含電轉(zhuǎn)氣的冷熱電聯(lián)供型微電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度

張承鑫，白尚旻，趙冠雄，馬群凱

(1.東北電力大學(xué),吉林 吉林 132012;2.國(guó)網(wǎng)吉林供電公司,吉林 吉林 132012;3. 國(guó)網(wǎng)長(zhǎng)春供電公司,長(zhǎng)春 130021)

冷熱電聯(lián)供(combined cooling,heating and power,CCHP)型微電網(wǎng)具有運(yùn)行模式多樣性，較高的能源利用率，將制冷、制熱、供電的微源設(shè)備相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，減少環(huán)境污染[1-3]。

目前對(duì)于微電網(wǎng)的研究大多針對(duì)經(jīng)濟(jì)調(diào)度方面，鮮有文獻(xiàn)考慮CCHP型微電網(wǎng)污染氣體排放的問題，文獻(xiàn)[4]以運(yùn)行成本最低為目標(biāo)建立含儲(chǔ)能的CCHP優(yōu)化調(diào)度模型，解耦以熱定電約束；文獻(xiàn)[5]建立考慮儲(chǔ)能電站的CCHP型微電網(wǎng)的優(yōu)化經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。然而，CCHP型微電網(wǎng)運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生污染氣體，隨著各國(guó)對(duì)污染氣體排放問題的關(guān)注，以經(jīng)濟(jì)調(diào)度為單目標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果具有局限性。因此將兩者結(jié)合的多目標(biāo)優(yōu)化具有重要意義。

此外電轉(zhuǎn)氣(power to gas,P2G)技術(shù)近年來日益成熟，通過轉(zhuǎn)換生成的甲烷屬于清潔能源，燃燒過程不會(huì)產(chǎn)生污染氣體，利于環(huán)境的保護(hù)，電能的轉(zhuǎn)換也會(huì)為風(fēng)電的消納提供新的思路[6]?，F(xiàn)有針對(duì)P2G的研究主要集中在P2G的優(yōu)化配置方面，文獻(xiàn)[7]將P2G視為第二類靈活資源，優(yōu)化配置風(fēng)光機(jī)組及第三類靈活性資源的容量；文獻(xiàn)[8]將風(fēng)電-氫儲(chǔ)能(wind-hydrogen energy storage,W-HES)與火電整合，表明配置一定容量的P2G有利于提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。然而目前針對(duì)于P2G對(duì)CCHP型微電網(wǎng)調(diào)度影響鮮有研究，P2G配合燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)現(xiàn)了電力和天然氣系統(tǒng)的雙向流動(dòng)，對(duì)CCHP型微電網(wǎng)的運(yùn)行和調(diào)度有著顯著的影響，因此考慮CCHP和P2G聯(lián)合運(yùn)行具有較強(qiáng)現(xiàn)實(shí)意義。

綜上所述，本文考慮運(yùn)行成本和污染氣體排放成本建立了含P2G的CCHP型微電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，采用帕累托(Pareto)最優(yōu)解的多目標(biāo)粒子群(multi-objective particle sware optimization,MOPSO)算法對(duì)模型求解，通過算例仿真對(duì)含P2G的CCHP型微電網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)的棄風(fēng)消納、微電源出力、經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益進(jìn)行分析。

1 含P2G的CCHP型微電網(wǎng)模型

本文研究的CCHP系統(tǒng)主要包含風(fēng)機(jī)(wind turbine，WT)、燃?xì)廨啓C(jī)(gas turbine，GT)、儲(chǔ)電裝置(energy storage，ES)、燃?xì)忮仩t(gas boiler,GB)、余熱鍋爐(waste heat boiler，WHB)、換熱器(heat exchanger，HE)、吸收式制冷機(jī)(absorption refri-gerator，AR)、電制冷機(jī)(electrical conditioning，EC)。含P2G的CCHP型微電網(wǎng)(MG)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 含P2G的CCHP型微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

WHB、HE、AR模型參見文獻(xiàn)[9]，限于篇幅有限，此處不再贅述。

1.1 GT模型

燃?xì)廨啓C(jī)是CCHP系統(tǒng)常用的供能設(shè)備。發(fā)電的同時(shí)將燃燒產(chǎn)生的余熱經(jīng)吸收式制冷機(jī)和余熱鍋爐供冷、供熱。忽略GT燃燒天然氣網(wǎng)中混合氣體與燃燒P2G產(chǎn)生的純甲烷氣體輸出相同功率消耗然氣量不同的影響。該微源耗氣量模型如下：

(1)

式中：PGT,i,t為第i臺(tái)GT在t時(shí)刻發(fā)出電功率；ai，bi，ci為GT能量轉(zhuǎn)換系數(shù)[10]；QGT,i,t為第i臺(tái)GT在t時(shí)刻耗氣量，包括天然氣網(wǎng)中注入的氣體和P2G制得的甲烷。

1.2 EC模型

EC通過消耗電能制冷，消耗電能與產(chǎn)生冷能關(guān)系如下：

QEC,t=PEC,t(1-ηEC,l)ηECCEC

(2)

式中：QEC,t表示t時(shí)刻EC制冷量，ηEC,l、ηEC為EC能量損失系數(shù)和制冷效率；CEC為EC制冷能效比。

1.3 GB模型

GB通過消耗天然氣實(shí)現(xiàn)供熱，耗氣量如下：

(3)

式中：QGB,i,t為第i臺(tái)GB在t的產(chǎn)熱功率;FGB,i,t為第i臺(tái)GB在t時(shí)刻耗氣量;ηGB為GB的熱效率；LNG為天然氣熱值，一般為9.7 kW·h/m3[9]。

1.4 P2G模型

(4)

式中：ξP2G為P2G轉(zhuǎn)換效率；HQ為天然氣熱值；PP2G,t為時(shí)t刻P2G轉(zhuǎn)換過程耗電量；QP2G,t為t時(shí)刻P2G轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的天然氣，儲(chǔ)存在天然氣儲(chǔ)存罐中。

2 目標(biāo)函數(shù)及約束條件

2.1 目標(biāo)函數(shù)

本文所提含P2G的CCHP型微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型以全系統(tǒng)運(yùn)行成本和污染氣體排放治理成本為目標(biāo)。系統(tǒng)運(yùn)行成本包括GT燃燒天然氣消耗成本、從配電網(wǎng)購電成本、棄風(fēng)懲罰成本、電轉(zhuǎn)氣運(yùn)行成本。污染氣體排放成本主要考慮天然氣燃燒產(chǎn)生SO2、NO等污染氣體治理成本。

本文旨在使系統(tǒng)運(yùn)行成本最低和環(huán)境治理成本最低作為系統(tǒng)優(yōu)化的2個(gè)目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)表示如下：

(5)

式中：F1表示系統(tǒng)運(yùn)行成本；F2表示環(huán)境成本。

2.1.1 目標(biāo)1：運(yùn)行成本

F1=fgas+fgrid+fWT+fP2G

(6)

式中：fgas為GT和GB燃燒天然氣成本；fgrid為從配電網(wǎng)購電成本；fWT為棄風(fēng)懲罰成本；fP2G為P2G運(yùn)行成本。

2.1.1.1 燃?xì)獬杀?/p>

(7)

式中：T為調(diào)度周期總時(shí)段；NGT為GT總數(shù)；NGB為GB總數(shù)；cgas為天然氣購氣價(jià)格，取2.2元/m3。

2.1.1.2 購電成本

(8)

式中：ρt為t時(shí)刻CCHP系統(tǒng)從配電網(wǎng)購電價(jià)格[5]；Pgrid,b,t為t時(shí)刻CCHP系統(tǒng)從配電網(wǎng)購電功率。

2.1.1.3 棄風(fēng)懲罰成本

(9)

2.1.1.4 P2G運(yùn)行成本

當(dāng)風(fēng)電出力有剩余時(shí)，多余的風(fēng)電通過P2G轉(zhuǎn)化為天然氣消納，P2G運(yùn)行成本如下：

(10)

式中cP2G為P2G的運(yùn)行成本系數(shù)。

2.1.2 目標(biāo)2：環(huán)境成本

污染氣體排放治理成本如下：

(11)

式中：Npg為污染物種類，包括SO2、NO、CO氣體；σi為第i種污染物單位排放治理成本系數(shù)；Qpg,i為第i種污染物排放量。

2.2 約束條件

2.2.1 等式約束

等式約束包括冷熱電負(fù)荷平衡約束，儲(chǔ)能裝置運(yùn)行狀態(tài)約束。

2.2.1.1 電負(fù)荷平衡約束

Pload(t)=PWT(t)+PGT(t)+PES,d(t)+

Pgrid,b(t)-PP2G(t)-PES,c(t)-PEC(t)

(12)

式中：PWT(t)為t時(shí)刻風(fēng)電計(jì)劃接納功率；PGT(t)為t時(shí)刻GT輸出功率；PES,d(t)為t時(shí)刻ES放電功率；Pgrid,b(t)為t時(shí)刻從配電網(wǎng)購電功率；PES,c(t)為t時(shí)刻ES充電功率；PEC(t)為t時(shí)刻EC耗電量；Pload(t)為t微電網(wǎng)t時(shí)刻電負(fù)荷。

2.2.1.2 熱負(fù)荷平衡約束

Pheat(t)=PGB(t)+PHE(t)

(13)

式中：PGB(t)為GB在t時(shí)刻制熱功率；PHE(t)為HE在t時(shí)刻制熱功率；Pheat(t)為微電網(wǎng)t時(shí)刻熱負(fù)荷。

2.2.1.3 冷負(fù)荷平衡約束

Pcool(t)=PAR(t)+QEC(t)

(14)

式中：PAR(t)為AR在t時(shí)刻制冷功率；QEC(t)為EC在t時(shí)刻制冷功率；Pcool(t)為微電網(wǎng)t時(shí)刻冷負(fù)荷。

2.2.1.4 儲(chǔ)電裝置荷電狀態(tài)約束

S(t)=S(t-1)(1-σES)+[ηES,cPES,c(t)-

PES,d(t)/ηES,d]Δt

(15)

式中：S(t)為ES在t時(shí)刻的存儲(chǔ)能量；σES為ES自損耗系數(shù)；ηES,c為ES充能效率；ηES,d為ES放能效率；Δt為調(diào)度時(shí)段步長(zhǎng)。

2.2.2 不等式約束

2.2.2.1 第k個(gè)微電源出力上下限約束

Pk,min≤Pk(t)≤Pk,max

(16)

式中：Pk,min和Pk,max分別表示微電網(wǎng)中各微源系統(tǒng)出力最小和最大功率。

2.2.2.2 儲(chǔ)電裝置充放電功率約束及容量約束

(17)

式中：Smin、Smax分別為ES容量上、下限；PES,min、PES,max分別為ES最小、最大充放電功率；考慮到儲(chǔ)能裝置在同一時(shí)刻不能同時(shí)充放電,設(shè)置ES充放電狀態(tài)變量UES,c、UES,d。

3 基于帕累托最優(yōu)解的MOPSO算法

結(jié)合本研究采用基于帕累托最優(yōu)解的MOPSO算法求解多目標(biāo)問題，具體步驟如下。

步驟1:輸入含P2G的CCHP型微電網(wǎng)各微電源運(yùn)行參數(shù)、費(fèi)用參數(shù)，確定種群規(guī)模，設(shè)定慣性權(quán)值以及迭代次數(shù)；

步驟2:初始化粒子位置X，即各微電源如GT、GB、EC在每個(gè)時(shí)段功率，生成粒子初始速度v，形成1個(gè)粒子，以初始位置作為粒子個(gè)體最佳位置；

步驟3:分別計(jì)算目標(biāo)函數(shù)F1(以系統(tǒng)運(yùn)行成本最低)的優(yōu)化調(diào)度模型和目標(biāo)函數(shù)F2(以環(huán)境治理成本最低)的優(yōu)化調(diào)度模型，得到每個(gè)個(gè)體的目標(biāo)函數(shù)值，基于帕累托支配關(guān)系排序，計(jì)算個(gè)體的排擠距離篩選非劣解，優(yōu)先選擇擁擠度大的粒子，選取全局最優(yōu)解；

步驟4:更新粒子速度和位置；

步驟5:計(jì)算目標(biāo)函數(shù)F1、F2，更新非劣解集和個(gè)體最優(yōu)解以及全局最優(yōu)解；

步驟6:判斷是否滿足最大迭代次數(shù)，滿足則執(zhí)行步驟7，不滿足則執(zhí)行步驟4；

步驟7:輸出帕累托最優(yōu)解集。

4 算例分析

本文選取包含P2G設(shè)備的冷熱電聯(lián)供型微電網(wǎng)作為仿真對(duì)象，天然氣價(jià)格為2.2元/m3,優(yōu)化周期為T=24 h，調(diào)度時(shí)長(zhǎng)Δt為1 h。以夏季為例，通過可再生能源最大出力預(yù)測(cè)和負(fù)荷預(yù)測(cè)得到夏季典型日功率和負(fù)荷曲線(見圖2)。為了對(duì)比分析P2G對(duì)冷熱電聯(lián)供型微電網(wǎng)各微源出力影響，分為以下兩種場(chǎng)景分析：

圖2 夏季典型日負(fù)荷及風(fēng)電功率曲線

場(chǎng)景1：傳統(tǒng)冷熱電聯(lián)供型微電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行；

場(chǎng)景2：在場(chǎng)景1運(yùn)行方式的基礎(chǔ)上加入P2G。

4.1 場(chǎng)景1

圖3、圖4分別為場(chǎng)景1、2的帕累托最優(yōu)解集散點(diǎn)圖。

圖3 場(chǎng)景1的帕累托最優(yōu)解集散點(diǎn)圖

圖4 場(chǎng)景2的帕累托最優(yōu)解集散點(diǎn)圖

選取帕累托前沿最左邊的一個(gè)點(diǎn)，即運(yùn)行成本最低，環(huán)境成本最高點(diǎn)進(jìn)行分析。

4.1.1 不同場(chǎng)景下系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電使用情況

圖5為兩種場(chǎng)景下棄風(fēng)功率。由于風(fēng)電功率部分時(shí)段遠(yuǎn)超負(fù)荷功率，導(dǎo)致場(chǎng)景1存在在大量時(shí)段風(fēng)電功率無法上網(wǎng)，產(chǎn)生棄風(fēng)現(xiàn)象。場(chǎng)景2中當(dāng)P2G加入到CCHP行為微電網(wǎng)后，多余的風(fēng)電通過P2G轉(zhuǎn)化成天然氣注入天然氣網(wǎng)消納，使系統(tǒng)風(fēng)電完全消納，增加了系統(tǒng)風(fēng)電接納能力，相比場(chǎng)景1棄風(fēng)率減少9.53%。同時(shí)由于P2G加入系統(tǒng)，相當(dāng)于增加了系統(tǒng)的電負(fù)荷，起到了對(duì)負(fù)荷“填谷”的作用。

圖5 兩種場(chǎng)景下系統(tǒng)棄風(fēng)功率

4.1.2 不同場(chǎng)景下對(duì)系統(tǒng)微電源出力影響

場(chǎng)景1：該運(yùn)行方式下，CCHP型微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)

行，不包含P2G，各微電源出力見圖6。系統(tǒng)冷負(fù)荷由EC和GT提供，熱負(fù)荷由GB和GT提供。系統(tǒng)存在時(shí)段風(fēng)電功率大于電負(fù)荷需求，此時(shí)為降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，部分時(shí)段ES儲(chǔ)能功率提高，在電負(fù)荷功率超過風(fēng)功率時(shí)，ES放電供電負(fù)荷使用，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。

圖6 不含P2G的CCHP型微電網(wǎng)微電源出力

4.2 場(chǎng)景2

場(chǎng)景2：對(duì)比場(chǎng)景1，該運(yùn)行方式下，P2G投入到CCHP型微電網(wǎng)聯(lián)合運(yùn)行，各微電源出力見圖7。ES儲(chǔ)能充放電次數(shù)減小，是因?yàn)镻2G盡可能將微電網(wǎng)中消納不掉的風(fēng)電轉(zhuǎn)換成天然氣供GT使用，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，這就造成了ES充放電次數(shù)降低，同時(shí)由于P2G產(chǎn)生的甲烷直接供GT使用，使得部分時(shí)刻GT出力增加(如9：00—14：00)，GB和AC出力降低。

圖7 含P2G的CCHP型微電網(wǎng)各微電源出力

4.3 不同場(chǎng)景下微電網(wǎng)運(yùn)行成本及環(huán)境成本

不同場(chǎng)景下系統(tǒng)運(yùn)行成本和環(huán)境成本見表1。

表1 不同場(chǎng)景下夏季典型日系統(tǒng)運(yùn)行成本 元

從經(jīng)濟(jì)性角度，場(chǎng)景2相較于場(chǎng)景1系統(tǒng)運(yùn)行成本下降明顯，原因是場(chǎng)景2中P2G使棄風(fēng)電量完全消納，減少了棄風(fēng)懲罰成本，同時(shí)P2G將轉(zhuǎn)化后的天然氣存儲(chǔ)起來直接供各GT，減少了GT從天然氣網(wǎng)的購氣成本，綜合可得場(chǎng)景2運(yùn)行成本更低。

從環(huán)境保護(hù)角度，P2G轉(zhuǎn)化過程會(huì)消耗CO2，同時(shí)轉(zhuǎn)化后產(chǎn)生的甲烷屬于純凈燃料，燃?xì)廨啓C(jī)燃燒不會(huì)產(chǎn)生NO、SO2等污染氣體，因此P2G投入到CCHP型微電網(wǎng)使環(huán)境成本降低。

5 結(jié)論

本文將P2G與CCHP型微電網(wǎng)相結(jié)合，建立了考慮運(yùn)行成本和環(huán)境成本的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，采用帕累托最優(yōu)解的MOPSO算法對(duì)模型求解。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，P2G的投入使CCHP系統(tǒng)的風(fēng)電消納能力大大提高，P2G聯(lián)合CCHP型微電網(wǎng)運(yùn)行減少了ES充放電功率及次數(shù)，進(jìn)而可減小ES容量。棄風(fēng)懲罰成本降低使運(yùn)行成本大大降低，同時(shí)P2G產(chǎn)生甲烷直接供給GT不會(huì)產(chǎn)生污染氣體，使的環(huán)境治理成本降低，環(huán)境價(jià)值轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)運(yùn)行成本。綜合分析，P2G的投入使CCHP型微電網(wǎng)具有良好經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，在未來的能源發(fā)展中具有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。