多區(qū)域含冷熱電聯(lián)供和儲能的綜合能源系統(tǒng)運行優(yōu)化

趙晶晶，應(yīng)倫杰，屈靖雅

(上海電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 上海 200090)

0 引 言

在能源緊缺，環(huán)境問題日趨嚴重的當下，如何有效提高能源利用效率，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標，成為當今世界的熱門話題[1]。相關(guān)學(xué)者專家提出“能源互聯(lián)網(wǎng)”概念，目的是改善當前環(huán)境問題[2]，能源主干網(wǎng)和綜合能源系統(tǒng)組成能源互聯(lián)網(wǎng)。綜合能源系統(tǒng)的核心是冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，將電、熱、氣耦合在一起，協(xié)同運行[3-4]，其可以更高效地利用能源，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟和環(huán)境效益，具有非常好的發(fā)展前景。

目前關(guān)于IES的研究，主要有三個方面：系統(tǒng)建模、規(guī)劃與運行優(yōu)化。文獻[4]對區(qū)域綜合能源系統(tǒng)(Regional Integrated Energy System，RIES)的規(guī)劃和運行優(yōu)化方面的問題進行了較為全面的歸納，并對其中存在的問題進行了概括與分析；文獻[5]對單個RIES進行了運行優(yōu)化，單一的負荷特性對優(yōu)化結(jié)果產(chǎn)生了一定影響；文獻[6]將多個RIES通過熱網(wǎng)聯(lián)系在一起進行優(yōu)化，但未考慮可再生能源的隨機性，對儲能設(shè)備(Energy Storage System，ESS)考慮不充分，與實際運行結(jié)果有一定距離；文獻[7]通過兩階段求解規(guī)劃策略，提出了將風電不確定性考慮在內(nèi)的IES規(guī)劃方法。

通過對上述文獻的分析，可以發(fā)現(xiàn)，目前對于IES的研究往往是基于單個區(qū)域的冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)(Combined Cooling Heating and Power，CCHP)系統(tǒng)，系統(tǒng)的負荷特性單一，沒有對多個RIES一起進行協(xié)同優(yōu)化。而多RIES的運行優(yōu)化中未分析ESS解耦熱電比的作用，可再生能源的隨機性考慮不充分。

針對上述問題，建立含有風電、ESS、CCHP及熱網(wǎng)的多RIES運行優(yōu)化模型，對模型進行仿真分析得到各個區(qū)域熱、電功率優(yōu)化情況。仿真結(jié)果表明：多個RIES協(xié)同運行可以提高經(jīng)濟效益，優(yōu)化過程中需考慮風電不確定性以得到更貼合實際的結(jié)果，ESS在多RIES中可以起到解耦熱電約束降低運行成本的作用。

1 多RIES

1.1 多RIES系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

區(qū)域綜合能源系統(tǒng)(RIES)是由可再生能源、CCHP系統(tǒng)、ESS組成的多能源供應(yīng)系統(tǒng)。文中的研究對象是多RIES，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，系統(tǒng)中有多個區(qū)域以及熱網(wǎng)、電網(wǎng)和燃氣網(wǎng)，每個區(qū)域都包含CCHP系統(tǒng)。當某一時段系統(tǒng)中有多余的電能時，可以向電網(wǎng)售電。熱網(wǎng)將各個區(qū)域的熱負荷進行耦合，熱能產(chǎn)生過多的區(qū)域?qū)⒍嘤嗟臒崮芡ㄟ^熱網(wǎng)傳輸給產(chǎn)熱不足的區(qū)域。

1.2 CCHP系統(tǒng)

1.2.1 CCHP系統(tǒng)組成

CCHP系統(tǒng)與天然氣網(wǎng)、電網(wǎng)及熱網(wǎng)均有交互，其能量流示意圖如圖2所示。

如圖2所示，CCHP系統(tǒng)與電網(wǎng)、熱網(wǎng)的交互具有雙向性。V1、V2為自動控制閥，熱網(wǎng)通過V1與換熱裝置、儲熱裝置相連，通過V2與熱負荷相連。當CCHP系統(tǒng)產(chǎn)生多余熱能時，V1打開，V2閉合，熱能通過熱網(wǎng)傳輸至其它產(chǎn)熱不足區(qū)域；當CCHP系統(tǒng)產(chǎn)熱不足時，V1閉合，V2打開，熱網(wǎng)將熱能傳輸至熱負荷。

圖2 CCHP能量流示意圖

結(jié)合熱網(wǎng)的多R用最小。在建立CCHP模型時，需要考慮以下幾點：

(1)ESS由儲IES在并網(wǎng)模式下優(yōu)化運行的目標是使系統(tǒng)運行費電設(shè)給出指令使其儲存或釋放能量；需要考慮儲能設(shè)備(ES)和儲熱設(shè)備(HS)兩部分組成，運行優(yōu)化策略成本，以及充放電功率和容量等約束；

(2)使用場景分析法分析風電出力不確定性帶來的影響；

(3)在運行過程中需要考慮的約束有：場景約束；等式約束：冷熱電功率平衡方程、ESS的儲能關(guān)系式、節(jié)點熱量平衡約束、熱損平衡約束；不等式約束：各個設(shè)備的運行約束、可利用熱功率上下限約束。

1.2.2 ESS的作用

負荷熱電比與燃氣輪機(Gas Turbine，GT)出力熱電比越接近，系統(tǒng)中能源的利用越充分，但是在實際運行情況中負荷熱電比往往比較大。而 “以熱定電”、“以電定熱”則會出現(xiàn)經(jīng)濟性降低，高峰熱負荷無法滿足的問題。ESS可以在時間上解耦能源的生產(chǎn)和消耗，比如將這一時段系統(tǒng)產(chǎn)生的多余熱能轉(zhuǎn)移至熱負荷較高的時段，提高系統(tǒng)經(jīng)濟效益。

1.2.3 風電不確定性

風電出力存在不確定性和波動性，如果優(yōu)化計算過程中直接使用風電預(yù)測出力曲線，則無法反應(yīng)真實的運行成本，通過可能出現(xiàn)的場景來模擬風電出力的隨機性，場景由拉丁超立方采樣(Latin Hypercube Sampling，LHS)得到，其主要為兩個步驟，分別是采樣和排列。在LHS采樣得到場景后，使用Cholesky分解進行排序，降低采樣值之間的相關(guān)性，從而得到初始場景，最后由于場景數(shù)量巨大會導(dǎo)致計算工作量大，所以利用同步回代消除場景，得到最具有代表性的風電出力場景集[8-13]。

假設(shè)風電出力波動性滿足正態(tài)分布，方差為預(yù)測誤差，暫取10%，采樣上述方法得到10個風電出力場景，每一個場景都是實際出力中可能發(fā)生的波動，有效反應(yīng)了風電不確定性，使預(yù)測精度得到提高。

1.3 熱網(wǎng)系統(tǒng)

熱網(wǎng)承擔通過管道和熱載體輸送熱能給熱用戶的任務(wù)。熱載體主要有水和水蒸氣，研究對象為供水供熱系統(tǒng)。由于熱網(wǎng)能量傳輸通用模型為非線性，無法通過傳統(tǒng)的優(yōu)化算法進行求解，所以使用簡化的熱網(wǎng)能量流模型，將其與CCHP運行優(yōu)化模型通過熱功率耦合，構(gòu)成多RIES優(yōu)化模型。

主要考慮的約束條件為：節(jié)點流量平衡約束；熱損平衡約束；可利用熱功率上下限約束。

2 多區(qū)域IES運行優(yōu)化模型

2.1 目標函數(shù)

對于并入電網(wǎng)且含有熱網(wǎng)的多RIES來說，運行優(yōu)化目標函數(shù)為：

minCIES=Ce,b-Ce,s+Cg+CP+CESS

(1)

式中Ce,b為 IES 從電網(wǎng)購電費用(元)；Ce,s為 IES向電網(wǎng)售電所得費用(元)；Cg為燃氣費用(元)；CP為熱網(wǎng)運行費用(元)。CESS為儲能設(shè)備運行費用(元)。

(1)購電費用

(2)

式中N為CCHP 系統(tǒng)數(shù)量；M為調(diào)度周期時段數(shù)；Ce,b,t為t時段購電電價(元/kWh) ；Pg,b,i,t為在t時段第i個CCHP系統(tǒng)購電量(kW)；Δt為調(diào)度時段的時長(h)。

(2)售電費用

(3)

式中Ce,s,t為t時段售電電價(元/kWh) ；Pg,s,i,t為第i個CCHP系統(tǒng)在Δt時段的售電功率(kW)。

(3)燃氣費用

(4)

式中Cz為購買天然氣的單位熱價(元/kWh)；QGB,i,t為第i個CCHP系統(tǒng)在時段t燃氣鍋爐(Gas Boiler，GB)產(chǎn)熱功率、PGT,i,t為第i個CCHP系統(tǒng)在時段t微型燃氣輪機發(fā)電功率(kW)；μGT,i、μGB,i分別為第i個 CCHP 系統(tǒng)中GT和GB的效率。

(4)熱網(wǎng)運行費用

熱網(wǎng)運行費用為管網(wǎng)中循環(huán)水泵的電費，不考慮維護成本，即：

(5)

式中CP為熱網(wǎng)運行電費(元)；R為循環(huán)水泵數(shù)量；M為調(diào)度周期時段數(shù)；EHR為耗電輸熱比；Ce,b,t為t時段購電電價(元/(kW·h))；Hi,t為第i臺水泵輸送的熱量(kW)；Δt為調(diào)度時段的時長(h)。

(5)儲能設(shè)備運行費用分為儲電設(shè)備費用、儲熱設(shè)備費用。

CESS=CES+CHS

(6)

式中CES、CHS為儲電設(shè)備費用和儲熱設(shè)備費用。

儲電設(shè)備費用：假設(shè)ES的充放電成本，每次都相同，則運行成本為：

(7)

式中CES-cap為ES的容量；PES,C/D,i,t為時段t=1,2,…,H時i區(qū)域的ES的充放電功率；PES,C/D,i,t為正時表示儲電裝置放電PES,C/D,i,t為負時表示儲電裝置充電；Cr為單次完全充放電成本。

儲熱設(shè)備：運行費用主要是水泵運行的電費，即：

(8)

式中QHS,C/D,i,t為時段t=1,2,…,H時i區(qū)域的HS的充放熱功率;QHS,C/D,i,t為正時表示儲熱裝置放電;QHS,C/D,i,t為負時表示儲熱裝置充電。

2.2 約束條件

2.2.1 CCHP約束條件

(1)冷熱電功率平衡約束

(9)

式中Pd,i,t、Hd,i,t、Cd,i,t分別為i區(qū)域t時刻用戶電、熱、冷負荷需求；PWT,i,t，Pec,i,t分別為i區(qū)域t時刻風機出力和電制冷機消耗功率;μhri為熱回收器的回收效率，取0.75；μhei為熱交換器效率，取0.9；Eec,i為i站點電制冷機制冷效率。

(2)運行上下限約束

(10)

式中各個不等式的上下限，為第i個區(qū)域各類設(shè)備的運行上下限，以及與電網(wǎng)、熱網(wǎng)交互功率的上下限。

(3)ES儲存能量約束

假設(shè)充ES的放電效率等于充電效率，則有：

(11)

式中W(T+1)和W(T)分別為時間點T+1和T時ES的荷電狀態(tài)；Wmin和Wmax分別為ES荷電狀態(tài)的下限和上限；σES為自放電率；μES為充放電效率。

(4)HS儲存能量約束

假設(shè)充HS的放熱效率等于充熱效率，則有：

(12)

式中E(T+1)和E(T)分別為時間點T+1和T時HS的儲熱狀態(tài)；Emin和Emax分別為HS儲熱容量的下限和上限；σHS為熱能耗散率；μHS為充放熱效率。

(5)場景約束

當風電出力波動與預(yù)測值不同時，為維持系統(tǒng)功率平衡則需要調(diào)整GT、GB出力，所以加入場景約束。

(13)

2.2.2 熱網(wǎng)約束條件

(1)節(jié)點流量平衡

對于熱網(wǎng)中的任一節(jié)點i，流進節(jié)點i的流量等于流出節(jié)點i的流量，即：

Qi,t+∑Qij,t=0

(14)

式中qi,t為t時段節(jié)點i與第i個CCHP系統(tǒng)之間的流量；qij,t為t時段與節(jié)點i相連接的各管段流量。

(2)熱能-流量約束

(15)

式中C為水的比熱容；Hex,i,t為第i個CCHP系統(tǒng)在t時刻與熱網(wǎng)交互功率；Ts和Tr分別為給水溫度和回水溫度。

(3)熱損平衡約束

Hi,t,2=ρiHi,t,1

(16)

其中：

(17)

式中δ為管道熱損率，取0.1 ；若熱水由節(jié)點i流向下一節(jié)點j時(Hi,t,1>0)，ρi<1；若熱水由下一節(jié)點j流向i(Hi,t,1<0)時，ρi>1。

(4)可利用熱功率上下限約束

若可利用熱功率太小，導(dǎo)致管段熱煤溫度低于回水系統(tǒng)熱媒溫度，熱網(wǎng)無法提供熱能；若可利用熱功率太大，將會發(fā)出噪音。所以需要有上下限約束限制可利用熱功率的大小[14-18]，從而有：

(18)

式中不等式上下限為可利用熱功率上下限。Hij為ij管段可利用熱功率。

2.2.3 耦合約束

如圖2所示，多RIES系統(tǒng)在換熱器輸出端有與熱網(wǎng)的耦合環(huán)節(jié)，所以有CCHP-熱網(wǎng)能量耦合約束也就是熱平衡約束，即：

(19)

2.3 求解方法

綜上，文中模型是0-1混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，其中優(yōu)化變量有：各個CCHP中各源設(shè)備的出力；從電網(wǎng)購售電量；轉(zhuǎn)換設(shè)備的輸入；儲能的輸入/輸出功率；熱網(wǎng)中各管段交匯熱功率。等式約束：冷熱電功率平衡方程；ESS的儲能關(guān)系式；節(jié)點熱量平衡約束；熱損平衡約束。不等式約束：各個設(shè)備的運行約束，可利用熱功率上下限約束。

采用Yalmip+ Cplex在MATLAB中進行優(yōu)化計算。

3 算例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以某多RIES為例進行仿真分析，如圖3所示，該區(qū)域一共有4個子區(qū)域，分別為居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、辦公區(qū)和工業(yè)區(qū)。所有的子區(qū)域均包含CCHP系統(tǒng)，通過環(huán)狀熱網(wǎng)形成多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)。

圖3 區(qū)域劃分圖

各個區(qū)域的CCHP系統(tǒng)能量流情況如圖2所示。其中各個區(qū)域均配置ESS，工業(yè)區(qū)建有風電場，風電預(yù)測誤差為10%，仿真以冬季典型日為例。

3.2 風電出力波動的影響

當將不同的風電預(yù)測誤差代入后，如表1所示，可發(fā)現(xiàn)含熱網(wǎng)及儲能的多RIES系統(tǒng)日運行費用隨著誤差的變大而增加。所以有必要在運行優(yōu)化中考慮風電的波動性，這樣得到的優(yōu)化結(jié)果更符合實際運行情況。

表1 不同預(yù)測誤差下的運行成本

3.3 日運行成本分析

為驗證多RIES優(yōu)化后的優(yōu)勢，在預(yù)測誤差為10%的風電場景集基礎(chǔ)上，在冬季典型日對系統(tǒng)電、熱功率優(yōu)化情況進行分析。

場景1：不含有熱網(wǎng)，熱負荷由GB、GT供應(yīng)，電負荷由風電、GT、電網(wǎng)供應(yīng)；

場景2：含熱網(wǎng)不含儲能，熱負荷由GB、GT以及熱網(wǎng)供應(yīng)，電負荷由風電、GT、電網(wǎng)供應(yīng)；

場景3：含儲能及熱網(wǎng)，熱負荷由GB、GT、HS以及熱網(wǎng)供應(yīng)，電負荷由風電、GT、電網(wǎng)、ES供應(yīng)。

三種場景下的多RIES運行成本如表2所示。場景1中多RIES系統(tǒng)由于不含有熱網(wǎng)，所以無法在區(qū)域間對熱能進行協(xié)調(diào)分配，導(dǎo)致燃氣費用高，因此在該方式下日運行成本較高。場景2中多RIES系統(tǒng)含有熱網(wǎng)，可將某區(qū)域多余熱能進行轉(zhuǎn)移，使燃氣費用下降，所以運行成本比方式一低，但由于不含儲能設(shè)備，無法在時間上解耦能源的生產(chǎn)和消耗，因此日運行成本略高。場景3中多RIES系統(tǒng)含有熱網(wǎng)及儲能設(shè)備，由于加入儲能設(shè)備，在一定程度上脫離“以熱定電”的限制，使GT的電出力限制得到緩解，因此系統(tǒng)日運行成本得到進一步優(yōu)化，經(jīng)濟效益增加，得到最優(yōu)運行方式。

表2 三種場景下多RIES的運行成本

3.4 CCHP工況分析

以下的分析都是基于場景3的運行方式，系統(tǒng)電功率優(yōu)化情況如圖4所示，圖4中ES為正時表示儲電裝置放電，為負時表示儲電裝置充電；與電網(wǎng)交互功率為正時表示購電，為負時表示售電。從圖4中可以看出，除了居民區(qū)，各個區(qū)域均主要以GT發(fā)電，并在用電低谷時刻向電網(wǎng)售電。ES在大部分用電低谷時刻處于充電狀態(tài)，用電高峰時刻處于放電狀態(tài)。

圖4 電功率優(yōu)化結(jié)果

系統(tǒng)熱功率優(yōu)化結(jié)果如圖5所示，圖中HS為正或負時，分別表示儲熱裝置充熱和放熱；與熱網(wǎng)交互功率為正或負時，分別表示各區(qū)域向熱網(wǎng)獲取和傳輸熱能。從圖5中可以看出，在大部分熱負荷較低時刻，HS處于充熱狀態(tài)，而在熱負荷較高時刻HS處于放熱狀態(tài)。由于商業(yè)區(qū)、辦公區(qū)負荷熱電比相對較低，商業(yè)區(qū)與辦公區(qū)通過熱網(wǎng)傳輸多余的熱量給居民區(qū)與工業(yè)區(qū)。可見各個區(qū)域通過熱網(wǎng)進行熱能的協(xié)調(diào)分配，提升熱能利用率。

圖5 熱功率優(yōu)化結(jié)果

3.5 熱網(wǎng)工況分析

在運行方式3中，熱媒在熱網(wǎng)中的流速如圖6所示，圖6中當流速為負時即為反方向流動，可見熱網(wǎng)各管段傳輸功率趨勢與熱媒流速趨勢大體一致。

圖6 各管道熱媒流速示意圖

由圖6可知，本算例熱網(wǎng)有兩種工況：在9:00～17:00時間段，商業(yè)區(qū)向居民區(qū)、工業(yè)區(qū)傳輸熱能(1-2、1-3)，辦公區(qū)向工業(yè)區(qū)傳輸熱能(3-4)；其他時間段，商業(yè)區(qū)向居民區(qū)傳輸熱能(1-2)，辦公區(qū)向工業(yè)區(qū)、居民區(qū)傳輸熱能(1-3、3-4)。進一步證明熱網(wǎng)能夠?qū)⒏鱾€區(qū)域的熱能進行協(xié)調(diào)分配。

3.6 熱電比分析

如圖7所示，由于商業(yè)區(qū)、辦公區(qū)的工作特性，在23:00～8:00時間段負荷熱電比為零，遠遠小于算例中GT的出力熱電比1.5，加入儲能設(shè)備后，GT產(chǎn)出的多余熱能一部分儲存在儲熱裝置中，相當于變相的增加熱負荷，使負荷熱電比趨向1.5。對于居民區(qū)、工業(yè)區(qū)，雖然儲能設(shè)備也變相地對負荷進行時空上的平移，但因為算例中熱電負荷功率較大，ESS并不具有顯著影響。

圖7 熱電比優(yōu)化結(jié)果

4 結(jié)束語

通過建立含有儲能及CCHP系統(tǒng)的多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化模型，進行算例分析。仿真結(jié)果表明：

(1)ESS可以改善多RIES的熱電負荷比，在一定程度上解耦熱電運行約束，提高經(jīng)濟性；

(2)在優(yōu)化過程中需要考慮風電出力的波動性，得到更接近實際運行情況的結(jié)果；

(3)含有熱網(wǎng)的多RIES將多個區(qū)域耦合在一起，實現(xiàn)區(qū)域熱能的交換，利用不同區(qū)域間負荷特性的互補性，使能量管理優(yōu)于單區(qū)域運行優(yōu)化，提升系統(tǒng)運行經(jīng)濟性。

文章對天然氣網(wǎng)絡(luò)考慮不充分，所以天然氣價格波動，天然氣管道約束等問題將成為下一步的研究方向。