含儲(chǔ)能裝置的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)三級(jí)協(xié)同規(guī)劃設(shè)計(jì)方法

鄭海雁, 鄒 磊, 楊 斌, 薛溟楓, 唐一銘, 汪超群

(1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司， 南京 211102； 2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司， 南京 210024；3.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司無錫供電分公司， 無錫 214061； 4.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院， 杭州 310007)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類對(duì)于能源特別是化石能源的需求也越來越大。伴隨而來的是能源危機(jī)的不斷加劇和環(huán)境污染的日益惡化[1]。為此，人們迫切需要一種能源節(jié)約型和環(huán)境友好型的現(xiàn)代能源利用方式來替代傳統(tǒng)高耗能高污染的能源供應(yīng)體系。綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system，IES)[2-3]通過將多種能源利用和轉(zhuǎn)化設(shè)備集成于一體，可以實(shí)現(xiàn)各類能源的梯級(jí)高效利用，被廣泛認(rèn)為是解決這兩類問題的重要途徑之一[4]。

目前，中國的綜合能源系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)營工作已全面展開，相關(guān)的技術(shù)和服務(wù)已開始造福社會(huì)。其中，具有代表性的示范項(xiàng)目包括北京延慶主動(dòng)配電網(wǎng)項(xiàng)目、上海迪士尼度假區(qū)示范項(xiàng)目、天津中新生態(tài)城示范項(xiàng)目、江蘇同里小鎮(zhèn)綜合能源服務(wù)示范區(qū)項(xiàng)目[5]以及無錫紅豆工業(yè)園綜合能源服務(wù)項(xiàng)目等。截止到2019年底，中國已投產(chǎn)和規(guī)劃在建的各類綜合能源項(xiàng)目多達(dá)2 000余個(gè)，全部建成后預(yù)計(jì)每年可節(jié)約標(biāo)煤1 000萬t，減少CO2排放近2 500萬t。綜合能源的大力推廣和建設(shè)，以及自身具備的突出優(yōu)勢(shì)，預(yù)示著IES在未來的能源格局中將占據(jù)著至關(guān)重要的地位和作用，綜合能源將成為中國能源轉(zhuǎn)型和消費(fèi)升級(jí)過程中最重要的一環(huán)。

雖然綜合能源系統(tǒng)相比單獨(dú)設(shè)計(jì)、割裂運(yùn)行的傳統(tǒng)單一能源系統(tǒng)(如電力系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng))更加靈活高效[6]，但是IES能否發(fā)揮其自身優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、能效、環(huán)保的有效統(tǒng)一，依賴于系統(tǒng)的配置是否合理、運(yùn)行方式是否高效。這其中，綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化配置[7-8]無疑是決定整個(gè)系統(tǒng)能效水平的重要基礎(chǔ)。綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置是指根據(jù)待規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的資源稟賦情況，并結(jié)合冷熱電負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)待安裝的各類設(shè)備進(jìn)行選型、容量和出力優(yōu)化，在滿足負(fù)荷需求的前提下獲得最佳的設(shè)備配置和投資建議[9-10]。目前，應(yīng)用于綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃的方法主要包括三種：經(jīng)驗(yàn)公式法、迭代搜索法以及數(shù)學(xué)優(yōu)化法。

經(jīng)驗(yàn)公式法是指設(shè)計(jì)人員根據(jù)園區(qū)負(fù)荷的構(gòu)成及分類特點(diǎn)，從設(shè)備庫中選取相關(guān)設(shè)備，并經(jīng)過簡(jiǎn)單的容量和裕度計(jì)算，形成2～3套設(shè)計(jì)方案，最終通過比對(duì)遴選出技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益最佳的規(guī)劃方案。經(jīng)驗(yàn)公式法是現(xiàn)行最常使用的方法，但是該方法與設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)有關(guān)，其技術(shù)方案的最優(yōu)性難以有效保證。迭代搜索法[11-12]是一種基于預(yù)先規(guī)則集的計(jì)算機(jī)枚舉法。該方法將運(yùn)行人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)提煉為具體的判斷規(guī)則，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的計(jì)算機(jī)語言，從而實(shí)現(xiàn)IES規(guī)劃方案的自動(dòng)匹配和生成。由于迭代搜索法的基礎(chǔ)仍是設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，因此該方法未能解決經(jīng)驗(yàn)公式法的不足。有別于上述兩種方法，數(shù)學(xué)優(yōu)化法[13-15]基于嚴(yán)格的數(shù)學(xué)優(yōu)化理論，對(duì)各類設(shè)備的技術(shù)機(jī)理和運(yùn)行特性進(jìn)行精確建模，并采用混合整數(shù)規(guī)劃算法進(jìn)行求解，在獲得系統(tǒng)最佳配置方案的同時(shí)能夠得到更為詳細(xì)的設(shè)備輸入和輸出結(jié)果。數(shù)學(xué)優(yōu)化法的優(yōu)勢(shì)在于其技術(shù)模型精準(zhǔn)，優(yōu)化結(jié)果可靠，更為重要的是它避免了規(guī)劃方案的人為主觀選擇，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加合理，運(yùn)行更為高效。正是憑借上述優(yōu)點(diǎn)，數(shù)學(xué)規(guī)劃法正逐步取代其他兩種方法成為設(shè)計(jì)和研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。

現(xiàn)提出含儲(chǔ)能裝置的園區(qū)型綜合能源系統(tǒng)的三級(jí)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特點(diǎn)在于：將綜合能源系統(tǒng)的設(shè)備選型、容量配置和運(yùn)行優(yōu)化三個(gè)階段進(jìn)行聯(lián)合考慮統(tǒng)一建模，并采用系統(tǒng)級(jí)的構(gòu)造方法對(duì)各類設(shè)備的選型和運(yùn)行約束進(jìn)行歸納和提煉，從而形成了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、約束緊湊的綜合能源系統(tǒng)混合整數(shù)規(guī)劃模型。針對(duì)該模型存在非線性函數(shù)項(xiàng)而難以直接求解的不足，通過引入輔助變量和約束實(shí)現(xiàn)模型的等價(jià)線性轉(zhuǎn)化。

1 綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置

1.1 三級(jí)協(xié)同設(shè)計(jì)方法

提出了園區(qū)型綜合能源系統(tǒng)的三級(jí)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其主要思路是將系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程劃分為設(shè)備選型、容量配置以及運(yùn)行優(yōu)化三個(gè)階段，然后根據(jù)各階段之間的遞進(jìn)關(guān)系，采用混合整數(shù)規(guī)劃方法進(jìn)行統(tǒng)一建模和聯(lián)合求解，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、離散設(shè)備臺(tái)數(shù)和容量以及運(yùn)行規(guī)律的同步優(yōu)化。下面以某綜合能源系統(tǒng)為例，對(duì)本文方法進(jìn)行介紹。

圖1(a)為某待建綜合能源系統(tǒng)的配置結(jié)構(gòu)。圖中矩形為備選設(shè)備。分析圖1可知，對(duì)一個(gè)綜合能源系統(tǒng)，其能量傳遞過程可概括為三個(gè)環(huán)節(jié)：能源輸入、能源轉(zhuǎn)化以及能量輸出。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定之前，各環(huán)節(jié)存在多種備選方案或設(shè)備。不同的設(shè)計(jì)方案將導(dǎo)致系統(tǒng)的投資和運(yùn)行成本產(chǎn)生巨大差異。為此，采用三級(jí)協(xié)同規(guī)劃方法進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)，其原理如圖1(b)～圖1(d)所示。其中，圖1(b)為設(shè)備選型階段，代表系統(tǒng)從設(shè)備庫中選取設(shè)備的類別與型號(hào)。當(dāng)型號(hào)確定之后，需要計(jì)算每類設(shè)備的臺(tái)數(shù)或容量，即容量配置階段，該階段如圖1(c)所示，圖中方框內(nèi)的數(shù)字代表設(shè)備的安裝臺(tái)數(shù)(離散設(shè)備)或最大允許安裝容量(連續(xù)設(shè)備)的百分比。最后，將設(shè)備型號(hào)和臺(tái)數(shù)作為輸入，以滿足冷、熱、電負(fù)荷為約束條件，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化策略進(jìn)行求解，以確保規(guī)劃方案的整體最優(yōu)性，該階段如圖1(d)所示。將三個(gè)階段統(tǒng)一考慮聯(lián)合優(yōu)化即為所提出的三級(jí)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

圖1 綜合能源系統(tǒng)配置方法Fig.1 Configuration of integrated energy system

1.2 IES優(yōu)化配置模型

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方法，以一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)為例對(duì)IES優(yōu)化配置模型進(jìn)行闡述。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)設(shè)備類型、臺(tái)數(shù)以及容量確定時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也將確定。

xij為第i類第j型號(hào)設(shè)備輸入；yij為對(duì)應(yīng)輸出；xi、yi分別為第i類設(shè)備總輸入和總輸出功率；Y為負(fù)荷需求，具體可細(xì)分為電負(fù)荷、冷負(fù)荷以及熱負(fù)荷等圖2 簡(jiǎn)單系統(tǒng)示意圖Fig.2 Structure of simple energy supply system

1.2.1 設(shè)備選型約束

假設(shè)第i類設(shè)備有Ji種型號(hào)可供選擇(例如燃?xì)廨啓C(jī)為一類設(shè)備，其包含有多個(gè)產(chǎn)品型號(hào))，每類設(shè)備是否安裝由0-1變量γij表示。那么對(duì)于圖2所示系統(tǒng)，其設(shè)備選型約束為

γij∈{0,1}

(1)

若每類設(shè)備只允許選取一種型號(hào)，則有

(2)

1.2.2 容量配置約束

(3)

式(3)中：nij為第i類第j型號(hào)的設(shè)備的安裝臺(tái)數(shù)。

式(3)為離散設(shè)備的配置約束。對(duì)于安裝容量為連續(xù)的設(shè)備，如儲(chǔ)能裝置、光伏組件等，其容量約束為

(4)

1.2.3 設(shè)備運(yùn)行約束

在規(guī)劃階段，一般認(rèn)為設(shè)備的輸出和輸入之間近似服從線性關(guān)系。當(dāng)同一型號(hào)設(shè)備有多臺(tái)同時(shí)在運(yùn)行時(shí)，可認(rèn)為各臺(tái)設(shè)備的負(fù)載率相等。設(shè)備運(yùn)行約束為

(5)

(6)

(7)

式(5)為設(shè)備輸入輸出特性約束。它表示第i類j型設(shè)備被選中(γij=1)且有δi(t)臺(tái)同時(shí)在運(yùn)行，每臺(tái)平均輸入功率為xi(t)/δi(t)，那么總輸出功率為yi(t)=∑[aijγijxi(t)/δi(t)+bijγij]δi(t)，即式(5)。式(6)為輸入功率限值約束，式(7)為設(shè)備最大運(yùn)行臺(tái)數(shù)約束。

以上約束均為離散設(shè)備的運(yùn)行約束，對(duì)于儲(chǔ)能類設(shè)備，如儲(chǔ)電、蓄冷和儲(chǔ)熱裝置，其運(yùn)行約束可表示為

(8)

(9)

(10)

(11)

0.2sij≤Eij(t)≤sij

(12)

Eij(t+1)=Eij(t)(1-ηij)+

(13)

Eij(0)=Eij(T)=μijsij

(14)

式(8)、式(9)為充放功率限值約束，式(10)、式(11)為充放功率總和約束；式(12)為蓄存容量限值約束，式(13)為容量平衡約束，式(14)為初始和終止時(shí)段容量約束。

1.2.4 系統(tǒng)能流平衡約束

除滿足式(1)～式(14)外，在任意時(shí)段，系統(tǒng)均應(yīng)滿足如下供需平衡關(guān)系，包括電平衡、熱平衡以及冷平衡等，即

(15)

1.2.5 目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)取年總費(fèi)用最小，總費(fèi)用包括年運(yùn)行費(fèi)用和初投資折算為每年的平均費(fèi)用，計(jì)算公式為

(16)

式(16)中：等式右側(cè)第一項(xiàng)為能源消耗支出，第二項(xiàng)為投資年等值費(fèi)用；ui(t)為電能或天然氣的價(jià)格；D(t)為典型時(shí)段t在全年的持續(xù)時(shí)間；R為投資回收系數(shù)，其值由年利率r和設(shè)備使用壽命τ決定，計(jì)算公式為R=r(1+r)τ/[(1+r)τ-1]；cij為第i類第j種型號(hào)設(shè)備單位購置成本；cst為儲(chǔ)能裝置單位容量的購置成本。

1.3 整數(shù)線性求解方法

式(1)～式(16)即為綜合能源系統(tǒng)的最優(yōu)配置模型?？梢姡撃Ｐ蛯?duì)各類設(shè)備的選型與運(yùn)行約束做了精煉的歸納和描述，相較于以往按單個(gè)設(shè)備建模的方式更為簡(jiǎn)潔和緊湊，同時(shí)也大幅提高了程序編寫的可復(fù)用性。

由于該模型中含有乘積運(yùn)算[式(5)]，即γijxi(t)和γijδi(t)，因此它是一個(gè)典型的混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題。對(duì)于這類問題，以現(xiàn)有的技術(shù)難以做到直接快速求解。鑒于此，通過引入輔助變量和約束對(duì)該問題進(jìn)行了等價(jià)轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)變?yōu)橐子谇蠼獾幕旌险麛?shù)線性規(guī)劃問題。

首先，引入連續(xù)變量ξij(t)和ζij(t)，分別代替式(5)中的非線性乘積項(xiàng)γijxi(t)和γijδi(t)，即有

(17)

然后，增加如下線性約束，以保證轉(zhuǎn)換前后的約束具有等價(jià)性，即

(18)

(19)

由式(18)可知，當(dāng)γij=0時(shí)，有ξij(t)=ζij(t)=0；當(dāng)γij=1時(shí)，有ξij(t)=xi(t)和ζij(t)=δi(k)成立，因此式(18)與式(17)等價(jià)。至此，原非線性混合整數(shù)規(guī)劃問題已轉(zhuǎn)化為整數(shù)線性規(guī)劃問題。利用分支定界算法或CPLEX、Gurobi等商用求解器即可對(duì)轉(zhuǎn)化后的問題進(jìn)行直接求解。

2 算例分析

2.1 算例說明

為驗(yàn)證所提規(guī)劃方法的有效性，對(duì)江蘇某綜合能源園區(qū)三期工程進(jìn)行優(yōu)化配置研究。該園區(qū)位于無錫市東港鎮(zhèn)，規(guī)劃面積為7.98 km2。園區(qū)建設(shè)完成后，將為印染紡織、橡膠輪胎、裝配制造等各類企業(yè)提供冷、熱、電等多種能源服務(wù)。

待規(guī)劃園區(qū)的能流結(jié)構(gòu)如圖3所示。由圖3可知，系統(tǒng)的用能需求包括電、冷、熱等，擬安裝的設(shè)備有光伏(photovoltaic，PV)、燃?xì)廨啓C(jī)(gas turbine，GT)、余熱鍋爐(heat-recovery boiler，RB)、燃?xì)忮仩t(gas boiler，GB)、電制冷機(jī)(electric cooler，EC)以及蒸汽型吸收式制冷機(jī)(absorption chiller，AC)等。其中，燃?xì)廨啓C(jī)和余熱鍋爐采用“一拖一”的方式安裝和運(yùn)行，可視為一套設(shè)備，因此系統(tǒng)待選設(shè)備類型數(shù)為I=5。各類備選設(shè)備的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)參數(shù)[15]如表1～表3所示。其中，光伏的最大可安裝容量(由園區(qū)可利用面積包括屋頂、閑置土地等測(cè)算得到)為11.4 MW，其他各類設(shè)備最多可安裝4臺(tái)。

圖3 待規(guī)劃系統(tǒng)能流結(jié)構(gòu)Fig.3 Energy supply structure of the system to be planned

表1 備選燃?xì)廨啓C(jī)參數(shù)Table 1 Parameters of alternative gas turbines

表2 其他備選設(shè)備參數(shù)Table 2 Parameters of other alternative equipment

表3 儲(chǔ)熱裝置參數(shù)Table 3 Parameters of heat storage

根據(jù)園區(qū)所在地氣候變化特點(diǎn)，將全年劃分為夏季(7—9月)、冬季(12月—次年3月)和過渡季(4—6月，10—11月)三個(gè)典型日，每個(gè)典型日用24個(gè)時(shí)段代替，全年共計(jì)72個(gè)時(shí)段。各典型日時(shí)間分別為92、121、152 d。三個(gè)典型日的光照強(qiáng)度分布和冷熱電負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果分別如圖4和圖5所示，測(cè)試時(shí)間從0:00開始，其中光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)取自中國氣象數(shù)據(jù)中心，冷熱電負(fù)荷數(shù)據(jù)則根據(jù)園區(qū)的建筑面積、蒸汽壓力溫度、照明面積、綠化率等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參數(shù)預(yù)測(cè)得出。

圖4 各典型日光照強(qiáng)度Fig.4 Solar light intensity of typical days

圖5 各典型日負(fù)荷曲線Fig.5 Load curves of typical days

計(jì)算中使用的經(jīng)濟(jì)參數(shù)如下：售電電價(jià)采用江蘇省發(fā)展和改革委員會(huì)發(fā)布的普通工業(yè)分時(shí)銷售電價(jià)(小于1 kV)，峰谷時(shí)段劃分及對(duì)應(yīng)電價(jià)如表4所示。天然氣價(jià)格則參考江蘇省物價(jià)局自2015年起執(zhí)行的非民用天然氣最高門站價(jià)格2.86 元/Nm3，燃?xì)獾臀粺嶂等?6 000 kJ/Nm3。融資利率為5.0%(根據(jù)中國人民銀行發(fā)布的5年以上基準(zhǔn)利率4.9%上浮得到)，設(shè)備壽命取15年。

表4 典型日分時(shí)電價(jià)Table 4 Electricity price in typical days

2.2 計(jì)算效率分析

考慮到燃?xì)廨啓C(jī)存在著熱電耦合，即在發(fā)電的同時(shí)必產(chǎn)生一定比例的熱，為說明熱電耦合對(duì)系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果的影響，下面分燃?xì)廨啓C(jī)不棄熱、棄熱和增加儲(chǔ)熱(heat storage，HS)裝置三種情形進(jìn)行討論，具體測(cè)試方案如表5所示。

表5 儲(chǔ)熱裝置參數(shù)Table 5 Parameters of heat storage

表5列出了三種情形對(duì)應(yīng)的計(jì)算時(shí)間。分析表5可知，由于情形1不允許棄熱，熱電強(qiáng)耦合關(guān)系的存在增加了算法尋優(yōu)的難度，導(dǎo)致其計(jì)算效率最低。情形2允許棄熱，極大改善了問題的松弛性，因而情形2的效率要高于情形1。情形3雖然考慮了儲(chǔ)能配置和運(yùn)行約束，相比情形1問題的規(guī)模更大，但儲(chǔ)能裝置的引入減弱了系統(tǒng)運(yùn)行的剛性，在一定程度上有效緩解了熱電耦合的影響，因此其計(jì)算效率仍高于情形1。

2.2 配置結(jié)果分析

三種情形下系統(tǒng)的優(yōu)化配置結(jié)果如表6所示?？梢钥吹?，三種情形的光伏均以最大安裝容量進(jìn)行配置，這是因?yàn)楣夥唤?jīng)安裝后其運(yùn)維成本很小，同時(shí)能產(chǎn)生大量電力。情形1和情形2的配置結(jié)果完全相同，說明燃?xì)廨啓C(jī)是否棄熱對(duì)設(shè)備配置的影響有限。情形3與情形1相比，增加了35.85 MW·h的儲(chǔ)熱和1臺(tái)5.58 MW的電制冷機(jī)，同時(shí)減少了一臺(tái)7.86 MW的燃?xì)忮仩t和5.18 MW的吸收式制冷機(jī)容量。這表明引入儲(chǔ)熱裝置可以有效減少熱能生產(chǎn)和轉(zhuǎn)化設(shè)備的安裝容量。

表6 不同情形下的優(yōu)化配置結(jié)果Table 6 Optimal configuration under different cases

三種情形下的系統(tǒng)投資和運(yùn)行費(fèi)用如表7所示。由表7可知，在經(jīng)濟(jì)上，情形1、2、3的年總費(fèi)用依次降低。對(duì)比情形1和情形2，在系統(tǒng)配置相同的情況下，考慮棄熱的系統(tǒng)運(yùn)行方式反而比不棄熱更為經(jīng)濟(jì)。這是因?yàn)闂墴岬倪\(yùn)行方式更為靈活，可以在電價(jià)高峰時(shí)段，充分發(fā)揮燃?xì)廨啓C(jī)在發(fā)電上的低成本優(yōu)勢(shì)，而不用受熱電耦合的影響被迫壓低電負(fù)荷輸出。雖然情形3與情形1、2相比，投資有所增加，但總費(fèi)用在三者之中最低，這是因?yàn)閮?chǔ)熱裝置的引入可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性，在滿足冷熱電負(fù)荷需求的同時(shí)，利用峰谷電價(jià)差獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。在能耗方面，情形2由于棄熱導(dǎo)致其總能耗(天然氣和購電)最大，情形1次之。相比之下，情形3多安裝一臺(tái)能效比為5.04的電制冷機(jī)，同時(shí)免去了燃?xì)忮仩t的安裝和使用，因此其總能耗最小。

表7 不同情形下的費(fèi)用和能耗Table 7 Costs and energy usage under different cases

2.3 運(yùn)行結(jié)果分析

情形1夏季典型日條件下各類設(shè)備的運(yùn)行優(yōu)化策略如圖6所示?？梢钥吹?，各時(shí)段冷、熱、電平衡均能得到滿足。在電價(jià)高峰時(shí)段(表3)，系統(tǒng)電負(fù)荷盡量由光伏和燃?xì)廨啓C(jī)承擔(dān)，電量不足的部分則從電網(wǎng)購電來補(bǔ)充。此時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)(#5)每發(fā)1度(1 kW·h)電將產(chǎn)生1.702 6 kW·h的熱，發(fā)電成本為1/0.306×3 600/36 000×2.86=0.934 6元/(kW·h)，低于電網(wǎng)電價(jià)，因此燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)開機(jī)運(yùn)行并盡量滿發(fā)，以降低購電成本。考慮到情形1不允許棄熱，為滿足熱平衡，燃?xì)廨啓C(jī)被迫壓低負(fù)荷輸出，即處于不滿發(fā)狀態(tài)。在平時(shí)段，燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生1 kW·h的熱，需消耗0.191 9 Nm3天然氣，同時(shí)產(chǎn)生0.587 3 kW·h的電，折合制熱成本為0.154 6 元/(kW·h)。當(dāng)考慮吸收式制冷機(jī)(#3)的能效比時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)-吸收式制冷機(jī)的制冷成本為0.124 6 元/(kW·h)；相比之下，燃?xì)忮仩t的制熱成本為0.312 2 元/(kW·h)，電制冷機(jī)(#4)的制冷成本為1/5.04×0.671 5=0.133 2 元/(kW·h)，因此在平時(shí)段，優(yōu)先由燃?xì)廨啓C(jī)-吸收式制冷機(jī)提供冷熱電負(fù)荷需求，冷負(fù)荷不足部分再由電制冷機(jī)補(bǔ)充。在電價(jià)低谷時(shí)段，即0：00—8:00，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電和制熱將不具備價(jià)格優(yōu)勢(shì)，此時(shí)系統(tǒng)應(yīng)盡量從電網(wǎng)購電，燃?xì)廨啓C(jī)則處于停機(jī)狀態(tài)。系統(tǒng)熱負(fù)荷和冷負(fù)荷分別由燃?xì)忮仩t和電制冷機(jī)滿足。

圖6 情形1運(yùn)行優(yōu)化策略Fig.6 Optimal operation strategies under case 1

情形2冬季典型日的運(yùn)行優(yōu)化結(jié)果如圖7所示。相比于情形1，在電價(jià)高峰時(shí)段，情形2允許棄熱。因此當(dāng)吸收式制冷機(jī)容量不足或冷、熱負(fù)荷需求不夠時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)仍可以充分利用發(fā)電容量，爭(zhēng)取滿發(fā)電，多余的熱量則直接舍棄，這一現(xiàn)象解釋了表7中有關(guān)情形2購電成本最小、燃?xì)獬杀疽约澳芎淖畲蟮脑?。在電價(jià)平時(shí)段，若燃?xì)廨啓C(jī)大量棄熱，系統(tǒng)運(yùn)行則不經(jīng)濟(jì)，因此該階段沒有棄熱現(xiàn)象產(chǎn)生。與情形1相似，在電價(jià)低谷時(shí)段，主要由燃?xì)忮仩t和電制冷機(jī)供應(yīng)冷熱負(fù)荷。具體地，燃?xì)忮仩t優(yōu)先滿足低谷時(shí)段的熱負(fù)荷需求[制熱成本為0.312 2 元/(kW·h)，低于燃?xì)廨啓C(jī)的制熱成本0.358 8 元/(kW·h)]，電制冷機(jī)優(yōu)先滿足冷負(fù)荷需求[制冷成本為0.064 2 元/(kW·h)，低于“燃?xì)忮仩t-吸收式制冷機(jī)”組合的制冷成本1/1.24/0.916×3 600/36 000×2.86=0.251 8 元/(kW·h)]。

圖7 情形2運(yùn)行優(yōu)化策略Fig.7 Optimal operation strategies under case 2

情形3過渡季典型日的運(yùn)行優(yōu)化策略如圖8所示。由圖8可知，在電價(jià)高峰時(shí)段，情形3沒有棄熱現(xiàn)象產(chǎn)生，多余的熱量則直接通過儲(chǔ)熱裝置存儲(chǔ)起來，并在電價(jià)平時(shí)段和谷時(shí)段放出(圖8中儲(chǔ)熱容量曲線)。正是由于上述原因，系統(tǒng)減少了燃?xì)忮仩t和吸收式制冷機(jī)的安裝容量，同時(shí)其總能耗在三者之中最小。與情形2一致，情形3中的燃?xì)廨啓C(jī)在電價(jià)高峰時(shí)段滿發(fā)，在低谷時(shí)段停機(jī)。所不同的是，情形3中的燃?xì)廨啓C(jī)在平時(shí)段盡量少發(fā)電和制熱，這是因?yàn)閮?chǔ)熱裝置的放熱成本幾乎為0，而此時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電成本高于購電電價(jià)，系統(tǒng)優(yōu)先使用儲(chǔ)熱裝置蓄存的熱量，不足的部分再由燃?xì)廨啓C(jī)承擔(dān)。

圖8 情形3運(yùn)行優(yōu)化策略Fig.8 Optimal operation strategies under case 3

3 結(jié)論

建立了一種含儲(chǔ)能裝置的園區(qū)型綜合能源系統(tǒng)混合整數(shù)規(guī)劃模型，并提出了求解該模型的等價(jià)線性處理方法。依據(jù)上述模型和方法對(duì)某園區(qū)待建綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化配置研究，得到如下結(jié)論。

(1)提出的三級(jí)協(xié)同規(guī)劃方法將綜合能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程劃分為設(shè)備選型、容量配置與運(yùn)行優(yōu)化三個(gè)階段，并采用系統(tǒng)級(jí)的建模方法對(duì)各類設(shè)備的選型與運(yùn)行約束進(jìn)行了總結(jié)和提煉，形成了約束簡(jiǎn)潔、模型緊湊的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型。

(2)相對(duì)于傳統(tǒng)的逐個(gè)設(shè)備建模的方法，所提出的三級(jí)協(xié)同規(guī)劃方法實(shí)現(xiàn)了設(shè)備類型、容量臺(tái)數(shù)以及運(yùn)行規(guī)律的同步優(yōu)化，大大提高了綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型的緊湊性和可拓展性。

(3)三種情形下的算例結(jié)果表明，在綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃和運(yùn)行中，引入具有能量?jī)?chǔ)存功能的設(shè)備，如儲(chǔ)電、儲(chǔ)熱、蓄冷裝置等，可以實(shí)現(xiàn)能量在時(shí)間上的轉(zhuǎn)移，減弱系統(tǒng)運(yùn)行的剛性，降低冗余設(shè)備的安裝容量，從而大幅提高系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性和經(jīng)濟(jì)性。