基于混合潮流算法的多能源互補調(diào)度仿真研究

魏齊鳴，楊太華，高余奇

(上海電力大學(xué)，上海 201306)

1 引言

全球環(huán)境逐漸惡化，能源供需關(guān)系日益緊張，能源問題是人類目前需要開展的重要研究。綜合能源系統(tǒng)是目前能源節(jié)約的重要方式，綜合能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行以及統(tǒng)一規(guī)劃具有重要意義[1]。綜合能源系統(tǒng)是包含集中式能源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)與分布式能源單元耦合的重要系統(tǒng)，綜合能源系統(tǒng)可實現(xiàn)眾多能源優(yōu)勢互補，提升能源利用率，促進新能源的充分利用，提升可再生能源滲透率。綜合能源系統(tǒng)是人類用能領(lǐng)域的重要變革[2]，可保證全球能源的用能安全以及能源可持續(xù)發(fā)展。

綜合能源系統(tǒng)中主要包含電力系統(tǒng)、熱力管網(wǎng)系統(tǒng)、燃氣系統(tǒng)以及能量轉(zhuǎn)換樞紐(Energy Hub，EH)等眾多能源環(huán)節(jié)，能量轉(zhuǎn)換樞紐中包含眾多冷熱電聯(lián)供單元、常規(guī)可控發(fā)電機組等可控能源環(huán)節(jié)[3]，同時包含電動汽車、新能源發(fā)電等具有較高隨機性以及間歇性地控制較為困難的能源環(huán)節(jié)。綜合能源系統(tǒng)是極為復(fù)雜的綜合能源系統(tǒng)，混合潮流算法是協(xié)調(diào)優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)眾多能源環(huán)節(jié)以及能源系統(tǒng)的高效算法，混合潮流算法可充分利用與挖掘眾多能源間的互補潛力[4]，互補調(diào)度各類能源，提升綜合能源系統(tǒng)眾多能源的可利用率。

多能源互補調(diào)度是指合理安排用能環(huán)節(jié)的用能調(diào)度以及不同能源系統(tǒng)出力，滿足綜合能源系統(tǒng)供需匹配問題。目前眾多研究學(xué)者針對多能源優(yōu)化調(diào)度問題進行大量研究，文獻[5]研究基于混沌增強煙花算法的多能源系統(tǒng)并網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度；文獻[6]研究基于擴展節(jié)點法的交直流混合電網(wǎng)統(tǒng)一潮流算法，以上兩種方法均可實現(xiàn)多能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度，但過于考慮系統(tǒng)優(yōu)化的成本問題，忽略多能源優(yōu)化調(diào)度的清潔性問題以及可靠性問題。為此提出基于混合潮流算法的多能源互補調(diào)度仿真，建立可體現(xiàn)多能源系統(tǒng)耦合關(guān)系的多能源互補調(diào)度多目標(biāo)優(yōu)化模型，充分考慮影響綜合能源系統(tǒng)燃氣管網(wǎng)、能量轉(zhuǎn)換樞紐運行的相關(guān)約束，利用最優(yōu)混合潮流算法求解所建立多目標(biāo)優(yōu)化模型。通過仿真驗證該算法具有較高的多能源優(yōu)化調(diào)度性能，所獲取調(diào)度方案可提升綜合能源系統(tǒng)的清潔性、安全性以及經(jīng)濟性，保證綜合能源系統(tǒng)安全運行。所研究方法將綜合能源系統(tǒng)中眾多設(shè)備運行工作參數(shù)設(shè)置為多能源互補調(diào)度優(yōu)化模型綜合潮流計算輸入，降低單次網(wǎng)絡(luò)潮流計算的計算量，提升網(wǎng)絡(luò)整體收斂速度，可應(yīng)用于多能源互補調(diào)度實際應(yīng)用中。

2 混合潮流算法的多能源互補調(diào)度

選取經(jīng)濟成本最小化、清潔能源利用率最大化和系統(tǒng)安全可靠運行建立多目標(biāo)的多能源互補調(diào)度優(yōu)化模型。設(shè)定影響多能源互補調(diào)度的相關(guān)約束，利用多目標(biāo)最優(yōu)混合潮流計算平臺基于非劣排序遺傳算法求解多目標(biāo)優(yōu)化模型輸出最優(yōu)解實現(xiàn)混合潮流算法的多能源互補調(diào)度。

2.1 多能源互補調(diào)度優(yōu)化模型

2.1.1 經(jīng)濟指標(biāo)

經(jīng)濟指標(biāo)總成本Bprice可分為電網(wǎng)購電成本Bgrid、天然氣成本Bgas、設(shè)備啟停以及維護成本Bre三部分，由補燃鍋爐耗天然氣成本以及燃氣輪機耗天然氣成本兩部分組成天然氣成本。用Δt表示系統(tǒng)運行時間段，可得經(jīng)濟指標(biāo)目標(biāo)函數(shù)公式如下

(1)

(2)

(3)

式(2)與式(3)中，Ec與Eh分別表示冷、熱電聯(lián)供系統(tǒng)的制冷機制冷功率以及余熱鍋爐制熱功率；Ebrgl與ηbrgl分別表示補燃鍋爐輸入功率以及補燃鍋爐制熱效率；Egrid表示電網(wǎng)注入功率；LHV與mgas分別表示天然氣低位發(fā)熱量以及單位天然氣價格；ηc與ηt分別表示制冷機制冷效率以及燃氣輪機發(fā)電效率；ηh與mgrid分別表示余熱鍋爐制熱效率以及電價。

2.1.2 安全可靠性指標(biāo)

多能源互補調(diào)度的安全可靠性是綜合能源系統(tǒng)運行的重要任務(wù)，系統(tǒng)的設(shè)備啟停、事故發(fā)生率、設(shè)備運行壽命等因素直接影響多能源互補調(diào)度的安全可靠性[7]。選取設(shè)備啟停頻率以及系統(tǒng)可靠性作為多能源互補調(diào)度的安全可靠性指標(biāo)。

充分考慮運行時間、事故率等因素的安全可靠性指標(biāo)T公式如下

(4)

設(shè)備在時間段為Δt內(nèi)啟停頻率PΔt公式如下

(5)

2.1.3 清潔性指標(biāo)

選取清潔能源利用率作為多能源互補調(diào)度的清潔性指標(biāo)，重點考慮綜合能源系統(tǒng)中光伏以及風(fēng)能利用率[8]。系統(tǒng)運行時間段為Δt時，清潔能源利用率公式如下

(6)

2.1.4 構(gòu)建多能源互補調(diào)度優(yōu)化模型

所建立多能源互補調(diào)度優(yōu)化模型中涉及多種指標(biāo)[9]，采用式(7)歸一化處理眾多指標(biāo)，消除由于量綱差異對互補調(diào)度結(jié)果造成的差異

(7)

綜合考慮以上指標(biāo)建立最終目標(biāo)函數(shù)如下

(8)

式(8)中，wB、wT、wP和wZ表示各指標(biāo)權(quán)重，用戶可依據(jù)不同模式設(shè)定相應(yīng)權(quán)重。

2.2 約束條件

2.2.1 能量轉(zhuǎn)換樞紐單元輸出容量約束

能量轉(zhuǎn)換樞紐單元輸出容量約束如下

(9)

2.2.2 能量轉(zhuǎn)換樞紐單元多能流耦合約束

能量轉(zhuǎn)換樞紐單元熱電比需滿足以下約束

(10)

式(10)中，R表示熱電比。

2.2.3 供能平衡約束

能量轉(zhuǎn)換樞紐單元內(nèi)分布式電源與熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電量之和應(yīng)與其等效電需求相同，能量轉(zhuǎn)換樞紐單元所需輸出電量與電制冷機耗電量之和即等效電需求[10]；熱電聯(lián)產(chǎn)與燃氣鍋爐輸出熱量之和應(yīng)與等效熱需求相同，吸收式制冷劑供冷耗熱量與能量轉(zhuǎn)換樞紐單元內(nèi)需提供熱量之和即等效熱需求。

供能平衡約束如下

(11)

式(11)中，Pi與Qi分別表示輸入節(jié)點i的有功功率以及無功功率；η表示效率；W表示輸出功率；α表示制冷比。

2.2.4 設(shè)備運行約束

多能源互補調(diào)度設(shè)備運行約束如下

(12)

2.3 多目標(biāo)優(yōu)化算法

以往通常利用加權(quán)求和法、最大最小法等方法將所建立多目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為單一目標(biāo)完成求解，存在計算量過大以及復(fù)雜度過高的缺陷。采取遺傳算法求解混合潮流算法的多能源互補調(diào)度的多目標(biāo)優(yōu)化問題，遺傳算法可獲取眾多非劣解，避免出現(xiàn)局部最優(yōu)情況。

利用改進的遺傳算法非劣排序遺傳算法求解多目標(biāo)優(yōu)化問題，非劣排序遺傳算法將快速非劣排序算法應(yīng)用于遺傳算法中，有效降低模型求解復(fù)雜度[11]。將擁擠距離引入分層中設(shè)置為優(yōu)秀個體保留標(biāo)準(zhǔn)，擴展所獲取最優(yōu)解范圍，均勻分布最優(yōu)前沿結(jié)果。

基于OpenDSS平臺以及Marlab仿真平臺搭建多目標(biāo)最優(yōu)潮流求解計算平臺總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 多目標(biāo)最優(yōu)混合潮流計算平臺

圖1可以看出該計算平臺包含天然氣管網(wǎng)潮流計算、能量中心潮流計算以及三相潮流計算模塊三部分。配電網(wǎng)三相潮流計算分析利用OpenDSS平臺實現(xiàn)，Matlab平臺可實現(xiàn)天然氣管網(wǎng)潮流計算、能量中心潮流計算。電/氣網(wǎng)絡(luò)邊界、交換功率大小、能量中心能量轉(zhuǎn)換以及內(nèi)部功率分配利用能量中心潮流計算模塊實現(xiàn)。Marlab仿真平臺與OpenDSS計算程序以及各分析模塊間數(shù)據(jù)通信利用組件對象實現(xiàn)。

多目標(biāo)最優(yōu)混合潮流計算流程圖如圖2所示。

圖2 最優(yōu)混合潮流計算流程圖

圖2可以看出，依據(jù)多目標(biāo)最優(yōu)混合潮流計算平臺，利用Matlab仿真軟件調(diào)用非劣排序遺傳算法求解多能源互補調(diào)度優(yōu)化模型[12]，輸出最終最優(yōu)解實現(xiàn)多能源互補調(diào)度。

3 仿真分析

選取某工業(yè)園區(qū)作為仿真對象，利用Marlab仿真平臺模擬該工業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)運行狀況，基于OpenDSS平臺以及Marlab仿真平臺搭建多目標(biāo)最優(yōu)潮流求解的計算平臺。設(shè)區(qū)域能源系統(tǒng)中除平衡節(jié)點以及耦合節(jié)點輸入輸出有所改變，其它節(jié)點各項負荷均為不變狀態(tài)，設(shè)置以電定熱模式以及以熱定電兩種綜合能源系統(tǒng)運行模式。

綜合能源系統(tǒng)中包含供能設(shè)備以及參數(shù)如表1所示。

表1 供能設(shè)備參數(shù)

綜合能源系統(tǒng)于2020年2月18日24h冷、熱、電負荷曲線如圖3所示。

圖3 冷、電、熱負荷曲線圖

該地區(qū)電網(wǎng)分時電價如圖4所示。

圖4 電網(wǎng)分時電價

綜合能源系統(tǒng)不考慮并網(wǎng)倒送情況。風(fēng)機出力為恒定功率22kW；光伏依據(jù)最大功率出力。該地區(qū)天然氣價格為2.84元/m3，天然氣管道流量與直徑分別為14kg/s以及160mm。供熱供冷管道長度均為3km。電網(wǎng)母線電壓為11kV，主干線長度為9.6km。

基于以上條件采用本文方法互補調(diào)度綜合能源系統(tǒng)內(nèi)多能源，獲取以電定熱以及以熱定電兩種運行模式下綜合能源系統(tǒng)天然氣系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點壓力值如圖5所示。

圖5 天然氣系統(tǒng)節(jié)點壓力值

系統(tǒng)間能量互動統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 能量互動統(tǒng)計

圖5、表2實驗結(jié)果可以看出，綜合能源系統(tǒng)中的天然氣系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點壓力均在額定工作壓力之下，主要原因是經(jīng)過本文方法的多能源互補調(diào)度，保持負荷不變情況下，電力系統(tǒng)可與燃氣系統(tǒng)所獲取燃氣流量良好協(xié)調(diào)，滿足綜合能源系統(tǒng)負荷需求。若不采用本文方法互補協(xié)調(diào)調(diào)度，將出現(xiàn)電力系統(tǒng)功率不平衡情況，導(dǎo)致頻率波動較大，出現(xiàn)燃氣網(wǎng)絡(luò)壓力越限運行情況，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)安全隱患。

為了直觀展示本文方法的多能源互補協(xié)調(diào)調(diào)度性能，將本文方法與混沌增強煙花方法(參考文獻[5])以及擴展節(jié)點方法(參考文獻[6])對比。綜合能源系統(tǒng)運行各項指標(biāo)對比結(jié)果如表3所示。

表3 系統(tǒng)運行指標(biāo)

表3實驗結(jié)果可以看出，混沌增強煙花方法由于僅考慮各區(qū)域熱負荷，并未考慮系統(tǒng)靜態(tài)安全指標(biāo)以及系統(tǒng)運行成本，因此靜態(tài)安全性以及經(jīng)濟性并不理想；擴展節(jié)點方法僅考慮經(jīng)濟性，可有效實現(xiàn)系統(tǒng)運行經(jīng)濟性優(yōu)化，但未考慮系統(tǒng)運行安全性，多能源協(xié)調(diào)優(yōu)化效果較差。采用本文方法互補調(diào)度綜合能源系統(tǒng)內(nèi)各項能源，支路潮流、節(jié)點電壓以及熱媒管道流量越限指標(biāo)相比于另外兩種方法均有明顯優(yōu)化，經(jīng)濟性以及靜態(tài)安全性優(yōu)化幅度明顯，說明本文方法可實現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)安全性能以及經(jīng)濟性的良好權(quán)衡，實現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)內(nèi)多能源互補調(diào)度，應(yīng)用性高。本文方法可滿足經(jīng)濟環(huán)保性需求，綜合能源系統(tǒng)運行過程中，應(yīng)盡可能開啟光伏、風(fēng)機等清潔能源，實現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)良好多能源互補調(diào)度。

4 結(jié)論

伴隨綜合供用能環(huán)境復(fù)雜，能源結(jié)構(gòu)不斷升級，綜合能源系統(tǒng)運行已不僅需考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟成本，更需要綜合考慮能源互補情況的可靠性、清潔性等眾多方面因素，從多目標(biāo)角度出發(fā)建立多能源互補調(diào)度模型，利用混合潮流算法實現(xiàn)多能源互補調(diào)度優(yōu)化。通過仿真結(jié)果驗證利用該方法所獲取的多能源互補調(diào)度方案可全面考慮綜合能源系統(tǒng)的安全性、經(jīng)濟性以及清潔性，可為系統(tǒng)運行決策人員提供多維度調(diào)度方案，便于決策人員依據(jù)實際情況選取最優(yōu)方案。所研究方法可實現(xiàn)不同能源間眾多維度優(yōu)勢互補，獲取理想運行效益，可操作性強，實用價值高。