考慮工程設(shè)備差異性的微能源網(wǎng)設(shè)備綜合優(yōu)化配置

趙政嘉，滕振山，王志光，張 超，左 高，譚 瑤

（南瑞集團有限公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司）,江蘇省南京市 211106）

0 引言

微能源網(wǎng)通過多能互補的方式實現(xiàn)能源綜合利用,是提升系統(tǒng)整體能效的重要手段［1-3］。國內(nèi)外以微能源網(wǎng)展開的工程實踐以園區(qū)、商業(yè)樓宇、醫(yī)院等場景為主［4-6］,而規(guī)劃優(yōu)化方法主要圍繞設(shè)備建模、多能流耦合約束、設(shè)備容量優(yōu)化配置以及系統(tǒng)運行調(diào)度等相關(guān)內(nèi)容展開［6-9］。其中針對工程設(shè)備進行的優(yōu)化配置與多方面因素密切相關(guān),理論與實踐結(jié)合較強,成為相關(guān)研究的基礎(chǔ)與重點。

在系統(tǒng)規(guī)劃優(yōu)化目標與評價指標方面,多以經(jīng)濟性［10-11］、可靠性與能效性等［12-16］作為主要優(yōu)化目標；在優(yōu)化策略及求解算法上,有以線性規(guī)劃為核心的方法進行求解［17］,也有以粒子群為代表的智能優(yōu)化算法［18］；在考慮項目建設(shè)與系統(tǒng)長期運行問題上,有研究提出分段規(guī)劃與交替優(yōu)化等方法［19-20］,也有以時序為主展開的多時段規(guī)劃等方法［21］；針對工程設(shè)備差異性展開的討論較少,有研究以冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)為主要研究對象［22］,將內(nèi)燃機的參數(shù)曲線分段線性化,并引入多品牌設(shè)備,細化待優(yōu)化變量。但其優(yōu)化規(guī)模較為有限,設(shè)備選型階段設(shè)置的變量數(shù)實際上為品牌數(shù)的整數(shù)倍,即選擇某一品牌,并確定該品牌設(shè)備的容量,最終優(yōu)化得到的容量本質(zhì)上仍為連續(xù)型變量。除此之外,也有研究采取設(shè)備參數(shù)連續(xù)與離散相結(jié)合的方式進行優(yōu)化配置［17］。現(xiàn)有研究以設(shè)備獨立臺套的數(shù)量為優(yōu)化變量開展討論時,普遍存在設(shè)備技術(shù)類型較為單一、設(shè)備待選型庫不夠完善等問題,沒有充分考慮到工程設(shè)備的差異性。隨著設(shè)備制造水平的不斷升級,可選擇設(shè)備將不斷補充至數(shù)據(jù)庫,大量的離散型變量增加了計算成本,如何對設(shè)備進行篩選值得進一步討論。

目前微能源網(wǎng)設(shè)備的優(yōu)化配置仍有以下幾方面需要改進：優(yōu)化變量選取方面,以各型號設(shè)備的數(shù)量作為優(yōu)化變量時,優(yōu)化模型包含大量離散型變量,考慮到求解難度與計算成本,一方面需要構(gòu)建完備的待選型設(shè)備庫,另一方面需要從中篩選關(guān)鍵設(shè)備,簡化運算；運行約束方面,需要充分考慮設(shè)備之間的工程差異性,增加設(shè)備獨立運行約束與多設(shè)備協(xié)同運行約束,提高設(shè)備配置的可行性；場景選擇方面,不同場景下環(huán)境各異,對設(shè)備類型的選取也會產(chǎn)生較大影響,應(yīng)因地制宜地開展微能源網(wǎng)規(guī)劃工作。

針對上述問題,本文以微能源網(wǎng)為研究對象,考慮不同設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)的差異性,構(gòu)建待選型設(shè)備庫；以設(shè)備配置數(shù)量為離散型變量,結(jié)合相關(guān)約束,搭建混合整數(shù)規(guī)劃模型,并對微能源網(wǎng)的設(shè)備配置與運行方式進行優(yōu)化；最后基于不同區(qū)域典型場景進行設(shè)備配置與經(jīng)濟性分析,討論不同規(guī)劃場景下的設(shè)備適用邊界。

1 微能源網(wǎng)結(jié)構(gòu)及組成設(shè)備

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所述微能源網(wǎng)為電-熱-冷-氣多能耦合系統(tǒng),其中多種供能和用能設(shè)備之間的能量耦合方式如附錄A 圖A1 所示。將用能負荷分為電、冷、熱三類,待配置設(shè)備包括：光伏（photovoltaic,PV）、電儲 能（energy storage,ES）、風(fēng) 機（wind turbine,WT）、水蓄能（water storage,WS）、冷熱電三聯(lián)供（combined cooling,heat and power,CCHP）機組、地源熱泵（ground source heat pump,GSHP）、空氣源熱泵（air source heat pump,ASHP）、電鍋爐（electric boiler,EB）、燃氣鍋爐（gas boiler,GB）、冷水機組（water cooled chiller,WCC）、直 燃 機（direct fired absorption chiller,DFAC）和 變 壓 器（transformer,TRN）。

1.2 設(shè)備技術(shù)類型及編碼方式

設(shè)備之間的差異性體現(xiàn)在工程參數(shù)的各個方面,參照部分文獻［23-24］以及相關(guān)數(shù)據(jù),本文在附錄A圖A2 中展示了部分設(shè)備技術(shù)類型之間的差異。對設(shè)備庫中的各類設(shè)備按照額定容量從小到大的順序進行排序,并在對設(shè)備進行編碼時分為3 個層級,遞進關(guān)系為類別-技術(shù)類型-編號。類別為i、技術(shù)類型為j、編號為k的設(shè)備的數(shù)量表示為ni,j,k。

2 多設(shè)備協(xié)同運行模型及優(yōu)化配置方法

2.1 優(yōu)化目標

本文以微能源網(wǎng)年均總成本Ctotal最小為目標展開討論,具體如式（1）所示。

式中：Cdevice為設(shè)備購置成本；Com為年運行維護成本；Cenergy為年能源交易成本；Csub為新能源年均發(fā)電補貼。

各項成本的表達式分別為：

式中：ΩD、ΩD,i和ΩD,i,j分別為待配置設(shè)備D的類別集合、待配置設(shè)備D中類別為i的設(shè)備集合和待配置設(shè)備D中類別為i、技術(shù)類型為j的設(shè)備集合；Ci,j,k,inv、Ci,j,k,om分別為待配置設(shè)備中類別為i、技術(shù)類型為j、編號為k的設(shè)備對應(yīng)的購置費用和年運維費用；z為運營期內(nèi)設(shè)備平均使用壽命；r為基準折現(xiàn)率；ΔT、dn分別為調(diào)度時間間隔和第n個典型日的持續(xù)天數(shù)；pbuy(t)、gbuy(t)分別為時刻t購電和購氣量；ξe(t)、ξg(t)和ξsub分別為時刻t的購電、購氣費用和補貼收入；pi,j,k(t)為設(shè)備類別為i、技術(shù)類型為j、編號為k的設(shè)備在時刻t的出力。

2.2 微能源網(wǎng)系統(tǒng)運行方式及約束條件

2.2.1 設(shè)備數(shù)量與安裝容量

待配置設(shè)備的數(shù)量組合矩陣n可表示為n=[npv,nes,nhes,ncchp,ngshp,nashp,neb,ngb,ncw,ndfac,ntrn],其 中npv、nes、nhes、ncchp、ngshp、nashp、neb、ngb、ncw、ndfac和ntrn分別為光伏、電儲能、水蓄能、冷熱電三聯(lián)供、地源熱泵、空氣源熱泵、電鍋爐、燃氣鍋爐、冷水機組、直燃機和變壓器的數(shù)量矩陣,不同設(shè)備的數(shù)量存在一定限制,有

式中：ni、ni,max和nmax分別為i類設(shè)備的數(shù)量、i類設(shè)備的數(shù)量最大值和微能源網(wǎng)設(shè)備數(shù)量最大值。

待選設(shè)備庫的完整度直接影響優(yōu)化配置結(jié)果,本文優(yōu)先考慮一類設(shè)備下相同技術(shù)類型設(shè)備的組合,并允許同技術(shù)類型下同型號多臺配置和不同型號聯(lián)合配置?？紤]到設(shè)備并列運行時的可靠性,組合方案中最大額定功率與最小額定功率之間的差值或容量的比值λc不宜過大。為簡化運算,結(jié)合數(shù)據(jù)庫中容量遞增原則,對任意兩型號的設(shè)備設(shè)置比值約束,并借助較大常數(shù)M進行線性化表示：

式中：pi,j,k,n、pi,j,k′,n分別為i類設(shè)備中技術(shù)類型為j、編號為k和k′的設(shè)備對應(yīng)的額定功率；ωi,j,k、ωi,j,k′分別為i類設(shè)備中技術(shù)類型為j、編號為k和k′的設(shè)備是否配置的0-1 變量,其中k≠k′且k′＞k。

在設(shè)備配置過程中,為了簡化冷熱電三聯(lián)供的組合方式,關(guān)聯(lián)設(shè)備的數(shù)量始終保持一致,其數(shù)量一致的等式約束如式（5）所示。

式中：Ωeout、Ωein分別為供電和用電的設(shè)備集合；Ωeout,i、Ωein,i分別為供電和用電設(shè)備中類別為i的設(shè)備集合；Ωeout,i,j、Ωein,i,j分別為供電和用電設(shè)備中類別為i、技術(shù)類型為j的設(shè)備集合；pi,j,k,out(t)、pi,j,k,in(t)分別為類別為i、技術(shù)類型為j、編號為k的設(shè)備在時刻t的供電功率與用電功率；pload(t)、ploss(t)分別為時刻t的負荷功率和電功率損耗。

2）熱功率平衡

式中：Ωhout、Ωhin分別為供熱和耗熱設(shè)備的類別集合；Ωhout,i、Ωhin,i分別為供熱和耗熱設(shè)備中類別為i的設(shè)備集合；Ωhout,i,j、Ωhin,i,j分別為供熱和耗熱設(shè)備中類別為i、技術(shù) 類型為j的設(shè)備 集合；hi,j,k,out(t)、hi,j,k,in(t)分別為類別為i、技術(shù)類型為j、編號為k的設(shè)備時刻t的供熱功率與耗熱功率；hload(t)、hbuy(t)和hloss(t)分別為時刻t的熱負荷功率、集中供暖購熱功率和熱功率損耗。

3）冷功率平衡

式中：Ωcout、Ωcin分別為供冷和耗冷設(shè)備的類別集合；Ωcout,i、Ωcin,i分別為供冷和耗冷設(shè)備中類別為i的設(shè)備集合；Ωcout,i,j、Ωcin,i,j分別為供冷和耗冷設(shè)備中類別為i、技術(shù)類型為j的設(shè)備集合；ci,j,k,in(t)、ci,j,k,out(t)分別為類別為i、技術(shù)類型為j、編號為k的設(shè)備時刻t的供冷功率與耗冷功率；cload(t)、closs(t)分別為時刻t的冷負荷功率和冷功率損耗。

4）電氣轉(zhuǎn)換

電功率與天然氣耗量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可表示為下式。

式中：ηi,j,k、gi,j,k(t)分別為類別為i、技術(shù)類型為j、編號為k的設(shè)備對應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換效率和時刻t的耗氣量；χgas為天然氣熱值。

2.2.3 設(shè)備配置與運行

本文考慮設(shè)備的供能形式將設(shè)備分為4 類。

1）模塊型供能設(shè)備

此類設(shè)備包括光伏、風(fēng)機、電儲能和水蓄能,多采取單一型號多數(shù)量組合的配置方式,在約束中不考慮設(shè)備間容量的差異。對光伏而言,配置一個相對獨立的光伏發(fā)電單元,主要采取同一型號多塊光伏板組合的方式；針對電儲能與水蓄能,設(shè)備總?cè)萘窟B續(xù)性較強,通過設(shè)置最小規(guī)劃單位,以組合模塊的形式對數(shù)量進行優(yōu)化。

2）獨立型單能源供能設(shè)備

此類設(shè)備中,電鍋爐與燃氣鍋爐盡管能源輸入形式不同,但均為僅能供熱的設(shè)備,冷水機組僅能供冷。

3）獨立型多能源供能設(shè)備

相較于單一能源供應(yīng)設(shè)備,此類設(shè)備既可供冷又可供熱。多能供應(yīng)使得設(shè)備可以多季運行,提高設(shè)備利用率。

4）冷熱電三聯(lián)供設(shè)備

考慮到冷熱電三聯(lián)供機組可視為兩設(shè)備聯(lián)合運行,組合復(fù)雜。內(nèi)燃機與溴化鋰機組的優(yōu)化配置不僅要滿足系統(tǒng)供用能需求,更要符合冷熱電三聯(lián)供機組內(nèi)部的協(xié)同運行邏輯。以內(nèi)燃機為研究對象時,一臺型號內(nèi)燃機固定搭配一臺溴化鋰機組。本文在規(guī)劃冷熱電三聯(lián)供容量前,依據(jù)工程情況整理了冷熱電三聯(lián)供設(shè)備內(nèi)在關(guān)聯(lián)表,依此進行優(yōu)化配置。

本文將設(shè)備配置與運行過程中存在的約束條件分為通用約束與特有約束兩類,通用約束即所有設(shè)備均需考慮的基本條件,主要為如式（3）所示的安裝數(shù)量約束和式（10）所示的出力上下限約束。

式中：pi,j,k,out,max、pi,j,k,out,min分別為供能類設(shè)備中類別i、技術(shù)類型j、編號為k的設(shè)備對應(yīng)的最大、最小功率。

針對設(shè)備各自運行特性的特有約束如式（11）至式（14）所示。

光伏設(shè)備運行約束可表示為：

式中：Ωpv為光伏設(shè)備集合；Ωpv,j為光伏中技術(shù)類型為j的 設(shè) 備集 合；npv,j,k、Spv,j,k和ppv,j,k,n分別 為 光 伏技術(shù)類型為j、編號為k的設(shè)備相應(yīng)的數(shù)量、面積和額定發(fā)電功率；Spv,max為光伏最大有效安裝面積；pload,max為最大電負荷；ηpv為光伏最大接入比例,本文對ηpv的定義為光伏額定配置功率與最大電負荷的比值,這一比例系數(shù)的設(shè)定參考了光伏電站的相關(guān)規(guī)定［25］。

電儲能與水蓄能同屬于蓄能類設(shè)備,針對蓄能類設(shè)備的相關(guān)運行約束如式（12）所示。

式中：Ωes,hes為蓄能類設(shè)備集合；Ωes,hes,j為蓄能類設(shè)備中 技 術(shù) 類 型 為j的 設(shè) 備 集 合；pi,j,k,dis(t)、pi,j,k,ch(t)、Qi,j,k(t)和Qi,j,k(t?1)分別為類別為i、技術(shù)類型為j、編號為k的設(shè)備在時刻t的放能功率、充能功率、容 量 和 在 時 刻t?1 的 容 量；pi,j,k,dis,max、pi,j,k,ch,max、ηi,j,k,ch、ηi,j,k,dis、Qi,j,k,max、Qi,j,k,min和ξi,j,k分別為類別為i、技術(shù)類型為j、編號為k的設(shè)備所對應(yīng)的最大充能功率、最大放能功率、充能效率、放能效率、最大容量、最小容量和放能深度；vi,j,k,ch(t)、vi,j,k,dis(t)分別為類別為i、技術(shù)類型為j、編號為k的設(shè)備在時刻t的充能標志位和放能標志位；ts、te分別為調(diào)度周期的初始時刻和結(jié)束時刻,要求設(shè)備容量在這兩個時刻相等。

除了基本的功率平衡約束,地源熱泵還需要補充調(diào)度期內(nèi)的冷熱平衡約束,如式（13）所示。

式中：Ωcchp為冷熱電三聯(lián)供設(shè)備集合；Ωcchp,j為冷熱電三聯(lián)供中技術(shù)類型為j的設(shè)備集合；ncchp,j,k、pcchp,j,k,out(t)、hcchp,j,k,out(t)與ccchp,j,k,out(t)分別為冷熱電三聯(lián)供機組中技術(shù)類型為j、編號為k的設(shè)備數(shù)量、在時刻t的發(fā)電功率、供熱功率和供冷功率；γc、γh分別為余熱回收過程中冷、熱能量轉(zhuǎn)換效率。

2.3 待選型設(shè)備庫的構(gòu)建

設(shè)備庫的構(gòu)建是優(yōu)化配置的首要步驟,但考慮到這一過程涉及的大量參數(shù)需要結(jié)合前文中的定義,且與部分約束密切相關(guān),故在目標與約束后引出。依據(jù)工程建設(shè)需求,通過收集不同廠家品牌的各類別、各型號的設(shè)備數(shù)據(jù),可以初步確定工程建設(shè)所要選取設(shè)備的范圍。本文所描述的模型是混合整數(shù)規(guī)劃模型,將全部型號的設(shè)備均設(shè)置為離散變量使得求解更加復(fù)雜?，F(xiàn)有較為成熟的規(guī)劃類軟件HOMER 采用窮舉遍歷法來形成設(shè)備組合方案,將各設(shè)備視為獨立的整數(shù)變量參與優(yōu)化,這也直接導(dǎo)致其可優(yōu)化規(guī)模受到一定限制［26］。如何在優(yōu)化前期合理地縮減整體變量、提取有效信息,是提升大規(guī)模求解速度的關(guān)鍵。對此,本文構(gòu)建待選型設(shè)備庫的主要步驟為：數(shù)據(jù)準備；功率排序；結(jié)合相關(guān)約束進行數(shù)據(jù)篩選,通過前期對設(shè)備數(shù)據(jù)進行預(yù)處理來降低求解難度。

數(shù)據(jù)篩選為上述流程的核心部分,主要基于兩個約束：設(shè)備數(shù)量約束與最大負荷約束。當(dāng)式（3）所述設(shè)備數(shù)量約束有效時,該約束對每種型號設(shè)備的數(shù)量均有效,即

同時,可以得到設(shè)備額定功率總累加值與規(guī)劃區(qū)域最大負荷之間的比值約束：

式中：pi,j,k,n、pi,j,k,total分別為設(shè)備類別為i、技術(shù)類型為j、編號為k的設(shè)備對應(yīng)的額定功率和所配置的總功率；pi,total為i類 設(shè)備 的 總功 率；pload,max為 負荷 最 大 功率；ηi,load,max為i類設(shè)備總功率與負荷最大功率的比值。

當(dāng)ni,max=1 時,pi,j,k,total取 為pi,j,k,n；當(dāng)ni,max＞1時,需要對與額定功率為pi,j,k,n的設(shè)備進行組合的設(shè)備進行考察,考慮到設(shè)備數(shù)量限制,并結(jié)合比值λc,所組合的編號為k′的設(shè)備的額定功率應(yīng)滿足：

式中：k′＞k,且由此可以進一步得到各類設(shè)備所能配置的總?cè)萘?如式（18）所示。

結(jié)合上述設(shè)備約束,可以篩除部分不符合要求的設(shè)備,使得設(shè)備庫得到一定程度的縮減。待選型設(shè)備庫的構(gòu)建流程如圖1 所示。

圖1 待選型設(shè)備庫構(gòu)建流程圖Fig.1 Flow chart of constructing library of equipment to be selected

2.4 求解方法

基于上述模型與相應(yīng)的約束條件,本文以整體運行經(jīng)濟性為優(yōu)化目標,利用CPLEX12.9 求解該混合整數(shù)線性規(guī)劃模型。

3 算例分析

3.1 算例系統(tǒng)說明

本文的3 種不同用能形式的微能源網(wǎng)模型,分別選取中國寒冷、炎熱和溫和區(qū)域的3 種不同氣候類型進行比較,并依據(jù)冷熱需求情況劃分為供冷、供熱和過渡季,分別對應(yīng)選取一個典型日,不同典型日一年中持續(xù)時間如表1 所示。典型日的冷、熱、電負荷和相關(guān)的溫度、光照統(tǒng)計可見附錄A 圖A3 至圖A6?？紤]到風(fēng)機在微能源網(wǎng)場景下進行設(shè)備配置時,單位成本、安全運行等方面尚需進一步考證,因此算例中未考慮配置風(fēng)機。

表1 不同典型日持續(xù)天數(shù)Table 1 Duration of different typical days

針對不同地區(qū)的用能需求,本文以相同的建筑參數(shù)進行仿真得到不同區(qū)域?qū)?yīng)的負荷曲線。按照2.2.3 節(jié)中對光伏最大接入比例的定義,本文將這一比例初值設(shè)為35%,并在后續(xù)分析中針對最大接入比例變化展開討論。

3.2 微能源網(wǎng)優(yōu)化配置結(jié)果分析

3.2.1 3 種氣候區(qū)域?qū)Ρ?/p>

算例系統(tǒng)中采用的能源價格與設(shè)備信息等相關(guān)參數(shù)可見附錄A 表A1 至表A13,其中設(shè)備型號采取“技術(shù)類型簡稱_設(shè)備編號”的命名方式,各設(shè)備所包含的技術(shù)類型和對應(yīng)的簡稱如表2 所示。

表2 各類設(shè)備所包含的技術(shù)類型及簡稱Table 2 Technical types and abbreviations of different types of equipment

以光伏為例,mono_7 表示技術(shù)類型為單晶硅、編號為7 的光伏設(shè)備。

按算例系統(tǒng)設(shè)置,采用前文所述設(shè)備庫構(gòu)建方法與建模求解方法,得到3 種場景下的設(shè)備配置方案和相應(yīng)的經(jīng)濟性分析如表3 和表4 所示,不同場景下設(shè)備運行情況見附錄B 圖B1 至圖B5。

表3 不同氣候區(qū)域設(shè)備配置表Table 3 Equipment configuration table of different climate regions

表4 不同配置結(jié)果經(jīng)濟性分析Table 4 Economy analysis of different configuration results

由表3 和表4 可知,3 種場景均配置了光伏、電儲能、水蓄能與冷熱電三聯(lián)供機組,其中部分設(shè)備采取了相同的配置。針對區(qū)域各自的特殊情況,寒冷地區(qū)配置燃氣鍋爐來滿足冬天較長時間的熱負荷需求,夏季冷負荷由冷熱電三聯(lián)供機組與水蓄能裝置協(xié)同運行來滿足,過渡季主要通過并網(wǎng)購電與電儲能相結(jié)合實現(xiàn)功率平衡。在炎熱地區(qū),配置冷水機組滿足供冷季較高的冷負荷需求,由于過渡季冷熱電三聯(lián)供機組不出力且相較于其他兩種情況具有較長的過渡季,炎熱地區(qū)在本文所述模型中購電費用較高。在溫和地區(qū),配置一臺空氣源熱泵,在供冷、供熱季與水蓄能裝置協(xié)同利用可以實現(xiàn)兩季供能。

3.2.2 設(shè)備庫型號完整性對配置結(jié)果的影響

在上述3 種應(yīng)用場景中,冷熱電三聯(lián)供機組在供冷、供熱季承擔(dān)了較為重要的供能任務(wù),為了進一步體現(xiàn)設(shè)備庫構(gòu)建完備性對優(yōu)化配置結(jié)果的影響,在溫和區(qū)域場景下,更換現(xiàn)有內(nèi)燃機配置方式,假設(shè)chp_12 型號內(nèi)燃機未錄入待選設(shè)備庫,其余設(shè)備不變,重新進行優(yōu)化配置得到新的設(shè)備組合方案。重新優(yōu)化后,內(nèi)燃機更換為一臺390 kW 的chp_5,協(xié)同配置的溴化鋰機組仍為一臺libr_4,其余設(shè)備優(yōu)化結(jié)果相同。2 種配置均滿足整體運行要求,其中經(jīng)濟性對比結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同內(nèi)燃機配置方案經(jīng)濟性對比Fig.2 Economy comparison of different schemes of internal combustion engine configuration

現(xiàn)有設(shè)備庫中與chp_12 較為接近但額定功率稍 小 于400 kW 的 有390 kW 的chp_5、357 kW 的chp_4 和330 kW 的chp_8,容量稍大的有600 kW 的chp_13 和636 kW 的chp_9,考慮到現(xiàn)有變壓器容量具備一定裕度,空氣源熱泵也未處于滿載運行狀態(tài),因此在新的配置方案中主要供能設(shè)備沒有做增大的調(diào)整。相較于400 kW 的chp_12,390 kW 的設(shè)備購置費用更低,但由此導(dǎo)致能源購置成本、年總運行成本增加。由此可知,盡管待配置設(shè)備額定容量相差值不大,但由此得到的配置方案供能方式產(chǎn)生了一定變化,對經(jīng)濟性影響也較為明顯,這也反映了構(gòu)建設(shè)備庫時完整收集設(shè)備資料的重要性。

3.2.3 分布式光伏最大接入比例及出力波動性對配置結(jié)果的影響

1）光伏最大接入比例

與冷熱電三聯(lián)供機組的配置相對應(yīng),分布式光伏的安裝容量對整體配置也具有一定的影響,在現(xiàn)有約束為最大接入比例為35%的基礎(chǔ)上分別調(diào)整該約束為10%、60%、85%、110%并重新優(yōu)化,得到的配置結(jié)果及經(jīng)濟性對比分別如表5 和圖3 所示。

表5 不同光伏最大接入比例下配置結(jié)果Table 5 Configuration results with different PV maximum access ratios

圖3 不同光伏最大接入比例下配置方案經(jīng)濟性對比Fig.3 Economy comparison of configuration schemes with different maximum access ratios of PV

隨著光伏最大接入比例的增加,內(nèi)燃機配置容量不斷減小,冷熱電三聯(lián)供機組供冷和供熱能力有所下降,而與其搭配供能的設(shè)備也由空氣源熱泵逐漸調(diào)整為地源熱泵。盡管年總運行費用有所下降,但需要注意的是,光伏出力在客觀上具有較大的不確定性。本文通過場景選擇的方法,利用3 個典型日來代表全年3 類負荷,并對應(yīng)選取了3 條輻照強度曲線,在一定程度上忽略了極端天氣下光伏出力嚴重不足的情況。在多能互補系統(tǒng)中,光伏前期配置容量越大,意味在滿足同等電負荷需求時,其余供電設(shè)備的出力有所降低,這也直接影響了對該設(shè)備額定容量的配置,使得系統(tǒng)在極端條件下無法可靠運行。

從表5 中可以看出,光伏最大接入比例增加,內(nèi)燃機容量逐漸減小,但變壓器的配置并沒有發(fā)生變化。這不僅與設(shè)備庫中變壓器的成本參數(shù)相關(guān),還與許多其他因素相關(guān)。本文考慮到冷熱電三聯(lián)供機組的實際運行狀況,要求其僅在供冷和供熱季開機,而過渡季做停機處理,這一要求是希望最大化冷熱電三聯(lián)供機組的整體運行效率,充分利用余熱。因此在過渡季,為了滿足電負荷需求,從電網(wǎng)購電仍然占據(jù)主導(dǎo)作用,不能直接降低變壓器的額定容量。另一方面,光伏額定配置功率增加,最大出力隨之增加,但部分典型日中輻照條件較差,光伏出力仍較為有限,仍要其他設(shè)備承擔(dān)發(fā)電任務(wù)。

2）光伏出力波動性

為進一步驗證變壓器與內(nèi)燃機的組合配置方案能否在光伏出力為零時繼續(xù)支撐系統(tǒng)正常運行,在光伏最大接入比例為35%和110%兩種情況下進行統(tǒng)計。保持其余設(shè)備運行方式不變,在原有光伏出力時刻,首先在內(nèi)燃機允許范圍內(nèi)增大出力至額定功率,不足的部分進一步增加變壓器出力至額定值,此時統(tǒng)計是否出現(xiàn)供能不足的情況。

在光伏最大接入比例為35%時,在過渡季13時、14 時出現(xiàn)功率不足的情況,差值分別為132.08 kW、109.49 kW,而最大接入比例為110%時,在過渡季14 時出現(xiàn)功率不足,差值為19.52 kW。仔細分析上述供能差值可以發(fā)現(xiàn),發(fā)生不足的主要原因是在上述時刻儲能均處于充電狀態(tài),產(chǎn)生了大小不同的功率缺額。盡管本文所述配置方案能夠在光伏出力嚴重不足時通過其他方法對負荷繼續(xù)供能,但可再生能源出力不確定性對規(guī)劃方法的影響仍值得進一步討論,在極端條件下各類設(shè)備的調(diào)度方式也應(yīng)及時進行調(diào)整。

4 結(jié)語

本文針對微能源網(wǎng)多種設(shè)備協(xié)同運行與優(yōu)化配置相關(guān)問題,建立了基于設(shè)備參數(shù)差異性的離散型混合整數(shù)規(guī)劃模型。針對3 種不同場景結(jié)合設(shè)備的基本參數(shù)以及設(shè)備運行相關(guān)約束開展了配置方案的經(jīng)濟性分析,主要得出了以下結(jié)論。

1）在以設(shè)備數(shù)量為變量進行的優(yōu)化配置中,需要結(jié)合負荷需求建立待選型設(shè)備庫,不同類型設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)選取要綜合考慮建模要求與參數(shù)收集難度。

2）環(huán)境因素對配置結(jié)果具有明顯影響,微能源網(wǎng)的優(yōu)化配置要結(jié)合用戶實際情況,加強各類約束條件在規(guī)劃過程中的實際作用。

針對設(shè)備參數(shù)的差異性開展微能源網(wǎng)優(yōu)化配置,能夠更為客觀地反映設(shè)備各項費用對整體運行經(jīng)濟性的影響,利于在規(guī)劃前期指導(dǎo)設(shè)備的參數(shù)收集。同時,結(jié)合待選型設(shè)備庫,將設(shè)備數(shù)量作為離散型變量進行優(yōu)化,有助于體現(xiàn)多種設(shè)備協(xié)同運行特點,對設(shè)備選型與相關(guān)決策具有積極意義。

本文在建模過程中僅考慮電、冷、熱三種負荷類型,未考慮熱水與蒸汽負荷,隨著用戶實際需求不斷變化,下一步將完善負荷類型,并考慮可再生能源與負荷的不確定性對整體優(yōu)化配置的影響。

本文的研究得到國電南瑞科技股份有限公司科技項目(524608210022)資助，特此感謝！

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