計(jì)及能源利用效率的含生物質(zhì)沼氣發(fā)電農(nóng)村能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行

馮凱輝，閆湖，戴吳珍，陳健，劉永亮

(1.國(guó)網(wǎng)能源研究院有限公司，北京 102209；2.山東大學(xué) 電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061)

0 引言

隨著“鄉(xiāng)村振興”計(jì)劃的不斷深入推進(jìn)，農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展受到極大重視。農(nóng)村新能源發(fā)展迅速，但農(nóng)村能源系統(tǒng)中能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)不合理、能源消費(fèi)層次低、農(nóng)村能源能效低下等問(wèn)題依舊存在。農(nóng)村能源系統(tǒng)建設(shè)還需要根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀毁Y源稟賦，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)利用，提高能源利用效率。

近年來(lái)，農(nóng)村能源系統(tǒng)對(duì)以生物質(zhì)能為代表的新能源需求越來(lái)越強(qiáng)烈。文獻(xiàn)[1]研究了生物質(zhì)發(fā)電的微網(wǎng)動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度問(wèn)題。文獻(xiàn)[2]構(gòu)建基于沼氣的內(nèi)燃機(jī)熱電氣聯(lián)供系統(tǒng)，研究了系統(tǒng)的一次能源利用效率。文獻(xiàn)[3]在基于沼氣生產(chǎn)的生物質(zhì)資源利用的基礎(chǔ)上，研究了對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益與社會(huì)效益。文獻(xiàn)[4]建立了風(fēng)機(jī)、光伏、沼氣發(fā)電機(jī)和蓄電池的控制模型，實(shí)現(xiàn)多種能源的綜合利用。文獻(xiàn)[5]重點(diǎn)闡述了沼氣發(fā)電技術(shù)的系統(tǒng)特點(diǎn)和運(yùn)行工況要求。上述文獻(xiàn)沒(méi)有充分探討能源系統(tǒng)中能源利用效率問(wèn)題。

在能源利用效率方面，文獻(xiàn)[6]構(gòu)建了冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，提出了一次能效指標(biāo)。文獻(xiàn)[7]基于熱力學(xué)第二定律，提出了?效率的概念。文獻(xiàn)[8]引入能量?jī)r(jià)值參數(shù)以解決園區(qū)中不同能源的統(tǒng)一問(wèn)題。

本文構(gòu)建了含生物質(zhì)沼氣的綜合能源系統(tǒng)模型，在考慮風(fēng)光、負(fù)荷出力的不確定性條件下，建立了基于機(jī)會(huì)約束的電氣熱綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行模型。通過(guò)算例驗(yàn)證了本文所提方法的正確性與有效性。

1 電-氣-熱綜合能源系統(tǒng)模型

生物質(zhì)沼氣發(fā)電技術(shù)利用了農(nóng)村地區(qū)的廢棄物，經(jīng)厭氧發(fā)酵處理產(chǎn)生沼氣，并驅(qū)動(dòng)沼氣發(fā)電機(jī)組發(fā)電。沼氣應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 沼氣應(yīng)用結(jié)構(gòu)Fig.1 Application structure of biogas

2 機(jī)會(huì)約束處理

3 目標(biāo)函數(shù)

4 案例分析

本文以某地區(qū)含生物質(zhì)沼氣發(fā)電的電氣熱能源系統(tǒng)為研究對(duì)象，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the system

該系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)機(jī)、光伏24 h內(nèi)出力情況如圖3所示。電、氣、熱負(fù)荷數(shù)據(jù)如圖4所示。系統(tǒng)運(yùn)行周期為24 h。01:00—08:00時(shí)段購(gòu)電電價(jià)為0.43 元/（kW·h），售電電價(jià)為 0.27 元/（kW·h）。09:00—11:00、16:00—18:00、22：00—24:00時(shí)段購(gòu)電電價(jià)為0.69元/（kW·h），售電電價(jià)為0.5元/（kW·h）。12:00—15:00、19:00—21:00 峰時(shí)段購(gòu)電電價(jià)為 1.21 元/（kW·h）[21-25]，售電電價(jià)為1.02元/（kW·h）。天然氣氣價(jià)為0.25 元/（kW·h）。

圖3 新能源的出力情況Fig.3 Output of new energy

圖4 電氣熱負(fù)荷數(shù)據(jù)Fig.4 Electrical heat load data

為分析不同場(chǎng)景下優(yōu)化運(yùn)行方案，在此設(shè)置3種方案。方案1只考慮系統(tǒng)日前優(yōu)化運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。方案2只考慮系統(tǒng)能源利用效率。方案3綜合考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性與能源利用效率。

4.1 方案1

當(dāng)能源系統(tǒng)不考慮風(fēng)光負(fù)荷出力不確定性時(shí)，各發(fā)電機(jī)組的出力變化情況如圖5～7所示。從圖5～7中可知，在電價(jià)較低的時(shí)候，儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存多余的電量以備套利運(yùn)作，且由于此時(shí)電轉(zhuǎn)氣的成本低于直接購(gòu)氣，故也會(huì)產(chǎn)生較多的氣來(lái)供應(yīng)氣網(wǎng)，此時(shí)的天然氣供應(yīng)充足，故熱負(fù)荷更多的是由燃?xì)廨啓C(jī)供應(yīng)。隨著電價(jià)的上升，電轉(zhuǎn)氣的成本高于直接購(gòu)氣，故不再經(jīng)濟(jì)，氣網(wǎng)開(kāi)始更多的購(gòu)氣，沼氣發(fā)電機(jī)組開(kāi)始向外發(fā)電，而為了更好地供應(yīng)電力負(fù)荷，儲(chǔ)能也會(huì)釋放多余的電能，以減少購(gòu)電費(fèi)用。

圖5 電網(wǎng)交互情況Fig.5 Interaction of power grid

圖6 氣網(wǎng)交互情況Fig.6 Gas network interaction

圖7 熱網(wǎng)交互情況Fig.7 Heat supply network interaction

在考慮新能源出力以及負(fù)荷功率不確定性時(shí)，電負(fù)荷波動(dòng)方差取值為0.01（p.u.），風(fēng)光發(fā)電波動(dòng)方差為0.1（p.u.）。當(dāng)采用不同的置信水平時(shí)，不同置信度的選取會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響，具體的運(yùn)行成本如表1所示。從表1可以看出，隨著置信水平的不斷增大，總成本不斷增多。這說(shuō)明系統(tǒng)考慮不確定性使得系統(tǒng)可靠性水平提高，是以總運(yùn)行成本的增加為代價(jià)。當(dāng)置信度提高時(shí)，總運(yùn)行成本也依次增加，可以體現(xiàn)風(fēng)光、負(fù)荷的隨機(jī)性對(duì)調(diào)度結(jié)果的影響。

表1 方案1的優(yōu)化結(jié)果Table 1 Optimization results of scheme 1

4.2 方案2

為了更好地研究能源利用效率，本文分析在考慮能效下的調(diào)度策略，為決策者如何考慮能效提供方案?？紤]不同置信水平的運(yùn)行結(jié)果如表2所示。在表2中，隨著置信水平α的不斷增大，系統(tǒng)能源利用效率逐漸減小，說(shuō)明系統(tǒng)考慮不確定性使得系統(tǒng)可靠性水平提高，這是以系統(tǒng)能效的減小為代價(jià)。

表2 方案2的優(yōu)化結(jié)果Table 2 Optimization results of scheme 2

4.3 方案3

3 種情況下置信水平α取60%的運(yùn)行費(fèi)用和能效情況如表3所示。

表3 方案3的優(yōu)化結(jié)果Table 3 Optimization results of scheme 3

從表3中可以看出，以經(jīng)濟(jì)性為優(yōu)化目標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)日運(yùn)行費(fèi)用最低，但此時(shí)系統(tǒng)能效結(jié)果不是很理想。以能效為優(yōu)化目標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)取得較高的能效水平，但此時(shí)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性水平較差。以經(jīng)濟(jì)性和能效為單一目標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行存在一定地局限性。采用本文所提的模糊隸屬度函數(shù)較好的解決了多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，使系統(tǒng)能夠統(tǒng)籌兼顧經(jīng)濟(jì)性與能源利用效率。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)含生物質(zhì)沼氣發(fā)電的農(nóng)村綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行日前經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行和能源利用效率建模研究，在單目標(biāo)研究的基礎(chǔ)上再進(jìn)一步綜合研究經(jīng)濟(jì)性與能源利用效率的多目標(biāo)優(yōu)化運(yùn)行問(wèn)題。通過(guò)采用機(jī)會(huì)約束規(guī)劃較好地解決了不確定性問(wèn)題，所提方法能夠統(tǒng)籌兼顧系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性與能源利用效率。