基于價值最優(yōu)原則的綜合能源供給系統(tǒng)分層優(yōu)化配置策略研究

趙文強，余紫薇，趙建勇，雷國斌，徐嘉偉，張震霄，田 超，祁富志

(1.國網(wǎng)青海省電力公司電力科學(xué)研究院,青海 西寧 8100003；2.浙江省電機系統(tǒng)智能控制與變流技術(shù)重點實驗室(浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院),浙江 杭州 310027；3.國網(wǎng)青海省電力公司果洛供電公司,青海 果洛州 814000)

0 引言

青海省許多農(nóng)牧區(qū)域自然環(huán)境惡劣，居民居住分散，落實“戶戶通電”工程投資成本極高，因此，偏遠地區(qū)農(nóng)牧居民“用電難”、“用熱難”問題亟需解決〔1〕。

針對偏遠地區(qū)的供電問題，國內(nèi)外一般通過建設(shè)微電網(wǎng)的方式來實現(xiàn)電力供應(yīng)〔2〕。針對偏遠地區(qū)的供熱問題，通?？紤]在原有微網(wǎng)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)“熱電聯(lián)供”〔3-4〕。熱電聯(lián)供技術(shù)具有節(jié)能、高效、能源利用率高等優(yōu)點，可以同時為用戶提供電力、熱力等多種能量，并能夠就地消納太陽能等清潔能源，實現(xiàn)能源的環(huán)保經(jīng)濟利用，廣受電力系統(tǒng)的歡迎。文獻〔5〕結(jié)合了太陽能光伏發(fā)電、儲能、地源熱泵構(gòu)成了一體化微網(wǎng)系統(tǒng)，多種能量形式的互存有效提高了能源利用效率。

青海省具有顯著的光資源和土地資源優(yōu)勢，因此建立以光伏發(fā)電為主，綜合利用分布式發(fā)電、儲能、儲熱的先進技術(shù)的光、儲、熱一體化的新型能源供給系統(tǒng)，成為解決青海省偏遠地區(qū)供電供熱難題的一條有效途徑。為保證該新型能源供給系統(tǒng)的安全運行，并滿足供電供熱的穩(wěn)定性需求，需要對系統(tǒng)組成進行合理容量配置。但現(xiàn)有針對微網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化配置方法，通常以運行成本或能源利用率為優(yōu)化目標，一般只涉及到電力供配的情況。文獻〔6〕提出了一種基于文化基因算法的交直流混合微網(wǎng)優(yōu)化運行方法，該方法有效降低了微網(wǎng)系統(tǒng)的運行成本，并保證了交直流不同負荷的穩(wěn)定供電，但該方法并不適用于電力、熱力同時存在的系統(tǒng)工況。

對此，本文提出了一種光、儲、熱新型能源供給系統(tǒng)分層優(yōu)化配置方法，以保證該新型能源供給系統(tǒng)的經(jīng)濟穩(wěn)定運行。

1 光、儲、熱新型能源供給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文重點對分布式發(fā)電、儲能、儲熱等部分，進行合理的容量配置。為簡化分析，并保證足夠的成本預(yù)測精度，圖1給出了新型能源供給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，新型能源供給系統(tǒng)可以分成電力系統(tǒng)層和熱力系統(tǒng)層。其中，光伏發(fā)電單元、儲電單元、變流器單元構(gòu)成了電力系統(tǒng)層，用于電負荷的供電；而電熱轉(zhuǎn)換單元、儲熱單元構(gòu)成了熱力系統(tǒng)層，用于熱負荷的供熱，而電熱轉(zhuǎn)換單元直接由光伏發(fā)電單元提供電量。

2 基于價值最優(yōu)原則的新型能源供給系統(tǒng)優(yōu)化配置模型

針對圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，本節(jié)提出了基于價值最優(yōu)原則的新型能源供給系統(tǒng)優(yōu)化配置模型，求解系統(tǒng)容量的最優(yōu)配置方案，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟運行，并滿足偏遠地區(qū)供電供熱的穩(wěn)定性需求。

2.1 表征系統(tǒng)容量配置的經(jīng)濟性目標函數(shù)

首先，建立了表征系統(tǒng)容量配置的經(jīng)濟性目標函數(shù)。該目標函數(shù)由以下各成本組成：

(1) 系統(tǒng)各單元的投資成本

光、儲、熱新型能源供給系統(tǒng)包含光伏發(fā)電單元、儲電單元、儲熱單元、變流器單元和電熱轉(zhuǎn)換單元，同時實現(xiàn)電力熱力的穩(wěn)定供應(yīng)。系統(tǒng)中各單元的的投資成本可統(tǒng)一由下式表示：

Ccon(i)-Cres(i))

(1)

式中，N(i，j)為第j次優(yōu)化配置過程中第i類系統(tǒng)基本單元的配置數(shù)量;Cini(i)、Csetup(i)、Ccon(i)、Cres(i)分為別第i類系統(tǒng)基本單元單位化的初始投資、安裝、配套變換器費用和剩余成本。

(2) 光伏發(fā)電單元的運行維護費用

(2)

式中，KPV為光伏發(fā)電單元的維護成本系數(shù)，PPV(t)為t時刻光伏發(fā)電單元所發(fā)出的功率。

(3) 儲電單元的維護費用

考慮到儲電裝置的性能及對電力供應(yīng)的穩(wěn)定性要求，通常選用以蓄電池為基礎(chǔ)的儲電單元。只考慮蓄電池的儲電單元維護費用為

(3)

式中，Kbat為蓄電池單元的維護成本系數(shù)，Pbat(t)為t時刻蓄電池單元所發(fā)出或吸收的功率。

(4) 儲熱單元的運行維護費用

(4)

式中，Ksto為儲熱單元的維護成本系數(shù)，Psto(t)為t時刻儲熱單元所發(fā)出或吸收的功率。

(5) 變流器單元的運行維護費用

(5)

式中，Kinverter為變流器單元的維護成本系數(shù)，Pinverter(t)為t時刻變流器單元發(fā)出的功率。

(6) 電熱轉(zhuǎn)換單元的運行維護費用

(6)

式中，KEtT為電熱轉(zhuǎn)換單元的維護成本系數(shù)，PEtT(t)為t時刻電熱轉(zhuǎn)換單元發(fā)出的功率。

2.2 滿足供電供熱穩(wěn)定需求的約束條件

其次，為實現(xiàn)新型能源供給系統(tǒng)的合理運行，并滿足偏遠地區(qū)供電供熱的穩(wěn)定需求，建立相應(yīng)的約束條件如下：

(1)系統(tǒng)功率平衡約束

新型能源供給系統(tǒng)采用光伏作為可再生能源發(fā)電單元，供給系統(tǒng)內(nèi)電熱負荷能量需求。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)功率平衡約束條件可用如下公式表示：

PELoad(t)+PTLoad(t)=PPV(t)+Pbat(t)+Psto(t)

(7)

式中，PELoad(t)、PTLoad(t)為t時刻電、熱負荷消耗功率，PPV(t)為t時刻光伏發(fā)電單元產(chǎn)生功率，Pbat(t)、Psto(t)為t時刻儲電、儲熱單元吸收或釋放功率。其中，光伏發(fā)電單元輸出功率PPV(t)與當(dāng)前環(huán)境溫度、光照強度和當(dāng)前風(fēng)速有關(guān)，可由如下公式計算：

(8)

式中，PN為光伏組件在標準測試環(huán)境下的額定出力，fd為光伏組件的衰減系數(shù)，G(t)為第t時刻光伏組件上的平均入射太陽輻照度，Gref為標準測試條件下的輻照度，Tcref為標準測試條件下的溫度，αT為溫度影響系數(shù)。

(2)儲電單元的容量和功率交換能力約束

儲電單元存在容量上的限制，因此t時刻儲電的荷電狀態(tài)(SOC)需滿足：

SOCmin≤SOC(t)≤SOCmax

(9)

式中，SOCmin為最小荷電電量，SOCmax為最大荷電電量。

同時，儲電單元存在單位時間內(nèi)吸收或釋放功率限制：

0≤Pbat(t)≤Pbat_max

(10)

式中，Pbat_max為儲電單元的最大吸收或釋放功率，其受到變流器單元額定功率的Pinverter限制。

(3) 儲熱單元的容量和功率交換能力約束

儲熱單元存在容量上的限制，即t時刻儲熱裝置儲熱量Q(t)不超過最大儲熱容量Qmax：

0≤Q(t)≤Qmax

(11)

同時，t時刻儲熱單元吸收或發(fā)出功率Psto(t)受換熱器換熱功率的限制：

(12)

式中，Hin_max為儲熱單元的最大吸熱功率，Hout_max為儲熱單元的最大放熱功率。

(4) 儲電單元的效率約束

儲電單元需要考慮到能量傳遞、轉(zhuǎn)換過程中的效率問題。假設(shè)儲電單元的充放電效率在運行過程中保持不變。對于儲電單元，計及充電效率和放電效率后SOC離散形式可如下式表示：

SOC(t)=SOC(t-1)+α·Pbat(t)Δt

(13)

(5)儲熱單元的效率約束

儲熱單元需要考慮到能量傳遞、轉(zhuǎn)換過程中的效率問題。對于儲熱單元，t時刻吸收的熱量是由電熱轉(zhuǎn)換單元提供，假設(shè)電轉(zhuǎn)化為熱的轉(zhuǎn)化效率為ηet，則：

Psto(t)=ηetPin(t)

(14)

式中，Pin(t)為電熱轉(zhuǎn)換單元的輸出功率。

假設(shè)儲熱單元與熱負荷間功率傳遞的效率為ηeo，則：

Pout(t)=1/ηeo·Psto(t)

(15)

式中，Pout(t)為儲熱單元給熱負荷供熱的實際輸出功率。

(6)負載失電率約束

在滿足系統(tǒng)功率平衡條件的基礎(chǔ)上，負載失電率將作為新型能源供給系統(tǒng)全年運行的供電可靠性指標，從而實現(xiàn)系統(tǒng)滿足負載失電率要求下的容量配置。系統(tǒng)運行過程中的負載失電量可如下式所示：

PLPS(t)=PELoad(t)-PPV(t)-Pbat(t)

(16)

在正常供電情況下，負載失電量PLPS(t)=0。定義負載失電率為系統(tǒng)運行過程中負載累積失電量與負載消耗總電量之比，可得：

(17)

(7) 熱量缺損率約束

在滿足系統(tǒng)功率平衡條件的基礎(chǔ)上，熱量缺損率將作為新型能源供給系統(tǒng)全年運行的供熱可靠性指標，從而實現(xiàn)系統(tǒng)滿足熱量缺損率要求下的容量配置。系統(tǒng)運行過程中的熱量缺損可如下式所示：

PTPS(t)=PTLoad(t)-PPV(t)-Psto(t)

(18)

在正常供熱情況下，熱量缺損率PTPS(t) = 0。定義熱量缺損率為系統(tǒng)運行過程中熱負荷累積缺損供熱量與熱負荷總需供熱量之比，可得：

(19)

2.3 基于價值最優(yōu)原則的優(yōu)化配置模型

根據(jù)已有的經(jīng)濟性目標函數(shù)和約束條件，可建立基于價值最優(yōu)原則的新型能源供給系統(tǒng)優(yōu)化配置模型如下：

(20)

式中，f1(X1，j)，f2(X2，j)分別表示系統(tǒng)的年化投資費用和運行維護費用。h1(X1，j)、g1(X1，j)等表示系統(tǒng)的約束條件，S1等為系統(tǒng)變量的可能范圍。其中，f1(X1，j)，f2(X2，j)分別表示為：

(21)

(22)

3 分層優(yōu)化迭代算法

基于上述建立的優(yōu)化配置模型，本文采用分層優(yōu)化迭代算法，用于求解系統(tǒng)價值最優(yōu)的容量配置結(jié)果。所采用的分層優(yōu)化迭代算法步驟如下：

(1) 步驟一：數(shù)值初始化

已知目標地區(qū)典型m天1-24 h各時刻的電負荷數(shù)據(jù)PEload(t)和熱負荷數(shù)據(jù)PTload(t)；根據(jù)目標地區(qū)的地理、溫度、太陽輻射率等環(huán)境參數(shù)，由式(8)計算得到目標地區(qū)m天1-24 h各時刻單位光伏單元的輸出功率PPV_one(t)；由PPV_one(t)、PEload(t)、PTload(t)，初步確定光伏發(fā)電單元功率、儲電單元容量、儲熱單元容量、變流器單元功率和電熱轉(zhuǎn)換單元功率的最大可執(zhí)行范圍。

(2) 步驟二：條件假設(shè)

假設(shè)一：m天初始時刻，儲電單元的初始荷電狀態(tài)最低，儲熱單元的初始儲熱量為0，即

SOC(0)=SOCmin
Q(0)=0

(23)

假設(shè)二：考慮到儲熱單元的成本明顯低于儲電單元，為最大化儲熱單元的功能作用，降低系統(tǒng)的經(jīng)濟性成本，假設(shè)新型能源供給系統(tǒng)中熱力子系統(tǒng)所需熱量是由光伏發(fā)電單元產(chǎn)生后，直接經(jīng)電熱轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換至熱力子系統(tǒng)，而不由儲電單元供給，即新型能源供給系統(tǒng)的電力系統(tǒng)層和熱力系統(tǒng)層可分別進行迭代操作，完成各自的優(yōu)化配置。

(3) 步驟三：電力系統(tǒng)層的迭代操作

針對某一組電力系統(tǒng)層的容量配置(PPVE,Pinverter,SOCmax)，進行電力子系統(tǒng)迭代操作如下。其中，PPVE為光伏單元總額定功率，Pinverter為變流器單元總額定功率，SOCmax為儲電單元總額定容量。

①當(dāng)t時刻PPV(t)>PEload(t)時, 判斷儲電單元電量SOC(t)是否小于儲電單元總額定容量；若判斷成立，則確定充電功率大小如下，并根據(jù)式(13)完成儲電單元的充電操作。

(24)

式中，Pinverter與充放電功率的最大功率近似Pbat_max相等，從而滿足儲電單元功率交換能力約束。 若儲電單元電量SOC(t)大于或等于SOCmax，則不進行充電操作，并令SOC(t)=SOCmax。

②當(dāng)t時刻PPV(t)

(25)

③依次求得m天1-24 h各時刻儲電單元的電量SOC(t)，并計算各時刻的負載失電率PLPS(t)：

(26)

④在電力系統(tǒng)層的最大執(zhí)行范圍內(nèi)，按照設(shè)定步長，改變電力系統(tǒng)層的容量配置，并重新進行上述的迭代操作。其中，步長由電力系統(tǒng)層包含的各單元單位功率或容量決定。

(4)步驟四：熱力系統(tǒng)層的迭代操作

針對某一組熱力子系統(tǒng)容量配置情況(PPVT,Qmax)，進行熱力系統(tǒng)層迭代操作如下。其中，PPVT為光伏單元總額定總功率，Qmax為儲熱單元總額定容量，電熱轉(zhuǎn)換單元總額定功率直接由PPVT和電熱轉(zhuǎn)換能效比決定。

①當(dāng)t時刻，光伏發(fā)電單元經(jīng)電熱轉(zhuǎn)換單元的輸出功率PPV_T(t)>PTload(t), 判斷儲熱單元熱量Q(t)是否小于儲熱單元總?cè)萘縌max；若判斷成立，則儲熱單元吸收熱量，由式(14)確定儲熱單元的吸熱功率為Psto(t)。若判斷不成立，則不進行儲熱操作，并令Q(t)=Qmax。

②當(dāng)t時刻PPV_T(t)

③依次求得m天1-24h各時刻儲熱單元的熱量Q(t)，并計算各時刻的熱量缺損值PTPS(t)如下：

(27)

④在熱力系統(tǒng)層的最大執(zhí)行范圍內(nèi)，按照設(shè)定步長，改變熱力系統(tǒng)層的容量配置，并重新進行上述迭代操作。其中，步長由熱力系統(tǒng)層包含的各單元單位功率或容量決定。

(5) 步驟五：負載失電率及熱量缺失率評價

①根據(jù)負載失電率的約束條件，判斷各組電力系統(tǒng)層的容量配置方案，確定滿足負載失電率約束條件的電力系統(tǒng)層各容量配置方案。

②根據(jù)熱量缺損率的約束條件，判斷各組熱力系統(tǒng)層的容量配置方案，確定滿足熱量缺損率約束條件的熱力系統(tǒng)層各容量配置方案。

(6) 步驟六：價值最優(yōu)方案的選取

計算步驟五得到的電力、熱力系統(tǒng)層各容量配置方案經(jīng)濟性成本，搜索價值最優(yōu)的電力、熱力系統(tǒng)層配置方案；

綜合上述價值最優(yōu)的電力、熱力系統(tǒng)層配置方案，得到基于價值最優(yōu)原則下光、儲、熱新型能源供給系統(tǒng)價值優(yōu)化配置結(jié)果。

4 算例分析

為了驗證上述所提出的優(yōu)化配置方法，本文根據(jù)某偏遠地區(qū)的電負荷、熱負荷、單位光伏單元發(fā)力數(shù)據(jù)，設(shè)計對應(yīng)的容量配置方案，并進行了算例分析。算例中，新型能源供給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，儲電單元采用Li蓄電池，電熱轉(zhuǎn)換單元采用量子電鍋爐，能效轉(zhuǎn)換比為2，儲熱單元需配備水循環(huán)單元來完成吸收、釋放熱量。

圖2給出了某偏遠地區(qū)典型7天電負荷、熱負荷和單位光伏發(fā)電單元出力的預(yù)測變化曲線。其中，電負荷最大功率為746 kW，熱負荷最大功率為1 124.2 kW。表1給出了新型能源供給系統(tǒng)各單元的成本參數(shù)。

表1 新型能源供給系統(tǒng)各單元成本

根據(jù)圖2中電負荷和單位光伏發(fā)電單元出力的預(yù)測數(shù)據(jù)，設(shè)定負載失電率的約束條件為第六天全天負載累計失電量小于74.6 kW(當(dāng)天最大電負荷功率的10%)，使用期限10年。采用雙層優(yōu)化迭代算法，電力系統(tǒng)層第六天累計負載失電量迭代曲線如圖3所示。經(jīng)價值最優(yōu)選擇，得到電力系統(tǒng)層最優(yōu)配置結(jié)果為：光伏發(fā)電單元1.3 MW，變流器單元0.2 MW，儲電單元409組，總成本634.34 萬元。圖4為該電力系統(tǒng)層最優(yōu)容量配置下各單元的功率(容量)曲線。由圖可知，在此電力系統(tǒng)層最優(yōu)配置下，能源供給系統(tǒng)的負載失電量極低，能夠很好地滿足偏遠地區(qū)的供電穩(wěn)定性需求。

根據(jù)圖2中熱負荷和單位光伏發(fā)電單元出力的預(yù)測數(shù)據(jù)，設(shè)定熱量缺損量的約束條件為第六天全天累計熱量缺損量小于112.42 kW(當(dāng)天最大熱負荷功率的10%)，使用期限10年。采用雙層優(yōu)化迭代算法，熱力系統(tǒng)層第六天累計熱損量迭代曲線如圖5所示。經(jīng)價值最優(yōu)選擇，得到熱力系統(tǒng)層最優(yōu)配置結(jié)果為：光伏發(fā)電單元1.3 MW，電熱轉(zhuǎn)換單元1.3 MW，儲熱單元水循環(huán)系統(tǒng)13套，儲熱單元10 MWh，總成本1 366.9 萬元。圖6為該熱力系統(tǒng)層最優(yōu)容量配置下各單元功率(容量)曲線。由圖可知，在此熱力系統(tǒng)層最優(yōu)配置下，能源供給系統(tǒng)的熱損量極低，能夠很好地滿足偏遠地區(qū)的供熱穩(wěn)定性需求。

由此確定光、儲、熱新型能源供給系統(tǒng)價值最優(yōu)的容量配置方案如下：光伏發(fā)電單元2.6 MW，電熱轉(zhuǎn)換單元1.3 MW，儲電單元409組，儲熱單元水循環(huán)系統(tǒng)13套，儲熱單元10 MWh，變流器單元0.2 MW，總成本2 001.2萬元。圖7給出了新型能源供給系統(tǒng)最優(yōu)容量配置的成本分布。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于價值最優(yōu)原則的光、儲、熱新型能源供給系統(tǒng)分層優(yōu)化配置方法，能夠保證偏遠地區(qū)電力熱力的穩(wěn)定需求，并有利于新型能源供給系統(tǒng)的經(jīng)濟運行。本文根據(jù)表征系統(tǒng)容量配置的經(jīng)濟性目標和滿足供電供熱穩(wěn)定需求的約束條件，建立了相應(yīng)的系統(tǒng)優(yōu)化配置模型，并提出了相應(yīng)的分層優(yōu)化迭代算法，用于求解價值最優(yōu)的系統(tǒng)容量配置結(jié)果。最后，由給出案例分析，有效驗證了所提出的分層優(yōu)化方法的可行性。