多能流耦合的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃運行一體化優(yōu)化

陳云輝，王伊?xí)?，?俊，曹凌捷

(上海電力設(shè)計院有限公司，上海 200025)

人類社會對能源需求量的急劇增加導(dǎo)致化石類能源的過快和過度開發(fā)，并由此引發(fā)了人類社會對于環(huán)境污染和未來能源供應(yīng)能否持續(xù)的擔(dān)憂。為應(yīng)對這一全人類共同面臨的挑戰(zhàn)，社會各界已開展了大量研究，主要體現(xiàn)在開源和節(jié)流兩方面。自20世紀(jì)五六十年代以來，以計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等為標(biāo)志的信息通信技術(shù)領(lǐng)域的大量變革創(chuàng)新，為能源領(lǐng)域的進(jìn)一步提升和發(fā)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。在信息通信技術(shù)的推動下，能源領(lǐng)域先后出現(xiàn)了智能電網(wǎng)、綜合能源系統(tǒng)、能源互聯(lián)網(wǎng)3種重要技術(shù)[1-3]，其目的都是希望通過開源和節(jié)流兩種途徑，實現(xiàn)環(huán)境友好和能源可持續(xù)供應(yīng)的目標(biāo)。

以新能源大規(guī)模開發(fā)利用為標(biāo)志、以再電氣化為根本路徑的新一輪能源革命，正在全球范圍深入開展。綜合能源系統(tǒng)是滿足多元供應(yīng)體系的具體實現(xiàn)方式[4-5]，已經(jīng)成為世界各國能源轉(zhuǎn)型爭相發(fā)展的重點。

綜合能源系統(tǒng)實現(xiàn)“電、熱、冷、氣”橫向多能源系統(tǒng)之間以及“源-網(wǎng)-荷-儲”縱向多能源供應(yīng)環(huán)節(jié)之間的生產(chǎn)協(xié)同、管廊協(xié)同、需求側(cè)協(xié)同以及生產(chǎn)和消費間的互動[6-8]，可以促進(jìn)可再生能源消納，保障供給側(cè)和需求側(cè)元素的友好接入，提升多能源綜合利用效率[9-10]，最終為區(qū)域內(nèi)用戶提供能源一體化解決方案，被認(rèn)為是未來人類社會能源的主要承載形式。

傳統(tǒng)的能源規(guī)劃存在不同能源系統(tǒng)之間互相解耦、互相割裂，規(guī)劃與運行相對割裂的問題。同時，采用復(fù)雜優(yōu)化算法求解優(yōu)化模型，求解復(fù)雜度高。針對上述問題，本文建立能量轉(zhuǎn)換元件與能量存儲元件的實用化數(shù)學(xué)模型，提出“電、熱、冷、氣”多能流耦合輸入輸出矩陣，實現(xiàn)多能流之間耦合轉(zhuǎn)換、分配和存儲關(guān)系的建模，建立雙層迭代的規(guī)劃運行一體化混合整數(shù)優(yōu)化規(guī)劃模型。

1 綜合能源系統(tǒng)能流

多能協(xié)同的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃問題主要關(guān)注多種能源之間的轉(zhuǎn)換過程，能量樞紐目前被廣泛用于綜合能源系統(tǒng)的建模中。能量樞紐將一個綜合能源系統(tǒng)抽象成為一個能源的輸入、輸出雙端口網(wǎng)絡(luò)，多種能源在其內(nèi)部進(jìn)行轉(zhuǎn)換、分配和存儲。能量樞紐的輸入端與能源網(wǎng)絡(luò)連接以輸入相應(yīng)的電、氣、油等能源，在輸出端輸出電、熱、冷等形式的能源以滿足消費側(cè)的負(fù)荷需求。從實體而言，能量樞紐往往可以對應(yīng)于一座綜合能源站。

一個典型的能量樞紐包括光伏、電儲能系統(tǒng)、電熱鍋爐、熱泵、儲熱裝置、單工況制冷機(jī)、蓄冷裝置以及三聯(lián)供機(jī)組。可以把能量樞紐中的系統(tǒng)元件分為3類：能量轉(zhuǎn)換元件(如電熱鍋爐、熱泵、制冷機(jī)、三聯(lián)供)、能量存儲元件(如電儲能、儲熱、蓄冷)、分布式可再生能源元件(如光伏)。

典型能量樞紐能流如圖1所示。

圖1 典型能量樞紐能流圖

2 綜合能源系統(tǒng)多能流耦合計算方法

每種元件均可等效為能源輸入和能源輸出的雙端元件，只是在輸入和輸出能源類型上有所差別，通過線性化處理后可將能量樞紐的多能流進(jìn)行耦合計算。對于每個優(yōu)化時間斷面，能量樞紐整體的能量流入和流出可由下式計算：

(1)

(2)

根據(jù)多能設(shè)備的輸入輸出特性，可以將其分為能量轉(zhuǎn)換元件、能量存儲元件以及分布式可再生能源元件3種類型。

(1)能量轉(zhuǎn)換元件輸入輸出模型。能量轉(zhuǎn)換元件的輸入輸出功率關(guān)系如下：

(3)

式中ηij,k——能量轉(zhuǎn)換元件k從能量i轉(zhuǎn)換到能量j的效率。

一般來說能量轉(zhuǎn)換元件只將一種能源形式轉(zhuǎn)換為另一種能源形式，如熱泵將電能轉(zhuǎn)換為熱能，則ηij,k為性能系數(shù)COP，所以效率矩陣絕大部分元素為0。三聯(lián)供機(jī)組則能將氣轉(zhuǎn)換為電、熱、冷能，則效率矩陣中ηge,k、ηgh,k、ηgc,k不為0，其他元素為0。

(2)能量存儲元件輸入輸出模型。能量存儲元件是單輸入單輸出元件，能量存儲元件k對于能量i的輸入輸出功率關(guān)系如下：

(4)

(3)分布式可再生能源元件輸入輸出模型。分布式可再生能源元件的輸入為風(fēng)、光等可再生能源，可以看作零輸入單輸出元件，其輸出功率的上限受自然條件的影響。分布式可再生能源元件的功率輸出約束如下：

(5)

3 綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃運行一體化優(yōu)化規(guī)劃模型

3.1 運行策略優(yōu)化

3.1.1 目標(biāo)函數(shù)

多能協(xié)同綜合能源系統(tǒng)運行策略優(yōu)化可以包含多種優(yōu)化目標(biāo)，為了體現(xiàn)以電為中心的特征，本文的優(yōu)化目標(biāo)一方面考慮綜合能源系統(tǒng)的運行成本最小，另一方面考慮用電能占總能源消費量的比例最大來表征以電為中心的規(guī)劃導(dǎo)向。因此，綜合考慮運行成本與電能占總能源消費比例來構(gòu)成目標(biāo)函數(shù)。

(1)運行成本最小。綜合能源系統(tǒng)主要運行成本是能源站運行所購入市電、燃?xì)赓M用。運行成本最小目標(biāo)函數(shù)如式(6)所示：

(6)

式中Cele(t)——t時刻市電電價；Pele(t)——t時刻能源站從大電網(wǎng)購電的功率；Δt——調(diào)度時間間隔；T——總的調(diào)度時間；Cgas(t)——t時刻燃?xì)鈨r格；Pgas(t)——t時刻能源站從外部購入燃?xì)獾牧髁俊?/p>

(2)電能占總能源消費量的比例最大。電能占總能源消費量的比例最大目標(biāo)函數(shù)如下式所示：

(7)

由于僅考慮最大化電能占總能源消費量的比例，會使得電供能設(shè)備投資成本快速上升，因此還需要增加一個經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化目標(biāo)，在最大化電能占總能源消費量比例的解集中尋找經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的解。

(3)多目標(biāo)優(yōu)化。若同時考慮經(jīng)濟(jì)性和電能占總能源消費量比例兩個優(yōu)化目標(biāo)，則采用帶權(quán)極小模理想點法來進(jìn)行多個子目標(biāo)的組合，其組合后的單目標(biāo)函數(shù)如下式所示：

(8)

3.1.2 約束條件

能量樞紐運行策略優(yōu)化主要是滿足供能區(qū)域內(nèi)電負(fù)荷和熱負(fù)荷需求。本節(jié)主要考慮的設(shè)備元件包括蓄熱系統(tǒng)、電鍋爐和熱泵系統(tǒng)。蓄熱系統(tǒng)將結(jié)合電價變化為供能區(qū)域提供熱能，滿足供熱需求。

(1)電負(fù)荷供需平衡約束：

(9)

(2)熱負(fù)荷供需平衡約束：

(10)

(3)能量轉(zhuǎn)換元件功率約束。電供能設(shè)備額定功率往往以電功率表示，因此能量轉(zhuǎn)換元件功率約束如下：

(11)

對于功率不可調(diào)的能量轉(zhuǎn)換元件，功率約束包含0-1整數(shù)變量，如下：

(12)

(4)能量存儲元件功率約束。能量存儲元件對于存儲的功率和容量均有約束，如下：

(13)

(14)

(15)

(5)分布式可再生能源元件功率約束。分布式可再生能源元件輸出功率的上限受自然條件的影響，其功率輸出約束如式(5)。

3.2 雙層優(yōu)化規(guī)劃模型

為了實現(xiàn)在規(guī)劃階段更好地考慮運行階段的實際情況，實現(xiàn)規(guī)劃運行一體化的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃，需要建立綜合能源系統(tǒng)“規(guī)劃運行一體化”優(yōu)化規(guī)劃模型。該問題既涉及設(shè)備容量、數(shù)量的優(yōu)化配置方案，又涉及設(shè)備冷、熱、電運行方式的優(yōu)化，根據(jù)分解協(xié)調(diào)思想，該問題可以轉(zhuǎn)化為雙層規(guī)劃模型。上層規(guī)劃以綜合能源系統(tǒng)內(nèi)部收益率或凈現(xiàn)值最大為目標(biāo)，開展設(shè)備容量、數(shù)量的優(yōu)化配置；下層優(yōu)化對應(yīng)綜合能源系統(tǒng)運行策略優(yōu)化，以上層優(yōu)化的設(shè)備容量和數(shù)量為基礎(chǔ)，將綜合能源系統(tǒng)的運行成本最小和電能占總能源消費量比例最大這2個目標(biāo)分別賦權(quán)構(gòu)成目標(biāo)函數(shù)，考慮設(shè)備運行約束，開展設(shè)備冷、熱、電運行方式的優(yōu)化，并將優(yōu)化目標(biāo)傳遞給上層優(yōu)化用于計算內(nèi)部收益率或凈現(xiàn)值，通過上下層迭代優(yōu)化得到最優(yōu)的“規(guī)劃運行一體化”綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃方案。

雙層規(guī)劃的流程如圖2所示。

圖2 綜合能源系統(tǒng)雙層規(guī)劃模型

3.2.1 上層規(guī)劃模型

(1)優(yōu)化目標(biāo)：

maxIRR

(16)

內(nèi)部收益率可通過下列方程式求解得到：

(17)

式中CIt——第t年綜合能源系統(tǒng)的現(xiàn)金流入量；COt——第t年綜合能源系統(tǒng)的現(xiàn)金流出量。

CIt的值可由下層規(guī)劃計算得到的設(shè)備年運行曲線和運行收益計算得到。CIt包括設(shè)備的初始投資成本和運行維護(hù)成本，初始投資成本可由設(shè)備的容量和數(shù)量計算得到，運行維護(hù)成本中的運行成本可由設(shè)備年運行曲線計算得到，維護(hù)成本可由初始投資按一定比例計算得到。

3.2.2 約束條件

上層規(guī)劃的約束條件主要根據(jù)綜合能源系統(tǒng)空間限制確定的設(shè)備容量和數(shù)量的限制：

(18)

式中nj——第j個設(shè)備的數(shù)量；nlow,j，nup,j——第j個設(shè)備數(shù)量下限和上限；ECrate,j——第j個設(shè)備的容量；ECrate,low,j，ECrate,up,j——第j個設(shè)備容量下限和上限；Erate,j——第j個設(shè)備的功率；Erate,low,j，Erate,up,j——第j個設(shè)備的功率下限和上限。

3.2.3 下層規(guī)劃模型

下層規(guī)劃模型采用多綜合能源系統(tǒng)運行策略優(yōu)化模型。

4 算例研究

4.1 熱負(fù)荷預(yù)測

以某區(qū)域為案例，開展綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃運行一體化優(yōu)化規(guī)劃方法驗證，區(qū)域典型能源站上層優(yōu)化模型以最大化綜合能源系統(tǒng)內(nèi)部收益率為目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)表達(dá)典型日逐時熱負(fù)荷如圖3所示。

圖3 典型日逐時熱負(fù)荷圖

4.2 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)雙層優(yōu)化模型建模，通過優(yōu)化算法計算得出區(qū)域能源站配置方案如表1所示，對比方案1和方案2是由專家經(jīng)驗得到。

能源站供熱滿負(fù)荷運行策略如圖4所示。

表1 雙層優(yōu)化模型最優(yōu)方案

圖4 能源站供熱滿負(fù)荷運行策略圖

由圖4可知，熱負(fù)荷較小時，由中深層地?zé)峁┡?，?fù)荷增大后，優(yōu)先啟動淺層地?zé)徇M(jìn)行補充，電蓄熱鍋爐通過谷電進(jìn)行蓄熱，白天釋熱調(diào)峰，天然氣鍋爐作為補充熱源和調(diào)峰熱源，滿足剩余供熱需求。

4.3 經(jīng)濟(jì)性比較

各方案經(jīng)濟(jì)性對比如表2所示。利用雙層優(yōu)化模型建模計算得到的優(yōu)化配置方案其全部投資稅后內(nèi)部收益率為6.79%，優(yōu)于由專家經(jīng)驗得到的方案1的6.69%和方案2的5.92%。

表2 各方案經(jīng)濟(jì)性對比 %

5 結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)能源規(guī)劃互相割裂、優(yōu)化難度大等問題，建立了多能協(xié)同綜合能源系統(tǒng)典型元件模型及多能流耦合計算方法，提出了多能協(xié)同綜合能源系統(tǒng)雙層迭代混合整數(shù)優(yōu)化規(guī)劃方法，支撐了規(guī)劃運行一體化的多能協(xié)同綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)規(guī)劃。案例分析驗證了多能協(xié)同綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃模型的正確性，優(yōu)化方案的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于傳統(tǒng)專家經(jīng)驗得到的規(guī)劃方案。