考慮生物質(zhì)供給價格彈性的工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃

高陽，席皛，劉小慧，王小君

(1.中國電建集團(tuán)吉林省電力勘測設(shè)計院有限公司，長春市 130022；2. 北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京市 100044)

0 引 言

生物質(zhì)能源是僅次于煤、油、氣的全球第四大能源，其作為污染小、可再生、分布廣、可存貯的綠色能源，具有無可比擬的優(yōu)越性[1]。近年來，隨著我國環(huán)保立法的加強和技術(shù)進(jìn)步，國家能源局多次提出要推進(jìn)農(nóng)林生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)，并以東北地區(qū)作為首批試點區(qū)域。其中在我國東北工業(yè)園區(qū)推進(jìn)生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)具有如下優(yōu)勢：1)該地區(qū)冬季漫長嚴(yán)寒，供熱需求大，夏季短促溫暖，熱量需求小，相比于其他地區(qū)年電熱負(fù)荷比差異明顯；2)東北地區(qū)為主要商品糧生產(chǎn)基地，蘊含豐富的生物質(zhì)資源，為發(fā)展生物質(zhì)聯(lián)產(chǎn)提供了先決條件；3)含生物質(zhì)的混合能源系統(tǒng)供能穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)效益高[2-3]，適合東北地區(qū)發(fā)展需求；4)生物質(zhì)資源一般遠(yuǎn)離城市中心，便于工業(yè)園區(qū)收集利用，相較于傳統(tǒng)市政供熱更有優(yōu)勢。鑒于以上幾點因素，在東北地區(qū)發(fā)展以生物質(zhì)聯(lián)供機(jī)組(biomass power generation，BPG)為核心的工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system，IES)具有很好的應(yīng)用前景。但在實際推進(jìn)過程中，由于缺乏統(tǒng)一的秸稈收購模式，收購價格達(dá)不到農(nóng)民的期望，農(nóng)民出售積極性低，致使收購商所需要的秸稈量得不到滿足[4]。為此在建立以生物質(zhì)機(jī)組為核心的綜合能源系統(tǒng)過程中，考慮生物質(zhì)供給價格彈性因素，可以適當(dāng)提高收購價格，刺激農(nóng)民的積極性。

目前針對IES的規(guī)劃方法，已經(jīng)有了一定的研究，文獻(xiàn)[5]考慮投資、運行、未利用能源等成本，建立了一種考慮風(fēng)電不確定性的電氣熱綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型；文獻(xiàn)[6]在定量分析影響規(guī)劃的內(nèi)外部因素基礎(chǔ)上，提出了一種以園區(qū)IES全壽命周期等值年成本為目標(biāo)的優(yōu)化規(guī)劃方法；文獻(xiàn)[7-8]提出了一種考慮經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性等因素的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方法。但是上述研究并沒有將生物質(zhì)機(jī)組的規(guī)劃納入其中，導(dǎo)致部分生物質(zhì)資源豐富地區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃研究滯后，秸稈利用率低，浪費嚴(yán)重。

目前包含生物質(zhì)機(jī)組的IES規(guī)劃研究相對較少，文獻(xiàn)[9]考慮成本最低和可靠性最高的雙目標(biāo)優(yōu)化，提出了一種風(fēng)力-生物質(zhì)能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)劃模型；文獻(xiàn)[10]提出了一種用于熱電聯(lián)產(chǎn)及多聯(lián)產(chǎn)的新型風(fēng)能生物質(zhì)能綜合能源系統(tǒng)；文獻(xiàn)[11]考慮了電池儲能和生物質(zhì)發(fā)電，提出了一種風(fēng)柴儲生物質(zhì)微電網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化規(guī)劃方法；文獻(xiàn)[12-13]提出了一種綜合考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、節(jié)能性的基于生物質(zhì)能和太陽能冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)優(yōu)化配置模型；文獻(xiàn)[14]提出了一種考慮環(huán)境和成本因素影響的生物質(zhì)-風(fēng)-光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方法。上述研究雖然在系統(tǒng)規(guī)劃中考慮到對當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)資源加以利用，但是普遍是將生物質(zhì)機(jī)組作為輔助供能設(shè)備進(jìn)行規(guī)劃，缺乏以生物質(zhì)機(jī)組為核心供能設(shè)備的實際研究。

與此同時，在秸稈收集方面，傳統(tǒng)規(guī)劃往往是以生物質(zhì)秸稈理想收購情況為前提，文獻(xiàn)[15-17]考慮秸稈的收集、運輸、存儲等成本建立了生物質(zhì)收集成本模型，其中文獻(xiàn)[16]考慮了市場的調(diào)節(jié)作用對生物質(zhì)燃料單位采購價格的影響；文獻(xiàn)[18]建立了生物質(zhì)發(fā)電動態(tài)成本模型，研究了不同秸稈價格對發(fā)電成本的影響。上述研究在秸稈收購方面均采用固定的市場收購價格，并沒有考慮實際收購價格彈性問題，致使結(jié)果與實際應(yīng)用有一定的差異。文獻(xiàn)[19]研究了能源發(fā)電的市場價格與其供應(yīng)能力之間的關(guān)系；文獻(xiàn)[20-22]采用雙對數(shù)模型分別研究了煤炭、石油、棉花的價格彈性問題。在上述研究背景下，針對我國東北地區(qū)獨特的環(huán)境資源狀況，發(fā)展以生物質(zhì)機(jī)組為核心、以價格因素為導(dǎo)向的綜合能源系統(tǒng)，具有較高的實際工程應(yīng)用價值。

本文在現(xiàn)有研究成果基礎(chǔ)上，提出一種考慮生物質(zhì)供給價格彈性的IES規(guī)劃方法。首先，考慮生物質(zhì)能的收購價格彈性因素，建立生物質(zhì)秸稈燃料的收集成本模型。其次，構(gòu)建以生物質(zhì)熱電聯(lián)供機(jī)組為核心，考慮秸稈價格彈性的IES雙層規(guī)劃框架，通過對雙層模型求解，得到考慮生物質(zhì)供給價格彈性因素后使IES經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的規(guī)劃方案。最后，通過吉林省某典型工業(yè)園區(qū)仿真結(jié)果驗證所提方法的正確性和有效性。

1 以生物質(zhì)機(jī)組為核心的IES

綜合能源系統(tǒng)作為新一代能源系統(tǒng)的重要組成，統(tǒng)籌兼顧多能的供需兩側(cè)，實現(xiàn)多能交融、互補優(yōu)化、集成化協(xié)同管理，是滿足不同用戶多類型用能需求的堅實保障[23-24]。傳統(tǒng)的綜合能源系統(tǒng)以燃?xì)廨啓C(jī)、熱電聯(lián)供(combined heat and power，CHP)為核心設(shè)備，耦合多種能源網(wǎng)絡(luò)；供能模式采用“以熱定電”，易造成嚴(yán)重的棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象。針對我國東北地區(qū)氣候特征和資源優(yōu)勢，可考慮建設(shè)以生物質(zhì)機(jī)組為核心的電熱綜合能源系統(tǒng)，以生物質(zhì)聯(lián)供機(jī)組替代傳統(tǒng)供能設(shè)備，其簡化的基本架構(gòu)如圖1所示。

圖1 以生物質(zhì)機(jī)組為核心的IES架構(gòu)Fig.1 IES framework with biomass unit as the core

生物質(zhì)秸稈資源通過熱電聯(lián)產(chǎn)方式同時供給園區(qū)內(nèi)的大部分電熱負(fù)荷，能源轉(zhuǎn)換效率可達(dá)80%～88%[25]。熱電聯(lián)產(chǎn)中生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化路線分為2類：

直接燃燒技術(shù)和氣化技術(shù)。直接燃燒技術(shù)是通過流化床鍋爐、爐排鍋爐對生物質(zhì)秸稈直接進(jìn)行燃燒，其中流化床鍋爐的效率約為85%，爐排鍋爐燃燒率為65%。氣化技術(shù)指通過熱化學(xué)反應(yīng)將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高效能的合成氣。2種生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)相比，前者技術(shù)成熟，原料預(yù)處理過程簡單，隨電站規(guī)模的擴(kuò)大成本會降低，應(yīng)用廣泛；后者系統(tǒng)簡單，占地面積小，供能效率更高，氣體污染物排放較少?？傊镔|(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)方式與單獨發(fā)熱發(fā)電相比可節(jié)約30%的燃料，整體能源效率更高。

考慮以生物質(zhì)聯(lián)供機(jī)組作為園區(qū)主要供能設(shè)備的同時，在園區(qū)綜合能源系統(tǒng)中增加蓄熱電鍋爐(regenerative electric boiler，REB)、蓄電池(electricity storage，ES)設(shè)備實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換與存儲，不再單獨由熱電聯(lián)供機(jī)組滿足熱負(fù)荷，解耦熱電聯(lián)系，打破傳統(tǒng)“以熱定電”的模式[26]，使生物質(zhì)機(jī)組出力更加靈活。此外，在供能設(shè)計中考慮到該地區(qū)還具有豐富的風(fēng)光資源，可以配置風(fēng)光機(jī)組作為園區(qū)輔助供能設(shè)備。

2 生物質(zhì)機(jī)組燃料收集及出力模型

本文所研究的以生物質(zhì)機(jī)組為核心的IES規(guī)劃問題，合理收集生物質(zhì)燃料是機(jī)組穩(wěn)定運行和系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)。因此，本節(jié)首先基于生物質(zhì)燃料的供應(yīng)現(xiàn)狀引入生物質(zhì)供給價格彈性因素，建立以收購價格為自變量的雙對數(shù)供給模型。其次，考慮秸稈原料的收集過程，構(gòu)建一種含供給價格彈性的生物質(zhì)燃料收集成本計算方法。最后由生物質(zhì)聯(lián)供機(jī)組輸出功率與輸入秸稈之間的靜態(tài)特性，建立生物質(zhì)機(jī)組的出力模型。

2.1 生物質(zhì)燃料收集成本模型

2.1.1生物質(zhì)燃料秸稈的供給模型

遵循目前生物質(zhì)秸稈資源供小于求的現(xiàn)狀，根據(jù)購買價格與供應(yīng)能力之間的市場規(guī)律，可以采用提高收購價格的方式刺激農(nóng)民出售秸稈的積極性，從而增加園區(qū)秸稈可收集量[19]。因此，本文在構(gòu)建生物質(zhì)秸稈供給模型中引入生物質(zhì)供給價格彈性因素來反映秸稈收購價格的高低對園區(qū)秸稈可收集量多少的影響。同時考慮到目前缺乏秸稈統(tǒng)一收購機(jī)制導(dǎo)致秸稈供給存在不確定性，秸稈收購量與收購價格之間不一定滿足理想的線性關(guān)系，所以可以將價格與收購量同時取對數(shù)建立雙對數(shù)供給方程模型，使用雙對數(shù)形式估算供給價格彈性系數(shù)[20-22]的方法不會改變數(shù)據(jù)的性質(zhì)和關(guān)系，而且能夠使序列平穩(wěn)，縮小數(shù)據(jù)的絕對值，方便計算，同時該模型中斜率表示價格的相對變化引起供給量的相對變化，即供給價格彈性。

基于上述分析，生物質(zhì)供給模型表述為：

lnm=α1+α2lnpb+u

(1)

式中：m為一年中秸稈的供給量；pb為該年秸稈的收購價格；α1為待定常數(shù)；α2為比例系數(shù)；u為隨機(jī)誤差項，指其他影響因素和隨機(jī)因素對供給量的影響。

將式(1)兩邊同時求微分變化，可得：

(2)

由式(2)可得，比例系數(shù)α2表示秸稈供給相對變化量與收購價格相對變化量之比。

同時對生物質(zhì)供給關(guān)系使用微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)中價格彈性的定義，生物質(zhì)供給價格彈性系數(shù)ed表示為：

(3)

由式(2)、(3)可知，α2=ed。所以生物質(zhì)供給模型采用式(1)所示的雙對數(shù)形式，比例系數(shù)α2表示生物質(zhì)供給價格彈性系數(shù)。

利用歷史數(shù)據(jù)和市場調(diào)研數(shù)據(jù)，對生物質(zhì)供給方程中的有關(guān)系數(shù)進(jìn)行估計。實踐研究證明，最小二乘法是當(dāng)今最為有效的一種供給價格彈性估計法。經(jīng)過反復(fù)回歸擬合，結(jié)果如下：α2=1.0，α1+u=6.492 2，表明生物質(zhì)供給模型為線性函數(shù)；相關(guān)系數(shù)為0.985 5，證明該模型方程成立。生物質(zhì)供給模型曲線如圖2所示。

圖2 生物質(zhì)供給模型曲線Fig.2 Curve of biomass supply model

2.1.2生物質(zhì)燃料秸稈的收集成本模型

1)目標(biāo)函數(shù)。

根據(jù)文獻(xiàn)[16-17]中建立的秸稈收集成本模型，采用以下假設(shè)：生物質(zhì)秸稈原料在收集范圍內(nèi)均勻分布；收集過程中采用統(tǒng)一的價格收購到園區(qū)所需秸稈量；采用集中型秸稈收集模式，以專業(yè)的秸稈收儲運公司為主體按照園區(qū)要求負(fù)責(zé)生物質(zhì)原料的收集、運輸、裝卸和存儲等一系列工作。在此模式下，生物質(zhì)燃料秸稈的收集成本模型主要由采購成本、運輸成本和其他成本(包括裝卸費用、勞動力費用、生物質(zhì)儲存費用等)組成。因此，生物質(zhì)燃料的收集成本模型可以表示為：

CSC=C1+C2+C3

(4)

C1=mpb

(5)

(6)

C3=kCSC

(7)

式中：CSC為收集成本；C1為采購成本，與秸稈收購價格pb與秸稈收購量m有關(guān)；C2為運輸成本，與收購量、運輸距離r、運輸單價pt、距離曲折因子β、秸稈分布密度ρ成正比；R為秸稈的收集半徑；C3為其他成本，由于其包含的裝卸費用、勞動力費用、生物質(zhì)儲存費用等均與收集量呈正比關(guān)系，而同時收集成本也與收集量呈正比，故其他費用與收集成本存在固定比例關(guān)系，其值為k=0.15。

同時在實際的收購過程中，秸稈收購量與收集半徑、秸稈分布密度有關(guān)。

m=πR2·ρ

(8)

所以運輸成本式(6)可以整理得：

(9)

最后，在生物質(zhì)收集成本模型中引入生物質(zhì)供給價格彈性，首先將式(1)轉(zhuǎn)化為指數(shù)形式式(10)，再分別代入式(5)、式(9)，采購成本C1和運輸成本C2可以由關(guān)于收購量m的函數(shù)轉(zhuǎn)化為收購價格pb的函數(shù)。生物質(zhì)秸稈收集模型與收購價格的關(guān)系如圖3所示。

圖3 秸稈收購價格與收集量、收集成本的關(guān)系Fig.3 Relationship between the purchase price of straw and the amount and cost of collection

(10)

(11)

(12)

2)約束條件。

在實際過程中生物質(zhì)秸稈收集成本受收購價格與收集半徑等因素約束[15]。收購價格直接影響收購成本，收集半徑越大，可收集的秸稈量越多，但運輸成本將大幅上升。具體約束如下：

(13)

Rmin≤R≤Rmax

(14)

2.2 生物質(zhì)聯(lián)供機(jī)組模型

1)目標(biāo)函數(shù)。

本文主要考慮生物質(zhì)熱電聯(lián)供機(jī)組輸出電熱功率與輸入秸稈的靜態(tài)特性。生物質(zhì)機(jī)組發(fā)電功率PBPG，t與制熱功率QBPG，t的數(shù)學(xué)模型為：

PBPG,t=m(t)VaEBPGEBPG_elec

(15)

QBPG,t=PBPG,tγa

(16)

式中：m(t)為t時段生物質(zhì)機(jī)組消耗的秸稈量；Va為單位秸稈的熱值，取3 200 kcal/kg；EBPG為能源可利用率；EBPG_elec為該機(jī)組的發(fā)電效率；γa為生物質(zhì)聯(lián)供機(jī)組的熱電比。

2)約束條件。

一年的秸稈消耗量約束為：一年中生物質(zhì)機(jī)組運行消耗的秸稈量要小于總收購量，且同時為了避免未消耗秸稈量太多過于浪費，應(yīng)大于秸稈收購量的85%。

(17)

生物質(zhì)機(jī)組的電功率約束為：

(18)

3 雙層規(guī)劃模型及求解算法

雙層規(guī)劃方法利用二層遞階結(jié)構(gòu)的決策系統(tǒng)對問題進(jìn)行優(yōu)化求解。首先，上層規(guī)劃考慮生物質(zhì)燃料的供給價格彈性、全生命周期的設(shè)備運行工況等因素，對系統(tǒng)內(nèi)各類機(jī)組的裝機(jī)容量和生物質(zhì)秸稈的收購價格進(jìn)行優(yōu)化，確定一年的秸稈收購量。其次，下層規(guī)劃在此基礎(chǔ)上考慮能量供需平衡等約束，優(yōu)化各類設(shè)備的逐時出力和秸稈消耗量，并將下層優(yōu)化結(jié)果反饋給上層。通過上下層不斷迭代優(yōu)化，得到滿足園區(qū)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的規(guī)劃方案。

3.1 容量規(guī)劃模型

本文上層模型為園區(qū)各類設(shè)備容量規(guī)劃模型，優(yōu)化園區(qū)供儲設(shè)備配置容量和秸稈收購價格，使園區(qū)整體經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。所研究的園區(qū)規(guī)劃問題涉及到的備選設(shè)備有生物質(zhì)聯(lián)供機(jī)組、蓄熱電鍋爐、蓄電池、風(fēng)電機(jī)組(wind turbine，WT)、光伏機(jī)組(photovoltaic，PV)。

1)目標(biāo)函數(shù)。

上層模型的目標(biāo)函數(shù)為全生命周期內(nèi)設(shè)備年等額投資成本Cinv和年運行維護(hù)成本Crun之和最小。

minfup=Cinv+Crun

(19)

設(shè)備年等額投資成本是系統(tǒng)總投資成本通過等額分配到運行周期中的每一年的成本值，其中包括生物質(zhì)聯(lián)供機(jī)組、蓄熱電鍋爐等設(shè)備的年等額投資成本。

Cinv=Cinv,BPG+Cinv,REB+Cinv,ES+

Cinv,PV+Cinv,WT

(20)

i=BPG,REB,ES,PV,WT

(21)

式中：Cinv,BPG、Cinv,REB、Cinv,ES、Cinv,PV、Cinv,WT分別為生物質(zhì)聯(lián)供機(jī)組、蓄熱電鍋爐、蓄電池、光伏機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組的年投資成本；r為折現(xiàn)率；n為全生命周期；cinv,i為第i種設(shè)備的單位容量投資成本；Sinv,i為第i種設(shè)備的安裝容量。

年運行維護(hù)成本由下層得到，包括年秸稈收集成本CSC、購電費用Cgrid,t和運行維護(hù)費用Com,t。

(22)

2)約束條件。

上層模型的約束條件主要包括初期投資成本約束、設(shè)備安裝容量約束、安裝場所面積限制等。

(23)

(24)

(25)

3.2 運行優(yōu)化模型

下層模型為園區(qū)設(shè)備運行優(yōu)化模型。對設(shè)備逐時出力情況及生物質(zhì)機(jī)組每一時刻消耗的秸稈量進(jìn)行優(yōu)化，從而使園區(qū)的運行維護(hù)成本最小。

1)目標(biāo)函數(shù)。

下層模型的目標(biāo)函數(shù)為年運行維護(hù)成本最小，包括年秸稈收集成本、購電費用和運行維護(hù)費用，計算如式(22)所示。但為了簡化計算，本文將一年的負(fù)荷需求情況劃分為夏季、冬季、過渡季3種典型日的負(fù)荷數(shù)據(jù)，簡化后的運行維護(hù)成本計算方法為：

minfdown=Crun

(26)

(27)

式中：Cre為一年內(nèi)收購但未消耗秸稈的費用；Dk為第k種典型日的天數(shù)，分別為夏季、冬季、過渡季；Cm,t為系統(tǒng)設(shè)備在某一典型日中第t時段的秸稈消耗費用。

Cgrid,t=fgrid,tPgrid,t

(28)

(29)

Cm,t=m(t)pav

(30)

Cre=mrepav

(31)

式中：fgrid,t、Pgrid,t分別為t時段電網(wǎng)的電價、從電網(wǎng)的購電量；Pi,t為第i種設(shè)備在t時段的功率；Cope,i為第i種設(shè)備單位容量的運行維護(hù)費用；mre為一年內(nèi)收購但未消耗的秸稈量；pav為單位秸稈的收集成本。

2)約束條件。

下層優(yōu)化模型的約束條件包括能量平衡約束和設(shè)備額定功率約束等。

電能平衡約束為：在任意時刻，電網(wǎng)購電量、蓄電系統(tǒng)供電量、生物質(zhì)風(fēng)光等可再生能源機(jī)組供電量的總和與系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備耗電量、用戶側(cè)電負(fù)荷之和相等。

PBPG,t+Pgrid,t+PES_D,t+PPV,t+PWT,t=

Pload,t+PES_C,t+PREB,t

(32)

式中：PPV,t、PWT,t分別為光伏、風(fēng)機(jī)的發(fā)電功率；PES_C,t、PES_D,t分別為蓄電池的充電、放電功率；PREB,t為蓄熱電鍋爐的耗電功率；Pload,t為負(fù)荷的耗電功率。

熱能平衡約束為：在任意時刻，生物質(zhì)機(jī)組供熱量、蓄熱系統(tǒng)供熱量、電鍋爐等設(shè)備制熱量的總和與蓄熱系統(tǒng)的蓄熱量、用戶側(cè)熱負(fù)荷之和相等。

QBPG,t+QREB_h,t+QHS_D,t=Qload,t+QHS_C,t

(33)

式中：QREB_h,t為蓄熱電鍋爐的直接供熱功率；QHS_C,t、QHS_D,t分別為蓄熱電鍋爐蓄熱裝置的蓄熱、放熱功率；Qload,t為負(fù)荷的耗熱功率。

設(shè)備額定功率約束為：

0≤Pi,t≤PN,i

(34)

式中：PN,i為第i種設(shè)備的額定容量。

3.3 雙層規(guī)劃求解流程

本文所研究問題是一個雙層迭代優(yōu)化問題，其中上層針對規(guī)劃設(shè)備容量和秸稈價格的不確定性特點采用粒子群算法，下層為混合整數(shù)線性優(yōu)化模型，可采用CPLEX工具箱求解。具體求解流程如圖4所示。

圖4 雙層優(yōu)化模型求解流程Fig.4 Solving process of two-level optimization model

4 算例分析

4.1 算例設(shè)置

本文以吉林省某典型工業(yè)園區(qū)為例進(jìn)行仿真分析。根據(jù)吉林省當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件及一年中氣溫、降水、光照強度等都有明顯的季節(jié)變化特點，結(jié)合當(dāng)?shù)貧v史數(shù)據(jù)將典型日劃分如下：

1)夏季典型日：由當(dāng)?shù)厝隃囟茸兓闆r，將6月初到8月底劃分為夏季，共計92天；

2)冬季典型日：將冬季供暖時期劃分為冬季，共計169天；

3)過渡季典型日：將其余時期劃分為過渡季，共計104天。每個典型日具體負(fù)荷數(shù)據(jù)來源于園區(qū)的實際規(guī)劃情況。

工業(yè)園區(qū)全項目壽命周期取20 a，折現(xiàn)率取6.7%，資金年回收率為0.092 2。本文中所選的ES額定功率大小為額定容量大小的1/5。粒子群迭代次數(shù)取200次。算例負(fù)荷情況見附錄圖A1—A3。該工業(yè)園區(qū)相關(guān)參數(shù)及分時電價情況見附錄表A1—A3。

4.2 結(jié)果分析

本文設(shè)置3種規(guī)劃方案：

方案1：對工業(yè)園區(qū)采用分供系統(tǒng)進(jìn)行供能；

方案2：對工業(yè)園區(qū)采用不考慮生物質(zhì)供給價格彈性的綜合能源系統(tǒng)供能；

方案3：對工業(yè)園區(qū)采用考慮生物質(zhì)供給價格彈性的綜合能源系統(tǒng)供能。

方案1中采用電網(wǎng)取電，市政供熱模式；方案2中設(shè)定每年按照市場秸稈收購價格(150元/t)可收集秸稈9.9萬t。方案3中設(shè)定秸稈收購價格和收購量是優(yōu)化變量，需綜合考慮秸稈收集成本與節(jié)省效益之間的矛盾，以最優(yōu)的秸稈收購價格收購園區(qū)所需秸稈量。

1)雙層迭代收斂情況。

秸稈收購價格與機(jī)組容量隨迭代次數(shù)變化情況如圖5所示。初期秸稈的收購價格偏高致使收購量偏大，因此生物質(zhì)機(jī)組可消耗燃料較多，致使其容量也隨之設(shè)置較高。隨之迭代次數(shù)增多，秸稈收購價格在40次時趨于穩(wěn)定，生物質(zhì)機(jī)組也隨之穩(wěn)定。并在迭代至100次左右兩者達(dá)到最優(yōu)。

圖5 秸稈收購價格與生物質(zhì)機(jī)組容量的迭代收斂情況Fig.5 Iterative convergence of straw purchase price and biomass unit capacity

2)經(jīng)濟(jì)性分析。

針對上述3種方案，所得規(guī)劃結(jié)果如表1和表2所示。由表1可知，方案3與1、2相比，因為考慮生物質(zhì)供給價格彈性能獲得更多的生物質(zhì)燃料，可由生物質(zhì)機(jī)組滿足較多的電熱負(fù)荷，因此增大了生物質(zhì)聯(lián)供機(jī)組的容量。方案1冬季采用市政供熱，夏季、過渡季由蓄熱電鍋爐滿足熱負(fù)荷，因此蓄熱電鍋爐容量較小。蓄電池作為儲能裝置用于緩解用電高峰時的供電壓力，方案3生物質(zhì)機(jī)組容量較大，所以蓄電池容量略有減小。風(fēng)電光伏作為一種輔助供能設(shè)備，3種方案下容量變化不大。

表1 設(shè)備容量、秸稈收集規(guī)劃結(jié)果Table 1 Planning results of equipment capacities

表2 成本對比情況Table 2 Cost comparison

由表2可知，方案3中可收購的生物質(zhì)燃料較多，生物質(zhì)機(jī)組容量較大，由于目前生物質(zhì)機(jī)組相比其他設(shè)備單位投資成本較高，所以秸稈收購成本和設(shè)備投資成本較高。為滿足負(fù)荷需求，方案2大大增加了電網(wǎng)購電量，購電成本遠(yuǎn)高于方案3，方案1增加了電網(wǎng)購電成本和市政供熱成本。相比之下，方案3的經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)，主要因為峰時電價階段減少購電量和冬季由生物質(zhì)機(jī)組提供大量熱能，降低購電成本和供熱成本。

3)設(shè)備出力分析。

根據(jù)附圖A1所示的吉林省典型IES園區(qū)一年的電熱負(fù)荷數(shù)據(jù)可知，冬季一天的熱負(fù)荷總需求相比其他季節(jié)多3～5倍，而一年中電負(fù)荷需求相差不大。因此以冬季典型日為例，聯(lián)系電價曲線分析電熱負(fù)荷平衡狀態(tài)和機(jī)組出力情況。

圖6為方案2、3冬季典型日電負(fù)荷平衡狀態(tài)。谷時電價階段通過增加電網(wǎng)購電量一方面使蓄熱電鍋爐滿足供熱，另一方面使蓄電池蓄電為后期備用。峰時電價階段盡量不購電或少購電，降低運行成本。09:00—12:00時段，電價處于峰時階段，方案3在該時間段生物質(zhì)機(jī)組滿足大量電熱負(fù)荷，電鍋爐耗電少，另一方面由蓄電池釋放部分電能，使得該時段電網(wǎng)購電量為0。而方案2在該時間段因電鍋爐供熱量多需要消耗大量電能，即使蓄電池全部釋放電能后仍需要從電網(wǎng)大量購電。

圖6 冬季電負(fù)荷平衡狀態(tài)與蓄電容量Fig.6 Electric load balance and storage capacity in winter

冬季相比其他季節(jié)熱需求大，方案2、3冬季熱負(fù)荷平衡狀態(tài)與蓄熱容量如圖7所示。凌晨時段電價低，蓄熱電鍋爐在半蓄熱模式下運行，產(chǎn)生的熱量一部分直接供熱，滿足熱需求，小部分熱量存儲在蓄熱裝置中，在電價峰時階段釋放。方案2秸稈燃料數(shù)量少，生物質(zhì)機(jī)組容量小，采用生物質(zhì)機(jī)組全天出力模式，減少機(jī)組啟停費用。方案3生物質(zhì)機(jī)組容量大，在電價峰時和平時階段滿負(fù)荷運行，降低該時段的購電成本。

圖7 冬季熱負(fù)荷平衡狀態(tài)與蓄熱容量Fig.7 Heat load balance and heat storage capacity in winter

綜上，通過上述對經(jīng)濟(jì)性、優(yōu)化運行情況等分析可知在含生物質(zhì)能的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃研究中，引入生物質(zhì)供給價格彈性雖然會增加有關(guān)生物質(zhì)的投資建設(shè)成本，但是可以節(jié)省更多的購電成本、供熱成本和其他機(jī)組的投資運行費用，同時優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)各類設(shè)備的容量和運行情況，可以降低園區(qū)投資運行的總成本，實現(xiàn)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃運行方案經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

5 結(jié) 論

本文以吉林省某典型工業(yè)園區(qū)規(guī)劃設(shè)計為例，利用生物質(zhì)資源的收集特性建立考慮生物質(zhì)供給價格彈性的收集成本模型，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建以生物質(zhì)機(jī)組為核心的綜合能源系統(tǒng)。算例驗證了本文所提方法的可行性，考慮生物質(zhì)供給價格彈性優(yōu)化得到的規(guī)劃方案具有更好的整體效益。在現(xiàn)有階段本文研究的含生物質(zhì)、風(fēng)、光等可再生能源的綜合能源系統(tǒng)主要考慮了生物質(zhì)原料對系統(tǒng)規(guī)劃的影響，缺乏考慮區(qū)域內(nèi)生物質(zhì)資源的有限性，下一步還須對含生物質(zhì)燃料的區(qū)域多園區(qū)協(xié)同規(guī)劃做進(jìn)一步研究。

附錄A

圖A1 各個季節(jié)典型日負(fù)荷Fig.A1 Typical daily load of each season

圖A2 規(guī)劃地區(qū)各個季節(jié)典型日光伏出力Fig.A2 Typical daily photovoltaic output in each season in the planned area

圖A3 規(guī)劃地區(qū)風(fēng)電場典型日出力情況Fig.A3 Typical sunrise force map of wind farms in the planned area

表A1 園區(qū)分時電價和市政供熱情況Table A1 TOU electricity prices and municipal heating conditions in the park

表A2 設(shè)備成本Table A2 Equipment cost

表A3 工業(yè)園區(qū)相關(guān)信息Table A3 Information on the industrial park