很好的經濟性，其裝機容量在系統(tǒng)中不斷升高，加深了電、氣、冷熱網絡的耦合程度。因此有必要研究CCHP對電氣耦合系統(tǒng)的影響、CCHP與儲氣裝置的互動等因素。在電氣耦合系統(tǒng)的年度仿真中，CCHP作為重要的耦合元件不可或缺。

本文采用一種多時間尺度分層優(yōu)化的綜合能源系統(tǒng)生產模擬方法，研究電氣耦合系統(tǒng)的年度優(yōu)化運行，通過結合短期與長期的綜合能源系統(tǒng)生產模擬，將冷熱電氣負荷、天然氣大規(guī)模存儲等季節(jié)性因素考慮在優(yōu)化之中。同時應用此方法對CCHP裝機大幅增加的綜合能源系統(tǒng)年度運行方式進行評估。

1 電氣耦合的綜合能源系統(tǒng)模型

本節(jié)介紹綜合能源系統(tǒng)中各種關鍵設備用于生產模擬的模型，包括CCHP、燃氣輪機和燃氣鍋爐等電氣耦合裝置，以及其他關鍵的能量轉換、存儲設備。

1.1 燃氣輪機

燃氣輪機以天然氣作為燃料，是電氣耦合綜合能源系統(tǒng)中的核心設備。在生產模擬計算中燃氣輪機的模型重點關注能量轉換效率、出力、經濟性指標等約束條件。

1.3 冷熱電聯供機組

近年來冷熱電聯產機組受到廣泛關注，通過消耗天然氣滿足冷熱電負荷，提供了一條減少燃煤、緩解污染的途徑。圖1為常見的CCHP裝置結構，燃氣輪機發(fā)電后將余熱收集，通過余熱鍋爐以及溴化鋰吸收式制冷裝置提供熱和冷的輸出功率。

圖1 冷熱電聯產裝置結構Fig. 1 Structure of CCHP

1.4 天然氣存儲裝置

1.5 能量平衡

生產模擬計算中除了上述關于能量轉換、存儲設備的約束條件外，還有表示能量平衡的約束條件。式(38)表示系統(tǒng)中電能供需的功率平衡，其中電負荷等于燃氣輪機、CCHP發(fā)電以及與外電網交互功率之和；式(39)表示熱能供需平衡，其中熱負荷等于燃氣鍋爐與CCHP熱輸出功率之和；式(40)表示冷負荷的供需平衡；式(41)表示系統(tǒng)中天然氣供需的平衡，其中燃氣輪機、燃氣鍋爐、CCHP的燃氣消耗功率、天然氣存儲裝置的儲氣功率以及氣負荷之和等于系統(tǒng)該時段天然氣供應量加上天然氣存儲裝置的天然氣釋放功率。

式中：I、B、C、S、Le、Lc、Lh和 Lg分別為燃氣輪機、鍋爐、CCHP、儲氣裝置以及電、冷、熱、氣負荷的數量；St為時段t天然氣供應量；、、、分別為電、熱、冷、氣負荷。

2 綜合能源系統(tǒng)多時間尺度生產模擬方法

為了對天然氣季節(jié)性大規(guī)模存儲問題進行基于能量平衡的研究，需要對電氣耦合的綜合能源系統(tǒng)進行年度生產模擬計算。由于綜合能源系統(tǒng)的生產模擬問題是一個混合整數線性規(guī)劃問題，計算尋優(yōu)空間隨算例規(guī)模增長呈指數級增長，其計算時間也相應增長，因此當前的計算能力還無法直接對8 760小時的年度生產模擬計算問題進行統(tǒng)一求解，故當前的研究中生產模擬計算大多數以小時為步長，以日（24小時）或周（168小時）為仿真時長。

本文提出一種多時間尺度的綜合能源系統(tǒng)生產模擬方法，選取周與年兩個時間尺度，采用分層優(yōu)化的方法處理生產模擬計算中的MILP問題，同時將天然氣年度存儲因素納入綜合能源系統(tǒng)的研究之中，流程如圖2所示。

圖2 多時間尺度分層優(yōu)化計算流程Fig. 2 Calculation flow of multiple time scale layered optimization

首先以周為仿真時長、小時為計算步長，根據上一章節(jié)的約束條件對全年52周逐個進行生產模擬計算，得到綜合能源系統(tǒng)能量轉換設備每周、每小時的工況。在此環(huán)節(jié)不考慮系統(tǒng)中年度約束條件，如天然氣年度總量約束等。這一層級優(yōu)化中的約束條件在上一章節(jié)進行了介紹，包括燃氣輪機（式（1）～（8））、燃氣鍋爐（式（13）～（15））、CCHP（式（19）～（28））、小型周平衡天然氣存儲裝置（式（32）～（36））以及能量平衡約束（式（38）～（41））。優(yōu)化的目標函數為整個系統(tǒng)的運行費用最小，由上一章節(jié)中各設備運行費用累加得到，如（42）所示，在這一層級仿真時長為168小時，即T為168。

第二層根據第一層的優(yōu)化結果（每周天然氣消耗量等），對天然氣季節(jié)性存儲裝置的工況進行以年為仿真時長、周為計算步長的優(yōu)化計算，并檢查收斂性。若代入第一層結果后不收斂即不滿足天然氣年度供應量限制的約束條件，則返回第一層，對與天然氣相關的設備進行參數修正。第二層優(yōu)化計算收斂后得到大型季節(jié)性天然氣存儲設備的全年中各周的運行工況。在這一層級上考慮儲能裝置、年度天然氣總量等年度約束。其中天然氣年度存儲相關的約束條件如儲氣速度等仍為式（32）～（36），但此處仿真步長為周，時長為一年，T改為Tw，取值52。在能量平衡上的約束條件主要是天然氣負荷與供應的平衡，即

將上述結果帶入第三層中，重新對52周依次進行以小時為步長、周為時長的生產模擬計算，最后將52周結果疊加在一起，得出計及天然氣年度存儲的電氣耦合系統(tǒng)年度運行方式。在這一層級的約束條件以及目標函數與第一層級基本相同，所不同的是將第二層中計算得到的每周大型儲氣裝置的充、放氣量加入氣供需功率平衡約束（41）中，即

3 算例介紹

本節(jié)搭建電氣耦合的綜合能源系統(tǒng)算例，并在其中應用多時間尺度的綜合能源系統(tǒng)生產模擬方法，驗證該方法的有效性，同時對系統(tǒng)中關鍵設備進行分析。

3.1 算例系統(tǒng)

為驗證方法有效性，本節(jié)在已有文獻中電氣耦合系統(tǒng)基礎上[24]搭建了包含6節(jié)點電力系統(tǒng)、7節(jié)點天然氣系統(tǒng)、3節(jié)點熱系統(tǒng)以及3節(jié)點冷系統(tǒng)的綜合能源系統(tǒng)算例，如圖3所示。

圖3 冷熱電氣耦合系統(tǒng)算例示意Fig. 3 Simulation case of coupled cooling, heating,electricity, and natural gas system

本文利用分層優(yōu)化方法對天然氣季節(jié)性存儲進行年度生產模擬計算，在算例中對于年度生產模擬計算影響不大的模型進行了簡化。電、氣、熱、冷系統(tǒng)中的網絡約束僅考慮能量傳輸容量約束，不涉及電壓、氣壓等約束條件。對上述模型的簡化主要是基于仿真場景以及計算難度上的考慮。首先生產模擬問題研究在仿真時段內的運行優(yōu)化問題，仿真時間步長一般為時段（周、小時、分鐘），而電壓、氣壓等約束條件多應用于系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性分析，與生產模擬研究多能互補、能量分配的內容不同。另一方面，電壓、氣壓等潮流計算方面的約束條件將引入大量微分方程，給生產模擬中應用商業(yè)求解器求解MILP問題帶來線性化等額外困難，降低計算效率；且實際生產中天然氣、熱力等流體管網系統(tǒng)壓強允許波動范圍很大，基本不會觸及安全約束，故在本文的生產模擬中可以對上述網絡約束進行簡化。

算例關于電氣網絡的相關參數詳見文獻[23]，冷熱網絡中設備的相關參數詳見文獻[24]，算例中的單位統(tǒng)一轉換成電力系統(tǒng)常用單位，功率單位采用MW，能量單位采用MW·h。仿真采用便攜式計算機，處理器為 intel core i7，主頻 2.5 GHz，優(yōu)化計算調用商業(yè)求解器。

3.2 對比方案描述

本文在上述耦合算例系統(tǒng)中對所提算法進行驗證。首先將所提多時間尺度分層優(yōu)化方法與典型周（不計年度約束條件）累加方法進行對比，驗證所提算法的正確性和必要性。其次應用所提算法對天然氣季節(jié)性存儲裝置存儲量占比不同的幾個場景進行生產模擬計算，對季節(jié)性儲氣裝置的運行狀態(tài)進行分析。最后對系統(tǒng)加裝CCHP前后的年度運行方式進行對比分析，研究CCHP對儲氣裝置運行方式帶來的影響。

4 結果與分析

4.1 典型周累加方法

采用典型周的方法在不考慮天然氣相關年度約束條件（季節(jié)性存儲、總量約束）的情況下對上述綜合能源系統(tǒng)進行生產模擬計算。文中算例選取春夏秋冬4個典型周，其冷、熱、電、氣負荷如圖4中a)～d)所示。

圖4 四季典型周負荷功率Fig. 4 Load power in four typical weeks of four seasons

根據上述數據進行生產模擬計算，其年度總用氣量折算為3.07×107MW·h。此處計算得到的天然氣消耗量沒有考慮天然氣的年度供應量上限的約束條件，為理想化結果，在實際系統(tǒng)中可能出現天然氣供應量不足的情況。

4.2 多時間尺度分層優(yōu)化方法

采用本文所提方法的算例，考慮天然氣年度存儲及相關約束。算例中參考典型周方法中4個典型周數據，確保生成的全年52周數據中負荷的周平均值與4.1中的負荷平均值相同。本節(jié)算例中設置天然氣年度供應上限為3.00×107MW·h，季節(jié)性天然氣存儲裝置的存儲量參設定為年度用氣量的8%、10%、13%三個等級，觀察季節(jié)性天然氣存儲裝置對綜合能源系統(tǒng)的年度運行方式影響。上述各等級依據中國的天然氣存儲現狀進行選取，中國現階段天然氣季節(jié)性可調峰儲氣量與全年用氣總量相比占比不高，僅為6%左右，與世界平均水平的差距頗大（12%～14%）。根據現有規(guī)劃，預計2025年儲氣庫儲量達到8%，而未來要求的全年的儲氣規(guī)模占比要達到15%以上才能保障中國能源安全。

4.2.1 與典型周累加方法對比

一是突出“黨味”。支部主題黨日的內涵在“黨味”，重點在“黨性”，關鍵在推動黨的事業(yè)，最終還是要落腳于“強化黨員黨性觀念和宗旨意識”上來。推行支部主題黨日活動，一定要在增強凝聚力上下功夫，不斷強化支部主題黨日的政治功能和思想教育功能，使主題黨日真正成為政治學習的陣地、思想交流的平臺、黨性鍛煉的熔爐，同時要在增強吸引力上下功夫，推動基層組織建設和黨員隊伍建設取得新的提升。

與4.1中不計及天然氣季節(jié)性存儲的典型周方法生產模擬進行比較，多時間尺度分層優(yōu)化的生產模擬方法將天然氣系統(tǒng)年度的約束條件考慮進去。以儲氣量站年度消費總量13%的場景為例，進行生產模擬計算，得出的全年燃氣消耗量折算后由 3.07×107MW·h降至 2.90×107MW·h，小于設定的3.00×107MW·h的年供應上限。與典型周累加方法相比耗氣量有所不同的原因是在第二層優(yōu)化計算中，上一層計算得到的天然氣消耗量不滿足年度總量約束條件，因此返回上一層對天然氣消耗進行了修正，減小了燃氣發(fā)電、供熱的年度消耗量。對于因天然氣總量限制而產生的供熱、供電不足，本算例由外接電網購電、電供暖滿足。在冬季取暖負荷較大時，通過外電網購電，利用電制熱裝置滿足一部分熱負荷，降低燃氣鍋爐分擔的熱負荷，減少天然氣消耗。

4.2.2 天然氣儲氣量占比不同場景對比

圖5a)、b)、c)分別為季節(jié)性天然氣存儲量占年度總用氣量的8%、10%、13%三種情況下儲氣裝置一年52周的運行方式。由于天然氣源年度總量以及周供應量的約束，季節(jié)性存儲裝置的存儲量越大，其儲滿所需時間越長，因此全年52周中的工作時間越長。

圖5 季節(jié)性天然氣存儲裝置年度運行方式Fig. 5 Annual operation mode of seasonal natural gas storage device

以季節(jié)性天然氣存儲裝置存儲量占比為13%的情況為例，圖6中a)、b)分別展示了天然氣用氣高峰周、用氣低谷周的168小時季節(jié)性存儲裝置的工作情況。每一周的存儲、釋放天然氣的總量由第二層的優(yōu)化計算得出，經過168小時完成該周天然氣的消耗或存儲目標。

圖6 季節(jié)性天然氣存儲裝置用氣高峰、低谷周工作方式Fig. 6 Operation mode of seasonal natural gas storage device in weeks of gas consumption peaks and troughs

4.2.3 CCHP投運前后場景對比

在天然氣季節(jié)性存儲量容量固定為年度總用氣量13%的情況下配置一定量的CCHP，研究其投入運行后對電氣耦合系統(tǒng)年度運行方式的影響。算例中的CCHP裝機容量選取實際工程應用中的常用數據，由2臺78 MW燃氣輪機和溴化鋰制冷設備組成CCHP[17]。圖7為初始無CCHP算例與配置CCHP后的天然氣存儲裝置運行狀態(tài)對比。

圖7 天然氣存儲裝置年度運行方式對比Fig. 7 Annual operation mode comparison of natural gas storage device

結果表明：配置CCHP后，天然氣存儲裝置的燃氣存儲量峰值小于沒有配置CCHP的情況，同時在存儲裝置全年的工作（存儲、釋放）時間也少于初始狀態(tài)。造成這種結果的主要原因是CCHP的運行在年度上減少了天然氣的消耗量。這部分減少的原因是供冷季CCHP以天然氣為原料通過熱泵制冷的效率要高于燃氣發(fā)電電制冷的效率，在相同制冷負荷的情況下所消耗的天然氣比較少。

5 結論

本文首先介紹了因天然氣消耗增加而形成了電氣耦合逐漸加深的綜合能源系統(tǒng)，并說明了綜合能源系統(tǒng)年度仿真計及季節(jié)性天然氣存儲裝置的必要性。進而提出了一種多層級多時間尺度的綜合能源系統(tǒng)生產模擬方法，考慮有關負荷波動、天然氣季節(jié)性存儲裝置等年度約束。通過搭建冷熱電氣耦合系統(tǒng)算例將傳統(tǒng)的典型周生產模擬方法與多時間尺度分層優(yōu)化的生產模擬方法進行對比。結果表明，上述分層優(yōu)化的方法能有效評估天然氣資源總量、大型天然氣存儲裝置等年度約束條件對綜合能源系統(tǒng)年度運行方式的影響。算例中典型周方法的天然氣消耗量大于年度天然氣總量，分層優(yōu)化方法中則通過對燃氣消耗進行修正，將天然氣年度消耗降至天然氣總量限制之下，證明了該方法的必要性。此外，算例對CCHP裝機日益增加的情況進行分析，評估了CCHP裝機對電氣耦合系統(tǒng)的年度運行方式影響。這種影響通過大型季節(jié)性天然氣存儲裝置全年工況的先后變化對比來體現，天然氣年度消耗的減少導致季節(jié)性存儲裝置的存儲量峰值降低以及全年中工作時間的減少。