基于多元融合的智慧園區(qū)電能源低碳調(diào)控方法研究

鄭 慶,林愷豐,何淑琳,楊 翾，江文濤，李小峰

(1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司金華供電公司，浙江 金華 321000)(2.國(guó)網(wǎng)杭州供電公司，浙江 杭州 310000)

我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展，促使低碳高效發(fā)展模式逐漸成熟，也是智慧園區(qū)電能源的未來發(fā)展方向[1-3]。通過有效結(jié)合生活理念與建筑藝術(shù)、信息技術(shù)、電子技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)，將生活空間打造得更加舒適、安全、便捷、開放的空間被稱之為智慧園區(qū)。具體體現(xiàn)在園區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施、安全保障、管理和服務(wù)等各個(gè)方面[4]，其實(shí)現(xiàn)主要依附于電能源。配電網(wǎng)是電能源的主要供電方式。而現(xiàn)代園區(qū)所面臨的問題是如何打造出低碳綠色的智慧園區(qū)。

秦婷等人提出基于碳交易的電-熱-氣綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法[5]。通過建立分碳排量區(qū)間的階梯型計(jì)算模型計(jì)算碳交易成本，實(shí)現(xiàn)低碳調(diào)控；劉剛等人提出基于可控負(fù)荷提升風(fēng)電接納能力的優(yōu)化調(diào)度[6]，在充分考慮棄風(fēng)因素與可控負(fù)荷影響的基礎(chǔ)上，構(gòu)建電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的雙層優(yōu)化模型，降低發(fā)電成本。

為實(shí)現(xiàn)智慧園區(qū)的經(jīng)濟(jì)成本以及環(huán)境成本均可調(diào)控，將多元融合技術(shù)引進(jìn)智慧園區(qū)的電能源低碳調(diào)控中，利用多元融合可將多方面的、存在一定聯(lián)系性的觀點(diǎn)充分融合在一起，從多個(gè)角度進(jìn)行事物或狀態(tài)分析的能力，提出基于多元融合的智慧園區(qū)電能源低碳調(diào)控方法，打造出低碳綠色的智慧園區(qū)。

1 基于多元融合的智慧園區(qū)電能源低碳調(diào)控優(yōu)化運(yùn)行模型

1.1 目標(biāo)函數(shù)

假設(shè)智慧園區(qū)中存在K臺(tái)分布式發(fā)電機(jī)組、M個(gè)儲(chǔ)能元件，那么將智慧園區(qū)中T個(gè)時(shí)段內(nèi)總碳排放成本最小視為智慧園區(qū)電能源低碳調(diào)度優(yōu)化運(yùn)行模型目標(biāo)，如式(1)所示：

(1)

式中：ET為連續(xù)T個(gè)時(shí)段內(nèi)的智慧園區(qū)碳排放總成本；PGk.t為第k臺(tái)分布式發(fā)電機(jī)組在第t時(shí)段有功出力，kW；eGk.t為第k臺(tái)分布式發(fā)電機(jī)組在第t時(shí)段機(jī)組碳勢(shì),kg；PG0,t為在第t時(shí)段來自主網(wǎng)有功功率,kW；eG0,t為在第t時(shí)段來自主網(wǎng)的主網(wǎng)碳勢(shì)，kg。E1、E2分別為智慧園區(qū)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度成本、環(huán)境調(diào)度成本。

因?yàn)槌绷鞣植嫉暮瘮?shù)是碳流，且潮流分布影響著節(jié)點(diǎn)碳勢(shì)。在智慧園區(qū)內(nèi)機(jī)組參數(shù)決定目標(biāo)函數(shù)中出現(xiàn)的碳勢(shì)eGk,t,主網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)影響eG0,t，二者均未受到智慧園區(qū)運(yùn)行狀態(tài)干擾，式(1)的目標(biāo)函數(shù)是線性函數(shù)。

1.1.1 經(jīng)濟(jì)調(diào)度成本

將棄風(fēng)懲罰成本和煤耗成本最低視為智慧園區(qū)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的目標(biāo)，其函數(shù)具體表述為

(2)

式中：T為調(diào)度時(shí)段，h；Nm為常規(guī)火電機(jī)組臺(tái)數(shù)；Ng為碳捕集機(jī)組臺(tái)數(shù)；Nchp為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組臺(tái)數(shù)；fmi、fgi、fchpi分別為第i臺(tái)火電機(jī)組、碳捕集機(jī)組、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的成本函數(shù)，均為二次函數(shù)；pmi,t為常規(guī)火電機(jī)組i在t時(shí)刻發(fā)電功率，kW；pzi,t為碳捕集機(jī)組i在t時(shí)刻總發(fā)電功率，kW；pchpi,t為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組i在t時(shí)刻發(fā)電功率,kW；qchpi,t為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組i在t時(shí)刻供熱功率,kW；EW為棄風(fēng)懲罰成本，可表示為

(3)

1.1.2 環(huán)境調(diào)度成本

碳排放成本最低是智慧園區(qū)環(huán)境調(diào)度目標(biāo)，其目標(biāo)函數(shù)具體表述為

(4)

式中：KE為單位碳排放量?jī)r(jià)格；emi、egi、echpi分別為第i臺(tái)火電機(jī)組碳排放量函數(shù)、第i臺(tái)碳捕集機(jī)組碳排放量函數(shù)、第i臺(tái)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組碳排放量函數(shù),均為二次函數(shù)；Ec為碳捕集設(shè)備捕集CO2量，表達(dá)式為

(5)

式中：pci,t、pi,0分別表示碳捕集機(jī)組i在t時(shí)刻捕集能耗、碳捕集設(shè)備i捕集單位CO2消耗電功率,kW。

1.2 約束條件

1)潮流方程約束

在任意時(shí)段模型都要滿足智慧園區(qū)潮流方程。即

(6)

式中：Pi,t為節(jié)點(diǎn)i在第t時(shí)段注入有功功率，kW;Qi,t為節(jié)點(diǎn)i在第t時(shí)段注入無(wú)功功率,kW；Ut,t為節(jié)點(diǎn)i在第t時(shí)段電壓，V;Uj,t節(jié)點(diǎn)j在第t時(shí)段電壓,V；Gi,j、Bi,j和θij,t分別為節(jié)點(diǎn)i、j電導(dǎo)、電納以及第t時(shí)段間相角差，(°)。

2)線路潮流約束

Sl,t≤Slmax

(7)

式中：Sl,t、Slmax分別為t時(shí)刻經(jīng)過第l條支路的復(fù)功率和第l條支路能夠承受的最大傳輸功率,kW。

3)儲(chǔ)能元件運(yùn)行約束

容量約束和電量約束是儲(chǔ)能元件運(yùn)行約束主要的兩類。其中，儲(chǔ)能的充放電功率限制是容量約束，對(duì)第m個(gè)儲(chǔ)能元件，存在：

-POmax,m≤Psm,t≤PImax,m

(8)

式中：Psm,t為第m個(gè)儲(chǔ)能元件在第t時(shí)段充電功率,kW；PImax,m為儲(chǔ)能元件最大充電功率，kW;POmax,m為儲(chǔ)能元件最大放電功率,kW。電量約束由兩部分組成，假設(shè)儲(chǔ)能元件處于充電狀態(tài)：

(9)

式中：Δt為各時(shí)段時(shí)長(zhǎng),h；Qmax,m、Qsm,t-1為表示儲(chǔ)能元件m的最大充電電量和t-1時(shí)段內(nèi)所存儲(chǔ)的電量,W。

儲(chǔ)能元件放電狀態(tài)下的表達(dá)式為

(10)

4)功率平衡約束

(11)

式中：pgi,t、pwi,t分別為碳捕集機(jī)組i、風(fēng)電機(jī)組i在t時(shí)刻凈發(fā)電功率、調(diào)度風(fēng)電功率,W；p1,t為t時(shí)刻智慧園區(qū)用電負(fù)荷,W；pebi,t為電鍋爐i在t時(shí)刻用電功率,W；Neb為電鍋爐個(gè)數(shù)。

5)熱力支路約束

熱力管道節(jié)點(diǎn)溫度、流量和傳熱方程可表述為

(12)

6)供熱平衡約束

在實(shí)際熱網(wǎng)中，熱負(fù)荷在各自區(qū)域內(nèi)部平衡[7]，多個(gè)分區(qū)之間并無(wú)熱量交換。智慧園區(qū)的熱源和區(qū)域供應(yīng)關(guān)系以矩陣HMI表示：

(13)

式中：M、I分別為供熱區(qū)域數(shù)量和熱源數(shù)量；區(qū)域m由熱源i供熱用和不由熱源i供熱用的表達(dá)方式分別為hmi=1、hmi=0。

區(qū)域m熱功率平衡約束表達(dá)式為

(14)

2 低碳調(diào)控優(yōu)化運(yùn)行模型求解方法

2.1 多時(shí)段耦合問題的簡(jiǎn)化方法

多時(shí)段耦合問題通常是求解低碳調(diào)控優(yōu)化運(yùn)行模型時(shí)需要考慮內(nèi)容。為此遵循下述方法對(duì)分布式機(jī)組與儲(chǔ)能元件的出力序列存在相鄰時(shí)段的耦合現(xiàn)象實(shí)施簡(jiǎn)化，求解低碳調(diào)度模型：

(1)在智慧園區(qū)中，燃?xì)鈾C(jī)組在可控分布式機(jī)組中占有絕大部分，考慮到該機(jī)組起停和爬坡性能顯著，假若給予足夠時(shí)段長(zhǎng)度，則：PDGkmax=PUGkmax=PGkmax。此時(shí)爬坡約束在模型中沒有效果。

(2)對(duì)于儲(chǔ)能元件，依據(jù)式(9)和式(10)逐時(shí)段更新儲(chǔ)能元件運(yùn)行的充放電約束條件即可。不需要另行設(shè)計(jì)儲(chǔ)能元件運(yùn)行爬坡約束，因?yàn)閮?chǔ)能裝置調(diào)節(jié)能力和狀態(tài)切換速度一樣出色。

綜上所述，根據(jù)分布式發(fā)電與儲(chǔ)能元件的特性[8]，智慧園區(qū)總的調(diào)度運(yùn)行結(jié)果可通過逐時(shí)段更新儲(chǔ)能運(yùn)行邊界條件并優(yōu)化求解的方法得到，因?yàn)楸緝?yōu)化調(diào)度模型中時(shí)段間耦合并不對(duì)模型求解產(chǎn)生實(shí)質(zhì)影響。

2.2 儲(chǔ)能元件儲(chǔ)熱放熱速率與發(fā)電機(jī)組電功率最小協(xié)調(diào)關(guān)系

若使含儲(chǔ)能元件和發(fā)電機(jī)組協(xié)同下正好完全消納棄風(fēng)電量[9]，則需要儲(chǔ)能元件儲(chǔ)熱放熱速率和發(fā)電機(jī)組電功率協(xié)調(diào)關(guān)系在pwq,t=Δpwk,t時(shí)最小。全部消納的風(fēng)電儲(chǔ)熱放熱速率和發(fā)電機(jī)組電功率在一定供熱范圍內(nèi)成線性關(guān)系，具體表示為

(15)

式中：pebn,t為發(fā)電機(jī)組n在t時(shí)刻的用電功率，W；qhsm,t為儲(chǔ)能裝置m在t時(shí)刻的儲(chǔ)放熱速率,m3/h；pwk,t為包含儲(chǔ)能元件和發(fā)電機(jī)組的智慧園區(qū)在t時(shí)刻的棄風(fēng)消納空間。pml,tmin、pgj,tmin分別為常規(guī)火電機(jī)組l、碳捕集機(jī)組j在時(shí)間t的最小發(fā)電功率、和最小凈發(fā)電功率,W；Cmi為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組i背壓運(yùn)行時(shí)電熱功率彈性系數(shù)、ηn為電熱轉(zhuǎn)換效率；ai為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱比例；hl,t為換熱站l在t時(shí)刻的供熱量，p1,t為t時(shí)刻智慧園區(qū)負(fù)荷；Neb、Nhs為發(fā)電機(jī)組數(shù)量、儲(chǔ)熱裝置數(shù)量。

儲(chǔ)熱裝置和發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)供熱時(shí)[10-11]，直線上所有點(diǎn)都表示在此放熱速率和電功率下，風(fēng)電恰好被全部消納。點(diǎn)A為智慧園區(qū)儲(chǔ)熱裝置未工作時(shí)，為實(shí)現(xiàn)風(fēng)電完全消納，需要配置最小發(fā)電機(jī)組電功率為

(16)

點(diǎn)B表示智慧園區(qū)發(fā)電機(jī)組不工作時(shí)，極限消納風(fēng)電儲(chǔ)熱配置總放熱速率最小為

(aiCmi)

(17)

儲(chǔ)熱元件和發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)供熱時(shí)，存在儲(chǔ)熱放熱速率和電功率不足問題[12-13]，使風(fēng)電無(wú)法全部消納[14]；但建議不要選過高于直線上的點(diǎn)避免投資浪費(fèi)。在規(guī)劃建設(shè)中，選擇最適合的儲(chǔ)熱裝置和發(fā)電機(jī)組要衡量?jī)?chǔ)熱和發(fā)電機(jī)組的成本[15]。

3 實(shí)驗(yàn)分析

選取某省市的智慧園區(qū)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分析本文研究基于多元融合的智慧園區(qū)電能源低碳調(diào)控方法性能。該智慧園區(qū)包含A、B、C三個(gè)區(qū)域，存在兩個(gè)8個(gè)節(jié)點(diǎn)的熱力系統(tǒng)以及1個(gè)20個(gè)節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)，存在三座熱電廠、三座火電廠以及三座風(fēng)電場(chǎng)。其中每個(gè)熱電廠包含儲(chǔ)熱裝置和熱電機(jī)組數(shù)量分別為1個(gè)和2臺(tái)，A、B、C三個(gè)區(qū)域的供熱分別由熱電廠1、2、3負(fù)責(zé)，區(qū)域B的供熱由節(jié)點(diǎn)6處安裝一臺(tái)60 MW的電鍋爐提供。本文方法的調(diào)控周期選擇24 h，調(diào)度時(shí)段選擇1.5 h，智慧園區(qū)的電能源調(diào)控?cái)?shù)據(jù)選取某日上午9∶00至次日上午8∶00。單位碳排放量?jī)r(jià)格為16元/t，電鍋爐的電熱轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.98。

3.1 不同狀況的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度性能分析

實(shí)驗(yàn)分別通過以下四種狀況分析本文方法的經(jīng)濟(jì)調(diào)度性能：火電廠未設(shè)置碳捕集裝置，智慧園區(qū)未配備儲(chǔ)熱裝置及電鍋爐為狀況A；火電廠設(shè)置碳捕集裝置，但未配備儲(chǔ)熱裝置和電鍋爐為狀況B；火電廠設(shè)置碳捕集裝置，智慧園區(qū)配備儲(chǔ)熱裝置，但未配備電鍋爐為狀況C；火電廠設(shè)置碳捕集裝置，智慧園區(qū)配備儲(chǔ)熱及電鍋爐為狀況D。

表1是四種狀況下本文方法調(diào)控后實(shí)驗(yàn)智慧園區(qū)電能源的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度性能對(duì)比情況，由表1可以看出：相比于其他三種狀況，狀況D的經(jīng)濟(jì)成本最低，總成本值最低，節(jié)約總成本值最高，且棄風(fēng)被完全吸納。這是由于狀況4中有碳補(bǔ)裝置，儲(chǔ)熱裝置和電鍋爐，在智慧園區(qū)電能源調(diào)控的經(jīng)濟(jì)性和低碳性方面起到了很好作用，并且棄風(fēng)被完全吸納。雖然狀況D的碳排放成本高于狀況B和狀況C，但是狀況B、C是以較高經(jīng)濟(jì)成本換取碳排放成本較低，導(dǎo)致智慧園區(qū)的經(jīng)濟(jì)性很差。而調(diào)控后狀況D權(quán)衡經(jīng)濟(jì)成本和碳排成本，不但總成本值最低而且棄風(fēng)總電量為零。

表1 不同狀況低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度性能對(duì)比表

以狀況D為例，選取文獻(xiàn)[5]的基于碳交易的調(diào)控方法和文獻(xiàn)[6]的基于可控負(fù)荷的調(diào)控方法為本文方法對(duì)比方法，統(tǒng)計(jì)三種方法的低碳調(diào)度性能，結(jié)果如表2所示。

表2 三種方法的調(diào)控性能

分析表2數(shù)據(jù)可知，本文方法的經(jīng)濟(jì)成本最低，相較于基于碳交易方法和基于可控負(fù)荷方法的就經(jīng)濟(jì)成本分別低于210.41萬(wàn)元、68.12萬(wàn)元。本文方法的碳排放成本相較于基于可控負(fù)荷方法較高，相較于碳交易方法略低，原因是基于碳交易方法為節(jié)省碳排放成本，在一定程度上犧牲了經(jīng)濟(jì)成本，而本文方法將二者實(shí)現(xiàn)有效的權(quán)衡，最終節(jié)約了3.81%的總成本，相比兩種對(duì)比方法分別節(jié)省總成本2.15%、2.73%。同時(shí)本文方法調(diào)控后的棄風(fēng)總電量為零，說明棄風(fēng)被完全吸納，另外兩種方法的棄風(fēng)均未被完全吸納。綜上分析可知，本文方法調(diào)控性能優(yōu)勢(shì)顯著。

3.2 優(yōu)化結(jié)果

應(yīng)用本文方法調(diào)控過程中智慧園區(qū)儲(chǔ)能元件的運(yùn)行優(yōu)化結(jié)果見圖1。

圖1 儲(chǔ)能元件優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果

分析圖1可以得出：第1至9時(shí)間段，放電碳勢(shì)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，因?yàn)榇藭r(shí)間段里儲(chǔ)能元件處于充電狀態(tài)，隨著充電時(shí)間持續(xù)，放電碳勢(shì)不斷下降。第10至19時(shí)間段，儲(chǔ)能處于放電情況，放電碳勢(shì)呈現(xiàn)穩(wěn)定不變的狀態(tài)。第20至24時(shí)間段，放電碳勢(shì)數(shù)值明顯高于第11至第19時(shí)間段數(shù)值，此時(shí)儲(chǔ)能元件重置為充電狀態(tài)。由此可得出，主網(wǎng)低碳階段，儲(chǔ)能元件處于充電狀態(tài)，吸收低碳電能；主網(wǎng)高碳階段，儲(chǔ)能元件釋放所存儲(chǔ)的低碳電能，可以有效降低此時(shí)段高碳電能使用，最終達(dá)到低碳減排的效果。

智慧園區(qū)的優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果如圖2所示。

圖2 智慧園區(qū)的優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果

由圖2可以得出，智慧園區(qū)在第1至第9時(shí)段、第19至第24時(shí)段里完全吸收主網(wǎng)低碳電能，平均用電碳排放強(qiáng)度和主網(wǎng)碳勢(shì)相等；智慧園區(qū)在第11至第19時(shí)段里完全利用自身相對(duì)低碳的資源，使智慧園區(qū)在全時(shí)段內(nèi)達(dá)到低碳優(yōu)化效果。

4 結(jié) 論

本文利用多元融合理論實(shí)現(xiàn)智慧園區(qū)電能源低碳調(diào)控方法，分析儲(chǔ)能元件充放電過程對(duì)智慧園區(qū)電能源碳排放的影響，在用電量不改變情況下，用電碳排放強(qiáng)度在低碳時(shí)段呈現(xiàn)穩(wěn)定不變的狀態(tài)，高碳時(shí)段呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，完全利用了智慧園區(qū)中的低碳資源，達(dá)到低碳減排的效果，從此實(shí)現(xiàn)低碳綠色多元融合的智慧園。