考慮供能網(wǎng)絡(luò)約束的園區(qū)型電-熱綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置

范焱煒, 黃麗莎, 時 帥, 鄭紫宸, 楊賽松, 劉 杰

(1.國網(wǎng)上海市松江電力公司, 上海 201600; 2.上海電力大學(xué), 上海 200433)

中國存在能源消費結(jié)構(gòu)不均衡、環(huán)境污染、產(chǎn)能過剩和使用效率低下等突出問題[1]。綜合能源系統(tǒng)(Integrated Energy System,IES)[2]突破了傳統(tǒng)電、氣、冷、熱單一化供能的形式,實現(xiàn)了多能協(xié)同互補和梯級利用的“源-網(wǎng)-荷-儲”縱向一體化,可有效地開發(fā)和利用可再生能源,提高能源的利用率、清潔性[3]。大型園區(qū),如高校校園、工商業(yè)園區(qū)、科技產(chǎn)業(yè)園區(qū)(上海松江G60科技產(chǎn)業(yè)園區(qū))等,具有冷熱電氣多種能源需求持續(xù)增長但能源結(jié)構(gòu)不合理、電力負荷峰谷差較大的特點,而且園區(qū)內(nèi)終端用能設(shè)備靈活多樣,提升能效的潛力巨大。

目前,國內(nèi)外學(xué)者就園區(qū)型綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方面的研究主要圍繞系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備調(diào)動的靈活性、可再生能源的消納以及系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性展開。文獻[4]討論的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)包括冷、熱、電三聯(lián)供機組、蓄電池、光伏、電鍋爐等設(shè)備,并構(gòu)建了以系統(tǒng)年運行總成本、年污染物排放量和年能耗量為優(yōu)化目標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型。文獻[5]基于不同品位能源的梯級利用,構(gòu)建了滿足用戶冷、熱、電、氣多元能源需求的工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型,并以廣州某工業(yè)園區(qū)的總運行成本最低為目標(biāo),證明了考慮不同品位能源系統(tǒng)梯級利用的調(diào)度方法較傳統(tǒng)調(diào)度方案在系統(tǒng)的日運行成本和能源利用效率上均有較大程度的提升。文獻[6]提出了一種“風(fēng)電機組-熱電聯(lián)產(chǎn)機組-蓄熱式電鍋爐機組”的區(qū)域電-熱綜合能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化運行方法,以購電成本、燃料成本、棄風(fēng)懲罰成本之和為總成本,建立其日前經(jīng)濟調(diào)度模型,提升了熱電聯(lián)產(chǎn)機組的供電和供熱空間、促進了系統(tǒng)風(fēng)電的消納,降低了系統(tǒng)的購能成本。文獻[7]在分布式風(fēng)電機組接入的含多能源儲能的微能源網(wǎng)中,加入了電轉(zhuǎn)氣(Power to Gas,P2G),構(gòu)建了考慮用戶側(cè)需求響應(yīng)的優(yōu)化調(diào)度模型,以實際算例驗證了P2G可以有效地消納風(fēng)電、降低系統(tǒng)運行成本。文獻[8]在社區(qū)型綜合能源系統(tǒng)中,根據(jù)冷、熱、電、氣多元負荷需求特性的不同,分別構(gòu)建了各自的需求響應(yīng)模型,并以系統(tǒng)的用能成本、柔性負荷補償成本和碳排放懲罰成本所組成的總成本最低為目標(biāo)函數(shù),以具體算例驗證了考慮多元負荷需求響應(yīng)和碳排放對社區(qū)綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟和環(huán)境效益的提升。上述文獻主要對綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟性和效率進行了研究,并未考慮配電網(wǎng)和供冷/熱網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)特性對系統(tǒng)運行成本和系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備容量配置的影響。

針對上述問題,本文提出了一種考慮供能網(wǎng)絡(luò)約束的園區(qū)型電-熱綜合能源系統(tǒng)能源站雙層優(yōu)化配置模型。上層優(yōu)化問題以綜合能源系統(tǒng)能源站總體投資和運行成本最小為目標(biāo),下層優(yōu)化問題以一個自然年內(nèi)的含能源購買成本的運行費用最小為目標(biāo),基于配電網(wǎng)絡(luò)的二階錐模型和線性熱網(wǎng)方程構(gòu)建了計及供能網(wǎng)絡(luò)約束的優(yōu)化調(diào)度模型,用于模擬既定配置下的系統(tǒng)運行成本。最后通過不同場景對比驗證了本模型的合理性和有效性。

1 園區(qū)型電-熱綜合能源系統(tǒng)建模

1.1 IES能源站網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

園區(qū)型IES能源站的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。綜合能源系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上可以看作是具備多輸入、多輸出、多轉(zhuǎn)換、多元存儲等環(huán)節(jié)的能源單元,具有較高的可建設(shè)性和運行靈活性。本文基于能源集線器模型,構(gòu)建了IES能源站的基本模型。其中,能源輸入包含上級電網(wǎng)和天然氣站,能源轉(zhuǎn)換設(shè)備包含熱泵機組(Heat Pump,HP)、熱電聯(lián)產(chǎn)機組(Combined Heating and Power,CHP)、電鍋爐(Electric Boiler,EB)、電制冷機(Electric Cooler,EC)、余熱吸收式制冷機(Absorption Chiller,AC),能源存儲為蓄熱罐(Thermal Storage,TS),多元負荷主要有電、熱、冷負荷。

1.2 能源轉(zhuǎn)換設(shè)備模型

1.2.1 CHP機組模型

CHP機組通過燃燒天然氣提供電能和熱能,CHP機組通常分背壓式和抽汽式[9]兩種。為簡化分析,本文僅討論背壓式CHP機組。其模型為

(1)

φng——天然氣低熱值,取9.97 kWh/m3;

1.2.2 電鍋爐模型

電鍋爐模型為

(2)

ηeb——電鍋爐的產(chǎn)熱效率;

1.2.3 熱泵模型

熱泵具有較高的能效比,具有較好的節(jié)能效果。

(3)

COPhp——熱泵的電熱轉(zhuǎn)換效能系數(shù);

1.2.4 蓄熱罐模型

蓄熱罐模型為

(4)

ΔT——調(diào)度周期,ΔT=1 h,一天共有24個調(diào)度周期;

1.2.5 余熱吸收式制冷機模型

余熱吸收式制冷機利用余熱鍋爐的余熱進行制冷,其模型為

(5)

COPac——AC的電熱轉(zhuǎn)換效能系數(shù);

1.2.6 電制冷機模型

電制冷機模型為

(6)

COPec——電制冷機的電轉(zhuǎn)冷效能系數(shù);

1.3 供能網(wǎng)絡(luò)約束

1.3.1 配電網(wǎng)模型

園區(qū)配電系統(tǒng)通常呈輻射狀運行。本文采用Distflow二階錐模型[10]對其進行建模。

對于任意時刻,園區(qū)配電網(wǎng)中任意節(jié)點j,有以下功率平衡關(guān)系

(7)

式中:δ(j)——以j為末端節(jié)點的節(jié)點集合;

Pij,Qij——流過線路l(i,j)的有功和無功功率;

rij,xij——線路l(i,j)的電阻和電抗;

Iij——流過線路l(i,j)電流的幅值;

Pj,Qj——節(jié)點j注入的有功和無功功率;

π(j)——以j為首端節(jié)點的節(jié)點集合;

Pjk,Qjk——流過線路l(j,k)的有功和無功功率;

Pi,Qi——在節(jié)點i注入的有功和無功功率;

對于任意時刻,園區(qū)配電系統(tǒng)中任意支路l(i,j),有以下關(guān)系成立

(8)

(9)

(10)

(11)

通過等價變換可表示為標(biāo)準(zhǔn)二階錐形式,即

(12)

支路潮流和節(jié)點電壓約束分別為

(13)

式(7)、式(8)、式(11)、式(13)共同組成了輻射型配電網(wǎng)的Distflow二階錐模型。

1.3.2 熱網(wǎng)模型

供冷/供熱系統(tǒng)主要包括冷/熱源、冷/熱負荷以及供冷/熱網(wǎng)絡(luò)。供冷系統(tǒng)的終端設(shè)備采用風(fēng)機盤管,供冷時,供水管網(wǎng)將冷水從冷源送到冷負荷處,冷水通過風(fēng)機盤管傳遞熱量后溫度升高,再經(jīng)回水管網(wǎng)送回到冷源重新制冷。供熱系統(tǒng)的終端設(shè)備采用換熱器,供熱時,供水管網(wǎng)將熱水從熱源送到熱負荷處,熱水通過換熱器傳遞熱量后溫度降低,再經(jīng)回水管網(wǎng)送回到熱源重新制熱。本文在文獻[11-12]的基礎(chǔ)上構(gòu)建了線性冷/熱網(wǎng)絡(luò)模型。

對于任意節(jié)點j,在任意時刻都滿足以下冷/熱功率平衡關(guān)系

(14)

式中:φo,i——冷/熱網(wǎng)中注入節(jié)點i處的冷/熱功率;

I——熱風(fēng)中所有節(jié)點的集合;

φ′ij——供水管道s(i,j)流入節(jié)點i處的熱媒可利用冷/熱功率,媒介從i流出時,φ′ij為負值,反之則為正值;

Δφ′ji——熱媒在管段內(nèi)流動所產(chǎn)生的熱能損失;

φ′ij,min,φ′ij,max——管段可傳輸?shù)墓β首钚≈岛妥畲笾怠?/p>

(15)

(16)

式中:Ts,Ta,Tr——供水、環(huán)境和回水的溫度;

∑R——媒介到周圍介質(zhì)每千米管道熱阻;

lij——管道(i,j)的長度;

cw——水的比熱容;

mij——流過管道(i,j)的質(zhì)量流量。

供熱時,對于節(jié)點i注入的熱功率φs,i,在任意時刻則滿足

(17)

同理,供冷時,對于節(jié)點i注入的冷功率φs,i,在任意時刻則滿足

(18)

2 園區(qū)型電-熱綜合能源系統(tǒng)能源站雙層優(yōu)化配置模型

本文構(gòu)建的電-熱綜合能源系統(tǒng)雙層優(yōu)化配置模型中,上層模型以園區(qū)IES的年綜合投資成本最小為目標(biāo),對系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的容量進行優(yōu)化配置,下層模型基于上層模型設(shè)備容量配置的結(jié)果,以年運行費用最小為目標(biāo),對系統(tǒng)內(nèi)機組的功率輸出進行優(yōu)化。最后,上下兩層模型交替迭代,得出能源站最優(yōu)的配置方案。

其優(yōu)化框架如圖2所示。

圖2 雙層優(yōu)化模型框架

2.1 上層優(yōu)化配置模型

上層優(yōu)化配置模型以園區(qū)IES能源站總投資的年化總費用最小為目標(biāo)。該費用包括設(shè)備初始投資等年值費用、設(shè)備運行維護成本、購氣費用和購電費用。

(19)

設(shè)備初始投資等年值費用的數(shù)學(xué)表達式為

(20)

式中:Ninv——系統(tǒng)中設(shè)備的總數(shù);

r——折現(xiàn)率,取6.67%;

τ——設(shè)備的生命周期,取20 a;

Xi——第i種設(shè)備的配置容量;

ci——第i種設(shè)備的單位初始投資成本,元/kW。

上層優(yōu)化配置模型中系統(tǒng)各設(shè)備容量的優(yōu)化配置向量為

X=(Xchp,Xth,Xec,Xac,Xeb,Xhp)T

(21)

式中:Xchp,Xth,Xec——系統(tǒng)內(nèi)CHP機組、蓄熱罐、電制冷機所配置的容量;

Xac,Xeb,Xhp——系統(tǒng)內(nèi)余熱吸收式制冷機、電鍋爐、熱泵機組所配置的容量。

2.2 下層優(yōu)化運行模型

下層優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為

(22)

式中:S——供能季節(jié),本文取3;

Di——第i個供能季節(jié)的持續(xù)天數(shù);

cgrid,cgas——分時電價和天然氣價;

εchp,εec,εth——CHP機組、電制冷機和蓄熱罐的單位運行維護成本,元/kW;

εac,εeb,εhp——余熱吸收式制冷機、電鍋爐以及熱泵的單位運行維護成本,元/kW。

2.3 模型求解

針對本文構(gòu)建的雙層優(yōu)化配置模型,為提高上層模型的全局收斂性,采用文獻[13]的自適應(yīng)混沌粒子群算法對上層設(shè)備容量優(yōu)化配置;下層模型在MATLAB環(huán)境中利用YALMIP工具箱,調(diào)用商業(yè)求解器GUROBI進行求解。在求解本文的雙層優(yōu)化配置模型過程中,上層模型中的一個粒子對應(yīng)一種設(shè)備容量優(yōu)化配置方案,上層模型設(shè)備容量的優(yōu)化配置結(jié)果帶入下層優(yōu)化調(diào)度模型,并計算出該配置方案下系統(tǒng)設(shè)備的年運行維護成本、年購電費用和年購氣費用,并返回給上層模型的粒子。粒子的適應(yīng)度由設(shè)備初始投資等年值費用和上層模型所計算出的費用相加得到?；谧赃m應(yīng)混沌粒子群算法進行系統(tǒng)優(yōu)化配置方案的尋優(yōu),得出最后的全局最優(yōu)解。

本文模型的求解流程如圖3所示。

圖3 雙層優(yōu)化調(diào)度模型求解流程

3 算例分析

本文算例是在文獻[14]算例基礎(chǔ)上改進而來的,為IEEE-33節(jié)點配電網(wǎng)和8節(jié)點區(qū)域冷/熱網(wǎng)組成的綜合能源系統(tǒng)。其拓撲圖如圖4所示。

圖4 綜合能源系統(tǒng)拓撲示意

各供能設(shè)備的參數(shù)[15-17]如表1所示。冬季、夏季和春秋季典型日冷、熱、電負荷曲線如圖5所示。在自適應(yīng)混沌粒子群算法中,設(shè)粒子群數(shù)量N=50,且最大迭代次數(shù)為100次。

表1 設(shè)備參數(shù)

為驗證所提模型的有效性,本文在考慮供能網(wǎng)絡(luò)約束的條件下,對3個方案的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置問題進行分析。

方案1:天然氣價格取2.83元/m3,電價采用工商業(yè)分時電價[18],每天9:00～12:00和17:00～21:00為峰時段,峰時電價0.798 0元/kWh;00:00～8:00和23:00～24:00為低谷時段,谷時電價0.315 3元/kWh;8:00～9:00,12:00～17:00,22:00～23:00 為平時段,平時電價0.598 3元/kWh。同時,配置方案的功能設(shè)備中不采用熱泵機組。

方案2:在方案1的基礎(chǔ)上,加入熱泵機組。

方案3:在方案2的基礎(chǔ)上,電價采用居民分時電價,07:00～20:00電價為0.49元/kWh,其余時段電價為0.30元/kWh。

圖5 不同供能季的冷、熱、電負荷預(yù)測曲線

3.1 優(yōu)化配置結(jié)果

表2為3種方案下系統(tǒng)設(shè)備容量的配置結(jié)果和系統(tǒng)的年總費用。

表2 機組容量配置結(jié)果和系統(tǒng)年總費用

由表2可以看出,方案1中,為滿足不同季節(jié)園區(qū)用戶的冷、熱、電負荷需求,需配置一定容量的 CHP 機組和熱泵機組來滿足冬季供熱的需求,配置一定容量的余熱吸收式制冷機(AC)和電制冷機(EC)來滿足供冷的需求。由于工商業(yè)電價相對較高且電鍋爐(EB)的電轉(zhuǎn)熱效率不高,在方案1的優(yōu)化配置中沒有配置電鍋爐。方案3的配置結(jié)果迭代曲線如圖6所示。由圖6可以看出,算法達到了全局最優(yōu)性,驗證了混沌自適應(yīng)粒子群優(yōu)化算法的有效性。

圖6 迭代曲線

圖7為3種方案下系統(tǒng)的購電功率曲線,圖8為方案1中電制冷機的電功率曲線。由圖7和圖8可以看出,隨著用戶的供冷需求加大,需要由電制冷設(shè)備(如電制冷機)來進行供冷,夏季對供冷需求尤為迫切,需要電制冷加大供冷量,導(dǎo)致系統(tǒng)從上級電網(wǎng)采購的電功率增多,系統(tǒng)電負荷加重,從而給配電網(wǎng)的運行帶來一定壓力。在冬季,由于系統(tǒng)內(nèi)配置了一定容量的CHP機組,CHP機組可進行熱電聯(lián)產(chǎn),向系統(tǒng)供熱的同時也提供一部分電功率,因而可以在一定程度上緩解系統(tǒng)的購電壓力。

圖7 3種方案下系統(tǒng)的購電功率曲線

圖8 方案1下不同季節(jié)電制冷機電的功率曲線

此外,由表2可以看出,方案2因系統(tǒng)采用電轉(zhuǎn)熱效率相對較高的熱泵機組輔助供熱,提高了能源的轉(zhuǎn)換效率,節(jié)省了電能,導(dǎo)致CHP機組的配置容量較方案1雖變化不大,但總成本卻有了一定程度的下降。且由圖7可以看出,方案2中夏、春秋季系統(tǒng)的購電功率與方案1相同,而冬季的購電功率相比方案1有了一定的增加。

圖9為方案1和方案2中CHP機組和熱泵機組在冬季的功率曲線。

圖9 方案1和方案2中CHP機組和熱泵機組在冬季的功率曲線

由圖9可以看出,在冬季,熱泵機組可以輔助供熱,承擔(dān)一部分系統(tǒng)的熱負荷,從而導(dǎo)致CHP機組的供電和供熱空間受到壓縮,同時在一定程度上加重了系統(tǒng)的電負荷。

結(jié)合圖7和表2可以看出,在方案3居民電價的調(diào)節(jié)下,熱泵機組較電鍋爐電轉(zhuǎn)熱效率要高的優(yōu)勢得以體現(xiàn),熱泵機組可在供熱需求方面代替一部分CHP機組的配置容量,可以有效地降低系統(tǒng)的購氣成本,且方案3的年總費用較方案1和方案2均有了較大程度的下降。此外,與方案2相比,在價格更低的居民電價的作用下,熱泵機組容量配置加大,使得方案3中系統(tǒng)的冬季用電量有了明顯的提升,在冬季供熱需求高峰時段甚至超過了相同時段下的夏季用電負荷。

3.2 供能網(wǎng)絡(luò)約束對系統(tǒng)投資成本和總成本的影響

為了考慮供能網(wǎng)絡(luò)約束對系統(tǒng)年總費用的影響,在方案2的基礎(chǔ)上,分析對比了3種場景下系統(tǒng)的年總費用,結(jié)果如表3所示。

表3 方案2下3種場景的年總費用對比 單位:萬元

由表3可以看出,場景3考慮了配電網(wǎng)和供冷/熱網(wǎng)約束后,設(shè)備的年投資費用較場景2和場景1同比減小了11.00%和22.06%,系統(tǒng)的年總費用較場景2和場景1同比減小了5.67%和9.29%。由于考慮了配電網(wǎng)和供冷/熱網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)約束,以及冷、熱、電相互轉(zhuǎn)換過程中多元能流在供能網(wǎng)絡(luò)中的傳輸特性,因此場景3實現(xiàn)了多元能源在供能網(wǎng)絡(luò)中的最優(yōu)分布,實現(xiàn)了設(shè)備容量的優(yōu)化配置,減小了系統(tǒng)設(shè)備的投資成本、運行成本和總成本。

4 結(jié) 論

本文面向園區(qū)型電-熱綜合能源系統(tǒng)的能源供應(yīng)需求,提出了一種考慮供能網(wǎng)絡(luò)約束的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)能源站雙層優(yōu)化配置模型。通過具體的算例分析,得出以下結(jié)論。

(1) CHP機組可以進行熱電聯(lián)產(chǎn),對能源的利用效率相對較高,在園區(qū)型綜合能源系統(tǒng)中有著較好的應(yīng)用前景;空氣源熱泵憑借其較高的能源轉(zhuǎn)換效率,在電轉(zhuǎn)熱領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

(2) 能源價格對園區(qū)內(nèi)綜合能源系統(tǒng)的供能設(shè)備配置方案有較大的影響,能源價格一定程度的變化會導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)不同負荷的相互轉(zhuǎn)換。

(3) 考慮系統(tǒng)中供能網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)特性約束,可以實現(xiàn)系統(tǒng)中多元能流的最優(yōu)分布,優(yōu)化機組的配置容量,減小系統(tǒng)的總費用。

(4) 系統(tǒng)中冷、熱、電負荷具有不確定性,同時系統(tǒng)中還可以考慮加入風(fēng)光等間歇性分布式電源,而這些元素的不確定性會給系統(tǒng)的優(yōu)化配置產(chǎn)生一定的影響。后續(xù)將圍繞風(fēng)光和冷、熱、電多元負荷的不確定性進行深入研究。不同優(yōu)化算法有可能對配置的結(jié)果產(chǎn)生影響,不同收斂性的優(yōu)化算法求解的配置結(jié)果的對比也是后續(xù)研究的一個方面。