考慮儲(chǔ)能峰谷價(jià)差套利的綜合能源系統(tǒng)策略性經(jīng)濟(jì)配置

蔡含虎,孫建偉,謝彥祥,蔣艾町,夏 雪,肖 漢

(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司,四川 成都 610056)

0 引 言

綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system,IES)是當(dāng)今能源發(fā)展的方向和未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ),也是未來(lái)供能系統(tǒng)發(fā)展的重要方向之一。IES通過對(duì)能源的生產(chǎn)、傳輸與分配、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、消費(fèi)等環(huán)節(jié)進(jìn)行有機(jī)協(xié)調(diào)與優(yōu)化,能夠促進(jìn)分布式電源、可再生能源的靈活接入和高效應(yīng)用。規(guī)劃與設(shè)計(jì)是IES的核心技術(shù)之一,關(guān)系到系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和可靠性。合理的規(guī)劃可以延緩傳統(tǒng)能源供應(yīng)系統(tǒng)的建設(shè),提高系統(tǒng)能源供應(yīng)的可靠性,滿足用戶對(duì)能源質(zhì)量的要求和政府對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求。

關(guān)于綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃已有大量的研究。文獻(xiàn)[1]基于不同季節(jié)典型日光伏出力和負(fù)荷特性曲線,考慮典型日系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,建立了計(jì)及投資成本與收益的經(jīng)濟(jì)-環(huán)境效益最大化的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)容量配置優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[2]為充分利用綜合能源系統(tǒng)潛在的可靠性價(jià)值,延緩電網(wǎng)投資,降低供能成本,提出了一種基于主從博弈的配電網(wǎng)-多IES協(xié)調(diào)規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[3]兼顧綜合能源系統(tǒng)全壽命周期的低碳性和經(jīng)濟(jì)性需求,提出了一種考慮外部碳交易效益的綜合能源系統(tǒng)多階段規(guī)劃方法。此外,還有針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)商業(yè)模式的研究,如文獻(xiàn)[4]基于儲(chǔ)能“峰谷套利”運(yùn)行模式,提出最優(yōu)運(yùn)行策略以提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體收益,但并未進(jìn)行儲(chǔ)能配置研究。文獻(xiàn)[5]考慮工業(yè)用戶最大需求量的控制和管理,綜合負(fù)荷響應(yīng)資源與儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)同作用,提出了工業(yè)用戶電儲(chǔ)能系統(tǒng)雙層優(yōu)化配置方法。文獻(xiàn)[6]考慮碳排放因素的各種影響,構(gòu)建了電/熱混合儲(chǔ)能的雙層優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[7]為充分調(diào)動(dòng)用戶側(cè)資源,提出了一種考慮需求響應(yīng)的電/熱/氣云儲(chǔ)能優(yōu)化配置策略。峰(尖峰)谷電價(jià)的大力推行為儲(chǔ)能套利提供可觀空間。企事業(yè)用戶、單位用戶、居民用戶等對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求亦逐漸增大,而配置儲(chǔ)能系統(tǒng)參與能源套利減少運(yùn)營(yíng)成本,需結(jié)合用戶負(fù)荷特性、電網(wǎng)分時(shí)電價(jià)信息以及能源系統(tǒng)架構(gòu)等多因素評(píng)估儲(chǔ)能系統(tǒng)的投資效益。

鑒于IES經(jīng)濟(jì)配置模型規(guī)劃層與運(yùn)行層之間的層級(jí)關(guān)系[8],一般采用雙層規(guī)劃模型進(jìn)行求解[9-10]。優(yōu)化模型采用長(zhǎng)仿真時(shí)域(如8760 h)可以有效提高電源側(cè)新能源發(fā)電與用能側(cè)負(fù)荷的匹配特性,防止出現(xiàn)所選取典型日的低代表性,進(jìn)而提升配置結(jié)果的經(jīng)濟(jì)性和有效性;但運(yùn)行層增大仿真時(shí)域會(huì)導(dǎo)致運(yùn)籌優(yōu)化模型求解時(shí)間長(zhǎng)、不收斂等問題。因此,提出可基于供能系統(tǒng)需要量身制定優(yōu)化IES控制策略,并以此作為規(guī)劃優(yōu)化內(nèi)核,實(shí)現(xiàn)IES運(yùn)行層快速仿真,減少IES經(jīng)濟(jì)配置模型求解時(shí)長(zhǎng)等問題。此外,在當(dāng)前峰谷電價(jià)差下,探討儲(chǔ)能系統(tǒng)參與峰谷套利的投資邊界對(duì)儲(chǔ)能項(xiàng)目具有一定的指導(dǎo)意義。下面以綜合能源系統(tǒng)策略優(yōu)化為基礎(chǔ)支撐,考慮儲(chǔ)能參與“峰谷套利”減少運(yùn)營(yíng)成本,提出一種以年為優(yōu)化仿真時(shí)域(8760 h)的綜合能源系統(tǒng)策略性經(jīng)濟(jì)配置方法,能夠應(yīng)用于綜合能源系統(tǒng)工程項(xiàng)目前期經(jīng)濟(jì)配置與評(píng)估分析。

1 IES框架

IES負(fù)荷需求包括電、熱、冷負(fù)荷,其中熱負(fù)荷包括空調(diào)熱負(fù)荷和生活熱水負(fù)荷,冷負(fù)荷為空調(diào)冷負(fù)荷。擬通過配置電、熱、冷綜合能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷供能,可通過余熱回收裝置供應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部空調(diào)冷(熱)負(fù)荷,燃?xì)忮仩t作為后備熱源支撐。為了避免所配置燃?xì)鈾C(jī)組規(guī)模較大導(dǎo)致機(jī)組容量利用率低的問題,系統(tǒng)一部分空調(diào)冷負(fù)荷通過電制冷機(jī)進(jìn)行供應(yīng),這部分負(fù)荷不納入規(guī)劃范圍。此外,配置儲(chǔ)能系統(tǒng)用于平滑光伏發(fā)電功率和燃?xì)鈾C(jī)組發(fā)電功率,同時(shí)根據(jù)分時(shí)電價(jià)信息參與峰谷套利,減少供能成本。系統(tǒng)的母線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 IES母線結(jié)構(gòu)

2 IES元件建模

2.1 光伏發(fā)電

光伏(photovoltaic,PV)發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行特性與環(huán)境氣候因素有關(guān),主要由光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度決定,同時(shí)設(shè)備本身也受太陽(yáng)能利用效率的影響。光伏組件出力特性[11]可表示為

(1)

2.2 熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)(combined heat and power system,CHP)采用燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組(gas turbine,GT)、余熱回收裝置實(shí)現(xiàn)電、熱、冷三聯(lián)供。供熱與制冷均采用余熱回收熱能,能源效率可達(dá)80%以上。燃?xì)庑蜔犭娐?lián)產(chǎn)機(jī)組本質(zhì)是將天然氣轉(zhuǎn)化為電能和熱能,其功率特性模型為:

(2)

(3)

吸收式制冷機(jī)組消耗熱能提供空調(diào)冷負(fù)荷,每小時(shí)消耗的熱能與產(chǎn)生的冷能關(guān)系為

(4)

燃?xì)忮仩t(gas boiler,GB)作為系統(tǒng)的備用支撐熱源,補(bǔ)充CHP系統(tǒng)的供熱缺口,其天然氣輸入與熱能輸出的熱轉(zhuǎn)換關(guān)系為

(5)

2.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(battery energy storage system,BESS)中,電池采用磷酸鐵鋰電池,儲(chǔ)能逆變器(power conversion systems,PCS)是實(shí)現(xiàn)交流系統(tǒng)與儲(chǔ)能直流電能之間能量雙向傳遞的橋梁。PCS的容量對(duì)系統(tǒng)的整體投資和運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要,因此將儲(chǔ)能系統(tǒng)中PCS容量納入配置范疇中。儲(chǔ)能系統(tǒng)典型功率特性模型為

(6)

3 IES運(yùn)行策略

CHP機(jī)組采用“以熱定電”方式運(yùn)行,系統(tǒng)冷/熱負(fù)荷首要供應(yīng)源為CHP系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)存在冷/熱負(fù)荷需求,且滿足燃機(jī)最小啟動(dòng)功率條件時(shí),則CHP機(jī)組啟動(dòng)供應(yīng)冷/熱負(fù)荷需求,燃?xì)忮仩t根據(jù)冷/熱負(fù)荷供應(yīng)情況作為備用支撐冷/熱源。IES供冷/熱策略如圖2所示。

圖2 IES供冷/熱策略

根據(jù)供冷/熱策略確定CHP系統(tǒng)的運(yùn)行。當(dāng)CHP、光伏發(fā)電功率大于系統(tǒng)電負(fù)荷需求時(shí),則系統(tǒng)電力富余,富余發(fā)電功率優(yōu)先存儲(chǔ)在儲(chǔ)能系統(tǒng)中,儲(chǔ)存不下的發(fā)電功率則上網(wǎng)售電;而當(dāng)CHP、光伏發(fā)電功率小于系統(tǒng)電力負(fù)荷需求時(shí),則需結(jié)合當(dāng)前分時(shí)電價(jià)信息判斷電池儲(chǔ)能系統(tǒng)是否放電供應(yīng)電負(fù)荷。為了提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的效益,儲(chǔ)能僅在峰電價(jià)時(shí)段放電供應(yīng)電負(fù)荷。若儲(chǔ)能系統(tǒng)不放電或儲(chǔ)能系統(tǒng)放電功率不足以滿足負(fù)荷缺額,則系統(tǒng)從電網(wǎng)購(gòu)電彌補(bǔ)電負(fù)荷缺額。IES系統(tǒng)供電策略如圖3所示。

圖3 IES供電策略

(7)

4 IES雙層經(jīng)濟(jì)配置模型

IES雙層經(jīng)濟(jì)配置模型包括外層(規(guī)劃層)設(shè)計(jì)優(yōu)化模塊和內(nèi)層(運(yùn)行層)仿真優(yōu)化模塊。規(guī)劃層設(shè)計(jì)優(yōu)化模塊根據(jù)系統(tǒng)和設(shè)備的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)參數(shù),以及運(yùn)行層優(yōu)化模塊輸出的8760 h策略仿真結(jié)果,按照給定的優(yōu)化目標(biāo)搜尋最優(yōu)設(shè)備組合和設(shè)備容量。運(yùn)行層仿真優(yōu)化模塊根據(jù)規(guī)劃層給出的設(shè)備配置方案,基于IES運(yùn)行策略,結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行約束條件,輸出一年8760 h的系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果,并將系統(tǒng)的仿真運(yùn)行結(jié)果傳遞給規(guī)劃層優(yōu)化模塊。

4.1 目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)考慮IES經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。經(jīng)濟(jì)目標(biāo)F1考慮設(shè)備購(gòu)置成本Cann、能源購(gòu)買成本Cenergy,buy、系統(tǒng)運(yùn)維成本CO&M以及與系統(tǒng)相關(guān)的其他固定成本Cfixed,other。設(shè)備購(gòu)置成本考慮項(xiàng)目全壽命周期的初始投資、期內(nèi)替換以及期末殘值;能源購(gòu)買成本包括購(gòu)電、購(gòu)氣以及購(gòu)水成本;設(shè)備運(yùn)維成本為各設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)成本;其他固定成本主要為項(xiàng)目實(shí)施初期固定支出的相關(guān)成本。環(huán)境目標(biāo)F2為環(huán)境治理成本。系統(tǒng)中電網(wǎng)、CHP系統(tǒng)及燃?xì)忮仩t供能會(huì)產(chǎn)生溫室、有害氣體,如二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫以及氮氧化物。目標(biāo)函數(shù)年總規(guī)劃成本F計(jì)算如式(8)所示。

minF=F1+F2

F1=Cann+Cenergy,buy+CO&M+Cfixed,other

其中:

(8)

Cfixed,other=ωfixedCann

4.2 約束條件

1)設(shè)備容量約束

設(shè)備的配置容量受設(shè)備安裝時(shí)的占地面積、地理情況等因素限制。此外,限定儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電時(shí)長(zhǎng)為2～4 h。設(shè)備的配置容量約束為

(9)

2)運(yùn)行約束

運(yùn)行約束主要包括系統(tǒng)安全穩(wěn)定、上網(wǎng)功率、儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行以及系統(tǒng)能量平衡約束4個(gè)方面,分別如式(10)—式(13)所示。

(10)

(11)

(12)

(13)

4.3 優(yōu)化求解

所建立的IES經(jīng)濟(jì)配置雙層優(yōu)化模型為復(fù)雜的非線性模型,采用遺傳算法進(jìn)行求解。針對(duì)僅采用交叉、變異和選擇3個(gè)遺傳算子的標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法不能收斂到全局最優(yōu)值的問題,下面采用增強(qiáng)精英保留遺傳算法對(duì)所建立的模型進(jìn)行優(yōu)化求解,如圖4所示。

圖4 增強(qiáng)精英保留遺傳算法優(yōu)化流程

5 算例分析

以某商業(yè)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)為例進(jìn)行分析說(shuō)明。該商業(yè)主要負(fù)荷類型為餐飲、商業(yè)以及辦公為主的綜合性園區(qū),還有少許商住房負(fù)荷,園區(qū)內(nèi)主要以低容積率、低樓層建筑為主。負(fù)荷需求包括電、熱、冷負(fù)荷,熱負(fù)荷包括空調(diào)熱水和生活熱水負(fù)荷。下面擬通過綜合能源供能方式實(shí)現(xiàn)就近集中向園區(qū)內(nèi)核心負(fù)荷供能,冷/熱負(fù)荷可通過CHP系統(tǒng)余熱回收供應(yīng)園區(qū)內(nèi)部空調(diào)冷/熱負(fù)荷和生活熱水負(fù)荷。環(huán)境治理成本僅考慮二氧化碳的排放。

5.1 資源概況

該園區(qū)與市政電力并網(wǎng)運(yùn)行,園區(qū)電價(jià)執(zhí)行一般工商業(yè)分時(shí)電價(jià),每年7、8、9月份執(zhí)行尖峰電價(jià),電價(jià)信息詳見表1。為了保障上級(jí)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性,禁止園區(qū)電力上網(wǎng)。

表1 能源價(jià)格信息

受制于園區(qū)內(nèi)場(chǎng)地限制,園區(qū)內(nèi)可配置分布式光伏最大規(guī)模為3 MW。基于SolarGis數(shù)據(jù),該地區(qū)水平面年平均總輻射量可達(dá)1 363.1 kWh/m2,最佳傾角年總輻射量可達(dá)1 417.7 kWh/m2,光照資源相較一般,但白天電網(wǎng)購(gòu)電電價(jià)較高,分布式光伏仍具有經(jīng)濟(jì)效益。該地區(qū)具備燃?xì)饨尤霔l件,供氣能力好,能同時(shí)提供冷、熱、電3種能源。

5.2 輸入?yún)?shù)

園區(qū)電、熱/冷年負(fù)荷曲線如圖5、圖6所示:生活熱水負(fù)荷全年都有需求,夏季需求相對(duì)較低;5～10月有供冷需求,8月份達(dá)到峰值;空調(diào)熱負(fù)荷在11月到次年4月。設(shè)備經(jīng)濟(jì)參數(shù)如表2所示,儲(chǔ)能系統(tǒng)采用磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能,儲(chǔ)能電芯使用壽命為10年,電芯替換成本為0.8元/Wh。

表2 設(shè)備參數(shù)

圖5 園區(qū)年電負(fù)荷曲線

圖6 園區(qū)年冷/熱負(fù)荷曲線

5.3 經(jīng)濟(jì)配置結(jié)果

5.3.1 優(yōu)化結(jié)果

模型尋優(yōu)進(jìn)化過程如圖7所示,可以看出算法在進(jìn)化20次左右收斂,總進(jìn)化時(shí)長(zhǎng)為657 s。所提出的策略性經(jīng)濟(jì)配置方法可以快速有效求解復(fù)雜的非線性規(guī)劃模型。

圖7 IES配置模型求解過程

經(jīng)濟(jì)配置結(jié)果及投資運(yùn)營(yíng)成本如表3、表4所示。從配置結(jié)果可以看出,分布式光伏按最大值進(jìn)行配置,園區(qū)內(nèi)部電網(wǎng)購(gòu)電電價(jià)較高,光伏發(fā)電相對(duì)直接從電網(wǎng)購(gòu)電的效益更好。儲(chǔ)能系統(tǒng)配置1 194.81 kW/4 480.54 kWh,充放電時(shí)長(zhǎng)接近4 h,說(shuō)明在當(dāng)前分時(shí)電價(jià)峰谷電價(jià)差下,配置儲(chǔ)能具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。CHP系統(tǒng)采用“以熱定電”的模式運(yùn)行,受制于園區(qū)商業(yè)負(fù)荷結(jié)構(gòu),為了避免燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組較低的容量利用率,其配置容量不宜過大。

表3 經(jīng)濟(jì)配置結(jié)果

表4 最優(yōu)配置結(jié)果投資及運(yùn)營(yíng)成本

5.3.2 運(yùn)行仿真分析

分別從年仿真曲線中選取典型日進(jìn)行分析,系統(tǒng)電、熱/冷仿真運(yùn)行如圖8、圖9所示。圖8為園區(qū)電力運(yùn)行仿真,從圖8(a)可以看出每一時(shí)段都需要通過電網(wǎng)購(gòu)電供應(yīng)電力負(fù)荷,可見光伏發(fā)電功率和燃?xì)鈾C(jī)組發(fā)電功率無(wú)法完全滿足園區(qū)電負(fù)荷;圖8(b)—(e)顯示儲(chǔ)能系統(tǒng)僅僅在分時(shí)電價(jià)低谷時(shí)段充電,分時(shí)電價(jià)高峰/尖峰時(shí)段放電,實(shí)現(xiàn)能源套利;執(zhí)行尖峰電價(jià)的月份,儲(chǔ)能系統(tǒng)僅在尖峰電價(jià)執(zhí)行時(shí)段放電如圖8(d)—(e)所示。

圖8 園區(qū)典型日電力負(fù)荷運(yùn)行仿真

圖9 園區(qū)典型日冷熱供應(yīng)運(yùn)行仿真

從圖9可看出,根據(jù)運(yùn)行策略,CHP機(jī)組采用“以熱定電”模式運(yùn)行,是主要的冷/熱供應(yīng)源。鍋爐僅在冷/熱負(fù)荷需求高峰時(shí)段運(yùn)行,作為支撐冷熱源。以典型日為例,夏季鍋爐在12:00—17:00運(yùn)行,冬季在14:00—17:00運(yùn)行。

5.3.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)峰谷套利價(jià)差分析

儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于分時(shí)電價(jià)“低充高放”進(jìn)行能源套利時(shí),分時(shí)電價(jià)峰谷電價(jià)差決定了儲(chǔ)能系統(tǒng)的投資效益。峰谷電價(jià)差較低時(shí),不適合配置儲(chǔ)能系統(tǒng)。在所設(shè)投資邊界條件下(儲(chǔ)能單位投資:計(jì)及其他固定投資比例為5%,儲(chǔ)能投資為1.89元/Wh,PCS單位投資為0.22元/W),為了進(jìn)一步分析分時(shí)電價(jià)差對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的投資效益的影響,針對(duì)所提案例,通過對(duì)分時(shí)電價(jià)差進(jìn)行敏感性分析,探討適合配置儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行能源套利的臨界峰谷電價(jià)差。分析結(jié)果如表5所示?？梢钥闯?當(dāng)峰谷分時(shí)電價(jià)差達(dá)到0.8元/kWh,配置儲(chǔ)能系統(tǒng)才具有經(jīng)濟(jì)效益,且隨著分時(shí)電價(jià)差的增大,配置的儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模也越大,但受制于園區(qū)負(fù)荷需求,儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置規(guī)模非線性增加。

表5 儲(chǔ)能投資敏感性分析

6 結(jié) 論

考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)參與分時(shí)電價(jià)峰谷套利,提出了綜合能源系統(tǒng)的供熱/冷、供電策略,并以此作為經(jīng)濟(jì)配置模型的內(nèi)層仿真優(yōu)化內(nèi)核。進(jìn)而兼顧綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益,基于全壽命周期理論和策略性優(yōu)化內(nèi)核,建立了綜合能源系統(tǒng)雙層規(guī)劃模型。優(yōu)化模型采用長(zhǎng)仿真時(shí)域(8760 h)以提升電源側(cè)發(fā)電出力與用能側(cè)負(fù)荷的匹配特性,進(jìn)而提升配置結(jié)果的有效性和經(jīng)濟(jì)性。算例結(jié)果分析驗(yàn)證了所提出的經(jīng)濟(jì)配置策略性規(guī)劃方法的有效性。最后,針對(duì)所提算例參數(shù),探討了適合配置儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行能源套利的臨界峰谷電價(jià)差,結(jié)果表明當(dāng)分時(shí)電價(jià)峰谷電價(jià)差達(dá)到0.80元/kWh,配置儲(chǔ)能系統(tǒng)才具有投資效益,可為相關(guān)工程項(xiàng)目提供前期分析參考。