考慮風(fēng)電消納和梯級利用的綜合能源優(yōu)化調(diào)度

左 帥，崔雙喜，鄭 浩，孟光明

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

1 引言

綜合能源系統(tǒng)是實(shí)行多能互補(bǔ)和能量梯級利用的關(guān)鍵，它基于各能源設(shè)備在時空上的耦合特性，即實(shí)現(xiàn)了多能互補(bǔ)，提高能源利用率；又實(shí)現(xiàn)能源梯級利用，提高能源綜合使用水平。目前，研究能的梯級利用，已成為綜合能源熱力系統(tǒng)的焦點(diǎn)問題。但是，目前的研究存在能源結(jié)構(gòu)不合理、能源利用率低下和能源污染嚴(yán)重等亟待解決的問題，因此改善能源結(jié)構(gòu)，提升能源利用率，使用清潔能源等，是解決上述問題的關(guān)鍵。

文獻(xiàn)[3]考慮的能量梯級利用中，能源利用結(jié)構(gòu)簡單，未充分考慮風(fēng)電消納。文獻(xiàn)[4-5]提出的綜合能源系統(tǒng)模型，雖然促進(jìn)了風(fēng)電的消納，但未考慮熱能的梯級利用，未能充分挖掘多能互補(bǔ)優(yōu)勢。文獻(xiàn)[6]提出一種多時間尺度的混合新能源電站協(xié)調(diào)控制策略，所提策略未充分考慮冷熱能源與電能的協(xié)同互補(bǔ)作用。文獻(xiàn)[7]從可再生能源的消納和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行兩方面建立優(yōu)化模型，雖然促進(jìn)了可再生能源的消納，但是對于所提模型中的熱能利用考慮簡單，沒有考慮熱能的梯級利用。文獻(xiàn)[8]從分時段銷售電價劃分方面對風(fēng)電上網(wǎng)進(jìn)行研究，模型相對簡單，未能充分發(fā)揮綜合能源系統(tǒng)多能互補(bǔ)優(yōu)勢。文獻(xiàn)[9]對風(fēng)-電-氫系統(tǒng)綜合效益進(jìn)行研究，所建立的模型可以預(yù)測耦合氫儲能系統(tǒng)的風(fēng)電場綜合效益的變化趨勢，但是僅僅從風(fēng)電制氫的角度進(jìn)行研究，對于研究綜合能源系統(tǒng)來講，研究相對片面。文獻(xiàn)[10-12]從綜合能源系統(tǒng)中能源設(shè)備入手，進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度研究，未充分考慮可再生能源的消納和熱能的梯級利用。

針對上述研究存在的問題，提出一種考慮風(fēng)電消納和能量梯級利用的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，在風(fēng)電消納和能量梯級利用基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)各能源設(shè)備的協(xié)同出力情況進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，通過調(diào)節(jié)各能源設(shè)備的運(yùn)行情況和工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)環(huán)保效益最優(yōu)。

2 基于風(fēng)電消納和梯級利用系統(tǒng)

2.1 風(fēng)電消納原理

基于風(fēng)能反調(diào)峰特性，當(dāng)電能出力低谷時，風(fēng)能出力卻為高峰時段，通過電轉(zhuǎn)氣裝置把富余風(fēng)能轉(zhuǎn)化為天然氣。當(dāng)電能出力高峰時，電轉(zhuǎn)氣裝置為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電和燃?xì)忮仩t產(chǎn)熱提供能源，盡可能的減少從電網(wǎng)購電。該裝置既提升了系統(tǒng)對風(fēng)電的消納能力，又降低了污染氣體的排放量，提升了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。

2.2 熱能梯級利用原理

根據(jù)熱能溫度由高到低的不同，可以用不同品位表示，溫度越高則品位越高。根據(jù)用戶對不同溫度熱能的需求，供應(yīng)與之相對應(yīng)的品位熱能。本文中，燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)忮仩t產(chǎn)生的高品位熱在余熱鍋爐、吸收式熱泵等能源設(shè)備中進(jìn)行循環(huán)利用和回收，由高品位熱逐步向低品位熱轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)了熱能的有效利用。

2.3 系統(tǒng)框架

如圖1所示：示意圖可分為電力、蒸汽、高溫、中溫、低溫和冷水母線。電力母線連接P2G裝置、燃?xì)廨啓C(jī)和風(fēng)能發(fā)電，并與電網(wǎng)交互。蒸汽母線連接燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)忮仩t，生產(chǎn)蒸汽負(fù)荷供應(yīng)吸收式熱泵、尖峰加熱器和吸收式制冷機(jī)。高溫母線連接尖峰加熱器，消耗蒸汽負(fù)荷生產(chǎn)高溫?zé)嶝?fù)荷。中溫母線連接電熱泵、吸收式熱泵和儲熱裝置。低溫母線連接燃?xì)廨啓C(jī)廢棄熱、余熱鍋爐和吸收式制冷生產(chǎn)低溫?zé)崴?，由于低溫?zé)崴脙r值較低，只向用戶按需供應(yīng)，不進(jìn)行儲存。冷水母線連接電制冷機(jī)、吸收式制冷機(jī)和儲冷裝置。本文研究包含冷、熱、電和氣能，負(fù)荷種類和功能設(shè)備豐富。

圖1 考慮風(fēng)電消納和梯級利用能量流示意圖

2.4 設(shè)備模型

2.4.1 能量生產(chǎn)設(shè)備

1)電轉(zhuǎn)氣裝置

該裝置把富余風(fēng)電轉(zhuǎn)化為天然氣進(jìn)行存儲或者為系統(tǒng)設(shè)備提供燃料，相當(dāng)于增加電熱負(fù)荷，促進(jìn)了系統(tǒng)消納風(fēng)電的能力。

(1)

2)燃?xì)廨啓C(jī)

該設(shè)備產(chǎn)生的抽氣熱供應(yīng)吸收式熱泵、吸收式制冷機(jī)和尖峰加熱器；產(chǎn)生的廢氣熱由余熱鍋爐回收，同時過濾廢氣中的污染物，減少污染排放。

(2)

3)燃?xì)忮仩t

該設(shè)備是本文優(yōu)化調(diào)度中的調(diào)峰裝置，消耗天然氣供應(yīng)熱蒸汽。

(3)

4)風(fēng)電模型

(4)

242 能量轉(zhuǎn)換設(shè)備

1)吸收式熱泵

該設(shè)備消耗蒸汽負(fù)荷，生產(chǎn)中溫負(fù)荷。

(5)

2)電熱泵

該設(shè)備消耗電能生產(chǎn)中溫負(fù)荷。

(6)

3)電制冷機(jī)

該設(shè)備消耗電能生產(chǎn)冷負(fù)荷。

(7)

4)吸收式制冷機(jī)

本文采用單效式模型，消耗蒸汽負(fù)荷供應(yīng)低溫負(fù)荷或冷負(fù)荷。

(8)

5)尖峰加熱器

該設(shè)備消耗蒸氣負(fù)荷供應(yīng)高溫負(fù)荷。

(9)

243 能量儲能設(shè)備

儲能設(shè)備包含冷、熱和氣儲能。統(tǒng)一建模如下

(10)

3 優(yōu)化調(diào)度模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

本文以綜合能源系統(tǒng)日運(yùn)行費(fèi)用最小為目標(biāo)。包括運(yùn)行維護(hù)成本、購電成本、購氣成本、棄風(fēng)成本組成，為目標(biāo)函數(shù)。

min=+++

(11)

1)運(yùn)行維護(hù)成本

(12)

2)購電成本

(13)

3)購氣成本

(14)

式中：為燃?xì)鈨r格。

4)棄風(fēng)成本

(15)

式中：為棄風(fēng)單價。

3.2 約束條件

1)電功率平衡約束

(16)

(17)

3)熱功率平衡約束

(18)

4)冷功率平衡約束

(19)

5)設(shè)備運(yùn)行約束

(20)

6)儲能設(shè)備約束

(21)

3.3 優(yōu)化求解

式(1)和(4)為消納風(fēng)電裝置和模型，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電消納；式(5)-(9)為系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的模型，實(shí)現(xiàn)了各能源間的轉(zhuǎn)換；式(16)-(19)為冷熱電氣功率約束；式(18)為各品位熱能母線上的平衡約束，實(shí)現(xiàn)了熱能的梯級利用?；诒疚乃Ｐ?，最終得到的是混合整數(shù)非線性模型，通過將其轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)線性模型來提高優(yōu)化速度。再結(jié)合文中約束條件在Matlab中調(diào)用CPLEX對該優(yōu)化模型進(jìn)行求解。

4 本文算例分析

本文以我國北方某園區(qū)為研究對象，結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)，通過計算機(jī)仿真，驗(yàn)證了本文所提方法的有效性。本文以1h為間隔進(jìn)行優(yōu)化仿真，在該步長下，各能源設(shè)備協(xié)同出力優(yōu)化調(diào)度均滿足時間尺度要求。針對用戶不同能源需求供應(yīng)相對應(yīng)的電能、冷能和各品位的熱能。分時電價數(shù)據(jù)為：峰時段08：00—12：00，14：00—21：00，電價為0.804元(kW·h)；平時段06：00—08：00，12：00—14：00，21：00—23：00，電價為0.540元(kW·h)；谷時段：23：00—06：00，電價為0.325元(kW·h)；天然氣價格為2.5元/m3。本文系統(tǒng)中各負(fù)荷預(yù)測出力如圖2所示。

圖2 負(fù)荷出力預(yù)測

本文在結(jié)合分時電價的基礎(chǔ)上，以考慮電轉(zhuǎn)氣和棄風(fēng)懲罰(策略1)、考慮電轉(zhuǎn)氣和不考慮棄風(fēng)懲罰(策略2)、不考慮電轉(zhuǎn)氣和考慮棄風(fēng)懲罰(策略3)、不考慮電轉(zhuǎn)氣和棄風(fēng)懲罰(策略4)四種優(yōu)化調(diào)度策略對比，驗(yàn)證本文模型的可行性和合理性(策略1)。

4.1 本文所提策略優(yōu)化調(diào)度結(jié)果分析

電力和天然氣優(yōu)化調(diào)度結(jié)果如圖3-4所示：在谷電價時段且此時段正好是風(fēng)電大發(fā)時段，電網(wǎng)對于風(fēng)電消納能力最弱，此時段由電轉(zhuǎn)氣設(shè)備進(jìn)行風(fēng)電消納。此時段電力供應(yīng)側(cè)由風(fēng)電和電網(wǎng)組成，電力負(fù)荷側(cè)由電轉(zhuǎn)氣設(shè)備、電熱泵、電制冷機(jī)和電負(fù)荷組成。在峰平電價時間段，風(fēng)電逐漸減少，此時段電力供應(yīng)側(cè)由風(fēng)電、燃?xì)廨啓C(jī)和電網(wǎng)組成，電力負(fù)荷側(cè)由電制冷機(jī)、電熱泵和電負(fù)荷組成。

在谷電價時段，電轉(zhuǎn)氣設(shè)備消納富余風(fēng)電生產(chǎn)天然氣，一部分直供給燃?xì)忮仩t進(jìn)行產(chǎn)熱，剩余部分進(jìn)行儲存，在峰平時間段供應(yīng)燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)忮仩t，不足部分由系統(tǒng)向天然氣主網(wǎng)購氣。這樣能源系統(tǒng)不但消納了富余風(fēng)電，減少能源浪費(fèi)，而且減少了系統(tǒng)購氣成本。

圖3 電力優(yōu)化調(diào)度

圖4 天然氣優(yōu)化調(diào)度

各品位熱能和冷能優(yōu)化調(diào)度分析如圖5-8：在谷電價時段，由燃?xì)忮仩t供應(yīng)蒸汽。在峰平電價時段蒸汽供應(yīng)側(cè)由燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)忮仩t組成。蒸汽負(fù)荷側(cè)由吸收式制冷機(jī)、吸收式熱泵、尖峰加熱器和蒸汽負(fù)荷組成。吸收式熱泵消耗蒸汽，產(chǎn)生中溫?zé)嶝?fù)荷，在滿足供應(yīng)用戶中溫?zé)嶝?fù)荷下，剩余熱能進(jìn)行儲存。該時段內(nèi)使用吸收式制冷設(shè)備的原因是電價低，該設(shè)備所制取的低溫?zé)崴軌蚬┯脩羰褂?，產(chǎn)生的冷負(fù)荷一方面供用戶使用，剩余部分進(jìn)行儲存，經(jīng)濟(jì)效益好。尖峰加熱器在該時段消耗蒸汽，產(chǎn)生高溫?zé)崴?yīng)用戶。在峰平電價時段，蒸汽供應(yīng)側(cè)主要有由燃?xì)廨啓C(jī)供能，缺額部分由燃?xì)忮仩t補(bǔ)充，蒸汽負(fù)荷側(cè)與谷電價時間段相同。

對于高溫負(fù)荷，谷電價時段由燃?xì)忮仩t通過尖峰加熱器供應(yīng)；在峰平電價時段由燃?xì)廨啓C(jī)抽氣熱供給，缺額熱能由燃?xì)忮仩t補(bǔ)充。

對于中溫負(fù)荷供應(yīng)，在谷電價時段由電熱泵供應(yīng)，缺額部分由燃?xì)忮仩t通過吸收式熱泵進(jìn)行補(bǔ)充。儲熱裝置在谷電價時段進(jìn)行蓄熱，在峰平電價時段進(jìn)行放熱。在峰平電價時段以儲熱裝置放熱為主，缺額的熱能以燃?xì)廨啓C(jī)通過吸收式熱泵供能作為補(bǔ)充。對于低溫負(fù)荷，由余熱鍋爐和吸收式制冷機(jī)供應(yīng)。

對于冷水供應(yīng)，在谷電價時段以電制冷機(jī)供應(yīng)為主，向用戶供應(yīng)冷水，剩余部分冷負(fù)荷進(jìn)行蓄冷儲存，在峰平電價時段進(jìn)行放冷，不足的冷能負(fù)荷由吸收式制冷機(jī)進(jìn)行補(bǔ)充。

圖5 蒸汽優(yōu)化調(diào)度

圖6 高溫優(yōu)化調(diào)度

圖7 中溫優(yōu)化調(diào)度

圖8 冷能優(yōu)化調(diào)度

4.2 不同策略下風(fēng)電消納和日運(yùn)行費(fèi)用

本文不同優(yōu)化調(diào)度策略下對富余風(fēng)電消納和日運(yùn)行費(fèi)用結(jié)果如表1所示：在策略1優(yōu)化調(diào)度下，系統(tǒng)消納風(fēng)電實(shí)際出力最接近風(fēng)電預(yù)測值，在風(fēng)電大發(fā)時段能最大程度消納富余風(fēng)電；在策略2優(yōu)化調(diào)度下，由于沒有考慮棄風(fēng)懲罰，風(fēng)電消納能力有限。策略3和策略4由于沒有考慮電轉(zhuǎn)氣且策略4沒有考慮棄風(fēng)懲罰，在風(fēng)電大發(fā)時段對風(fēng)電消納能力十分有限。

表1 不同策略下消納風(fēng)電量和日運(yùn)行費(fèi)用

本文所提優(yōu)化調(diào)度結(jié)果中風(fēng)電消納量比其它三種策略分別增加了20%、27.8%和34.03%，日運(yùn)行總成本分別減少了12.3%、17%和18.5%。因此，本文所提的優(yōu)化調(diào)度策略，通過協(xié)調(diào)綜合能源系統(tǒng)各設(shè)備出力，相比于其它三種策略更加優(yōu)越。

5 總結(jié)

本文所提出的優(yōu)化模型，充分考慮了基于能量梯級利用的多能協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行和風(fēng)電的消納利用，進(jìn)一步完善了綜合能源系統(tǒng)多能協(xié)同經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型，提升了綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度能力。但是當(dāng)系統(tǒng)各能源負(fù)荷出力波動較大時，該如何協(xié)調(diào)各設(shè)備出力，是本文下一步研究的重點(diǎn)。