考慮源-荷-儲多能互補的冷-熱-電綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行研究

歐陽斌，袁志昌，陸超，屈魯，李東東

考慮源-荷-儲多能互補的冷-熱-電綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行研究

歐陽斌1,2，袁志昌2，陸超2，屈魯2，李東東1

（1．上海電力大學電氣工程學院，上海市 楊浦區(qū) 200090；2．清華大學電機工程與應用電子技術(shù)系，北京市 海淀區(qū) 100084）

綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system，IES)以多能互補和能量階梯利用為核心，將大大提高系統(tǒng)的能量利用率，實現(xiàn)多種能流互補優(yōu)化。通過建立冷-熱-電綜合能源系統(tǒng)，以系統(tǒng)總運行成本最低為目標函數(shù)，考慮設備模型約束和功率平衡約束，采用日前負荷模擬綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟優(yōu)化運行；同時考慮到系統(tǒng)在冬、夏季運行工況差異較大，采用分季調(diào)節(jié)運行模式，利用分支界定(branch and bound，B-a-B) 算法求解優(yōu)化模型。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)能量供給平衡，“源-荷-儲”互補搭配性強，系統(tǒng)運行靈活、經(jīng)濟高效，同時，系統(tǒng)污染氣體排放量少，有利于環(huán)境保護。

綜合能源系統(tǒng)(IES)；多能互補；源-荷-儲；優(yōu)化運行；分季調(diào)節(jié)；分支界定

0 引言

能源產(chǎn)業(yè)作為支撐日常生活消費、工業(yè)生產(chǎn)等活動的關(guān)鍵因素呈現(xiàn)出能源需求量大、能源種類多、能源結(jié)構(gòu)差異性大和能流變化迅速等特點[1-6]。現(xiàn)有的能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)大多彼此獨立，且單獨運營，這就容易造成能量轉(zhuǎn)換損失嚴重，各個系統(tǒng)彼此耦合關(guān)系稀疏，結(jié)構(gòu)單一；在能源消費端，巨大的能量需求和能源消費方式的快速轉(zhuǎn)變不斷沖擊現(xiàn)有的能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性帶來巨大挑戰(zhàn)。

近年來，有學者針對上述問題，提出在靠近能源消費終端建立起綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system，IES)[7-11]，通過實現(xiàn)多種能源互相補充以及能量階梯利用的原理，充分消納吸收分布式能源(distributed energy，DE)，以解決現(xiàn)有的能源“生產(chǎn)-傳輸-存儲-消費”困境。

在對綜合能源系統(tǒng)的研究方面，英國曼徹斯特大學開發(fā)了電-熱-氣系統(tǒng)及用戶交互平臺的綜合能源系統(tǒng)，對用戶終端實現(xiàn)了用能、節(jié)能和需求響應3個功能[12]。德國通過鼓勵E-Energy項目建設，側(cè)重于能源和信息系統(tǒng)集成，采用數(shù)字網(wǎng)絡實現(xiàn)發(fā)電的安全供給、高效利用以及氣候保護[13]。歐盟規(guī)劃了歐盟電網(wǎng)新計劃路線圖，致力于融合各國能源系統(tǒng)建設跨歐洲的高效能源系統(tǒng)[14]。日本早在2010年就成立日本智能社區(qū)聯(lián)盟，專注于智能社區(qū)技術(shù)與綜合能源系統(tǒng)示范工程建設[15]。近幾年，綜合能源系統(tǒng)研究在國內(nèi)成為潮流，在示范工程方面，廣州明珠工業(yè)區(qū)同構(gòu)冷-熱-電-氣的綜合能源系統(tǒng)，優(yōu)化提高能源利用率，積極打造智能工業(yè)示范園區(qū)[12]。北京延慶的“城市能源互聯(lián)網(wǎng)”示范工程，旨在建設支撐高滲透率的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)[16]。張家口張北的“多能互補高效階梯利用的分布式供能”示范工程[8]，綜合運用多種能源生產(chǎn)方式、儲能設備以及光熱化學互補原理，為實現(xiàn)大規(guī)模綜合能源系統(tǒng)應用和協(xié)調(diào)控制提供新的發(fā)展機遇。

由于綜合能源系統(tǒng)耦合了多類異質(zhì)能流，通過對多種能源生產(chǎn)方式的互補搭配和各個能源設備的協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)整體系統(tǒng)更高的能源利用率和節(jié)能效益，但由于系統(tǒng)本身耦合關(guān)系復雜，非線性特征明顯，增加了系統(tǒng)在協(xié)調(diào)運行上的難度。因此，迫切需要對系統(tǒng)進行優(yōu)化運行。在優(yōu)化運行方面，文獻[17]以433座樓宇組成的綜合建筑的冷熱需求為模型，比較了以熱定電和以電定熱2種運行方式在樓宇中的適應程度以及存在的不足。鑒于以熱定電和以電定熱方法并不合理，文獻[18]提出了分別以運行成本、一次能源消耗(primary energy consumption，PEC)、二氧化碳排放量(carbon dioxide emissions，CDE)最小化為目標的能源調(diào)度算法，并指出只要PEC和CDE達到標準要求，就應該考慮系統(tǒng)的安裝運行。文獻 [19]則提出一種應用于小型冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的多目標優(yōu)化函數(shù)，綜合考慮能源效率、資金消耗、環(huán)境效益，并對冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)進行了風險分析。文獻[20]提出了一種以運行費用和燃料價格最低為經(jīng)濟目標的線性規(guī)劃方法。文獻[21]提出了一種光/儲/水/柴微網(wǎng)經(jīng)濟調(diào)度策略，分3層對系統(tǒng)進行控制：經(jīng)濟調(diào)度層采用邊際成本競價機制結(jié)合水電和光伏補償策略，安排下一時段的運行計劃；穩(wěn)態(tài)控制層中，接收調(diào)度層指令并執(zhí)行；緊急控制層通過備用功率分配、可用功率調(diào)整、切負荷等手段維持系統(tǒng)功率平衡，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

綜上所述，在綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化方面已有較多研究，但對耦合“源-荷-儲”的綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化運行以及考慮季節(jié)工況差異性方面，特別是季節(jié)負荷差異性大可能使系統(tǒng)難以穩(wěn)定運行方面考慮較少，為此，本文將針對冷-熱-電綜合能源系統(tǒng)的“源-荷-儲”多能互補和分季節(jié)優(yōu)化運行開展研究。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

冷-熱-電綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多樣，形態(tài)多端，系統(tǒng)耦合關(guān)系復雜，本文針對冷-熱-電綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行現(xiàn)狀分析，基于耦合多種能源生產(chǎn)方式，多種能流互相搭配補充，并且擁有對電、熱2種能量的儲能裝置的冷-熱-電綜合能源系統(tǒng)的通用拓撲結(jié)構(gòu)，建立綜合能源系統(tǒng)研究模型。

圖1中冷-熱-電綜合能源系統(tǒng)的設備主要包括燃氣內(nèi)燃機、缸套水換熱器、吸收式制冷機、電鍋爐、電制冷機以及煙氣吸收熱泵設備，并且配以儲電、儲熱2種儲能設備，系統(tǒng)還接入了光伏發(fā)電機組，提高可再生能源的滲透率，并接入電網(wǎng)以保證有充足的電能供電力負荷使用。

圖1 冷-熱-電綜合能源系統(tǒng)能流拓撲圖

1.2 工作原理

本文的冷-熱-電綜合能源系統(tǒng)為微能源網(wǎng)，以燃氣內(nèi)燃機為核心，通過消耗天然氣，產(chǎn)出電能直接供給部分電力負荷；燃氣內(nèi)燃機工作時產(chǎn)生的熱蒸汽則通過缸套水換熱器轉(zhuǎn)化為熱水供給熱力負荷；同時，天然氣燃燒時產(chǎn)生的煙氣可以被煙氣吸收熱泵大部分接收，轉(zhuǎn)化為熱能和冷能直接供給用戶；為彌補冷能供給不足的情況，可由吸收式制冷機吸收部分熱能轉(zhuǎn)化為冷能供給負荷使用。當電能供給充足而供冷或者供熱不足時，可以通過電鍋爐或者電制冷機工作補充。系統(tǒng)中還加入了儲電、儲熱設備，保證系統(tǒng)有足夠的功率容量裕度，穩(wěn)定系統(tǒng)運行。光伏發(fā)電機組的主動接入，增加了系統(tǒng)的環(huán)保性和經(jīng)濟效益。當電能負荷需求較大時，系統(tǒng)可與電網(wǎng)交互，同時，為了降低系統(tǒng)與電網(wǎng)的信息通道以及物理通道的建設費用和協(xié)調(diào)成本，本系統(tǒng)采用“并網(wǎng)不上網(wǎng)”原則，向電網(wǎng)購買電能，以彌補系統(tǒng)的電能缺額，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

2 優(yōu)化運行策略

在對冷-熱-電綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化運行方面，本文考慮了系統(tǒng)負荷需求供給平衡約束、各類設備容量約束和設備運行約束，采用同一時間尺度(D=1h)進行系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)系統(tǒng)功率平衡和經(jīng)濟效益最大化。

2.1 目標函數(shù)

以系統(tǒng)總運行成本最小為目標構(gòu)建冷-熱-電綜合能源系統(tǒng)的目標函數(shù)，即

式中：grid()為系統(tǒng)與電網(wǎng)的購電費用，元；gas()為系統(tǒng)購買天然氣費用，元；main()為系統(tǒng)設備維護費用，元；poll()為污染氣體排放治理費用，元。

其中，系統(tǒng)購電費用、購氣費用、設備維護費用、污染氣體排放治理費用具體表示如下：

2.2 約束條件

2.2.1 設備模型約束

1）燃氣內(nèi)燃機模型。

2）煙氣吸收熱泵。

3）缸套水換熱器。

4）吸收式制冷機。

5）電鍋爐。

式中：EB()為電鍋爐輸入電功率，kW；EB()為電鍋爐輸出熱功率，kW；EB為電鍋爐的制能系數(shù)；EB.min、EB.max分別為電鍋爐最小、最大電功率，kW；EB.max為電鍋爐的出力坡度約束，kW。

6）電制冷機。

7）光伏發(fā)電機組模型。

式中：PV()為光伏發(fā)電機組的實時出力，kW；STC()為光伏發(fā)電機組的額定出力，kW；ING()為實時輻照強度，W/m3；STC為光伏發(fā)電機組的額定輻照強度，W/m3；為光伏發(fā)電機組的發(fā)電系數(shù)；out()為外界溫度，℃；s為發(fā)電機組的參考溫度，℃。

8）儲電設備模型。

最后，健全農(nóng)業(yè)科學技術(shù)的推廣體系，發(fā)展技術(shù)市場和中介服務體系，避免農(nóng)業(yè)科技與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)脫節(jié)的現(xiàn)象。加強農(nóng)科教相互協(xié)作，推進農(nóng)業(yè)科研、教育、推廣體系“三位一體”建設，充分形成農(nóng)業(yè)科學教育系統(tǒng)的整體優(yōu)勢。

9）儲熱設備模型。

2.2.2 功率平衡約束

1）電功率平衡約束。

式中：batt.dis()、batt.cha()分別為儲電設備的放電、充電變量；ele()為電力負荷，kW。

2）熱功率平衡約束。

3）冷功率平衡約束。

式中：cool()為冷力負荷，kW。

2.3 求解算法和步驟

本優(yōu)化模型為混合整數(shù)非線性規(guī)劃模型，其耦合關(guān)系復雜、非線性特征明顯，特別是燃氣內(nèi)燃機和煙氣吸收熱泵設備存在多變量輸入、轉(zhuǎn)換，使得模型表現(xiàn)出強非凸特性，一般的優(yōu)化求解器(如CPLEX、GUROBI等)和普通算法均無法求解，因此，本文采取分支界定法求解該問題。

求解步驟如附錄圖A1所示。分支界定算法通過放寬約束條件，將原問題分解成眾多子問題，采用求解子問題的最優(yōu)解的方式，當所求最優(yōu)解為原問題可行解時，該最優(yōu)解為原問題最優(yōu)解；否則，以最優(yōu)解的目標函數(shù)為原問題上界，最優(yōu)解的可行解最大值目標函數(shù)為原問題下界，繼續(xù)求解該程序，當上界低于下界時，則原問題無最優(yōu)解。

3 算例仿真與分析

冷-熱-電綜合能源系統(tǒng)在季節(jié)負荷差異較大時，特別是冬、夏季對冷、熱負荷需求懸殊，系統(tǒng)工況運行復雜。在系統(tǒng)冷、熱、電負荷相互獨立且不確定的情況下，如果對不同季節(jié)采用單一工況運行，則存在系統(tǒng)無法滿足負荷需求、設備無法運行的情況。此時，應當考慮對系統(tǒng)進行分季運行調(diào)節(jié)。本文通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)設備參數(shù)，改變系統(tǒng)運行工況，調(diào)節(jié)系統(tǒng)分季運行。其中，冬、夏季部分設備模型參數(shù)如表1所示。其余部分模型參數(shù)可參考文獻[22-23]進行設置，詳見附錄表A1。

表1 冬、夏季日前優(yōu)化部分設備參數(shù)

采用夏季日前負荷對綜合能源系統(tǒng)運行結(jié)果分析如下：

夏季日前冷-熱-電負荷及各個設備電功率出力情況如圖2、圖3所示，燃氣內(nèi)燃機輸出電功率基本承擔了電能負荷的基荷部分；光伏發(fā)電設備主動接入系統(tǒng)，且被系統(tǒng)完全消納，此時系統(tǒng)從電網(wǎng)吸收電功率降低，尤其是在第9、11和12h用電高峰期為0kW，充分體現(xiàn)了系統(tǒng)實現(xiàn)削峰填谷作用；系統(tǒng)中儲電設備的充、放電功率較低，儲電設備對系統(tǒng)參與度小，有利于提高儲電設備壽命，同時也說明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自我消納，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。夏季日前各個設備熱功率出力情況如圖4所示，缸套水換熱器輸出的熱能功率穩(wěn)定，滿足一天的熱能負荷基荷。系統(tǒng)的熱能負荷在一天內(nèi)存在2個峰荷時段，煙氣吸收熱泵調(diào)節(jié)靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)對熱能輸出的“隨入隨放，隨出隨?！惫δ?。同時，儲熱設備通過吸收和放出熱量維持熱力系統(tǒng)的功率穩(wěn)定性，有效調(diào)節(jié)熱力系統(tǒng)經(jīng)濟穩(wěn)定運行。夏季日前各個設備冷功率出力情況如圖5所示，夏季冷能需求最大，主要由煙氣吸收熱泵供給冷能負荷，煙氣吸收熱泵輸出冷功率穩(wěn)定，滿足系統(tǒng)冷能負荷平衡。電制冷機靈活運行，在煙氣吸收熱泵冷功率不足時，提供部分冷能，滿足冷力系統(tǒng)負荷缺額，實現(xiàn)“源-荷-儲”功率平衡，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

圖2 夏季日前冷-熱-電負荷圖

圖3 夏季日前各個設備電功率出力圖

采用冬季日前負荷對綜合能源系統(tǒng)運行結(jié)果分析如下：

圖4 夏季日前各個設備熱功率出力圖

圖5 夏季日前各個設備冷功率出力圖

冬季日前冷-熱-電負荷情況及各個設備電功率出力情況如圖6、圖7所示，在電能谷時段(第1—6h以及第24h)燃氣內(nèi)燃機電功率出力較少，此時，電網(wǎng)功率價格低，電網(wǎng)電功率出力大，有利于系統(tǒng)經(jīng)濟運行；在電能峰時段(第7—22h) 燃氣內(nèi)燃機電功率隨電能負荷需求增加而增加，其提供了電能負荷的50%以上，且輸出穩(wěn)定。從第9—17h，光伏發(fā)電出力明顯，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)完全消納光伏電功率，峰時段系統(tǒng)從電網(wǎng)接收的功率降低，特別是在第10、11h，系統(tǒng)幾乎不需要從電網(wǎng)吸收電能，能夠完全自主發(fā)電和消納，在用電的高峰期(第12—15h)電網(wǎng)電功率較低，實現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟性最優(yōu)。在冬季日前優(yōu)化中，儲電設備的充、放電功率均在較低水平，既減少儲電設備的維護費用，又提高設備的使用壽命。冬季日前各個設備熱功率出力情況如圖8所示，系統(tǒng)通過從缸套水換熱器中接納大量的熱能供給負荷使用。當缸套水換熱器提供的熱功率不足時，系統(tǒng)通過煙氣吸收熱泵、電鍋爐靈活運行，并供給了熱能負荷缺額，當熱能出力較多時，儲熱設備投入運行，以儲存部分熱能或發(fā)出部分熱能方式調(diào)節(jié)系統(tǒng)運行，實現(xiàn)熱能系統(tǒng)的功率平衡。冬季日前各個設備冷功率出力情況如圖9所示，因冬季冷功率需求較低，系統(tǒng)則通過煙氣吸收熱泵良好的制冷效應和電制冷機制冷運行實現(xiàn)對冷負荷的全部供應。

圖6 冬季日前冷-熱-電負荷圖

圖7 冬季日前各個設備電功率出力圖

圖8 冬季日前各個設備熱功率出力圖

圖9 冬季日前各個設備冷功率出力圖

在費用方面，將冷-熱-電綜合能源系統(tǒng)與未添加儲能系統(tǒng)進行分析，結(jié)果如表2所示。

表2 優(yōu)化費用對比

由表2可知，通過添加儲能，系統(tǒng)功率存在一個緩沖空間，降低了系統(tǒng)在購電和購買天然氣的費用，系統(tǒng)總成本減小。

綜上所述，冷-熱-電綜合能源系統(tǒng)在冬、夏季日前負荷條件下實現(xiàn)需求供給平衡，“源-荷-儲”各個設備充分參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)，有效提高了系統(tǒng)的能源利用率，充分消納、吸收系統(tǒng)中光伏發(fā)電功率，大大促進環(huán)境保護和系統(tǒng)經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論

1）基于冷-熱-電綜合能源系統(tǒng)拓撲，耦合多種能源生產(chǎn)方式，包括燃氣內(nèi)燃機的制電、制冷效應，煙氣吸收熱泵良好的制冷、制熱性能以及眾多的能源轉(zhuǎn)換裝置，系統(tǒng)中加入光伏發(fā)電機組，提高可再生能源的滲透率，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，加入儲熱/儲電設備以增加系統(tǒng)功率的容量裕度，并對系統(tǒng)進行優(yōu)化運行。

2）以系統(tǒng)整體運行經(jīng)濟性最優(yōu)為優(yōu)化目標，考慮設備模型約束與功率平衡約束，并采用冬、夏季日前負荷參數(shù)進行優(yōu)化計算。由于冬、夏季負荷特性差異較大，系統(tǒng)運行工況復雜，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)設備參數(shù)使其運行在較適宜條件下運行。所建模型為強耦合、非線性和強非凸特征，采用分支界定算法求解模型。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)功率平衡，能夠穩(wěn)定運行，且整體系統(tǒng)具有良好的制電、制熱、制冷效應，滿足負荷需求，“源-荷-儲”的互補搭配極大地提高系統(tǒng)優(yōu)化運行能力，系統(tǒng)運行方式靈活，能流供給多變，同時，系統(tǒng)所排放污染氣體少，治理成本較低，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟效益和環(huán)境保護最大化。

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Research on Optimal Operation of Cold-Thermal-Electric Integrated Energy System Considering Source-Load-Storage Multi-Energy Complementarity

OYANG Bin1,2, YUAN Zhichang2, LU Chao2, QU Lu2, LI Dongdong1

(1. Electric Power Engineering, Shanghai University of Electricity Power, Yangpu District, Shanghai 200090, China; 2. Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Haidian District, Beijing 100084, China)

The integrated energy system (IES) is based on multi-energy complementarity and energy ladder utilization, which will greatly improve the energy utilization of the system and achieve multiple energy flow complementary optimization. A cold-thermal-electric IES was established. The objective function is the lowest total operating cost of the system. Considering the constraints of equipment model and power balance, the daily load is used to simulate the economic optimal operation of the comprehensive energy system. Considering that the operating conditions of the system vary greatly in winter and summer, the operation mode is adjusted by the seasons,and the branch and bound (B-a-B) was used to solve the optimization model. The simulation results show that the system energy supply balance, "source-load-storage" complementary collocation, the system is flexible, economical and efficient, and at the same time, the system emits less pollutant gas, which is conducive to environmental protection.

integrated energy system (IES); multi-energy complementarity; source-load-storage; optimal operation; different seasonal adjusts; branch and bound

附錄A

圖A1 求解步驟

Fig. A1 Solving steps

表A1 綜合能源系統(tǒng)設備參數(shù)

續(xù)表

10.12096/j.2096-4528.pgt.19100

TK 01

2019-06-25。

國家重點研發(fā)計劃項目(2018YFB0905105)。

Project Supported by National Key Research and Development Program (2018YFB0905105).

歐陽斌(1993)，男，碩士研究生，研究方向為綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行，943278423@qq.com；

歐陽斌

屈魯(1987)，男，博士，助理研究員，研究方向為直流電網(wǎng)技術(shù)和綜合能源技術(shù)等，qulu@tsinghua.edu.cn。

屈魯

(責任編輯 楊陽)