考慮CO2排放量的能量樞紐運(yùn)行配置優(yōu)化①

楊子成,武志宏,王旭東,段 敬,陳 偉,郭 浩,劉芯汝,高 輝

1(國(guó)網(wǎng)山西省電力公司,太原 030021)

2(國(guó)網(wǎng)山西電力公司信息通信分公司,太原 030021)

3(國(guó)電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司,南京 211106)

4(南京郵電大學(xué),南京 210023)

近年來,在能源危機(jī)、環(huán)境污染、全球變暖等多重壓力之下,各國(guó)紛紛進(jìn)行能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和變革[1].我國(guó)2020年國(guó)務(wù)院政府工作報(bào)告中也提出全面推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”,打造數(shù)字經(jīng)濟(jì)新優(yōu)勢(shì).在能源互聯(lián)網(wǎng)的背景之下,充分發(fā)揮電、熱、氣等不同形式能源之間的耦合作用是實(shí)現(xiàn)能源“互聯(lián)網(wǎng)+”的重要途徑[2].能量樞紐(Energy Hub,EH)是分析多種能源耦合作用的重要模型,其主要優(yōu)點(diǎn)之一就是提高了多能源系統(tǒng)效率,減少了能源浪費(fèi)[3].如何利用能量樞紐將可再生能源整合為分布式發(fā)電以降低運(yùn)營(yíng)成本、增加多能源系統(tǒng)穩(wěn)定性以及減少碳排放量是今后研究重點(diǎn).

文獻(xiàn)[4]提出了蟻群算法與粒子群優(yōu)化算法相結(jié)合的組合算法,構(gòu)建了能源互聯(lián)微網(wǎng)系統(tǒng)供需多能協(xié)同優(yōu)化策略模型,并通過實(shí)例驗(yàn)證了所提算法與模型的有效性和實(shí)用性;文獻(xiàn)[5]基于區(qū)域多能量樞紐互聯(lián)的熱電耦合綜合能源系統(tǒng),提出一種綜合考慮靜態(tài)安全因素與熱電最優(yōu)潮流的綜合能源系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行模型并結(jié)合算例仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提模型的有效性;文獻(xiàn)[6]基于大規(guī)模清潔能源出力的隨機(jī)性和波動(dòng)性的問題,構(gòu)建了利用多能源優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)協(xié)同運(yùn)行能量樞紐,并制定了兩階段優(yōu)化調(diào)度策略,為解決可再生能源消納問題提供有效途徑.文獻(xiàn)[7]綜述了能量樞紐的運(yùn)行和規(guī)劃模型及求解方法的研究現(xiàn)狀,并對(duì)能量樞紐未來的研究熱點(diǎn)和方向進(jìn)行展望.

上述文章主要是從能量樞紐的優(yōu)化運(yùn)行方式開展研究,對(duì)能量樞紐的優(yōu)化配置方案研究有借鑒意義,但是考慮CO2排放量的能源樞紐的優(yōu)化配置方案研究相對(duì)較少.本文通過建立詳細(xì)的新型能量樞紐優(yōu)化設(shè)置和運(yùn)行模型,對(duì)多種能源耦合的運(yùn)營(yíng)成本以及社會(huì)效益進(jìn)行估算;以光伏和風(fēng)能為例,考慮了可再生能源的接入對(duì)能量樞紐運(yùn)營(yíng)的影響;通過使用Newton-Raphson 方法解決了電、熱、氣網(wǎng)絡(luò)的流動(dòng)問題,以識(shí)別狀態(tài)變量和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的限制;提出了以CO2排放量最小,社會(huì)效益最大化為目標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化模型,并利用遺傳算法對(duì)整體問題進(jìn)行了求解;本文分析了可再生能源、儲(chǔ)能設(shè)備和P2G 裝置對(duì)能量樞紐柔性,穩(wěn)定性等指標(biāo)影響,并基于此提出了一種能量樞紐優(yōu)化運(yùn)行配置的方案,最后通過算例分析比較驗(yàn)證了所提方案的有效性,為多種能源耦合利用奠定基礎(chǔ).

1 能量樞紐模型

1.1 能量樞紐架構(gòu)

能量樞紐是消費(fèi)者、生產(chǎn)者、儲(chǔ)能設(shè)備和傳送者之間以不同方式相互連接的框架:直接或通過轉(zhuǎn)換設(shè)備管理一個(gè)或多個(gè)載體[8].轉(zhuǎn)換裝置需要將能量載體從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式.燃料電池、熔爐、鍋爐和熱電聯(lián)產(chǎn)都可以作為轉(zhuǎn)換裝置.在能量樞紐中合并不同的能量載體有許多優(yōu)點(diǎn),如增加系統(tǒng)穩(wěn)定性、發(fā)電靈活性和優(yōu)化運(yùn)行潛力[9-11].圖1給出了一個(gè)能量樞紐的示意圖,樞紐的主要能源是電力和天然氣,而輸出端是電能、熱能和天然氣.根據(jù)樞紐內(nèi)部的條件,輸入側(cè)的能量載體被轉(zhuǎn)換或直接傳輸?shù)捷敵鰝?cè).最終目標(biāo)是通過直接連接或轉(zhuǎn)換設(shè)備在輸出端提供不同的負(fù)載要求.

1.2 能量轉(zhuǎn)換

能量樞紐實(shí)際上描述的是一種多能源系統(tǒng)中輸入與輸出的耦合關(guān)系,如圖2所示.利用耦合矩陣C可以建立一個(gè)通用的模型,該模型由輸入和輸出之間的耦合因子組成,耦合矩陣可以表示為:

圖2 多能源系統(tǒng)的輸入-輸出端口模型

其中,Cij是輸出量I和輸出量L之間的耦合因子,表示第j種形式能源輸出與第i種形式能源輸入的比值;m,n分別是輸入能源形式和輸出能源形式的數(shù)量.

1.3 數(shù)學(xué)模型

由于每個(gè)能量系統(tǒng)都具有針對(duì)性和特殊性,所以目前沒有涵蓋所有能量類型的通用模型,下面分別給出了交流電網(wǎng)、供熱系統(tǒng)和天然氣管道的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)數(shù)學(xué)模型.

1.3.1 交流電網(wǎng)

潮流研究在電力系統(tǒng)的規(guī)劃和運(yùn)行中具有重要的意義.潮流研究的目標(biāo)是獲得電力系統(tǒng)中每個(gè)母線在特定負(fù)載和發(fā)電機(jī)功率和電壓條件下的電壓角和幅值信息.本文用極坐標(biāo)形式給出了系統(tǒng)的母線電壓V和節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣Y,如式(2)、式(3)所示:

不同母線上的注入的有功功率和無功功率可表示為:

式中,θij=θi-θj,Pi表示有功功率,Qi表示無功功率.節(jié)點(diǎn)功率平衡方程可表示如下:

式中,Pg,i和Pd,i分別表示母線i上的發(fā)電量和消耗量.

1.3.2 供熱系統(tǒng)

供熱系統(tǒng)通常由以蒸汽或熱水形式提供熱量的供熱和回流管道組成.通過基于Newton-Raphson 方法的熱力和水力分析,可以確定如下變量.

(1)液壓模型

任何熱節(jié)點(diǎn)周圍的質(zhì)量流量等于進(jìn)入節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量流量、離開節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量流量和節(jié)點(diǎn)處的流量消耗之和.流動(dòng)連續(xù)性表示為:

式中,mpipe是表示每根管道內(nèi)的質(zhì)量流速(kg/s)的向量,mnode表示通過的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量流速(kg/s)的向量,A表示熱網(wǎng)節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣.管道中的水頭損失是由于管道摩擦引起的管道壓力(以m為單位)的變化.

式中,B是回路關(guān)聯(lián)矩陣,hf表示閉環(huán)總水頭損失.

每根管道的水頭損失與流量之間的關(guān)系用式(10)表示:

式中,K是管道阻力系數(shù)矢量,大小通常取決于管徑.

(2)熱模型

熱功率可以由式(11)計(jì)算:

式中,cp代表水的比熱容(J/(kg·℃)),Ts和To分別代表供應(yīng)溫度和出口溫度(℃).

管道出口的溫度計(jì)算公式如下:

式中,Tstart,Tend分別代表管道起點(diǎn)和終點(diǎn)的溫度(℃),Ta是環(huán)境溫度,λ表示單位長(zhǎng)度內(nèi)每根管子的傳熱系數(shù)(W/(m·℃)),L表示管子長(zhǎng)度(m).

離開節(jié)點(diǎn)時(shí)的水溫(Tout)和具有一個(gè)以上輸入管道的水溫(Tin)可以通過所有輸入流的混合溫度來計(jì)算:

式中,mpipe,out表示流出節(jié)點(diǎn)的管道內(nèi)的質(zhì)量流量(kg/s),mpipe,in表示流入節(jié)點(diǎn)的管道內(nèi)的質(zhì)量流量(kg/s).

1.3.3 天然氣系統(tǒng)

天然氣系統(tǒng)的建模類似于供熱系統(tǒng)的分析,有以下兩個(gè)假設(shè):(1)假設(shè)氣體管道的溫度沒有變化,所以氣體流動(dòng)溫度保持不變.(2)忽略管道高度的差異,即兩點(diǎn)管道為水平管道.本文給出了天然氣通過任意管道的流動(dòng)方程,如下所示:

式中,Qmn表示m管道和n管道之間的氣體流(m3/h),Kmn表示天然氣特性因子,Pm和Pn表示節(jié)點(diǎn)m和節(jié)點(diǎn)n的壓強(qiáng)(PSIA).

2 能量樞紐運(yùn)營(yíng)成本及CO2 排放量估算

2.1 能量樞紐運(yùn)營(yíng)成本

(1)電網(wǎng)成本

在能量樞紐需求高峰期間,負(fù)荷需求由電網(wǎng)和能量樞紐來滿足.電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)營(yíng)成本可以表示為:

式中,CG是電網(wǎng)發(fā)電機(jī)的運(yùn)營(yíng)成本,aG,bG,cG是電網(wǎng)發(fā)電機(jī)的成本系數(shù),gG,eG是代表電網(wǎng)發(fā)電機(jī)的閥點(diǎn)負(fù)載效應(yīng)的系數(shù),PGi表示是公用電網(wǎng)在t時(shí)刻處的電能交換量.

(2)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)成本

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)成本函數(shù)可以表示為:

式中,CGF是燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的運(yùn)營(yíng)成本,aGF,bGF,cGF是燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的成本系數(shù),gGF,eGF是代表燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的閥點(diǎn)負(fù)載效應(yīng)的系數(shù),PGfi表示是燃?xì)獍l(fā)電機(jī)在t時(shí)刻處的電能交換量.

(3)天然氣供應(yīng)成本

天然氣供應(yīng)成本函數(shù)可以表示為:

式中,Cgs表示天然氣供應(yīng)總成本,Gpri表示第i臺(tái)天然氣供應(yīng)設(shè)備的成本系數(shù),Qsi,t表示第i臺(tái)天然氣供應(yīng)設(shè)備在t時(shí)刻的供應(yīng)量.

(4)風(fēng)力發(fā)電成本

風(fēng)力發(fā)電的成本可以表示為:

式中,CPw表示風(fēng)力發(fā)電的總成本,cwi表示計(jì)劃風(fēng)力發(fā)電的成本系數(shù),Pwi,t表示第i臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在t時(shí)刻產(chǎn)生的計(jì)劃功率,cp.wi表示風(fēng)力渦輪機(jī)功率的懲罰成本,Pwavi,t表示第i個(gè) 風(fēng)電場(chǎng)在t時(shí)刻產(chǎn)生的可用功率(MW),cr.wi表示風(fēng)力渦輪機(jī)的備用成本.

(5)光伏發(fā)電成本

光伏發(fā)電機(jī)的運(yùn)營(yíng)成本表示如下:

式中,Cpv表示光伏發(fā)電總成本,pvi,t表示第i臺(tái)光伏發(fā)電機(jī)在t時(shí)刻產(chǎn)生的電量,cp.pvi表示第i個(gè)光伏發(fā)電機(jī)功率的懲罰成本,PVavi,t表示第i臺(tái)光伏發(fā)電機(jī)在t時(shí)刻產(chǎn)生的可用功率,cr,pvi表示光伏發(fā)電機(jī)的備用成本.

(6)儲(chǔ)能設(shè)備成本

儲(chǔ)能設(shè)備的成本可以由下式計(jì)算得到:

式中,CSD表示儲(chǔ)能設(shè)備總成本,CSDD,CSDC分別表示充電成本和放電成本,PSDDi,t,PSDCi,t分別表示第i臺(tái)儲(chǔ)能設(shè)備在t時(shí)刻的充放電功率,NSDD,NSDC分別表示充放電設(shè)備數(shù)量.

(7)供熱單元成本

供熱單元(HOU)在能量樞紐中的作用主要是為區(qū)域供熱系統(tǒng)提供了大量能量.在熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組存在的情況下,HOU 通常只在高需求期使用,總成本函數(shù)可以表示為:

式中,CHOU表示HOU的總運(yùn)營(yíng)成本,aHOUi,bHOUi,cHOUi表示第i個(gè)供熱單元的成本系數(shù),QHOUi,t表示第i個(gè)供熱單元在t時(shí)刻產(chǎn)生的熱能.

(8)CHP 成本

CHP 裝置有一個(gè)凸成本函數(shù),變量為PCHP和QCHP,如下所示:

式中,CCHP表示CHP 發(fā)電機(jī)總成本,αCoi,βCoi,γCoi,δCoi,ξCoi是第i臺(tái)CHP 發(fā)電機(jī)成本系數(shù).

(9)P2G 裝置成本

P2G 裝置的總運(yùn)營(yíng)成本包括獲得的電力成本減去出售P2G 生產(chǎn)的天然氣的利潤(rùn),如下所示:

式中,CP2G表示P2G 裝置的總運(yùn)營(yíng)成本,cP2G是P2G裝置的成本系數(shù).SP2Gi,t表示第i個(gè)P2G 裝置中電能到天然氣的轉(zhuǎn)化量.

2.2 CO2 排放量

在大多數(shù)電力公司中,發(fā)電主要是由具有高CO2排放量的火力發(fā)電廠完成.供風(fēng)量、煤質(zhì)、燃燒器性質(zhì)等參數(shù)對(duì)火電機(jī)組污染物的排放有一定的影響.火電機(jī)組的輸出功率會(huì)受這些參數(shù)變化的影響.因此,總污染排放量可以表示為發(fā)電量的函數(shù),如下所示:

式中,EG表示總污染排放量,aE,bE,dE,γE,δE是火電機(jī)組的排放系數(shù).

3 優(yōu)化配置建模

能量樞紐是一個(gè)物理交叉點(diǎn),類似于能源站,不同形式的能源相互轉(zhuǎn)換以滿足當(dāng)前需求.因此,如何實(shí)現(xiàn)能量樞紐的最優(yōu)運(yùn)行就成為一個(gè)重要問題.最優(yōu)運(yùn)行這一過程包括樞紐內(nèi)的電力調(diào)度和能源價(jià)格.

3.1 目標(biāo)函數(shù)

系統(tǒng)優(yōu)化的總體目標(biāo)是通過減小系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)總成本來獲得更多的社會(huì)效益.除此之外,還應(yīng)將總CO2排放量降至最低.總運(yùn)營(yíng)成本函數(shù)可以表示為:

通過向消費(fèi)者出售能源而獲得的收益可以表示為:

式中,λe是消耗的電能成本,λheat是消耗熱能的成本,λgas是消耗氣體能源的成本,PD,Pheat和Pgas分別表示電能需求,熱能需求和天然氣需求.社會(huì)效益可由式(27)計(jì)算:

本文利用懲罰因子h將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題.懲罰因子h將CO2排放量轉(zhuǎn)換為排放成本.因此,在滿足負(fù)荷需求和運(yùn)行約束的前提下,通過優(yōu)化問題求解,使發(fā)電廠獲得的社會(huì)效益最大同時(shí)CO2排放量最小.最高懲罰價(jià)格因子h是社會(huì)效益的最大值S Wmax和CO2排放量的最大值之間的比值,如下所示:

與CO2排放量相對(duì)應(yīng)的成本CE可由式(29)計(jì)算:

總體目標(biāo)函數(shù)如下:

3.2 約束條件

目標(biāo)函數(shù)Max→F=S W-CE受到以下約束:

(1)有功功率平衡:

式中,PPbi,t表示t時(shí) 刻的電池電量,PDt表示t時(shí)刻的總電力需求,Ploss表示功率損耗,Ploss計(jì)算公式如下:

式中,Gij是母線i和j之間的電導(dǎo),Vi和Vj分別表示母線i和母線j上的電壓,θij是相位角.

(2)母線電壓和支路潮流約束:

式中,,表示第i條母線電壓最大值和最小值,Sflow,i表示第i條 支路上的潮流分布,表示第i條支路上的潮流分布的最大值.

(3)爬坡率約束:

式中,URi和DRi分別表示第i臺(tái)機(jī)組的上升速率約束和下降速率約束,Pi,t表示第i臺(tái)機(jī)組在t時(shí)刻的功率,Pi,t-1表示第i臺(tái)機(jī)組在t-1時(shí)刻的功率.

(4)輸出功率約束:

(5)熱節(jié)點(diǎn)平衡約束:

式中,QHi,t表示t時(shí) 刻的蓄熱量,HDt表示t時(shí)刻的熱需求,Hloss表示熱損耗.

(6)熱電聯(lián)產(chǎn)和供熱單元的熱量約束:

(7)氣體節(jié)點(diǎn)平衡約束:

式中,QSi,t表示第i臺(tái)設(shè)備在t時(shí) 刻的氣體輸出量,Qgi,t表示t時(shí)刻的氣體存儲(chǔ)量,QD.t表示t時(shí)刻的氣體需求量,Qloss表示氣體損耗.

(8)壓強(qiáng)和氣流約束

(9)充放電功率約束

式中,Emax表示不同存儲(chǔ)類型的最大儲(chǔ)能設(shè)備容量.

(10)儲(chǔ)能設(shè)備中能量約束:

式中,,表示儲(chǔ)能設(shè)備中能量的最大值和最小值,表示第i臺(tái)儲(chǔ)能設(shè)備的初始能量.

4 算例分析

4.1 算例描述

為了驗(yàn)證所提算法的適用性和有效性,將其應(yīng)用于IEEE 69 節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng).該系統(tǒng)由9 個(gè)常規(guī)發(fā)電機(jī)、48 個(gè)負(fù)荷和68 條支路(輸電線路和變壓器)組成,如圖3所示.IEEE 69 總線測(cè)試系統(tǒng)的完整數(shù)據(jù)在文獻(xiàn)[12]中給出.其中設(shè)備參數(shù)如表1所示.此外,將一個(gè)容量為60 MWh的儲(chǔ)能設(shè)備接到節(jié)點(diǎn)60

表1 設(shè)備參數(shù)表

圖3 IEEE 69 節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)示意圖

上.供熱系統(tǒng)由兩個(gè)CHP 機(jī)組,HOU和儲(chǔ)熱設(shè)備組成,其中儲(chǔ)熱設(shè)備為區(qū)域熱網(wǎng)供熱,如圖4所示.天然氣系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖4 供熱系統(tǒng)配置示意圖

圖5 天然氣系統(tǒng)配置示意圖

本文考慮了5 個(gè)算例來說明可再生能源、儲(chǔ)能設(shè)備和P2G 裝置在能量樞紐運(yùn)行中的作用.

算例1:在不包括任何可再生能源或儲(chǔ)能設(shè)備的情況下,對(duì)原始能量樞紐配置進(jìn)行研究.

算例2:在算例1的基礎(chǔ)上加入儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行研究.

算例3:能量樞紐中包括可再生能源和P2G 裝置,但不包含儲(chǔ)能設(shè)備.

算例4:能量樞紐中只包含可再生能源.

算例5:能量樞紐中包含所有能源出力.

4.2 仿真結(jié)果分析

本文通過對(duì)算例中電壓、功率損耗、負(fù)荷節(jié)點(diǎn)溫度以及天然氣管道壓強(qiáng)等指標(biāo)的比較分析,說明了不同配置對(duì)能量樞紐運(yùn)營(yíng)的影響,比較結(jié)果如圖6～圖9所示.

圖6 不同算例中母線5 上的電壓

圖7 不同算例中的功率損耗

圖8 不同算例中熱負(fù)荷節(jié)點(diǎn)溫度

5種算例中電壓日變化如圖6所示.凌晨1 點(diǎn)到下午4 點(diǎn)這個(gè)時(shí)間段,負(fù)荷需求較小,電壓變化也較小.下午4 點(diǎn)到夜間24 點(diǎn)這個(gè)時(shí)間段,負(fù)荷需求較大,此時(shí)功率損耗將隨著負(fù)荷需求的增大而增大,隨著負(fù)荷需求的減小而減小,如圖7所示.由于沒有可再生能源和儲(chǔ)能設(shè)備支持,算例1 中電壓變化和功率損耗變化最大.在算例5 中,由于能量樞紐包括了所有能源出力,此時(shí)電壓變化和功率損耗變化最小.

圖8比較分析了不同的能量樞紐配置對(duì)熱負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處供熱系統(tǒng)溫度的影響.由于凌晨1 點(diǎn)到下午3 點(diǎn)這個(gè)時(shí)間段熱負(fù)荷需求比較小,所以這個(gè)時(shí)間段內(nèi)5 個(gè)算例中溫度變化都較小.其中算例1 中溫度變化最大,算例5 中溫度變化最小.

5 種算例中天然氣管道中壓強(qiáng)變化情況如圖9所示.從圖中可以看出,天然氣管道壓強(qiáng)會(huì)隨著負(fù)載和可用能源的變化而變化.由于算例1 中缺少可再生能源和儲(chǔ)能設(shè)備,所以此時(shí)出現(xiàn)最高壓降.所以燃?xì)獍l(fā)電機(jī)產(chǎn)生了更多的電能來滿足電力負(fù)荷.在算例5 中,由于燃?xì)獍l(fā)電機(jī)所需功率的減少和P2G 機(jī)組的存在,因此其壓強(qiáng)變化最小.

4.3 算例比較分析

在每種算例中,分別計(jì)算總運(yùn)營(yíng)成本、CO2排放量以及系統(tǒng)損耗.以母線2 上電、熱、氣成本為參考,以各節(jié)點(diǎn)的電、熱、氣成本為指標(biāo),考慮損耗的情況下,計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的電、熱、氣成本,如表2所示.

表2 不同能量樞紐配置下的運(yùn)行結(jié)果

從表2中可以看出:

(1)在算例1 中,由于天然氣價(jià)格較低,CHP 機(jī)組是白天供電和供熱的主要來源,此外,由于增加了氣體系統(tǒng)的進(jìn)料路徑,天然氣損耗也隨之增加.但是,隨著白天負(fù)荷的增加,CHP不能滿足這些負(fù)荷,只能向HOU購(gòu)買,因此增加了運(yùn)行成本和碳排放量.

(2)在算例2 中,隨著儲(chǔ)能設(shè)備的加入,系統(tǒng)性能得到了較大的提高.碳排放量和能耗略有減少.在這種情況下,能量樞紐中多余的能量會(huì)被儲(chǔ)存起來,以供在能源不足時(shí)使用.

(3)算例3 與算例1和算例2 相比,由于可再生能源的加入,社會(huì)效益,碳排放量以及能耗等方面都得到了明顯的改善,但是由于能量樞紐中沒有儲(chǔ)能設(shè)備,損耗也隨之增加.

(4)與算例3 相比,算例4的P2G 裝置的缺失使得其在社會(huì)效益,碳排放量和能量損耗方面都有所減少.

(5)在算例5 中,由于可再生能源,儲(chǔ)能設(shè)備和P2G 裝置同時(shí)運(yùn)行,從而減少了從電網(wǎng)和火電機(jī)組購(gòu)買的電能.因此,能量樞紐的性能參數(shù)以及穩(wěn)定性都得到了改善.算例5 中最優(yōu)出力的仿真結(jié)果如圖10～圖12所示.

圖10 電能出力示意圖

圖11 熱能出力示意圖

圖12 天然氣出力示意圖

從算例比較分析的結(jié)果中可以看出,當(dāng)火電機(jī)組成為能量樞紐中能量的主要來源時(shí),運(yùn)營(yíng)成本和CO2排放量都會(huì)增加.當(dāng)儲(chǔ)能設(shè)備連接到能量樞紐中后,能量樞紐在CO2排放量,系統(tǒng)損耗和社會(huì)效益方面都得到了改善.同樣,當(dāng)可再生能源加入到能量樞紐中后,系統(tǒng)中的各方面性能也得到很大改善.在沒有P2G 機(jī)組的情況下,總負(fù)載減少,從而提供給電網(wǎng)的功率增加,社會(huì)效益,CO2排放量和損耗也隨之減少.在算例5 中,即能量樞紐中包括可再生能源,儲(chǔ)能設(shè)備和P2G 裝置時(shí),此時(shí)能量樞紐的參數(shù)和穩(wěn)定性都得到了較大改善.

5 結(jié)論

本文提出了一種考慮CO2排放的能量樞紐優(yōu)化運(yùn)行配置方案,以滿足當(dāng)今能源互聯(lián)背景下的電力,熱能和天然氣的需求.在考慮了光伏和風(fēng)能兩種可再生能源的不確定性的基礎(chǔ)上建立函數(shù)模型以及約束條件,實(shí)現(xiàn)了社會(huì)效益最大化,同時(shí)總運(yùn)營(yíng)成本和CO2排放量最小化的目標(biāo).本文通過5 種算例的比較分析遺傳算法說明了可再生能源、儲(chǔ)能設(shè)備和P2G 裝置對(duì)能量樞紐運(yùn)行的作用和影響.根據(jù)電壓、功率損耗、壓強(qiáng)和溫度等指標(biāo)的對(duì)比,證明了光伏發(fā)電機(jī)組、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、蓄電、蓄熱、儲(chǔ)氣、P2G 機(jī)組組合的能量樞紐在配置、損耗、CO2排放量、社會(huì)效益以及穩(wěn)定性等方面的性能優(yōu)化.本研究對(duì)建設(shè)能量樞紐,促進(jìn)新能源發(fā)電,以及實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展利用有著重要意義.