綜合能源系統(tǒng)電－氣－冷－熱互濟(jì)協(xié)調(diào)規(guī)劃模型研究

郭峻男， 張鵬， 王坦， 謝添添， 岳廣偉， 謝寧

(1. 國(guó)網(wǎng)河南省電力公司駐馬店供電公司， 河南 駐馬店 463000；2. 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院， 上海 200240)

0 引言

風(fēng)能、 太陽(yáng)能發(fā)電存在著嚴(yán)重的棄風(fēng)、 棄光問(wèn)題， 解決思路之一是進(jìn)行能源儲(chǔ)存， 克服間歇性、波動(dòng)性的弊端。 但是目前電力儲(chǔ)存技術(shù)尚處于起步階段， 于是利用能源轉(zhuǎn)換來(lái)消納可再生能源的構(gòu)想得以誕生[1]。

基于上述背景， 研究綜合能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)規(guī)劃具有重要的意義， 目前有關(guān)綜合能源系統(tǒng)的文章主要集中在對(duì)電、 氣、 冷、 熱耦合模型的構(gòu)建。 文獻(xiàn)[2]主要是對(duì)社區(qū)級(jí)的綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行研究， 引入了能源集線器作為綜合能源系統(tǒng)的重要載體， 主要考慮電、 冷、 氣、 熱的協(xié)調(diào)互補(bǔ)問(wèn)題， 以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與經(jīng)濟(jì)性的平衡。 文獻(xiàn)[3] 考慮了風(fēng)電、 光伏等分布式能源發(fā)電及綜合需求響應(yīng)，建立了基于智能集線器的綜合能源系統(tǒng)雙層優(yōu)化模型， 并提出了一種基于聯(lián)盟博弈的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行方法， 利用分布式聯(lián)盟構(gòu)造算法進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[4] 建立了計(jì)及條件風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值的綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型， 以期望成本和條件風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值確定能源集線器的運(yùn)行方式， 并將條件風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值引入目標(biāo)函數(shù)中， 用以限制可能面臨的風(fēng)險(xiǎn)。 文獻(xiàn)[5]將需求側(cè)響應(yīng)考慮到綜合能源系統(tǒng)中， 以運(yùn)行成本最低為目標(biāo)， 求解優(yōu)化模型。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于綜合能源系統(tǒng)的研究已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展， 然而現(xiàn)有的研究大多是以電力系統(tǒng)為起點(diǎn)， 拓展到其他領(lǐng)域。 雖然模型已經(jīng)越來(lái)越精細(xì)、 復(fù)雜， 但很少有基于熱力學(xué)和流體力學(xué)的綜合能源系統(tǒng)研究， 這使得非電系統(tǒng)的能量流動(dòng)難以應(yīng)用于實(shí)際情況。 本文在耦合設(shè)備建模的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)電、 氣、 冷、 熱等配送網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃建模， 旨在提出一種可靠有效的協(xié)調(diào)規(guī)劃模型， 并進(jìn)行詳細(xì)的運(yùn)行分析， 以應(yīng)對(duì)實(shí)際需求。

1 綜合能源系統(tǒng)潮流分析

綜合能源系統(tǒng)與傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的區(qū)別在于內(nèi)部含有諸多承擔(dān)著能源之間相互轉(zhuǎn)化的耦合設(shè)備， 本文結(jié)合實(shí)際某小區(qū)綜合能源系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。 如圖1 所示， 包含5 種耦合設(shè)備: 節(jié)點(diǎn)ES7 與微型燃?xì)廨啓C(jī)(gas turbine， GT) 相連， 節(jié)點(diǎn)GS6與燃?xì)忮仩t(gas boiler， GB) 相連， 節(jié)點(diǎn)ES3 與電熱鍋爐(electric boiler， EB) 相連， 節(jié)點(diǎn)ES9 與電制冷機(jī)(electric chiller， EC) 以及溴化鋰吸收式制冷機(jī) (absorption chiller， AC) 相連。 其中，節(jié)點(diǎn)ES5 為平衡節(jié)點(diǎn)； 節(jié)點(diǎn)ES4、 ES6、 ES7 為PV節(jié)點(diǎn)； 電力網(wǎng)絡(luò)中的其余節(jié)點(diǎn)都是PQ 節(jié)點(diǎn)。 以下各公式中字母角標(biāo)GT、 GB、 EB、 EC、 AC 分別表示微型燃?xì)廨啓C(jī)、 燃?xì)忮仩t、 電熱鍋爐、 電制冷機(jī)、 溴化鋰吸收式制冷機(jī)； 角標(biāo)e、 c、 h、 g 分別表示電、 冷、 熱、 氣系統(tǒng)。

圖1 綜合能源系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)耦合設(shè)備建模

1.1.1 燃?xì)廨啓C(jī)

燃?xì)廨啓C(jī)的數(shù)學(xué)建模如下:

式中，Pg，GT為燃?xì)廨啓C(jī)的天然氣消耗功率；fGT為向燃?xì)廨啓C(jī)輸送的天然氣流量；HL為天然氣的低位熱值， 這里取8.5 kJ/kg；Pe，GT為燃?xì)廨啓C(jī)的凈輸出電功率；ηe，GT為燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率。

1.1.2 燃?xì)忮仩t

燃?xì)忮仩t的數(shù)學(xué)模型如下:

式中，Qh，GB為燃?xì)忮仩t的輸出熱功率；fGB為向燃?xì)忮仩t輸送的天然氣流量；ηGB為燃?xì)忮仩t的總效率。

1.1.3 電熱鍋爐

電熱鍋爐可進(jìn)行電力網(wǎng)絡(luò)和熱力網(wǎng)絡(luò)的能量轉(zhuǎn)換， 即電轉(zhuǎn)熱(power to heat， P2H)。 電熱轉(zhuǎn)換關(guān)系為[6]:

式中，Qh，EB為電熱鍋爐輸出的熱功率；Pe，EB為電熱鍋爐消耗的電功率；ηEB，H為電熱鍋爐的電熱轉(zhuǎn)換效率；ηEB，Loss為熱損失率。

1.1.4 電制冷機(jī)

電制冷機(jī)組的數(shù)學(xué)模型為[7]:

式中，Pc，EC為電制冷機(jī)的輸出冷功率；Pe，EC為電制冷機(jī)的輸入電功率；CEC為電制冷機(jī)的制冷系數(shù)。

1.1.5 溴化鋰吸收式制冷機(jī)

溴化鋰水溶液是目前吸收式制冷機(jī)常用的工質(zhì)對(duì)， 溴化鋰吸收式制冷機(jī)的冷出力與吸收熱量之間的關(guān)系為:

式中，Qc，AC為吸收式制冷機(jī)的輸出冷功率；Qh，AC為吸收式制冷機(jī)的輸入熱功率；CAC為吸收式制冷機(jī)的制冷系數(shù)。

耦合設(shè)備在綜合能源系統(tǒng)各能源協(xié)調(diào)配合中起到?jīng)Q定性作用， 通過(guò)能量轉(zhuǎn)化功能實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)的互濟(jì)協(xié)調(diào)。

1.2 各能源系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行分析

本文研究的三種能源系統(tǒng)潮流穩(wěn)態(tài)計(jì)算， 在單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)中各自分開(kāi)運(yùn)算， 完成后在各網(wǎng)絡(luò)耦合處交叉回推驗(yàn)證邊界條件， 當(dāng)所有約束都滿足后輸出結(jié)果， 流程如圖2 所示。

其中， 對(duì)于網(wǎng)絡(luò)潮流計(jì)算模塊， 需要用到不同的算法。 在電力網(wǎng)絡(luò)與天然氣網(wǎng)絡(luò)的潮流計(jì)算中，本文采用牛頓－拉夫遜法[8]求解。 熱力系統(tǒng)潮流計(jì)算中， 確定管路的水流量及負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的供給溫度、返回溫度是主要目的。 一般采用主回路法或者前推回代潮流計(jì)算[9]。

1.2.1 電力網(wǎng)絡(luò)潮流計(jì)算

電力網(wǎng)絡(luò)的潮流計(jì)算主要關(guān)注節(jié)點(diǎn)電壓及功率的分布。 節(jié)點(diǎn)的有功無(wú)功平衡方程在直角坐標(biāo)下的表達(dá)式為:

同時(shí)， 對(duì)于PV 節(jié)點(diǎn)， 有電壓方程:

式中，Gij、Bij分別為節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣第i行j列的實(shí)部和虛部；Pi為PQ 節(jié)點(diǎn)和PV 節(jié)點(diǎn)注入的有功功率；Qi為PQ 節(jié)點(diǎn)注入的無(wú)功功率；Ui為PV 節(jié)點(diǎn)的電壓大??；ei和fi分別為迭代過(guò)程中求得的節(jié)點(diǎn)電壓實(shí)部和虛部。

線路的功率公式:

式中，Sij、Pij、Qij分別表示線路流過(guò)節(jié)點(diǎn)i、j間線路的復(fù)功率、 有功功率和無(wú)功功率；Ui為i節(jié)點(diǎn)的電壓相量；、分別為i、j節(jié)點(diǎn)的電壓相量的共軛；為系統(tǒng)中i、j節(jié)點(diǎn)間導(dǎo)納的共軛；為系統(tǒng)中i節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)間導(dǎo)納的共軛。

1.2.2 天然氣網(wǎng)絡(luò)潮流計(jì)算

1) 管道壓力潮流方程

假設(shè)一個(gè)理想的天然氣網(wǎng)絡(luò): 首先管道處于水平狀態(tài)， 內(nèi)部是恒定的等溫氣流， 忽略動(dòng)能的變化[10]； 在管道的整個(gè)長(zhǎng)度中， 認(rèn)為摩擦系數(shù)和氣體壓縮因子恒定不變。 由此可將天然氣網(wǎng)絡(luò)類比為電力網(wǎng)絡(luò)的支路功率方程。 由于能量守恒， 節(jié)點(diǎn)m、n之間管道的穩(wěn)定狀態(tài)下的流量方程為:

式中，fmn為流過(guò)管道m(xù)、n的天然氣流量；Kmn是與管道效率、 內(nèi)徑、 長(zhǎng)度、 溫度、 壓縮系數(shù)相關(guān)的常數(shù)；smn反映了管道流量的方向；Pm、Pn分別表示的是m、n節(jié)點(diǎn)的壓強(qiáng)；μ1為天然氣管道的效率參數(shù)， 通常取0.8~1；C0為常數(shù)0.038 48；D為管道內(nèi)直徑；λ為管道摩擦系數(shù)；Z為氣體壓縮因子；G為同一溫度、 壓力下天然氣的相對(duì)密度， 取0.6，即設(shè)空氣的密度為1， 天然氣相對(duì)于空氣的密度為0.6；L為管道長(zhǎng)度；Tb為管道內(nèi)的平均溫度。

2) 天然氣壓縮機(jī)能耗計(jì)算方程

為了保證天然氣運(yùn)輸效率， 必須補(bǔ)償天然氣運(yùn)輸過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到的摩擦阻力和壓力損失[11]。為此， 通常會(huì)在天然氣管道系統(tǒng)中安裝若干壓縮機(jī)， 以保證管道的壓力。 這些壓縮機(jī)的運(yùn)行也需要額外的能量[12]， 如圖3 所示。 一部分天然氣會(huì)用于燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)工作， 燃?xì)廨啓C(jī)消耗的天然氣可等效為天然氣網(wǎng)絡(luò)中的損耗。 等效損耗Hk的計(jì)算公式為:

圖3 壓縮機(jī)工作示意圖

式中，Bk為與壓縮機(jī)溫度、 效率、 絕熱指數(shù)相關(guān)的壓縮機(jī)出力系數(shù)；fy為通過(guò)壓縮機(jī)的流量。

另外有轉(zhuǎn)換方程:

式中，τ為壓縮機(jī)消耗的天然氣流量；α、β、γ均為能量轉(zhuǎn)換效率常數(shù)。

1.2.3 熱力網(wǎng)絡(luò)潮流計(jì)算

熱網(wǎng)是由完全相同的供水網(wǎng)絡(luò)和回水網(wǎng)絡(luò)組成， 熱網(wǎng)的支路特性與管網(wǎng)兩端的溫度和壓力變化、 管道的特性和外界溫度有關(guān)； 網(wǎng)絡(luò)的基本定律取決于熱網(wǎng)的拓?fù)洌?因此需要從水力和熱力兩方面創(chuàng)建熱網(wǎng)的平衡方程[13]。

1) 水力方程

節(jié)點(diǎn)注入水流量大小由下式計(jì)算:

式中，A為熱力管道與節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)矩陣；M為管道流量；Mq為節(jié)點(diǎn)上網(wǎng)注入水流量。

壓強(qiáng)損失方程表征的是管道內(nèi)部壓力損失與水流量之間的關(guān)系， 具體如下:

式(16) 中，hf為壓力損失向量， 即管道兩端壓力差， 因?yàn)楣艿懒髁縈有正負(fù)， 所以計(jì)算出兩節(jié)點(diǎn)的壓力差不能直接用M的平方， 而是M乘以M的絕對(duì)值， 因?yàn)槿鬗是負(fù)數(shù)， 平方后壓力差會(huì)與實(shí)際情況相反；Zp為各管道的阻抗系數(shù)， 主要取決于管道直徑、 液體物理性質(zhì)。 式(17) 中，L為管道長(zhǎng)度；f為摩擦系數(shù)；ρ為水的密度；g為重力加速度。 式(18) 中，ε為管道的粗糙度；Re為雷諾數(shù)。 式(19) 中，μ2為水的動(dòng)力黏度。

2) 熱力方程

如圖4 所示， 熱網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)溫度主要分為節(jié)點(diǎn)供給溫度Ts、 節(jié)點(diǎn)返回溫度T0和節(jié)點(diǎn)返回混合溫度Tr三種。 節(jié)點(diǎn)供給溫度與節(jié)點(diǎn)返回溫度分別是指熱水流經(jīng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)前、 后的溫度。 節(jié)點(diǎn)返回混合溫度是指熱水離開(kāi)節(jié)點(diǎn)與匯合管道交匯后的溫度[14]。

圖4 熱網(wǎng)節(jié)點(diǎn)溫度示意

熱力方程如下:

式中，Φ為節(jié)點(diǎn)的注入熱功率向量；Cp為工質(zhì)比熱容；Ts為各節(jié)點(diǎn)的供熱溫度向量；To為各節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷出口溫度向量；Ts，i、Tr，i分別為管道入口節(jié)點(diǎn)i的供給溫度和返回混合溫度；Ts，j、Tr，j分別為管道出口節(jié)點(diǎn)j的供給溫度和返回混合溫度；Ta為管道外的自然溫度；λ0為每米管道的傳輸阻抗；Lij為i、j節(jié)點(diǎn)的管道長(zhǎng)度；Mij表示熱力管道i、j節(jié)點(diǎn)間的管道水流量。

2 綜合能源系統(tǒng)電－氣－冷－熱協(xié)調(diào)規(guī)劃模型

綜合能源系統(tǒng)在規(guī)劃層面上要注意諸多問(wèn)題，首先要滿足整個(gè)系統(tǒng)的供需平衡[15]； 除此之外，規(guī)劃模型還要考慮各種出力機(jī)組的出力約束， 各類網(wǎng)絡(luò)自身的特性及各子系統(tǒng)之間的耦合約束等。

本文對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)、 天然氣網(wǎng)絡(luò)、 熱力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行類比， 以電力系統(tǒng)為例， 建立天然氣網(wǎng)與熱網(wǎng)的規(guī)劃模型， 并且以用能成本最小和網(wǎng)絡(luò)損耗最小為目標(biāo)[16]， 考慮上述約束， 構(gòu)建統(tǒng)一的綜合能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)規(guī)劃模型。

2.1 協(xié)調(diào)規(guī)劃模型目標(biāo)函數(shù)

2.1.1 用能成本最小

確定單位時(shí)間為1 h 內(nèi)消耗的電能和天然氣的成本之和最小為目標(biāo)[17]。

式中，C為1 h 內(nèi)綜合能源系統(tǒng)的能耗總成本；Pe為上級(jí)電網(wǎng)向系統(tǒng)輸送的電功率；ce為向上級(jí)電網(wǎng)的購(gòu)電價(jià)格；Δt為單位時(shí)間， 取1 h；fg為外部天然氣管向IES 系統(tǒng)輸送的天然氣流量；cg為天然氣的價(jià)格；xi(i＝1， 2， …，n) 表示綜合能源系統(tǒng)中第i個(gè)耦合裝置出力的大??；f1、f2分別表示綜合能源系統(tǒng)的總用電功率和總用氣流量與耦合裝置出力之間的函數(shù)關(guān)系， 取決于IES 網(wǎng)絡(luò)的具體結(jié)構(gòu)[18]。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)損耗最小

在綜合能源系統(tǒng)中的網(wǎng)損分為三個(gè)部分， 即電力網(wǎng)絡(luò)中的線損、 熱力網(wǎng)絡(luò)中的溫度損失、 天然氣網(wǎng)絡(luò)中的壓縮機(jī)損耗。

式中，QL為總網(wǎng)損；Pe，Loss為電網(wǎng)有功損耗；Qg，Loss為天然氣網(wǎng)絡(luò)中的壓縮機(jī)損耗；Qh，Loss為熱力網(wǎng)絡(luò)中的功率損耗；τi表示第i個(gè)壓縮機(jī)消耗的天然氣流量；f3、f4、f5分別表示綜合能源系統(tǒng)的電損、氣損和熱損與耦合裝置出力之間的函數(shù)關(guān)系， 取決于IES 網(wǎng)絡(luò)的具體結(jié)構(gòu)。

2.2 約束條件

約束條件包括系統(tǒng)能量供需平衡約束、 技術(shù)參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)約束[19]。 電力系統(tǒng)供需平衡約束方程見(jiàn)式(27)。 天然氣系統(tǒng)供需平衡約束方程見(jiàn)式(28)， 熱力系統(tǒng)供需平衡約束方程見(jiàn)式(29)。

式中，Pe，S為綜合能源系統(tǒng)向上級(jí)電網(wǎng)購(gòu)買的電功率；Pi，e為第i個(gè)分布式電源輸出的電功率；Pe，Loss為綜合能源系統(tǒng)電網(wǎng)中的線路損耗；Pj，e，L為第j個(gè)用電負(fù)荷消耗的電功率；Qg，S為綜合能源系統(tǒng)向天然氣網(wǎng)購(gòu)買的燃?xì)庵?；Qi，g，c為第i個(gè)耦合設(shè)備向天然氣網(wǎng)輸入的功率；Qg，Loss為天然氣網(wǎng)絡(luò)中的壓縮機(jī)總的消耗功率；Qj，g，L為第j個(gè)氣負(fù)荷消耗的氣功率；Qi，h，S為第i個(gè)熱源向熱力網(wǎng)絡(luò)輸送的熱功率；Qh，Loss為熱力網(wǎng)絡(luò)中存在的能量損耗；Qj，h，L為第j個(gè)熱負(fù)荷消耗的熱功率。

此外， 還有發(fā)電機(jī)組出力上下限約束、 節(jié)點(diǎn)電壓上下限約束、 天然氣設(shè)備出力上下限約束、 管道可承受壓強(qiáng)約束、 壓縮機(jī)壓縮比約束、 熱力設(shè)備上下限出力約束、 熱網(wǎng)節(jié)點(diǎn)溫度約束、 水流量約束[20]， 分別用以下公式表示:

式中，Pe，i、Pe，i，min、Pe，i，max分別為i類型的電設(shè)備的出力情況、 正常運(yùn)行時(shí)的最小和最大電功率；Vi、Vi，min、Vi，max分別為節(jié)點(diǎn)i的電壓幅值、 下限和上限；Qg，j、Qg，j，min、Qg，j，max分別為j類型的燃?xì)庠O(shè)備的出力、 正常運(yùn)行時(shí)的最小和最大出力；Pm、Pm，min、Pm，max分別為天然氣管道節(jié)點(diǎn)m的壓強(qiáng)、 所能承受的最小和最大壓強(qiáng)；ki，c、ki，c，min、ki，c，max分別為天然氣管道中第i個(gè)壓縮機(jī)的壓縮比、 壓縮比的下限和上限；Qh，n、Qh，n，min、Qh，n，max分別為n類型的熱設(shè)備的出力、 正常運(yùn)行時(shí)的最小和最大出力；Mij、Mij，min、Mij，max分別為熱網(wǎng)中ij支路的水流量、 水流量下限和上限；Ti、Ti，min、Ti，max分別為熱網(wǎng)節(jié)點(diǎn)i的溫度、 溫度的下限和上限。

3 算例分析

3.1 算例參數(shù)設(shè)置

三種系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1—5。

表1 電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)參數(shù)

表2 電力系統(tǒng)支路參數(shù)

表3 天然氣系統(tǒng)管道參數(shù)

表4 熱力網(wǎng)絡(luò)管道參數(shù)

表5 耦合裝置參數(shù)

天然氣網(wǎng)絡(luò)中天然氣在同氣壓、 溫度下相對(duì)密度G取0.6， 管道效率μ1取0.9， 管內(nèi)平均溫度Tb為293 K， 氣體壓縮因子Z設(shè)為0.92， 管道摩擦系數(shù)λ為0.026， 壓縮機(jī)效率ηk為0.86， 能量轉(zhuǎn)換效率常數(shù)α、β、γ分別為0、 0.02×10－3、 0。 天然氣系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)GS1、 GS3、 GS6 的壓強(qiáng)分別為100 kPa、 110 kPa、 120 kPa。

天然氣管道設(shè)置2 個(gè)壓縮機(jī)， 二者的Bk與壓縮機(jī)溫度、 絕熱指數(shù)、 效率有關(guān)， 在此設(shè)置為3.76×107， 氣體壓縮因子Z設(shè)為0.92。 熱力網(wǎng)絡(luò)供水溫度設(shè)置為80℃， 混合回水溫度設(shè)置為40℃，水的比熱容為4.2 kJ/ (kg?K)。

通過(guò)分析得出， 在此系統(tǒng)中， 當(dāng)給定GT、GB、 EB 三個(gè)耦合裝置的功率， EC、 AC 的功率也將被確定。 因此將這三種耦合裝置的功率作為自變量求解整個(gè)模型。

3.2 不同場(chǎng)景下的規(guī)劃結(jié)果及分析

本實(shí)例依據(jù)某地區(qū)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行改編: 已知該地區(qū)的熱負(fù)荷1 為210 kW， 熱負(fù)荷2 為153 kW，冷負(fù)荷為253 kW； 該地區(qū)的電價(jià)為0.43 元/kW?h，從天然氣管道購(gòu)買天然氣的價(jià)格為2.8 元/m3； 外界溫度為20 ℃。 同時(shí)該地區(qū)GT 出力150 kW， GB出力250 kW， EB 出力300 kW。

利用求解器Yalmip ＋Gurobi 進(jìn)行模型規(guī)劃求解， 從而分析這一地區(qū)不同季節(jié)下綜合能源系統(tǒng)會(huì)受到的影響。 其中， 初始條件的設(shè)置見(jiàn)表6， 由于秋季負(fù)荷與春季相似， 故將秋季并入春季。

表6 不同季節(jié)下的初始條件

設(shè)該地區(qū)的電價(jià)為0.46 元/kW?h， 從天然氣管道購(gòu)買天然氣的價(jià)格為3 元/m3。

圖5、 圖6 為只改變橫坐標(biāo)GT 變量， 剩余兩個(gè)耦合變量出力保持250 kW 不變的情況下， 綜合能源系統(tǒng)在不同場(chǎng)景下的成本和網(wǎng)損變化情況。

圖5 不同季節(jié)場(chǎng)景下的成本

圖6 不同季節(jié)場(chǎng)景下的網(wǎng)損

在該地區(qū)， 用能費(fèi)用與負(fù)荷量呈正相關(guān)， 夏季負(fù)荷最大， 冬季其次， 春季最低； 夏季用能費(fèi)用最高， 冬季其次， 春季最低。 不同季節(jié)的用能費(fèi)用變化量相同， 受自變量影響的斜率幾乎相同。 熱網(wǎng)損耗的關(guān)鍵因素是外界溫度， 溫度越低， 損耗越大。春季熱網(wǎng)損耗約為11.2 kW， 夏季熱網(wǎng)損耗在8.4 kW到8.5 kW， 冬季高達(dá)15.4 kW。 電網(wǎng)損耗與負(fù)荷有關(guān)， 總負(fù)荷越高， 電網(wǎng)損耗越高。 電力系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)損耗的影響較小， 熱力系統(tǒng)占主導(dǎo)地位。溫度對(duì)系統(tǒng)能量損耗的影響很大， 冬季溫度低損耗大； 夏季溫度最高， 損耗最小。

3.3 耦合裝置出力變化對(duì)系統(tǒng)的影響

在系統(tǒng)內(nèi)電熱鍋爐EB 保持300 kW 出力、 燃?xì)忮仩tGB 保持300 kW 出力不變的情況下， 燃?xì)廨啓C(jī)GT 出力從150 kW 增加到300 kW， 對(duì)綜合能源系統(tǒng)的影響見(jiàn)表7。

表7 GT 出力對(duì)綜合能源系統(tǒng)的影響

在系統(tǒng)內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)GT 保持250 kW 出力、 燃?xì)忮仩tGB 保持300 kW 出力不變的情況下， 電熱鍋爐EB 出力從200 kW 增加到350 kW， 對(duì)綜合能源系統(tǒng)的影響見(jiàn)表8。

表8 EB 出力對(duì)綜合能源系統(tǒng)的影響

在系統(tǒng)內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)GT 保持250 kW 出力、 電熱鍋爐EB 保持250 kW 出力不變的情況下， 燃?xì)忮仩tGB 出力從200 kW 增加到350 kW， 對(duì)綜合能源系統(tǒng)的影響見(jiàn)表9。

表9 GB 出力對(duì)綜合能源系統(tǒng)的影響

隨著燃?xì)廨啓C(jī)功率的增加， 從電網(wǎng)購(gòu)電的成本減少； 而用氣成本則隨著燃?xì)廨啓C(jī)輸出的增加而升高； 總成本因電價(jià)高于天然氣價(jià)格而降低。 然而，天然氣的能量利用率低于電能的， 對(duì)總網(wǎng)絡(luò)損失的影響也大。 燃?xì)廨啓C(jī)功率增加會(huì)使電網(wǎng)網(wǎng)損降低，這源于分布式電源的輸出增加， 有助于減少網(wǎng)損。

電熱鍋爐輸出增加導(dǎo)致成本上升， 由于EB 負(fù)荷增加、 EC 輸出減少， 整體用電成本增加； 天然氣成本保持不變， 總體成本上升。 電力損耗隨EB輸出增加呈下降趨勢(shì)， 整體上等價(jià)于負(fù)荷前移導(dǎo)致的總損耗減少； 天然氣損耗保持不變， 熱力損耗增加， 總體呈下降趨勢(shì)， 電力損耗占主導(dǎo)地位。

GB 產(chǎn)出增加導(dǎo)致EC 出力減少和用電量減少，用電成本降低； 盡管用氣成本升高， 但總成本仍呈下降趨勢(shì)。 電力損耗隨著GB 的產(chǎn)出增加而降低，但天然氣損耗和熱力損耗卻都增加， 總損耗也在增加， 天然氣損耗仍為主導(dǎo)因素。

總之， GT 的功率增加可以降低總的能源成本，但是會(huì)導(dǎo)致總損耗增加； EB 的功率增加則會(huì)使成本增加， 但是對(duì)損耗的影響不大， 總損耗略微減少； GB 的功率增加可以降低總的能源成本， 但是天然氣損耗和熱力損耗都是增加的， 對(duì)損耗的影響也最大， 會(huì)顯著增加總損耗。

4 結(jié)語(yǔ)

考慮綜合能源系統(tǒng)內(nèi)部互相影響的電－氣－冷－熱因素， 通過(guò)規(guī)劃建模、 潮流仿真和案例分析來(lái)評(píng)估系統(tǒng)。 通過(guò)實(shí)際算例驗(yàn)證了所構(gòu)建模型的有效性與實(shí)用性， 下一步可以著眼于以下兩點(diǎn)展開(kāi)研究。

1) 在綜合能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)規(guī)劃模型上， 本文只探討了靜態(tài)潮流模型， 現(xiàn)有的統(tǒng)一模型無(wú)法考察能源系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性與多時(shí)間尺度特性， 對(duì)于動(dòng)態(tài)潮流模型未來(lái)可以進(jìn)行更深入的研究。

2) 熱力系統(tǒng)、 天然氣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建模存在簡(jiǎn)化處理， 忽略了熱力網(wǎng)絡(luò)中的熱力時(shí)延問(wèn)題， 最終數(shù)據(jù)難免存在誤差， 因此未來(lái)研究可以著重考慮這兩個(gè)系統(tǒng)的建模， 進(jìn)行更精細(xì)的分析。

綜合能源系統(tǒng)目前尚處于起步階段， 大量工作仍聚焦于理論方面， 但能帶來(lái)的社會(huì)潛在效益是巨大的， 在提高能源利用效率、 降低能耗和排放、 增強(qiáng)能源安全、 利用可再生能源、 實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行等方面， 對(duì)于能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。