垃圾能源利用與城市多能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化模型

王澤鏑 滕 云 閆佳佳 陳 哲

垃圾能源利用與城市多能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化模型

王澤鏑1滕 云1閆佳佳1陳 哲2

（1. 沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院 沈陽 110870 2. 丹麥奧爾堡大學(xué)能源技術(shù)學(xué)院 奧爾堡 DK-9220）

隨著城市級(jí)多能源系統(tǒng)的快速發(fā)展和城市垃圾處理設(shè)施供能規(guī)模的不斷擴(kuò)大，考慮垃圾處理過程的多種能源供能協(xié)調(diào)優(yōu)化，并將其與城市多能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化進(jìn)行綜合考慮，是提高城市垃圾處理能力和資源化利用水平及綜合能源利用效率的重要途徑之一。該文將垃圾處理系統(tǒng)等效為一個(gè)以垃圾為輸入的供能系統(tǒng)，建立城市垃圾能源化利用供能系統(tǒng)（WRESS）、城市多能源系統(tǒng)和城市多源儲(chǔ)能系統(tǒng)三者協(xié)同優(yōu)化模型。首先，研究一定時(shí)間尺度內(nèi)可用于供能的城市垃圾產(chǎn)量、最大允許堆存量與其對(duì)應(yīng)的供能種類和供能特性之間的關(guān)系，建立垃圾能源化利用供能優(yōu)化模型；其次，針對(duì)垃圾能源化利用可調(diào)節(jié)特性與多能源系統(tǒng)、多能源儲(chǔ)能系統(tǒng)自身協(xié)調(diào)能力間關(guān)系，建立以運(yùn)行和調(diào)節(jié)成本最小為目標(biāo)的城市垃圾能源化利用與多能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化模型；最后，以中國(guó)某城市實(shí)際垃圾處理與多能源運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過三個(gè)場(chǎng)景仿真驗(yàn)證所提模型的有效性。仿真結(jié)果表明，該模型在提高城市垃圾處理能力的同時(shí)，能夠有效降低多能源系統(tǒng)運(yùn)行成本，并提升系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力。

多能源系統(tǒng) 垃圾能源化利用 能源利用效率 多源儲(chǔ)能

0 引言

在能源互聯(lián)網(wǎng)的背景下，針對(duì)高比例可再生能源并網(wǎng)后城市電、熱、氣系統(tǒng)間的互補(bǔ)協(xié)調(diào)及調(diào)節(jié)能力弱的問題[1-4]，一方面，多源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)裝置所構(gòu)成的多源儲(chǔ)能系統(tǒng)接入，可作為一種靈活性資源為城市多能源系統(tǒng)提供較大的調(diào)節(jié)能力；另一方面，隨著垃圾能源化利用技術(shù)的發(fā)展，考慮城市垃圾的處理及堆存能力，利用垃圾供能具有成為靈活性資源的潛力[5-8]。而如何利用垃圾能源化利用特性與城市多能源供給、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)間協(xié)同運(yùn)行，以提高城市能源利用效率和系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，是城市多能源系統(tǒng)研究的一個(gè)關(guān)鍵問題。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)垃圾再利用供能的研究主要集中在垃圾供能系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生物質(zhì)垃圾處理供能特性分析及優(yōu)化運(yùn)行等方面。文獻(xiàn)[9]為提高太陽能供電效率，提出了一種光伏-光熱-沼氣聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)模型；文獻(xiàn)[10]建立了生物質(zhì)沼氣池電熱輸出模型，為促進(jìn)可再生能源消納，提出含沼氣池供能的全可再生能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型；文獻(xiàn)[11]為充分利用偏遠(yuǎn)地區(qū)的垃圾廢物產(chǎn)生的生物質(zhì)能資源，構(gòu)建了風(fēng)柴儲(chǔ)生物質(zhì)獨(dú)立微網(wǎng)系統(tǒng)并提出雙模式優(yōu)化控制方案；文獻(xiàn)[12]針對(duì)生物質(zhì)發(fā)電效率低的問題，提出考慮生物質(zhì)能供能特性的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化模型。上述文獻(xiàn)多是對(duì)垃圾能源化利用后自身供能特性與效率的研究，并沒有考慮在城市的垃圾堆存及處理能力約束下與多能源系統(tǒng)間的協(xié)同。

針對(duì)多源儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究，文獻(xiàn)[13]為提高多源儲(chǔ)能規(guī)劃后的投資效益，建立了多源儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置模型；文獻(xiàn)[14]通過構(gòu)建電轉(zhuǎn)氣（Power to Gas, P2G）的能量轉(zhuǎn)換的模型，實(shí)現(xiàn)電能到氣能的存儲(chǔ)，為電氣耦合運(yùn)行提供一定的理論支撐；文獻(xiàn)[15]提出風(fēng)氫混合儲(chǔ)能與煤化工多能系統(tǒng)耦合優(yōu)化模型，以提高多源儲(chǔ)能系統(tǒng)投資建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性；文獻(xiàn)[16]提出電熱氫多源儲(chǔ)能優(yōu)化運(yùn)行模型，實(shí)現(xiàn)在城市多能源系統(tǒng)中對(duì)電池儲(chǔ)能的替代。而目前對(duì)于多源儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究，多是儲(chǔ)能系統(tǒng)中多源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)間的優(yōu)化運(yùn)行。

考慮城市存在的電、熱、氫、氣等多種能源類型，目前，國(guó)內(nèi)外研究人員在多能源網(wǎng)規(guī)劃、建模以及多能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行與調(diào)度等方面開展了較多研究。對(duì)于多能源網(wǎng)絡(luò)建模優(yōu)化方面，文獻(xiàn)[17]基于能源集線器的數(shù)學(xué)建模，對(duì)城市多能源系統(tǒng)的電熱氣網(wǎng)進(jìn)行擴(kuò)展規(guī)劃，可有效減少多能源網(wǎng)間的傳輸損耗；文獻(xiàn)[18]提出考慮可再生能源供能不確定性的城市多能源網(wǎng)規(guī)劃模型，并進(jìn)行可靠性評(píng)估。針對(duì)多能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行與調(diào)度，文獻(xiàn)[19]考慮電熱氣多源負(fù)荷需求，建立了考慮綜合能源服務(wù)商的多能源優(yōu)化調(diào)度模型，可降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本及碳排放量；文獻(xiàn)[20]給出了計(jì)及電熱氣三網(wǎng)可靠性與不確定性約束的多能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行模式；文獻(xiàn)[21]以提高多能源系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，建立了多能源系統(tǒng)中的電熱氣最優(yōu)能量模型。

上述有關(guān)垃圾能源化利用、多源儲(chǔ)能及多能源系統(tǒng)優(yōu)化的研究為本文的研究奠定一定基礎(chǔ)，但仍有些問題需要解決：

（1）對(duì)于垃圾處理系統(tǒng)的研究多是考慮垃圾處理系統(tǒng)自身的供能特性與效率，而對(duì)于一個(gè)城市，垃圾所產(chǎn)生的能量占城市能源供能總量的比例較小，進(jìn)而考慮其城市垃圾的堆存與處理能力，在一定程度上可當(dāng)作一種調(diào)節(jié)資源。但如何與城市能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)與消費(fèi)協(xié)同運(yùn)行，以及在完成垃圾處理任務(wù)的同時(shí)，能夠給予多能源系統(tǒng)一定的調(diào)節(jié)彈性，是本文要解決的關(guān)鍵問題之一。

（2）垃圾能源供給的調(diào)節(jié)能力取決于城市垃圾的處理量和堆存量，在可再生能源并網(wǎng)比例不斷提高后，對(duì)于如何協(xié)調(diào)城市垃圾供能與多種類能源供需間的關(guān)系，并提高城市能源利用效率，有待進(jìn)一步研究。

（3）在考慮電、熱、氣三網(wǎng)間安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下兼容多源儲(chǔ)能與垃圾能源化利用供能系統(tǒng)，將使現(xiàn)有城市能源系統(tǒng)構(gòu)架與形態(tài)特征發(fā)生根本變化，如何協(xié)同多能源系統(tǒng)與這兩種調(diào)節(jié)資源間的優(yōu)化運(yùn)行，對(duì)整個(gè)城市能源系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和調(diào)節(jié)能力將面對(duì)更高挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述問題，首先本文同時(shí)考慮城市多能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、廢物處理能力，構(gòu)建了多源儲(chǔ)能模型與垃圾能源化供能系統(tǒng)（Waste Resourceful Energy Supply System, WRESS）模型，并提出了垃圾能源化供能、多源儲(chǔ)能及多能源系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行策略。然后，建立了垃圾能源利用與城市多能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化模型。最后，通過設(shè)置三種場(chǎng)景進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了本文提出模型的可行性和有效性。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

本文提出的WRESS、多源儲(chǔ)能系統(tǒng)及多能源系統(tǒng)的協(xié)同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。考慮到一個(gè)城市的人口、規(guī)模等因素，其垃圾處理和堆存能力是在一定范圍內(nèi)。然而利用高比例可再生能源為城市供給具有高不確定性，所以在城市多能源系統(tǒng)中，考慮城市垃圾再利用后的供能特性，通過WRESS與多源儲(chǔ)能系統(tǒng)兩種調(diào)節(jié)資源與多能源系統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化，可應(yīng)對(duì)可再生能源的不確定性和波動(dòng)性，滿足城市多源負(fù)荷需求，提高城市能源利用效率。

圖1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.1 城市垃圾能源化供能系統(tǒng)模型

城市垃圾處理系統(tǒng)在通過垃圾的轉(zhuǎn)運(yùn)之后，將可燃垃圾輸入到垃圾焚燒電廠，作為能源的供給側(cè)，在處理垃圾的同時(shí)進(jìn)行供電供熱，考慮建設(shè)成本及城市垃圾的產(chǎn)生量，其裝機(jī)容量在城市供能系統(tǒng)比例較小，在一些時(shí)刻可以當(dāng)作備用機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰。

對(duì)于城市中的糞污污水類垃圾，目前處理系統(tǒng)較為完善，在通過干濕分離、轉(zhuǎn)移等措施之后，利用生物質(zhì)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行處理得到沼氣，而沼氣可通過提純得到天然氣，進(jìn)行天然氣的配送。

整個(gè)垃圾處理系統(tǒng)運(yùn)行中，日常耗能與產(chǎn)能相比，所消耗的電能、熱能、氣能較小，可歸算到廠用電中。因此，本文將其整個(gè)垃圾處理系統(tǒng)等效為一個(gè)垃圾能源化利用的供能系統(tǒng)。本文將垃圾廢物以能量的形式進(jìn)行計(jì)算，考慮廢物的能源轉(zhuǎn)換效率，得到WRESS的能量供給模型為

1.2 多源儲(chǔ)能系統(tǒng)模型

考慮WRESS的調(diào)節(jié)能力有限，且不具備多種類能源存儲(chǔ)能力，本文基于文獻(xiàn)[16]的模型，構(gòu)建適用于與WRESS和城市多能源系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行的多源儲(chǔ)能系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 多源儲(chǔ)能系統(tǒng)

可對(duì)城市中多種能源進(jìn)行儲(chǔ)存、釋放與轉(zhuǎn)換，則多源儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率平衡模型為

1.3 垃圾供能與多能源系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行策略

考慮城市多能源系統(tǒng)運(yùn)行和垃圾處理過程的差異性，這種差異主要體現(xiàn)在垃圾產(chǎn)量及轉(zhuǎn)運(yùn)和整個(gè)能源系統(tǒng)的實(shí)時(shí)優(yōu)化上。垃圾的產(chǎn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)通常以天為單位進(jìn)行預(yù)測(cè)和計(jì)算，而垃圾堆存和WRESS的供能可以根據(jù)垃圾處理過程進(jìn)行實(shí)時(shí)的更新。

因此，本文所提出垃圾供能與多能源系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行的策略，首先需要對(duì)城市一天的垃圾產(chǎn)量和轉(zhuǎn)運(yùn)量進(jìn)行計(jì)算；然后根據(jù)垃圾處理量和堆存量的實(shí)時(shí)更新分析WRESS的供能特性；最后根據(jù)整個(gè)城市的能源需求的實(shí)時(shí)狀態(tài)，需要多能源系統(tǒng)、WRESS和多源儲(chǔ)能系統(tǒng)在各自協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上，對(duì)三者進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，得到最優(yōu)運(yùn)行方案。本文給出的協(xié)同運(yùn)行策略如圖3所示。

圖3 協(xié)同運(yùn)行策略

由圖3可知，考慮垃圾運(yùn)輸與能源系統(tǒng)運(yùn)行是各自獨(dú)立的管理系統(tǒng)，在優(yōu)化過程中，通過確定WRESS處理量與供能量，根據(jù)城市多類能源間的供需關(guān)系，充分利用WRESS與多源儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，可實(shí)現(xiàn)三者間的協(xié)同運(yùn)行。

2 WRESS、多源儲(chǔ)能與多能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化模型

為提高城市能源利用效率及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，考慮城市垃圾的產(chǎn)出、運(yùn)輸、處理、堆存與城市的多種類能源的供給、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)特性，利用WRESS與多源儲(chǔ)能系統(tǒng)和多能源系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行策略，以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

綜上，構(gòu)建系統(tǒng)運(yùn)行總成本最小的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為

2.2 約束條件

2.2.1 運(yùn)行功率平衡約束

針對(duì)城市多能源系統(tǒng)中存在的電、熱、氫、氣負(fù)荷，考慮多源儲(chǔ)能系統(tǒng)與WRESS的調(diào)節(jié)靈活性，在優(yōu)化時(shí)需滿足多種類能源在每個(gè)時(shí)段的供需平衡，得到系統(tǒng)的運(yùn)行功率平衡約束為

2.2.2 WRESS約束

WRESS作為一種調(diào)節(jié)資源參與城市能源系統(tǒng)的運(yùn)行，考慮城市垃圾處理和堆存能力，在每個(gè)時(shí)段WRESS與多源儲(chǔ)能和多能源系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行過程中，其調(diào)節(jié)能力也在一定的范圍內(nèi)，則WRESS的電熱氣出力功率約束為

WRESS在進(jìn)行垃圾到能源化利用的過程中，考慮垃圾處理設(shè)施建設(shè)數(shù)量與城市的堆存能力的制約，在優(yōu)化過程的垃圾處理與堆存量約束式為

2.2.3 多源儲(chǔ)能系統(tǒng)約束

針對(duì)多源儲(chǔ)能系統(tǒng)中的制氫、電鍋爐、燃料電池、儲(chǔ)熱、儲(chǔ)氣、儲(chǔ)氫等能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)裝置的功率和容量約束為

2.2.4 可再生能源功率波動(dòng)約束

高比例可再生能源接入系統(tǒng)時(shí)，城市中風(fēng)光的出力變化需滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，則可再生能源功率波動(dòng)約束為

2.2.5 網(wǎng)絡(luò)約束

針對(duì)WRESS與多源儲(chǔ)能和多能源系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行過程中其電網(wǎng)和氣網(wǎng)的能量交互，則電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線和天然氣管網(wǎng)約束為

除了整個(gè)系統(tǒng)與上級(jí)電網(wǎng)、氣網(wǎng)的交互功率之外，WRESS和多源儲(chǔ)能設(shè)施與城市多能源系統(tǒng)中能源在傳輸過程的網(wǎng)絡(luò)約束為

2.3 求解

針對(duì)本文所建立的WRESS、多源儲(chǔ)能與多能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化模型，為提高求解過程的搜索能力及收斂速度，利用混沌增強(qiáng)煙花算法進(jìn)行求解[22]，求解流程如圖4所示。

3 仿真

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文利用中國(guó)東北某城市數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析。該城市的可再生能源裝機(jī)容量4 000MW，其中風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量2 500MW，光伏機(jī)組裝機(jī)容量1 500MW，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組容量3 000MW。該城市最大用電負(fù)荷7 000MW、熱負(fù)荷1000MW、氫負(fù)荷500MW、氣負(fù)荷800MW。日處理3000t垃圾的垃圾焚燒電廠兩座，每個(gè)垃圾焚燒電廠的裝機(jī)容量為200MW。該城市糞污污水處理系統(tǒng)可日處理350萬m3污水和3 000t糞便，整個(gè)系統(tǒng)每天可為城市提供天然氣40萬m3，可滿足城市日氣負(fù)荷需求的10%。該城市有可燃類垃圾堆存量為700萬t。多源儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行功率上、下限見表1；多源儲(chǔ)能系統(tǒng)中的能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)裝置的參數(shù)見附表1；熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的成本系數(shù)取值見附表2；城市垃圾處理補(bǔ)貼見附表3，城市對(duì)外進(jìn)行供能儲(chǔ)能收益均值見附表4，污染物處排放系數(shù)及治理成本參考文獻(xiàn)[22]見附表5。選取該城市某冬季典型日可再生能源出力曲線及日電、熱、氫、氣負(fù)荷的曲線分別如圖5和圖6所示，城市像上級(jí)電網(wǎng)、氣網(wǎng)的分時(shí)購(gòu)電購(gòu)氣價(jià)格如圖7所示。

圖4 混沌增強(qiáng)煙花算法求解流程

表1 多源儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)放功率上、下限

Tab.1 The power limits of multi-energy storage system

圖5 可再生能源出力

圖6 負(fù)荷曲線

圖7 分時(shí)電價(jià)氣價(jià)

3.2 優(yōu)化運(yùn)行分析

針對(duì)本文提出的WRESS、多源儲(chǔ)能與多能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化模型，本文分為以下三個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行仿真分析：

場(chǎng)景一：只考慮多源儲(chǔ)能與城市多能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行，垃圾處理方式采用傳統(tǒng)的填埋、焚燒、轉(zhuǎn)運(yùn)等，垃圾處理過程并未有能源輸出。

場(chǎng)景二：在場(chǎng)景一的基礎(chǔ)上加入WRESS，但城市垃圾處理系統(tǒng)按照自己的處理需求運(yùn)行，并未考慮其能源供需特性與城市多能源系統(tǒng)協(xié)同。

場(chǎng)景三：同時(shí)將WRESS和多源儲(chǔ)能系統(tǒng)當(dāng)作調(diào)節(jié)資源，并利用本文提出的運(yùn)行策略與多能源系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化。

在滿足城市日負(fù)荷的需求的基礎(chǔ)上，得到三種場(chǎng)景的優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果分別如圖8～圖10所示。三種場(chǎng)景的聯(lián)絡(luò)線功率優(yōu)化結(jié)果對(duì)比如圖11所示。

圖9 場(chǎng)景二運(yùn)行結(jié)果

由三種場(chǎng)景的運(yùn)行結(jié)果對(duì)比可知，場(chǎng)景一不使用WRESS，為滿足城市的能源需求，熱電機(jī)組需要高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，增加煤耗量；場(chǎng)景二雖然利用WRESS，但并沒有考慮與城市多能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)，考慮多源儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量限制，場(chǎng)景一和場(chǎng)景二相比于場(chǎng)景三其電、氣外購(gòu)的功率較大，且在1∶00～4∶00和22∶00～24∶00時(shí)刻產(chǎn)生棄風(fēng)現(xiàn)象，給上級(jí)電網(wǎng)氣網(wǎng)帶來壓力。

圖10 場(chǎng)景三優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果

對(duì)于場(chǎng)景二和場(chǎng)景三存在的WRESS，場(chǎng)景二沒有考慮協(xié)同運(yùn)行策略，WRESS沒有與城市多能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)，只是根據(jù)城市垃圾一天的處理任務(wù)進(jìn)行處理，其每個(gè)時(shí)刻供能相對(duì)平穩(wěn)。而場(chǎng)景三中的WRESS在協(xié)同運(yùn)行策略下，考慮垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)和處理與多能源系統(tǒng)的運(yùn)行差異性及多源儲(chǔ)能容量限制，對(duì)WRESS、多源儲(chǔ)能與多能源系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化。通過對(duì)比可知，在1∶00～4∶00和22∶00～24∶00時(shí)刻，可再生能源出力較大，而電負(fù)荷需求較小，此時(shí)場(chǎng)景三中的WRESS可減少垃圾處理供能，而多源儲(chǔ)能系統(tǒng)可以消納棄風(fēng)電量，進(jìn)行能源的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換，相比場(chǎng)景一和場(chǎng)景二可以大規(guī)模減少棄風(fēng)電量及電網(wǎng)和氣網(wǎng)的調(diào)節(jié)壓力。在8∶00～13∶00和16∶00～19∶00電網(wǎng)、氣網(wǎng)峰值及用氫需求量較大時(shí)刻，相比場(chǎng)景二和場(chǎng)景一，場(chǎng)景三可以增加WRESS出力，并與多源儲(chǔ)能協(xié)調(diào)運(yùn)行進(jìn)行多種類能源的轉(zhuǎn)換，滿足電、熱、氫、氣負(fù)荷需求，可減少熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組出力進(jìn)而降低煤耗量，在能源充足時(shí)可進(jìn)行能源外售并獲得相應(yīng)的供能收益，可提高城市整體能源利用率。三種場(chǎng)景能源利用效率對(duì)比如圖12所示。

圖12 能源利用效率對(duì)比

3.3 優(yōu)化結(jié)果分析

場(chǎng)景三通過WRESS、多源儲(chǔ)能和多能源系統(tǒng)三者協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行，考慮氫能和熱能遠(yuǎn)距離傳輸困難，城市首先會(huì)滿足城市的熱、氫負(fù)荷需求。而對(duì)于電、氣負(fù)荷需求，在電、氣負(fù)荷峰值時(shí)，場(chǎng)景三通過WRESS與多源儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)供能，可減少向上級(jí)電網(wǎng)和氣網(wǎng)的購(gòu)電購(gòu)氣量及熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的煤耗成本；而在電、氣負(fù)荷谷值時(shí)，考慮整個(gè)城市的垃圾堆存量與處理能力，在滿足整個(gè)城市垃圾處理需求的前提下，可減少垃圾焚燒電廠及糞污污水垃圾的供能量，并利用多源儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行儲(chǔ)能，提高城市電網(wǎng)、氣網(wǎng)調(diào)節(jié)能力，大概率實(shí)現(xiàn)電、熱、氫、氣等城市能源的自給自足，充分利用WRESS和多源儲(chǔ)能的調(diào)節(jié)靈活性，降低了總運(yùn)行成本。三種場(chǎng)景的總運(yùn)行成本對(duì)比見表2。

表2 總運(yùn)行成本優(yōu)化對(duì)比

Tab.2 Total operating cost optimization comparison（單位：萬元）

4 結(jié)論

本文通過建立WRESS與多源儲(chǔ)能系統(tǒng)模型，并考慮城市的垃圾產(chǎn)量和堆存量，提出WRESS、多源儲(chǔ)能系統(tǒng)、城市多能源系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行策略；考慮WRESS與多源儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)靈活性，建立垃圾能源利用與城市多能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化模型；在仿真驗(yàn)證中設(shè)立三種場(chǎng)景進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

1）本文利用WRESS與多源儲(chǔ)能系統(tǒng)作為靈活性資源參與多能源系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，充分利用WRESS與多源儲(chǔ)能的調(diào)節(jié)能力，同時(shí)提高垃圾處理能力與城市能源利用率。

2）考慮城市的垃圾處理與能源系統(tǒng)運(yùn)行的差異性，提出WRESS、多源儲(chǔ)能與多能源系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行策略，利用城市垃圾的能源利用特性與多源儲(chǔ)能系統(tǒng)和多能源系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，可減少熱電機(jī)組的煤耗量及外購(gòu)電量、氣量，有效降低了城市能源系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

3）本文提出的WRESS、多源儲(chǔ)能與多能源系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化模型，在滿足城市能源供需平衡的基礎(chǔ)上，可提高城市內(nèi)電網(wǎng)、氣網(wǎng)的調(diào)節(jié)靈活性并減少上級(jí)電網(wǎng)、氣網(wǎng)的壓力，在未來能源互聯(lián)網(wǎng)及城市垃圾資源化的建設(shè)中提供一定理論支持。

附 錄

附表1 多源儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)

App.Tab.1 Multi-energy storage system parameters

類型容量單位維護(hù)成本效率（%）壽命/年 制氫裝置400MW20.2元/MW8530 電鍋爐650MW15.3元/MW9515

（續(xù)）

類型容量單位維護(hù)成本效率（%）壽命/年 燃料電池300MW19.6元/MW705 儲(chǔ)氫8 000m318.5元/m39535 儲(chǔ)熱1 500MW·h20.4元/(MW·h)9010 儲(chǔ)氣5000m319.6元/m39530

附表2 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行成本系數(shù)

App.Tab.2 Operating cost parameters of CHP

成本系數(shù)數(shù)值 7.6×10-5 0.26 0.75 0.2 4.2×10-5 1.13×10-4

附表3 垃圾處理補(bǔ)貼

App.Tab.3 Waste disposal subsidy

電廠焚燒垃圾/(元/t)糞污污水類垃圾/(元/t) 950.55

附表4 供能儲(chǔ)能收益均值

App.Tab.4 Energy storage and supply benefit

參數(shù)數(shù)值 儲(chǔ)電價(jià)格/(kW·h)0.85 供電價(jià)格/(kW·h)0.98 儲(chǔ)氣價(jià)格/(kW·h)1.8 供氣價(jià)格/(kW·h)1.9 供氫價(jià)格/(元/kg)62

附表5 污染物氣體排放系數(shù)及治理費(fèi)用

App.Tab.5 The pollutional gas abating parameters

氣體類型排放系數(shù)/[g/(kW·h)]治理費(fèi)用/(元/kg) CO0.170 20.012 5 CO2335.082 90.021 SO20.000 092 814.842 NOx0.618 80.023

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The Optimal Model Based on Waste Resourceful and Urban Multi-Energy System Collaborative

Wang Zedi1Teng Yun1Yan Jiajia1Chen Zhe2

（1. School of Electrical Engineering Shenyang University of Technology Shenyang 110870 China 2. Depth Energy Technology Aalborg University Aalborg DK-9220 Denmark)

With the promotion of urban multi-energy system and the expansion of energy supply scale of waste disposal facilities. Considering the coordinated optimization of waste resourceful with urban multi-energy system, which is one of the important ways to improve waste disposal capacity and resource utilization level and the comprehensive energy supply efficiency. The waste disposal system is equivalent to a waste resourceful energy supply system (WRESS) in this paper, and a collaborative optimization model between multi-energy system and multi-energy storage system and waste resourceful energy supply system is established. Firstly, a waste resourceful energy supply model is established by the research of the relationship between the refuse output, the maximum permitted stock, the corresponding energy supply types and characteristics in a certain time scale. Then, in allusion to the relationship between the regulation characteristics of waste resourceful energy and the coordination of multi-energy system and multi-energy storage system, a collaborative optimization model with the lowest total operation and regulation cost of multi-energy system and waste resourceful energy supply system is established. Finally, based on the actual waste disposal and multi energy operation data of a city in China, through three different scenarios of the numerical example to verify the effectiveness of the proposed model. The optimal simulation results show that the model can improve the waste disposal ability, meanwhile it can also reduce the operation cost of multi energy system and enhance the system regulation.

Multi-energy system, waste resourceful, energy effciency, multi-energy storage

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201258

TM711

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2017YFB0902100）。

2020-09-22

2020-10-22

王澤鏑 男，1992年生，博士研究生，研究方向?yàn)槎嗄茉聪到y(tǒng)規(guī)劃及運(yùn)行優(yōu)化等。E-mail：316788633@qq.com

滕 云 男，1973年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榭稍偕茉窗l(fā)電、多能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行與控制等。E-mail：tengyun@sut.edu.cn（通信作者）

（編輯 赫蕾）