冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度綜述

余婷

（甘肅農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，甘肅 蘭州730070）

1 研究背景

隨著科學技術和工業(yè)生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)化石燃料的短缺及其所造成的環(huán)境惡化問題逐漸凸顯出來，能源危機日益加劇。因此能源的合理分配和利用無疑成為21世紀全球性焦點問題。近年來，為了減少能源浪費以及污染氣體的排放，以風能、太陽能、潮汐能、生物質(zhì)能等多種分布式能源為主的發(fā)電技術受到世界各國空前的重視，這項技術的發(fā)掘為緩解全球能源危機開辟了一條新道路。

與傳統(tǒng)大規(guī)模集中式電源相比，分布式電源發(fā)電具有獨立、經(jīng)濟、環(huán)保、利用率高、安裝方便等顯著優(yōu)點。但由于分布式電源的隨機性和間歇性，導致分布式電源接入電網(wǎng)存在很大的隱患。因此有關學者提出微網(wǎng)的概念，它是一種由多種分布式電源、儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、相關負荷及監(jiān)控保護裝置匯集而成的微小型發(fā)配電系統(tǒng)，可以作為分布式電源接入電網(wǎng)的有效載體。其中作為微網(wǎng)核心技術之一的冷-熱-電三聯(lián)供微網(wǎng)（Combined Cooling Heatingand Power，CCHP）系統(tǒng)可以明顯提高能源的梯級利用效率，并有效減少有害氣體的排放。因此CCHP技術受到諸多國家和學者的青睞，成為各國研究的重點。

本文將對上述CCHP微網(wǎng)的研究爬梳剔抉，梳理調(diào)度策略，分析歸納優(yōu)化調(diào)度建模方法，最后提出對該領域未來發(fā)展趨勢的展望。

2 優(yōu)化調(diào)度的指標

在國家技術革新的潮流中，如何處理好經(jīng)濟效益與環(huán)境保護的關系是各個領域的重要問題。就經(jīng)濟性而言，需要提高能源利用效率、減少停電損失收益，也要平衡供需側(cè)不同利益交互提升，從而實現(xiàn)供需兩方的雙贏[1-3]。對于環(huán)保方面，通過將電能轉(zhuǎn)化成其他形式進行消納以提高RES滲透率，同時也要提高節(jié)約不可再生能源水平，開發(fā)技術儲存化石能源，并減少溫室效應以及污染氣體排放，從而達到最佳優(yōu)化調(diào)度水準。

3 不確定性建模方法

由于CCHP微網(wǎng)是一個具有不確定性、耦合強度高和優(yōu)化指標多樣化特點的復雜系統(tǒng)，因此文獻[4]提出的一種新的基于魯棒驅(qū)動的置信間隙決策理論（CGDT），并以?效率最大和運行成本最低為優(yōu)化目標，構(gòu)建了基于CGD的IES多目標魯棒優(yōu)化調(diào)度模型，該模型可實現(xiàn)更為合理而準確的不確定性優(yōu)化調(diào)度。但該文獻提出的基于CGD的不確定性建模及優(yōu)化思想，僅被應用于IES的優(yōu)化調(diào)度問題，該模型可進一步拓展到IES規(guī)劃、多區(qū)域IES協(xié)調(diào)運行等領域展開進一步研究。文獻[5]提出了一種新型的輸電系統(tǒng)和多區(qū)域能源系統(tǒng)分散機會約束ED模型，它采用一種經(jīng)濟模型預測控制來考慮未來的不確定性。該模型為一種新穎的基于EMPC的分散機會約束ED（EMPC-DCED）模型，用于TS和DES的集成。該模型更適用于涉及不確定性的日間ED問題，但對于多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)，沒有考慮不同能量載體之間的耦合。文獻[6]由于考慮風光的不確定性和相關性，提出了一種含電能交互的冷熱電聯(lián)供型多微網(wǎng)系統(tǒng)雙層多場景協(xié)同優(yōu)化配置模型方法。該系統(tǒng)相比常規(guī)多能源站系統(tǒng)，有效降低了多能源站的年化總成本，大大提高其經(jīng)濟性。不過由于含電能交互的多能源站之間存在強耦合關系，它們之間的利益交互關系將極為凸顯，需要被進一步考慮。文獻[7]構(gòu)建了電力、熱力柔性負荷模型，提出了一種電/熱柔性負荷的儲能優(yōu)化配置模型，綜合考慮系統(tǒng)用能、運維、投資、補償成本等因素，以經(jīng)濟性為目標進行考慮電/熱柔性負荷的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)儲能優(yōu)化配置模型。該模型將負荷的柔性特性納入到區(qū)域綜合能源系統(tǒng)儲能配置的影響因素中，對于系統(tǒng)的經(jīng)濟性有較大的提升。但未考慮到風電以及負荷的不確定性對儲能優(yōu)化配置結(jié)果的影響。文獻[8]提出了一種考慮多能靈活性的綜合能源系統(tǒng)多時間尺度優(yōu)化調(diào)度策略。它是在日前調(diào)度中建立多能靈活性狀態(tài)方程，以日運行成本最小為目標，構(gòu)建波動場景下考慮系統(tǒng)多能靈活性的調(diào)度模型；該模型可以準確評估和刻畫系統(tǒng)內(nèi)多種能源的靈活性供需關系。針對大型的電熱氣聯(lián)合系統(tǒng)，還需要對不同能量系統(tǒng)的網(wǎng)絡進行動態(tài)建模，充分考慮到網(wǎng)絡約束對系統(tǒng)靈活性帶來的影響。

4 多目標建模方法

對于微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的研究，大多數(shù)學者也采用多目標建模的方法以求解最優(yōu)調(diào)度策略。比如文獻[9]提出了一種智慧社區(qū)多能流隨機響應面模型預測控制方法。由于考慮到冷熱電聯(lián)供、電動汽車、儲能設備等的技術經(jīng)濟特性，構(gòu)建了兼顧經(jīng)濟性和環(huán)保性的多能流多目標優(yōu)化調(diào)度模型，實現(xiàn)了日前優(yōu)化和實時滾動優(yōu)化的有效統(tǒng)一。隨機響應面法和場景法結(jié)合的社區(qū)能源隨機場景模擬方法，與傳統(tǒng)方法相比，能在保證精度的情況下縮短計算時間，利于實時滾動優(yōu)化。文獻[10]提出了一種IES多目標優(yōu)化調(diào)度模型及求解方法。該方法同時兼顧供能側(cè)與用能側(cè)的協(xié)同優(yōu)化，建立了考慮綜合需求響應的綜合能效模型并引入優(yōu)化目標，以系統(tǒng)經(jīng)濟成本最低與綜合能效最高為目標建立了電-氣-熱IES多目標優(yōu)化調(diào)度模型。文獻[11]針對含配電網(wǎng)、配氣網(wǎng)、多能源站以及多用戶的IES的優(yōu)化運行問題，提出了一種混合多目標優(yōu)化和基于博弈論的方法。該方法考慮了配電網(wǎng)和配氣網(wǎng)的運行約束，并兼顧了各主體的利益訴求。又如文獻[12]所提出的多目標優(yōu)化配置方法同時考慮了經(jīng)濟性和?效率，通過算例分析了各類設備的優(yōu)先調(diào)度順序?qū)ο到y(tǒng)總體?效率的影響。可以滿足多類型的配置需求，且采用?效率分析相比傳統(tǒng)的熱效率計算更加合理可行。但是它未考慮到多類不確定性對系統(tǒng)調(diào)度以及規(guī)劃的影響。

多目標建模方法的優(yōu)點在于不用多次試驗來確定各個目標之間的權(quán)值，可以直接求解多目標問題；另一方面避免了由于各個目標之間的量綱不統(tǒng)一，可能會造成單目標優(yōu)化問題的魯棒性差的問題。但該方法仍存在缺陷，分析大量文獻可以發(fā)現(xiàn)，目前多目標優(yōu)化方法多用于處理五個以下目標，且效果較為顯著，但目標一旦增多，無法保證該方法的有效性，并且會成倍的增大計算量，達不到預期效果。

5 利益交互關系建模方法

由于電網(wǎng)與用電主體之間存在一定的利益交互關系，以博弈論為主的建模思想逐漸凸顯出來，比如文獻[11]通過完全市場博弈，解決了多能源站與用戶之間的公平博弈問題，有效模擬了多能源站與用戶之間的利益交互關系。文獻[13]引入綜合需求響應和主從博弈機制，以綜合能源銷售商為領導者，新能源冷熱電聯(lián)供運營商和負荷聚合商為跟隨者，形成一主多從分布式協(xié)同優(yōu)化模型。大大提高了用戶側(cè)的消費者剩余和供能側(cè)的收益，對供需雙側(cè)都有明顯改善。文獻[14]提出了一種兩階段優(yōu)化調(diào)度策略，實現(xiàn)區(qū)域IES內(nèi)三方主體利益訴求的制約平衡和日內(nèi)聯(lián)合優(yōu)化。并在納什均衡狀態(tài)下，可同時實現(xiàn)用戶運行成本和產(chǎn)能基地風電并網(wǎng)率的優(yōu)化。文獻[15]以多微網(wǎng)系統(tǒng)為領導者，各微網(wǎng)負荷聚合商為跟隨者，建立一主多從互動均衡模型，優(yōu)化了多微網(wǎng)系統(tǒng)定價策略，使得各微網(wǎng)用戶的綜合效益與用能成本都得到了明顯改善?？紤]到微網(wǎng)運行的經(jīng)濟性以及能量互濟，文獻[16]以多主體主從博弈為核心，建立多微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型并通過算例分析驗證其有效性與經(jīng)濟性。文獻[17]提出一種基于非合作博弈的日前交易方法，以納什均衡解作為微網(wǎng)最佳交易策略，實現(xiàn)各微網(wǎng)效用最大化。

6 CCHP微網(wǎng)聯(lián)合調(diào)度

隨著分布式能源技術的推廣與革新，未來配電網(wǎng)將是由多個區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)與上級配電網(wǎng)、天然氣網(wǎng)以及供熱網(wǎng)所構(gòu)成的多微網(wǎng)綜合能源系統(tǒng)，它是促進能源綜合持續(xù)發(fā)展、高效利用的重要環(huán)節(jié)[1-2]。多微網(wǎng)綜合能源系統(tǒng)在提升能源綜合利用效率的同時，其優(yōu)化調(diào)度規(guī)劃中所面臨的各種不確定性因素以及各個因素之間的交互影響更為冗雜。文獻[3，18-19]考慮風、光等無限再生能源的不確定性建立多能源微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型，分析了能源不確定性對微網(wǎng)運行經(jīng)濟效益的影響。在未來的發(fā)展與探索中，各種能源之間的交互影響以及分級利用將會成為主流。

7 結(jié)語

在分布式能源的應用領域里，CCHP系統(tǒng)有著舉足輕重的地位，它的出現(xiàn)使得分布式能源的利用更加合理和高效，其優(yōu)化調(diào)度亦會成為日后研究的重點。CCHP的研究核心在于冷、熱、電三者之間的強耦合關系，對于三者關系的剖析使研究過程變得紛繁復雜，同時由于可再生能源的不確定性也會導致優(yōu)化調(diào)度策略的多樣化。在不可再生能源短缺以及能源供應緊張的局勢下，分布式能源的分級利用是緩解和改善能源短缺問題的有效手段。本文分別從不確定性建模、多目標建模以及基于博弈論的利益交互建模對優(yōu)化調(diào)度策略進行了梳理和分析，期待對今后的研究給予一定參考。