園區(qū)級(jí)綜合能源服務(wù)仿真體系的構(gòu)建與應(yīng)用研究

王 勛，李 泉，王顯力

(國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司培訓(xùn)中心,河北 保定 071000)

生態(tài)環(huán)境污染與能源缺乏問題是當(dāng)前全球范圍內(nèi)的熱點(diǎn)問題，綜合能源服務(wù)系統(tǒng)是一種將不同類型能源生產(chǎn)、傳輸、存儲(chǔ)、消費(fèi)與交易深度融合的全新能源工業(yè)形態(tài)[1]，利用綜合能源服務(wù)系統(tǒng)能夠統(tǒng)一規(guī)劃、利用不同的種類能源，提升能源利用率，推送可再生能源的開發(fā)和利用，是未來能源互聯(lián)網(wǎng)的主要物理載體。各類產(chǎn)業(yè)園區(qū)具備綜合能源系統(tǒng)建設(shè)的自然資源、空間資源、電網(wǎng)基礎(chǔ)和用戶資源，將成為綜合能源服務(wù)、業(yè)務(wù)創(chuàng)新和效益增長(zhǎng)的主戰(zhàn)場(chǎng)[2]。

園區(qū)級(jí)綜合能源服務(wù)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng))通過燃?xì)廨啓C(jī)、熱泵與制冷機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)更加廣泛的多能互補(bǔ)，可為用戶提供綠色、穩(wěn)定、高效的功能服務(wù)?？紤]到系統(tǒng)內(nèi)包含多種不同能源設(shè)備，本文研究了一種有效的仿真體系，可為相關(guān)領(lǐng)域的使用提供科學(xué)的模擬培訓(xùn)和理論支撐。

1 園區(qū)級(jí)綜合能源服務(wù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)內(nèi)包含熱能、電能與冷負(fù)荷能源等多種能源輸入形式[3]。其中熱能來源主要為電鍋爐、熱泵與熱電聯(lián)產(chǎn)(combined heat and power，CHP)機(jī)組等；電能主要來自CHP機(jī)組與外網(wǎng)購(gòu)電；冷負(fù)荷能源主要來自于集中制冷設(shè)備。圖1所示為園區(qū)級(jí)綜合能源服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)。

圖1 園區(qū)級(jí)綜合能源服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 氣源設(shè)備模型

系統(tǒng)內(nèi)的氣源設(shè)備主要包括CHP機(jī)組(燃?xì)廨啓C(jī))和燃?xì)忮仩t。

1.1.1CHP機(jī)組

以天然氣為輸入的CHP機(jī)組可同時(shí)輸出熱能與電能，利用CHP機(jī)組可在提升生產(chǎn)效率的同時(shí)，大量節(jié)約燃料，實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)目標(biāo)，因此其被普遍應(yīng)用于綜合能源服務(wù)系統(tǒng)。園區(qū)級(jí)綜合能源服務(wù)系統(tǒng)內(nèi)的CHP機(jī)組選用燃?xì)廨啓C(jī)，其數(shù)學(xué)模型為：

(1)

式中：WGT(t)和HGT(t)分別為t時(shí)刻下燃?xì)廨啓C(jī)電、熱輸出功率；WGT_in(t)為t時(shí)刻下燃?xì)廨啓C(jī)天然氣輸入功率；δGT為電輸出效率；bGT為輸出熱電比。

1.1.2燃?xì)忮仩t

可實(shí)現(xiàn)氣能與熱能轉(zhuǎn)換功能的燃?xì)忮仩t的數(shù)學(xué)模型為：

HGB(t)=δGBWGB_in(t)

(2)

式中：HGB(t)為t時(shí)刻下燃?xì)忮仩t熱輸出功率；WGB_in(t)為t時(shí)刻下天然氣輸入功率；δGB為燃?xì)忮仩t熱效率。

1.2 電源設(shè)備模型

系統(tǒng)內(nèi)的電源設(shè)備主要包括電鍋爐、熱泵和壓縮式制冷機(jī)[4]。

1.2.1電鍋爐

電鍋爐的主要功能是實(shí)現(xiàn)熱能與電能的轉(zhuǎn)化，其數(shù)學(xué)模型如下：

HEB(t)=δEBWEB_in(t)

(3)

式中：HEB(t)為t時(shí)刻下電鍋爐電輸出功率；WEB_in(t)為t時(shí)刻下電鍋爐熱輸入功率；δEB為電鍋爐熱效率。

1.2.2熱泵

熱泵的主要功能是實(shí)現(xiàn)低溫?zé)嵩磁c高溫?zé)嵩粗g的轉(zhuǎn)換，基于電能消耗實(shí)現(xiàn)熱能供給。熱泵設(shè)備主要包括地源熱泵和空氣源熱泵，數(shù)學(xué)模型表達(dá)式如下：

HGSHP(t)=δGSHPWGSHP_in(t)

(4)

HASHP(t)=δASHPWASHP_in(t)

(5)

式中：HGSHP(t)和HASHP(t)分別為t時(shí)刻下地源熱泵和空氣源熱泵電輸出功率；HGSHP_in(t)和HASHP_in(t)分別為t時(shí)刻下地源熱泵和空氣源熱泵熱輸入功率；δGSHP和δASHP分別為地源熱泵和空氣源熱泵熱輸出能效比。

1.2.3壓縮式制冷機(jī)

壓縮式制冷機(jī)的數(shù)學(xué)模型為：

WCR(t)=δCRWCR_in(t)

(6)

式中：WCR(t)和WCR_in(t)分別為t時(shí)刻下壓縮式制冷機(jī)制冷、電輸出功率；δCR為壓縮式制冷機(jī)冷輸出能效比。

1.3 熱源設(shè)備模型

系統(tǒng)內(nèi)的熱源設(shè)備主要為吸收式制冷機(jī)，其數(shù)學(xué)模型如下：

WAR(t)=δARWAR_in(t)

(7)

式中：WAR(t)和WAR_in(t)分別為t時(shí)刻下吸收式制冷機(jī)制冷、制熱入功率；δAR為吸收式制冷機(jī)冷輸出能效比。

2 仿真體系構(gòu)建與應(yīng)用

以園區(qū)級(jí)綜合能源服務(wù)系統(tǒng)為研究對(duì)象，圍繞系統(tǒng)內(nèi)多能源網(wǎng)絡(luò)之間的耦合特性與交互行為，構(gòu)建仿真體系。系統(tǒng)仿真體系構(gòu)建的主要目的是仿真系統(tǒng)內(nèi)不同設(shè)備運(yùn)行性能與網(wǎng)絡(luò)潮流，仿真驗(yàn)證系統(tǒng)內(nèi)氣、電、熱能能源規(guī)劃的可行性，有效評(píng)估能源市場(chǎng)交易和綜合效益。在系統(tǒng)仿真體系內(nèi)，各項(xiàng)功能相互關(guān)聯(lián)，具體如圖2所示，由此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)優(yōu)化。

圖2 園區(qū)級(jí)綜合能源服務(wù)系統(tǒng)仿真體系基本內(nèi)容

系統(tǒng)規(guī)劃仿真單元內(nèi)，依照需求側(cè)用戶對(duì)不同類型能源的負(fù)荷需求特征與園區(qū)所在區(qū)域的自然資源，如風(fēng)速與光照等屬性，綜合不同設(shè)備約束與異質(zhì)能源耦合機(jī)制，仿真系統(tǒng)的容量配置、設(shè)備選取、管網(wǎng)結(jié)構(gòu)完善、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)等規(guī)劃功能，確定系統(tǒng)的負(fù)荷與能源處理預(yù)測(cè)結(jié)果，明確不同類型能源設(shè)備選取的容量配置，結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估結(jié)果，為系統(tǒng)決策提供數(shù)據(jù)支持。

系統(tǒng)運(yùn)行仿真單元中主要對(duì)設(shè)備運(yùn)行性能與網(wǎng)絡(luò)潮流進(jìn)行仿真。依照系統(tǒng)內(nèi)不同類型設(shè)備的數(shù)學(xué)模型與氣—電—熱傳輸網(wǎng)絡(luò)的潮流計(jì)算模型，基于不同用戶實(shí)際需求、設(shè)備運(yùn)行環(huán)境與市場(chǎng)交易環(huán)境，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行仿真與網(wǎng)絡(luò)潮流仿真，模擬系統(tǒng)內(nèi)不同設(shè)備運(yùn)行條件下輸入與輸出參數(shù)的波動(dòng)與系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)潮流狀態(tài)，為系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性檢驗(yàn)與模式優(yōu)化提供支持。

系統(tǒng)效益評(píng)估單元可依照描述系統(tǒng)運(yùn)行可靠性、經(jīng)濟(jì)性與節(jié)能性的評(píng)估及指標(biāo)，結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)不同類型設(shè)備與管網(wǎng)運(yùn)行性能指標(biāo)，參考系統(tǒng)運(yùn)行仿真結(jié)果和實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，選取主、客觀賦權(quán)評(píng)價(jià)法，評(píng)價(jià)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性、可靠性與設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)性能，依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果完善系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行方案。

系統(tǒng)交易仿真單元參考分布式能源交易、天然氣與熱力交易機(jī)制，制定高度可行的市場(chǎng)機(jī)制，基于市場(chǎng)交易模型進(jìn)行交易仿真。仿真具體內(nèi)容為不同能源交易與服務(wù)、期貨等交易的流程、報(bào)價(jià)與出清過程，檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)定交易機(jī)制的可應(yīng)用性，為系統(tǒng)交易策略的制定與優(yōu)化提供依據(jù)。

2.1 潮流仿真

系統(tǒng)運(yùn)行仿真單元中的潮流仿真是仿真體系的重要內(nèi)容。由于系統(tǒng)內(nèi)潮流分布具有多樣性，因此可將其定義為標(biāo)準(zhǔn)的混合整數(shù)非線性問題。不同設(shè)備模型在不同時(shí)空尺度下的管理調(diào)度內(nèi)容也有所差異[5]。參考涵蓋耦合環(huán)節(jié)的能源集線器模型，需依照氣源設(shè)備網(wǎng)絡(luò)、電源設(shè)備網(wǎng)絡(luò)和熱源設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的已知變量求解網(wǎng)絡(luò)潮流。由于能源集線器模型具有高維度、非線性、高耦合性與復(fù)雜性等特征，因此潮流仿真過程中僅需確定穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下不同設(shè)備網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不同節(jié)點(diǎn)的變量，以此降低潮流仿真過程的復(fù)雜性。

系統(tǒng)潮流仿真選用牛頓-拉夫遜算法。變量X的函數(shù)表達(dá)式為：

f(X)=0

(8)

利用牛頓-拉夫遜算法求解式(8)的過程中，以合適的近似值X(n)為出發(fā)點(diǎn)，依照式(9)重復(fù)計(jì)算：

(9)

在X(n)與設(shè)定的收斂條件相匹配的條件下，可將其作為式(9)的根。利用上述過程逼近求解方程的方法即為牛頓-拉夫遜算法。同時(shí)該算法還可做如下描述，以ζ表示第n次迭代獲取的解與準(zhǔn)確值間的差異，即X(n)的誤差，由此得到：

f(X(n)+ζ)=0

(10)

依照泰勒級(jí)數(shù)，在X(n)周邊，將f(X(n)+ζ)對(duì)ζ展開，得到：

f(X(n)+ζ)=f(X(n))+ζf′(X(n))+

(11)

將式(11)泰勒級(jí)數(shù)展開式內(nèi)ζ的高次項(xiàng)省略，得到線性化方程：

f(X(n))+ζf′(X(n))≈0

(12)

利用式(13)確定X(n)的誤差ζ：

(13)

對(duì)比式(11)和式(12)能夠得到牛頓-拉夫遜算法的修正量與ζ的一次項(xiàng)一致。

采用相同的方法，將牛頓-拉夫遜算法擴(kuò)展出n個(gè)變量，n個(gè)方程的方程組表達(dá)式如下：

(14)

(15)

式中：fn表示擬合函數(shù)，Xn表示第n個(gè)變量。

簡(jiǎn)化式(15)能夠得到如下矩陣：

f=KΔX

(16)

(17)

(18)

系統(tǒng)多能潮流算法流程如下：1)輸入系統(tǒng)內(nèi)電力系統(tǒng)與天然氣系統(tǒng)參數(shù)、電力與熱負(fù)荷需求、燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行參數(shù)與輸出功率、燃?xì)忮仩t運(yùn)行參數(shù)與輸出功率、壓縮式制冷機(jī)和吸收式制冷機(jī)運(yùn)行參數(shù)與輸出功率，同時(shí)將不同設(shè)備的輸出功率輸入至對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)參數(shù)。2)不同設(shè)備網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立進(jìn)行潮流運(yùn)算，即氣源設(shè)備網(wǎng)絡(luò)、電源設(shè)備網(wǎng)絡(luò)和熱源設(shè)備網(wǎng)絡(luò)分別依照自身的節(jié)點(diǎn)參數(shù)與支路參數(shù)等實(shí)施一次潮流運(yùn)算。3)依照不同設(shè)備網(wǎng)絡(luò)一次潮流運(yùn)算結(jié)果，結(jié)合耦合設(shè)備能量模型，確定不同設(shè)備網(wǎng)絡(luò)各自交叉網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，并確定是否符合約束條件，若不符合約束條件，則對(duì)不同設(shè)備網(wǎng)絡(luò)耦合節(jié)點(diǎn)的參數(shù)進(jìn)行修正。4)循環(huán)2)、3)過程，直至符合約束條件，結(jié)束仿真。5)輸出潮流仿真結(jié)果。

2.2 效益評(píng)估仿真

系統(tǒng)效益評(píng)估單元中的效益評(píng)估仿真實(shí)現(xiàn)思路如圖3所示。

圖3 效益評(píng)估仿真實(shí)現(xiàn)思路

基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)備規(guī)格參數(shù)，匯總氣源設(shè)備、電源設(shè)備與熱源設(shè)備與不同類型傳輸管網(wǎng)運(yùn)行的性能參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，生成包含系統(tǒng)不同類型設(shè)備與管網(wǎng)性能參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建系統(tǒng)運(yùn)行性能評(píng)估指標(biāo)體系。同時(shí)，參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)分析與實(shí)踐研究成果中主要效益類別，從系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益與社會(huì)效益3個(gè)維度構(gòu)建園區(qū)級(jí)綜合能源效益評(píng)估指標(biāo)體系。

將主觀賦權(quán)方法(德爾菲法)與客觀賦權(quán)方法(熵值賦權(quán)法)相結(jié)合，構(gòu)建園區(qū)級(jí)綜合能源服務(wù)系統(tǒng)性能效益評(píng)估模型，利用MATLAB計(jì)算軟件、C語(yǔ)言編程軟件等設(shè)計(jì)園區(qū)級(jí)綜合能源服務(wù)系統(tǒng)效益評(píng)估仿真功能單元。

參考國(guó)內(nèi)外園區(qū)級(jí)綜合能源實(shí)踐案例，采集數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行性效益評(píng)價(jià)，匯總整理后構(gòu)建具有可行性與可普及性的系統(tǒng)運(yùn)行效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

3 結(jié)束語(yǔ)

能源革命與能源供給改革的持續(xù)發(fā)展令我國(guó)綜合能源服務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用逐漸普及，隨著相關(guān)研究的深入，綜合能源服務(wù)系統(tǒng)所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)與社會(huì)效益也在持續(xù)增長(zhǎng)。在此大環(huán)境下，本文研究了園區(qū)級(jí)綜合能源服務(wù)仿真體系的構(gòu)建與應(yīng)用，分析系統(tǒng)內(nèi)不同設(shè)備網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)系統(tǒng)規(guī)劃方案的可行性、運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定性、市場(chǎng)交易與效益評(píng)估等進(jìn)行仿真，通過高效的仿真體系可為該系統(tǒng)的優(yōu)化發(fā)展提供科學(xué)、準(zhǔn)確的理論方法與工具支撐。