電-氣-儲(chǔ)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃方法研究

杜振東， 徐世澤， 張盈哲， 郭亦宗， 郭創(chuàng)新

(1.浙江華云電力工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，浙江 杭州 310014；2.浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

0 引 言

隨著可再生能源發(fā)展以及用戶用能趨向多樣性，電、氣和熱耦合程度不斷加深，區(qū)域綜合能源系統(tǒng)(regional integrated energy system, RIES)發(fā)展技術(shù)和市場應(yīng)用越來越廣泛[1-4]。因此，針對(duì)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方法的研究具有必要性。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃展開了部分研究，大多立足于特定工業(yè)園區(qū)或場景建立規(guī)劃模型[5-7]。在能源轉(zhuǎn)換設(shè)備方面，隨著電轉(zhuǎn)氣(power to gas, P2G)技術(shù)、熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備(combined heat and power, CHP)技術(shù)的進(jìn)步,工業(yè)園區(qū)內(nèi)更多采用電-氣綜合能源系統(tǒng)[8-9]。文獻(xiàn)[10]考慮投資成本、運(yùn)行成本和可靠性成本，從經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的角度優(yōu)化含電轉(zhuǎn)氣裝置的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)；文獻(xiàn)[11]在進(jìn)行電-氣綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)考慮了風(fēng)電場和P2G設(shè)備的協(xié)同擴(kuò)建，并研究其對(duì)系統(tǒng)擴(kuò)建方案、風(fēng)電消納的影響；文獻(xiàn)[12]基于能源集線器的思想，在電-氣協(xié)同規(guī)劃時(shí)用機(jī)會(huì)約束規(guī)劃的方法，提高了系統(tǒng)安全性；文獻(xiàn)[13-14]提出了計(jì)及電/熱柔性負(fù)荷的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)儲(chǔ)能優(yōu)化配置方法。但是上述文獻(xiàn)較少針對(duì)儲(chǔ)能電池、輸氣管道、儲(chǔ)氣設(shè)備和P2G設(shè)備等電-氣多能存儲(chǔ)系統(tǒng)多種設(shè)備的優(yōu)化配置模型的研究。

本文提出了電-氣-儲(chǔ)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的協(xié)同規(guī)劃方法。首先，構(gòu)建電-氣-儲(chǔ)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)能源集線器(energy hub, EH)結(jié)構(gòu)，分析在已有電-氣耦合系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加儲(chǔ)能設(shè)備后的協(xié)同規(guī)劃方法；然后，建立電-氣-儲(chǔ)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型，以規(guī)劃期內(nèi)總成本最小為目標(biāo)，建立儲(chǔ)電、儲(chǔ)氣、電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蜌饩W(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臄?shù)學(xué)模型；將原有非線性的規(guī)劃模型通過引入輔助變量轉(zhuǎn)化為易于求解的混合整數(shù)線性規(guī)劃問題，最后調(diào)用CPLEX求解得到結(jié)果。算例部分設(shè)計(jì)了三種規(guī)劃場景，對(duì)比驗(yàn)證了電-氣聯(lián)合規(guī)劃相較于單獨(dú)規(guī)劃的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢以及接入儲(chǔ)能后能夠進(jìn)一步減小成本，并分析了儲(chǔ)電和儲(chǔ)氣的接入對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?guī)劃結(jié)果的影響。

1 電-氣-儲(chǔ)綜合能源系統(tǒng)描述

圖1 電-氣-儲(chǔ)能源集線器結(jié)構(gòu)

電-氣耦合的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)能量來源于外部配網(wǎng)級(jí)電力網(wǎng)和天然氣網(wǎng)，電網(wǎng)絡(luò)和氣網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漭^為多樣。引入儲(chǔ)能后，為更好地描述電-氣-儲(chǔ)綜合能源系統(tǒng)特征，建立能源集線器結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

區(qū)域綜合能源網(wǎng)的負(fù)荷特性會(huì)影響儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化配置結(jié)果，同時(shí)，儲(chǔ)能的接入會(huì)在一定程度上影響電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蜌饩W(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?nèi)的線路建設(shè)情況及設(shè)備類型選擇。因此，需要對(duì)電-氣-儲(chǔ)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同規(guī)劃。

2 協(xié)同規(guī)劃模型及求解

2.1 目標(biāo)函數(shù)

本文所提電-氣-儲(chǔ)協(xié)同規(guī)劃模型投資主體為綜合能源服務(wù)商，目標(biāo)函數(shù)為使電-氣-儲(chǔ)耦合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在滿足用戶用能需求的情況下，總成本最小，其公式為：

minC=C1+C2+C3+C4

(1)

式中：C1為投資成本;C2為維護(hù)成本;C3為向上級(jí)網(wǎng)絡(luò)購電/購氣交易成本;C4為儲(chǔ)能投資成本。

本文將整個(gè)規(guī)劃過程分為兩個(gè)階段完成。在第一階段規(guī)劃中，公式為:

(2)

(3)

(4)

式中：邏輯變量Xy,f,θ和xy,f,θ分別為設(shè)備f(電力線路、天然氣管道或P2G設(shè)備)選型θ在第y年是否存在和在第y年年初是否投建的0-1變量;Cinv,f,θ和Cmnt,f,θ分別為待建設(shè)備f選型θ的投資成本和維護(hù)成本;CBUYe和CBUYg分別為電力和天然氣的單位購買成本;a和i為區(qū)域電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn);b和m為區(qū)域氣網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn);Pe,ysh,ai和Fg,ysh,bm分別為電力線路ai和天然氣管道bm在第y年第s季度第h小時(shí)的潮流;ΩSUB、ΩGATE、ΩEL、ΩGL分別為變電站節(jié)點(diǎn)、天然氣站節(jié)點(diǎn)、電力線路和天然氣管道集合。

在第二階段規(guī)劃中，綜合能源網(wǎng)中多能存儲(chǔ)的投資規(guī)劃主要包括儲(chǔ)能電池和儲(chǔ)氣裝置兩個(gè)部分：

(5)

2.2 約束條件

2.2.1 儲(chǔ)能約束條件

(1) 儲(chǔ)能電池約束

(6)

(7)

(8)

(9)

(2) 儲(chǔ)氣系統(tǒng)約束

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

2.2.2 電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼s束條件

對(duì)任意節(jié)點(diǎn)其潮流總輸入與總輸出保持平衡：

(17)

式中：i、j、k為電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn);Pe,ysh,ij和Pe,ysh,ki分別為電力線路ij和ki在第y年第s季度第h小時(shí)的潮流;PP2G,ysh,i為節(jié)點(diǎn)i處P2G設(shè)備在第y年第s季度第h小時(shí)的輸出電功率;ΩEBUS為電網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集合。

對(duì)于每條電力線路，存在線路潮流約束：

0≤Pe,ysh,ij≤ze,ysh,ijPel,max,ij?y,?s,?h

(18)

式中：Pel,max,ij為電力線路ij的潮流上限值；ze,ysh,ij為電力線路ij的方向輔助變量。具體地說，當(dāng)線路ij上存在從節(jié)點(diǎn)i流向節(jié)點(diǎn)j的潮流時(shí)，ze,ysh,ij值為1；當(dāng)沒有i流向j方向潮流時(shí)，ze,ysh,ij值為0。這里需要說明的是，ze,ysh,ij與ze,ysh,ji從兩個(gè)方向聯(lián)合表征該線路的潮流方向。

對(duì)于待投建線路的選擇，須遵循潮流上下限約束。方向輔助變量ze,ysh,ij在線路i-j方向上沒有潮流時(shí)將Pe,ysh,ij限制為0。

(19)

式中：ze,ysh,ij為方向輔助變量;Pel,max,ij,θ、Xy,ij,θ分別為電力線路ij選型θ的潮流上限和第y年是否存在的0-1變量。

2.2.3 氣網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼s束條件

對(duì)任意天然氣節(jié)點(diǎn)，其潮流總輸入與潮流總輸出平衡，可表示為：

(20)

式中：m、n、l為天然氣網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；Fg,ysh,mn和Fg,ysh,lm分別為天然氣管道m(xù)n和lm在第y年第s季度第h小時(shí)的潮流；Fcchp,ysh,m為節(jié)點(diǎn)m處P2G設(shè)備在第y年第s季度第h小時(shí)的耗氣流量；Dg,ysh,m為節(jié)點(diǎn)m在第y年第s季度第h小時(shí)的天然氣負(fù)荷需求；ΩGBUS為配氣網(wǎng)節(jié)點(diǎn)集合。

節(jié)點(diǎn)氣壓與管道潮流具有如下關(guān)系：

(21)

式中：sign(Fg,ysh,mn-Fg,ysh,nm)為天然氣管道m(xù)n中的潮流方向；pysh,m和pysh,n分別為對(duì)應(yīng)線路的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)m和n的氣壓大?。籆mn為線路mn的天然氣管道常數(shù)。

同時(shí)，天然氣網(wǎng)絡(luò)任意節(jié)點(diǎn)氣壓均不能超過其氣壓上限：

pysh,m≤pmax,m?m∈ΩGBUS,?y,?s,?h

(22)

式中：pmax,m為配氣網(wǎng)節(jié)點(diǎn)m的氣壓上限。

需要說明的是，由于天然氣網(wǎng)潮流約束、氣站輸出約束及網(wǎng)絡(luò)輻射狀約束與電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕愃?，這里不再贅述。

2.2.4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞倪壿嫾s束條件

(23)

(24)

Xy-1,f,θ≤Xy,f,θ

(25)

式中：ΩS和ΩTYPE分別為待建設(shè)備集合及其可選類型集合;T為規(guī)劃年限。以此保證投建設(shè)備的唯一性以及建成設(shè)備的不可拆除性。

3 算例分析

上文提出了電-氣-儲(chǔ)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃模型，本節(jié)設(shè)定3種規(guī)劃場景，將所提方法應(yīng)用于浙江省某實(shí)際園區(qū)的電-氣-儲(chǔ)規(guī)劃算例。對(duì)比規(guī)劃結(jié)果，驗(yàn)證所提方法的優(yōu)越性，并分析儲(chǔ)能的接入對(duì)電-氣配網(wǎng)聯(lián)合規(guī)劃的影響。

3.1 算例數(shù)據(jù)

浙江省某區(qū)域12節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、10節(jié)點(diǎn)天然氣網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和用戶負(fù)荷分別如圖2、圖3所示。電-氣網(wǎng)絡(luò)通過待建的P2G設(shè)備相互耦合。

圖2 12節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 10節(jié)點(diǎn)天然氣網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

算例采用浙江省峰谷分時(shí)電價(jià)，如表1所示。天然氣網(wǎng)按統(tǒng)一價(jià)格3 元/m2，熱值系數(shù)取為9.7 kW/m3。

表1 峰谷分時(shí)電價(jià)

除此之外，本算例探討了鋰電池、儲(chǔ)氣罐這兩種儲(chǔ)電和儲(chǔ)氣設(shè)備的投資建設(shè)對(duì)綜合能源系統(tǒng)擴(kuò)建規(guī)劃的影響。選取浙江省儲(chǔ)能市場的儲(chǔ)能設(shè)備，給出鋰電池和儲(chǔ)氣罐設(shè)備的儲(chǔ)能主要元件參數(shù)如表2所示。

表2 儲(chǔ)能主要元件參數(shù)

為驗(yàn)證上述所提規(guī)劃方法對(duì)電-氣-儲(chǔ)綜合能源系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃的適用性以及儲(chǔ)能接入對(duì)規(guī)劃結(jié)果的影響，設(shè)計(jì)算例場景如下：

場景1：電網(wǎng)絡(luò)與天然氣網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立規(guī)劃。

場景2：經(jīng)P2G耦合的電-氣系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃。

場景3：接入儲(chǔ)電和儲(chǔ)氣，經(jīng)P2G耦合的電-氣-儲(chǔ)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃。

3.2 算例結(jié)果與分析

調(diào)用CPLEX求解器求解得到3種場景下的最優(yōu)規(guī)劃方案如表3所示。電力線路和天然氣管道規(guī)劃結(jié)果以“初節(jié)點(diǎn)-末節(jié)點(diǎn)(投建類型)”的形式給出，P2G規(guī)劃結(jié)果以“所在電網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(投建類型)”給出，以1～3為容量由小到大的3種設(shè)備類型。

表3 3種場景下的最優(yōu)規(guī)劃方案

求解得到了儲(chǔ)電和儲(chǔ)氣系統(tǒng)的投資功率配置、容量配置以及各部分成本結(jié)果，如表4所示。

場景2與場景1對(duì)比驗(yàn)證了經(jīng)過P2G互聯(lián)的電-氣協(xié)同規(guī)劃具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。相較場景1，電網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)3由線路2-3供電改為由設(shè)有P2G的節(jié)點(diǎn)6供電。在設(shè)備容量方面，由于P2G的接入使得電轉(zhuǎn)氣更加靈活，可以將低價(jià)時(shí)段的電能轉(zhuǎn)化為天然氣使用，使得算例結(jié)果中電力線路5-9和10-12的線路容量降低，天然氣網(wǎng)絡(luò)中2-7管道容量降低。在成本方面，P2G設(shè)備的引入會(huì)加入P2G投資成本，但線路和管道的容量減小，總體表現(xiàn)為減小了2.7萬元年投資成本和1.66萬元維護(hù)成本，并且由于電-氣轉(zhuǎn)化更為靈活，使得向上級(jí)電網(wǎng)和氣網(wǎng)購買成本減少5.58萬元，總成本減少10.14萬元。

場景3與場景2對(duì)比驗(yàn)證了儲(chǔ)電和儲(chǔ)氣設(shè)備接入后的電-氣-儲(chǔ)協(xié)同規(guī)劃能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，同時(shí)使得系統(tǒng)運(yùn)行更加靈活。相較場景2，電網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和天然氣網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的線路連接情況未變；在設(shè)備容量方面，由于儲(chǔ)電和儲(chǔ)氣設(shè)備的接入使得能量供應(yīng)的時(shí)間可以被改變，可以將低谷電價(jià)時(shí)段的電能存儲(chǔ)并在高峰電價(jià)時(shí)段供應(yīng)負(fù)荷，使得算例結(jié)果中電力線路連接P2G設(shè)備的7-10線路容量有所降低，天然氣網(wǎng)絡(luò)中1-4和7-8管道容量也有所降低。在成本方面，儲(chǔ)電和儲(chǔ)氣設(shè)備的引入會(huì)加入儲(chǔ)能投資成本，使得總體投資成本增加5.3萬元，但由于儲(chǔ)能的接入使得能量供應(yīng)的時(shí)間可以被改變，能夠更靈活地使用低價(jià)電，向上級(jí)電網(wǎng)和氣網(wǎng)購買成本減少10.25萬元，總成本減少5.89萬元。

4 結(jié)束語

分析區(qū)域綜合能源系統(tǒng)內(nèi)各元件特性以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本文提出了電-氣-儲(chǔ)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方法。主要研究成果如下：

(1)分析儲(chǔ)能對(duì)電-氣耦合系統(tǒng)的影響，建立了電-氣-儲(chǔ)能源集線器結(jié)構(gòu)。

(2)建立區(qū)域綜合能源系統(tǒng)內(nèi)各元件的約束條件，以成本最低的經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，提出了電-氣-儲(chǔ)協(xié)同規(guī)劃模型。

(3)驗(yàn)證了電-氣網(wǎng)絡(luò)耦合的協(xié)同規(guī)劃比單獨(dú)規(guī)劃更具經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，并且驗(yàn)證了儲(chǔ)能的接入對(duì)于進(jìn)一步減小成本和提高系統(tǒng)靈活性有較大作用，實(shí)現(xiàn)了電-氣-儲(chǔ)系統(tǒng)的協(xié)同規(guī)劃。

本文提出的電-氣-儲(chǔ)規(guī)劃方法對(duì)于后續(xù)相關(guān)研究打下了基礎(chǔ)，而在未來的研究中將會(huì)考慮更加復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和能源形式。