多源微電網(wǎng)系統(tǒng)冷熱氣電負(fù)荷協(xié)同優(yōu)化方法研究

摘 要：基于能量管理與協(xié)同控制是保證多負(fù)荷型多源微電網(wǎng)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，提出一種以系統(tǒng)最小運(yùn)行成本和最低碳排放為聯(lián)合優(yōu)化目標(biāo)的協(xié)同優(yōu)化方法。對系統(tǒng)內(nèi)各關(guān)鍵設(shè)備工作特性建立數(shù)學(xué)模型，采用MATLAB中的Yalmip優(yōu)化工具箱計(jì)算得出各關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行情況。采用冬季典型負(fù)荷數(shù)據(jù)作為仿真算例的模型輸入，仿真結(jié)果表明所構(gòu)建的協(xié)同優(yōu)化模型可以滿足微電網(wǎng)在需求響應(yīng)環(huán)境下的優(yōu)化運(yùn)行，仿真結(jié)果驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和有效性。

關(guān)鍵詞：多源微電網(wǎng); 能量管理; 協(xié)同控制; 工作特性

中圖分類號：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-8188（2024）06-0025-06

DOI：10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.06.004

Research on Collaborative Optimization Method of Hot，Cold，Gas and Electric Loads in Multi-source Microgrid System

HU Min¹， ZHANG Yuewei²

［1. Shanghai Electrical Apparatus Research Institute， Shanghai 200063， China;

2. Shanghai Electrical Apparatus Research Institute （Group） Co.，Ltd.， Shanghai 200063， China］

Abstract：For multi-load multi-source microgrid systems， energy management and collaborative control are one of the keys to ensuring reliable operation of the system. A collaborative optimization method with the minimum operating cost and minimum carbon emission of the system as joint optimization goals is proposed. The mathematical model for the working characteristics of each key equipment in the system is establised，and the Yalmip optimization toolbox in MATLAB is used to calculate the operation status of each key equipment. Typical load data in winter are used as model input for the simulation example. The simulation results show that the constructed collaborative optimization model can meet the optimal operation of the microgrid in a demand response environment. The simulation results verify the accuracy and effectiveness of the model.

Key words：multi-source microgrid; energy management; collaborative control; working characteristics

0 引 言

隨著清潔能源的快速發(fā)展以及環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，基于可再生能源發(fā)電的微電網(wǎng)系統(tǒng)開始發(fā)揮重要作用^［1］。然而，傳統(tǒng)微電網(wǎng)系統(tǒng)中負(fù)荷形式相對單一，無法滿足用戶快速增長的需求。新型微電網(wǎng)系統(tǒng)中除傳統(tǒng)的電負(fù)荷外，還增加了冷、熱、氣負(fù)荷，負(fù)荷形式更加多樣，控制邏輯也更加復(fù)雜。多負(fù)荷型多源微電網(wǎng)系統(tǒng)可通過協(xié)同控制技術(shù)和發(fā)電/負(fù)荷預(yù)測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)冷、熱、氣、電的協(xié)調(diào)規(guī)劃和統(tǒng)一調(diào)度，從而有效提高能源利用率，降低能源網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行成本^［2-3］。

文獻(xiàn)［4］建立冷、熱、電、氣多能互補(bǔ)的微電網(wǎng)在孤島/并網(wǎng)模式下協(xié)調(diào)調(diào)度模型，并采用魯棒線性優(yōu)化理論在運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和魯棒性之間取折中方案，使得微電網(wǎng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和魯棒性運(yùn)行。文獻(xiàn)［5］構(gòu)建冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)，系統(tǒng)中包含可再生能源發(fā)電系統(tǒng)、余熱發(fā)電系統(tǒng)以及儲(chǔ)能系統(tǒng)，以系統(tǒng)運(yùn)行成本、碳排放量最小化為優(yōu)化目標(biāo)，采用粒子群算法建立多能源互補(bǔ)優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)多能耦合系統(tǒng)的節(jié)能增效。文獻(xiàn)［6-7］提出考慮熱、電負(fù)荷需求響應(yīng)的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，分析熱、電負(fù)荷需求響應(yīng)對可再生能源消納的作用和影響。文獻(xiàn)［8-10］采用可再生能源發(fā)電技術(shù)（P2G）引導(dǎo)電氣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)融合，通過網(wǎng)絡(luò)間的互補(bǔ)特性，實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)電氣的協(xié)同調(diào)度。

綜合上述研究成果，本文建立基于典型氣候條件的多負(fù)荷型多源微電網(wǎng)的功率協(xié)調(diào)調(diào)度模型，在滿足多源微電網(wǎng)系統(tǒng)中需求側(cè)響應(yīng)以及避免“棄風(fēng)、棄光”前提下，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行成本和碳排放量最小化作為優(yōu)化目標(biāo)，解決系統(tǒng)中多能耦合、功率波動(dòng)等問題。仿真算例以冬季典型負(fù)荷數(shù)據(jù)為輸入，采用MATLAB/Yalmip工具包計(jì)算各設(shè)備的出力功率，通過控制各負(fù)荷系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的輸出功率，完成多源微電網(wǎng)系統(tǒng)的各負(fù)荷側(cè)的功率協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行。

1 多負(fù)荷型多源微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及建模

多負(fù)荷型多源微電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)與電網(wǎng)和氣網(wǎng)相連，可支持購電、購氣以及余電上網(wǎng)。系統(tǒng)內(nèi)配有光伏系統(tǒng)和風(fēng)力系統(tǒng)，不僅能夠滿足系統(tǒng)內(nèi)的電能供應(yīng)，而且可以減少系統(tǒng)碳排放量。同時(shí)，風(fēng)、光發(fā)電系統(tǒng)配有一定容量的電化學(xué)儲(chǔ)能，可通過控制電池充放滿足需求側(cè)響應(yīng)。系統(tǒng)內(nèi)部還包含由燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐、燃?xì)忮仩t、吸入式制冷機(jī)等能源轉(zhuǎn)換設(shè)備構(gòu)成的典型冷熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，可通過控制燃?xì)忮仩t和余熱鍋爐滿足熱負(fù)荷，通過控制工業(yè)空調(diào)和制冷機(jī)滿足冷負(fù)荷。

1.1 冷熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組數(shù)學(xué)模型

冷熱電聯(lián)產(chǎn)（CCHP）機(jī)組包括燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐以及吸入式制冷機(jī)。該機(jī)組以天然氣為燃料進(jìn)行發(fā)電和供熱，系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的部分熱量促使制冷劑水蒸氣被溴化鋰溶液吸收，利用水在高真空下蒸發(fā)吸熱實(shí)現(xiàn)制冷的目的。機(jī)組中，燃?xì)廨啓C(jī)以天然氣為燃料進(jìn)行發(fā)電和供熱，其產(chǎn)熱功率及天然氣使用量計(jì)算公式為

Hgt=Pgt·ηh（1）

式中：H_gt——燃?xì)廨啓C(jī)的產(chǎn)熱功率;

P_gt——燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電功率;

η_h——燃?xì)廨啓C(jī)的產(chǎn)熱效率;

V_g——燃?xì)廨啓C(jī)單位時(shí)間天然氣使用量;

η_e——燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率;

Q_LHV——天然氣的低位熱值。

燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的熱量可被余熱鍋爐回收進(jìn)行階梯利用，余熱鍋爐產(chǎn)熱功率的計(jì)算公式為

Heh=Hgt·ηeh（3）

式中：H_eh——余熱鍋爐的產(chǎn)熱功率;

η_eh——余熱鍋爐的熱回收效率。

吸入式制冷機(jī)可將余熱鍋爐中的低品位熱源作為驅(qū)動(dòng)能源，通過蒸發(fā)器中冷劑水的低壓汽化吸熱實(shí)現(xiàn)制冷，其制冷功率計(jì)算公式為

Cac=Hac·ηac（4）

式中：C_ac——吸入式制冷機(jī)的制冷功率;

H_ac——吸入式制冷機(jī)的產(chǎn)熱功率;

η_ac——制冷效率。

1.2 燃?xì)忮仩t數(shù)學(xué)模型

燃?xì)忮仩t以天然氣為燃料，在該系統(tǒng)中主要是用來彌補(bǔ)余熱鍋爐產(chǎn)熱功率的不足，其產(chǎn)熱功率計(jì)算公式為

Hgh=Ggh·ηgh·QLHV（5）

式中：H_gh——燃?xì)忮仩t的產(chǎn)熱功率;

G_gh——燃?xì)忮仩t單位時(shí)間的天然氣消耗量;

η_gh——燃?xì)忮仩t的產(chǎn)熱效率。

1.3 工業(yè)空調(diào)數(shù)學(xué)模型

工業(yè)空調(diào)是以電能為能源，通過壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)制冷劑液化吸熱，從而完成制冷過程。其制冷效率計(jì)算公式為

Cec=Pec·ηec（6）

式中：C_ec——工業(yè)空調(diào)的制冷功率;

P_ec——工業(yè)空調(diào)的用電功率;

η_ec——制冷系數(shù)。

1.4 儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

儲(chǔ)能系統(tǒng)通常用來協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)電負(fù)荷功率的平衡，其響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)化效率高，已經(jīng)成為微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)不可或缺的一部分。儲(chǔ)能設(shè)備的輸出功率與荷電狀態(tài)關(guān)系尤為密切，本文加入功率限制條件，以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池“多電多充、少電少充”的原則，兩者之間的關(guān)系可表示為

式中：P_bat，ch——儲(chǔ)能電池的充電功率;

R_SOC——儲(chǔ)能電池的荷電狀態(tài);

P_pcs——儲(chǔ)能逆變器的輸出功率;

η_ch——儲(chǔ)能電池的充電效率;

P_bat——儲(chǔ)能電池的輸出效率;

P_bat，dis——儲(chǔ)能電池的放電功率;

η_dis——儲(chǔ)能電池的放電效率。

采用安時(shí)積分法計(jì)算儲(chǔ)能電池的荷電狀態(tài)，計(jì)算公式為

式中：R_SOCk——k時(shí)刻儲(chǔ)能電池的荷電狀態(tài);

C_bat——儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定容量。

2 多源微電網(wǎng)冷熱電氣負(fù)荷功率協(xié)同優(yōu)化模型

2.1 優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

本文提出的模型以多源微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行成本最小和碳排放最少為聯(lián)合優(yōu)化目標(biāo)，忽略可再生能源成本，將冷熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、燃?xì)忮仩t等能源耦合設(shè)備的燃料成本計(jì)入氣源供氣成本，即

Fcost=Cgas+Cgrid，buy-Cgrid，sell（9）

式中：F_cost——多源微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行成本;

C_gas——多源微電網(wǎng)系統(tǒng)購氣成本;

C_{grid，buy}——多源微電網(wǎng)系統(tǒng)購電成本;

C_grid，sell——多源微電網(wǎng)系統(tǒng)售電成本。

Fcarbon=FEgas·∑Ggas+FEelectric·∑Pgrid（10）

式中：F_carbon——系統(tǒng)累計(jì)碳排放量;

F_Egas——天然氣的碳排放因子;

G_gas——?dú)庠聪到y(tǒng)出力;

F_Eelectric——電力的碳排放因子;

P_grid——電網(wǎng)購電量。

本文取F_Egas=0.448 3 tCO₂/MWh，F(xiàn)_Eelectric=0.703 5 tCO₂/MWh。

Fmin=n₁·Fcost+n₂·Fcarbon（11）

式中：n₁——系統(tǒng)運(yùn)行成本的權(quán)重因子;

n₂——系統(tǒng)累計(jì)碳排放量的權(quán)重因子。

本文取n₁=0.3、n₂=0.7。

2.2 約束條件

（1） 等式約束

冷、熱、電、氣功率平衡約束條件為

式中：P_wind、P_pv——風(fēng)力、光伏發(fā)電功率;

P_grid，buy、P_{grid，sell}——電網(wǎng)的購/售電功率;

G_buy、G_gt、G_gh——?dú)庠促彋饬俊⑷細(xì)廨啓C(jī)用氣量以及燃?xì)忮仩t用氣量;

C_load、H_load、P_load、G_load——冷、熱、電、氣負(fù)荷。

（2） 不等式約束

冷、熱、電、氣功率不平衡約束條件為

式中：P^min_grid、P^max_grid——電網(wǎng)購/售電功率的上下限，取值為［0，15］;

P^min_bat、P^max_bat——儲(chǔ)能電池充/放電功率的上下限，文中取值為［0，1.5］;

P^min_gt、P^max_gt——燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率的上下限，取值為［0，36］;

P^min_eh、P^max_eh——余熱鍋爐輸出功率的上下限，取值為［0，43］;

P^min_gh、P^max_gh——燃?xì)忮仩t輸出功率的上下限，取值為［9，18］;

P^min_ac、P^max_ac——吸入式制冷機(jī)輸出功率的上下限，文中取值為［0，20］;

P^min_ec、P^max_ec——工業(yè)空調(diào)輸出功率的上下限，取值為［0，30］;

R_SOCmin、R_SOCmax——儲(chǔ)能電池荷電狀態(tài)的上下限，取值為［0.1，0.9］。

3 典型負(fù)荷場景下的模型驗(yàn)證

3.1 多源微電網(wǎng)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

為了驗(yàn)證本文所提協(xié)同優(yōu)化模型的有效性，以華東某園區(qū)冬季典型負(fù)荷為例進(jìn)行仿真分析。在該系統(tǒng)中，光伏系統(tǒng)容量為6 MW，風(fēng)力系統(tǒng)容量為9 MW，儲(chǔ)能電池初始電量為30%。系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備及其參數(shù)如表1所示。

該地區(qū)天然氣價(jià)格為2.5元/m³，新能源上網(wǎng)電價(jià)為0.414 6元/kWh。該地區(qū)分時(shí)電價(jià)如表2所示。

冬季典型日冷、熱、電、氣負(fù)荷曲線如圖2所示。

3.2 協(xié)同優(yōu)化模型驗(yàn)證

本文使用MATLAB中的Yalmip工具箱，以解決系統(tǒng)內(nèi)所涉及的優(yōu)化問題。Yalmip工具箱主要用于建模和解決凸優(yōu)化問題，并且工具箱內(nèi)部內(nèi)置多種求解器，可以方便有效地解決各種復(fù)雜的優(yōu)化問題。在所提約束條件的基礎(chǔ)上，本文采用Cplex求解器對聯(lián)合目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，得到系統(tǒng)內(nèi)冷、熱、電、氣負(fù)荷下的能量平衡圖。

系統(tǒng)電網(wǎng)絡(luò)平衡圖如圖3所示。由圖3可見，系統(tǒng)內(nèi)有6個(gè)部分維持電網(wǎng)絡(luò)平衡關(guān)系，分別為電網(wǎng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)、風(fēng)力系統(tǒng)、燃?xì)廨啓C(jī)及工業(yè)空調(diào)。光伏系統(tǒng)與風(fēng)力系統(tǒng)出力被全部消納，不存在“棄風(fēng)、棄光”現(xiàn)象，提高了可再生能源發(fā)電的利用率;儲(chǔ)能系統(tǒng)在平谷時(shí)段充電、峰時(shí)段放電，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能系統(tǒng)對于負(fù)荷功率的“削峰填谷”;系統(tǒng)不足的電負(fù)荷功率由電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)充，提高了系統(tǒng)用電穩(wěn)定性。

儲(chǔ)能電池最佳調(diào)度曲線如圖4所示。儲(chǔ)能電池的荷電狀態(tài)一直處于規(guī)定區(qū)間，不會(huì)產(chǎn)生過充、過放的問題。本文已規(guī)定儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電時(shí)段，即當(dāng)系統(tǒng)不需要儲(chǔ)能電池出力時(shí)，儲(chǔ)能電池荷電狀態(tài)不會(huì)持續(xù)處于滿電或虧電的狀態(tài)。

系統(tǒng)冷網(wǎng)絡(luò)平衡圖如圖5所示。由圖5可見，系統(tǒng)靠工業(yè)空調(diào)和吸入式制冷機(jī)維持冷負(fù)荷平衡，相比電價(jià)而言，天然氣的價(jià)格更為低廉且碳排放量更少，故模型優(yōu)先選擇吸入式制冷機(jī)來制冷。對于不滿足負(fù)荷的時(shí)段，則采用工業(yè)空調(diào)制冷進(jìn)行補(bǔ)充。系統(tǒng)熱網(wǎng)絡(luò)平衡圖如圖6所示。圖6中余熱鍋爐和燃?xì)忮仩t的出力要遠(yuǎn)高于系統(tǒng)熱負(fù)荷，多出的功率則全部用于系統(tǒng)制冷。

系統(tǒng)氣網(wǎng)絡(luò)平衡圖如圖7所示。由于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率較低，所以天然氣主要用于系統(tǒng)內(nèi)的制冷和產(chǎn)熱。系統(tǒng)內(nèi)天然氣消耗主要由氣網(wǎng)購入，該平衡網(wǎng)絡(luò)則同時(shí)滿足系統(tǒng)冷網(wǎng)絡(luò)和熱網(wǎng)絡(luò)平衡。

冬季典型負(fù)荷下多負(fù)荷型多源微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行成本及碳排放量如表3所示。

4 結(jié) 語

本文綜合考慮電價(jià)參數(shù)、多源微電網(wǎng)與電網(wǎng)/儲(chǔ)能系統(tǒng)交互策略等因素，建立一種以系統(tǒng)運(yùn)行成本最小和碳排放量最少為聯(lián)合優(yōu)化目標(biāo)的系統(tǒng)冷、熱、電、氣負(fù)荷功率協(xié)同模型，并以華東地區(qū)冬季典型日數(shù)據(jù)為模型輸入進(jìn)行仿真運(yùn)算，通過多種能源的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)的多能互補(bǔ)。經(jīng)過該模型優(yōu)化后的系統(tǒng)不但能夠兼顧多源微電網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)與高效運(yùn)行，而且可以助力微電網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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收稿日期：20240307