西南地區(qū)用戶側(cè)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置

　　摘 要： 綜合能源系統(tǒng)是多輸入多輸出系統(tǒng)，包含多種能源的輸入、轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存等設(shè)備。 我國西南地區(qū)擁有豐富可再生能源，適合建設(shè)多能互補(bǔ)的綜合能源系統(tǒng)。 文章考慮西南地區(qū)的能源結(jié)構(gòu)，針對(duì)運(yùn)行設(shè)備效率隨環(huán)境和出力變化的特點(diǎn)，建立設(shè)備的全工況能量轉(zhuǎn)換模型。 以系統(tǒng)的年投資運(yùn)行成本為目標(biāo)，建立了集電氣熱冷能于一體的西南地區(qū)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置模型，并對(duì)模型進(jìn)行分段線性化處理，降低模型的非線性度。 最后通過算例分析，得出了西南地區(qū)用戶側(cè)綜合能源系統(tǒng)在全工況用能場(chǎng)景下的最優(yōu)配置，提高了經(jīng)濟(jì)和環(huán)保雙重效益。

　　關(guān)鍵詞： 綜合能源系統(tǒng); 多能互補(bǔ); 優(yōu)化配置; 全工況; 線性化

　　陳濤; 吳高翔; 周念成; 呂小紅; 劉維; 吳雪翚， 可再生能源 發(fā)表時(shí)間：2021-11-16

　　0 引言

　　我國西南地區(qū)地形架構(gòu)遠(yuǎn)距離能源輸送管道難度較大，且該地區(qū)為典型夏熱冬冷地區(qū)，熱、冷負(fù)荷較大。 但西南地區(qū)擁有豐富的可再生能源資源[1]，適合建設(shè)以水能、天然氣、風(fēng)能與光能互補(bǔ)的綜合能源系統(tǒng)。 通過對(duì)西南地區(qū)綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化配置，可以實(shí)現(xiàn)可再生能源的大規(guī)模消納，提高能源的利用率[2]～[4]。

　　目前，關(guān)于用戶側(cè)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置已有相關(guān)研究。 文獻(xiàn)[5]提出了含有冷熱電聯(lián)供和風(fēng)電的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，并將天然氣系統(tǒng)安全約束集成到優(yōu)化調(diào)度策略中。 文獻(xiàn)[6]考慮了電力系統(tǒng)與天然氣、 供熱系統(tǒng)的聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行，建立了基于機(jī)會(huì)約束規(guī)劃的熱電能量綜合優(yōu)化模型。 文獻(xiàn)[7]根據(jù)新能源接入的波動(dòng)不確定性和峰谷參數(shù)的不同，建立了一種電能、熱能、氫能集成的儲(chǔ)能系統(tǒng)及其協(xié)調(diào)優(yōu)化配置模型。 文獻(xiàn)[8] 針對(duì)熱電聯(lián)供經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題，提出了多目標(biāo)優(yōu)化與綜合決策相結(jié)合的兩階段調(diào)度方法。 文獻(xiàn)[9]以優(yōu)化配置能量樞紐的設(shè)備類型和容量為目標(biāo)，考慮綜合需求側(cè)響應(yīng)及能量樞紐運(yùn)行約束，構(gòu)建了可顯著降低年運(yùn)行費(fèi)用的優(yōu)化配置模型。 文獻(xiàn) [10]考慮熱、冷、電 3 種能源系統(tǒng)的耦合關(guān)系，以充分利用可再生能源、提高綜合系統(tǒng)能源利用效率為目標(biāo)，提出一種綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法。上述研究以理想工況用能場(chǎng)景為基礎(chǔ)， 進(jìn)行用戶側(cè)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置， 但實(shí)際中由于環(huán)境及設(shè)備出力影響， 理想工況下的優(yōu)化配置模型不夠精確，對(duì)系統(tǒng)規(guī)劃的準(zhǔn)確性和合理性有較大影響。

　　本文針對(duì)用戶側(cè)綜合能源系統(tǒng)， 結(jié)合西南地區(qū)特定地域的能源現(xiàn)狀， 首先針對(duì)轉(zhuǎn)換效率系數(shù)變化的全工況用能場(chǎng)景， 建立了各設(shè)備的全工況數(shù)學(xué)模型。其次以綜合能源系統(tǒng)年投資、運(yùn)行成本為目標(biāo)，通過分段線性化處理和最小二乘法擬合，提出了一種面向西南地區(qū)用戶側(cè)的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置模型。 最后通過算例驗(yàn)證所提模型的有效性。

　　1 西南地區(qū)綜合能源系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

　　西南地區(qū)擁有豐富的水、 天然氣和風(fēng)、 光資源。結(jié)合西南地區(qū)山地運(yùn)輸條件及地質(zhì)條件，臨近用戶設(shè)置具備發(fā)電、供熱、供冷功能的設(shè)備，在能源互補(bǔ)互濟(jì)和梯級(jí)利用基礎(chǔ)上， 建立綜合能源系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

　　該系統(tǒng)利用以天然氣為燃料的燃?xì)忮仩t、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等設(shè)備產(chǎn)生電力，其排放的高溫?zé)煔庵兴挠酂岜换厥绽茫居糜诠┡募居糜隍?qū)動(dòng)吸收式制冷機(jī)等設(shè)備供冷， 外部熱網(wǎng)還直接為負(fù)荷供熱。 系統(tǒng)中接入了風(fēng)力、光伏、水能等可再生能源供電，其出力特性不可控，外部電網(wǎng)可直接為負(fù)荷供電。除了上述主要設(shè)備之外，為了增加系統(tǒng)供能的穩(wěn)定性和可靠性，一般還要配備蓄能裝置等輔助設(shè)備。 綜合能源系統(tǒng)因包含天然氣、熱能、風(fēng)能、太陽能、水能、電能等多種能源輸入和冷、熱、電能多種輸出，并有能源轉(zhuǎn)換裝置和蓄能裝置提供系統(tǒng)內(nèi)能源的融合協(xié)同，一方面實(shí)現(xiàn)了能源梯級(jí)利用，另一方面實(shí)現(xiàn)不同能源系統(tǒng)之間的耦合，提高能源利用效率。

　　2 優(yōu)化配置數(shù)學(xué)模型

　　2.1 目標(biāo)函數(shù)

　　式中：C 為年度總成本;CI 為年投資成本;CO 為年運(yùn)行成本;CE 為年運(yùn)行能耗成本;CCE 為年環(huán)境成本;nequ 為設(shè)備的臺(tái)數(shù);sequ 為單臺(tái)設(shè)備的容量; μequ 為設(shè)備的單位容量投資成本;r 為年利率;y 為設(shè)備的壽命;d 為典型日類別，d=1 表示冬季，d=2 表示夏季，d=3 表示過渡季;Nd 為典型日累計(jì)天數(shù); Pequ 為設(shè)備的功率;λequ 為設(shè)備單位功率的運(yùn)行成本;Pes，ch d，t 和 Pes，disd，t 分別為儲(chǔ)能 ES 的充能和放能功率;λes 為儲(chǔ)能單位充放能功率的成本;Pele,bd，t 為從外部電網(wǎng)的購電功率;Pele，s d，t 為向外部電網(wǎng)的售電功率;λde，b 和 λde，s 分別為購、 售電單價(jià);Pgasd，t 為從外部氣網(wǎng)的購氣功率;λgas 為購氣單價(jià);Ph d，t 為外部熱網(wǎng)的購熱功率;λh 為購熱單價(jià);κ 為碳排放成本;γele，γgas 分別為單位電功率和天然氣功率的等 值 CO2 排 放 因 子 ;A 為 {GT，GE，PV，WT，GB， WB，AC，HP};B 為{EES，TES，CES}。

　　2.2 功率平衡約束

　　天然氣的燃料功率平衡約束、 水資源為主的熱、冷功率平衡約束、風(fēng)光資源為主的電功率平衡約束分別為式中：Pgas，GE，i d，t ，Pgas，GT，i d，t ，Pgas，GB，i d，t 分別為天然氣內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和燃?xì)忮仩t在 t 時(shí)刻消耗的天然氣; PPVd，t ，PWTd，t ，Pe，GT，i d，t ，Pe，GE，i d，t 分別為光伏、風(fēng)電、燃?xì)廨啓C(jī)和天然氣內(nèi)燃機(jī)的輸出電功率;Pe，L d，t 為電負(fù)荷;Pess，ch d，t ，Pess，disd，t 分別為電儲(chǔ)能的充放電功率。 熱功 率 平 衡 約 束 中 ， Ph，GB，i d，t ，Ph，GE，i d，t ，Ph，WB，i d，t ，Ph，HPd，t 分別為燃?xì)忮仩t、天然氣內(nèi)燃機(jī)、余熱鍋爐和水源熱泵的輸出熱功率;Ph，L d，t 為熱負(fù)荷;Phes，ch d，t ，Phes，disd，t 為熱儲(chǔ)能的充放能功率;Pc，ACd，t ，Pc，HPd，t 分別為吸收式制冷機(jī)和水源熱泵的輸出冷功率;Pc，L d，t 為冷負(fù)荷; Pces，ch d，t ，Pces，disd，t 為冷儲(chǔ)能的充放能功率; Psm，GE，i d，t ， Psm，GT，i d，t 分別為天然氣內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)輸出高溫?zé)煔夤β? Psm，WB，i d，t ，Psm，AC，i d，t 分別為余熱鍋爐和吸收式制冷機(jī)消耗的高溫?zé)煔夤β省?/p>

　　式(14)表示天然氣內(nèi)燃機(jī)功率為各區(qū)間功率之和， 且限制了天然氣功率只能位于一個(gè)功率區(qū)間內(nèi);式(15)表示天然氣功率在第 k 個(gè)區(qū)間內(nèi)時(shí)，滿足式(13)，否則等于 0;而式(16)則限定了輸出電功率的所處的區(qū)間。為了進(jìn)一步分析其他能量轉(zhuǎn)換模型的特點(diǎn)，圖 2 給出了相應(yīng)功率關(guān)系曲線。 由 圖 2 可 知 ，缸 套 水 余 熱 、煙 氣 余 熱 功 率與電功率的關(guān)系曲線彎曲幅度較大，可以采用上述方法進(jìn)行分段線性化處理。 燃?xì)廨啓C(jī)天然氣 功率 、熱功率與 電 功率，水 源 熱 泵 電 功 率 與輸出冷、熱功率關(guān)系曲線可以直接近似為一條線性函數(shù)，該函數(shù)系數(shù)可以通過最小二乘法獲得。

　　3 算例分析

　　3.1 參數(shù)設(shè)定

　　該地區(qū)夏季濕熱、 冬季陰冷， 冷熱供給需求大，年采暖和供冷需求長(zhǎng)達(dá) 185 d 左右;所以該綜合能源系統(tǒng)選取時(shí)間段 365 d 分為冬季供熱典型日 95 d、 夏季供冷典型日 90 d 和過渡季典型日 180 d，分別獲得冬季、夏季和過渡季典型日的工況場(chǎng)景。 其中冬季、夏季、過渡季和新能源功率曲線如圖 4 所示。 系統(tǒng)中配置的水源熱泵考慮具備制熱制冷雙重工作模式， 在冬季進(jìn)入制熱模式為系統(tǒng)提供熱量，在夏季進(jìn)入制冷模式提供冷能。 在冬季，由于系統(tǒng)無制冷需求，吸入式制冷機(jī)被關(guān)閉[11]。

　　在綜合能源系統(tǒng)中， 輸入能源為風(fēng)能、 太陽能、外購電力、熱能和天然氣。 其中，光照、風(fēng)力的輸入成本為零;外購電力、熱力、天然氣的等效成本分別為 1.2，0.5，0.5 元/(kW·h)， 向外部電網(wǎng)售電價(jià)格為 0.2 元/(kW·h)。 本文中的各設(shè)備裝置參數(shù)如表 1 所示。

　　3.2 仿真結(jié)果分析

　　為了比較新能源系統(tǒng)對(duì)用戶側(cè)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置的影響， 本文對(duì)是否考慮風(fēng)光出力的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置進(jìn)行對(duì)比分析。 方案 1 未考慮風(fēng)光出力， 外部電網(wǎng)和系統(tǒng)內(nèi)天然氣通過燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)可以為電負(fù)荷供電; 外部熱網(wǎng)和系統(tǒng)內(nèi)天然氣通過燃?xì)忮仩t和燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)可直接對(duì)熱負(fù)荷供熱， 也可通過煙氣使余熱鍋爐產(chǎn)生熱能; 系統(tǒng)內(nèi)的電能通過燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的煙氣通過吸收式制冷機(jī)產(chǎn)生冷能。 系統(tǒng)內(nèi)的蓄電、蓄熱、蓄冷裝置在系統(tǒng)內(nèi)起到削峰填谷的作用。方案 1 不是最優(yōu)配置的綜合能源系統(tǒng)，沒有風(fēng)光出力導(dǎo)致購電成本、 運(yùn)行成本和環(huán)境成本顯著增加。 方案 2 考慮風(fēng)光出力，其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏設(shè)備分別配置 5 臺(tái)、1 臺(tái)，容量分別為 5 000 kW 和 1 000 kW。 風(fēng)能和太陽能產(chǎn)生的電能可直接為電負(fù)荷供電，也可通過水源熱泵制熱制冷，分別供能給熱負(fù)荷和冷負(fù)荷， 方案 2 為最優(yōu)配置的綜合能源系統(tǒng)。

　　由表 3 可知， 方案 2 的總成本比方案 1 減少 1 903.22 萬元，約為 67.07%。 方案 2 的投資成本高于方案 1，原因是風(fēng)機(jī)和光伏設(shè)備的投入，然而方案 2 的運(yùn)行維護(hù)成本、 運(yùn)行能耗成本和環(huán)境成本均比方案 1 減少。 由于方案 2 中增加了 5 臺(tái)風(fēng)機(jī)和 1 臺(tái)光伏設(shè)備， 且風(fēng)機(jī)和光伏設(shè)備的投資成本較高，所以投資成本較方案 1 增加 211.21%，約為 337.33 萬元。 方案 2 中燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)的數(shù)量顯著減少且風(fēng)機(jī)、光伏設(shè)備接入，但是由于燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)維護(hù)成本高，風(fēng)機(jī)、光伏設(shè)備維護(hù)成本低，所以運(yùn)行維護(hù)成本降低了 37.58%，約為 38.54 萬元。 由于可再生能源發(fā)電無需購電成本， 方案 2 中購電成本顯著降低，且熱泵成本低但需求顯著增加，蓄電成本高但需求顯著下降， 運(yùn)行能耗成本也減少了 85.47%，約為 2 179.08 萬元。 方案 1 中依靠外部電網(wǎng)、熱網(wǎng)和系統(tǒng)內(nèi)天然氣供能，而方案 2 中有風(fēng)能和太陽能發(fā)電， 可再生能源的接入較傳統(tǒng)的能源利用方式而言，CO2 排放量顯著降低，環(huán)境治理 成 本 也 隨 之 降 低 ; 方 案 2 中 環(huán) 境 成 本 減 少 88.97%，約為 22.93 萬元。 因此，本文提出的用戶側(cè)可再生能源接入的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型比傳統(tǒng)的綜合能源系統(tǒng)有更好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

　　3.3 全工況模型與恒定系數(shù)模型對(duì)比

　　考慮全工況場(chǎng)景， 采用本文建立的優(yōu)化求解模型對(duì)系統(tǒng)配置進(jìn)行求解; 同時(shí)使用恒定系數(shù)模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置， 其中恒定系數(shù)模型中設(shè)備轉(zhuǎn)換效率為常數(shù)，對(duì)比結(jié)果如表 4 所示。為了考查設(shè)備效率變化對(duì)配置結(jié)果的影響， 恒定系數(shù)模型分別采取了各設(shè)備在部份負(fù)載率(PLR)為 0.3 和 1.0 的效率，其余條件均與與全工況模型相同。

　　西南地區(qū)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置模型選取了一年中冬季、夏季、過渡季中的典型日工況場(chǎng)景進(jìn)行模擬，在算例中的求解時(shí)間為 7 850.54 s，可以滿足系統(tǒng)配置需求。 采用恒定系數(shù) PLR=1.0 時(shí)，將得到 3 個(gè)方案中成本較低的配置結(jié)果， 而采用恒定系數(shù) PLR=0.3 時(shí)，負(fù)載率低，將得到 3 個(gè)方案中成本較高的配置結(jié)果。 根據(jù)全工況模型和恒定系數(shù)模型成本對(duì)比， 采用全工況模型的年總成本為 934.33 萬元; 對(duì)于恒定系數(shù)模型， 在 PLR= 0.3 和 1.0 的情況下，年總成本分別為1 050.90, 9 11.27 萬元。 可見，在采用恒定系數(shù)模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置時(shí)，由于得出的成本結(jié)果較低或較高，用能經(jīng)濟(jì)性和負(fù)荷多樣性得不到滿足。 采用全工況模型時(shí)， 由于設(shè)備轉(zhuǎn)換效率隨著系統(tǒng)出力變化而變化的特性，各種能源設(shè)備協(xié)調(diào)耦合工作，可滿足用戶用能需求并降低運(yùn)行成本。

　　4 結(jié)論

　　基于西南地區(qū)特定地域的能源現(xiàn)狀， 以及系統(tǒng)內(nèi)各運(yùn)行設(shè)備效率隨環(huán)境和出力變化而變化的特點(diǎn)， 本文建立了一種全工況用能場(chǎng)景下的容量?jī)?yōu)化配置模型， 并得出了西南地區(qū)綜合能源系統(tǒng)的最優(yōu)規(guī)劃配置方法。具體結(jié)論如下：①可再生能源接入的優(yōu)化配置方案可以實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用和多能互補(bǔ)，緩解高峰時(shí)段用電緊張，減少購電成本和碳排放成本， 從而提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益; ②采用恒定系數(shù)模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化配置， 可能導(dǎo)致無法滿足負(fù)荷要求或者運(yùn)行成本較高， 而全工況模型轉(zhuǎn)換效率實(shí)時(shí)變化特性可得到更合理的配置結(jié)果。

　　利用本文所建立的用戶側(cè)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置方法，通過系統(tǒng)能源輸入、轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存的互補(bǔ)，可使綜合能源系統(tǒng)在外部能源輸入、 西南地區(qū)本地資源供應(yīng)、環(huán)境友好和系統(tǒng)配置合理?xiàng)l件下，最大程度上降低系統(tǒng)年度總成本。