西南地區(qū)用戶側綜合能源系統(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、轉換和儲存等設備。 我國西南地區(qū)擁有豐富可再生能源，適合建設多能互補的綜合能源系統(tǒng)。 文章考慮西南地區(qū)的能源結構，針對運行設備效率隨環(huán)境和出力變化的特點，建立設備的全工況能量轉換模型。 以系統(tǒng)的年投資運行成本為目標，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，并對模型進行分段線性化處理，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)用戶側綜合能源系統(tǒng)在全工況用能場景下的最優(yōu)配置，提高了經(jīng)濟和環(huán)保雙重效益。

　　關鍵詞： 綜合能源系統(tǒng); 多能互補; 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)表時間：2021-11-16

　　0 引言

　　我國西南地區(qū)地形架構遠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]，適合建設以水能、天然氣、風能與光能互補的綜合能源系統(tǒng)。 通過對西南地區(qū)綜合能源系統(tǒng)進行優(yōu)化配置，可以實現(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，關于用戶側綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置已有相關研究。 文獻[5]提出了含有冷熱電聯(lián)供和風電的綜合能源系統(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[6]考慮了電力系統(tǒng)與天然氣、 供熱系統(tǒng)的聯(lián)合優(yōu)化運行，建立了基于機會約束規(guī)劃的熱電能量綜合優(yōu)化模型。 文獻[7]根據(jù)新能源接入的波動不確定性和峰谷參數(shù)的不同，建立了一種電能、熱能、氫能集成的儲能系統(tǒng)及其協(xié)調(diào)優(yōu)化配置模型。 文獻[8] 針對熱電聯(lián)供經(jīng)濟調(diào)度問題，提出了多目標優(yōu)化與綜合決策相結合的兩階段調(diào)度方法。 文獻[9]以優(yōu)化配置能量樞紐的設備類型和容量為目標，考慮綜合需求側響應及能量樞紐運行約束，構建了可顯著降低年運行費用的優(yōu)化配置模型。 文獻 [10]考慮熱、冷、電 3 種能源系統(tǒng)的耦合關系，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，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景為基礎， 進行用戶側綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置， 但實際中由于環(huán)境及設備出力影響， 理想工況下的優(yōu)化配置模型不夠精確，對系統(tǒng)規(guī)劃的準確性和合理性有較大影響。

　　本文針對用戶側綜合能源系統(tǒng)， 結合西南地區(qū)特定地域的能源現(xiàn)狀， 首先針對轉換效率系數(shù)變化的全工況用能場景， 建立了各設備的全工況數(shù)學模型。其次以綜合能源系統(tǒng)年投資、運行成本為目標，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)用戶側的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置模型。 最后通過算例驗證所提模型的有效性。

　　1 西南地區(qū)綜合能源系統(tǒng)典型結構

　　西南地區(qū)擁有豐富的水、 天然氣和風、 光資源。結合西南地區(qū)山地運輸條件及地質(zhì)條件，臨近用戶設置具備發(fā)電、供熱、供冷功能的設備，在能源互補互濟和梯級利用基礎上， 建立綜合能源系統(tǒng)，其結構如圖 1 所示。

　　該系統(tǒng)利用以天然氣為燃料的燃氣鍋爐、燃氣內(nèi)燃機、燃氣輪機等設備產(chǎn)生電力，其排放的高溫煙氣中所含的余熱被回收利用，冬季用于供暖，夏季用于驅(qū)動吸收式制冷機等設備供冷， 外部熱網(wǎng)還直接為負荷供熱。 系統(tǒng)中接入了風力、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)可直接為負荷供電。除了上述主要設備之外，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備。 綜合能源系統(tǒng)因包含天然氣、熱能、風能、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，一方面實現(xiàn)了能源梯級利用，另一方面實現(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)學模型

　　2.1 目標函數(shù)

　　式中：C 為年度總成本;CI 為年投資成本;CO 為年運行成本;CE 為年運行能耗成本;CCE 為年環(huán)境成本;nequ 為設備的臺數(shù);sequ 為單臺設備的容量; μequ 為設備的單位容量投資成本;r 為年利率;y 為設備的壽命;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 為典型日累計天數(shù); Pequ 為設備的功率;λequ 為設備單位功率的運行成本;Pes，ch d，t 和 Pes，disd，t 分別為儲能 ES 的充能和放能功率;λes 為儲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;Pgasd，t 為從外部氣網(wǎng)的購氣功率;λgas 為購氣單價;Ph d，t 為外部熱網(wǎng)的購熱功率;λh 為購熱單價;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、燃氣輪機和燃氣鍋爐在 t 時刻消耗的天然氣; PPVd，t ，PWTd，t ，Pe，GT，i d，t ，Pe，GE，i d，t 分別為光伏、風電、燃氣輪機和天然氣內(nèi)燃機的輸出電功率;Pe，L d，t 為電負荷;Pess，ch d，t ，Pess，disd，t 分別為電儲能的充放電功率。 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 分別為燃氣鍋爐、天然氣內(nèi)燃機、余熱鍋爐和水源熱泵的輸出熱功率;Ph，L d，t 為熱負荷;Phes，ch d，t ，Phes，disd，t 為熱儲能的充放能功率;Pc，ACd，t ，Pc，HPd，t 分別為吸收式制冷機和水源熱泵的輸出冷功率;Pc，L d，t 為冷負荷; Pces，ch d，t ，Pces，disd，t 為冷儲能的充放能功率; Psm，GE，i d，t ， Psm，GT，i d，t 分別為天然氣內(nèi)燃機和燃氣輪機輸出高溫煙氣功率; Psm，WB，i d，t ，Psm，AC，i d，t 分別為余熱鍋爐和吸收式制冷機消耗的高溫煙氣功率。

　　式(14)表示天然氣內(nèi)燃機功率為各區(qū)間功率之和， 且限制了天然氣功率只能位于一個功率區(qū)間內(nèi);式(15)表示天然氣功率在第 k 個區(qū)間內(nèi)時，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。為了進一步分析其他能量轉換模型的特點，圖 2 給出了相應功率關系曲線。 由 圖 2 可 知 ，缸 套 水 余 熱 、煙 氣 余 熱 功 率與電功率的關系曲線彎曲幅度較大，可以采用上述方法進行分段線性化處理。 燃氣輪機天然氣 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達 185 d 左右;所以該綜合能源系統(tǒng)選取時間段 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， 在冬季進入制熱模式為系統(tǒng)提供熱量，在夏季進入制冷模式提供冷能。 在冬季，由于系統(tǒng)無制冷需求，吸入式制冷機被關閉[11]。

　　在綜合能源系統(tǒng)中， 輸入能源為風能、 太陽能、外購電力、熱能和天然氣。 其中，光照、風力的輸入成本為零;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)售電價格為 0.2 元/(kW·h)。 本文中的各設備裝置參數(shù)如表 1 所示。

　　3.2 仿真結果分析

　　為了比較新能源系統(tǒng)對用戶側綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置的影響， 本文對是否考慮風光出力的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置進行對比分析。 方案 1 未考慮風光出力， 外部電網(wǎng)和系統(tǒng)內(nèi)天然氣通過燃氣內(nèi)燃機和燃氣輪機可以為電負荷供電; 外部熱網(wǎng)和系統(tǒng)內(nèi)天然氣通過燃氣鍋爐和燃氣內(nèi)燃機可直接對熱負荷供熱， 也可通過煙氣使余熱鍋爐產(chǎn)生熱能; 系統(tǒng)內(nèi)的電能通過燃氣內(nèi)燃機和燃氣輪機產(chǎn)生的煙氣通過吸收式制冷機產(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)，沒有風光出力導致購電成本、 運行成本和環(huán)境成本顯著增加。 方案 2 考慮風光出力，其中風力發(fā)電機、光伏設備分別配置 5 臺、1 臺，容量分別為 5 000 kW 和 1 000 kW。 風能和太陽能產(chǎn)生的電能可直接為電負荷供電，也可通過水源熱泵制熱制冷，分別供能給熱負荷和冷負荷， 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，原因是風機和光伏設備的投入，然而方案 2 的運行維護成本、 運行能耗成本和環(huán)境成本均比方案 1 減少。 由于方案 2 中增加了 5 臺風機和 1 臺光伏設備， 且風機和光伏設備的投資成本較高，所以投資成本較方案 1 增加 211.21%，約為 337.33 萬元。 方案 2 中燃氣內(nèi)燃機的數(shù)量顯著減少且風機、光伏設備接入，但是由于燃氣內(nèi)燃機維護成本高，風機、光伏設備維護成本低，所以運行維護成本降低了 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)濟效益和環(huán)境效益。

　　3.3 全工況模型與恒定系數(shù)模型對比

　　考慮全工況場景， 采用本文建立的優(yōu)化求解模型對系統(tǒng)配置進行求解; 同時使用恒定系數(shù)模型對系統(tǒng)進行配置， 其中恒定系數(shù)模型中設備轉換效率為常數(shù)，對比結果如表 4 所示。為了考查設備效率變化對配置結果的影響， 恒定系數(shù)模型分別采取了各設備在部份負載率(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景進行模擬，在算例中的求解時間為 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，將得到 3 個方案中成本較低的配置結果， 而采用恒定系數(shù) PLR=0.3 時，負載率低，將得到 3 個方案中成本較高的配置結果。 根據(jù)全工況模型和恒定系數(shù)模型成本對比， 采用全工況模型的年總成本為 934.33 萬元; 對于恒定系數(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)模型對系統(tǒng)進行配置時，由于得出的成本結果較低或較高，用能經(jīng)濟性和負荷多樣性得不到滿足。 采用全工況模型時， 由于設備轉換效率隨著系統(tǒng)出力變化而變化的特性，各種能源設備協(xié)調(diào)耦合工作，可滿足用戶用能需求并降低運行成本。

　　4 結論

　　基于西南地區(qū)特定地域的能源現(xiàn)狀， 以及系統(tǒng)內(nèi)各運行設備效率隨環(huán)境和出力變化而變化的特點， 本文建立了一種全工況用能場景下的容量優(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。具體結論如下：①可再生能源接入的優(yōu)化配置方案可以實現(xiàn)能源的梯級利用和多能互補，緩解高峰時段用電緊張，減少購電成本和碳排放成本， 從而提高系統(tǒng)的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益; ②采用恒定系數(shù)模型對系統(tǒng)進行優(yōu)化配置， 可能導致無法滿足負荷要求或者運行成本較高， 而全工況模型轉換效率實時變化特性可得到更合理的配置結果。

　　利用本文所建立的用戶側綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置方法，通過系統(tǒng)能源輸入、轉換、儲存的互補，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、環(huán)境友好和系統(tǒng)配置合理條件下，最大程度上降低系統(tǒng)年度總成本。