計(jì)及碳排放約束的農(nóng)漁互補(bǔ)溫室綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度

胡長斌,蔡曉欽,羅珊娜,趙鑫宇

(北方工業(yè)大學(xué),北京 100144)

0 引言

發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)并推進(jìn)農(nóng)村能源轉(zhuǎn)型,將設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園與農(nóng)村產(chǎn)業(yè)相互融合發(fā)展既可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)競爭力,又可以促進(jìn)資源消納[1]。目前,我國農(nóng)村農(nóng)業(yè)溫室的能源供應(yīng)以煤炭為主,能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)不合理,能源利用率較低,碳污染物排放量較高[2],不符合碳達(dá)峰與碳中和的目標(biāo)。因此,構(gòu)建綠色高效的能源供應(yīng)體系具有重要意義,這有利于多種能源間的協(xié)同優(yōu)化,突破原有能源系統(tǒng)單一供應(yīng)形式的局限[3]。

在“雙碳”目標(biāo)背景下,逐漸減少煤炭使用量、降低系統(tǒng)碳排放,一方面可以運(yùn)用碳交易機(jī)制,另一方面可使用相對(duì)清潔的天然氣、電能作為能源供給,滿足農(nóng)業(yè)設(shè)施采暖等需求的同時(shí)減少碳排放,提升經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性。張曉輝通過構(gòu)建碳交易機(jī)制驗(yàn)證規(guī)劃在系統(tǒng)中低碳經(jīng)濟(jì)的有效性[4]。蔣超凡等對(duì)城市工業(yè)園區(qū)角度的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)展開研究,對(duì)電冷熱氣等多種能源形成的多能網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行了建模以及分析,達(dá)到節(jié)能效果[5]。陳偉等針對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)在生產(chǎn)過程中能源得不到高效利用且能耗費(fèi)用較高的問題,提出了一種計(jì)及風(fēng)光就地消納的設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方法[6]。付學(xué)謙等通過目前國內(nèi)外研究背景及3個(gè)案例,分析了農(nóng)業(yè)園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)存在的關(guān)鍵問題,為溫室農(nóng)業(yè)綜合能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)奠定了理論基礎(chǔ)[7]。王維洲等從農(nóng)業(yè)大棚及其供能系統(tǒng)角度,構(gòu)建了農(nóng)業(yè)負(fù)荷的光伏智慧農(nóng)業(yè)大棚微型能源網(wǎng),采用二階振蕩文化粒子群求解算法,解決了微型能源網(wǎng)多種能量流的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性與可靠性的問題[8]。

在優(yōu)化運(yùn)行算法上,許多文獻(xiàn)對(duì)于綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行相關(guān)的問題已有較為深入的研究,求解該類優(yōu)化問題采用較多的數(shù)學(xué)方法是混合整數(shù)線性規(guī)劃法和混合整數(shù)非線性程序仿真[9]。LUO F Z等針對(duì)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)中的電冷熱氣4種儲(chǔ)能系統(tǒng),采用混合整數(shù)線性規(guī)劃法進(jìn)行優(yōu)化配置[10];WANG Y L等提出了一種實(shí)現(xiàn)區(qū)域智能系統(tǒng)配置的雙層優(yōu)化模型[11]。陳柏翰等采用CPLEX 數(shù)學(xué)規(guī)劃方法建立電能、風(fēng)能、太陽能、天然氣和儲(chǔ)能為能量互補(bǔ)形式的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng),解決了并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)營運(yùn)成本最小化問題及孤島運(yùn)行時(shí)能源利用率最大化問題[12]。但是上述大部分學(xué)者研究的角度是從工業(yè)園區(qū)方面以及農(nóng)村產(chǎn)業(yè)方面,鮮有文章考慮農(nóng)漁互補(bǔ)溫室下的能量流動(dòng)在綜合能源系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié),也未將優(yōu)化運(yùn)行策略同碳交易機(jī)制有效結(jié)合,進(jìn)一步發(fā)揮系統(tǒng)節(jié)能減排的效用。

因此,本文建立獎(jiǎng)懲機(jī)制的碳交易經(jīng)濟(jì)模型,以適應(yīng)源荷儲(chǔ)綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)度問題,提出了考慮動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征的農(nóng)漁互補(bǔ)溫室綜合能源優(yōu)化調(diào)度策略。首先簡述了農(nóng)漁互補(bǔ)溫室綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及用能特征,構(gòu)建了面向生態(tài)養(yǎng)殖的農(nóng)漁互補(bǔ)溫室下的能量流動(dòng)多環(huán)節(jié)耦合模型以及各環(huán)節(jié)約束模型。然后從經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性兩方面入手,引入含有獎(jiǎng)懲的階梯型碳交易機(jī)制,提出了滿足溫室動(dòng)態(tài)需求以及需求側(cè)生活的分層運(yùn)行架構(gòu)。最后通過實(shí)例分析了不同場景下溫室動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征,探討了所提分層運(yùn)行對(duì)農(nóng)漁互補(bǔ)溫室綜合能源系統(tǒng)的影響。

1 農(nóng)漁互補(bǔ)溫室綜合能源系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

農(nóng)漁互補(bǔ)溫室綜合能源系統(tǒng)具有設(shè)備耦合關(guān)系復(fù)雜,設(shè)備類型多種多樣等特異性,為了響應(yīng)雙碳目標(biāo),將溫室中的生態(tài)養(yǎng)殖與綜合能源系統(tǒng)結(jié)合,將滿足自身需求后多余的能量售出,從而提高經(jīng)濟(jì)性。綜合能源系統(tǒng)既要滿足溫室每日電負(fù)荷需求,還應(yīng)滿足冷熱負(fù)荷的需求。系統(tǒng)能量流動(dòng)方向及組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)能量流動(dòng)方向及組成

考慮將電熱冷氣等多種能源協(xié)同互補(bǔ)進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行,以保證對(duì)多種能源的充分利用。圖1中構(gòu)建了區(qū)域綜合能源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)耦合關(guān)系,溫室用戶側(cè)電力系統(tǒng)可由大電網(wǎng)、風(fēng)電、光伏、燃?xì)廨啓C(jī)以及電池的放電供應(yīng);溫室冷力系統(tǒng)可由電制冷機(jī)與吸收式制冷機(jī)同時(shí)向儲(chǔ)冷水箱提供;溫室熱力系統(tǒng)可由燃?xì)廨啓C(jī)流向余熱鍋爐的熱量與太陽能供熱、燃?xì)忮仩t以及電鍋爐產(chǎn)生的熱量一同流向蓄熱水箱提供;溫室燃?xì)饪捎扇細(xì)庖约半娹D(zhuǎn)氣設(shè)備產(chǎn)生。

1.2 耦合數(shù)學(xué)模型

1.2.1 關(guān)系矩陣

輸入能量矩陣P i和輸出負(fù)荷矩陣L i有如下關(guān)系

式中:C ij為系統(tǒng)耦合關(guān)系常數(shù)矩陣;F i為能量消耗矩陣。

考慮多個(gè)能源系統(tǒng)耦合關(guān)系,并將矩陣進(jìn)行展開,得到如下擴(kuò)展關(guān)系矩陣

式中:LP、LC、LH、Lg分別為電、冷、熱、氣的負(fù)荷需求;PP為產(chǎn)電總量;QC為產(chǎn)冷總功率;HH為產(chǎn)熱總功率;Vg為天然氣的總進(jìn)氣量;PP2G為電轉(zhuǎn)氣設(shè)備(P2G)的電需求;PBT為電池儲(chǔ)能的供電功率;Hhwt為儲(chǔ)熱系統(tǒng)的供熱功率。

系統(tǒng)耦合關(guān)系常數(shù)矩陣C ij具體表示為

式中:α1、α2、α3分別為冷能、熱能、氣能的能量分配系數(shù);β1、ξ1分別為輸入的能量在機(jī)組之間的不同能量分配系數(shù),β1、ξ1、α1、α2、α3∈[0,1];ηCP、ηHP、ηgP分別為電在冷熱氣網(wǎng)中的能量轉(zhuǎn)化效率;ηP、ηC、ηH分別為氣網(wǎng)供給電冷熱的能量效率;ηGB為燃?xì)忮仩t轉(zhuǎn)化效率;fq天然氣熱值。

輸入能量流矩陣P i具體表示為

式中:Vbuy為天然氣購買總量;PWP為風(fēng)電機(jī)組實(shí)際出力;PPV為光伏機(jī)組實(shí)際出力;PGT為微燃機(jī)實(shí)際出力;Pgrid為電網(wǎng)交互功率;Qer為電制冷機(jī)的制冷量;Qar為吸收式制冷機(jī)的制冷量;Heb為電鍋爐產(chǎn)熱功率;Hhb為余熱鍋爐的輸出功率;Hgb為燃?xì)忮仩t產(chǎn)熱功率;ηP2G為P2G 設(shè)備的轉(zhuǎn)換效率。

系統(tǒng)能量消耗系數(shù)矩陣F i具體表示為

式中:Fe為電能消耗功率;FC為熱能存儲(chǔ)功率;FH為熱能存儲(chǔ)功率;Fg為天然氣消耗功率;ΔBSOC,bt為蓄電池的當(dāng)前荷電狀態(tài)與前一時(shí)刻荷電狀態(tài)差值;ζbt為蓄電池的能量轉(zhuǎn)化系數(shù);ΔWhwt為儲(chǔ)熱水箱當(dāng)前時(shí)刻與前一時(shí)刻儲(chǔ)熱量的差值;Whwt(t-1)為儲(chǔ)熱水箱t-1時(shí)刻的儲(chǔ)熱量;γh為儲(chǔ)熱水箱能量損失效率;ζhwt為儲(chǔ)熱水箱的能量轉(zhuǎn)化系數(shù)。

1.2.2 電冷熱柔性負(fù)荷模型

溫室綜合能源系統(tǒng)中,電、冷、熱負(fù)荷不僅能以各自形式參與需求響應(yīng),還可以通過能源轉(zhuǎn)換設(shè)備及儲(chǔ)能裝置實(shí)現(xiàn)3種負(fù)荷耦合互補(bǔ)、相互替代。負(fù)荷類型主要包括剛性負(fù)荷、柔性負(fù)荷。其中,柔性負(fù)荷主要用于在滿足系統(tǒng)基礎(chǔ)剛性負(fù)荷的前提下,調(diào)控系統(tǒng)總體負(fù)荷曲線,改善系統(tǒng)總體用能水平。柔性負(fù)荷分為可削減負(fù)荷與可轉(zhuǎn)移負(fù)荷,可轉(zhuǎn)移負(fù)荷是負(fù)荷用電時(shí)間根據(jù)溫室需求改變的負(fù)荷。溫室綜合能源系統(tǒng)電負(fù)荷包括固定電負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移電負(fù)荷,本文的柔性熱/冷負(fù)荷為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷,具體表述為

式中:Pcel(t)為溫室綜合能源系統(tǒng)所需電負(fù)荷;Pfel(t)為固定負(fù)荷;Ptel(t)為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷;Qchl(t)為溫室綜合能源系統(tǒng)所需冷/熱負(fù)荷;Qfhl(t)為冷/熱固定負(fù)荷;Qthl(t)為可轉(zhuǎn)移冷/熱負(fù)荷。

1.2.3 碳交易模型

碳交易政策在中國處于全面發(fā)展階段[4]。為減少溫室氣體的排放,提高綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性,控制CO2排放能夠提高用戶的效益需求,因此將碳交易作為系統(tǒng)的一種考量指標(biāo)。目前,國內(nèi)電力部門主要采用無償分配的方式進(jìn)行初始碳排放額分配。綜合能源系統(tǒng)中的碳排放權(quán)初始分配主要包括常規(guī)機(jī)組、燃?xì)忮仩t、冷熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組(Combined Cooling Heating and Power,CCHP)三部分。

式中:Eh為外部大電網(wǎng)購電的碳排放配額;Egb為鍋爐的碳排放配額;ECCHP為CCHP 的碳排放配額;δp、δh分別為單位電量和單位熱量碳排放分配額;Pbuy為綜合能源系統(tǒng)從外部電網(wǎng)購買的電量;φ為發(fā)電量折算成供熱量的折算系數(shù)。

將實(shí)際碳排放量進(jìn)行分段線性化處理,得出含有獎(jiǎng)懲系數(shù)碳交易機(jī)制結(jié)果為

(8)

式中:CCO2為綜合能源系統(tǒng)中碳交易成本;Eci為各設(shè)備的實(shí)際碳排放量;c為市場上的碳交易價(jià)格;λ為每個(gè)階梯型碳交易價(jià)格的增長幅度,即懲罰系數(shù);Epi為供能企業(yè)碳排放總量;h為碳排放區(qū)間長度。

2 源荷儲(chǔ)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化模型構(gòu)建

2.1 源荷儲(chǔ)模型約束

2.1.1 功率不平衡約束

1)吸收制冷機(jī)功率約束

式中:Par,max為吸收式制冷機(jī)吸收的熱功率上限。

2)電制冷機(jī)功率約束

式中:Qer,max為電制冷機(jī)消耗電功率上限。

3)燃?xì)廨啓C(jī)約束

式中:PGT,max為燃?xì)廨啓C(jī)的輸出電功率上限;PGT,min為燃?xì)廨啓C(jī)的輸出電功率下限;PGT,up為燃?xì)廨啓C(jī)爬坡功率上限;PGT,down為燃?xì)廨啓C(jī)爬坡功率下限;ΔPGT為前一時(shí)刻輸出電功率與后一時(shí)刻輸出電功率的差值。

4)燃?xì)忮仩t約束

式中:Hgb,max為燃?xì)忮仩t的輸出熱功率上限。

5)電鍋爐約束

式中:Heb,max為電鍋爐的耗電功率上限。

6)儲(chǔ)能電池約束

式中:Ubt,c(t)、Ubt,d(t)分別為蓄電池的充放電狀態(tài);BSOC,bt為蓄電池的荷電狀態(tài);Pbt,c,min、Pbt,c,max分別為蓄電池充電狀態(tài)下的最小功率和最大功率;Pbt,d,min、Pbt,d,max分別為蓄電池放電狀態(tài)下的最小功率和最大功率。ΔPbt,c、ΔPbt,d分別為前一時(shí)刻和后一時(shí)刻的充電、放電差值;Pbt,d,down、Pbt,d,up分別為放電下限、上限功率。

7)儲(chǔ)熱水箱容量約束

式中:Uhwt,c(t)、Uhwt,d(t)分別為儲(chǔ)熱水箱的充熱、放熱狀態(tài);Hhwt,c,min、Hhwt,c,max分別為儲(chǔ)熱水箱充熱狀態(tài)下的最小功率和最大功率;Hhwt,d,min、Hhwt,d,max分別為儲(chǔ)熱水箱放熱狀態(tài)下的最小功率和最大功率;Whwt(t)為當(dāng)前時(shí)刻儲(chǔ)熱系統(tǒng)儲(chǔ)熱量;Whwt,max、Whwt,min分別為儲(chǔ)熱系統(tǒng)儲(chǔ)熱量上限和下限;ΔHhwt,c、ΔHhwt,d分別為儲(chǔ)熱系統(tǒng)前一時(shí)刻和后一時(shí)刻充熱功率差值和放熱功率差值;Hhwt,c,min、Hhwt,c,max分別為儲(chǔ)熱系統(tǒng)充熱功率下限和上限;Hhwt,d,min、Hhwt,d,max分別為儲(chǔ)熱系統(tǒng)放熱功率下限和上限。

8)電轉(zhuǎn)氣約束

式中:PP2G,max為P2G 設(shè)備的最大額定功率。

9)電網(wǎng)約束

式中:Eb,grid(t)為系統(tǒng)在t時(shí)段的購電狀態(tài);Es,grid(t)為t時(shí)段系統(tǒng)向電網(wǎng)售電狀態(tài);Pb,grid(t)為系統(tǒng)購電功率;Ps,grid(t)為系統(tǒng)售電功率;Pb,grid,max為系統(tǒng)的購電功率上限;Ps,grid,max為系統(tǒng)的售電功率上限。

10)電冷熱負(fù)荷約束

式中:Ptel,max為電部分可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的上限;Wtel為T個(gè)時(shí)段內(nèi)電部分可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的總量;Qthl,max為冷熱部分可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的上限;Wthl為T個(gè)時(shí)段內(nèi)冷熱部分可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的總量;Pgrid,max、Pgrid,min分別為電網(wǎng)的最大、最小購電功率;Pgrid,up、Pgrid,down分別為電網(wǎng)的爬坡功率上限和下限;ΔPgrid前一時(shí)刻電網(wǎng)和后一時(shí)刻電網(wǎng)的爬坡功率差值。

11)模型線性化約束

本文構(gòu)造的溫室綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型呈非線性,需要將其轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)線性規(guī)劃問題進(jìn)行求解,對(duì)于其中的非線性耦合關(guān)系式,可以利用相關(guān)的線性化方法進(jìn)行處理。

加入等式約束

式中:M t( ) 、R t( ) 為2個(gè)臨時(shí)的變量;N(t)為正數(shù)變量線性化。

加入不等式約束

式中:Nmax為正數(shù)變量的上限;U(t)為0、1變量。

2.1.2 功率平衡約束

系統(tǒng)在滿足不等式約束條件下,還應(yīng)該滿足電冷熱功率等式平衡約束,以保證綜合能源系統(tǒng)穩(wěn)定優(yōu)化運(yùn)行,平衡方程為

式中:Psel(t)為可平移電負(fù)荷;Hshl(t)為可平移熱負(fù)荷;Qscl(t)為可平移冷負(fù)荷。

2.2 經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)

在滿足溫室綜合能源系統(tǒng)電冷熱負(fù)荷狀態(tài)下,通過大電網(wǎng)購售電、燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行、儲(chǔ)能電池充放電、鍋爐運(yùn)行等設(shè)備,相互協(xié)調(diào)穩(wěn)定運(yùn)行成本以及設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本,保證溫室綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)刻成本最小化。

式中:F為溫室綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)成本;F1為購電成本;F2為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電成本;F3為燃?xì)忮仩t燃料成本;F4為設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本。

1)購電成本

式中:Pgrid(t)和Csys(t)分別為t時(shí)段內(nèi)溫室綜合能源系統(tǒng)向大電網(wǎng)的購電功率和單位購電價(jià)格。

2)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電成本

式中:qgas為天然氣低熱值。

3)燃?xì)忮仩t燃料成本

4)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本

式中:k i為設(shè)備i的單位運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用;P i(t)為設(shè)備功率。

2.3 環(huán)境目標(biāo)

環(huán)境目標(biāo)函數(shù)旨在最小化系統(tǒng)總污染氣體排放量,通常以CO2、SOx、NOx作為主要污染氣體,本文只考慮CO2作為主要的污染氣體。

式中:E為綜合能源系統(tǒng)污染氣體排放量。

含碳污染氣體排放量可近似描述為

式中:fci(P i)為電網(wǎng)側(cè)的發(fā)電機(jī)碳污染氣體排放函數(shù);fcj(O j)為負(fù)載側(cè)CCHP機(jī)組含碳污染氣體排放函數(shù);fck(T k)為負(fù)載側(cè)純產(chǎn)熱機(jī)組含碳污染氣體排放函數(shù);NP為電網(wǎng)側(cè)的發(fā)電機(jī)碳污染氣體排放周期;NC為負(fù)載側(cè)CCHP 機(jī)組含碳污染氣體排放周期;NH為負(fù)載側(cè)純產(chǎn)熱機(jī)組含碳污染氣體排放周期。

3 模型求解

3.1 算法流程

針對(duì)傳統(tǒng)溫室供電采暖系統(tǒng)在用電熱分離方式、輸配電網(wǎng)分級(jí)調(diào)度的運(yùn)行模式下,難以挖掘全網(wǎng)資源實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)的調(diào)度策略,能源階梯利用率低與經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益差的問題。本文對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了整體架構(gòu)設(shè)計(jì),將綜合能源系統(tǒng)分為兩層,上層為綜合能源系統(tǒng)表達(dá)層,主要負(fù)責(zé)計(jì)算系統(tǒng)整體的關(guān)系矩陣,通過負(fù)荷需求,對(duì)系統(tǒng)機(jī)組進(jìn)行容量規(guī)劃,從而求解出綜合能源系統(tǒng)關(guān)系矩陣;下層為綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化求解層,通過引入設(shè)備功率的不平衡以及平衡約束,調(diào)控設(shè)備的出力上限,同時(shí)加入了碳交易機(jī)制,調(diào)控系統(tǒng)整體的環(huán)保性,進(jìn)而得出多場景運(yùn)行策略。本文模型運(yùn)行流程如圖2所示。

圖2 溫室綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行流程

3.2 算法求解

溫室綜合能源系統(tǒng)多目標(biāo)綜合調(diào)度目標(biāo)函數(shù)具體描述如下

式中:Z為系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化期望;F*為僅考慮經(jīng)濟(jì)成本優(yōu)化的最優(yōu)值;ω1為經(jīng)濟(jì)目標(biāo)權(quán)重;ω2為環(huán)境目標(biāo)權(quán)重,ω1和ω2具體關(guān)系為

本文所建立的綜合能源系統(tǒng)源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行模型是混合整數(shù)線性規(guī)劃問題,在Matlab下用Yalmip建立模型,采用商業(yè)求解器CPLEX進(jìn)行求解。具體求解模型為

式中:Z為目標(biāo)函數(shù);C為目標(biāo)函數(shù)系數(shù)構(gòu)成的行向量;X為目標(biāo)函數(shù)中的自變量;A為約束方程組系數(shù)矩陣;b為約束方程組常數(shù)項(xiàng)。

4 案例分析

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證本文所提考慮柔性電冷熱負(fù)荷以及電轉(zhuǎn)氣設(shè)備接入多能互補(bǔ)耦合綜合能源系統(tǒng)響應(yīng)特性、需求響應(yīng)模型的適用性和區(qū)域綜合能源運(yùn)行模型的經(jīng)濟(jì)性。本文以包含電、氣、熱、冷的山東省煙臺(tái)市某農(nóng)漁互補(bǔ)溫室綜合能源系統(tǒng)為例進(jìn)行分析。圖3為系統(tǒng)單日內(nèi)的分時(shí)氣價(jià)與分時(shí)電價(jià),圖4為單日內(nèi)不同時(shí)刻風(fēng)電、光伏功率預(yù)測曲線。

圖3 單日分時(shí)氣價(jià)與電價(jià)

圖4 風(fēng)電與光伏24 h功率預(yù)測曲線

4.2 場景設(shè)定及經(jīng)濟(jì)性分析

本文在建模的時(shí)候以1.2.2中的公式(6)作為柔性負(fù)荷,且綜合能源系統(tǒng)中,電、冷、熱負(fù)荷不僅能以各自形式參與需求響應(yīng),還可以通過能源轉(zhuǎn)換設(shè)備及儲(chǔ)能裝置實(shí)現(xiàn)3種負(fù)荷耦合互補(bǔ)、相互替代。負(fù)荷類型主要由固定負(fù)荷和可轉(zhuǎn)移負(fù)荷組成,其中可轉(zhuǎn)移負(fù)荷是負(fù)荷用電時(shí)間根據(jù)溫室需求改變的負(fù)荷,特指本文當(dāng)中所提及的需求側(cè)響應(yīng)負(fù)荷。在仿真中不考慮需求側(cè)負(fù)荷,僅考慮固定負(fù)荷,即當(dāng)Ptel(t)=0、Qthl(t)=0 時(shí)的情況。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中,需求側(cè)負(fù)荷可以根據(jù)用戶側(cè)的分時(shí)電價(jià)達(dá)到削峰填谷的效果,從而自主調(diào)整用電功率以及用電時(shí)間,改變用戶側(cè)的電力消費(fèi)行為,因此需求側(cè)負(fù)荷的運(yùn)行特性是價(jià)格型。為得出本文所提多目標(biāo)優(yōu)化的農(nóng)漁互補(bǔ)溫室綜合能源系統(tǒng)模型需求側(cè)響應(yīng)的實(shí)際效果,在考慮碳交易情況下,本文設(shè)置3個(gè)場景進(jìn)行對(duì)比說明。3個(gè)場景運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)環(huán)境成本對(duì)比如表1所示。

表1 經(jīng)濟(jì)環(huán)境成本對(duì)比

總體來看,3個(gè)場景都考慮了碳交易機(jī)制,場景2的碳交易成本最多,場景3最少,因此說明3個(gè)場景中場景2的碳排放量最低,可獲得額外的碳交易收益,激勵(lì)設(shè)備機(jī)組增加出力,降低大電網(wǎng)的購電量和碳排放量。從整體綜合成本來看,場景2比場景1低15.7%,比場景3低11.1%,直接反映出場景2 對(duì)于用戶側(cè)有更高的效益性。因此,本文構(gòu)建的分層協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模型可以有效改善溫室綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)境效益。作為模擬分析的基礎(chǔ),場景2具有現(xiàn)實(shí)性和復(fù)雜性,能夠更全面地對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和問題進(jìn)行分析,也更能反映真實(shí)情況。因此,后面采用場景2進(jìn)行分析以便于更好地模擬實(shí)際情況,并從中找到更可靠和具體的調(diào)度策略。

4.2.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)分析

在運(yùn)行周期內(nèi),00:00—03:00,蓄電池荷電狀態(tài)先從0.4降至0.35,再升至0.43,電池先放電后充電;03:00—05:00,蓄電池荷電狀態(tài)從0.43 升至0.7,電池一直處于充電狀態(tài);05:00—09:00,電池荷電狀態(tài)一直保持在0.7,既不充電也不放電;09:00—12:00,蓄電池荷電狀態(tài)從0.7降至0.43,電池保持放電;12:00—18:00,蓄電池荷電狀態(tài)一直保持在0.43,既不充電也不放電;18:00—19:00,蓄電池荷電狀態(tài)下降到0.2;19:00—23:00,蓄電池荷電狀態(tài)一直保持在0.2;23:00—24:00,蓄電池荷電狀態(tài)又恢復(fù)到0.4,見圖5。

圖5 蓄電池荷電狀態(tài)

4.2.2 柔性負(fù)荷優(yōu)化前后對(duì)比

將00:00—06:00及21:00—24:00作為柔性負(fù)荷可調(diào)節(jié)的范圍,對(duì)于后面的分析和調(diào)度方案制定都有一定的意義。因此為體現(xiàn)在夏季冷負(fù)荷、冬季熱負(fù)荷以及電負(fù)荷優(yōu)化前后的優(yōu)越性,均以日前一天中00:00—06:00及21:00—24:00數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

冷負(fù)荷優(yōu)化對(duì)比如圖6所示。在00:00—06:00及21:00—24:00時(shí)段,用戶側(cè)需求的平均冷負(fù)荷要低一些,柔性負(fù)荷優(yōu)化后,提高了低谷時(shí)段的冷負(fù)荷功率,削減了高峰時(shí)段的冷負(fù)荷功率,達(dá)到了削峰填谷的目的。冷負(fù)荷優(yōu)化后峰谷差減優(yōu)化前峰谷差,除以優(yōu)化前峰谷差的絕對(duì)值為7.83%。

圖6 冷負(fù)荷優(yōu)化對(duì)比

冬季熱負(fù)荷優(yōu)化對(duì)比見圖7。由圖7可知,場景2熱負(fù)荷優(yōu)化后峰谷差減優(yōu)化前峰谷差,除以優(yōu)化前峰谷差的絕對(duì)值為2.5%,提高了低谷時(shí)段的熱負(fù)荷功率,削減了高峰時(shí)段的熱負(fù)荷功率,有效平滑用戶側(cè)熱負(fù)荷曲線。

圖7 熱負(fù)荷優(yōu)化對(duì)比

電負(fù)荷優(yōu)化對(duì)比見圖8,電負(fù)荷優(yōu)化后峰谷差減優(yōu)化前峰谷差,除以優(yōu)化前峰谷差的絕對(duì)值為6.1%,提高了低谷時(shí)段的電負(fù)荷功率,削減了高峰時(shí)段的電負(fù)荷功率,在1 1:0 0—1 6:0 0和19:00—22:00為峰電價(jià),經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)節(jié)后,將電負(fù)荷轉(zhuǎn)移至00:00—07:00,達(dá)到了削峰填谷的目的。

圖8 電負(fù)荷優(yōu)化對(duì)比

4.2.3 負(fù)荷出力調(diào)度

由于能源供給側(cè)存在大量耦合產(chǎn)能設(shè)備,系統(tǒng)運(yùn)營商可以根據(jù)系統(tǒng)外部電價(jià)、可再生能源出力、CCHP機(jī)組功率、儲(chǔ)能容量等數(shù)據(jù),優(yōu)化設(shè)定系統(tǒng)內(nèi)部電價(jià)和各類產(chǎn)能設(shè)備生產(chǎn)方案,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)供需雙側(cè)的協(xié)調(diào)優(yōu)化。

在既考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性,又考慮環(huán)境目標(biāo)情況下,需求側(cè)響應(yīng)冷負(fù)荷設(shè)備出力情況如圖9所示。供冷工況下,在01:00—07:00及19:00—23:00,溫室冷負(fù)荷需求整體較低,只開啟電制冷機(jī)即可滿足冷負(fù)荷需求,在07:00—19:00,處于用電高峰時(shí)段電制冷機(jī)全功率啟動(dòng)仍不能滿足冷負(fù)荷需求,開啟吸收式制冷機(jī)便于滿足冷負(fù)荷需求。

在既考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性,又考慮環(huán)境目標(biāo)情況下,需求側(cè)熱負(fù)荷響應(yīng)設(shè)備出力情況如圖10 所示,其中燃?xì)忮仩t、余熱鍋爐、儲(chǔ)熱水箱放熱及電鍋爐每一時(shí)刻產(chǎn)生熱負(fù)荷功率均作為正值顯示,儲(chǔ)熱水箱放熱和吸收式制冷機(jī)吸收的熱功率均作為負(fù)值顯示。供熱工況下,溫室的熱負(fù)荷主要來自生產(chǎn)的基本需求。在00:00—03:00,處于谷電價(jià),燃?xì)廨啓C(jī)、燃?xì)忮仩t、電鍋爐及儲(chǔ)熱水箱開啟滿足用戶側(cè)熱負(fù)荷需求,多余的熱量釋放到吸收式制冷機(jī)組中,03:00—24:00,由燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐以及燃?xì)忮仩t正常運(yùn)行產(chǎn)生的多余熱量進(jìn)入儲(chǔ)熱水箱以及吸收式制冷機(jī)組中。

圖10 場景2冬季供暖設(shè)備運(yùn)行功率

在既考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性又考慮環(huán)境目標(biāo)情況下,需求側(cè)電負(fù)荷響應(yīng)設(shè)備出力情況如圖11所示,其中主動(dòng)配電網(wǎng)功率交換、蓄電池放電、燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)電及光伏每一時(shí)刻產(chǎn)生電負(fù)荷功率均作為正值顯示,售電功率、蓄電池充電,電制冷機(jī)、電轉(zhuǎn)熱設(shè)備能耗以及P2G 設(shè)備的電功率均作為負(fù)值顯示。供電工況下,考慮在谷電價(jià)時(shí)刻,系統(tǒng)從主動(dòng)配電網(wǎng)側(cè)進(jìn)行購電,從而保證系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益,且系統(tǒng)滿足日常的負(fù)荷需求。系統(tǒng)中燃?xì)廨啓C(jī)一直保持運(yùn)行狀態(tài),風(fēng)電以及光伏再出部分的力,個(gè)別時(shí)段多余的電可用于系統(tǒng)其他設(shè)備以及蓄電池的充電,對(duì)部分峰時(shí)段的負(fù)荷進(jìn)行差額補(bǔ)充,系統(tǒng)在峰時(shí)段,不向配電網(wǎng)側(cè)進(jìn)行購電。

圖11 場景2電力系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行功率

5 結(jié)論

本文通過對(duì)含農(nóng)漁互補(bǔ)的溫室綜合能源系統(tǒng)建模研究,為了提升系統(tǒng)新能源消納、增強(qiáng)系統(tǒng)多能互補(bǔ)能力、平抑源荷波動(dòng),還考慮了溫室綜合能源系統(tǒng)需求側(cè)柔性負(fù)荷,建立了基于多目標(biāo)優(yōu)化的多能互補(bǔ)耦合系統(tǒng)與碳交易的優(yōu)化調(diào)控模型,并設(shè)置了3個(gè)場景進(jìn)行對(duì)比分析,實(shí)現(xiàn)了溫室綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保運(yùn)行。通過仿真分析,得出如下結(jié)論。

1)將部分冷、熱、電負(fù)荷作為柔性負(fù)荷共同參與需求響應(yīng),可以有效降低負(fù)荷峰谷差,達(dá)到系統(tǒng)削峰填谷的作用,減少設(shè)備供能壓力,優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行,從而提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。

2)在農(nóng)漁互補(bǔ)溫室綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型中引入了獎(jiǎng)懲階梯型碳交易機(jī)制,通過與無碳交易機(jī)制和常規(guī)碳交易機(jī)制的對(duì)比,證明了該獎(jiǎng)懲階梯型碳交易成本模型對(duì)農(nóng)漁互補(bǔ)的溫室綜合能源系統(tǒng)碳排放量的控制作用更嚴(yán)格,有效提升了農(nóng)漁互補(bǔ)的溫室綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

3)引入基于溫室綜合能源系統(tǒng)的需求側(cè)動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型,增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)新能源的消納能力、提升了谷電時(shí)段的用能比例,并減輕了用能高峰期供能設(shè)備的壓力,平滑了不同時(shí)刻下冷熱電負(fù)荷曲線,降低了系統(tǒng)運(yùn)行成本。

隨著溫室綜合能源系統(tǒng)的不斷發(fā)展,在靜態(tài)靈敏度分析問題上還有待探索。系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中,由于存在分布式電源的關(guān)系,出力的間歇性波動(dòng)會(huì)通過耦合環(huán)節(jié)傳遞到整體綜合能源系統(tǒng),從而導(dǎo)致不利影響甚至安全性問題,在接下來的工作中可進(jìn)一步探究基于潮流方程的靜態(tài)分析方法,判斷系統(tǒng)薄弱節(jié)點(diǎn)、關(guān)鍵支路相關(guān)信息。