基于多能源協(xié)同的微能網(wǎng)群能源轉(zhuǎn)供優(yōu)化模型

李哲，李俊杰，周念成，楊龍杰，吳雪翚

(1. 國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院，重慶401120；2.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室(重慶大學(xué))， 重慶400044)

0 引言

隨著綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system, IES)建設(shè)的不斷深入，不同形式的能源相互耦合，解決能源短缺、促進(jìn)節(jié)能減排、減少一次能源消耗已成為目前亟待解決的問題[1 - 3]。IES可充分發(fā)揮各種能源的產(chǎn)能特征、多能互補(bǔ)、梯級利用等分布式供能優(yōu)勢，以電能為各種一次能源與二次能源的轉(zhuǎn)換樞紐能源，形成密集型能源交互的大型IES[4 - 5]。

微能網(wǎng)是一個集能源互聯(lián)、轉(zhuǎn)化、耦合、存儲等功能于一體的小型綜合能源供應(yīng)系統(tǒng)，也是IES的基本單位和重要組成部分[6 - 7]。微能網(wǎng)以配電、配氣、供熱/冷等多種供能系統(tǒng)耦合互聯(lián)形成，與外部能源集線器之間實現(xiàn)能源的多能互補(bǔ)和就地消納。針對用戶用能的需求特點和本地資源條件，微能網(wǎng)可實現(xiàn)分布式能源生產(chǎn)的互補(bǔ)、能源梯級利用和高效運(yùn)行[8 - 10]。目前，關(guān)于微能網(wǎng)的研究已引起國內(nèi)外相關(guān)工作者的關(guān)注。文獻(xiàn)[11]建立了多能互補(bǔ)的微能網(wǎng)在孤島和并網(wǎng)模式下的協(xié)調(diào)調(diào)度模型，引入了電、氣、熱/冷等多類型負(fù)荷的需求，以電轉(zhuǎn)氣(power to gas，P2G)裝置實現(xiàn)電氣網(wǎng)絡(luò)雙向互通。文獻(xiàn)[12]綜合了居民日常生活等各種用電設(shè)備進(jìn)行微能網(wǎng)建模，同時考慮了用戶能源使用偏好，建立了最小化用能成本、碳排放量、負(fù)荷極值等的混合整數(shù)線性規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[13]基于能源集線器架構(gòu)，由電力與天然氣構(gòu)成多能源園區(qū)的優(yōu)化調(diào)度模型，調(diào)度結(jié)果表明，多能源聯(lián)合供應(yīng)時的系統(tǒng)供能成本要小于只有電力供應(yīng)的情況。文獻(xiàn)[14]在冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)(combined cooling heating and power，CCHP)兩種典型運(yùn)行模式下，建立了微能網(wǎng)能量流的綜合優(yōu)化調(diào)度模型，通過CCHP供能率指標(biāo)反映了電力-天然氣網(wǎng)的耦合程度。文獻(xiàn)[15]建立了基于線性耦合關(guān)系的多能系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行優(yōu)化模型，最大限度地利用可再生能源，同時降低運(yùn)營成本。文獻(xiàn)[15]構(gòu)建了包含CCHP、低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)清潔能源和儲能單元的微能網(wǎng)多能源耦合樞紐，利用多能互補(bǔ)的優(yōu)勢提高了微能網(wǎng)的運(yùn)行效率。文獻(xiàn)[16]介紹了微能網(wǎng)的概念，并基于能源集線器建立了氣、電、熱、冷能量之間的等效轉(zhuǎn)化模型和建立電、熱、冷3種能源的通用儲能模型，研究了單個微能網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行問題。上述對微能網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行方法的研究主要集中在對單個微能網(wǎng)進(jìn)行建模優(yōu)化，而微能網(wǎng)之間通過能源集線器實現(xiàn)互聯(lián)有助于進(jìn)一步提高能源網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可靠性。因此有必要研究針對多個互聯(lián)微能網(wǎng)即微能網(wǎng)群的優(yōu)化運(yùn)行模型。

微能網(wǎng)群的可控設(shè)備包括微能網(wǎng)內(nèi)部的可調(diào)分布式能源機(jī)組以及實現(xiàn)微能網(wǎng)互聯(lián)的外部能源集線器[17 - 18]，因此本文通過建立微能網(wǎng)群的通用網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，從微能網(wǎng)內(nèi)部的多能源轉(zhuǎn)供優(yōu)化和微能網(wǎng)之間的多能源轉(zhuǎn)供優(yōu)化2個階段實現(xiàn)微能網(wǎng)群內(nèi)多種能源轉(zhuǎn)供優(yōu)化，并建立微能網(wǎng)群的多能轉(zhuǎn)供混合整數(shù)線性規(guī)劃模型。最后通過對兩個階段的轉(zhuǎn)供分析進(jìn)行算例驗證。

1 微能網(wǎng)群的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.1 微能網(wǎng)群的基本概念

微能網(wǎng)群的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、運(yùn)行方式與區(qū)域IES類似，且包含多個微能網(wǎng)，為此可結(jié)合區(qū)域IES和微能網(wǎng)的概念，形成微能網(wǎng)群的定義。根據(jù)文獻(xiàn)[19 - 22]可知，區(qū)域IES是由電、氣、冷/熱等多種形式的供能網(wǎng)絡(luò)，通過能源交換環(huán)節(jié)相互連接，并采用能源存儲技術(shù)，廣泛的分布式終端綜合能源供用單元以及大量用戶多能終端消耗單元共同構(gòu)成的能源產(chǎn)供銷一體化系統(tǒng)。而微能網(wǎng)是電-熱-氣能源網(wǎng)絡(luò)，其輸入為多種形式的一次能源、或者是電-熱-氣能源網(wǎng)絡(luò)，輸出網(wǎng)絡(luò)為電-熱-氣-冷的單一能源或者幾種能源網(wǎng)絡(luò)的組合[23 - 24]。

因此，微能網(wǎng)群的基本概念定義如下：微能網(wǎng)群是指一定區(qū)域內(nèi)在地理位置上相互毗鄰且具備多能互補(bǔ)的微能網(wǎng)，以及該區(qū)域內(nèi)分布式供能、儲能和用能負(fù)荷通過能源集線器相互耦合而共同組成的集合。微能網(wǎng)群主要具備以下優(yōu)勢：1)通過區(qū)域內(nèi)微能網(wǎng)及供能、儲能、用能設(shè)備之間的能源協(xié)調(diào)控制和能源轉(zhuǎn)化互供，微能網(wǎng)群能夠更有效地應(yīng)對可再生能源和負(fù)荷的不確定性、單一微能網(wǎng)備用容量不足等各種復(fù)雜工況，為區(qū)域提供緊急能源支撐，提高微能網(wǎng)解決能源短缺問題的能力；2)微能網(wǎng)群能更大限度地提升微能網(wǎng)群內(nèi)分布式供能系統(tǒng)和分布式儲能單元的能效，增強(qiáng)區(qū)域整體的供能可靠性、靈活性與運(yùn)行穩(wěn)定性。

1.2 基于能源集線器互聯(lián)的微能網(wǎng)群通用架構(gòu)

根據(jù)第1.1節(jié)各基本概念的聯(lián)系和區(qū)別，圖1給出了微能網(wǎng)群的通用網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在文獻(xiàn)[25]提出的“以能源集線器為支撐骨架的綜合能源系統(tǒng)形態(tài)”基礎(chǔ)上，本文引入第1.1節(jié)所提“微能網(wǎng)群”的基本概念，形成較為完善的微能網(wǎng)群的通用網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

圖1 微能網(wǎng)群網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.1 Architecture of micro-energy network group

在微能網(wǎng)群中，微能網(wǎng)之間通過外部能源集線器實現(xiàn)互聯(lián)，能源集線器的輸入端和輸出端均為電-熱-氣，這類能源集線器功率較大，以小型熱電廠、容量較大的冷熱電機(jī)組等為代表。此外，在微能網(wǎng)中，能源集線器輸入端的接入能源形式多樣，不僅有風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能等大量可再生能源，還包括熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、P2G機(jī)組、鍋爐等多種能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，而輸出端的能源主要為冷、熱、電和氣。這些可再生能源的發(fā)電設(shè)備、能源轉(zhuǎn)換設(shè)備同樣可統(tǒng)一歸納為能源集線器模型，只是該能源集線器功率相對較小，形式較多。

微能網(wǎng)內(nèi)部接入的負(fù)荷主要包括電、熱、氣和冷負(fù)荷[26 - 27]。其負(fù)荷性質(zhì)可以是工業(yè)電-冷負(fù)荷，也可以是民用的電-熱負(fù)荷等。可見，用戶用能成分可能是一種形式的能源，也可能是多種形式能源的組合。按照用戶耗能負(fù)荷的性質(zhì)，微能網(wǎng)內(nèi)部用戶側(cè)消耗的能源主要是以電-熱、電-熱-冷或者電-熱-氣-冷等多種形式能源的組合。

由圖1可知，微能網(wǎng)之間互聯(lián)的外部能源集線器主要作用是電-熱-氣的分配、轉(zhuǎn)換，以及為微能網(wǎng)內(nèi)部用戶提供電-氣-熱-冷等多種能源組合，用于多能互補(bǔ)和就地消納。

2 基于能源集線器的微能網(wǎng)模型

由第1節(jié)中外部能源集線器的輸入端和輸出端可知，現(xiàn)有的能源集線器模型已經(jīng)較為實用。因此，下面本文對單個微能網(wǎng)進(jìn)行詳細(xì)建模。

典型的微能網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，微能網(wǎng)共由4個環(huán)節(jié)組成，分別是供給環(huán)節(jié)、傳輸環(huán)節(jié)、儲能環(huán)節(jié)和消耗環(huán)節(jié)。每個環(huán)節(jié)再采用能源集線器進(jìn)行建模，最后將4個部分的模型進(jìn)行高度抽象和集成，得到最終的微能網(wǎng)模型。

圖2 典型的微能網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Typical structure of micro-energy network

2.1 供給環(huán)節(jié)

供給部分包括外部電、熱、天然氣能源網(wǎng)絡(luò)，其能源集線器的矩陣表達(dá)式為

(1)

式中：Ps、Hs、Qs分別為電、熱、氣的供給能量；Pbuy為微能網(wǎng)向外部微電網(wǎng)的購電功率；Pre為接入微能網(wǎng)的新能源發(fā)電注入功率；Phub為外部能源集線器向微能網(wǎng)提供的電功率；Hhn為外部熱網(wǎng)向微能網(wǎng)單向輸送熱量；Hhub為外部能源集線器向微能網(wǎng)提供的熱量；Qgn為外部氣網(wǎng)向微能網(wǎng)單向輸送氣量；Qhub為外部能源集線器向微能網(wǎng)提供的氣量。

2.2 傳輸環(huán)節(jié)

在能源的傳輸環(huán)節(jié)中，通過電轉(zhuǎn)氣系統(tǒng)、電熱鍋爐、燃?xì)忮仩t和熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)等能源轉(zhuǎn)換裝置，將能源側(cè)“供應(yīng)”與負(fù)荷側(cè)“需求”連接起來。在電-熱-氣系統(tǒng)的傳輸環(huán)節(jié)中，由于這3種能源間具有分配關(guān)系和轉(zhuǎn)換關(guān)系，故本文將其進(jìn)一步細(xì)分為能源分配階段和轉(zhuǎn)換階段。

2.2.1 能源分配階段

為了不失一般性，本文在建模時同時考慮了P2G系統(tǒng)、電熱鍋爐、燃?xì)忮仩t和CCHP這4種能源轉(zhuǎn)換裝置。假設(shè)電負(fù)荷需求量為Pload，電熱鍋爐的電功率的需求量為PEB，熱負(fù)荷需求量為Hload，燃?xì)忮仩t的天然氣量需求量為QGB，熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的天然氣量需求量為QCHP，則結(jié)合式(1)中注入微能網(wǎng)的Ps、Hs、Qs，可通過式(2)得到以上電-熱-氣需求量。

(2)

式中：λload、λEB、λP2G分別為電力供給源Ps分配給電負(fù)荷、電熱鍋爐、P2G系統(tǒng)的分配系數(shù)；βload、βGB、βCHP分別為天然氣供給源Qs分配給氣負(fù)荷、燃?xì)忮仩t、熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的分配系數(shù)。以上分配系數(shù)應(yīng)分別滿足

(3)

2.2.2 能源轉(zhuǎn)換階段

通過將供給源的電-熱-氣按照分配系數(shù)λload、λEB、λP2G、βload、βGB、βCHP分配至P2G系統(tǒng)、電熱鍋爐、燃?xì)忮仩t和冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)后，即進(jìn)行電-熱-氣的能源轉(zhuǎn)換輸出，相應(yīng)的輸出量分別用Pout、Hout、Qout表示。此外，CCHP的溴化鋰裝置還可輸出冷氣量Lout。因此，能源轉(zhuǎn)換可用式(4)表達(dá)。

(4)

此時，將式(2)和式(4)聯(lián)立，可形成傳輸環(huán)節(jié)的矩陣表示式，即：

(5)

2.3 儲能環(huán)節(jié)

微能網(wǎng)中的儲能元件主要是儲能電池、用于儲熱的蓄熱槽以及天然氣儲氣罐。假設(shè)儲電、儲熱、儲氣總量分別是PBS、HHS、QGS，則電-熱-氣的總輸出為Pout′、Hout′、Qout′和Lout′， 即：

(6)

2.4 消耗環(huán)節(jié)

消耗環(huán)節(jié)主要是指民用或者工業(yè)用戶側(cè)進(jìn)行需求側(cè)管理的過程。例如，根據(jù)熱慣性原理，可以在用戶側(cè)進(jìn)行空調(diào)輪控、暖氣調(diào)控，利于減少電負(fù)荷、熱負(fù)荷；或者根據(jù)工業(yè)可控負(fù)荷協(xié)議，對某些工業(yè)用戶采取限氣、限熱、限冷、限電的需求側(cè)管理手段，合理調(diào)控用戶側(cè)的能源消耗總量。

假設(shè)電-熱-氣的總輸出為Pout″、Hout″、Qout″和Lout″， 與式(6)類似，其表達(dá)式為。

(7)

式中：PCut、HCut、QCut和LCut分別為參與需求側(cè)調(diào)控的電負(fù)荷、熱負(fù)荷、氣負(fù)荷和冷負(fù)荷的總量。

綜上所述，根據(jù)供給環(huán)節(jié)、傳輸環(huán)節(jié)、儲能環(huán)節(jié)、消耗環(huán)節(jié)的建模，可得微能網(wǎng)的能源集線器模型為：

(8)

式中C*為式(5)中形成的耦合矩陣。

3 微能網(wǎng)群的能源轉(zhuǎn)供優(yōu)化模型

在需求側(cè)中，由于電-熱-氣的負(fù)荷配比不均衡，以及電-熱-氣的多能負(fù)荷特性(如高位負(fù)荷錯峰、峰谷差等特性)差異較大，使得微能網(wǎng)之間具備多能互補(bǔ)、多能互供的協(xié)調(diào)運(yùn)行模式。因此，為充分挖掘微能網(wǎng)之間協(xié)調(diào)優(yōu)化的巨大潛力，在協(xié)調(diào)過程中，應(yīng)充分發(fā)揮微能網(wǎng)中可再生能源發(fā)電設(shè)備、電-熱-氣能源轉(zhuǎn)換裝置和電-熱-氣儲能元件的能源生產(chǎn)能力，通過與上級外部能源集線器的協(xié)調(diào)，實現(xiàn)能源的轉(zhuǎn)供優(yōu)化。

在能源轉(zhuǎn)供優(yōu)化中，本文將能源轉(zhuǎn)供過程分為2個階段：1)微能網(wǎng)內(nèi)部的多能源轉(zhuǎn)供優(yōu)化；2)微能網(wǎng)間協(xié)同的多能源轉(zhuǎn)供優(yōu)化。具體形式如圖3所示。

第1階段是從微能網(wǎng)內(nèi)解決某種“特定”能源短缺，通過對該微能網(wǎng)內(nèi)部的其他形式能源進(jìn)行挖掘及轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)多能的負(fù)荷平衡。在物理上，主要通過微能網(wǎng)內(nèi)部的各種能源轉(zhuǎn)換設(shè)備實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)供。例如P2G機(jī)組可實現(xiàn)電轉(zhuǎn)氣，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組可實現(xiàn)氣轉(zhuǎn)電，熱泵可實現(xiàn)電轉(zhuǎn)熱，燃?xì)忮仩t可實現(xiàn)氣轉(zhuǎn)熱。

圖3 微能網(wǎng)群能源轉(zhuǎn)供的2個階段Fig.3 Two phases of energy transfer in micro-energy network group

第2階段是在某微能網(wǎng)無法實現(xiàn)自身多能負(fù)荷平衡的情況下，通過其他微能網(wǎng)解決該微能網(wǎng)“特定”能源“內(nèi)部”供不應(yīng)求的問題。在物理上，主要通過電網(wǎng)和管道經(jīng)能源集線器實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)供，其中，電能通過中低壓配電網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互聯(lián)，熱能、氣能通過熱氣管網(wǎng)實現(xiàn)互聯(lián)，以優(yōu)化內(nèi)部能源消耗比例為目標(biāo)，對其他微能網(wǎng)進(jìn)行合理調(diào)控，使得外部能源集線器可“分配”的“特定”能源更符合實際需求，以解決該微能網(wǎng)“特定”能源短缺問題。在該階段中，由于電能可雙向傳輸，因此微能網(wǎng)中接入的新能源系統(tǒng)發(fā)電既可就地消納，也可余電上網(wǎng)；但是天然氣是通過壓力閥逐級傳輸，而熱能也盡可能避免遠(yuǎn)距離傳輸，以防止出現(xiàn)大量熱能損耗，故熱能和天然氣僅考慮外部能源集線器向微能網(wǎng)單向傳輸，而不考慮反向傳輸?shù)那闆r。

根據(jù)第2節(jié)提出的微能網(wǎng)模型，并結(jié)合微能網(wǎng)群能源轉(zhuǎn)供的2個階段可知，第1階段的控制對象是某個具體的微能網(wǎng)；而第2階段的控制對象是微能網(wǎng)群。因此，根據(jù)第2節(jié)的微能網(wǎng)模型，將微能網(wǎng)群能源轉(zhuǎn)供的2個階段按供給環(huán)節(jié)、傳輸環(huán)節(jié)、儲能環(huán)節(jié)和消耗環(huán)節(jié)分別列寫出控制變量，具體內(nèi)容見表1。其中，Ω、Φ和Π分別表示多個受控微能網(wǎng)參與網(wǎng)間多能源轉(zhuǎn)供的傳輸環(huán)節(jié)、儲能環(huán)節(jié)和消耗環(huán)節(jié)的控制變量集合。

表1 微能網(wǎng)群能源轉(zhuǎn)供優(yōu)化的控制變量Tab.1 Decision variables of the optimal energy transfer in micro-energy network group

3.1 第1階段：微能網(wǎng)內(nèi)部的多能源轉(zhuǎn)供優(yōu)化

3.1.1 目標(biāo)函數(shù)

第1階段的能源轉(zhuǎn)供優(yōu)化總費用是由供給環(huán)節(jié)的能源轉(zhuǎn)供生產(chǎn)成本增量，傳輸環(huán)節(jié)的損耗成本增量、儲能環(huán)節(jié)的儲能成本增量、消耗環(huán)節(jié)的能源負(fù)荷響應(yīng)成本增量共同構(gòu)成的。

轉(zhuǎn)供后的生產(chǎn)成本增量ΔF1為：

ΔF1=Ce·ΔPbuy+Cr·ΔPre+Cq·ΔQgn+Ch·ΔHhn

(9)

式中：ΔPbuy、ΔPre、ΔQgn、ΔHhn分別為能源轉(zhuǎn)供后的外部購電增量、可再生能源發(fā)電增量、外部購氣增量和外部購熱增量；Ce、Cr、Cq和Ch分別為外部購電成本、可再生能源發(fā)電成本、外部購氣成本和外部購熱成本。

相應(yīng)地，儲能成本增量ΔF2為：

ΔF2=CPs·ΔPBS+CHs·ΔHHS+CQs·ΔQGS

(10)

式中：ΔPBS、ΔHHS、ΔQGS分別為能源轉(zhuǎn)供后的電、熱和氣儲能增量；CPs、CHs、CQs分別為儲電成本、儲熱成本和儲氣成本。

負(fù)荷響應(yīng)成本增量ΔF3為：

ΔF3=CPc·ΔPcut+CHc·ΔHcut+CQc·ΔQcut+CLc·ΔLcut

(11)

式中：ΔPcut、ΔHcut、ΔQcut、ΔLcut分別為能源轉(zhuǎn)供后的電、熱、氣和冷負(fù)荷的響應(yīng)增量；CPc、CHc、CQc、CLc分別為電負(fù)荷、熱負(fù)荷、氣負(fù)荷和冷負(fù)荷的響應(yīng)成本。

綜上所述，所建第1階段能源轉(zhuǎn)供優(yōu)化的總成本應(yīng)最低，其目標(biāo)函數(shù)F為：

minF=ΔF1+ΔF2+ΔF3

(12)

3.1.2 運(yùn)行約束3.1.2.1 微能網(wǎng)功率平衡約束

微能網(wǎng)的功率平衡約束是電、熱、氣各自能源網(wǎng)絡(luò)滿足功率平衡，即式(8)。

3.1.2.2 “供給環(huán)節(jié)”的能源輸送約束

微能網(wǎng)與外部電網(wǎng)、外部熱網(wǎng)和外部氣網(wǎng)之間可以進(jìn)行功率交換，即實現(xiàn)電能、熱能和天然氣的交易。微能網(wǎng)的輸入增量ΔPbuy、ΔHhn、ΔQgn應(yīng)分別滿足：

(13)

(14)

(15)

3.1.2.3 “傳輸環(huán)節(jié)”的能源轉(zhuǎn)換裝置的分配約束

首先，能源轉(zhuǎn)換裝置的分配約束即λload、λEB、λP2G、βload、βGB、βCHP需滿足式(3)。其次，各個能源轉(zhuǎn)換裝置的轉(zhuǎn)換約束如下。

1)對于熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)而言，其電能、熱能和冷氣的增量ΔPCHP、ΔHCHP、ΔLCHP應(yīng)滿足：

(16)

(17)

2)對于燃?xì)忮仩t而言，其熱能的增量ΔHGB應(yīng)滿足：

ΔHGB=ΔQGB·LHV·ηGB

(18)

(19)

3)對于電熱鍋爐而言，其熱能的增量ΔHEB應(yīng)滿足：

ΔHEB=ΔPEB·ηEB

(20)

(21)

4)對于P2G系統(tǒng)而言，其天然氣增量ΔQP2G應(yīng)滿足：

(22)

(23)

3.1.2.4 “儲能環(huán)節(jié)”的儲能容量約束

“儲能環(huán)節(jié)”的儲能裝置分別是儲能電池、蓄熱槽和儲氣罐?？紤]到本文研究對象為靜態(tài)時段，故不考慮儲能裝置在全天的控制策略，僅將儲能約束簡化為在滿能或零蓄能時的狀態(tài)，故儲能能源(儲電、儲熱、儲氣)EBS在充放能過程中最大功率約束應(yīng)滿足：

(24)

(25)

3.1.2.5 “消耗環(huán)節(jié)”的儲能容量約束

消耗環(huán)節(jié)的需求側(cè)管理可控電、熱、氣、冷負(fù)荷增量ΔPCut、ΔHCut、ΔQCut和ΔLCut應(yīng)滿足：

(26)

(27)

(28)

(29)

3.2 第2階段：微能網(wǎng)間協(xié)同的多能源轉(zhuǎn)供優(yōu)化

3.2.1 目標(biāo)函數(shù)

在第2階段，微能網(wǎng)的能源轉(zhuǎn)供優(yōu)化總費用主要是其他微能網(wǎng)的生產(chǎn)調(diào)整費用，為了簡化模型，本文從外部能源集線器向微能網(wǎng)提供的“電-熱-氣”的增量ΔPhub、ΔHhub、ΔQhub進(jìn)行描述。所建第2階段的轉(zhuǎn)供優(yōu)化總成本應(yīng)最低，其目標(biāo)函數(shù)G為：

minG=CPh·ΔPhub+CHh·ΔHhub+CQh·ΔQhub

(30)

式中：CPh、CHh、CQh分別為外部能源集線器的電、熱、氣的調(diào)整成本。

3.2.2 運(yùn)行約束

3.2.2.1 外部能源集線器功率平衡約束

外部能源集線器應(yīng)滿足電-熱-氣的功率平衡，并忽略網(wǎng)絡(luò)的功率損耗，即：

(31)

(32)

(33)

3.2.2.2 第2階段的調(diào)整量約束

外部能源集線器向各個微能網(wǎng)提供的電-熱-氣的增量ΔPhub、ΔHhub、ΔQhub應(yīng)滿足增減能力約束，即：

(34)

(35)

(36)

在微能網(wǎng)群能源轉(zhuǎn)供優(yōu)化模型解決能源短缺問題時，應(yīng)先進(jìn)行第1階段，當(dāng)?shù)?階段無法解決能源缺額問題時，再進(jìn)行第2階段。此外，由于該模型是一個混合整數(shù)線性規(guī)劃問題，本文采用CPLEX進(jìn)行求解。

4 算例分析

4.1 算例基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

圖4 某微能網(wǎng)群的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Diagram of micro-energy network group structure

表2 各個能源集線器(EH)輸入/出量參數(shù)Tab.2 Parameters of energy hubs

在圖4的能源集線器下接有一個微能網(wǎng)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖5。外部能源網(wǎng)絡(luò)向該微能網(wǎng)的供能增量參數(shù)見表3，各能源轉(zhuǎn)換裝置的參數(shù)見表4，各儲能裝置的參數(shù)見表5，各可控負(fù)荷的參數(shù)見表6。所建轉(zhuǎn)供模型的所有目標(biāo)函數(shù)中的單位成本系數(shù)見表7。此外，天然氣低熱值LHV為9.7。

圖5 某微能網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Diagram of micro-energy network structure

表3 外部能源網(wǎng)的供能增量參數(shù)Tab.3 Energy supply parameters of external energy networkkW

表4 能源轉(zhuǎn)換裝置的參數(shù)Tab.4 Parameters of energy conversion devices

表5 儲能裝置的參數(shù)Tab.5 Parameters of energy storage devices

表6 各個可控負(fù)荷的參數(shù)Tab.6 Parameters of each controllable loadkW

表7 目標(biāo)函數(shù)中的單位成本系數(shù)Tab.7 Unit cost coefficient in objective function

為了便于分析，本文假設(shè)該微能網(wǎng)中的電負(fù)荷重載，并設(shè)置2種不同的算例條件進(jìn)行對比分析，具體數(shù)據(jù)見表8。

表8 算例1和2的設(shè)置條件Tab.8 Setting conditions of examples 1 and 2

4.2 算例分析

4.2.1 算例1情形下的能源轉(zhuǎn)供分析

在表8的算例1設(shè)置條件中，可以看出當(dāng)前總電負(fù)荷為400 kW，通過微能網(wǎng)群能源轉(zhuǎn)供第1階段可以從熱網(wǎng)和氣網(wǎng)實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換，最大可增加200 kW，滿足此時用戶用電最大需求600 kW。圖6給出了用戶用電需求從400 kW至600 kW時各個購能增量ΔPbuy、ΔQgn、ΔHhn，轉(zhuǎn)供前后的電、熱和氣儲能增量ΔPBS、ΔHHS、ΔQGS，以及轉(zhuǎn)供后的電、熱和氣負(fù)荷的響應(yīng)增量ΔPcut、ΔHcut、ΔQcut、ΔLcut的變化。

圖6 各個購能增量的轉(zhuǎn)供前后變化圖Fig.6 Diagram of unit energy transfer solution of purchasing multi-energy

從圖6可以看出，從轉(zhuǎn)供路徑來看，在用戶的氣負(fù)荷和熱負(fù)荷并沒有變化的前提下，當(dāng)用戶用電需求在400～600 kW時，首先是不斷提供更多的電能；當(dāng)還不能滿足用戶用電需求時，再增加ΔQgn、ΔHhn，用于生產(chǎn)出更多的電能；然后，減少儲能元件中ΔPBS的電能存儲，加大新增的熱、氣ΔHHS、ΔQGS儲存；最后，僅需中斷的電負(fù)荷ΔPcut=3 kW，不需要對熱、氣、冷負(fù)荷進(jìn)行可控負(fù)荷中斷，即可實現(xiàn)整個微能網(wǎng)的電、熱、氣和冷負(fù)荷的平衡。

從轉(zhuǎn)供經(jīng)濟(jì)成本看，根據(jù)表7可知，外部購能的成本增量ΔF1的所有系數(shù)均小于儲能的成本增量F2的所有系數(shù)、儲能的成本增量ΔF2的所有系數(shù)低于可控負(fù)荷成本增量ΔF3的所有系數(shù)，這表明微能網(wǎng)群能源轉(zhuǎn)供第1階段按照外部購能優(yōu)先，剩余能源采用儲能吸收，最后再進(jìn)行中斷負(fù)荷的轉(zhuǎn)供策略。其整個能源增量轉(zhuǎn)移路徑見圖7。

圖7 微能網(wǎng)的能源增量轉(zhuǎn)移路徑Fig.7 Increment energy transfer path of micro-energy networks

綜上所述，當(dāng)電能出現(xiàn)“短缺”時，會導(dǎo)致電、熱、氣的增量變化，促使微能網(wǎng)在微能網(wǎng)群能源轉(zhuǎn)供第1階段實現(xiàn)熱、氣到電的能源轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)供優(yōu)化結(jié)果。

4.2.2 算例2情形下的能源轉(zhuǎn)供分析

在表8的算例2設(shè)置條件中，可以看出當(dāng)前總電負(fù)荷為630 kW，且通過算例1可知供電最大增量為200 kW，通過微能網(wǎng)群能源轉(zhuǎn)供第1階段無法解決用戶630 kW的電能負(fù)荷需求，需要進(jìn)行微能網(wǎng)群能源轉(zhuǎn)供第2階段。

根據(jù)第3.2節(jié)微能網(wǎng)群能源轉(zhuǎn)供第2階段的優(yōu)化模型，給出外部能源集線器的最優(yōu)轉(zhuǎn)供結(jié)果，如圖8所示。

圖8 外部能源集線器的最優(yōu)轉(zhuǎn)供結(jié)果Fig.8 Optimal transfer solution of external energy hub

根據(jù)圖8和表2可知，能源集線器1的電能是由外部能源集線器4供給的，通過微能網(wǎng)群能源轉(zhuǎn)供第2階段可以減少對能源集線器2的電能注入30 kW，用于補(bǔ)充能源集線器1的電能短缺，再對能源集線器1按照算例1的方式進(jìn)行微能網(wǎng)群能源轉(zhuǎn)供第1階段，最終實現(xiàn)微能網(wǎng)群能源轉(zhuǎn)供優(yōu)化。

5 結(jié)論

為了實現(xiàn)微能網(wǎng)群高效運(yùn)行，本文提出一種基于多能源協(xié)同的微能網(wǎng)群能源轉(zhuǎn)供優(yōu)化模型。通過算例對微能網(wǎng)群能源轉(zhuǎn)供模型進(jìn)行測試分析，結(jié)果表明：本文建立的基于能源集線器互聯(lián)的微能網(wǎng)群模型，理清了微能網(wǎng)內(nèi)部和微能網(wǎng)之間的能源轉(zhuǎn)供關(guān)系。

本文提出的能源轉(zhuǎn)供優(yōu)化模型能夠?qū)ξ⒛芫W(wǎng)群中的多種能源進(jìn)行合理的“轉(zhuǎn)化”、“轉(zhuǎn)供”及“互供”。該模型優(yōu)先在微能網(wǎng)層面解決能源的短缺問題，其次在外部能源集線器層面能“主動”改善“能量流”的分布，提高微能網(wǎng)解決能源短缺問題的能力。這樣的微能網(wǎng)群能源轉(zhuǎn)供優(yōu)化方案，對微能網(wǎng)群的安全高效運(yùn)行和可靠供應(yīng)具有重要的理論與實際意義。