基于參數(shù)特征提取的綜合能源運(yùn)行需求優(yōu)化方法研究

馮雙

（國網(wǎng)陜西省電力公司營銷服務(wù)中心（計量中心），陜西西安 710000）

隨著科技的發(fā)展以及人們生活水平的提高，環(huán)境與能源問題日益凸顯，在保護(hù)環(huán)境的同時，如何持續(xù)利用有限能源、滿足能源運(yùn)行需求的變化對其進(jìn)行優(yōu)化并實(shí)現(xiàn)能源的高效生產(chǎn)，成為當(dāng)前世界共同討論的話題。傳統(tǒng)能源之間在進(jìn)行互相轉(zhuǎn)化時，具有較低的耦合度，在能源利用方面效率較低，與傳統(tǒng)能源相比，綜合能源存在于綜合能源系統(tǒng)中，通過綜合能源系統(tǒng)整合固定區(qū)域內(nèi)用戶周圍的能源系統(tǒng)，利用能源系統(tǒng)的資源優(yōu)勢，綜合能源可滿足用戶對冷、熱、電、氣的不同需求，利用能源轉(zhuǎn)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)能源的多元化，能夠防止傳統(tǒng)電網(wǎng)對能源生產(chǎn)和距離傳輸造成不良影響，實(shí)現(xiàn)更大范圍的能源共享，滿足其運(yùn)行需求。對于綜合能源運(yùn)行需求的優(yōu)化，國內(nèi)已有相當(dāng)多的研究，有學(xué)者利用能源中心，對綜合能源間的不同關(guān)系進(jìn)行描述和分析，建立需求模型對綜合能源的運(yùn)行需求進(jìn)行優(yōu)化并求解，還有學(xué)者根據(jù)不同能源之間的需求特征，建立聯(lián)合滿意度模型并對其進(jìn)行雙層求解[1-2]。

但以上方法均沒有調(diào)整綜合能源的運(yùn)行參數(shù)，也較少涉及對綜合能源不同運(yùn)行需求的優(yōu)化，因此，該文提出基于參數(shù)特征提取的綜合能源運(yùn)行需求優(yōu)化方法，對綜合能源的不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，將綜合能源的運(yùn)行需求納入優(yōu)化范圍內(nèi)，通過參數(shù)建立相應(yīng)的優(yōu)化模型并對其進(jìn)行需求分析，再由建立的優(yōu)化模型給出優(yōu)化過程，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該文方法的有效性。

1 運(yùn)行參數(shù)調(diào)整

調(diào)整的運(yùn)行參數(shù)如圖1 所示。

圖1 調(diào)整的運(yùn)行參數(shù)

由圖1 可知，調(diào)整的運(yùn)行參數(shù)從上而下為聯(lián)供系統(tǒng)參數(shù)、燃?xì)忮仩t參數(shù)、熱泵參數(shù)、電熱制冷機(jī)參數(shù)、儲電裝置參數(shù)、儲熱裝置參數(shù)[3-4]。

對綜合能源運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整，主要包括以下幾個方面。

1）對聯(lián)供系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整。在聯(lián)供系統(tǒng)中，微燃機(jī)運(yùn)行過程需要吸收式制冷機(jī)的參與，在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生產(chǎn)熱特征參數(shù)、產(chǎn)電特征參數(shù)、散熱損失參數(shù)等，參數(shù)中包含一定數(shù)值的負(fù)荷向量，負(fù)荷向量一般會受燃料燃燒量與燃燒效率值所影響，在一個采樣周期內(nèi)，影響的程度隨著吸收式制冷機(jī)吸收量的變化而升高或降低[5-7]。

2）調(diào)整太陽能發(fā)電設(shè)備參數(shù)。在綜合能源系統(tǒng)中，太陽能發(fā)電設(shè)備具有較多的優(yōu)點(diǎn)，例如：開發(fā)周期短、環(huán)保耐高溫、建設(shè)簡單等，太陽能發(fā)電設(shè)備運(yùn)行中的參數(shù)通常會受到光照強(qiáng)度和溫度的雙重影響，在對其進(jìn)行調(diào)整時，可將光伏輸出功率參數(shù)與光照強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)太陽能發(fā)電設(shè)備參數(shù)的調(diào)整。

3）調(diào)整燃?xì)忮仩t參數(shù)。燃?xì)忮仩t燃燒燃料產(chǎn)生蒸汽，而鍋爐內(nèi)的水獲得來自燃?xì)忮仩t的熱能，熱能的轉(zhuǎn)化效率受燃?xì)忮仩t參數(shù)的影響，所以為了提升燃?xì)獾霓D(zhuǎn)換效率，需要對燃?xì)忮仩t參數(shù)作出一定的調(diào)整。燃?xì)忮仩t參數(shù)由鍋爐的供熱效率與燃?xì)獾南乃俾使餐瑳Q定，因此調(diào)整供熱效率與消耗速率即可實(shí)現(xiàn)對燃?xì)忮仩t參數(shù)的調(diào)整。

4）調(diào)整熱泵參數(shù)。熱泵是綜合能源系統(tǒng)中的一種高效節(jié)能裝置，可將低位熱傳輸?shù)礁呶粺?，為了提升綜合能源的利用效率，需要對熱泵參數(shù)進(jìn)行一定程度的調(diào)整。熱泵參數(shù)根據(jù)制冷與制熱特性，可通過提高熱泵的制冷量與制熱量實(shí)現(xiàn)對熱泵參數(shù)的調(diào)整，采用轉(zhuǎn)換原理降低熱泵的耗電量從而提升熱泵的制冷量與制熱量[8-12]。

5）調(diào)整電制冷機(jī)組參數(shù)。電制冷機(jī)組是一種補(bǔ)冷裝置，在綜合能源系統(tǒng)中進(jìn)行制冷作業(yè)，為了提升綜合能源的運(yùn)行水平，需要對電制冷機(jī)組的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，由于電制冷機(jī)組的制冷量與耗電量影響著電制冷機(jī)組參數(shù)，因此可通過提高制冷量與耗電量實(shí)現(xiàn)對電制冷機(jī)組參數(shù)的調(diào)整。

步驟2 對EDI=(ediny)N×N進(jìn)行規(guī)范化處理，得到規(guī)范化影響矩陣NDI=ne·EDI=(ndiny)N×N，其中

6）調(diào)整儲電裝置參數(shù)。儲電裝置可以提升綜合能源的運(yùn)行速度，改善綜合能源質(zhì)量，維護(hù)綜合能源系統(tǒng)的平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)削峰填谷。為了提升儲電裝置的運(yùn)行效率，最大程度滿足綜合能源運(yùn)行的需求，需要對儲電裝置參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整的過程可通過轉(zhuǎn)換儲電裝置的充電功率與放電功率來實(shí)現(xiàn)[13-14]。

7）調(diào)整儲熱裝置參數(shù)。綜合能源系統(tǒng)中的儲熱裝置具有重要作用，可以向綜合能源提供較高的熱量，為了提高儲熱裝置的存儲能力和存儲效率，同樣需要對儲熱裝置參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

2 優(yōu)化模型

綜合能源優(yōu)化調(diào)度邏輯如圖2 所示。

圖2 綜合能源優(yōu)化調(diào)度邏輯

通過對綜合能源運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整，得到聯(lián)供系統(tǒng)參數(shù)、太陽能發(fā)電參數(shù)、燃?xì)忮仩t參數(shù)、熱泵參數(shù)、電制冷機(jī)組參數(shù)、儲電裝置參數(shù)和儲熱裝置參數(shù)，通過這些綜合能源運(yùn)行參數(shù)建立優(yōu)化模型。在建立綜合能源運(yùn)行需求優(yōu)化模型前，需要全面、準(zhǔn)確地定義綜合能源系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)，這是建立優(yōu)化模型的基礎(chǔ)。通過綜合能源系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)綜合能源的輸入、輸出和相互轉(zhuǎn)換，綜合能源系統(tǒng)是一種能源互聯(lián)網(wǎng)，主要包括外部能源供應(yīng)子系統(tǒng)、能源轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)、能源輸送網(wǎng)絡(luò)和用戶終端子系統(tǒng)四部分組成。外部能源供應(yīng)子系統(tǒng)是整個綜合能源系統(tǒng)的核心，需要向綜合能源系統(tǒng)提供一次能源和二次能源，一次能源包括天然氣、燃油、煤炭，二次能源包括電力、蒸汽、煤氣。能源轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)主要包括三種，第一種是小型水力發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電的能源系統(tǒng)，第二種是微燃機(jī)、燃料電池等熱、電系統(tǒng)，第三種是能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，例如：燃?xì)忮仩t、儲熱裝置、儲能裝備等。通過這三種子系統(tǒng)可將一次能源和二次能源轉(zhuǎn)換成綜合能源，滿足終端用戶對綜合能源的運(yùn)行需求。能源輸送網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)將一次能源和二次能源傳輸?shù)浇K端用戶網(wǎng)絡(luò)，用戶終端子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)消耗轉(zhuǎn)換完成的能源。儲能能源標(biāo)準(zhǔn)化建模物理結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 儲能能源標(biāo)準(zhǔn)化建模物理結(jié)構(gòu)

描述完綜合能源系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)后，基于綜合能源的運(yùn)行參數(shù)，建立優(yōu)化模型。綜合能源系統(tǒng)是一種雙端口網(wǎng)絡(luò)，設(shè)能源輸入為Cin，能源輸出為Vout，能源轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)轉(zhuǎn)換一次能源和二次能源的過程用矩陣C表示。式中矩陣C用來描述能源設(shè)備轉(zhuǎn)化能源的過程：

系統(tǒng)中燃?xì)忮仩t、儲能裝置的轉(zhuǎn)換表達(dá)式如下：

電制冷機(jī)組的轉(zhuǎn)換輸出為：

式中，ηAB為電制冷機(jī)組的制冷效率。

太陽能發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)換輸出為：

式中，ηc為太陽能發(fā)電裝置的發(fā)電效率。

基于以上轉(zhuǎn)換關(guān)系得出綜合能源的優(yōu)化模型為：

式中，Yd為綜合能源的運(yùn)行效率[15-16]。

3 基于優(yōu)化模型的優(yōu)化過程實(shí)現(xiàn)

綜合能源運(yùn)行需求的優(yōu)化是為了盡可能滿足能源用戶的用能需求，確定單位時間內(nèi)能源設(shè)備的產(chǎn)能量以及終端用戶的用能量，采用有效的綜合能源輸入與輸出方式對綜合能源進(jìn)行快速傳輸，結(jié)合能源轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)、能源供應(yīng)子系統(tǒng)、能源輸送子系統(tǒng)以及能源用戶終端子系統(tǒng)，利用上述子系統(tǒng)建立的綜合能源運(yùn)行需求優(yōu)化模型，得出綜合能源運(yùn)行需求的優(yōu)化過程，綜合能源優(yōu)化過程如圖4 所示。

圖4 綜合能源優(yōu)化過程

為了保障用戶的用能安全，能源管理中心負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)用戶的用能要求，根據(jù)用能要求將終端用戶進(jìn)行分類，分類的標(biāo)準(zhǔn)參考優(yōu)化調(diào)度的負(fù)荷種類，普通居民用戶對負(fù)荷的要求包含剛性負(fù)荷和柔性負(fù)荷，剛性負(fù)荷包括照明燈、燃?xì)?、熱水器等，這些需要燃?xì)忮仩t的燃?xì)饽茉?、太陽能發(fā)電裝置的電力能源、以及熱泵產(chǎn)熱能源，一大部分用能需求為柔性負(fù)荷，在有效的用能計劃中可安排用戶的用電和燃?xì)馐褂眯袨?。工商業(yè)用戶通常是高載能負(fù)荷，高載能負(fù)荷的特點(diǎn)是穩(wěn)定性高、速度快、自動化水平高，由于生產(chǎn)計劃與商業(yè)活動的原因，工商業(yè)用戶的用能要求較高，用能量較多。根據(jù)工商業(yè)用戶和普通居民用戶提供的用能需求制作整個綜合能源系統(tǒng)的供能方案，用能需求在剛性負(fù)荷和柔性負(fù)荷的基礎(chǔ)上再進(jìn)行具體的分類，通常分為電負(fù)荷、熱負(fù)荷、冷負(fù)荷。

根據(jù)不同用戶的用能需求找出對應(yīng)的供能設(shè)備。將終端用戶不同的用能需求進(jìn)行系統(tǒng)分類后，按照用能需求找出對應(yīng)的綜合能源設(shè)備。由于用戶的需求分為電負(fù)荷、冷負(fù)荷、熱負(fù)荷，所以對應(yīng)的供能設(shè)備為電制式、吸收式制冷、傳統(tǒng)鍋爐、電制熱、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備、光熱地?zé)?、燃?xì)忮仩t、儲電裝置、太陽能發(fā)電裝置等。

采用優(yōu)化模型中的優(yōu)化算法對各類供能設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)用能需求找出對應(yīng)的供能設(shè)備后，根據(jù)優(yōu)化模型建立供能設(shè)備的目標(biāo)函數(shù)，采用優(yōu)化算法對這些多目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過優(yōu)化后，如果目標(biāo)函數(shù)為最小，則輸出目標(biāo)函數(shù)，否則繼續(xù)采用優(yōu)化算法對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

4 實(shí)驗(yàn)研究

為了滿足不同能源運(yùn)行需求的變化，提出了基于參數(shù)特征提取的綜合能源運(yùn)行需求優(yōu)化方法，為了驗(yàn)證該文方法的有效性，與傳統(tǒng)方法進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)使用四種功能設(shè)備，包括一臺額定功率為150 kW 的太陽能發(fā)電裝置，一臺額定功率為300 kW的儲電裝置，一臺額定功率為300 kW 的儲熱裝置，一臺額定功率為400 kW 熱泵，分別接入500 kW 的綜合能源系統(tǒng)中。運(yùn)行實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1 所示。

表1 運(yùn)行實(shí)驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)，選用該文方法與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。差額補(bǔ)冷實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

由圖5 可知，傳統(tǒng)優(yōu)化方法下綜合能源系統(tǒng)中的負(fù)荷量偏低，熱負(fù)荷與電負(fù)荷差別較大，不能同時滿足冷、熱負(fù)荷的需求變化，熱泵的產(chǎn)熱功率不符合熱負(fù)荷的要求，并且差額補(bǔ)電效果較差，差額補(bǔ)冷不及時。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，利用該文提出的基于參數(shù)特征提取的綜合能源運(yùn)行需求優(yōu)化方法，熱負(fù)荷來自用戶用能的日常需求，負(fù)荷量偏低，熱負(fù)荷曲線與電負(fù)荷曲線基本相同，在谷時段，熱泵在供能過程中的產(chǎn)熱功率不符合熱負(fù)荷的要求，需要進(jìn)行差額補(bǔ)熱，由熱負(fù)荷曲線可知，差額補(bǔ)熱較穩(wěn)定，證明熱泵的差額補(bǔ)熱效果優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

圖5 差額補(bǔ)冷實(shí)驗(yàn)結(jié)果

綜上，該文提出的基于參數(shù)特征提取的綜合能源運(yùn)行需求優(yōu)化方法優(yōu)于傳統(tǒng)方法，熱泵的產(chǎn)熱功率負(fù)荷熱負(fù)荷要求，且差額補(bǔ)電效果優(yōu)于傳統(tǒng)方法，差額補(bǔ)冷具有更高的實(shí)時性。

5 結(jié)束語

基于傳統(tǒng)方法中出現(xiàn)的熱負(fù)荷與電負(fù)荷差別大、差額補(bǔ)電效果差、差額補(bǔ)冷實(shí)時性低等問題，提出基于參數(shù)特征提取的綜合能源運(yùn)行需求優(yōu)化方法，該方法首先對綜合能源的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，運(yùn)行參數(shù)包括：太陽能發(fā)電裝置參數(shù)、電制冷機(jī)組參數(shù)、熱泵參數(shù)、儲電裝置參數(shù)、儲熱裝置參數(shù)、燃?xì)忮仩t參數(shù)。然后根據(jù)調(diào)整完的運(yùn)行參數(shù)建立綜合能源運(yùn)行需求的優(yōu)化模型，根據(jù)優(yōu)化模型給出綜合能源的優(yōu)化過程。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該文提出的基于參數(shù)特征提取的綜合能源運(yùn)行需求優(yōu)化方法優(yōu)于傳統(tǒng)方法，差額補(bǔ)冷的實(shí)時性較高，差額補(bǔ)熱效果更優(yōu)，具有一定的有效性。