多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)日前經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度

劉佳星

（中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙410083）

1 引言

傳統(tǒng)的冷、熱、電等能源系統(tǒng)隸屬于不同部門進(jìn)行管理與運(yùn)行，無法發(fā)揮協(xié)同潛力，抑制了能源利用率的提高和可再生能源的消納［1］。 在此背景下，智能電 網(wǎng) （ Smart Grid ）、 綜 合 能 源 系 統(tǒng) （ Integrated Energy System ，IES）和能源互聯(lián)網(wǎng)（Energy Internet）3 種理念先后出現(xiàn)，大家開始把目光轉(zhuǎn)向能源系統(tǒng)的綜合規(guī)劃、協(xié)調(diào)控制以及智能調(diào)度等方面，使集成了供電、供熱和供冷等系統(tǒng)的多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)成為新能源與可再生能源領(lǐng)域廣泛研究的一個(gè)重點(diǎn)問題［2］。 多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)耦合了冷、熱、電等多種能源形式，通過各類設(shè)備的協(xié)調(diào)運(yùn)行來滿足終端用戶的用能需求，不僅能實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，還能有效地提高能源利用效率。 不僅如此，相比于傳統(tǒng)分供系統(tǒng)，多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益也十分明顯。

目前國內(nèi)外對(duì)多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)的概念、物理架構(gòu)及相關(guān)模型已經(jīng)進(jìn)行了較為深入的研究，但已有研究大多是建立在系統(tǒng)設(shè)備的靜態(tài)模型上，沒有考慮負(fù)荷特性對(duì)設(shè)備運(yùn)行效率的影響；部分學(xué)者借鑒微電網(wǎng)的控制理論和調(diào)度理論，開展綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化研究［3－5］，但通常研究的對(duì)象還是以傳統(tǒng)能源設(shè)備為主要供能手段，或者在電力系統(tǒng)中加入風(fēng)、光等可再生能源，沒有對(duì)以新能源與可再生能源為主的供能系統(tǒng)進(jìn)行過多研究。 因此，本文針對(duì)以分布式能源為主的多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)，在考慮設(shè)備動(dòng)態(tài)效率的基礎(chǔ)上，建立單目標(biāo)運(yùn)行優(yōu)化模型，進(jìn)而得到系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)情況下的用能策略。

2 系統(tǒng)描述與優(yōu)化調(diào)度模型建立

多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)由光伏組件、蓄電池、太陽能集熱器、儲(chǔ)熱水箱、地源熱泵、風(fēng)冷熱泵和燃?xì)忮仩t構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。

地源熱泵和風(fēng)冷熱泵作為主力供熱供冷設(shè)備，滿足室內(nèi)空調(diào)冷熱負(fù)荷需求；太陽能集熱器提供熱水所需加熱量，燃?xì)忮仩t作為輔助熱源實(shí)施補(bǔ)給，儲(chǔ)熱水箱作為削峰填谷的媒介，保證熱水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；光伏組件作為系統(tǒng)的主力供電單元，由于其不確定性和晝夜更替情況的存在，除利用蓄電池的充放電實(shí)現(xiàn)電負(fù)荷供需平衡外，還考慮到蓄電池容量限度，將系統(tǒng)與市政電網(wǎng)相連以增加運(yùn)行可靠性。本文研究如何通過調(diào)度各設(shè)備出力，在滿足負(fù)荷需求的前提下，獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 優(yōu)化調(diào)度模型框架

基于綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)的日前優(yōu)化調(diào)度模型，模型的輸入包括終端冷／ 熱／ 電負(fù)荷數(shù)據(jù)、室外溫度和光照強(qiáng)度等天氣數(shù)據(jù)、電價(jià)、天然氣價(jià)格以及各個(gè)供能設(shè)備的容量和相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，通過遺傳算法對(duì)模型進(jìn)行求解，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行。

多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)日前經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型框架如圖2 所示，主要包括以下3 個(gè)模塊：

（1）參數(shù)輸入模塊：模型主要輸入?yún)?shù)包括電、天然氣等能源價(jià)格、室外溫度和太陽能輻射強(qiáng)度等天氣數(shù)據(jù)、冷熱電負(fù)荷數(shù)據(jù)以及設(shè)備運(yùn)行相關(guān)參數(shù)。

（2）運(yùn)行優(yōu)化模塊：包括優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)、運(yùn)行約束條件、優(yōu)化變量以及優(yōu)化算法；

（3）結(jié)果輸出模塊：包括系統(tǒng)日運(yùn)行優(yōu)化成本以及典型日運(yùn)行優(yōu)化策略。

下面將詳細(xì)介紹系統(tǒng)設(shè)備模型、優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)、約束條件以及求解方法等方面。

圖2 多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)日前運(yùn)行優(yōu)化模型框架

2.2 設(shè)備建模

2.2.1 光伏發(fā)電模型

光伏作為不可調(diào)度電源，其輸出功率主要是由太陽輻射強(qiáng)度、光伏面積和發(fā)電效率來綜合決定的，具體見公式（1），其中光伏發(fā)電效率與外界太陽輻射強(qiáng)度和環(huán)境溫度有關(guān)［6］，可由公式（2）計(jì)算得到：

式中，Gt為太陽輻射強(qiáng)度，W／ m2；T 為環(huán)境溫度；AM為空 氣 質(zhì) 量； P1＝0. 28204， P2＝0. 39668， P3＝－0.44730，P4＝ － 0.092864，P5＝0.016010，50≤G≤1 100，25≤T≤50，1.3≤AM≤3，G0＝1 000 W／ m2，T0＝25 ℃，AM0＝1.5。

2.2.2 太陽能集熱器模型

與光伏一樣，太陽能集熱器作為不可調(diào)度熱源，其集熱功率與太陽能輻射強(qiáng)度、集熱器面積以及集熱效率息息相關(guān)，參考標(biāo)準(zhǔn)太陽能集熱器模型［7］，表示如下：

2.2.3 燃?xì)忮仩t模型

由于太陽能集熱器供熱的不確定性，故采用燃?xì)忮仩t作為輔助熱源進(jìn)行熱能補(bǔ)充，以保證熱力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。 負(fù)荷的不同，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行效率的改變，在此基礎(chǔ)上，引入部分負(fù)荷系數(shù)（part load factor，PLF）和部分負(fù)荷率（part load ratio，PLR）兩個(gè)概念，針對(duì)燃?xì)忮仩t的供熱效率，可用下面的關(guān)系曲線［8］得到：

2.2.4 地源熱泵模型

地源熱泵是陸地淺層能源通過輸入少量的高品位能源（如電能） 實(shí)現(xiàn)由低品位熱能向高品位熱能轉(zhuǎn)移的裝置，其輸出功率主要與負(fù)荷率以及機(jī)組能效比［9］有關(guān)，具體表示如下：

2.2.5 風(fēng)冷熱泵模型

風(fēng)冷熱泵是基于壓縮式制冷循環(huán)，利用冷媒作載體，通過風(fēng)機(jī)的強(qiáng)制換熱，從大氣中吸取熱量或者排放熱量，以達(dá)到制冷或者制熱的需求，其制冷、制熱能效比與負(fù)荷之間的關(guān)系［10］可用下列公式表示：

2.2.6 儲(chǔ)能設(shè)備模型

系統(tǒng)采用蓄電池和儲(chǔ)熱水箱作為儲(chǔ)能設(shè)備。 作為系統(tǒng)電負(fù)荷的調(diào)度核心，蓄電池的合理充放電至關(guān)重要，其數(shù)學(xué)模型如下所示［11－12］：

類似的，儲(chǔ)熱水箱的數(shù)學(xué)模型如下所示［12－13］：

式中，分別表示蓄電池和儲(chǔ)熱水箱的充、放電／ 熱效率；分別表示蓄電池和儲(chǔ)熱水箱的充、放電／ 熱功率，kW；E、W表示儲(chǔ)能設(shè)備某時(shí)刻的容量；Δt為時(shí)間間隔，h。

2.3 目標(biāo)函數(shù)

最小日運(yùn)行費(fèi)用如下式所示，主要由購電成本Cgrid（元）和燃料成本Cfuel（元）構(gòu)成。

式中：l為電價(jià)和天然氣價(jià)格，元／（kW·h）。

2.4 約束條件

在多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化過程中，除了考慮設(shè)備本身的物理約束外，還應(yīng)考慮系統(tǒng)的冷、熱、電平衡約束。

2.4.1 能量平衡約束

由于設(shè)備在各典型日的供能方式不同，故系統(tǒng)的冷熱電平衡約束也隨之改變，具體公式如下：

①夏季典型日：

式中，分別表示系統(tǒng)電負(fù)荷、空調(diào)冷／熱負(fù)荷以及熱水負(fù)荷。

2.4.2 功率約束

主要包括儲(chǔ)能設(shè)備的容量約束以及其他供能設(shè)備的功率約束，具體見公式（24）。

3 優(yōu)化調(diào)度模型求解

3.1 求解方法

遺傳算法（Genetic Algorithm，GA） 是模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進(jìn)化的過程而形成的自適應(yīng)全局優(yōu)化搜索算法，通過對(duì)當(dāng)前群體施加選擇、交叉、變異等一系列遺傳操作，從而產(chǎn)生出新一代群體，并逐步使群體進(jìn)化到包含或接近最優(yōu)解的狀態(tài)［13］。

在遺傳算法中，將n維決策向量X看作是由n個(gè)遺傳基因組成的一個(gè)染色體，對(duì)染色體X的搜索也就是對(duì)問題最優(yōu)解的搜索。 算法通過模仿生物的進(jìn)化過程，不斷地進(jìn)行交叉和變異，按照優(yōu)勝劣汰的規(guī)則將較優(yōu)個(gè)體遺傳給下一代，經(jīng)過迭代計(jì)算后，將會(huì)得到一個(gè)優(yōu)良的個(gè)體，接近或者就是問題的最優(yōu)解。

遺傳算法的計(jì)算流程如圖3 所示。

圖3 遺傳算法計(jì)算流程

3.2 算例數(shù)據(jù)

為驗(yàn)證所提日前經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型與優(yōu)化算法的有效性，在MATLAB 中進(jìn)行仿真驗(yàn)證。 本文采用某游泳館內(nèi)供能系統(tǒng)的基本參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)合當(dāng)?shù)胤謺r(shí)電價(jià)政策對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化。 系統(tǒng)中光伏板與太陽能集熱器面積分別為100 m2和256 m2，蓄電池、儲(chǔ)熱水箱的額定存儲(chǔ)容量分別為100 kwh 和770 kwh，儲(chǔ)能設(shè)備最大、最小存儲(chǔ)量和初始容量為90%、20%、20%。 設(shè)備相關(guān)參數(shù)如表1 所示，購電電價(jià)參照某省商用電價(jià)政策，具體數(shù)據(jù)如表2 所示，售電電價(jià)結(jié)合中國分布式光伏并網(wǎng)補(bǔ)貼政策［14］，取1.12 元／ kwh。

本文分別選取夏季、冬季以及過渡季的典型日作為系統(tǒng)的運(yùn)行工況，忽略地源熱泵供冷和供熱的時(shí)差性。 系統(tǒng)供能設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間為9：00 ～22：00，日負(fù)荷曲線如圖4 所示。

表1 設(shè)備參數(shù)

表2 分時(shí)電價(jià)

圖4 典型日負(fù)荷曲線

4 結(jié)果分析

由于多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)供能結(jié)構(gòu)和地區(qū)負(fù)荷特性，分別對(duì)夏、冬、過渡季的運(yùn)行調(diào)度結(jié)果進(jìn)行分析。

4.1 夏季典型日

夏季，電負(fù)荷和空調(diào)冷負(fù)荷需求較高，在這種負(fù)荷需求下，系統(tǒng)的電負(fù)荷由光伏板和電網(wǎng)供給，空調(diào)冷負(fù)荷由地源熱泵和空氣源熱泵聯(lián)合供應(yīng)，熱水負(fù)荷由太陽能集熱器和鍋爐供應(yīng)，蓄電池和儲(chǔ)熱水箱作為儲(chǔ)能設(shè)備參與調(diào)度。 此時(shí)，系統(tǒng)的互補(bǔ)特性尚不能完全體現(xiàn)出來，利用前文提出的日前經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型對(duì)該模式進(jìn)行優(yōu)化，種群數(shù)設(shè)為100，迭代次數(shù)設(shè)為500，結(jié)果如圖5（a）所示，圖5（b）、（c）、（d）分別表示系統(tǒng)的各類供能及儲(chǔ)能設(shè)備的調(diào)度計(jì)劃。

由圖5（b）可知，在能夠滿足電負(fù)荷需求的條件下，優(yōu)先利用光伏供電；系統(tǒng)在電價(jià)較低的時(shí)間段11：00～13：00 向電網(wǎng)購電，多余的電量儲(chǔ)存在蓄電池內(nèi)，在夜間用電高峰期釋放出來，多余電量賣給電網(wǎng)，起到了削峰填谷的作用，以降低系統(tǒng)購電成本；地源熱泵的運(yùn)行效率較空氣源熱泵高，為達(dá)到經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行的要求，地緣熱泵在調(diào)度中起著主導(dǎo)作用，不足部分由空氣源熱泵提供，這點(diǎn)在圖5（c）中也得到了體現(xiàn)；圖5（d）中展示了供熱水負(fù)荷相關(guān)設(shè)備的出力情況，太陽能集熱器作為主力供熱設(shè)備參與調(diào)度，由于夏季太陽能輻射強(qiáng)度大，而熱水負(fù)荷需求相對(duì)較小，會(huì)有大部分熱儲(chǔ)存在儲(chǔ)熱水箱中，到夜間沒有太陽輻射的時(shí)候用來滿足負(fù)荷需求。 使用天然氣供熱價(jià)格較高，故燃?xì)忮仩t并未列入計(jì)劃運(yùn)行方案。 當(dāng)然，由于儲(chǔ)熱水箱的儲(chǔ)熱容量限制，會(huì)有一部分熱量損失。

圖5 夏季典型日設(shè)備調(diào)度策略

4.2 過渡季典型日

過渡季節(jié)，只有電負(fù)荷和熱水負(fù)荷，沒有空調(diào)負(fù)荷需求，此時(shí)電負(fù)荷由光伏板和電網(wǎng)供給，太陽能集熱器、地源熱泵、空氣源熱泵以及鍋爐全部用來提供熱水負(fù)荷，蓄電池和儲(chǔ)熱水箱作為儲(chǔ)能設(shè)備參與調(diào)度。 利用前文提出的日前經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型對(duì)該模式進(jìn)行優(yōu)化，種群數(shù)設(shè)為100，迭代次數(shù)設(shè)為1 000，結(jié)果如圖6（a）所示，圖6（b）、（c） 分別表示系統(tǒng)的各類供能及儲(chǔ)能設(shè)備的調(diào)度計(jì)劃。

由圖6（b）可知，在進(jìn)入了光伏可發(fā)電時(shí)刻，光伏按照預(yù)測(cè)出力滿發(fā)，以減少系統(tǒng)的電力供應(yīng)需求；9：00～10：00 ，光伏出力無法滿足電負(fù)荷需求，此時(shí)蓄電池也無法進(jìn)行電量供應(yīng)，故只能向電網(wǎng)購電；11：00～12：00，電價(jià)較低，向電網(wǎng)購電的剩余電量儲(chǔ)存在蓄電池中，用于夜間用電高峰期，削峰填谷。 圖6（c）顯示，過渡季節(jié)所有供熱設(shè)備均用來滿足熱水負(fù)荷；其中，太陽能集熱器依然作為主力供熱單元，優(yōu)先參與調(diào)度；9：00 ～10：00，太陽能集熱器出力不足，地源熱泵和空氣源熱泵作為輔助熱源參與供能；11：00～16：00，太陽能集熱器出力充足，多余熱量儲(chǔ)存在儲(chǔ)熱水箱中，用于晚間供熱不足時(shí)刻。 同樣，由于天然氣供熱的不經(jīng)濟(jì)性，燃?xì)忮仩t并未參與優(yōu)化調(diào)度方案。

4.3 冬季典型日

冬季，主要的負(fù)荷需求包括電負(fù)荷和熱負(fù)荷兩大類，在這種情況下，光伏板和電網(wǎng)用來提供系統(tǒng)電負(fù)荷，熱負(fù)荷（包含熱水負(fù)荷） 由太陽能集熱器、地源熱泵、空氣源熱泵和鍋爐聯(lián)合供應(yīng)，蓄電池和儲(chǔ)熱水箱作為儲(chǔ)能設(shè)備參與調(diào)度。 利用前文提出的日前經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型對(duì)該模式進(jìn)行優(yōu)化，種群數(shù)設(shè)為100，迭代次數(shù)設(shè)為800，結(jié)果如圖7（ a） 所示，圖7（b）、（c）分別表示系統(tǒng)的各類供能及儲(chǔ)能設(shè)備的調(diào)度計(jì)劃。

由圖7（b）可知，冬季電負(fù)荷需求較大，光伏出力無法滿足，故在電價(jià)較低時(shí)，多采用用電網(wǎng)購電，多余電量儲(chǔ)存起來，用于夜晚電價(jià)高峰期。 由圖7（c）可以看出，冬季，儲(chǔ)熱水箱作為特殊的 “中間設(shè)備”，將空調(diào)熱負(fù)荷和熱水負(fù)荷結(jié)合起來，系統(tǒng)開始以多能互補(bǔ)模式運(yùn)行。 此時(shí)，太陽能集熱器、地源熱泵和空氣源熱泵作為系統(tǒng)的主要供能設(shè)備，鍋爐作為輔助熱源參與調(diào)度。

圖6 過渡季典型日設(shè)備調(diào)度策略

圖7 冬季典型日設(shè)備調(diào)度策略

4.4 對(duì)比分析

綜上，優(yōu)化后的供能方案足以滿足多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)的全部能源需求，表3 給出了系統(tǒng)優(yōu)化前后的日運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比，如下所示。

表3 不同調(diào)度策略下的系統(tǒng)日運(yùn)行費(fèi)用

其中優(yōu)化后的系統(tǒng)采用的是前文所提的調(diào)度策略，未優(yōu)化指的是全部采用調(diào)峰設(shè)備供能，儲(chǔ)能設(shè)備不參與調(diào)度，而分供式指的是系統(tǒng)的電負(fù)荷由光伏和電網(wǎng)供應(yīng)，空調(diào)負(fù)荷由地源熱泵和空氣源熱泵提供，熱水負(fù)荷由太陽能集熱器和鍋爐提供。

由表3 可知，跟分供式相比，在多能互補(bǔ)的運(yùn)行策略下，系統(tǒng)的日運(yùn)行費(fèi)用也有了顯著地降低，這也證明了多能互補(bǔ)系統(tǒng)的優(yōu)越性。 另外，系統(tǒng)在使用了優(yōu)化調(diào)度策略后，夏季、過渡季以及冬季的日運(yùn)行費(fèi)用分別降低了7.86%、44.38%和7.32%，因此通過調(diào)度系統(tǒng)內(nèi)各功能設(shè)備的運(yùn)行方式和出力，可以顯著降低系統(tǒng)的日運(yùn)行費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行。

5 結(jié)論

為提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，本文建立了多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)日前經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型，并采用遺傳算法對(duì)模型進(jìn)行求解。 在設(shè)備模型建立中，考慮到負(fù)荷對(duì)設(shè)備運(yùn)行特性的影響，對(duì)設(shè)備的變工況特性進(jìn)行了統(tǒng)一的數(shù)學(xué)建模，提高了模型的準(zhǔn)確性。 算例仿真表明，所提優(yōu)化模型和求解算法能夠有效的降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。 本文所提多能互補(bǔ)綜合能源系統(tǒng)的主要供能設(shè)備均為可再生能源設(shè)備，在上述計(jì)算中，忽略了可再生能源的不確定性對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。 因此，可針對(duì)可再生能源的不確定性對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的影響作進(jìn)一步的研究。