趙壯,張宏立,王聰
(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830047)
化石能源的大量使用,使生態(tài)環(huán)境遭到破壞。因此,能源系統(tǒng)的可持續(xù)、清潔、高效運(yùn)行就十分必要[1]。綜合能源系統(tǒng)雖然能實(shí)現(xiàn)能源產(chǎn)、供、銷一體化和在一定范圍內(nèi)的能源高效利用,但是并沒(méi)有考慮多個(gè)綜合能源體系互連互通,實(shí)現(xiàn)整體區(qū)域內(nèi)多個(gè)綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度。國(guó)外學(xué)者提出了基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的未來(lái)能源體系-能源互聯(lián)網(wǎng),其在配、用方面則表現(xiàn)為區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)[2]。建設(shè)區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng),不僅使多個(gè)不同區(qū)域的能源系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)深度融合,而且將各種能源連接在一起,使其能夠相互配合[3]。同時(shí)在先進(jìn)的信息技術(shù)支撐下,實(shí)現(xiàn)多個(gè)相似區(qū)域內(nèi)的能源高效、清潔和可持續(xù)發(fā)展利用[4]。
關(guān)于電力微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化的研究已較為成熟,文獻(xiàn)[5]基于能量樞紐模型,提出了能夠提升系統(tǒng)靈活性與可再生能源消納能力的方案,建立可再生能源系統(tǒng)的優(yōu)化規(guī)劃模型,通過(guò)算例分析證明了所提模型的有效性。文獻(xiàn)[6]針對(duì)可再生能源異構(gòu)數(shù)據(jù)及一次能源不確定性導(dǎo)致的電源出力控制問(wèn)題,提出了多電網(wǎng)功率優(yōu)化控制模型,通過(guò)仿真分析證明了所提控制算法的有效性。文獻(xiàn)[7]針對(duì)可再生能源的波動(dòng)性和負(fù)荷的隨機(jī)性所引起的不確定性,提出了基于熵的能量與信息的一致標(biāo)度,算例證明了其方法的有效性。文獻(xiàn)[8]提出電動(dòng)車網(wǎng)絡(luò)與電網(wǎng)相結(jié)合的未來(lái)能源體系,為能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)提供了新的構(gòu)架。
目前,已有研究主要局限于微網(wǎng)能源系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化、微網(wǎng)系統(tǒng)的分層、分級(jí)優(yōu)化以及電力能源系統(tǒng)的“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”優(yōu)化等方面,很少有關(guān)于區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”整體調(diào)度運(yùn)行優(yōu)化的研究。本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上,對(duì)傳統(tǒng)微能源網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)架進(jìn)行改進(jìn),綜合考慮各種能源之間的相互耦合作用,以能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)作為基本構(gòu)架,研究了電-氣互聯(lián)的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”多目標(biāo)優(yōu)化;通過(guò)構(gòu)造其基本數(shù)學(xué)模型,建立以運(yùn)行成本最低、環(huán)境治理成本最低和一次能源消耗成本最低為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù);采用常用優(yōu)化軟件(如CPLex)對(duì)其求解。最后,通過(guò)算例驗(yàn)證了所提模型的可靠性和有效性。
本文對(duì)微網(wǎng)系統(tǒng)模型進(jìn)行研究,構(gòu)建了區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”多能互補(bǔ)系統(tǒng),如圖1所示。
圖1 區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)構(gòu)架Fig.1 System architecture of Regional Energy Internet
由圖1可知,本文的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)由上層能源網(wǎng)、微網(wǎng)、用戶側(cè)負(fù)荷3部分構(gòu)成。區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)是將源側(cè)、網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)三者相結(jié)合,將不同形式的能量進(jìn)行轉(zhuǎn)化與使用,實(shí)現(xiàn)能源之間交互耦合的作用。網(wǎng)側(cè)部分表示上層能源網(wǎng),包含電網(wǎng)和氣網(wǎng),電網(wǎng)和氣網(wǎng)與微網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行能量交互。源側(cè)部分是微網(wǎng)系統(tǒng)中各種能源供應(yīng)與轉(zhuǎn)換機(jī)組。用戶側(cè)由電、熱、冷負(fù)荷3部分組成。同時(shí),本文系統(tǒng)將各種形式的能源互聯(lián)、互補(bǔ),實(shí)現(xiàn)各種能源的高效利用和系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保。本文以電網(wǎng)作為主要網(wǎng)絡(luò),加入氣網(wǎng),構(gòu)建多能互補(bǔ)的電-氣互聯(lián)系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中加入光伏和風(fēng)電的參與比例,既可以提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性又能實(shí)現(xiàn)能源的高效利用和碳排放量的減少。同時(shí)在轉(zhuǎn)換過(guò)程中加入P2G(Power to Gas)單元,實(shí)現(xiàn)了電-氣互聯(lián)互通的作用。
假設(shè)太陽(yáng)能光伏電池設(shè)備效率恒定,其模型為
式中:PS,t為t時(shí)刻輸入系統(tǒng)的太陽(yáng)能資源;St為t時(shí)刻太陽(yáng)輻射強(qiáng)度;Sref,t為標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)輻照強(qiáng)度;b為電池材料相關(guān)常數(shù);e為自然對(duì)數(shù)的底。
典型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型為
式中:PWT,t為t時(shí)刻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電功率;PWT為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定發(fā)電功率;νt為t時(shí)刻的實(shí)際風(fēng)速;νin為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的切入風(fēng)速;νout為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的切出風(fēng)速;ν0為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定風(fēng)速。
電鍋爐發(fā)熱量與系統(tǒng)輸入電功率間的關(guān)系特性為
式中:HEB,t為t時(shí)刻電鍋爐運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量;PEB,t為t時(shí)刻電鍋爐的輸入功率;ηEB為電鍋爐的電能轉(zhuǎn)化效率,即輸出熱量與輸入電能的比值。
同步發(fā)電單元的能耗-功率輸出特性為[9]
式中:CSYN為同步發(fā)電單元燃料消耗成本;PSYN為同步發(fā)電單元的輸出功率;i為同步發(fā)電單元的編號(hào);ai,bi,ci分別為同步發(fā)電單元的能耗-功率輸出表達(dá)式的二次項(xiàng)、一次項(xiàng)、常數(shù)項(xiàng)系數(shù)。
發(fā)電機(jī)組利用一次能源天然氣產(chǎn)生的電量、熱量為
式中:EGT,t為t時(shí)間段內(nèi)發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量;ΔT為優(yōu)化模型的時(shí)間步長(zhǎng);HGT,t為t時(shí)間段內(nèi)發(fā)電設(shè)備的產(chǎn)熱量;FngGT,t為t時(shí)間段內(nèi)發(fā)電設(shè)備消耗的天然氣量;rng為天然氣的熱值;ηhGT為發(fā)電設(shè)備的額定產(chǎn)熱效率;ηeGT為發(fā)電設(shè)備的額定發(fā)電效率。
電制冷機(jī)提供的冷能主要取決于能效比,其模型為
式中:CEC,t為電制冷輸出;PEC,t為電制冷機(jī)的輸入電能;ηEC為電冷轉(zhuǎn)化效率。
在燃料電池發(fā)電系統(tǒng)正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中,燃料消耗與系統(tǒng)功率輸出間的關(guān)系為
式中:CFB為燃料電池運(yùn)行時(shí)的燃料消耗成本;PFB為燃料電池的輸出功率;Cfb為供給燃料電池的氣體燃料價(jià)格;ηFB為燃料利用效率。
式中:GP2G為天然氣流量;PP2G為P2G機(jī)組的輸入功率;HGV為天然氣熱值;ηP2G為能源轉(zhuǎn)化效率。
本文對(duì)于區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)多能耦合的優(yōu)化,分別以經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、高效性為指標(biāo),建立區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”運(yùn)行優(yōu)化模型,其表達(dá)式為[10]
式中:F為目標(biāo)函數(shù);fi(x)為第i個(gè)優(yōu)化目標(biāo);x為優(yōu)化變量;g(x)為不等式約束;h(x)為等式約束;Ω為決策空間。
本文的優(yōu)化目標(biāo)是運(yùn)行成本、環(huán)境治理成本和一次能源消耗成本;優(yōu)化變量是電網(wǎng)、氣網(wǎng)、同步發(fā)電機(jī)組、微型燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。針對(duì)本文模型,通過(guò)線性加權(quán)法將多目標(biāo)轉(zhuǎn)換成單目標(biāo),通過(guò)層次分析法計(jì)算出權(quán)重,選用線性規(guī)劃軟件CPLex求解器求解,求解流程如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)求解流程Fig.2 Flow chart of system solution
以運(yùn)行成本最低為指標(biāo),其經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)為
式中:F1為系統(tǒng)運(yùn)行成本;S1為機(jī)組的建設(shè)成本;S2為機(jī)組的運(yùn)行成本;S3為機(jī)組的運(yùn)維成本;S4為微網(wǎng)與“電-氣”主網(wǎng)的交互成本。
式中:j為機(jī)組的類型;Mj為第j種建造機(jī)組的總?cè)萘?;Cj為第j種機(jī)組單位容量的建造成本。
式中:0≤ω1≤1,0≤ω2≤1,0≤ω3≤1,且ω1+ω2+ω3=1。其中,利用層次分析法計(jì)算出的權(quán)重結(jié)果分別為ω1=0.63,ω2=0.11,ω3=0.26。
①電能平衡方程
⑦微網(wǎng)與主電網(wǎng)、主氣網(wǎng)交互功率約束
式中:PGRID(t)為微網(wǎng)系統(tǒng)與主電網(wǎng)系統(tǒng)間的實(shí)際交互功率;PGRID,min為微網(wǎng)系統(tǒng)與主電網(wǎng)系統(tǒng)間交互功率下限;PGRID,max為微網(wǎng)系統(tǒng)與主電網(wǎng)系統(tǒng)間交互功率上限;PGAS(t)為微網(wǎng)系統(tǒng)與主氣網(wǎng)系統(tǒng)間的實(shí)時(shí)交互功率;PGAS,min為微網(wǎng)系統(tǒng)與主氣網(wǎng)系統(tǒng)間交互功率下限;PGAS,max為微網(wǎng)系統(tǒng)與主氣網(wǎng)系統(tǒng)間交互功率上限。
本文算例系統(tǒng)選取了光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、微型燃?xì)廨啓C(jī)、儲(chǔ)能、同步發(fā)電單元(以柴油機(jī)為例)5種供能機(jī)組。微網(wǎng)與電網(wǎng)、氣網(wǎng)之間的交互功率上限為40,45 kW。天然氣的價(jià)格是3.5元/m3,轉(zhuǎn)換成熱值為0.349 0元/(kW·h)。光伏發(fā)電機(jī)組、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、微型燃?xì)廨啓C(jī)、同步發(fā)電機(jī)組、儲(chǔ)能機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)成本分別為0.009 6元/(kW·h),0.029 6元/(kW·h),0.029 3元/(kW·h),0.088 0元/(kW·h),0.008 6元/(kW·h),各種同步發(fā)電單元的相關(guān)信息如表1所示。
表1 同步發(fā)電機(jī)類型Table 1 Types of synchronous generators
本文根據(jù)各供能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)間能量交互方式和供能機(jī)組類型的不同,將微網(wǎng)系統(tǒng)與主網(wǎng)系統(tǒng)間的交互運(yùn)行場(chǎng)景設(shè)置為3種。場(chǎng)景1:在實(shí)時(shí)電價(jià)下,優(yōu)先利用微網(wǎng)內(nèi)部的分布式能源來(lái)滿足網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷需求,選擇從主電網(wǎng)與微網(wǎng)內(nèi)部自由交互;場(chǎng)景2:在實(shí)時(shí)電價(jià)下,優(yōu)先利用微網(wǎng)內(nèi)部的分布式能源來(lái)滿足網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷需求,選擇從主電網(wǎng)和主氣網(wǎng)與微網(wǎng)內(nèi)部自由交互;場(chǎng)景3:在實(shí)時(shí)電價(jià)下,優(yōu)先利用微網(wǎng)內(nèi)部的分布式能源來(lái)滿足網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷需求,選擇從主電網(wǎng)、主氣網(wǎng)與微網(wǎng)內(nèi)部自由交互并且加入儲(chǔ)能單元。
風(fēng)電、光伏提高了微電網(wǎng)系統(tǒng)的效率和環(huán)保性,但是其安裝成本太高,使得經(jīng)濟(jì)性下降。同時(shí),若是此系統(tǒng)中加入了微型燃?xì)廨啓C(jī),則可采用“以熱定電”的運(yùn)行方式。其中的分布式能源包含了各種能量轉(zhuǎn)換單元與儲(chǔ)存單元。
區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”運(yùn)行優(yōu)化受到各種因素的影響,本文研究了不同場(chǎng)景對(duì)區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”運(yùn)行優(yōu)化的影響,其中:選取春夏、秋冬典型日的風(fēng)力發(fā)電功率和日光伏發(fā)電功率,如圖3所示;冷、熱、電負(fù)荷選取某典型負(fù)荷日,如圖4所示。
圖3 日光伏、風(fēng)電出力Fig.3 Photovoltaic and wind power output
圖4 日冷熱電負(fù)荷Fig.4 Daily cold,hot and electric load
本文為了避免繁瑣的計(jì)算,將圖4中冷負(fù)荷和熱負(fù)荷統(tǒng)一轉(zhuǎn)化成電負(fù)荷。其中,本文使用的冷負(fù)荷轉(zhuǎn)化設(shè)備為電制冷機(jī),根據(jù)電制冷機(jī)的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出冷負(fù)荷所需要的電功率。同時(shí),本文使用的熱負(fù)荷轉(zhuǎn)化設(shè)備為燃?xì)廨啓C(jī),根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)的供熱數(shù)學(xué)模型計(jì)算出熱負(fù)荷的燃?xì)庀牧?,再根?jù)燃?xì)廨啓C(jī)的供電數(shù)學(xué)模型將燃?xì)庀牧哭D(zhuǎn)換成電功率。計(jì)算出總體的電負(fù)荷需求如圖5所示。
圖5 總電負(fù)荷Fig.5 Total electrical load
通過(guò)總電負(fù)荷需求數(shù)據(jù),在實(shí)時(shí)電價(jià)下對(duì)電-氣互聯(lián)的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化求解,其中實(shí)時(shí)電價(jià)如圖6所示。
圖6 實(shí)時(shí)電價(jià)Fig.6 Real-time electricity price
各場(chǎng)景日運(yùn)行結(jié)果如圖7~10所示。其成本如表2所示。
圖7 場(chǎng)景1系統(tǒng)出力Fig.7 Scene 1 system effort
圖8 場(chǎng)景2系統(tǒng)出力Fig.8 Scene 2 system effort
表2 不同策略下的系統(tǒng)成本Table 2 System costs under different strategies 元
由圖7,8可知:場(chǎng)景1只與電網(wǎng)進(jìn)行能量交互,只購(gòu)買天然氣而不出售;而在場(chǎng)景2中,在1:00-7:00和22:00-24:00微網(wǎng)系統(tǒng)出售能量給氣網(wǎng)。由圖9,10可知:在微網(wǎng)系統(tǒng)中加入氣網(wǎng)與儲(chǔ)能裝置,儲(chǔ)能裝置在4:00-7:00用戶負(fù)荷較小,此時(shí)對(duì)其進(jìn)行充電;在13:00-16:00用戶負(fù)荷較大,此時(shí)對(duì)其進(jìn)行放電,以滿足用戶需求。由表2可知:在春夏季典型日時(shí),系統(tǒng)場(chǎng)景1的日總運(yùn)行優(yōu)化成本為5 466.18元;場(chǎng)景2的日總運(yùn)行優(yōu)化成本為5 321.7元,比場(chǎng)景1日總運(yùn)行優(yōu)化成本節(jié)約2.64%;場(chǎng)景3的日總運(yùn)行優(yōu)化成本為4 749.64元,比場(chǎng)景1日總運(yùn)行優(yōu)化成本節(jié)約13.11%。比場(chǎng)景2日總運(yùn)行優(yōu)化成本節(jié)約10.75%。在秋冬季典型日時(shí),系統(tǒng)場(chǎng)景1的日總運(yùn)行優(yōu)化成本為5 142.43元;場(chǎng)景2的日總運(yùn)行優(yōu)化成本為5 008.94元,比場(chǎng)景1日總運(yùn)行優(yōu)化成本節(jié)約2.60%;場(chǎng)景3的日總運(yùn)行優(yōu)化成本為4 448.16元,比場(chǎng)景1日總運(yùn)行優(yōu)化成本節(jié)約13.50%,比場(chǎng)景2日總運(yùn)行優(yōu)化成本節(jié)約11.20%。因此,本文以微網(wǎng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)構(gòu)建電-氣互聯(lián)且加入儲(chǔ)能的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),無(wú)論是在春夏季典型日還是秋冬季典型日,本文系統(tǒng)皆在場(chǎng)景3中日總運(yùn)行成本最低。其結(jié)果證明本系統(tǒng)的可靠性和有效性,同時(shí)也證明在傳統(tǒng)微網(wǎng)系統(tǒng)中加入氣網(wǎng)和儲(chǔ)能不僅能提高微網(wǎng)系統(tǒng)的整體協(xié)作能力,而且加入P2G單元實(shí)現(xiàn)電、氣能源形式的互聯(lián)互通,使系統(tǒng)的靈活性增強(qiáng),更有利于能源之間的相互轉(zhuǎn)化,提高系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)效益。
圖9 場(chǎng)景3系統(tǒng)出力Fig.9 Scene 3 system effort
圖10 儲(chǔ)能充、放電功率Fig.10 Energy storage charge and discharge power
本文各場(chǎng)景日運(yùn)行風(fēng)光消納結(jié)果和冷、熱設(shè)備出力結(jié)果如圖11~16所示。
圖11 場(chǎng)景1風(fēng)光消納量Fig.11 Scene 1 landscape consumption
圖12 場(chǎng)景2風(fēng)光消納量Fig.12 Scene 2 landscape consumption
圖13 場(chǎng)景3風(fēng)光消納量Fig.13 Scene 3 landscape consumption
圖14 場(chǎng)景1冷、熱設(shè)備出力Fig.14 Output of cold and hot equipment in scenario1
圖15 場(chǎng)景2冷、熱設(shè)備出力Fig.15 Output of cold and hot equipment in scenario 2
圖16 場(chǎng)景3冷、熱設(shè)備出力Fig.16 Output of cold and hot equipment in scenario 3
由圖11~13可知:由于光伏出力時(shí),系統(tǒng)的能量需求比較大,且光伏發(fā)電相對(duì)穩(wěn)定,因此本系統(tǒng)的棄光率基本為0;在圖11,12中,0:00-7:00和20:00-24:00用戶需求較小,同時(shí)風(fēng)電在此期間占比較大,棄風(fēng)率比較高,但是保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行;在圖13中加入了氣網(wǎng)和儲(chǔ)能來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的風(fēng)電消納能力,不但保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行,而且提升了系統(tǒng)的風(fēng)電消納能力,其消納量如表3所示。
表3 不同情景下的日風(fēng)光消納量Table 3 Daily landscape absorption under different strategies
由表3可知,無(wú)論是在春夏典型日還是在秋冬典型日,場(chǎng)景3的日風(fēng)電消納能力都是最優(yōu)。因此,在微網(wǎng)系統(tǒng)中加入氣網(wǎng)和儲(chǔ)能,可以提高系統(tǒng)的可再生能源的消納能力。
本文在微能源網(wǎng)基本構(gòu)架的基礎(chǔ)上提出了電-氣互聯(lián)的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”系統(tǒng)構(gòu)架,并構(gòu)建了能夠體現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、高效性的目標(biāo)函數(shù)。通過(guò)線性加權(quán)法,將多目標(biāo)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù),采用CPLex求解器進(jìn)行求解,得到了系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行結(jié)果。通過(guò)春夏、秋冬典型日負(fù)荷數(shù)據(jù),對(duì)本文設(shè)置場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明,在傳統(tǒng)微網(wǎng)系統(tǒng)中加入氣網(wǎng)和儲(chǔ)能,其日總運(yùn)行成本比傳統(tǒng)微網(wǎng)系統(tǒng)日總運(yùn)行成本節(jié)約13%左右,不僅提高了微網(wǎng)系統(tǒng)的整體協(xié)作能力,而且更有利于能源之間的相互轉(zhuǎn)化,提高微網(wǎng)系統(tǒng)的靈活性、經(jīng)濟(jì)性和風(fēng)電消納能力。