氣電熱聯(lián)供網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與運行聯(lián)合優(yōu)化

孫凱華，韓冬，嚴正，馬駿宇

(電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室(上海交通大學(xué))，上海市 200240)

氣電熱聯(lián)供網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與運行聯(lián)合優(yōu)化

孫凱華，韓冬，嚴正，馬駿宇

(電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室(上海交通大學(xué))，上海市 200240)

多能源耦合系統(tǒng)是將電力、天然氣、熱能等通過能源集線器作為能量變換樞紐建立起來的混合能源網(wǎng)絡(luò)，也是未來能源互聯(lián)構(gòu)架的一種發(fā)展趨勢。該文對多能源耦合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運行機制進行了闡述，提出了以能源集線器為調(diào)度樞紐的氣電熱聯(lián)供網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與運行聯(lián)合優(yōu)化模型。該模型以規(guī)劃建設(shè)、調(diào)度運行、可靠性等方面的總成本最小化為目標函數(shù)，同時兼顧了系統(tǒng)滿足各能源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)約束、能源集線器(energy hub，EH)能量平衡等約束條件，是一個目標函數(shù)和約束條件都含有非線性項的混合整數(shù)優(yōu)化問題，采用線性化和大規(guī)模優(yōu)化方法求解，使耦合系統(tǒng)規(guī)劃和運行共同達到最優(yōu)。算例仿真將耦合與非耦合規(guī)劃、耦合系統(tǒng)考慮元件種類不同的情況進行求解和對比，驗證了該模型和處理方法的優(yōu)越性和有效性。

多能源耦合系統(tǒng)；能源集線器(EH)；規(guī)劃與運行聯(lián)合優(yōu)化；經(jīng)濟調(diào)度

0 引 言

近年來，各能源網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)對運行和規(guī)劃影響的研究方興未艾[1-3]。文獻[4]在微網(wǎng)中對電網(wǎng)和燃氣網(wǎng)進行動態(tài)建模，研究氣電網(wǎng)運行過程中電負荷變化對燃氣網(wǎng)管道壓強以及氣網(wǎng)對電壓穩(wěn)定的影響，總結(jié)出耦合系統(tǒng)的運行機制，并提出相應(yīng)的控制策略。文獻[5]考慮風(fēng)電接入不確定性對含電、天然氣、煤以及可再生能源耦合系統(tǒng)的影響，采用魯棒優(yōu)化的方法，得出一個滿足各節(jié)點約束和參數(shù)不確定的最優(yōu)運行方案。文獻[6]在含分布式能源的氣電網(wǎng)中，考慮電和氣從輸出到最終消耗的過程，對產(chǎn)能和線路進行耦合規(guī)劃。

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)研究的不斷深入，文獻[7]提出了能源集線器(energy hub，EH)的概念，作為各系統(tǒng)耦合點實現(xiàn)對混合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟調(diào)度和最優(yōu)潮流的全局調(diào)控。EH是各能源載體的轉(zhuǎn)化站，在其內(nèi)部通過相應(yīng)元件實現(xiàn)不同能量之間的相互轉(zhuǎn)化。另外，EH還可以通過調(diào)控安裝在其內(nèi)部的儲能設(shè)備(蓄電池、儲熱設(shè)備等，合理分配能源的供應(yīng)與存儲。

將EH作為關(guān)鍵元件引入到多能源耦合系統(tǒng)中，相應(yīng)的建模方法也發(fā)生了較大變化。文獻[8]根據(jù)可再生能源預(yù)測和需求響應(yīng)，得到在不規(guī)律市場環(huán)境下，24 h能量轉(zhuǎn)化、存儲和輸出的最優(yōu)經(jīng)濟調(diào)度，EH規(guī)劃考慮各網(wǎng)絡(luò)約束、EH平衡約束，得到使包含運行費用、安裝成本、可變成本和缺負荷費用等的目標函數(shù)最優(yōu)的方案。文獻[9]考慮了氣電網(wǎng)、區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)融合，天然氣網(wǎng)建立了節(jié)點平衡約束與管道流量約束，電網(wǎng)采用有功無功平衡的潮流約束，目標函數(shù)采用凈現(xiàn)值(net present value，NPV)方法，其中日運行收入指控制不同能源轉(zhuǎn)化的比例、儲能設(shè)備的充放和能量輸出的用途使24 h的運行收入最高，年固定成本和可變成本指EH新增元件的花費，負荷損失和排放費用等都可計入，從而得到以年為時間單位的最優(yōu)規(guī)劃方案。

EH結(jié)構(gòu)的引入，使耦合網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟調(diào)度有了控制中心，能源間的轉(zhuǎn)化互補更具經(jīng)濟性和有效性。氣電熱網(wǎng)絡(luò)的運行方式隨之發(fā)生改變，與能源網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃相互影響，文獻[10]采用耦合矩陣將EH能源輸入與輸出對應(yīng)，在可選投產(chǎn)的集合中確定發(fā)電機組、輸電線路、氣轉(zhuǎn)電和氣轉(zhuǎn)熱元件的安裝使成本最小，反映了能源轉(zhuǎn)化對規(guī)劃的影響。

本文將氣電熱網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與運行優(yōu)化的研究進一步完善，構(gòu)建由EH調(diào)控的電、天然氣和區(qū)域供暖耦合系統(tǒng)的長期規(guī)劃模型。規(guī)劃元件有發(fā)電機、EH的氣轉(zhuǎn)電元件(combined heat and power，CHP)、燃機(氣轉(zhuǎn)熱元件)、儲電和儲熱設(shè)備、輸電線路和燃氣管道，目標函數(shù)涉及日運行收入、年度固定成本和可變成本和耦合系統(tǒng)運行損失等，約束條件涉及各能源網(wǎng)絡(luò)約束、EH轉(zhuǎn)化平衡約束等。

1 氣電熱聯(lián)供系統(tǒng)

1.1 EH能量分配模型

本文考慮的EH模型有電、燃氣和熱能的輸入，其中，輸入的電能不轉(zhuǎn)化，輸入的燃氣可以通過CHP設(shè)備轉(zhuǎn)化為電能，同時產(chǎn)熱、通過燃機轉(zhuǎn)化為熱能，輸入的熱能也不轉(zhuǎn)化，燃氣起到“聯(lián)結(jié)”電和熱的作用。EH內(nèi)的電能可以存儲在內(nèi)置的電池、輸出賣入?yún)^(qū)域電網(wǎng)或供應(yīng)負荷，燃氣不進行轉(zhuǎn)化的部分輸出到燃氣網(wǎng)，熱能可以進行存儲或供應(yīng)到區(qū)域熱負荷。

假設(shè)有M種能源輸入EH，N種能源輸出EH，則各能源的轉(zhuǎn)化關(guān)系由轉(zhuǎn)化矩陣CMN確定。即

(1)

圖1 能源集線器結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of energy hub

能源的輸入和輸出在EH里的轉(zhuǎn)化關(guān)系為：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(9)

式中：PCHP為CHP產(chǎn)生的功率；HB、HCHP為燃機、CHP

產(chǎn)生的熱功率；PE、HE為存儲的電能和熱能；α、β為充電/熱、放電/熱比例系數(shù)；vi(t)為燃氣轉(zhuǎn)化比例系數(shù)。

1.2 氣電熱聯(lián)供網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.3 氣電熱聯(lián)供網(wǎng)絡(luò)的運行方式

在相應(yīng)的規(guī)劃年，考慮對應(yīng)的日負荷場景，負荷需求在不同的日場景中變化。能源集線器可視作能源交易商，在節(jié)點處購入電、燃氣、熱并在其中控制轉(zhuǎn)化關(guān)系，在每個場景基于分時數(shù)據(jù)，給出相應(yīng)元件出力、EH轉(zhuǎn)化、線路傳輸、能源交易的最優(yōu)運行策略。

2 規(guī)劃與運行聯(lián)合優(yōu)化模型

2.1 目標函數(shù)

本文提出的規(guī)劃與運行優(yōu)化模型的主要目標是在yp規(guī)劃年內(nèi)，確定EH各元件、輸電線路、供氣管道的安裝時間以及在相應(yīng)規(guī)劃年不同日場景下各元件產(chǎn)能、EH轉(zhuǎn)化關(guān)系、線路傳輸和能源交易，使包含建設(shè)費用、運行費用、交易收益和丟失負荷成本的目標函數(shù)最優(yōu)。

(1)規(guī)劃期投資建設(shè)成本Cinv。包括EH中發(fā)電機、燃機、CHP、儲能設(shè)備和新建線路等的安裝費用，安裝年的變化而變化，一般按折舊率隨時間呈線性下降，某一元件的安裝費用由對應(yīng)時間的0-1變量I(t)與投資費用C(t)相乘表示[11]。

(2)氣電熱聯(lián)供系統(tǒng)的運行成本[12]。發(fā)電機、CHP、燃機設(shè)備調(diào)節(jié)靈活、出力可控[13]，考慮其運行費用及啟停成本。

(3)能源供給收益。能源集線器作為多能源耦合點，可以控制按當前價格從發(fā)電機購入電能，從燃氣供應(yīng)商買入燃氣，從熱供應(yīng)商買入熱能，在EH內(nèi)轉(zhuǎn)化或存儲，出售供應(yīng)節(jié)點負荷或傳輸?shù)狡渌?jié)點。

(4)可靠性成本—失負荷損失成本[14]。即每個節(jié)點無法供給的負荷量產(chǎn)生的懲罰，相應(yīng)的有電負荷丟失和熱負荷丟失，缺負荷懲罰系數(shù)K應(yīng)設(shè)成較大以盡可能的保證負荷供給。

由此生成下列目標函數(shù)：

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

2.2 約束條件

2.2.1 規(guī)劃邏輯約束

每個規(guī)劃元件都有其投產(chǎn)日期，在投產(chǎn)日期后的規(guī)劃年可安裝使用。規(guī)劃變量I在安裝年由0變?yōu)?，并且在之后的規(guī)劃年限中恒為1。即：

(17)

(18)

2.2.2 機組出力約束

(19)

(20)

(21)

(22)

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)約束

(1)輸電網(wǎng)約束。采用直流潮流模型，考慮網(wǎng)絡(luò)中的有功平衡，節(jié)點電壓相角與線路傳輸功率的關(guān)系以及線路傳輸功率的上限，參考節(jié)點的電壓相角為0，即：

(23)

(24)

(25)

θref=0

(26)

(2)燃氣網(wǎng)絡(luò)約束。將燃氣從供應(yīng)商輸送到各節(jié)點，每個節(jié)點燃氣有輸入和輸出，與輸電網(wǎng)類似，管道中燃氣流動量受其兩端的氣壓差影響，呈非線性的關(guān)系[5]。即：

(27)

(28)

(29)

(30)

3 模型的處理與求解

模型的目標函數(shù)含有連續(xù)變量和0-1變量，燃氣網(wǎng)絡(luò)約束為非線性，模型總體上可表述為多時段的混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題[16]。主要求解思路為將非線性約束轉(zhuǎn)化為其線性化形式，使模型轉(zhuǎn)換為較易求解的混合整數(shù)線性規(guī)劃問題，并采用Matlab軟件工具包Cplex進行優(yōu)化計算[17-18]，具體處理與分析流程如圖2所示[19]。

圖2 模型求解流程Fig.2 Model solving process

4 算例分析

本文以6節(jié)點氣電熱聯(lián)供網(wǎng)絡(luò)為研究對象，節(jié)點處EH可安裝燃煤發(fā)電機組G、熱電聯(lián)供機組CHP、燃氣供熱元件Boiler、用于從外界購入熱量的Heat-Exchanger、儲電裝置Battery、儲熱裝置Heat-Storage，網(wǎng)絡(luò)中可以安裝與其他EH相連的輸氣管道、輸電線(略去了變電站等)，通過燃氣主供應(yīng)點供氣注入網(wǎng)絡(luò)。

規(guī)劃年限為10年，每年考慮夏季、秋季兩個典型日場景，電、熱、氣負荷逐年遞增?；旌舷到y(tǒng)現(xiàn)有元件初始狀態(tài)如表1所示，初始網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

表1 節(jié)點初始安裝情況
Table 1 Initial installation of node

圖3 初始網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.3 Initial network structure

初始輸電線路e-line包括：(1，3)、(2，3)、(3，4)、(5，6)。

初始燃氣管道g-line有：(1，3)、(3，5)、(5，6)。

通過4種場景分析與計算，得到相應(yīng)的規(guī)劃方案。具體場景設(shè)計如下：

Case1規(guī)劃過程所有節(jié)點不安裝CHP和儲能元件。

Case2考慮安裝CHP，但不安裝儲能元件。

Case3考慮安裝儲能元件，但不安裝CHP。

Case4考慮安裝CHP和儲能元件。

規(guī)劃結(jié)果由[ , ]表示，如表2所示。其中第1位數(shù)字表示安裝元件數(shù)量，第2位數(shù)字表示規(guī)劃相應(yīng)安裝年。運行結(jié)果如表3所示。

表2 規(guī)劃結(jié)果
Table 2 Planning results

Case 1是電網(wǎng)和燃氣網(wǎng)解耦的獨立規(guī)劃，由于沒有其他形式的能源轉(zhuǎn)化為電，需安裝盡可能多的發(fā)電機，有發(fā)電機的節(jié)點必須架設(shè)輸電線到?jīng)]有的節(jié)點。沒有CHP的安裝，熱的供應(yīng)量相應(yīng)減少，需安裝Boiler、架設(shè)燃氣管道供熱或安裝Heatex從外界購熱。

Case 2 考慮安裝CHP使氣網(wǎng)與電網(wǎng)形成耦合，起到氣轉(zhuǎn)電并產(chǎn)熱的作用，節(jié)點6安裝CHP同時滿足了模型電負荷和熱負荷的要求，減少了燃機的安裝數(shù)量。

Case 3 電網(wǎng)與氣網(wǎng)解耦，考慮儲能元件的安裝可調(diào)節(jié)不同時間段能源的低充高放，隨著元件安裝費用逐年下降，與Case 1情況類似，并盡可能多安裝儲能設(shè)備。

Case 4 是氣、電、熱耦合聯(lián)供系統(tǒng)，由于CHP的安裝運行費用與發(fā)電機類似，同時又能產(chǎn)熱，加上儲能設(shè)備低充高放的調(diào)節(jié)作用，發(fā)電機和燃機的安裝數(shù)量與Case1相比明顯減少，儲電設(shè)備應(yīng)盡可能多安裝。由于CHP數(shù)量很多，燃氣價格波動不大，所以在此情況下儲熱設(shè)備沒有安裝。

由表3可知：總成本Case 1>Case 2>Case 3>Case 4。與Case 1相比，Case 2安裝了CHP，當發(fā)電機供電不足或者燃機供熱不足時，CHP運行供電產(chǎn)熱作為補充，所以失負荷損失成本明顯下降，CHP發(fā)電成本比發(fā)電機小，故相應(yīng)的運行成本也下降，總的成本下降；Case 3安裝了儲能設(shè)備，當電、熱、氣價格較低時相應(yīng)發(fā)電、產(chǎn)熱成本低，儲能設(shè)備儲存多產(chǎn)生的能源，待價格升高的時間段賣出，賺取交易能源的收益，同時Case 3較之Case 1運行成本下降，儲能設(shè)備調(diào)節(jié)使缺負荷成本下降，所以總成本下降。

表3 運行結(jié)果
Table 3 Operation results

Case 4中CHP的作用在儲能設(shè)備安裝的促進下顯著增加，因為CHP安裝數(shù)量遠超過發(fā)電機，CHP運行發(fā)電時同時可以供熱，燃機安裝顯著減少同時不再產(chǎn)熱，購入熱量的比例也變?yōu)槠渌樾蔚膶⒔姆种唬烊粴夤?yīng)平穩(wěn)使儲熱設(shè)備的使用率也比Case 3?。籆HP發(fā)電利用的是價格平穩(wěn)的天然氣，使儲電設(shè)備的使用率上升，起到調(diào)節(jié)電價不同時段供電的作用。

取Case 4冬季日場景24 h運行結(jié)果進行分析，研究電和熱的供應(yīng)情況，電運行情況如圖4所示，熱運行情況如圖5所示。

圖4 電運行情況Fig.4 Operation of electric

由圖4可知：夏季電負荷變化趨勢逐年增加3%，取最后1個規(guī)劃年24 h運行過程，可以看出，08:00—22:00是負荷高峰，電負荷較高的節(jié)點依次有hub4、hub5、hub3，與相鄰安裝發(fā)電機的hub2用輸電線相連；hub2處發(fā)電機24 h中出力比例大；CHP 24 h發(fā)電量波動不大，負荷小的節(jié)點CHP發(fā)電用于存儲或傳輸?shù)狡渌?jié)點，因熱負荷的需要CHP運行發(fā)出一定電量；在用電高峰時段，儲電較少，在用電低峰相應(yīng)發(fā)電成本、電價較低，會存儲一定的量。

圖5 熱運行情況Fig.5 Operation of heat

由圖5可知：熱負荷高峰是晚間時段，儲熱設(shè)備放熱；熱負荷低峰，儲熱設(shè)備儲熱。在規(guī)劃中，由于增加了CHP元件，在發(fā)電的同時聯(lián)供熱，配合熱儲能元件時效果很好，僅在少數(shù)時間點需要從外界購入熱量來維持供應(yīng)。

5 結(jié) 論

本文提出了由EH調(diào)節(jié)能量分配的氣電熱聯(lián)供網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與運行聯(lián)合優(yōu)化模型，在規(guī)劃建設(shè)方面，考慮EH中發(fā)電機和CHP等規(guī)劃元件的安裝、線路的新建以及儲能元件的新增；在運行策略方面，規(guī)劃年考慮多個典型日場景下24 h各元件出力、儲能元件充放、線路傳輸和EH能量分配的經(jīng)濟調(diào)度。算例分析得到的規(guī)劃與運行結(jié)果表明：

(1)在總投資、運行成本、能源交易收益以及設(shè)備利用率等各個方面，耦合氣電熱網(wǎng)絡(luò)運行-規(guī)劃方案具有一定的經(jīng)濟性和有效性。

(2)取冬季日場景24 h的耦合運行情況進行分析，其中各元件(包括儲能設(shè)備)之間互為補充、互相增益，能夠較好地應(yīng)對了負荷和各能源價格的波動，體現(xiàn)了調(diào)度的經(jīng)濟性。

(3)本文提出的考慮調(diào)度樞紐EH的氣電熱聯(lián)供網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與運行聯(lián)合優(yōu)化模型，體現(xiàn)出能源耦合的優(yōu)越性，為未來多種能源聯(lián)供網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)劃與調(diào)度運行提供了理論依據(jù)。

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(編輯 蔣毅恒)

Planning-Operation Co-Optimization of Gas-Heat-Electricity Co-Generation Network

SUN Kaihua, HAN Dong,YAN Zheng, MA Junyu

(Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion, Ministry of Education, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

The multi-carrier system is hybrid energy network which takes electric, natural gas, heat and others as power conversion hubs through energy hub (EH), and is a development trend of the future energy interconnection structure. This paper discusses the structure and operation mechanism of multi-carrier system, and proposes the planning-operation co-optimization model of gas-heat-electricity co-generation network with taking EH as dispatching hub. This model takes the minimum total cost of planning and construction, scheduling and operation, reliability and other aspects as the objective function. The model considers the constraint conditions that the system can meet the network constraints of each energy system, the energy balance of EH, etc., it is a mixed integer optimization problem in which the objective function and the constraint condition both contain nonlinear terms. Therefore, we adopt linearization and large-scale optimization method to solve the model, in order to make the planning and operation of multi-carrier system to achieve the optimal. Finally, we compare and analyze different situations in example simulation, such as coupling and non-coupling planning, and coupling system considering different types of components, whose results verify the superiority and effectiveness of the proposed model and processing method.

multi-carrier system; energy hub(EH); planning-operation co-optimization; economic dispatch

國家自然科學(xué)基金項目(51377103)

TM 74

A

1000-7229(2016)04-0022-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.04.004

2016-01-07

孫凱華(1991)，男，通信作者，博士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃及優(yōu)化運行；

韓冬(1984)，男，博士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)分析評估及電力市場；

嚴正(1964)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為電力系統(tǒng)優(yōu)化運行、電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析及電力市場；

馬駿宇(1995)，男，本科生，主要研究方向為電力系統(tǒng)優(yōu)化運行。

Project supported by National Natural Science Foundation of China(51377103 )