多能流型區(qū)的綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度優(yōu)化

梁華

基于多能流型區(qū)域建立綜合能源系統(tǒng)并實(shí)施經(jīng)濟(jì)調(diào)度優(yōu)化的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)供應(yīng)發(fā)展，同時(shí)減少能源生產(chǎn)與使用所造成的嚴(yán)重環(huán)境污染，這是全球各國(guó)都在嘗試思考解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。各國(guó)還應(yīng)該思考構(gòu)建多種類型的多能流型區(qū)的綜合能源系統(tǒng)模型，并持續(xù)不斷的根據(jù)環(huán)境問(wèn)題調(diào)整系統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)核心，緩解由能源問(wèn)題所帶來(lái)的國(guó)家綜合經(jīng)濟(jì)發(fā)展與調(diào)度壓力。

一、我國(guó)建設(shè)多能流型區(qū)綜合能源系統(tǒng)的必要性

改革開(kāi)放初期（1978年）我國(guó)的能源消耗總量為5.7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，而到2018年這一數(shù)字增長(zhǎng)到47.2億噸，這使得40年來(lái)我國(guó)的碳排放量也從1%迅速增長(zhǎng)到28%，成為全球最大的碳排放量國(guó)家。目前各個(gè)城市所面臨的嚴(yán)重“霧霾”天氣問(wèn)題就由此原因所致，因此我國(guó)環(huán)境氣候問(wèn)題治理的嚴(yán)峻性與能源發(fā)展革命的迫切性也日益凸顯，它們成為我國(guó)能源發(fā)展刻不容緩的重要任務(wù)。在2017年的十九大報(bào)告中習(xí)近平總書(shū)記也提出了“能源生產(chǎn)”與“消費(fèi)革命”這兩大關(guān)鍵詞，他希望我國(guó)能夠成功構(gòu)建以低碳清潔、安全高效為基本建設(shè)原則的能源消耗體系，全面推動(dòng)我國(guó)能源革命的快速向前發(fā)展。按照我國(guó)規(guī)劃，截止到2020年我國(guó)的非石化能源消費(fèi)比率應(yīng)該至少上升15%以上，而天然氣消費(fèi)比率則要上升到10%左右，與此同時(shí)煤炭的消費(fèi)比重要下降58%左右。為了滿足這一重大的國(guó)家綜合能源系統(tǒng)供給側(cè)結(jié)構(gòu)深化改革要求，我國(guó)引入并應(yīng)用新技術(shù)理念，確保能源應(yīng)用形式向多樣化方向發(fā)展，積極探尋全新的能源發(fā)展方式以實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整。

就目前來(lái)看，我國(guó)已經(jīng)在尋找應(yīng)對(duì)多重能源應(yīng)用壓力下的綜合能源系統(tǒng)改革優(yōu)化途徑，希望切實(shí)構(gòu)建能源一體化規(guī)劃設(shè)計(jì)系統(tǒng)，就比如說(shuō)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)基于多種能源的耦合互補(bǔ)關(guān)系，建立專門化的綜合能源階梯性利用體系，實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)在不同尺度、不同時(shí)間維度上的相關(guān)互補(bǔ)性優(yōu)化調(diào)整，建立真正的多能流型區(qū)域。

所謂多能流型區(qū)域中就包含了多種異質(zhì)能流系統(tǒng)，像電流、氣流、熱流、冷流等，它們通過(guò)CCHP設(shè)備系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多能流型區(qū)域能源轉(zhuǎn)換，構(gòu)建系統(tǒng)中各種能源的耦合互補(bǔ)關(guān)系，系統(tǒng)中就主要以天然氣作為主要燃料，有效解決傳統(tǒng)綜合能源系統(tǒng)中能源轉(zhuǎn)化率相對(duì)偏低的問(wèn)題，同時(shí)滿足用戶的多樣性能源應(yīng)用需求?？偟膩?lái)說(shuō)，多能流型區(qū)的綜合能源系統(tǒng)能源調(diào)度基本實(shí)現(xiàn)多種能源的多級(jí)利用，它可有效提高能源利用效率，同時(shí)大量減少二氧化碳及有害氣體的向外排放，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)的能源一次利用效率最高可超過(guò)95%以上。

民用建筑中的冷熱電綜合能源系統(tǒng)就是基于多能流型區(qū)所設(shè)計(jì)構(gòu)建的，它其中同時(shí)利用可再生能源與非可再生能源，從整體上提高了民用建筑樓宇的用能效率，同時(shí)也大幅度減少了溫室氣體排放，為用戶提供了包括冷、熱、電等在內(nèi)的多種能源，完全滿足了用戶的多樣性用能需求，而且民用建筑的能源應(yīng)用轉(zhuǎn)化效率也得到大幅度提高，這還主要得益于它的能量梯級(jí)利用功能體系，可為民用建筑提高用能效率超過(guò)30%。

二、多能流型區(qū)域的綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度優(yōu)化模型構(gòu)建與應(yīng)用分析

區(qū)域能源系統(tǒng)可通過(guò)優(yōu)化控制實(shí)現(xiàn)內(nèi)部有效出力，減小系統(tǒng)運(yùn)行成本與污染物排放量，為此應(yīng)該考慮利用多能流型區(qū)域建設(shè)理念打破傳統(tǒng)能源系統(tǒng)建設(shè)單一的問(wèn)題，利用新的經(jīng)濟(jì)調(diào)度優(yōu)化模型實(shí)現(xiàn)目標(biāo)項(xiàng)目運(yùn)行成本的最優(yōu)化。

1.Pareto最優(yōu)解概述。采用Pareto最優(yōu)解，它是多能流型區(qū)域的綜合能源系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化模型中的一大應(yīng)用技術(shù)環(huán)節(jié)，它會(huì)首先考察用戶目標(biāo)能源應(yīng)用側(cè)重點(diǎn)，再結(jié)合不同側(cè)重點(diǎn)選取不同的綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行方案。相比于傳統(tǒng)普通微電網(wǎng)系統(tǒng)，多能流型區(qū)域綜合能源系統(tǒng)在內(nèi)部設(shè)備結(jié)構(gòu)與能源結(jié)構(gòu)之間的耦合關(guān)系構(gòu)建更復(fù)雜多變，而且多種能源相互之間也存在一定的耦合互補(bǔ)關(guān)系，所以它更有利于調(diào)度策略的有效確定與實(shí)施，通常情況下可采用上文提到的Pareto系統(tǒng)調(diào)度作為最優(yōu)解，它能增加集中調(diào)度結(jié)果，體現(xiàn)調(diào)度結(jié)果的合理性與多樣性。

2.Pareto最優(yōu)解的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題簡(jiǎn)析與算法提出。就目前來(lái)看，采用Pareto最優(yōu)解的多目標(biāo)優(yōu)化可為多能流型區(qū)域的綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)調(diào)度優(yōu)化，它主要將綜合能源系統(tǒng)中的某些問(wèn)題集中并形成目標(biāo)函數(shù)，分析其中沖突，并為某一個(gè)目標(biāo)給出最優(yōu)化解決方案。不過(guò)它一般會(huì)以犧牲其它目標(biāo)來(lái)提出最優(yōu)解方案，所以客觀講它難以對(duì)多目標(biāo)問(wèn)題進(jìn)行綜合的優(yōu)劣性評(píng)價(jià)。而基于多目標(biāo)問(wèn)題的最終優(yōu)化解集則專門關(guān)注到一組問(wèn)題答案折中的解集內(nèi)容，由此就可以展開(kāi)對(duì)Pareto最優(yōu)化解集的有效研究，建立多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的相關(guān)數(shù)學(xué)模型。

3.算法優(yōu)化步驟提出。參考Pareto最優(yōu)解算法，進(jìn)一步提出模型的最優(yōu)化算法求解步驟，可采用圍繞線性遞減權(quán)重所展開(kāi)的多目標(biāo)優(yōu)化算法，其具體的優(yōu)化算法步驟就包含了以下5步驟：第一步驟，要輸入算法并明確具體的模型參數(shù)種群個(gè)數(shù)、粒子維數(shù)以及最大迭代次數(shù);第二步驟，要在有限變量閾值范圍內(nèi)生成多組粒子并建立初始種群，實(shí)現(xiàn)初始方案優(yōu)化，同時(shí)明確初始化粒子速度;第三步驟，要確定粒子的初始個(gè)體最優(yōu)位置與全局最優(yōu)位置;第四步驟，要搜索空間內(nèi)部的例子速度位置并進(jìn)行有效調(diào)整改變，進(jìn)而形成新的粒子群;第五步驟，看是否滿足了模型的終止條件，如果已經(jīng)滿足終止條件則停止模型優(yōu)化計(jì)算，如果不滿足終止條件則需要回到第四步驟重新展開(kāi)優(yōu)化計(jì)算過(guò)程。

4.多能流型區(qū)綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度優(yōu)化模型的求解過(guò)程。多能流型區(qū)的綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度優(yōu)化模型構(gòu)建先要進(jìn)行系統(tǒng)的初始化優(yōu)化，并將機(jī)組、控制算法參數(shù) t 設(shè)置為1。然后采用有限順序法確定在 t 時(shí)段的機(jī)組組合狀態(tài)，并同時(shí)生成初始粒子群，其中取 k 值為0，同時(shí)計(jì)算粒子的適應(yīng)度。此時(shí)根據(jù)Pareto最優(yōu)解中的支配原則與個(gè)體聚集密度原則選擇技術(shù)應(yīng)用類型，例如可直接對(duì)模型中的粒子個(gè)體極值與全局極值進(jìn)行分析，并形成新模型“k=k+1”，在建立新模型后更新其中每一個(gè)粒子的準(zhǔn)確速度與正確位置，最后求得Pareto的非劣解集合。在得出Pareto非劣解的同時(shí)進(jìn)行模糊聚類分析，并計(jì)算得出非劣最優(yōu)解組合內(nèi)容，在輸出機(jī)組組合狀態(tài)并滿足對(duì)應(yīng)機(jī)組出力后完成模型求解計(jì)算過(guò)程。如果t<0則表示優(yōu)化計(jì)算結(jié)果正確，如果t>0則要重新進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算以求得正解。

在多能流型區(qū)域的綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度優(yōu)化模型優(yōu)化求解計(jì)算過(guò)程中還需要注意兩點(diǎn)問(wèn)題：第一，要在模型中輸入系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并對(duì)多能流型區(qū)域中的綜合能源系統(tǒng)微源內(nèi)與控制算法中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行精確計(jì)算，可設(shè)置t=1;第二，要結(jié)合系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的既定有限順序與光伏處理啟停時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，合理約束多能流型區(qū)域的啟停實(shí)踐并建立綜合能源系統(tǒng)微能源體系，合理配置微能源內(nèi)容。另外還需要輸出模型中的最終配置結(jié)果，得出最終模型“t=t+1”，最后得到t=T，此時(shí)可宣告模型設(shè)計(jì)與求解優(yōu)化計(jì)算過(guò)程結(jié)束。

上文所研究的是基于冷熱電流聯(lián)合能源供應(yīng)新的經(jīng)濟(jì)調(diào)度優(yōu)化模型，其優(yōu)化變量主要結(jié)合24小時(shí)實(shí)現(xiàn)每小時(shí)一次的節(jié)點(diǎn)出力。在滿足系統(tǒng)運(yùn)行約束的條件下，合理安排可控單元出力，保證系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)始終處于最低值。整體來(lái)講，其并網(wǎng)型多能流型區(qū)域的綜合能源系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)調(diào)度運(yùn)行方面可基本滿足能源消耗最小、環(huán)境治理成本最低、可再生能源消納懲罰成本最低的基本節(jié)能減排要求，最大限度保證綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)與調(diào)度優(yōu)化效益最大化。

三、多能流型區(qū)域的綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度優(yōu)化模型技術(shù)應(yīng)用總結(jié)

多能流型區(qū)域的綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度優(yōu)化模型在技術(shù)應(yīng)用與優(yōu)化計(jì)算方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)能源系統(tǒng)的雙向互動(dòng)優(yōu)化，一方面保證再生能源的消納效率提升，另一方面也大量節(jié)約了管理成本。結(jié)合這一技術(shù)內(nèi)容，國(guó)內(nèi)可在未來(lái)繼續(xù)建立多能流型區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的電力能源負(fù)荷經(jīng)濟(jì)調(diào)度優(yōu)化運(yùn)行模型，結(jié)合上文所提到的冷流、熱流、電流和風(fēng)流進(jìn)行多能源負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度，以滿足系統(tǒng)設(shè)備的功能效率全面提高，同時(shí)降低系統(tǒng)耗能費(fèi)用與環(huán)境治理成本，為系統(tǒng)運(yùn)行目標(biāo)優(yōu)化創(chuàng)造有利條件，分別給出冷流、熱流、電流與風(fēng)流的運(yùn)行成本合理分配策略。多能流型區(qū)域的綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度優(yōu)化工作還是相對(duì)抽象且復(fù)雜的，而且我國(guó)在該方面研究應(yīng)用相對(duì)起步較晚，所以在未來(lái)還應(yīng)該更多圍繞綜合能源系統(tǒng)的供冷、供熱、供電結(jié)構(gòu)展開(kāi)多元化設(shè)計(jì)，構(gòu)建數(shù)學(xué)計(jì)算模型，充分考量系統(tǒng)中的供能效率與供能消耗問(wèn)題，建立供能成本與環(huán)境治理成本優(yōu)化問(wèn)題集合，實(shí)現(xiàn)該領(lǐng)域技術(shù)的有效突破。

（作者單位：廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局）