園區(qū)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度研究與實(shí)踐

黃源烽，施燁，郝飛，陳根軍，王歡，胡榕

(1.南京南瑞繼保電氣有限公司， 江蘇 南京 211102；2.中節(jié)能國機(jī)聯(lián)合電力(寧夏)有限公司， 寧夏 銀川 750001)

0 引 言

為了協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與能源利用、環(huán)境保護(hù)之間的平衡關(guān)系，以綜合能源協(xié)同規(guī)劃為理念，整合電、汽、熱等能源類型，構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)不同能源形式的互補(bǔ)特性和協(xié)同效應(yīng)這一課題受到業(yè)界人士的普遍關(guān)注。以園區(qū)為代表的區(qū)域級綜合能源系統(tǒng)呈現(xiàn)用能密度大、負(fù)荷利用小時數(shù)高、可再生能源比例增加、產(chǎn)用能形式多樣化等特點(diǎn)，是促進(jìn)可再生能源大規(guī)模就地消納，提高能源綜合利用效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)的有效實(shí)施途徑[1]。目前，多數(shù)園區(qū)的能源監(jiān)控不到位，能源調(diào)度手段單一，用能管理方式粗放是導(dǎo)致能源利用效率低下、“多而不補(bǔ)”的根本原因。

綜合能源系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)能源供給相互獨(dú)立的藩籬，而與之適配的優(yōu)化調(diào)度是保證系統(tǒng)資源優(yōu)化配置，提升系統(tǒng)靈活性和綜合能效的關(guān)鍵。在政策、市場、技術(shù)等多重因素作用下，實(shí)現(xiàn)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度正由概念導(dǎo)入、項目孵化邁向市場驗證階段。從這一角度出發(fā)，文獻(xiàn)[2]圍繞綜合能源耦合系統(tǒng)，針對其關(guān)鍵特征變量的差異性與關(guān)聯(lián)性，結(jié)合多場景運(yùn)行模式，搭建了區(qū)域綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化模型并進(jìn)行了綜合分析。文獻(xiàn)[3]提出了一種兩階段日內(nèi)優(yōu)化調(diào)度策略，將博弈方法融入需求響應(yīng)策略中，以實(shí)現(xiàn)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)內(nèi)不同能源介質(zhì)的制約平衡和聯(lián)合優(yōu)化。文獻(xiàn)[4]針對工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)開發(fā)出專門的規(guī)劃設(shè)計軟件，可結(jié)合規(guī)劃要求進(jìn)行仿真計算，從而實(shí)現(xiàn)項目評估和風(fēng)險管控。文獻(xiàn)[5]針對孤島型微能源網(wǎng)基于能源集線器架構(gòu)提出了計及多類型需求響應(yīng)的孤島型微能源網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型，最終求解得到各能源設(shè)備的最優(yōu)出力及運(yùn)行成本。

目前，以文獻(xiàn)[6-9]為代表的針對園區(qū)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行研究在基礎(chǔ)理論方面的研究已取得初步進(jìn)展，工程實(shí)際應(yīng)用也取得了一定的成果，但仍存在以下主要問題：

1)能源信息采集系統(tǒng)不成熟，缺少整體規(guī)劃，自動化水平低；

2)能量管理欠佳，多能源介質(zhì)間的調(diào)度互動匱乏，運(yùn)行效率低，無法充分挖掘綜合能源潛力；

3)研究集中于應(yīng)用實(shí)施的宏觀層面，偏向復(fù)雜系統(tǒng)的精確建模與優(yōu)化算法的先進(jìn)建設(shè)，忽略了優(yōu)化模型本身與算法參數(shù)的合理性與可落地性。

本文以園區(qū)綜合能源系統(tǒng)為研究對象，針對其信息感知薄弱、協(xié)調(diào)優(yōu)化欠佳等主要問題，通過采集、處理和分析各個能源子系統(tǒng)的泛在信息[10]，基于對可調(diào)度設(shè)備的實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)和對新能源設(shè)備出力以及用戶側(cè)負(fù)荷的預(yù)測數(shù)據(jù)，建立起綜合能源系統(tǒng)的等效模型，從經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、高效運(yùn)維、節(jié)能環(huán)保等多個維度綜合優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行方式，依托綜合能效指導(dǎo)區(qū)域能源的優(yōu)化控制和運(yùn)行管理，促進(jìn)調(diào)度決策落地，從而提升系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

1 綜合能源系統(tǒng)設(shè)備模型

園區(qū)綜合能源系統(tǒng)在能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對園區(qū)內(nèi)部的電力、燃?xì)?、蒸汽、供熱、儲能等多種能源設(shè)備進(jìn)行調(diào)度設(shè)計、運(yùn)行監(jiān)控以及優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)劃和調(diào)度彈性提升，進(jìn)一步提高園區(qū)內(nèi)綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行安全水平和能源利用效率。一個典型的園區(qū)級綜合能源系統(tǒng)如圖1所示，其中包含燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、燃?xì)忮仩t、光熱鍋爐、光伏、風(fēng)機(jī)、水源熱泵、汽水換熱器、蓄電池、儲汽罐、熱水罐等能源設(shè)備。

圖1 典型園區(qū)的綜合能源系統(tǒng)

1.1 CHP系統(tǒng)

考慮熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組[11](combined heat and power，CHP)系統(tǒng)中燃?xì)廨啓C(jī)(gas turbine，GT)的全工況特性以及環(huán)境溫度對余熱鍋爐(heat recovery steam generator，HRSG)性能的影響，建立燃機(jī)熱力模型：

(1)

式中：FGT(t)，PGT(t)和SHRSG(t)—t時刻CHP系統(tǒng)的燃?xì)庀乃俾?、輸出電功率和輸出熱功率?/p>

VL—燃?xì)獾臀话l(fā)熱量；

ηGT，ξGT和ηREC—CHP系統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率、散熱損失系數(shù)以及余熱回收效率；

copHRSG—制熱系數(shù)；

T1，T2和T0—余熱煙氣進(jìn)出余熱鍋爐的溫度以及環(huán)境溫度。

1.2 燃?xì)忮仩t

燃?xì)忮仩t(gas boiler，GB)以燃?xì)鉃槿剂?，其?shù)學(xué)模型建立為

SGB(t)=FGB(t)×VL×ηGB

(2)

式中：FGB(t)，SGB(t)—t時刻燃?xì)忮仩t的燃?xì)庀乃俾屎洼敵鰺峁β剩?/p>

ηGB—燃?xì)忮仩t的熱效率。

1.3 水源熱泵

水源熱泵(heat pump，HP)通過輸入一定高品質(zhì)電量來驅(qū)動壓縮機(jī)，其性能系數(shù)較高，且受負(fù)荷變化的影響較小。對熱泵機(jī)組建立如下熱力模型：

HHP(t)=copHP×PHP(t)

(3)

式中：PHP(t)，HHP(t)—t時刻水源熱泵消耗的電功率與制熱功率；

copHP—水源熱泵的制熱系數(shù)。

1.4 汽-水換熱設(shè)備

汽-水換熱設(shè)備(steam-water heat exchanger，SW)利用園區(qū)內(nèi)燃?xì)忮仩t、余熱鍋爐等設(shè)備產(chǎn)生的大量蒸汽作為熱源加熱給水，為園區(qū)集中供暖提供所需的熱水，完成不同品質(zhì)能量間的轉(zhuǎn)化，其數(shù)學(xué)模型表示為

HSW(t)=SSW(t)×ηSW

(4)

式中：SSW(t)，HSW(t)—t時刻汽-水換熱設(shè)備的輸入、輸出熱功率；

ηSW—汽-水換熱設(shè)備的換熱系數(shù)。

1.5 電、汽、熱儲能設(shè)備

儲能設(shè)備作為能源網(wǎng)絡(luò)不可或缺的一部分，是解決能量供需關(guān)系中存在的時間差異矛盾和局部差異問題的重要途徑。對于園區(qū)綜合能源系統(tǒng)而言，儲能包括電力、蒸汽與熱水的存儲，對應(yīng)的儲能設(shè)備通常表現(xiàn)為蓄電池、儲汽罐和熱水罐。對于任一種儲能設(shè)備，均需要滿足儲能廣義動態(tài)模型所表征的能量充放與實(shí)時容量間的關(guān)系式[12]，如式(5)所示：

Ces,j(t)=(1-ξes,j)Ces,j(t-1)+

(5)

式中：Ces,j(t)，Ces,j(t-1)—第j種儲能設(shè)備在t時刻與t-1時刻儲能設(shè)備的儲能容量；

ξes,j—第j種儲能設(shè)備的能量損失系數(shù)；

1.6 可再生能源及電汽熱負(fù)荷

對于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)(wind turbine，WT)、光伏發(fā)電系統(tǒng)(photovoltaic，PV)以及太陽光熱鍋爐(photothermal boiler，PB)這類不可控能源的輸出功率和電、汽、熱負(fù)荷均采用歷史數(shù)據(jù)對未來數(shù)值進(jìn)行預(yù)測。

2 綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

系統(tǒng)的綜合成本包括經(jīng)濟(jì)成本、運(yùn)行成本、維護(hù)成本和環(huán)境成本，其目標(biāo)函數(shù)F為

F=α1F1+α2F2+α3F3

(6)

式中：F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3—系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本、運(yùn)維成本和環(huán)境成本；

α1，α2，α3—對應(yīng)各成本的權(quán)重系數(shù)。

通過調(diào)整權(quán)重系數(shù)的大小，可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)各可控設(shè)備對于平衡源荷資源變化的參與度。

1) 經(jīng)濟(jì)成本包括燃?xì)庠O(shè)備消耗的燃?xì)赓M(fèi)用以及系統(tǒng)通過聯(lián)絡(luò)線從電網(wǎng)購買的電量費(fèi)用，其計算模型如下：

(7)

式中：F1—成本效益；

cgrid(t)，cgas—t時刻的分時電價與天然氣價格；

Pgrid(t)—t時刻向外部電網(wǎng)購電功率，若符號為負(fù)則為售電功率；

FCHP(t)，F(xiàn)GB(t)—t時刻CHP系統(tǒng)和燃?xì)忮仩t的天然氣消耗量。

2) 運(yùn)維成本包括設(shè)備在運(yùn)行過程中由于啟停狀態(tài)、出力變化以及設(shè)備損耗、維修、人工巡檢等造成的費(fèi)用，其計算模型如下：

(8)

式中：F2—運(yùn)維成本；

c0,i，ci，cd,i和cn,i—第i種設(shè)備的啟始成本、單位維護(hù)成本、出力變化成本和啟停成本；

Ui(t)，Zi(t)，ΔZi(t)和Oi(t)—第i種設(shè)備在t時刻的啟停狀態(tài)(啟動為1，停止為0)、實(shí)際出力，相對于t-1時刻的出力變化量和啟停狀態(tài)變化(發(fā)生啟停狀態(tài)變化為1，否則為0)；

I—設(shè)備總數(shù)；

ces,j—第j種儲能設(shè)備的單位維護(hù)成本；

J—儲能設(shè)備種類總數(shù)。

3) 環(huán)境成本涉及設(shè)備運(yùn)行過程中由于排放污染物所引發(fā)的治理費(fèi)用，其計算模型如下：

(9)

式中：F3—環(huán)境效益；

λCHP,k，PCHP,k—CHP系統(tǒng)第k種污染物的排放系數(shù)與單位排放成本；

λGB,k，PGB,k—燃?xì)忮仩t系統(tǒng)第k種污染物的排放系數(shù)與單位排放成本；

K—污染物種類，包括CO2，NOx，SO2，CO。

2.2 約束條件

優(yōu)化求解算法的約束條件分為等式約束與不等式約束，其中等式約束條件主要用于表述系統(tǒng)的能量平衡關(guān)系，如電能供需平衡和熱能供需平衡；不等式約束條件用于限定系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如設(shè)備的功率限值約束。

2.2.1 功率平衡約束

式中：Pi(t)，Hi(t)，Si(t)—供電、供熱、供汽設(shè)備的實(shí)時出力；

Pload(t)，Hload(t)，Sload(t)—總的電負(fù)荷、熱負(fù)荷與汽負(fù)荷。

2.2.2 設(shè)備出力約束

不同能源類型的供能設(shè)備均需滿足出力約束以及出力變化約束。

(11)

式中：Zi,min，Zi,max—第i種設(shè)備的允許最小、最大出力；

ΔZi,max—第i種設(shè)備允許的最大出力變化速率。

2.2.3 儲能裝置約束

(12)

Ces,j(0)，Ces,j(T)—優(yōu)化調(diào)度起訖時刻儲能裝置的實(shí)時容量。

3 綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行

3.1 優(yōu)化策略

園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度按照日前時間、日內(nèi)時間和實(shí)時時間這一多時間尺度[13]的模式完成決策與實(shí)施，實(shí)際過程按照時間尺度由長到短的順序遞進(jìn)執(zhí)行。多時間尺度優(yōu)化調(diào)度策略的執(zhí)行流程如圖2所示。

圖2 多時間尺度優(yōu)化調(diào)度策略

三種優(yōu)化調(diào)度的關(guān)系描述如下：

1) 日前優(yōu)化調(diào)度以日前短期源荷預(yù)測、次日運(yùn)行計劃(涉及能源結(jié)構(gòu)與設(shè)備檢修)為輸入數(shù)據(jù)，每天運(yùn)行1次，生成次日24 h 96個點(diǎn)(15 min間隔)的可調(diào)度設(shè)備出力計劃；

2) 日內(nèi)滾動優(yōu)化以超短期源荷預(yù)測、日前優(yōu)化調(diào)度計劃、系統(tǒng)日內(nèi)運(yùn)行方式、設(shè)備投入狀態(tài)等為輸入數(shù)據(jù)，每隔15 min運(yùn)行1次，生成未來4 h 16個點(diǎn)的可調(diào)度設(shè)備出力計劃；

3) 實(shí)時優(yōu)化以超超短期源荷預(yù)測、日內(nèi)滾動的優(yōu)化調(diào)度計劃、系統(tǒng)實(shí)時運(yùn)行方式、設(shè)備投入狀態(tài)等為輸入數(shù)據(jù)，每隔5 min運(yùn)行1次，生成未來30 min 6個點(diǎn)的可調(diào)度設(shè)備出力計劃，并將計劃輸出到能源管控平臺的監(jiān)控畫面進(jìn)行展示和實(shí)時控制。

多時間尺度優(yōu)化調(diào)度策略按照日前優(yōu)化→日內(nèi)優(yōu)化→實(shí)時優(yōu)化的順序梯次進(jìn)行，從而減小預(yù)測誤差對調(diào)度計劃的影響。

3.2 優(yōu)化算法

三種時間尺度的優(yōu)化調(diào)度策略均基于混合整數(shù)線性規(guī)劃算法[14]進(jìn)行求解。算法的約束條件如2.2所示的等式與不等式約束。優(yōu)化調(diào)度所表示的數(shù)學(xué)意義在于在運(yùn)行約束條件下，使得系統(tǒng)的綜合成本最小，并使得系統(tǒng)的綜合能效達(dá)到一個較優(yōu)的狀態(tài)。系統(tǒng)綜合能效反映的是綜合能源系統(tǒng)由于多能耦合帶來的互補(bǔ)互濟(jì)和協(xié)同優(yōu)化的作用成果，其計算模型如下：

(13)

式中：η—綜合能源效率；

W1，W2—系統(tǒng)購電量和系統(tǒng)輸出電量；

Bx，VL,x—第x種燃料的系統(tǒng)消耗量與低位發(fā)熱量;

X—燃料類型總數(shù)；

Qy—第y種以熱形式供應(yīng)的負(fù)荷量，包括供汽量、供熱量等;

Y—負(fù)荷類型總數(shù)。

4 應(yīng)用分析

選擇寧夏銀川市某工業(yè)園區(qū)作為分析對象進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度的應(yīng)用研究。銀川市屬典型的中溫帶大陸性氣候，干燥、風(fēng)大、沙多，年平均風(fēng)速為2.6 m/s，最大風(fēng)速可達(dá)18 m/s；太陽輻射充足，年平均日照時數(shù)可達(dá)2 800～3 000 h，具有良好的風(fēng)光資源。該工業(yè)園區(qū)內(nèi)的能源需求主要為電、汽、熱，用能對象多為工廠、倉儲或辦公樓，有較大的供能需求。

工業(yè)園區(qū)1個典型日內(nèi)的風(fēng)機(jī)、光伏出力以及電、熱、汽負(fù)荷如圖3、圖4所示。

圖3 典型日工業(yè)園區(qū)光伏、風(fēng)機(jī)及光熱鍋爐出力曲線

圖4 工業(yè)園區(qū)典型日各負(fù)荷曲線

園區(qū)內(nèi)新能源供能設(shè)備的出力受到所在地氣象條件的制約：在典型日內(nèi)，當(dāng)風(fēng)資源充足時，風(fēng)機(jī)發(fā)電功率整體趨勢較為平穩(wěn)，在小范圍內(nèi)波動，滿發(fā)功率為0.8 MW；光伏、光熱鍋爐在日照強(qiáng)度達(dá)到啟機(jī)條件后開始出力，隨著日照強(qiáng)度的增強(qiáng)，逐漸達(dá)到最大出力，最大提供2 MW的電功率和1.86 t/h的蒸汽量；之后隨著日照強(qiáng)度的減弱其出力逐漸減小，最終在日落后停機(jī)。

4.1 算例場景及系統(tǒng)參數(shù)

目前園區(qū)內(nèi)配置的主要供能設(shè)施包括熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、燃?xì)忮仩t、水源熱泵、光伏、風(fēng)機(jī)、汽-水換熱設(shè)備及電、汽、熱儲能設(shè)備等。園區(qū)電力系統(tǒng)采用自發(fā)自用、并網(wǎng)不上網(wǎng)的原則和電網(wǎng)交換電力，通過與大電網(wǎng)建立購電售電協(xié)議，以此調(diào)節(jié)園區(qū)內(nèi)電力系統(tǒng)的不足和富余狀態(tài)。

表1 產(chǎn)能設(shè)備參數(shù)1

表2 產(chǎn)能設(shè)備參數(shù)2

表3 儲能設(shè)備參數(shù)

表4 設(shè)備污染物排放系數(shù)及環(huán)境價值

4.2 優(yōu)化結(jié)果分析

結(jié)合上述數(shù)據(jù)，利用前文建立的綜合能源系統(tǒng)等效模型，基于第2節(jié)的目標(biāo)函數(shù)和約束條件，利用混合整數(shù)線性規(guī)劃算法進(jìn)行求解，在綜合成本最低的目標(biāo)情況下，得到可調(diào)度設(shè)備(燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、燃?xì)忮仩t、水源熱泵、汽-水換熱設(shè)備、蓄電池、高溫儲汽與低溫儲熱設(shè)備)的計劃出力值，以滿足負(fù)荷需求。各設(shè)備的計劃出力曲線如圖5—圖7所示。

圖5 電負(fù)荷平衡優(yōu)化調(diào)度設(shè)備出力曲線

圖6 汽負(fù)荷平衡優(yōu)化調(diào)度設(shè)備出力曲線

圖7 熱負(fù)荷平衡優(yōu)化調(diào)度設(shè)備出力曲線

相較于調(diào)度人員手動制定計劃出力的運(yùn)行結(jié)果，該優(yōu)化調(diào)度策略充分挖掘并利用了多能互補(bǔ)系統(tǒng)中不同能源介質(zhì)的耦合性與交互性，實(shí)現(xiàn)了供能的靈活性、高效性與協(xié)調(diào)性。

表5給出了系統(tǒng)在優(yōu)化前后的日運(yùn)行成本和綜合能效。對比表中內(nèi)容可以看出，優(yōu)化調(diào)度策略通過協(xié)調(diào)優(yōu)化綜合能源系統(tǒng)內(nèi)不同能源介質(zhì)設(shè)備的出力和運(yùn)行方式，可以顯著降低系統(tǒng)的日運(yùn)行費(fèi)用，提供運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)智慧能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行。

表5 不同調(diào)度策略下系統(tǒng)日運(yùn)行成本和綜合能效

5 結(jié) 論

在綜合了經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和設(shè)備運(yùn)行特性等影響因素的基礎(chǔ)上，圍繞園區(qū)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的研究與實(shí)踐問題開展了相關(guān)工作，以實(shí)際工業(yè)園區(qū)為例進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度策略的應(yīng)用效果分析，研究結(jié)果表明：園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度在具有集中監(jiān)控和產(chǎn)消預(yù)測功能的同時，能夠評估多時間尺度優(yōu)化調(diào)度結(jié)果的合理性，在保證系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的前提下，實(shí)現(xiàn)對各種能源介質(zhì)和重點(diǎn)耗能設(shè)備的優(yōu)化調(diào)度和綜合管理，最終實(shí)現(xiàn)整個能源系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化工作，從而引導(dǎo)用戶科學(xué)用能，提高綜合能源服務(wù)效率。