考慮拓?fù)湟?guī)劃與管線選型的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置方法

汪超群， 陳 懿*， 遲長云， 李曉波， 蔣雪冬， 羅秀花

(1.浙江浙達(dá)能源科技有限公司， 杭州 310007； 2.浙達(dá)電力科技(杭州)有限公司， 杭州 310007；3.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院， 杭州 310007； 4.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院， 南寧 530004)

能源危機(jī)與環(huán)境保護(hù)一直是中國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要議題[1-3]。隨著“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)[4]的提出，各行各業(yè)正面臨著前所未有的轉(zhuǎn)型和升級壓力，尤其是對于高耗能高污染的能源行業(yè)，社會(huì)各界給予了更多關(guān)注和更高要求。為應(yīng)對能源與環(huán)境的雙重挑戰(zhàn)，電力部門提出了大力發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)[5]、積極推動(dòng)清潔替代與電能替代的重要戰(zhàn)略方針。

綜合能源系統(tǒng)(integrated energy system，IES)作為能源互聯(lián)網(wǎng)的重要物理載體，旨在通過信息通信和智能技術(shù)將各類能源的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)以及利用等環(huán)節(jié)進(jìn)行深度融合，從而實(shí)現(xiàn)可再生能源的大幅消納以及綜合利用效率的顯著提升[6]。鑒于綜合能源系統(tǒng)在能源利用與環(huán)境保護(hù)方面的重要作用，IES吸引了一大批專家學(xué)者對其規(guī)劃和運(yùn)行策略展開了深入的研究和探索[7-9]。

文獻(xiàn)[10]建立了含儲(chǔ)能裝置的IES優(yōu)化配置模型，基于該模型采用線性優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行求解，成功實(shí)現(xiàn)了設(shè)備選型、容量配置以及運(yùn)行方式的同步優(yōu)化。文獻(xiàn)[11]采用能源集線器理論[12-13]描述各類設(shè)備的輸入-輸出關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上提出了一種區(qū)域綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)配置方法。文獻(xiàn)[14]提出了含多能源網(wǎng)絡(luò)的IES選址定容方法，對分布式能源設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，但并未引入系統(tǒng)運(yùn)行約束，無法實(shí)現(xiàn)整體最優(yōu)。文獻(xiàn)[15]以經(jīng)濟(jì)環(huán)保最優(yōu)為目標(biāo)，重點(diǎn)考察了空調(diào)期和采暖期的負(fù)荷需求，建立了IES的雙層規(guī)劃模型，并采用智能優(yōu)化算法進(jìn)行了求解。文獻(xiàn)[16]將系統(tǒng)與電熱網(wǎng)的能量交易納入總成本，提出了一種計(jì)及電熱交易的IES多目標(biāo)優(yōu)化配置方法，在提高配置方案最優(yōu)性的同時(shí)，有效改善了在系統(tǒng)規(guī)劃階段因決策因素單一而導(dǎo)致的局限性。

以上研究成果對于綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃運(yùn)行具有重要的參考價(jià)值。進(jìn)一步分析其思路和做法可以發(fā)現(xiàn)，上述文獻(xiàn)大多局限于單個(gè)區(qū)域能源站的規(guī)劃，對于多能源站的優(yōu)化配置并未涉及，特別是關(guān)于能源站之間的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?guī)劃尚未見報(bào)道。事實(shí)上，相對于單一規(guī)劃，含有多個(gè)分區(qū)的區(qū)域級綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化配置更具挑戰(zhàn)性和實(shí)用價(jià)值。這是因?yàn)閷⒍鄠€(gè)能源站進(jìn)行協(xié)同規(guī)劃，可以充分發(fā)揮各能源站的資源互補(bǔ)優(yōu)勢，減少冗余設(shè)備的安裝容量，從而獲得更高的經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)能效[17]。

基于以上分析，建立考慮拓?fù)湟?guī)劃的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置模型。具體做法是在傳統(tǒng)單能源站規(guī)劃模型的基礎(chǔ)上，以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)，引入電力線路和輸熱管道的選型與容量配置約束，同時(shí)考慮管網(wǎng)的傳輸損耗、容量上限以及電壓運(yùn)行范圍等因素，從而形成了多區(qū)域能源聯(lián)合系統(tǒng)的優(yōu)化配置模型。相比傳統(tǒng)模型，本文模型在保留了線性化特征的同時(shí)，具有約束完備、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。采用實(shí)際案例進(jìn)行驗(yàn)證，算例結(jié)果證明了本文模型和方法的正確性及有效性。

1 IES的供能設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)模型

如圖1所示，區(qū)域綜合能源系統(tǒng)通過電熱管網(wǎng)將分布在不同地區(qū)的能源系統(tǒng)連接在一起，利用多能互補(bǔ)與分區(qū)協(xié)調(diào)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多品類的能源生產(chǎn)與用能平衡。與其他單一能源系統(tǒng)不同，區(qū)域綜合能源系統(tǒng)具有能源形式多樣、設(shè)備類型豐富、運(yùn)行控制復(fù)雜以及綜合能效更高等特點(diǎn)。常見的綜合能源設(shè)備包括燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)機(jī)、光伏、儲(chǔ)能、燃?xì)忮仩t、吸收式制冷機(jī)、電制冷機(jī)等等。各類設(shè)備的技術(shù)原理不同，相互之間的經(jīng)濟(jì)特性差異也較大。現(xiàn)根據(jù)IES中各類設(shè)備和供能網(wǎng)絡(luò)的物理特性與技術(shù)機(jī)理進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，從而為后續(xù)系統(tǒng)的優(yōu)化配置奠定基礎(chǔ)。

OLTC為有載調(diào)壓變壓器；SVC為靜止無功補(bǔ)償裝置圖1 區(qū)域綜合能源系統(tǒng)Fig.1 Regional integrated energy system

1.1 主要設(shè)備模型

1.1.1 光伏組件

光伏組件(photovoltaic cell，PV)是一類利用光生伏特效應(yīng)原理來發(fā)電的設(shè)備，其輸出的直流電可直接供給照明、蓄電池等直流負(fù)載使用，也可以通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電上網(wǎng)。由于光伏沒有復(fù)雜的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，其輸入為自然光照，因此光伏發(fā)電具有清潔環(huán)保、易于維護(hù)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。光伏的發(fā)電功率與光照強(qiáng)度、入射角度、電池安裝面積、工作溫度等因素有關(guān)，具體表達(dá)式為

PPV,t=ηPVAPVItcosθt[1+αPV(Tt-TSTC)]

(1)

式(1)中:PPV,t為光伏組件在t時(shí)刻的有功出力；ηPV為光伏發(fā)電效率；APV為組件安裝面積；It為t時(shí)刻的光照強(qiáng)度;θt為光照入射角度；αPV為功率溫度系數(shù)；Tt為t時(shí)刻組件的工作溫度；TSTC為標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的組件溫度。

1.1.2 風(fēng)電機(jī)組

風(fēng)電機(jī)組(wind turbine，WT)是一類利用自然界中的風(fēng)能推動(dòng)風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)做功，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的設(shè)備。由于風(fēng)能在自然界中廣泛存在，利用風(fēng)力進(jìn)行發(fā)電被公認(rèn)為是解決能源危機(jī)、實(shí)現(xiàn)清潔替代的重要途徑之一。目前，單臺(tái)風(fēng)機(jī)的容量小到幾十千瓦，大到幾百上千千瓦，主流機(jī)型容量為1.5～2.5 MW。風(fēng)機(jī)的出力與實(shí)際風(fēng)速、機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)等因素有關(guān)，具體表達(dá)式為

(2)

式(2)中:vci、vr、vco分別為風(fēng)機(jī)的切入風(fēng)速、額定風(fēng)速和切出風(fēng)速；vt為t時(shí)刻的實(shí)際風(fēng)速；PWT,r、PWT,t分別為風(fēng)機(jī)的額定功率和t時(shí)刻的實(shí)際功率。

1.1.3 燃?xì)廨啓C(jī)

燃?xì)廨啓C(jī)(gas turbine，GT)是熱電聯(lián)產(chǎn)的核心設(shè)備之一，其工作原理是利用天然氣燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體推動(dòng)轉(zhuǎn)子做功并發(fā)電。燃燒后的尾氣可通過余熱回收裝置進(jìn)行再利用，從而提高能源的梯級利用效率。燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)十分緊湊，具有體積小、重量輕、啟動(dòng)快等突出優(yōu)點(diǎn)，目前主要應(yīng)用于大型工業(yè)園區(qū)、能源站、以及其他需要獨(dú)立供能的場所。燃?xì)廨啓C(jī)的出力特性可表示為

(3)

(4)

(5)

1.1.4 燃?xì)忮仩t

燃?xì)忮仩t(gas boiler，GB)是一類以燃?xì)鉃檩斎?，輸出為熱水或蒸汽的能量轉(zhuǎn)換裝置。燃?xì)忮仩t相較電鍋爐、燃油鍋爐的經(jīng)濟(jì)性更好，因此在商場、醫(yī)院、酒店等場所均有應(yīng)用。燃?xì)忮仩t的制熱特性可表示為

(6)

(7)

1.1.5 蓄電池

作為電儲(chǔ)能(electric storage，ES)裝置的代表，磷酸鐵鋰電池是一類常見的儲(chǔ)能裝置，該裝置具有能量密度大、自放電率小、循環(huán)壽命長等一系列有優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、移動(dòng)電源、分布式發(fā)電等領(lǐng)域。在電力行業(yè)，蓄電池多與風(fēng)機(jī)、光伏系統(tǒng)相配合，利用其快速調(diào)節(jié)能力平抑新能源的出力波動(dòng)。此外，蓄電池也可以利用峰谷電價(jià)差，在電價(jià)高峰時(shí)段放電、在低谷時(shí)段充電，從而減少系統(tǒng)的購電成本。電儲(chǔ)能的數(shù)學(xué)模型可表示為

(8)

(9)

(10)

(11)

式(8)為蓄電池的容量平衡約束；式(9)為剩余容量的上下限值約束；式(10)為蓄電池的最大充電功率約束；式(11)為蓄電池的最大放電功率約束。

1.1.6 冷水機(jī)組

冷水機(jī)組(electric chiller，EC)是一種以電能為輸入，利用機(jī)械加壓使制冷劑液化，然后與冷源接觸汽化，從而實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移與制冷目的的設(shè)備。電制冷機(jī)的工作過程可概括為“壓縮-冷凝-節(jié)流-蒸發(fā)”四個(gè)環(huán)節(jié)。冷水機(jī)組的運(yùn)行特性可表示為

OEC,t=COP，ECPEC,t

(12)

式(12)中:COP，EC為冷水機(jī)組的制冷能效系數(shù)；PEC,t為冷水機(jī)組在t時(shí)刻的輸入電功率；OEC,t為冷水機(jī)組的輸出冷功率。

1.1.7 吸收式制冷機(jī)

吸收式制冷機(jī)(absorption chiller, AC)的主要工作原理是利用兩種高、低沸點(diǎn)工質(zhì)組成的特殊溶液，通過其中一種工質(zhì)對另外一種工質(zhì)的吸收和釋放，完成工質(zhì)狀態(tài)的變化，同時(shí)伴有吸熱或放熱的現(xiàn)象產(chǎn)生，從而達(dá)到能量轉(zhuǎn)化的目的。吸收式制冷機(jī)主要由發(fā)生器、吸收器、冷凝器和蒸發(fā)器四個(gè)部件組成，工作介質(zhì)包括制取冷量的制冷劑(如水)和吸收、解吸制冷劑的吸收劑(如溴化鋰)，二者組成工質(zhì)對。吸收式制冷機(jī)的輸出特性可表示為

OAC,t=COP，ACHAC,t

(13)

式(13)中:COP，AC為吸收式制冷機(jī)的制冷能效系數(shù)；HAC,t為吸收制冷機(jī)在t時(shí)刻的輸入熱功率；OAC,t為吸收式制冷機(jī)的輸出冷功率。

1.2 供能網(wǎng)絡(luò)模型

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)通常由分布在多個(gè)區(qū)域的供用能系統(tǒng)組成，各區(qū)域之間主要通過電力線路和輸熱管道完成能量交換。對于不同類型的線路和管道，其輸送容量、沿程損耗以及單位造價(jià)往往相差較大，因此在進(jìn)行多區(qū)域系統(tǒng)優(yōu)化配置時(shí)有必要對線路和管道進(jìn)行選型，同時(shí)對各區(qū)域之間的拓?fù)溥B接方式進(jìn)行合理規(guī)劃，以盡量減少系統(tǒng)的整體投資和運(yùn)行成本。由于線路和管道模型均具有高度非線性化的特征，直接采用這兩個(gè)模型進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化配置，將在很大程度上增加問題的求解難度。因此，本文中主要采用線性化的潮流和管道模型進(jìn)行管線選型和拓?fù)湟?guī)劃。

1.2.1 電力線路模型

本文中采用線性潮流方法對電力線路進(jìn)行建模。該方法可以精準(zhǔn)計(jì)及電壓、損耗以及線路容量等因素的影響，具有近似程度好、模型構(gòu)造簡單等優(yōu)點(diǎn)。具體模型如圖2所示。

圖2 某支路參數(shù)Fig.2 Parameters of a line branch

(14)

(15)

V′i-V′j≈2(ri,jPi,j+xi,jQi,j)+

(16)

P′i,j≥(vΔPi,j)2+(2v-1)ΔPi,j(Pi,j-vΔPi,j)

(17)

P′i,j≥(vΔPi,j)2-(2v-1)ΔPi,j(Pi,j+vΔPi,j)

(18)

Q′i,j≥(vΔQi,j)2+(2v-1)ΔQi,j(Qi,j-vΔQi,j)

(19)

Q′i,j≥(vΔQi,j)2-(2v-1)ΔQi,j(Qi,j+vΔQi,j)

(20)

若考慮節(jié)點(diǎn)電壓和支路有功運(yùn)行范圍，那么有

(21)

(22)

式(14)～式(22)即為本文中所采用的線性潮流模型?；谠撃Ｐ停瑢EEE-33標(biāo)準(zhǔn)配電系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與牛頓潮流結(jié)果進(jìn)行比較。兩種方法的電壓分布對比如圖3所示?？梢钥吹剑疚闹兴捎玫木€性潮流方法得到的結(jié)果與精確牛頓潮流結(jié)果十分相近，其最大誤差不超過0.018 7%。

圖3 電壓幅值和誤差分布Fig.3 Voltage amplitude and error distribution

1.2.2 輸熱管道模型

輸熱管道模型是一個(gè)高維非線性、多參數(shù)時(shí)變模型。為求解方便，采用固定損耗率、額定容量等參數(shù)對其進(jìn)行簡化。對于連接熱力節(jié)點(diǎn)i、j的管道，其從i節(jié)點(diǎn)流向j節(jié)點(diǎn)的熱能傳輸功率Hi,j應(yīng)在管道額定容量范圍內(nèi)，即有

(23)

(24)

式(24)中，ηi,j為管道的熱損失率。

由于冷能傳輸損耗大，輸送半徑小，實(shí)際運(yùn)營中各能源站之間一般不會(huì)鋪設(shè)冷能傳輸管道，因此本文中不予考慮冷管道模型。

2 IES的分區(qū)協(xié)同規(guī)劃模型

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)是一種利用先進(jìn)的協(xié)同調(diào)度與優(yōu)化控制手段，將分布在不同地理位置的多個(gè)能源站通過管線連接在一起，共同服務(wù)于地區(qū)用能平衡的區(qū)域性能源生產(chǎn)系統(tǒng)。與獨(dú)立規(guī)劃和運(yùn)行的能源站相比，將多能源站協(xié)同規(guī)劃運(yùn)行可以減少冗余設(shè)備的安裝容量，提高各類資源的利用效率，同時(shí)可以利用各能源站的相互備用和支撐能力，保障總體供能的可靠性。

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃面臨以下兩個(gè)方面的問題：①各能源站的設(shè)備選型和容量配置問題，該問題主要解決分布在不同地區(qū)的能源站如何確定其自身安裝的設(shè)備類型以及對應(yīng)的容量或臺(tái)數(shù)；②各能源站之間的拓?fù)湟?guī)劃問題，即確定能源站之間的連接關(guān)系以及對應(yīng)線路和管道的安裝類型。為解決上述問題，在第1節(jié)供能設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上，建立了考慮拓?fù)湟?guī)劃的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置模型。該模型能夠在優(yōu)化各能源站設(shè)備配置方案的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的同步優(yōu)化。

2.1 約束條件

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃模型需滿足管網(wǎng)與設(shè)備選型約束、容量配置約束、運(yùn)行約束以及節(jié)點(diǎn)能流平衡約束。其中運(yùn)行約束在第1節(jié)中已有介紹，這里不再贅述。其他約束條件如下。

2.1.1 設(shè)備選型與容量配置約束

對于能源站節(jié)點(diǎn)i，其安裝的第k類設(shè)備臺(tái)數(shù)ni,k不應(yīng)超過允許的最小和最大安裝臺(tái)數(shù)，即

(25)

對于安裝容量為連續(xù)的設(shè)備，如光伏面板、蓄電池等，其選型和容量配置約束為

(26)

2.1.2 管網(wǎng)選型與容量配置約束

電力線路與輸熱管道的型號容量與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需滿足約束為

γi,j,k∈{0,1}

(27)

(28)

(29)

式中：γi,j,k為連接節(jié)點(diǎn)i、j的支路l第k型管道或線路是否安裝變量；K為管道或線路類型數(shù)；L為待規(guī)劃的路徑方案數(shù)；Nbus為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)。

式(27)表示支路l的管道或線路選型約束；式(28)表示對于同一條支路，僅允許安裝一種類型的管道或線路；式(29)表示安裝的線路之和小于節(jié)點(diǎn)數(shù)減1，即電力網(wǎng)絡(luò)輻射狀約束。

2.1.3 節(jié)點(diǎn)能量平衡方程

節(jié)點(diǎn)能量平衡包括電平衡、熱平衡和冷平衡約束。其中節(jié)點(diǎn)電平衡分為有功和無功平衡約束，即

(30)

(31)

節(jié)點(diǎn)熱平衡約束為

(32)

節(jié)點(diǎn)冷平衡約束為

(33)

2.2 目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)為整個(gè)項(xiàng)目周期內(nèi)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，具體目標(biāo)項(xiàng)包括設(shè)備和管網(wǎng)的投資成本f1、替換成本f2、維護(hù)成本f3、能源購置支出f4以及設(shè)備殘值收入f5等。相關(guān)函數(shù)的表達(dá)式為

minf=f1+f2+f3+f4-f5

(34)

(35)

(36)

(37)

(38)

f5=(f1+f2)ξ

(39)

式中：uk為設(shè)備k的單位容量投資成本；ck為設(shè)備k的單位維護(hù)成本；pt為t時(shí)段的單位電價(jià)或氣價(jià)；zi,k為安裝在節(jié)點(diǎn)i的設(shè)備k在整個(gè)項(xiàng)目周期內(nèi)的替換次數(shù)，計(jì)算公式為項(xiàng)目周期除以相應(yīng)設(shè)備壽命再向上取整；Nt為t時(shí)段在整個(gè)項(xiàng)目周期內(nèi)的總個(gè)數(shù)；wt為t時(shí)段系統(tǒng)購電或購氣量；ξ為殘值率。

以上即為本文中建立的考慮拓?fù)湟?guī)劃的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置模型。不難發(fā)現(xiàn)，該模型是一個(gè)混合整數(shù)線性規(guī)劃問題，可采用成熟的商業(yè)求解器進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算成功后，可得到各能源站的設(shè)備配置以及熱電管網(wǎng)的選型和拓?fù)溥B接方案。

3 算例測試及分析

3.1 算例情況介紹

采用某區(qū)域綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化配置分析。該系統(tǒng)含有5個(gè)能源轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)，其中節(jié)點(diǎn)1～4為待建分布式能源站，它們通過安裝一定容量的設(shè)備為周圍的用戶供給冷、熱、電等多種形式的能源；節(jié)點(diǎn)5為并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)經(jīng)由并網(wǎng)開關(guān)將整個(gè)系統(tǒng)接入電網(wǎng)供電。各節(jié)點(diǎn)之間擬通過鋪設(shè)電熱管網(wǎng)進(jìn)行連接，備選的管道布局方案如圖4所示。待選線路和輸熱管道的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)參數(shù)如表1和表2所示，其他設(shè)備參數(shù)見參考文獻(xiàn)[9]?？紤]到能源站的空間有限，能源站1～4的光伏最大配置容量分別

圖4 備選管線布局方案Fig.4 Alternative pipeline layout scheme

表1 電力線路的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)參數(shù)

表2 輸熱管道的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)參數(shù)

為1 000、1 000、1 200、1 200 kW，各類設(shè)備的最大允許安裝臺(tái)數(shù)均為4臺(tái)。

由于負(fù)荷和氣象條件的季節(jié)性差異，導(dǎo)致系統(tǒng)用能需求和光照強(qiáng)度在全年的分布大不相同。為了體現(xiàn)這種時(shí)空差異，同時(shí)盡量降低問題求解的時(shí)間復(fù)雜度，將全年劃分為夏季(7—9月)、冬季(12—次年3月)和過渡季(4—6月、10—11月)，每個(gè)季節(jié)各選取一個(gè)典型代表日00：00—24：00進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。各典型日的節(jié)點(diǎn)負(fù)荷和光照強(qiáng)度分布如圖5所示，可以看到不同負(fù)荷尤其是冷、熱負(fù)荷的季節(jié)性表現(xiàn)十分明顯。相關(guān)參數(shù)設(shè)置為：電價(jià)為峰谷分時(shí)電價(jià)，其中低谷時(shí)段00:00—08:00電價(jià)為0.323 8元/(kW·h)，高峰時(shí)段08:00—12:00、18:00—21:00電價(jià)為1.119 2元/(kW·h)；平時(shí)段12:00—17:00、22:00—24:00電價(jià)為0.671 5元/(kW·h)；燃?xì)鈨r(jià)格為2.86元/Nm3，燃燒熱值為36 000 kJ/Nm3；維護(hù)成本為0.001元/(kW·h)，項(xiàng)目周期為25年；編程環(huán)境為MATLAB 2019b，求解器為 Gurobi 9.0，計(jì)算機(jī)為IBM 64位兼容機(jī)。

圖5 各典型日逐時(shí)負(fù)荷與光照強(qiáng)度Fig.5 Hourly load and light intensity of each typical day

3.2 配置結(jié)果分析

為充分說明多分區(qū)協(xié)同規(guī)劃的優(yōu)勢，本文中分兩種場景進(jìn)行對比分析。其中場景1為分區(qū)獨(dú)立規(guī)劃，即不考慮分區(qū)能源站之間的電熱聯(lián)系，各能源站節(jié)點(diǎn)按自身負(fù)荷需求獨(dú)立進(jìn)行資源配置；場景2為引入熱電管網(wǎng)的分區(qū)協(xié)同規(guī)劃，即將多分區(qū)能源站通過電力線路和輸熱管道連接起來，以實(shí)現(xiàn)分區(qū)系統(tǒng)互聯(lián)與資源共享。兩種場景下各分區(qū)節(jié)點(diǎn)的設(shè)備配置情況如表3所示，各類設(shè)備的安裝容量對比如圖6所示。

表3 兩種場景的設(shè)備配置結(jié)果

圖6 兩種場景的設(shè)備安裝容量Fig.6 Installation capacity of the two scenarios

分析上述配置結(jié)果可知，兩種場景均以最大安裝容量配置了光伏組件，其原因在于光伏除了初始投資和少量的維護(hù)成本外，其運(yùn)行成本為0，同時(shí)光伏通過太陽輻照發(fā)電，無需依賴其他化石能源，因此最大化安裝光伏可以在整個(gè)項(xiàng)目周期內(nèi)產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益。電儲(chǔ)能作為一種備用裝置，可以實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)和釋放，從而滿足系統(tǒng)峰谷時(shí)段的用能需求。對比兩種場景可以發(fā)現(xiàn)，場景2的儲(chǔ)能安裝容量明顯小于場景1，這說明將多個(gè)區(qū)域協(xié)同規(guī)劃、聯(lián)合運(yùn)行可以顯著減少系統(tǒng)的備用需求，提高設(shè)備的利用效率。正是由于區(qū)域間存在電熱聯(lián)系，場景2加大了燃?xì)廨啓C(jī)的安裝容量，從而有助于能源站之間的電能和熱能交換，并減少其他區(qū)域燃?xì)忮仩t的安裝容量。區(qū)域熱交換的存在，使得熱能利用更加普遍，也進(jìn)一步導(dǎo)致了場景2的吸收式制冷機(jī)(以熱制冷)設(shè)備容量有所增加，同時(shí)減少了電制冷設(shè)備的配置數(shù)量。

場景2的拓?fù)湟?guī)劃結(jié)果如圖7所示。各能源站通過電力線路1—5、1—2、3—4、4—5以及輸熱管道1—3、2—3、3—4連接起來。其中電力線路的型號均為E1，其連接結(jié)構(gòu)滿足輻射狀運(yùn)行條件；輸熱管道1—3的型號為H1，其余管道型號均為H3。對比規(guī)劃前后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，電力線路的路徑規(guī)劃避免了較長線路的安裝和建設(shè)，如圖7中1—3、2—3、3—5等線路，該方案有利于降低電能傳輸損耗，同時(shí)減少線路投資。由表3可知，場景2在能源站3處安裝了1臺(tái)#4燃?xì)廨啓C(jī)和2臺(tái)#3燃?xì)忮仩t，在滿足該節(jié)點(diǎn)自身用能負(fù)荷的同時(shí)，可以充分釋放設(shè)備的容量，將多余的電力和熱能通過線路和管道輸送給其他能源站，從而擴(kuò)大其使用范圍。由于節(jié)點(diǎn)3為熱能生產(chǎn)中心，為避免傳輸損耗，其生產(chǎn)的熱能宜通過最短路徑輸送至相鄰節(jié)點(diǎn)。因此，能源站3在給1和2供熱時(shí)，直接通過1—3和2—3管道，而非1—2和2—3(若采用該方案則流向節(jié)點(diǎn)1的熱能經(jīng)歷了2—3和1—2管道，損耗相比通過1—2管道輸送有所增加)，此時(shí)流向節(jié)點(diǎn)1的熱能只在1—3管道上有損耗，減少了輸送給能源站1的熱能損失。

圖7 優(yōu)化后的管線布局方案Fig.7 Optimized pipeline layout scheme

兩種場景的各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表4所示。表中，雖然場景2的投資和替換成本均高于場景1，但是其購能成本(即購氣和購電成本之和)明顯更小，導(dǎo)致場景2的總成本比之場景1仍下降了4.039 9%。該結(jié)果說明了將多個(gè)區(qū)域聯(lián)合運(yùn)行有助于降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，提高整體經(jīng)濟(jì)性。需要說明的是，以上結(jié)論對于其他多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)同樣適用，特別是當(dāng)各區(qū)域負(fù)荷水平更高時(shí)，多區(qū)域統(tǒng)一規(guī)劃、聯(lián)合運(yùn)行的優(yōu)勢將更加明顯。此時(shí)設(shè)備的投資、替換以及購能支出將遠(yuǎn)小于各分區(qū)獨(dú)立規(guī)劃和運(yùn)行時(shí)的成本。

表4 兩種場景的經(jīng)濟(jì)明細(xì)

3.3 運(yùn)行結(jié)果分析

場景2中各能源站的電平衡優(yōu)化調(diào)度策略如圖8所示。分析該圖可知，各節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的電平衡均能得到滿足，進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)：①能源站1～4的光伏出力均能被系統(tǒng)完全消納，該結(jié)果說明了綜合能源系統(tǒng)可以發(fā)揮多能互補(bǔ)優(yōu)勢，促進(jìn)可再生能源的消納。②觀察圖中儲(chǔ)能的運(yùn)行策略不難發(fā)現(xiàn)，為減少系統(tǒng)購電成本，儲(chǔ)能電池在電價(jià)高峰時(shí)段放電，在低谷和平時(shí)段充電。結(jié)合并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)5的購電策略可知，整個(gè)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)在白天和夜間電價(jià)高峰時(shí)段與電網(wǎng)的交換功率為0(除夏季典型日夜間負(fù)荷高峰部分時(shí)段)，在其他時(shí)段則從電網(wǎng)購電，并將購買的電力通過線路輸送給其余節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。③各能源系統(tǒng)由于線路的存在，相互之間存在電能交換行為。如圖8中所示，部分時(shí)段節(jié)點(diǎn)3的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電功率超出其自身用電負(fù)荷需求，多余的電力則輸往節(jié)點(diǎn)4，以減少該節(jié)點(diǎn)在高峰時(shí)段從電網(wǎng)的購電功率。

各能源站節(jié)點(diǎn)的電壓幅值分布如圖8(f)所示。由該圖可知，1～5節(jié)點(diǎn)電壓在所有時(shí)段均維持在0.95～1.0 p.u.，滿足電壓限值要求。其中，節(jié)點(diǎn)5為并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，其電壓始終保持在1.0 p.u.；節(jié)點(diǎn)1負(fù)荷較低，且與并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間電氣距離最近，因此節(jié)點(diǎn)1的電壓水平在1～4節(jié)點(diǎn)中最高；節(jié)點(diǎn)2與節(jié)點(diǎn)1相連，其電負(fù)荷水平較之節(jié)點(diǎn)1相近，而節(jié)點(diǎn)3、4負(fù)載率較高，特別是節(jié)點(diǎn)3的電氣距離更遠(yuǎn)，因此節(jié)點(diǎn)3的電壓水平一般低于節(jié)點(diǎn)2、4。圖中，節(jié)點(diǎn)3在部分時(shí)間段的電壓幅值高于節(jié)點(diǎn)4，這一般發(fā)生在節(jié)點(diǎn)3向節(jié)點(diǎn)4大功率供電的階段。

各節(jié)點(diǎn)的電壓誤差分布如圖9所示。電壓誤差的計(jì)算公式為精確值與近似值之差的絕對值。其中電壓近似值為本文所采用的線性潮流模型得到，電壓精確值則由牛頓法潮流計(jì)算得到，具體做法是根據(jù)場景2中各類供用電設(shè)備的電功率結(jié)果，計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的凈負(fù)荷，然后連同拓?fù)浜途€路參數(shù)信息一起代入交流潮流模型中進(jìn)行求解，從而得到各節(jié)點(diǎn)的真實(shí)電壓分布。由圖9可知，所有節(jié)點(diǎn)的電壓誤差均小于10-4p.u.，其中誤差小于0.5×10-4p.u.的電壓占比高達(dá)96.94%?？梢姡鲜鼋Y(jié)果充分說明了本文所采用線性潮流模型的準(zhǔn)確性。

圖9 電壓誤差的分布情況Fig.9 Distribution of voltage error

場景2中各能源站節(jié)點(diǎn)的熱平衡優(yōu)化調(diào)度策略如圖10所示。各系統(tǒng)的用熱需求包括用戶熱負(fù)荷、吸收式制冷機(jī)用熱以及通過輸熱管道輸送給其他系統(tǒng)的熱量；供熱功率則主要由燃?xì)廨啓C(jī)的回收余熱和燃?xì)忮仩t的產(chǎn)熱兩者構(gòu)成。通過分析各系統(tǒng)的熱平衡策略可以發(fā)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)1、2、4的熱能需求有很大一部分由節(jié)點(diǎn)3滿足，這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)3作為整個(gè)區(qū)域的能源樞紐，其配置的燃?xì)廨啓C(jī)和鍋爐容量若能充分釋放，則將大幅提高資源利用率，減少冗余設(shè)備的安裝容量。

圖10 各節(jié)點(diǎn)熱平衡優(yōu)化調(diào)度策略Fig.10 Optimal dispatching strategy for heat balance of each node

各能源站的冷平衡優(yōu)化調(diào)度策略如圖11所示。可見，各節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的冷負(fù)荷由吸收式制冷機(jī)和電制冷機(jī)共同滿足。結(jié)合圖7可知，節(jié)點(diǎn)3輸送給節(jié)點(diǎn)2、4的部分熱能，經(jīng)由各自節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的吸收式制冷機(jī)完成熱能向冷能的轉(zhuǎn)換，以彌補(bǔ)制冷功率的不足，同時(shí)提高了能源的梯級利用效率。

4 結(jié)論

針對現(xiàn)有綜合能源規(guī)劃方法無法實(shí)現(xiàn)能源站與管線拓?fù)渫絻?yōu)化的問題，建立了含管線選型與能源流通路徑協(xié)同規(guī)劃的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置模型。所建立的模型以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)，綜合考慮了投資成本、維護(hù)成本、替換成本、購能支出以及殘值收入，并引入了熱電管網(wǎng)的傳輸損耗、容量限值以及電壓運(yùn)行范圍等約束，具有模型約束完備、計(jì)算規(guī)模適中以及結(jié)果準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)。兩種場景的算例測試結(jié)果對比表明，考慮拓?fù)湟?guī)劃的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化配置模型可以充分發(fā)揮各區(qū)域能源系統(tǒng)的資源互補(bǔ)優(yōu)勢，減少冗余設(shè)備的安裝容量，對于提升區(qū)域綜合能效、實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置，進(jìn)而提高規(guī)劃方案的經(jīng)濟(jì)性具有重要作用。計(jì)算結(jié)果顯示，應(yīng)用本文提出的規(guī)劃方法可以減少4.04%的系統(tǒng)投資和運(yùn)行成本。