基于電熱耦合約束的微網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行方案

張 健，趙文志

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源需求不斷增長(zhǎng)，各國(guó)都面臨著越來越嚴(yán)峻的能源緊缺問題，化石能源的枯竭將成為阻礙經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要因素。為了解決這個(gè)世界性的難題，風(fēng)能、太陽能等可再生能源的開發(fā)已經(jīng)勢(shì)在必行。然而僅僅開發(fā)新的能源還是不夠的，在開源的同時(shí)還需節(jié)流，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)等綜合能源系統(tǒng)便是很好的節(jié)流手段，通過能源之間的協(xié)調(diào)利用，可以有效地提高能源的利用率，減少能源浪費(fèi)。

許多學(xué)者在綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行方面做了大量的研究，文獻(xiàn)[1-2]提出了CCHP系統(tǒng)的基本框架，綜合能源系統(tǒng)的部分組件模型可以在文獻(xiàn)[2-3]中找到，文獻(xiàn)[4-5]給出了CCHP系統(tǒng)一些基本的調(diào)度運(yùn)行方式以及相應(yīng)的計(jì)算方法，文獻(xiàn)[6]介紹了熱能在熱網(wǎng)中的傳輸流程以及熱網(wǎng)的調(diào)度方式和關(guān)鍵參數(shù)，文獻(xiàn)[7]給出了換熱器的數(shù)學(xué)模型，文獻(xiàn)[8-9]提出了一種新的熱網(wǎng)建模方式，文獻(xiàn)[10]介紹了建筑物的熱惰性概念以及其對(duì)供熱的影響。

多能源系統(tǒng)雖然為優(yōu)化能源利用提供了更多的能源資源，但也給系統(tǒng)的控制和運(yùn)行帶來了更多的復(fù)雜性。多能源系統(tǒng)將不同類型的能源（如電和熱）結(jié)合在一起，還將電網(wǎng)連接到熱網(wǎng)。不同能源的結(jié)合必然帶來新的問題。一方面，由于電網(wǎng)和熱網(wǎng)的調(diào)度時(shí)間尺度差異很大，給系統(tǒng)運(yùn)行造成困難；另一方面是熱網(wǎng)通過熱水管道傳輸，延時(shí)很長(zhǎng)。

針對(duì)多能源系統(tǒng)存在的種種問題，本文將對(duì)綜合能源系統(tǒng)重新建模，全面考慮電網(wǎng)與熱網(wǎng)耦合之后的影響，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行方案進(jìn)行優(yōu)化。

1 電熱耦合系統(tǒng)模型

本文的核心目的是對(duì)綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化，所以需要建立相應(yīng)的優(yōu)化模型，模型主要包括兩部分：網(wǎng)絡(luò)模型和組件約束。已有很多學(xué)者對(duì)組件模型做了相應(yīng)的研究，本文重點(diǎn)需要考慮電網(wǎng)和熱網(wǎng)本身的特性以及網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)組件運(yùn)行的約束。電熱耦合系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 電熱耦合系統(tǒng)拓?fù)鋱D

1.1 優(yōu)化目標(biāo)

本文對(duì)綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算，以日運(yùn)行成本為優(yōu)化目標(biāo)。

考慮日運(yùn)行成本時(shí)，通常需要考慮從大電網(wǎng)購(gòu)電，內(nèi)燃機(jī)發(fā)電消耗天然氣和其他分布式能源發(fā)電。因?yàn)楸疚闹欣霉夥l(fā)電不需要日運(yùn)行成本，所以目標(biāo)函數(shù)僅包括前兩部分[11]。

1.2 電網(wǎng)約束

電網(wǎng)中能量的傳輸速度快，電能的產(chǎn)生和消耗在任意時(shí)刻都必須平衡，否則電網(wǎng)將不能穩(wěn)定運(yùn)行甚至崩潰。基于電功率的潮流分析是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，只有滿足潮流約束，系統(tǒng)才能穩(wěn)定運(yùn)行，所以通過潮流計(jì)算分析運(yùn)行方式的可行性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性是必不可少的。

其中電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)有n個(gè)，PV節(jié)點(diǎn)有r個(gè)，Vδ節(jié)點(diǎn)有1個(gè)，PQ節(jié)點(diǎn)有n-r-1個(gè)

1.3 熱網(wǎng)約束

在對(duì)電網(wǎng)模型進(jìn)行分析之后，需要對(duì)熱網(wǎng)模型進(jìn)行相應(yīng)分析，熱網(wǎng)的組成與運(yùn)行和電網(wǎng)有著很大的區(qū)別，需要分析熱網(wǎng)中的關(guān)鍵因素和特性。對(duì)熱網(wǎng)的分析重點(diǎn)由兩部分組成：熱力傳輸部分與負(fù)荷端[12]。

在熱力傳輸部分，由于熱量的傳遞需要借助熱水的流動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，而且熱水流動(dòng)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如電能傳輸?shù)乃俣?，大約為1.5 m/s，所以需要考慮熱力傳輸?shù)臅r(shí)間延遲。

1.4 系統(tǒng)元件模型

1.4.1 燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)

燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)通過消耗天然氣發(fā)電，發(fā)電產(chǎn)生的高溫?zé)煔夂透滋姿酂峥捎糜谥评浠蛑茻幔淠Ｐ腿缡剑?）所示[13]。

其中Pge表示燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的發(fā)電出力，單位為kW。Qfuel是消耗天然氣對(duì)應(yīng)的熱能，單位為kW。Qgas是指燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電產(chǎn)生的煙氣余熱，單位為kW。Qwater是燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電產(chǎn)生的缸套水余熱，單位為kW。Pge_min是燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的最低出力，Pge_max是燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的最大發(fā)電功率。aGE、bGE、mGE、nGE、pGE、qGE是燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)本身的參數(shù)，由設(shè)備自身決定。

1.4.2 吸收式冷溫水機(jī)組

吸收式冷溫水機(jī)組利用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電產(chǎn)生的煙氣和缸套水余熱來制冷或制熱，從而實(shí)現(xiàn)余熱利用。制冷與制熱量和其對(duì)應(yīng)的系數(shù)COP相關(guān)，具體表達(dá)式如式（4）和式（5）所示[13-14]。

制冷：

制熱：

其中Qc表示冷溫水機(jī)組制冷量，Qh表示機(jī)組的制熱量，Qrc、Qrh表示可用于制冷/制熱的余熱量，單位均為kW。Qc_min和Qc_max代表機(jī)組制冷量的下限和上限，Qh_min和Qh_max是制熱量的出力限制。COPc、COPh表示制冷與制熱系數(shù)，由機(jī)組本身決定，由于制冷/熱系數(shù)會(huì)隨著機(jī)組實(shí)際出力的改變而改變，所以需要對(duì)額定制冷/熱系數(shù)COPrc、COPrh進(jìn)行修正，β為負(fù)荷率，表示實(shí)際出力與額定出力之間的比值。

1.4.3 電制冷/熱機(jī)

電制冷/熱機(jī)和吸收式冷溫水機(jī)組一同為系統(tǒng)供冷/供熱，與吸收式冷溫水機(jī)組不同之處在于，電制冷/熱機(jī)消耗的是電能，利用壓縮機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為所需要的冷或熱，例如中央空調(diào)等。與吸收式冷溫水機(jī)組相類似，也存在制冷系數(shù)和制熱系數(shù)，式（6）為相應(yīng)模型[13]。

其中Qc、Qh表示機(jī)組的制冷量和制熱量，Pair表示消耗的電功率，Pair_min與Pair_max為電制冷/熱機(jī)的功率上下限，以上參數(shù)單位均為kW。COPair_c，COPair_h代表制冷/制熱系數(shù)。

1.4.4 蓄電池

蓄電池模型如下所示[13]。

其中PBat表示蓄電池的充放電功率，充電功率為負(fù)值，放電功率為正值，Pcmax表示蓄電池的最大充電功率，Pfmax表示蓄電池的最大放電功率，通常二者取同樣的值，即最大充電功率等于最大放電功率，三者單位均為kW。除此之外，蓄電池的儲(chǔ)能也有最大值和最小值，Emin表示蓄電池儲(chǔ)能的最小值，Emax表示蓄電池儲(chǔ)能的最大值，而且一天之內(nèi)，蓄電池的充放電功率應(yīng)該達(dá)到平衡，即儲(chǔ)能等于放能[15]。

1.4.5 熱交換器

供熱管網(wǎng)分為一次網(wǎng)和二次網(wǎng)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 換熱器示意圖

在圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，換熱器連接著一次網(wǎng)與二次網(wǎng)，是熱交換的主要媒介，作用是將熱流體的部分能量轉(zhuǎn)移給冷流體。能量的傳遞與流體的流速和流體的溫度值都有關(guān)系。數(shù)學(xué)模型如式（8）所示[7]。

在這個(gè)公式當(dāng)中，Q表示二次網(wǎng)通過換熱器從一次網(wǎng)得到的能量，單位為kW。c表示熱水的比熱，m表示熱網(wǎng)中二次網(wǎng)內(nèi)的循環(huán)流量，單位是kg/s，tf表示二次網(wǎng)通過換熱器的出水溫度，th表示二次網(wǎng)進(jìn)入換熱器的回水溫度，二者單位均為℃。

1.4.6 光伏模型

光伏發(fā)電利用半導(dǎo)體界面的光電效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，光伏發(fā)電是利用可再生能源的一種有效手段，但是由于其能量來源為光照，所以其出力受外界影響很大，出力波動(dòng)范圍也比較大[13]。模型如下所示。

其中PPV是光伏出力，PPV_max是光伏最大出力上限。

2 算例分析

本文先采用IEEE的14節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)模型，該配網(wǎng)的電負(fù)荷為28.7 MW左右（不包括電制冷/熱機(jī)）。然后將綜合能源系統(tǒng)的各個(gè)組件配置在電網(wǎng)當(dāng)中，系統(tǒng)采用分時(shí)電價(jià)的模式。對(duì)于熱模型，本文考慮兩種不同類型的熱負(fù)荷，用戶分為兩種不同的建筑，每種建筑的室溫變化范圍均為18~22℃，每種建筑都有對(duì)應(yīng)的等效熱參數(shù)模型，經(jīng)過計(jì)算得到建筑1的熱阻值和熱容為R=0.102 3℃/kW，C=13.39 kW·h/℃。建筑2的熱阻值和熱容分別為R=0.06℃/kW，C=27 kW·h/℃[16]。

2.1 傳統(tǒng)模型優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果

本文首先利用傳統(tǒng)含CCHP系統(tǒng)的微網(wǎng)模型進(jìn)行優(yōu)化分析，得到的優(yōu)化曲線如圖3所示，優(yōu)化目標(biāo)值為763 740.88元。

圖3 傳統(tǒng)模型優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果

2.2 本文模型優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果

在得到傳統(tǒng)模型對(duì)應(yīng)的優(yōu)化運(yùn)行方案之后，考慮本文所建立模型，對(duì)日運(yùn)行成本進(jìn)行優(yōu)化，可以得到優(yōu)化方案如圖4所示，日運(yùn)行成本為736 567.7元。

圖4 本文模型得到的優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果

2.3 新舊模型運(yùn)行方案評(píng)估

對(duì)比傳統(tǒng)模型與本文模型得到的優(yōu)化運(yùn)行方案，我們可以發(fā)現(xiàn)，采用本文建立的模型之后，成本降低了27 173元，降低比例為3.56%。為了分析成本降低的主要原因，本文對(duì)電網(wǎng)購(gòu)電量、消耗天然氣值，以及吸收式機(jī)組供熱與電制熱之間的比例關(guān)系、實(shí)際供熱量等都做了相應(yīng)的分析。為了使分析結(jié)果更加直觀，本文以圖5-圖8的形式展示對(duì)比結(jié)果。

圖5 分時(shí)電價(jià)

圖6為利用傳統(tǒng)模型得到的運(yùn)行方案與通過本文模型得到的運(yùn)行方案中電網(wǎng)實(shí)際出力的對(duì)比圖。

圖6 電網(wǎng)購(gòu)電量對(duì)比

圖8為傳統(tǒng)模型運(yùn)行方案和本文模型運(yùn)行方案中供熱比值（內(nèi)燃機(jī)供熱/電制熱）隨時(shí)間變化曲線圖。

圖8 供熱比例對(duì)比

圖7 消耗天然氣對(duì)比

在圖8中可以發(fā)現(xiàn)，在8-22時(shí)之間，新運(yùn)行方案中的內(nèi)燃機(jī)制熱比例明顯高于傳統(tǒng)運(yùn)行方案，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)電價(jià)較高，采用內(nèi)燃機(jī)發(fā)電和制熱更為劃算，新方案更多采用內(nèi)燃機(jī)制熱而傳統(tǒng)方案更多采用電制熱，二者一對(duì)比便不難發(fā)現(xiàn)，新模型所需要的成本會(huì)更低一些。

從圖9中可以看到，采用傳統(tǒng)模型制定的運(yùn)行方案供熱量明顯大于采用本文模型制定的運(yùn)行方案，即供熱冗余，有浪費(fèi)。相比于傳統(tǒng)模型，本文模型制定的方案一天之內(nèi)供熱量減少126.175 MW，減少比例為7.78%?？梢姽崃康臏p少也導(dǎo)致了總成本的降低。

圖9 實(shí)際供熱量對(duì)比

綜上所述，我們發(fā)現(xiàn)采用新模型對(duì)應(yīng)的運(yùn)行方案之后，實(shí)際供熱量減少而且基本每個(gè)時(shí)刻都是以成本最低的方式去發(fā)電和供熱，所以其運(yùn)行成本會(huì)比傳統(tǒng)方案低，可見新的運(yùn)行方案確實(shí)有效。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)電網(wǎng)和熱網(wǎng)進(jìn)行分析，對(duì)于電網(wǎng)重點(diǎn)考慮潮流約束；對(duì)于熱網(wǎng)，考慮熱量傳遞過程。然后利用電熱耦合元件實(shí)現(xiàn)了電熱耦合約束，最終搭建出了電熱耦合約束下的優(yōu)化模型，然后利用所建立的模型進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化，并且對(duì)用傳統(tǒng)模型得到的優(yōu)化運(yùn)行方案與采用本文模型得到的運(yùn)行方案進(jìn)行了評(píng)估。發(fā)現(xiàn)采用本文模型進(jìn)行優(yōu)化，可以使得供熱更加精確，減少能量浪費(fèi)，降低日運(yùn)行成本。