考慮岸電負(fù)荷彈性的港區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型與方法

趙景茜， 米翰寧， 程昊文， 陳思捷

(上海交通大學(xué) 電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

為應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的氣候問題，我國提出了“碳達(dá)峰，碳中和”目標(biāo).對(duì)耗能大戶進(jìn)行節(jié)能減排改造，從源頭上減少碳排放是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的關(guān)鍵[1].港區(qū)是典型的高能耗負(fù)荷集中園區(qū)[2]，對(duì)其進(jìn)行節(jié)能減排改造迫在眉睫.

港區(qū)的一個(gè)重要碳排放來源為船只靠港期間的輔助發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn).船只自備輔助發(fā)電機(jī)燃油發(fā)電污染較高[3]，而使用岸上電源代替船用輔助發(fā)電機(jī)為靠港期間的船舶電力系統(tǒng)供電，可以有效降低港區(qū)能耗[4-6].此外，作為一種能源密集型園區(qū)，港區(qū)存在著冷、熱、電、氫氣和天然氣等多種類型的負(fù)荷.傳統(tǒng)港區(qū)中各類型能源供給缺少耦合與交互，造成能源過度消耗.綜合能源系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多能協(xié)調(diào)互補(bǔ)，顯著提升園區(qū)能量利用效率，降低用能成本，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)[7-8].因此，在港區(qū)建設(shè)綜合能源系統(tǒng)可以顯著降低港區(qū)能耗.

現(xiàn)有綜合能源系統(tǒng)的研究對(duì)象大多為工業(yè)園區(qū)、校園或智能樓宇[9-13]，針對(duì)港區(qū)的綜合能源系統(tǒng)研究非常少.區(qū)別于傳統(tǒng)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃，港區(qū)負(fù)荷水平與到港船只情況與貨運(yùn)情況有關(guān)，且波動(dòng)較大.此外，港區(qū)的地理?xiàng)l件使其擁有大量可開發(fā)的可再生能源.因此，規(guī)劃港區(qū)綜合能源系統(tǒng)時(shí)應(yīng)因地制宜，結(jié)合港區(qū)負(fù)荷條件和供能潛力選擇相關(guān)設(shè)備.文獻(xiàn)[14]分析了天津港新能源發(fā)電潛力和負(fù)荷特性，論述了港區(qū)分布式能源系統(tǒng)建設(shè)的必要性.文獻(xiàn)[15]以一個(gè)新加坡港口為例，分析了在港區(qū)使用能量管理系統(tǒng)帶來的經(jīng)濟(jì)效益與減排效益.文獻(xiàn)[16]研究了在港區(qū)部署新能源與儲(chǔ)能設(shè)備，進(jìn)而滿足港區(qū)的岸電負(fù)荷.文獻(xiàn)[17-18]針對(duì)港口貨運(yùn)特點(diǎn), 在綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行模型中考慮了港口綜合需求響應(yīng).但現(xiàn)有研究默認(rèn)到港船只均使用岸電，忽略岸電負(fù)荷的價(jià)格彈性和自主選擇權(quán)，導(dǎo)致當(dāng)前岸電項(xiàng)目存在“岸側(cè)熱、船側(cè)冷”的窘境.市場(chǎng)環(huán)境下，船只會(huì)對(duì)比岸電服務(wù)費(fèi)與自身發(fā)電成本，自主決定是否使用岸電，因此岸電負(fù)荷隨岸電服務(wù)費(fèi)的變動(dòng)而動(dòng)態(tài)變化，而這種特性也會(huì)影響港區(qū)的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃.

針對(duì)現(xiàn)有研究的不足，本文通過對(duì)船只行為決策精細(xì)化建模，構(gòu)建了基于港船互動(dòng)的彈性岸電負(fù)荷模型.通過岸電用電量和港區(qū)用能成本將彈性岸電負(fù)荷與港區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃相耦合，構(gòu)建了計(jì)及岸電負(fù)荷彈性的港區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型.采用最佳響應(yīng)法求解規(guī)劃模型，極大地降低了模型求解復(fù)雜度，提升了模型求解效率.算例表明，本文模型能有效降低港區(qū)碳排放量與用能成本.本文研究可為港口節(jié)能改造提供理論基礎(chǔ).

1 考慮岸電改造的港區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型

1.1 綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型

港區(qū)多能負(fù)荷包含冷、熱、電、氫氣和天然氣，系統(tǒng)內(nèi)部無法滿足的電、氫氣和天然氣需求可以通過從外界購買.港區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的能源供給設(shè)備、能量轉(zhuǎn)換設(shè)備和儲(chǔ)能設(shè)備容量進(jìn)行部署.

1.1.1目標(biāo)函數(shù) 港區(qū)綜合能源系統(tǒng)以經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)為規(guī)劃目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)如下式所示：

(1)

1.1.2供能設(shè)備運(yùn)行約束 港區(qū)可選供能設(shè)備有風(fēng)機(jī)和光伏，其輸出受自然條件影響，具有間斷性、波動(dòng)性及隨機(jī)性.運(yùn)行約束為

(2)

1.1.3能源轉(zhuǎn)換設(shè)備運(yùn)行約束 能源轉(zhuǎn)換設(shè)備可以把某種形式的能源轉(zhuǎn)化為一種或多種其他形式的能源.對(duì)單輸入單輸出設(shè)備，能源轉(zhuǎn)換設(shè)備輸入j1類能量，輸出j2類能量，則對(duì)該類設(shè)備輸入輸出建模為

(3)

對(duì)單輸入多輸出設(shè)備，設(shè)其輸入j1類能量，輸出JN類能量，其模型為

(4)

x∈JN,i∈JC, ?t

能源轉(zhuǎn)換設(shè)備運(yùn)行約束為

(5)

?i∈JR, ?t

1.1.4能源存儲(chǔ)設(shè)備運(yùn)行約束 能源存儲(chǔ)設(shè)備可以提升系統(tǒng)可靠性與靈活性，港區(qū)可選擇建設(shè)的能源存儲(chǔ)設(shè)備件有電池、儲(chǔ)熱設(shè)備、蓄冷設(shè)備、儲(chǔ)氣設(shè)備和儲(chǔ)氫設(shè)備.儲(chǔ)能設(shè)備的荷電狀態(tài)(SOC)滿足連續(xù)性約束：

(6)

儲(chǔ)能設(shè)備的SOC應(yīng)維持在上下限范圍內(nèi)，且在起始與結(jié)束階段滿足連續(xù)性：

(7)

Ωi(0)=Ωi(T), ?i∈JS

(8)

儲(chǔ)能設(shè)備的充能與放能功率應(yīng)在上下限范圍內(nèi)，功率約束為

(9)

(10)

?i∈JS, ?t

1.1.5能量供需平衡約束 港區(qū)綜合能源系統(tǒng)存在著多種類型的能源，除電之外的其他各類能源滿足實(shí)時(shí)供需平衡約束：

(11)

由于岸電負(fù)荷量受岸電服務(wù)費(fèi)的影響而動(dòng)態(tài)變化，有必要建立彈性岸電負(fù)荷模型.對(duì)于電負(fù)荷，由于存在動(dòng)態(tài)變化的岸電負(fù)荷Pos(πser,t)，其供能平衡約束區(qū)別于其他類型的負(fù)荷，考慮能源種類j為電力(ele)時(shí)，如下式所示：

(12)

1.2 岸電負(fù)荷彈性建模

在市場(chǎng)環(huán)境下，到港船舶會(huì)預(yù)估并比較自身用油、用電成本，選擇是否使用岸電.因此，岸電負(fù)荷水平受船只到港順序、船只自身屬性及港口發(fā)布的岸電服務(wù)費(fèi)影響.對(duì)已知的到港船舶數(shù)據(jù)集，t時(shí)刻的岸電負(fù)荷Pos(πser,t)是當(dāng)前靠泊且選擇使用岸電的船舶充電量的總和，則有：

(13)

式中：Wk(t)為船只k在t時(shí)刻的充電量；Xk為船只k的決策.彈性負(fù)荷模型充分考慮船只自主決策權(quán)，當(dāng)用油成本大于用電成本時(shí)選擇連接岸電，否則在靠港時(shí)繼續(xù)使用自備輔助發(fā)電機(jī)供電，如下式所示：

(14)

(15)

(16)

(17)

2 考慮岸電改造的規(guī)劃模型求解算法

2.1 模型分解方法

圖1 彈性岸電負(fù)荷模型與綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型耦合關(guān)系Fig.1 Coupling relation of dynamic shore power model and integrated energy system planning model

第1部分為綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型，由式(1)～(12)組成.該模型是凸優(yōu)化問題，可集中求解，通過求解該部分模型可以得到最優(yōu)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方案.第2部分為彈性岸電負(fù)荷模型，由式(13)～(17)組成，通過求解該部分模型可以得到彈性岸電負(fù)荷.在這種拆分方式下，兩個(gè)模型通過港口用能成本和最優(yōu)岸電服務(wù)費(fèi)下的岸電負(fù)荷量相耦合.

2.2 基于主從博弈的彈性岸電負(fù)荷模型求解

在彈性岸電負(fù)荷模型中，由于港區(qū)擁有岸電服務(wù)費(fèi)定價(jià)權(quán)，可以構(gòu)建主從博弈描述該過程.博弈參與方為港區(qū)與船只群體，博弈順序?yàn)椋旱?階段港區(qū)決定岸電服務(wù)費(fèi)，決策目標(biāo)是自身收益最大化；第2階段為船公司根據(jù)船只自身參數(shù)(停靠時(shí)間、用電功率、等待意愿、自備輔助發(fā)電機(jī)的油電轉(zhuǎn)換效率)、油價(jià)、岸電服務(wù)費(fèi)等因素決策是否使用岸電.博弈模型可表示為

G={(M∪Q); (sM∪sQ); (UM∪UQ)}

(18)

式中包含元素如下：

(1) 博弈參與者包括港區(qū)M(領(lǐng)導(dǎo)者)及船舶集合Q(跟隨者)；

(2)sM={πser}為港區(qū)策略集合，包含所有岸電服務(wù)費(fèi)πser的可能取值；sQ={Xk,k∈Q}為船只策略集合，包含所有船只策略組合；

(3)UM和UQ為船只與港區(qū)收益函數(shù).

對(duì)于船只，以用能成本的負(fù)數(shù)代表收益，決策變量為是否使用岸電Xk，第k條船的收益函數(shù)UQ,k為

(19)

對(duì)于港區(qū)，收益函數(shù)UM即為港口在岸電服務(wù)中的營收，決策變量為岸電服務(wù)費(fèi)πser，則有：

(20)

圖2 彈性岸電負(fù)荷模型求解流程Fig.2 Flowchart of solving flexibility of shore power model

2.3 考慮岸電改造的規(guī)劃模型求解

最佳響應(yīng)法適用于分析或求解兩個(gè)通過少量信息耦合的系統(tǒng)[19-20]，本文采用最佳響應(yīng)法迭代求解上述兩部分模型，算法如下所示.首先初始化港區(qū)用電邊際電價(jià)，計(jì)算該用電成本下的港區(qū)最優(yōu)岸電服務(wù)費(fèi)，并計(jì)算對(duì)應(yīng)的岸電量.其次，根據(jù)岸電負(fù)荷用電量求解港區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方案，并得到此方案下對(duì)應(yīng)的用電邊際電價(jià).隨后將新的邊際電價(jià)作為港區(qū)用電成本，重復(fù)迭代上述過程直至誤差小于規(guī)定精度ω或達(dá)到最大迭代次數(shù)zmax.

算法1考慮岸電改造的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方法

否則，更新迭代次數(shù)z←z+1, 返回步驟2.

3 算例分析

3.1 參數(shù)設(shè)置

港區(qū)從主網(wǎng)購電價(jià)格依據(jù)上海市工業(yè)用戶分時(shí)電價(jià)，如圖3所示，其中：πg(shù)rid為電網(wǎng)電價(jià).天然氣的價(jià)格為2.55 元/Nm3，熱值為39.8 MJ/Nm3，折算后的價(jià)格為0.231元/(kW·h).氫氣的價(jià)格為2.6 元/Nm3，熱值為18.79 MJ/Nm3，折算后價(jià)格為0.498元/(kW·h).

圖3 主網(wǎng)分時(shí)電價(jià)Fig.3 Time-of-use price of main grid

規(guī)劃模型中風(fēng)機(jī)建設(shè)成本為 6 000 元/(kW·h)，使用年限為20 a；光伏建設(shè)成本為10 000元/(kW·h)，使用年限為20 a.能源轉(zhuǎn)換設(shè)備與儲(chǔ)能設(shè)備的參數(shù)與效率如表1所示.

表1 待建能源轉(zhuǎn)換設(shè)備與儲(chǔ)能設(shè)備參數(shù)

3.2 結(jié)果分析

在港區(qū)部署綜合能源系統(tǒng)后的最優(yōu)岸電服務(wù)費(fèi)為0.742元/(kW·h)，在該服務(wù)費(fèi)下港區(qū)的年岸電負(fù)荷如圖4所示.

由圖4可知，最大時(shí)刻的岸電負(fù)荷用電量達(dá)到 10.8 MW·h，最低時(shí)刻為0 MW·h，表明在給定岸電服務(wù)費(fèi)下，岸電負(fù)荷的用電量隨船舶選擇變化呈現(xiàn)出劇烈的波動(dòng)性.證明了根據(jù)船只自身用能特性與岸電服務(wù)費(fèi)對(duì)岸電負(fù)荷進(jìn)行精細(xì)化建模的必要性.

圖4 最優(yōu)岸電服務(wù)費(fèi)下港區(qū)岸電年用電量Fig.4 Annual electricity consumption of shore power of optimal service charge

港區(qū)綜合能源系統(tǒng)計(jì)劃部署設(shè)備種類及容量如圖5所示.首先，對(duì)港區(qū)綜合能源系統(tǒng)中的多能協(xié)調(diào)互補(bǔ)進(jìn)行分析.圖6展現(xiàn)了典型日內(nèi)港區(qū)綜合能源系統(tǒng)的電、熱、冷、氫與天然氣五種能源的實(shí)時(shí)供需平衡，其中：Pi描述各類能源流動(dòng)量，正值代表輸入，負(fù)值代表輸出.從圖6(a)可以看出，由于不計(jì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行成本，優(yōu)先考慮利用風(fēng)機(jī)出力，在風(fēng)機(jī)出力不足的時(shí)刻由外部購電、燃?xì)廨啓C(jī)與電池提供不足的電量.在滿足港區(qū)內(nèi)岸電負(fù)荷與其他電負(fù)荷需求后，多余的風(fēng)電一部分被電池存儲(chǔ)，一部分被電解槽利用產(chǎn)氫，剩余部分被壓縮式制冷機(jī)利用.從圖6(b)可以看出該日的熱負(fù)荷全部來源于燃?xì)廨啓C(jī)，且在負(fù)荷高峰時(shí)刻由儲(chǔ)熱設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié).產(chǎn)生的熱能除了滿足熱負(fù)荷需求，還為吸收式制冷機(jī)供能.從圖6(c)可以看出，在風(fēng)能充足時(shí)刻系統(tǒng)冷能由壓縮式制冷機(jī)供應(yīng)，且多余的冷能由蓄冷裝備存儲(chǔ)，在風(fēng)能不足時(shí)刻，除了蓄冷裝置供冷外，吸收式制冷機(jī)會(huì)利用燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的熱量補(bǔ)充不足的冷能.從圖6(d)可以看出，在風(fēng)電充足時(shí)刻系統(tǒng)氫氣來源于電解槽，其余時(shí)刻主要來源于外部氫氣網(wǎng).從圖6(e)可以看出，系統(tǒng)的天然氣全部來源于外部氣網(wǎng)，由于本地沒有天然氣負(fù)荷，天然氣全部用于燃?xì)廨啓C(jī).

圖5 港區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃結(jié)果Fig.5 Planning result of integrated energy system in the port area

圖6 綜合能源系統(tǒng)能量供需平衡Fig.6 Balance of energy supply and demand in integrated energy system

其次，對(duì)港區(qū)的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析.圖7為港區(qū)內(nèi)24 h各種形式能源的用能成本，其中：λ為系統(tǒng)對(duì)于不同種類能源的用能成本，由各類能源供需平衡等式的拉格朗日乘子計(jì)算得到.對(duì)于電能，與圖3中的分時(shí)電價(jià)相比，全部時(shí)刻的用電成本均低于或等于圖7中對(duì)應(yīng)時(shí)刻的數(shù)值.氫能在 0:00—7:00 以及 20:00—24:00 時(shí)刻的用能成本低于從外部氣網(wǎng)購氣價(jià)格0.498元/(kW·h).由于系統(tǒng)規(guī)劃方案中不存在產(chǎn)生天然氣的設(shè)備，天然氣的用能成本始終等于從氣網(wǎng)購氣價(jià)格.由圖7可知，部署綜合能源系統(tǒng)后，港區(qū)各種能源的用能成本大幅下降，因?yàn)槎嗄軈f(xié)同機(jī)制可以保證系統(tǒng)以最經(jīng)濟(jì)的出力方式運(yùn)行.部署綜合能源系統(tǒng)的成本為172.4萬元，在部署綜合能源系統(tǒng)前，港口在最優(yōu)岸電改造方案下盈利15.4萬元，而部署綜合能源系統(tǒng)設(shè)備后，港口在最優(yōu)岸電方案下盈利60.8萬元(計(jì)及用電成本).

圖7 綜合能源系統(tǒng)用能成本Fig.7 Price of energy in integrated energy system

對(duì)港區(qū)的減排效果進(jìn)行分析.隨著用電成本的下降，港區(qū)愿意降低岸電服務(wù)費(fèi)以吸引更多船只使用岸電，整體增加岸電服務(wù)收益.因此，港區(qū)用電比例大幅提高，電氣化率隨之提高，耗能總量下降.綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃前后港口耗能對(duì)比如表2所示.部署綜合能源系統(tǒng)后，岸電用電總量提升10.03%，總能耗下降10.97%，電力占比提高17.3%.

表2 綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃前后港口耗能對(duì)比Tab.2 Comparison of port energy consumption before and after integrated energy system planning

此外，由于港區(qū)約60%電負(fù)荷由本地風(fēng)電機(jī)組供給，相較于電廠火電機(jī)組屬無污染無排放的清潔能源，港區(qū)及全市污染氣體排放下降.綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃前后污染物年排放量對(duì)比如表3所示.在部署綜合能源系統(tǒng)后，城市范圍內(nèi)SO2、NOx和CO2排放分別下降58.01%、61.09%和57.17%.

表3 綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃前后污染物年排放量對(duì)比Tab.3 Comparison of annual pollutant emissions before and after integrated energy system planning

最終對(duì)求解算法的收斂性進(jìn)行分析.由于規(guī)劃模型是凸優(yōu)化，采用分布式算法求解時(shí)具有較好的收斂性.在本文采用的最佳響應(yīng)算法中，設(shè)置算法的收斂精度為ω=0.01，最大迭代次數(shù)zmax=30.兩部分模型在迭代3次后達(dá)到收斂，誤差分別為 8 411.2、17.1、0.證明本文采用的模型拆分方法與求解算法具有良好的收斂性，最佳響應(yīng)法可以有效求解考慮岸電負(fù)荷彈性的港區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型.

4 結(jié)論

本文充分考慮船只與港口關(guān)于岸電服務(wù)費(fèi)與岸電用電量之間的博弈，在建立彈性岸電負(fù)荷模型的基礎(chǔ)上對(duì)港區(qū)綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃.仿真結(jié)果表明，本文模型能有效提升港區(qū)電氣化率，降低能耗與污染排放，顯著增加港區(qū)收益，所獲得的具體結(jié)論如下.

(1) 綜合能源系統(tǒng)部署使港區(qū)供能成本下降90%，同時(shí)激勵(lì)港區(qū)岸電改造且提升岸電改造收益至改造前的4倍.

(2) 考慮岸電改造，港區(qū)總能耗比無岸電改造下降52%，電力占比增加70.6%；部署綜合能源系統(tǒng)后，港區(qū)總能耗進(jìn)一步下降11%，電力占比提高17%.

(3) 部署綜合能源系統(tǒng)后，港區(qū)約60%電負(fù)荷由本地風(fēng)電機(jī)組供給，港區(qū)及全市污染氣體排放下降，城市范圍內(nèi)SO2、NOx和CO2排放分別下降58.01%、61.09%和57.17%.

本文研究對(duì)港區(qū)的規(guī)劃與決策具有較好的借鑒意義，在本文研究的基礎(chǔ)上，后續(xù)研究可以對(duì)港區(qū)其他類型負(fù)荷精細(xì)化建模，考慮港口綜合需求響應(yīng)與負(fù)荷調(diào)度，優(yōu)化港區(qū)用能策略.