多能源形式下商業(yè)區(qū)微網(wǎng)的方案設(shè)計與調(diào)度優(yōu)化

郭文鑄，王海偉，丁亮，余佩遙，李怡瑾，唐昊

（1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司合肥供電公司，安徽省合肥市230000；2.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，安徽省合肥市230000）

0 引言

隨著可再生能源滲透率的提高，微電網(wǎng)作為大電網(wǎng)的有效補充形式以及可再生能源的有效利用形式將越來越普及[1-2]。微電（能）網(wǎng)的概念最早由美國提出，由于有助于實現(xiàn)多種能源形式的高可靠供給，世界各國紛紛對微電（能）網(wǎng)展開研究。微電網(wǎng)建設(shè)的規(guī)劃設(shè)計直接影響其投資成本、運行可靠性和經(jīng)濟性，需研究不同類型能量間的優(yōu)化調(diào)度來更準(zhǔn)確地描述微網(wǎng)建設(shè)中的運行經(jīng)濟性，進而更準(zhǔn)確地刻畫微網(wǎng)建設(shè)經(jīng)濟性。

冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)是一種能同時滿足用戶冷熱電綜合能源需求的復(fù)雜微網(wǎng)系統(tǒng)，針對冷熱電微網(wǎng)內(nèi)部設(shè)備種類和容量的規(guī)劃問題，文獻[3]給出了2種方法：一種是將待優(yōu)化的設(shè)備容量統(tǒng)一到一個目標(biāo)函數(shù)下進行一階段優(yōu)化；另一種是將優(yōu)化過程分為2個階段，第一階段確定設(shè)備類型及容量，第二階段確定系統(tǒng)的運行策略等。文獻[4]提出了包括最大化投資收益率、最大化供電可靠性、最小化污染物排放量等多種評價指標(biāo)。在實際應(yīng)用過程中，既可以考慮采用單一目標(biāo)函數(shù)，也可以綜合考慮多種目標(biāo)。文獻[5]針對冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)容量配置問題，提出基于粒子群算法的三級協(xié)同整體優(yōu)化方法，第一級求解最優(yōu)設(shè)備選型問題，第二級求解設(shè)備最優(yōu)容量問題，第三級求解最優(yōu)運行參數(shù)問題。文獻[6]基于以熱定電、以電定熱、多目標(biāo)綜合效益3種運行模式分析了冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)的優(yōu)化配置問題。

以上文獻雖然針對冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)(combined cooling heating and power system，CCHP)優(yōu)化容量配置問題進行了研究，但這些研究未充分考慮儲能的作用。作為能量的時間轉(zhuǎn)換裝置，儲能裝置在微網(wǎng)系統(tǒng)中可提高能源利用效率和經(jīng)濟性。在針對含電儲能的微網(wǎng)系統(tǒng)中，文獻[7]針對電池儲能系統(tǒng)，將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)優(yōu)化問題，并采用動態(tài)規(guī)劃的方法求解儲能最優(yōu)容量。文獻[8]在給定運行策略下，提出了使用遺傳算法針對獨立風(fēng)光柴儲系統(tǒng)的容量進行優(yōu)化配置。在針對含熱儲能的微網(wǎng)系統(tǒng)中，文獻[9]提出了含儲熱的電力系統(tǒng)電熱綜合調(diào)度模型，相比傳統(tǒng)模型增加了系統(tǒng)熱平衡約束，熱電機組的熱電耦合約束等，采用了供電及供熱總煤耗最低的目標(biāo)函數(shù)。文獻[10]將日前調(diào)度策略作為上層目標(biāo)函數(shù)，儲能配置容量作為下層約束，建立了規(guī)劃?調(diào)度雙層模型。以上文獻對含儲能微網(wǎng)系統(tǒng)的配置優(yōu)化問題進行了研究，但在調(diào)度策略的選擇上多采用經(jīng)驗策略，即當(dāng)供能過剩時儲能裝置充能，供能出現(xiàn)缺額時儲能裝置放能，運行策略相對固定，針對電熱儲能在多能源形式微網(wǎng)下的互補協(xié)同運行的調(diào)度缺乏根據(jù)負荷變化進行動態(tài)調(diào)整的靈活性，因此，有必要展開含儲能的微網(wǎng)在最優(yōu)調(diào)度下的容量配置問題。

此外，目前微網(wǎng)的建設(shè)方案主要包括電能替代、水源熱泵三聯(lián)供、綜合能源等方案。其中電能替代方案主要倡導(dǎo)“以電代煤、以電代油”的新型能源消費模式[11]；水源熱泵三聯(lián)供方案以冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)為主要供能設(shè)備，水源熱泵作為輔助能源設(shè)備，可滿足系統(tǒng)內(nèi)多元化用能需求，對不同形式的能源進行協(xié)同優(yōu)化，有效提升能源利用效率[12-13]；考慮光伏發(fā)電已經(jīng)發(fā)展成為一項重要且成熟的分布式能源技術(shù)[14]，因此在綜合能源方案中，將光伏發(fā)電作為一項新增可再生能源，與水源熱泵三聯(lián)供系統(tǒng)進行配合建設(shè)，并配置一定的熱儲能及電儲能是一種可行的方案。除了微網(wǎng)建設(shè)方案之外，能源設(shè)備是否高效協(xié)同運行也至關(guān)重要，其與容量配置共同決定系統(tǒng)總體經(jīng)濟性。隨著智能電網(wǎng)的普及，人工智能技術(shù)成為解決多能源協(xié)同調(diào)度問題的重點研究方案[15-16]。文獻[17]提出可以使用強化學(xué)習(xí)來解決微網(wǎng)能量調(diào)度問題。文獻[18]分析了強化學(xué)習(xí)算法相比于基于模型的傳統(tǒng)調(diào)度算法的優(yōu)勢，并驗證了強化學(xué)習(xí)在處理微網(wǎng)中儲能調(diào)度問題能夠獲得比傳統(tǒng)控制更好的效果。文獻[19]利用Q學(xué)習(xí)算法對含光伏及儲能的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)進行運行策略的優(yōu)化，并驗證了所得策略的最優(yōu)性?，F(xiàn)階段在復(fù)雜微網(wǎng)容量規(guī)劃中，由于系統(tǒng)控制變量多，狀態(tài)變量復(fù)雜，導(dǎo)致Q學(xué)習(xí)方法可能受到維數(shù)災(zāi)難問題。

針對上述研究的不足，本文采用深度強化學(xué)習(xí)算法對系統(tǒng)中多類能源裝置以及儲能的優(yōu)化策略進行求解，對電能替代、熱泵三聯(lián)供、綜合能源3類方案進行比較，通過比較各方案和相應(yīng)配置下系統(tǒng)經(jīng)濟性指標(biāo)，給出微網(wǎng)建設(shè)建議，為微網(wǎng)建設(shè)提供參考。

1 商業(yè)建筑的負荷特性描述

商業(yè)區(qū)域是微網(wǎng)建設(shè)的重要對象之一，其對多種類型負荷的需求與其營業(yè)時間緊密相關(guān)。商業(yè)建筑全年營業(yè)時間受節(jié)假日影響較小，營業(yè)時間一般集中在08:00—22:00，日營業(yè)時間約為14h。此外，商業(yè)建筑占地面積大，人流量密集，為了保證環(huán)境的舒適性，通常營業(yè)時間內(nèi)商業(yè)建筑的冷負荷較大，且用冷時段集中于下午及傍晚時段，熱電負荷變化趨勢與冷負荷大致相同；而營業(yè)時間外的日冷熱電負荷則維持在一個較低水平。由于系統(tǒng)中負荷特性比單一能源形式復(fù)雜，會對建設(shè)方案的選擇與運行策略的優(yōu)化產(chǎn)生影響，因此本文針對商業(yè)區(qū)域的負荷特點，提出如下3種微網(wǎng)建設(shè)方案。

2 微網(wǎng)建設(shè)方案

2.1 電能替代方案

電能替代主要通過將滿足冷熱負荷需求的設(shè)備調(diào)整為電制冷、電加熱設(shè)備，該方案下微網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要能源形式有：

圖1 電能替代方案下微網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Microgrid structure under electric power alternative plan

1）離心式水冷機組。

離心式水冷機組依靠離心式壓縮機中高速旋轉(zhuǎn)的葉輪所產(chǎn)生的離心力進行制冷，其制冷功率為

2）電鍋爐。

電鍋爐采用金屬管狀電加熱器，通過加熱水使電能直接轉(zhuǎn)化為熱能，其制熱功率為

式中：Theb(t)為 電鍋爐制熱功率；peb(t)為電鍋爐輸入電功率；為電鍋爐制熱效率。

電能替代方案下系統(tǒng)能流平衡關(guān)系為：

式中：pcool(t)為系統(tǒng)的冷負荷；pth(t)為系統(tǒng)的熱負荷；pele(t)為 系統(tǒng)的電負荷；pgrid(t)為系統(tǒng)與大電網(wǎng)的交互功率。

系統(tǒng)從時刻T運行至?xí)r刻T+Δt過程中的運行代價為

式 中fgrid(t)為t時刻電價。

2.2 水源熱泵三聯(lián)供方案

本方案以三聯(lián)供機組實現(xiàn)冷熱電聯(lián)產(chǎn)為主要供能方式，水源熱泵作為輔助供冷制熱設(shè)備，離心式水冷機組作為供冷補充，電鍋爐作為供熱補充，該方案微網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要能源形式為：

圖2 水源熱泵三聯(lián)供方案微網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of CCHP plan with water source heat pump

1）燃氣三聯(lián)供機組。

燃氣三聯(lián)供的主要優(yōu)勢是可利用燃氣輪機組產(chǎn)生廢熱煙氣回收實現(xiàn)冷熱電聯(lián)產(chǎn)，燃氣輪機組由多臺燃氣輪機并聯(lián)組成，設(shè)燃氣輪機總數(shù)為Nmt，熱電比為βmt， 投入運行的燃氣臺數(shù)為nmt；燃氣輪機組總共提供電功率為p(t)，有功功率平均分配給每一臺燃氣輪機，則pmt(t)=p(t)/nmt，同時熱功率Thmt(t)=pmt(t)βmt，且pmt(t)應(yīng)滿足：

2）再生水源熱泵機組。

再生水源熱泵機組通過回收污水廠外排水低溫余熱，再生水吸取機組冷凝熱或向機組蒸發(fā)器釋放熱量，從而實現(xiàn)供冷供熱，再生水源熱泵機組的輸入電功率pwp(t)應(yīng)滿足：

式中：分別表示水源熱泵的最小輸入電功率和最大輸入電功率。

再生水源熱泵制冷功率、制熱功率為：

水源熱泵三聯(lián)供方案系統(tǒng)下能流平衡關(guān)系為：

系統(tǒng)從時刻T運行至?xí)r刻T+Δt過程中的運行代價為：

式中：cst為機組啟停代價；cpr為機組運行代價，

2.3 綜合能源方案

本方案在水源熱泵三聯(lián)供方案的基礎(chǔ)上以光伏發(fā)電作為新增新能源形式，配置一定的熱儲能及電儲能，其微網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 綜合能源方案微網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Microgrid structure of integrated energy plan

光伏出力與氣象條件密切相關(guān)，將光照強度等因素對應(yīng)為不同的氣象系數(shù)，光伏出力為光伏裝機容量pvbase與氣象系數(shù)α(t)的乘積，即

電儲能裝置的充放電功率pes(t)可在其約束范圍內(nèi)進行充放，即

電儲能充放電過程中的能量損耗代價ces為

式中：βes為 代價系數(shù)；ηes為 電儲能效率；表示電儲能與其外部的交換功率。

熱儲能在充放過程中存在能量損耗代價cths，并設(shè)熱能流失代價cthw，其與cths可表示為：

式中：βths為熱儲能充放損耗代價系數(shù)；ηths為熱儲能效率；表示熱儲能裝置與其外部的熱交換功率； βthw為流失熱代價系數(shù)。

綜合能源方案下系統(tǒng)能流平衡關(guān)系為：

式中：Thths(t)為 時刻熱儲能功率；ppv(t)為時刻光伏出力；pes為時刻電儲能功率。

綜上所述，系統(tǒng)從時刻T運行至?xí)r刻T+Δt過程中的運行代價為

3 調(diào)度優(yōu)化模型及方法

由于本節(jié)考慮的是有限時段內(nèi)的調(diào)度優(yōu)化問題，因此將一天等分為K個決策周期，其中第k個決策周期對應(yīng)時段為[tk,tk+1)，tk為該周期決策時刻。定義系統(tǒng)狀態(tài)向量為s。

在電能替代方案下s表示為

在水源熱泵三聯(lián)供方案下s表示為

在綜合能源方案下s表示為

系統(tǒng)的行動包括燃氣機組的起停，電儲能、熱儲能的充放，定義系統(tǒng)行動集D=Dmt×Des×Dths，a=(amt,aes,aths)∈D表示系統(tǒng)行動向量，其中aes表 示電儲能充放電行動；aths表示熱儲能充放行動；amt表示燃氣機組開啟臺數(shù)。

當(dāng)前決策時刻為tk時，在系統(tǒng)狀態(tài)sk下選擇行動ak，經(jīng)過一個決策周期T，系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到sk+1，得到一個狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程為系統(tǒng)運行代價c在第k個決策周期所對應(yīng)的值。

定義系統(tǒng)在策略π下從初始狀態(tài)s0開始運行，優(yōu)化性能準(zhǔn)則Vπ(s0)如下：

系統(tǒng)能量調(diào)度優(yōu)化目標(biāo)是在與環(huán)境交互的學(xué)習(xí)過程中，從策略集Ω中找到最優(yōu)策略π?，使系統(tǒng)的平均運行代價最低，即使得優(yōu)化性能準(zhǔn)則最小化。

針對優(yōu)化策略的求解，深度強化學(xué)習(xí)（deepQ-network，DQN）算法在處理大規(guī)模復(fù)雜優(yōu)化問題上相比傳統(tǒng)的優(yōu)化方法具有顯著優(yōu)勢，但在求解目標(biāo)函數(shù)過程中存在過估計問題，因此，本文采用結(jié)構(gòu)如圖4所示雙網(wǎng)絡(luò)深度Q學(xué)習(xí)算法（double deepQ-network，DDQN），通過利用2個結(jié)構(gòu)相同但值函數(shù)不同的網(wǎng)絡(luò)分別實現(xiàn)動作的選擇和動作的評估，從而解決過估計問題[20]。

圖4 DDQN算法結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of DDQN algorithm

算法的具體流程如下：

步驟1：定義系統(tǒng)運行參數(shù)，如決策周期ΔT，經(jīng)驗池容量M，學(xué)習(xí)步數(shù)Sstep等。

步驟2：初始化網(wǎng)絡(luò)1和網(wǎng)絡(luò)2層數(shù)和每層神經(jīng)元個數(shù)，初始化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)θ1和 θ2；設(shè)定樣本池容量和樣本批次容量。

步驟3：初始化系統(tǒng)狀態(tài)s0，在當(dāng)前狀態(tài)下選擇行動a，經(jīng)過一個運行周期獲得下一狀態(tài)s′和運行代價c，將存入樣本池，重復(fù)至樣本池滿。

步驟4：重復(fù)以下步驟①到⑥，直到Sstep=Ntrain步。

①從樣本池中隨機選擇一個樣本批次的樣本，并對樣本進行歸一化處理，得到②將s?輸入網(wǎng)絡(luò)1獲得該狀態(tài)下所有行動對應(yīng)的Q值，即 網(wǎng) 絡(luò) 輸 出：Q1(s,·)。③將分 別 輸 入網(wǎng) 絡(luò)1和 網(wǎng) 絡(luò)2，獲 得Q1(s′,·)和Q2(s′,·)，選 擇從 而 得 到根 據(jù) 公 式Qtarget=c+γQ2(s′,a?)計 算 獲 得④根 據(jù)Qtarget(s,·)和網(wǎng)絡(luò)1輸出，計算損失函數(shù)并利用梯度下降算法更新網(wǎng)絡(luò)1參數(shù)θ1。⑤每經(jīng)過Nupdate步更新網(wǎng)絡(luò)1參數(shù)賦值給網(wǎng)絡(luò)2。⑥產(chǎn)生新樣本并替換樣本池中樣本，更新樣本池。

4 結(jié)果分析

以合肥市濱湖區(qū)某建筑區(qū)域為例，對上述3種微網(wǎng)建設(shè)方案進行仿真分析，該區(qū)域光伏及冷熱電負荷曲線如圖5所示。

圖5 光伏與多種類負荷曲線Fig.5 Curves of PV and multi-type loads

微網(wǎng)向電網(wǎng)購電的價格參考合肥市現(xiàn)行分時電價的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定08:00至22:00共14 h實行高峰電價，電價為0.5653元/(kW·h)；規(guī)定22:00至次日08:00共10 h實行低谷電價，電價為0.3153元/(kW·h)；向電網(wǎng)售電時，參考安徽省發(fā)電企業(yè)的上網(wǎng)電價，上網(wǎng)電價為0.398元/(kW·h)；三聯(lián)供系統(tǒng)采用天然氣發(fā)電時參考合肥市天然氣氣價為2.72元/m3。

4.1 電能替代方案

電能替代方案下能源配置以滿足峰值冷、熱負荷為目標(biāo)，能源配置情況為制冷量3516 kW的離心式水冷機組3臺，制熱功率2100 kW的CWDR2.1電熱鍋爐3臺，投資成本為1104萬元。

電能替代方案由市電直接供電，離心式水冷機組直接供冷，電熱鍋爐直接供熱，不需要進行運行策略優(yōu)化，其年運行成本為548.01萬元，日內(nèi)各時段系統(tǒng)與市電交互功率見圖6。電能替代方案中能源結(jié)構(gòu)較為單一，夏季大量冷負荷需求和冬季大量熱負荷需求造成整體用電量大大增加。供冷季和供暖季單一的供能方式缺少能源互補的優(yōu)勢，導(dǎo)致運行成本增大。電熱鍋爐和離心式水冷機組只在對應(yīng)的季節(jié)工作，其余時段閑置，設(shè)備利用率低，產(chǎn)生資源浪費。推進電能替代主要效益體現(xiàn)在系統(tǒng)建設(shè)難度小，減少區(qū)域環(huán)境污染，但會提高建設(shè)支出及運行成本。

圖6 電能替代方案下市電交互功率Fig.6 Exchange power with grid of electric power alternative plan

4.2 水源熱泵三聯(lián)供方案

考慮該地區(qū)現(xiàn)有一座再生水廠，水源熱泵所需的可再生能源供給充足，因此以燃氣三聯(lián)供為主要供能設(shè)備，以水源熱泵，離心冷水機組及電加熱鍋爐作為供能補充，考慮不同水源熱泵滲透率下的水源熱泵三聯(lián)供方案對比，不同滲透率下能源配置及系統(tǒng)投資成本見表1。

表1 不同水源熱泵滲透率下能源配置及投資成本Table 1 Energy configuration and investment cost under water source heat pump permeability

根據(jù)不同滲透率下所得最優(yōu)運行策略，得到不同滲透率下水源熱泵三聯(lián)供方案的年運行成本，然后以電能替代方案為基準(zhǔn)，計算出不同水源熱泵滲透率下微網(wǎng)系統(tǒng)的投資收益率及投資回收期，所得結(jié)果見表2。

以上電能替代方案下僅采用離心式水冷機組和電加熱鍋爐導(dǎo)致設(shè)備在不同季節(jié)會閑置。再生水源熱泵和三聯(lián)供系統(tǒng)會增加系統(tǒng)建設(shè)的初始投資，但其全年均能供冷供熱，設(shè)備利用率高。表2中水源熱泵滲透率越高，經(jīng)濟效益越好，但考慮設(shè)備維護難度、可行性等因素，水源熱泵容量不易過大。結(jié)合該地區(qū)再生水廠供能條件，采用水源熱泵三聯(lián)供方案進行微網(wǎng)建設(shè)時，可選擇水源熱泵滲透率為18.07%的能源配置方案，該方案下學(xué)習(xí)優(yōu)化曲線見圖7，經(jīng)驗策略下年運行成本為434.04萬元，優(yōu)化策略下年運行成本為397.60萬元。

表2 不同水源熱泵滲透率下的經(jīng)濟性指標(biāo)Table 2 Economic indicators under various water source heat pump permeability

圖7 水源熱泵滲透率為18.07%的優(yōu)化曲線Fig.7 Optimal curve when the water source heat pump permeability is equal to 18.07%

優(yōu)化策略下該方案經(jīng)濟性如圖8虛線框所示，投資收益率為10.97%，投資回收期9.12 a。該方案能源配置為單臺電功率1400 kW的C1400 N5C燃氣發(fā)電機組3臺，制冷量1912 kW、制熱量1923 kW的DRSW-555-2AF再生水源熱泵1臺，制冷量3918 kW的開利19XR5051385CQS離心式水冷機組1臺，制熱量700 kW的CWDR0.7電熱鍋爐1臺，投資成本1370萬元。

圖8 水源熱泵滲透率對經(jīng)濟性的影響Fig.8 Influence of different water source heat pump permeability on economy performance

上述能源配置方案下優(yōu)化運行策略仿真得出年運行成本397.60萬元，日內(nèi)各時段系統(tǒng)與市電交互功率見圖9，燃氣三聯(lián)供機組同時提供多種能源，降低系統(tǒng)總體購電量，負荷高峰時段從市電購電為主，日均購電量為13.441 MW，夜間基本實現(xiàn)供能自給自足，與電能替代方案相比，大幅降低了其余時段從市電購電量，電負荷低谷時段還能實現(xiàn)向市電售電，日均總售電量為2.603 MW。

圖9 水源熱泵三聯(lián)供方案下市電交互量Fig.9 Power exchange with main supply under CCHP plan with water source heat pump

4.3 綜合能源方案

綜合能源方案在水源熱泵三聯(lián)供所建議方案的基礎(chǔ)上，新增光伏發(fā)電1.2 MW，新增全釩液流電池儲能裝置，新增相變儲熱裝置，表3為不同的儲能容量配置下的投資成本。

表3 不同儲能容量下系統(tǒng)的投資成本Table 3 Investment cost of the system under different energy storage capacities

根據(jù)不同儲能容量配置下所得最優(yōu)運行策略，得到不同儲能容量下綜合能源方案對應(yīng)的年運行成本，同樣以電能替代方案為基準(zhǔn)，計算出不同儲能配比下微網(wǎng)系統(tǒng)的投資收益率及投資回收期，對應(yīng)結(jié)果見表4。

表4 不同儲能容量下的經(jīng)濟性指標(biāo)Table 4 Economic index under different energy storage capacities

圖10 為儲能容量與經(jīng)濟性的關(guān)系，可以看出，電儲能容量為3 MW·h及熱儲能容量為2.5 MW·h能夠在有效降低年運行成本的同時獲得最大投資收益率，繼續(xù)增大儲能裝置容量帶來的收益將降低。

圖10 儲能容量配比對經(jīng)濟性的影響Fig.10 Influence of energy-storage capacity on economy

以經(jīng)濟性為主要評價指標(biāo)，結(jié)合建設(shè)可行性和維護難度，該地區(qū)以綜合能源方案進行微網(wǎng)建設(shè)時，新增光伏發(fā)電1.2 MW，新增全釩液流電池儲能裝置3 MW·h，新增相變儲熱裝置2.5 MW·h，該方案經(jīng)濟性如圖11虛線框所示，投資收益率為11.37%，投資回收期為8.79 a。新增設(shè)備使年運行成本顯著降低，比電能替代場景降低36.47%，降低199.89萬元，比水源熱泵三聯(lián)供方案降低12.44%，降低49.47萬元。

圖11 綜合能源方案優(yōu)化曲線Fig.11 Optimal curve of integrated energy plan

電儲能容量為3MW·h及熱儲能容量為2.5 MW·h方案下學(xué)習(xí)優(yōu)化曲線如圖11所示，經(jīng)驗策略下年運行成本為390.67萬元，優(yōu)化策略下年運行成本為348.12萬元。經(jīng)驗策略與優(yōu)化策略下日內(nèi)各時段儲能荷電狀態(tài)如圖12所示，在高負荷區(qū)間(13:00—22:00時間段)，相比于經(jīng)驗策略的固定充放模式，優(yōu)化策略根據(jù)負荷情況對儲能充放電動作進行合理調(diào)節(jié)，以降低后續(xù)負荷高峰的供電壓力。優(yōu)化策略下，日內(nèi)各時段系統(tǒng)與市電交互功率如圖13所示。在優(yōu)化策略下，引入的新能源和儲能裝置有效緩解了市電供電的壓力，負荷高峰時段從市電日均購電量有所降低，總計購電6.984 MW，相比水源熱泵三聯(lián)供方案減少了6.457 MW，在用電低谷時段向市電日均購電量為1.891 MW，將低電價電能以及三聯(lián)供設(shè)備富余電能儲存，在用電高峰時段釋放，通過電能的轉(zhuǎn)移能夠降低運行成本，同時還能有效平滑大電網(wǎng)供電需求。

圖12 綜合能源方案儲能荷電狀態(tài)Fig.12 Electricity state of charge under integrated energy plan

圖13 綜合能源方案下市電交互量Fig.13 Power exchange with main supply under integrated energy plan

4.4 方案對比與建議

按照合肥市光儲產(chǎn)業(yè)補貼政策[21]，光伏補貼為0.15元/kW，儲能設(shè)備補貼設(shè)備投資額10%的一次性補貼，假設(shè)項目全壽命周期為20 a，光伏和儲能的補貼政策持續(xù)5 a，儲能壽命為10 a，各方案經(jīng)濟性對比見表5。

表5 3種方案投資經(jīng)濟性對比Table 5 Investment economy comparison of three plans

電能替代方案投資成本較少，能夠降低建設(shè)難度，但運行成本最高，從經(jīng)濟性角度上不建議采用電能替代。以電能替代為參照方案，采用水源熱泵三聯(lián)供方案投資成本適中，年運行成本可接受，相比電能替代方案每年節(jié)約150.42萬元運行費用，投資回收期為9.11a，內(nèi)部收益率9.04%。綜合能源方案可獲得一次性儲能補貼約38.75萬元，每年獲得光伏補貼約6.57萬元，項目運行10 a后需對儲能裝置換新。綜合能源方案投資成本較高，采用了多種能源相互協(xié)同供能，新增新能源發(fā)電及儲能裝置，其年運行成本相較于電能替代方案降低199.89萬元，投資回收期比水源熱泵三聯(lián)供方案增加0.06 a，內(nèi)部收益率略有下降，總體經(jīng)濟性較好，新增光儲設(shè)備后的難點在于能源設(shè)備眾多，維護難度大。

綜上，綜合能源方案中多種能源設(shè)備協(xié)同供應(yīng)，光伏和儲能裝置在緩解大電網(wǎng)供電壓力的同時，能夠降低系統(tǒng)運行成本，起到新能源發(fā)電項目的示范效果，考慮微網(wǎng)建設(shè)與運行的經(jīng)濟性與環(huán)境效益，投資回收期到來后，每年可帶來凈利潤199.89萬元。

隨著儲能技術(shù)愈加成熟，儲能裝置價格必將逐漸降低，因此本文考慮了儲能裝置價格對綜合能源方案內(nèi)部收益率的影響，見圖14，圖中虛線為水源熱泵三聯(lián)供方案內(nèi)部收益率。

圖14 儲能價格對內(nèi)部收益率的影響Fig.14 Influence of energy storage price on IRR

從圖14可以看出如果10年期更換儲能裝置時儲能價格降低14.16%，綜合能源方案的內(nèi)部收益率與水源熱泵三聯(lián)供方案持平，因此在儲能價格有望大幅下降的未來，采用綜合能源方案帶來的收益是可期的。

5 結(jié)論

電能替代方式優(yōu)勢在于系統(tǒng)建設(shè)難度低，但其經(jīng)濟性較差，如果有政府實行相關(guān)補貼政策，可提高電能替代模式的吸引力；水源熱泵三聯(lián)供方案有效結(jié)合地區(qū)可再生資源，實現(xiàn)較好的經(jīng)濟性；綜合能源方案增加光伏儲能裝置后經(jīng)濟性與水源熱泵三聯(lián)供方案基本持平，但隨著儲能價格的降低，其經(jīng)濟效益將大大提高。因此，在儲能價格有望降低的未來，采用綜合能源方案能在充分利用可再生資源實現(xiàn)綠色環(huán)保的同時，帶來可觀的經(jīng)濟效益。

能源設(shè)備種類根據(jù)建設(shè)區(qū)域可利用資源確定，后續(xù)針對具有不同資源的區(qū)域進行微網(wǎng)建設(shè)分析時，可考慮更加多元的能源設(shè)備之間的運作關(guān)系；同時不同的電價、氣價機制對三聯(lián)供的經(jīng)濟性效益的影響值得進一步研究；隨著新能源滲透率的擴大，未來新能源補貼政策的走勢也將對微網(wǎng)建設(shè)經(jīng)濟性產(chǎn)生影響，因此對未來市場機制及政策研究也是有意義的研究方向。