考慮碳排放的綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟優(yōu)化調(diào)度

左明樂，李培強

(福建工程學院 電子電氣與物理學院，福建 福州 350118)

綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system, IES)可利用一定區(qū)域內(nèi)的電能、風能、光能等多種能源，實現(xiàn)能量階梯利用，以滿足該區(qū)域?qū)﹄娔?、熱能和冷能的負荷需求。IES接入了分布式儲能設備(energy storage system，ESS)，增加了系統(tǒng)運行靈活性和用戶的用電靈活性。在當前“雙碳”背景下，引進IES對電力系統(tǒng)減少二氧化碳排放、實現(xiàn)碳排放目標具有明顯的促進作用。

目前國內(nèi)學者針對IES開展了很多研究。文獻[3-4]研究了分布式發(fā)電系統(tǒng)的能源、環(huán)境效益和IES的低碳經(jīng)濟調(diào)度，建立低碳調(diào)度模型，提高IES的經(jīng)濟性；文獻[5]提出了共享儲能電站的架構，能夠節(jié)約儲能費用，實現(xiàn)用戶與儲能服務商的合作共贏；文獻[6]提出了可轉(zhuǎn)移可中斷電和不可中斷電負荷、冷負荷和熱負荷等多種負荷的綜合響應的模型，同時優(yōu)化多個用戶之間統(tǒng)一定價和多個微網(wǎng)內(nèi)的各種能源耦合設備的輸出；文獻[7]建立了冷熱電系統(tǒng)的基本結構，以經(jīng)濟性和環(huán)境治理費用為目標函數(shù)，構建的IES在經(jīng)濟、環(huán)保和能效這3個方面的優(yōu)化程度都比單供和“以熱定電”的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)高。文獻[8]加入了能源集線器，對IES進行建模，引入了儲熱因子作為描述儲能系統(tǒng)狀態(tài)的參數(shù)，并建立了一種分層調(diào)度策略。文獻[9]以電價激勵型需求響應和二氧化碳排放最小兩個目標函數(shù)對并網(wǎng)型IES建立雙目標優(yōu)化模型，對于IES的容量配置和年規(guī)劃成本及二氧化碳排放等環(huán)境效益完成分析評價。文獻[10]提出描述綜合能源聯(lián)供系統(tǒng)的組成和結構，根據(jù)該系統(tǒng)結構設計了微電網(wǎng)的調(diào)度模型，并建立IES的0-1混合整數(shù)線性規(guī)劃的日前經(jīng)濟調(diào)度模型。

本研究以低碳排放為目標，搭建一個IES的結構模型，并優(yōu)化各時段的IES與主網(wǎng)之間的交換功率，利用改進的粒子群算法，針對典型天氣情況下的負荷變化進行調(diào)度。

1 系統(tǒng)結構模型

1.1 系統(tǒng)構成

IES一般是在某區(qū)域內(nèi)由分布式電源(光伏陣列、風電機組等)、儲能電站和綜合能源負荷(供熱負荷、空調(diào)負荷等)通過電力傳輸線連接組成[11-14]。IES往往在建筑物屋頂裝設光伏陣列，光伏發(fā)電優(yōu)先滿足用電需求，如果有剩余電量，可以售給大電網(wǎng)。由于風電和光伏發(fā)電有波動性和隨機性，IES為了系統(tǒng)穩(wěn)定必須和電網(wǎng)連接。當系統(tǒng)內(nèi)負荷處于低谷時，若風能、光能較為充足，則相應的燃氣輪機的出力減小，同時P2G機組(power to gas)和蓄電池開始工作；當負荷處于峰值階段，若風力和光伏發(fā)電不足，則燃氣輪機加大出力，儲能系統(tǒng)同時放電支援，系統(tǒng)光能和風能若有剩余，可并入電網(wǎng)，充電到儲能系統(tǒng)。

1.2 光伏發(fā)電模型

光伏發(fā)電機組的輸出功率為：

(1)

式中，PPV(t)、G(t)和T(t)為光伏機組在當前條件下的輸出功率、光照強度和溫度；TSTC為標準測試條件下的溫度(25°C)；PSTC，GSTC為標準測試條件下最大輸出功率和光照強度，k為溫度系數(shù)。

1.3 風力發(fā)電模型

風力發(fā)電模型為：

(2)

式中，PWT(t)為風電的實時出力；v、vin、vout和v0分別為風電機組的實時、切入、切出和額定風速，Pe為風電機組的額定輸出功率，K1、K2和K3為出力參數(shù)，風電機組的輸出功率滿足上述函數(shù)。

1.4 微型燃氣輪機

微型燃氣輪機機(micro turbine，MT)的出力模型為：

(3)

式中，QMT(t)、PMT(t)分別為燃機的余熱量和輸出功率；ηMT(t)、ηL為t時段燃氣輪機的出力效率和散熱損失率。

微型燃氣輪機的發(fā)電成本為：

(4)

式中，CMT(t)為燃氣輪機的天然氣單位時間成本；CCH4為天然氣的單價；LHV為低熱值。

1.5 儲能系統(tǒng)模型

儲能裝置是IES的重要組成部分，能夠平抑風電和光伏出力的波動性，同時利用峰谷電價套利降低IES的運行成本。鉛酸蓄電池的技術成熟，成本更低，所以采用鉛酸蓄電池作為儲能裝置。t時刻儲能裝置的充放電公式為：

(5)

式中，E(t)為電池的剩余電量；δdis為自放電系數(shù)；Pch、Pdis為電池充電放電功率；ηch、ηdis分別為電池的充電、放電效率。

荷電狀態(tài)(SOC)是蓄電池的主要的評定參數(shù)，它能準確的顯示蓄電池的剩余容量，荷電狀態(tài)的數(shù)學模型為：

(6)

式中，SOC0為初始荷電狀態(tài)，C為額定容量，Ib、Iloss是電池充放電電流和損耗反應電流，dτ為電池充放電時間。

2 IES低碳經(jīng)濟調(diào)度模型

2.1 碳排放分析

以碳排放效益為依據(jù)，分析系統(tǒng)是否低碳運行。碳排放來源包括電網(wǎng)購電、燃氣機組和系統(tǒng)運行的耗能。IES的碳排放量包括各分布式設備的碳排放量以及耦合設備的間接碳排放量，各機組碳排放量與其出力的大小呈線性關系。

實際碳排放量計算公式為：

(7)

2.2 目標函數(shù)

根據(jù)第1節(jié)的單元模型，建立含儲能電站的IES優(yōu)化調(diào)度模型，不僅考慮系統(tǒng)成本費用最低，還要考慮低碳環(huán)保，系統(tǒng)將多目標轉(zhuǎn)換為單目標，目標函數(shù)包括經(jīng)濟性與環(huán)保性兩方面，目標函數(shù)為：

minC=CE+CG+CRUN+CCO2

(8)

式中，CE為從電網(wǎng)購電費用；CG為購氣費用；CRUN為系統(tǒng)運行費用；CCO2為系統(tǒng)排放二氧化碳產(chǎn)生的環(huán)保費用。

系統(tǒng)從電網(wǎng)購電費用CE為：

(9)

購氣費用CG為：

(10)

系統(tǒng)運行費用CRUN為：

(11)

式中，cm、Pm分別為系統(tǒng)內(nèi)第m個設備的運行單位成本和出力大小。

環(huán)保費用CCO2為：

(12)

2.3 約束條件

功率平衡約束為：

Pgrid+Ppv+Pwt+Pmt=Pload-Pbess

(13)

式中，Pgrid為主網(wǎng)對系統(tǒng)的輸入功率，Pload為用戶負荷功率，Pbess為儲能設備出力。

傳輸線交換功率約束為：

-Pline.max≤Pgrid≤Pline.max

(14)

式中，Pline.max為傳輸線允許的最大交換功率。

設備出力約束為：

(15)

蓄電池容量和充電次數(shù)約束：

SOCmin≤SOC≤SOCmax

(16)

(17)

式中，SOC為蓄電池的荷電狀態(tài)，λ表示儲能電站的充放電次數(shù)。

3 求解算法

針對式(8)～式(17)，采用粒子群算法對IES進行優(yōu)化。粒子群算法是一種通過群體中個體之間的交流和合作來搜索最優(yōu)解，標準公式為：

(18)

(19)

慣性權重公式為：

(20)

學習因子公式為：

(21)

式中，N為迭代次數(shù)，N=500；Nk為目前的迭代次數(shù)；cs、ce分別為c1的起始值和終止值，c2s、c2e為c2的起始值和終止值。

4 算例分析

4.1 系統(tǒng)參數(shù)

本例將IES規(guī)劃應用到某北方城市街區(qū)，系統(tǒng)為該街區(qū)火車站和周圍酒店提供冷、熱和電負荷，該系統(tǒng)只能從大電網(wǎng)購電，不能向外輸送。

基于中國當前發(fā)電結構下碳排放強度的平均水平，風力或光伏每發(fā)出1 kW·h電能，平均可減少的CO2排放量為0.872 kg，減少的SO2排放量為0.026 3 kg。

以冬季典型以例，對系統(tǒng)進行優(yōu)化調(diào)度，系統(tǒng)只含熱、電負荷，購電單價采用分時電價，電價參數(shù)如表1所示。

表1 電價參數(shù)

4.2 場景設置及調(diào)度分析

圖1為該系統(tǒng)冬季典型日24 h內(nèi)的各類負荷需求和風力、光伏出力預測結果。

圖1 冬季負荷需求和光伏、風電出力預測

分析系統(tǒng)在冬季典型日的電熱負荷預測圖，由于冬季多以取暖用熱為主，熱負荷變化較為平緩，中午10:00～14:00系統(tǒng)的用熱需求較小，其余時段熱負荷會略有增加。

本研究設置3種場景分析不同設備對系統(tǒng)的經(jīng)濟性和環(huán)保性：

(1)場景一：未加P2G和儲能設備，以系統(tǒng)經(jīng)濟性為目標；

(2)場景二：未加P2G和儲能設備，以系統(tǒng)經(jīng)濟環(huán)保最優(yōu)為目標；

(3)場景三：加入P2G設備和儲能設備后，以系統(tǒng)經(jīng)濟環(huán)保最優(yōu)為目標。

利用上節(jié)優(yōu)化算法求解IES的調(diào)度優(yōu)化結果如圖2所示。

圖2 不同場景調(diào)度結果

4.2.1 調(diào)度結果分析

(1)在未加入P2G機組和儲能設備時，光伏和風電的輸出功率在不同時段差異明顯，燃氣輪機的出力穩(wěn)定。由于當?shù)匾归g風速較大，所以夜間時段風力機組出力達到所有時段的最大值，而光伏機組不出力。通過對不含P2G機組和儲能設備的系統(tǒng)調(diào)度分析發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)因缺少P2G機組和儲能設備的削峰填谷作用，在夜間和白天都不同程度上造成了棄風棄光現(xiàn)象。

(2)加入P2G機組和儲能設備后，在負荷低谷時段，由于負荷需求量較小，且系統(tǒng)購電價格較低，當風能、光能滿足用戶負荷時，由P2G機組優(yōu)先出力，將電能轉(zhuǎn)換成天然氣儲存;若P2G機組仍不能消納多余電量，則由蓄電池將剩余電能儲存起來。在用電高峰期，由于負荷需求急劇上升，燃機的出力不能滿足需求，從大電網(wǎng)購電的費用較高，此時儲能設備開始出力。

(3)燃機的出力與電網(wǎng)電價的波動有明顯的相關性，當購電價格達到一天內(nèi)最高時( 15:00～16:00、20:00～21:00) 由燃機盡可能多出力，電價較低時(17:00～19:00、22:00～23:00)燃機可減少出力。電網(wǎng)電價在 00:00達到一天內(nèi)最低時，燃機停止出力。由調(diào)度結果可知，在凌晨時，全部從電網(wǎng)購電以滿足用電負荷；在白天，光伏、風電機組優(yōu)先出力，如果風電和光伏出力無法滿足電負荷，才由燃機出力。

4.2.2 環(huán)境效益分析

表2為各時段的碳排放分析結果，根據(jù)分時電價表將一天分為6個時段。

表 2 各時段不同場景的CO2排放量

與場景一相比，場景二、場景三的污染治理費用均大幅度下降，證明了所構建模型的環(huán)保性；其中場景二和場景三引入了碳排放評價指標和P2G機組及儲能設備，沒有造成棄風棄光現(xiàn)象，所以CO2排放量下降明顯，說明引入儲能設備配合清潔能源能使系統(tǒng)具有更佳的低碳性。因為儲電的運行成本更高，且多次轉(zhuǎn)化能量的儲存形式存在能量浪費，所以優(yōu)先運行P2G機組，蓄電池暫停運行。綜合考慮系統(tǒng)運行成本和低碳效益，通過儲能設備平衡不同時段的電價峰谷差，可提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性和環(huán)保性。

由于調(diào)度過程中也要考慮電儲能的碳排放，所以要減少儲能設備的工作時間，避免消耗更多的電能，減少電能向另一種能量轉(zhuǎn)化過程中的損耗。場景三與場景一相比，為了降低超過負荷需求的電能浪費，在用電低谷時避免儲能設備工作，所以，燃機在夜間的出力達到了一天的最大值。而燃氣鍋爐的碳排放量比燃氣輪機更大，所以燃機和電鍋爐優(yōu)先出力更加清潔，碳排放量快速下降。場景三考慮電儲能設備的碳排放，當燃機的出力增加時，優(yōu)先由P2G機組出力，風電和光伏的優(yōu)勢明顯，因此在風電和光伏出力的各時段，環(huán)保成本更低。

5 結語

本研究基于IES結構，分析了P2G、儲氣和儲能電池構成的電氣轉(zhuǎn)換儲能系統(tǒng)的適用性，構建了包含風電機組、光伏、和蓄電池的IES模型，建立了IES的經(jīng)濟優(yōu)化調(diào)度模型，通過具體算例，對3種不同場景下系統(tǒng)的調(diào)度進行研究。結果表明：相對于系統(tǒng)中不含儲能設備來說，在IES中同時采用P2G機組和蓄電池進行儲能的調(diào)度方案在經(jīng)濟成本和環(huán)境保護方面均具有優(yōu)勢，能提高風電消納，避免風能光能的浪費。加入碳排放的環(huán)境指標后，系統(tǒng)內(nèi)的經(jīng)濟效益略有降低，但是碳排放量明顯減低。