基于虛擬電廠的多能源協(xié)同系統(tǒng)調度優(yōu)化策略

郭佳興，王金梅，張海同

(寧夏大學物理與電子電氣工程學院，銀川市 750021)

0 引 言

隨著全球能源儲量衰減，現(xiàn)有能源結構體系對不可再生能源依賴性逐步降低，然而清潔能源批量引入和分布式電源迅速普及將加劇能源系統(tǒng)波動性，如何解決傳統(tǒng)產能存在的弊端以及新能源出力對現(xiàn)有能源系統(tǒng)產生的排異現(xiàn)象是目前面臨的主要問題[1]。

虛擬電廠[2-4](virtual power plant，VPP)的出現(xiàn)為清潔能源并網帶來了新轉機，作為能源控制管理平臺，為保障供需關系平衡，提高能源系統(tǒng)內部設備聚合度及協(xié)同運行效率作出貢獻。然而，目前大部分研究對于VPP應用范圍較窄，文獻[5]主要針對分時電價及光熱電站參與VPP優(yōu)化調度過程，通過自適應粒子群算法驗證了所建模型的經濟性。文獻[6]考慮了含電動汽車的電-氣互聯(lián)VPP調度策略，采用區(qū)間優(yōu)化理論驗證了所建模型在熱舒適方面更具有魯棒性。此外還有大量文獻[7-11]在基于VPP可控模式下，利用能源設備錯時調峰、熱電聯(lián)產(combined heat and power,CHP)機組熱電聯(lián)供及電熱儲能輔助解耦等方法，進一步消除能源體系現(xiàn)存弊端。然而，對碳排放超標及廢棄物堆積導致環(huán)境污染嚴重，生物鏈失衡等一系列問題研究較少[12]。本文提出基于VPP調控的能源設備聯(lián)合供能并輔以環(huán)境治理協(xié)同運行架構模型，其主要針對能源轉換過程中產生的廢氣進行預處理，最終以CO2的形式流通于碳交易市場，并針對廢棄材料、工業(yè)垃圾等各類廢棄能源，通過廢棄物集中處理站將其轉換為電能與碳儲形式供需流通。

現(xiàn)有研究很大程度上未能充分挖掘VPP剩余價值[13]，VPP作為現(xiàn)階段重要的去中心化智能控制技術，其作用效果符合未來能源發(fā)展模式。本文采納VPP雙模式(集中式、分散式)調度優(yōu)化模型，賦予各能源主體獨立與協(xié)同并存運行模式。通過MATLAB搭載CPLEX求解器進行仿真分析，驗證VPP調控下多能源協(xié)同系統(tǒng)調度優(yōu)化模型的經濟性和環(huán)保性，較傳統(tǒng)能源調度的方法有效減少CO2排放、廢棄物堆積及光伏、風電機組大規(guī)模棄風棄光問題。

1 VPP控制下多能源系統(tǒng)模型建立

1.1 系統(tǒng)運行框架

VPP控制下的多能源協(xié)同系統(tǒng)由四個子系統(tǒng)組成，分別為電力子系統(tǒng)(power subsystem，PS)、熱力子系統(tǒng)(thermal subsystem，TS)、環(huán)境治理子系統(tǒng)(environment governance subsystem，EGS)以及天然氣子系統(tǒng)(natural gas subsystem，NGS)。圖1為VPP控制下的多能源協(xié)同系統(tǒng)結構配置及能流轉換。

PS及TS同傳統(tǒng)電-熱能源系統(tǒng)架構一致。NGS區(qū)別常規(guī)天然氣系統(tǒng)建模在于內部只包含天然氣網及天然氣交易市場?？紤]到P2G設備的CO2來源，將其規(guī)劃在EGS中，天然氣產量由NGS調配，其中EGS還包括碳收集處理站、廢棄物集中處理站、廢氣存儲設備及廢氣處理裝置。碳收集處理站可降低能源系統(tǒng)運行過程中產生的碳排放量，同時為PS提供電力需求。其余設備單元旨在解決廢棄物擱置現(xiàn)狀，通過能源轉換方式對廢棄物進行回收再利用，以電能形式參與VPP能源調度過程。

系統(tǒng)采用雙模式控制運行方式，協(xié)調控制中心(control coordination center，CCC)參與集中式控制模式，通過統(tǒng)一標準、管理、操作，將所有資源連接到VPP集中管控平臺，全面掌握其管轄范圍內分布式機組所有信息，全面控制所有產-耗能設備，充分發(fā)揮市場機構作用，確保系統(tǒng)安全，降低各方違約風險，有效保護市場各方利益[14]。而分散式管控模式可充分發(fā)揮VPP運營商作用，靈活聚合各種可調分布式能源(distributed energy resource，DER)，減輕集中平臺管控壓力。未來VPP 將從單一需求響應向混合型發(fā)展，為能源市場提供多種類服務，在能量、容量市場和輔助服務市場發(fā)揮作用[15]。

圖1 VPP控制下的多能源協(xié)同系統(tǒng)運行框圖Fig.1 Operational framework of multi-energy collaborative system under VPP control

1.2 多能源協(xié)同系統(tǒng)模型建立

1.2.1 NGS模型

NGS運行主要依賴P2G設備提供天然氣參與系統(tǒng)能源調度，而 P2G設備作為連接NGS與PS的重要載體，在提高新能源發(fā)電利用率、促進CO2消納及EGS經濟運行方面存在明顯優(yōu)勢[16-17]。

(1)

1.2.2 EGS模型

碳收集處理站是傳統(tǒng)化石能源發(fā)電廠經CO2收集、利用與封存( carbon capture，utilization and storage，CCUS) 技術改造升級的產物，其作用是可促進能源產業(yè)轉型、保障能源安全、實現(xiàn)系統(tǒng)凈零碳排放，具備廣闊的發(fā)展前景[18]。廢棄物集中處理站協(xié)同廢氣處理裝置可解決垃圾泛濫與資源擱置現(xiàn)象，其運行模式可充分發(fā)揮物質利用價值，占地面積小且無污染，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必要手段[19]。本文根據碳收集處理站、廢棄物集中處理站及廢氣處理、存儲裝置之間所展現(xiàn)出的優(yōu)勢，即設備運行中存在能量互補性，將其聚合為EGS運行模式，充分挖掘VPP調控設備協(xié)同出力對系統(tǒng)運行產生的積極影響。環(huán)境治理子系統(tǒng)運行模式如圖2所示。

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(3)

(4)

(5)

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(7)

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(9)

(10)

(11)

(12)

圖2 環(huán)境治理子系統(tǒng)運行框圖Fig.2 Operational framework of environmental governance subsystem

2 系統(tǒng)目標函數(shù)及約束條件

2.1 目標函數(shù)

為增加運算辨識度，將目標函數(shù)分為系統(tǒng)運行支出成本f(E)與收益成本f(M)。

(13)

1)考慮到火力發(fā)電參與EGS電力供應過程，燃油成本成為必要的一部分經濟支出，且CO2以排放、存儲、CH4的形式存在，碳流通質量時刻影響P2G設備購碳成本和碳存儲成本。

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

2)系統(tǒng)運行成本：

(19)

3)系統(tǒng)維護成本：

(20)

4)系統(tǒng)購能成本：

(21)

2.2 約束條件

1)電功率平衡約束：

(22)

2)熱功率平衡約束：

(23)

3)EGS約束：

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(29)

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(31)

4)子系統(tǒng)協(xié)同運行約束：考慮到各子系統(tǒng)產-耗能聚合設備及子系統(tǒng)整體對外主要表現(xiàn)出的運行特性，通過VPP資源調配對其進行供需制約直至整體協(xié)同狀態(tài)[20]。

(1)各子系統(tǒng)簽訂合作運行協(xié)議，通過聯(lián)絡線互聯(lián)進行電、熱功率等多能形式交互。

(32)

(33)

(34)

(35)

(2)各子系統(tǒng)在VPP能源交互前提下，內部設備產能與負荷須滿足平衡約束條件。

(36)

(37)

(38)

(39)

(3)當系統(tǒng)處于協(xié)同運行模式時，任一或多個子系統(tǒng)發(fā)生故障導致系統(tǒng)須通過VPP重新組建新的協(xié)同互聯(lián)運行模式，在此期間各子系統(tǒng)可獨立運行，其交互能量為零。

(40)

5)各子系統(tǒng)邊界運行約束：

(41)

(42)

(43)

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(46)

3 算例仿真

3.1 基本運行數(shù)據

為表明EGS優(yōu)勢所在，本文以西北某地區(qū)實際能源系統(tǒng)進行算例仿真[21-22]，并對其結果進行對比分析。優(yōu)化時間周期T為24 h，間隔為1 h。多能源系統(tǒng)包含燃氣鍋爐、CHP機組、P2G設備各一臺，風力發(fā)電場、光伏發(fā)電站、碳收集處理站、廢棄物集中處理站各一座，廢氣存儲裝置、廢氣處理裝置、蓄電池組、儲熱罐各一個。風、光預測出力如圖3所示，電價時段劃分如表1所示，各類設備運行參數(shù)如表2所示。

圖3 風電、光伏預測出力Fig.3 Forecast powers of wind-solar generation

表1 分時電價Table 1 Time-of-use electricity price

表2 系統(tǒng)相關參數(shù)Table 2 Parameters related to the systems

四個子系統(tǒng)內外均具協(xié)同性，在基于電-熱-氣綜合能源系統(tǒng)運行模式下加入EGS，旨在研究EGS對傳統(tǒng)電-熱-氣能源系統(tǒng)結構升級產生的推動作用以及相應的經濟效益。本文采用MATLAB+CPLEX求解器對所提方法進行算例仿真驗證。

3.2 經濟性對比分析

本文所構建的兩種方案如表3所示，通過優(yōu)化能源系統(tǒng)內部設備及各子系統(tǒng)之間協(xié)同運行效益，在EGS是否參與系統(tǒng)運行的前提下，對比分析系統(tǒng)供能單元出力、耗能情況及能源調度優(yōu)化程度，進而驗證所提模型在消除棄風光量、碳排放強度、提升削峰填谷能力方面的推動作用，以相對經濟模式運行。

表3 兩種方案運行對比Table 3 Comparison of the operation status of two scenarios

兩種方案成本對比如表4所示。從表4可知，方案2較方案1在碳收益與EGS運行成本上明顯增加，且棄風棄光、系統(tǒng)購能成本分別減少2.12×103元、54.703×103元，減幅分別為50.2%、12.37%；方案2較方案1系統(tǒng)維護成本增加49.29×103元，增幅為22.99%，但VPP凈成本減少191.88×103元，原因在于EGS為PS、NGS提供了更多的電力和天然氣保障。通過經濟性對比顯示出VPP在能源調度方面具有潛在優(yōu)勢，且EGS的參與提升了電-熱-氣綜合能源系統(tǒng)經濟效益。

表4 兩種方案成本對比Table 4 Cost comparison of two scenarios 103元

3.3 環(huán)保性對比分析

為進一步體現(xiàn)EGS運行特性，兩種方案環(huán)保性對比如表5所示。從表5對比分析可得出，方案2較方案1在P2G天然氣產量、P2G消耗棄風光功率、碳處理量方面分別增加1 962.28 m3、35.43 MW、2 484.74 t，增幅分別為26.73%、26.72%、110.42%；凈棄風光功率與碳排放量分別減少35.43 MW、2 484.74 t，減幅分別為50.27%、34.59%。體現(xiàn)了EGS對系統(tǒng)能源供應及低碳運行具有促進作用，且在環(huán)境治理方面存在優(yōu)勢。

表5 兩種方案環(huán)保性對比Table 5 Comparison on environment protection of two scenarios

3.4 系統(tǒng)最佳配置優(yōu)化分析

由于PS、TS及NGS的裝機容量配置由當?shù)卣鶕脩綦?、熱、氣負荷需求及相關政策等因地制宜制定[23]，為了進一步提升系統(tǒng)經濟環(huán)保效益，研究EGS最佳配置(即最小化系統(tǒng)棄風光功率、碳排放量)顯得尤為重要，其價值在于可通過CCUS輔以電-熱-氣綜合能源系統(tǒng)以更經濟環(huán)保的方式運行。引入雙層規(guī)劃模型[24-26]，上層以減少棄風光量與碳排放量之和為目標確定EGS設備配置，下層配合上層追求經濟效益最大化。

從表5可看出系統(tǒng)最大棄風光功率、碳排放量分別為203.05 MW、9 435.22 t，因此當EGS中P2G裝機容量為210 MW，其余設備聯(lián)合運行最大碳處理量為9 470 t時，EGS滿足上層尋優(yōu)最小化配置條件。本文分別以該配置下P2G容量的80%、90%、100%、120%、60%，EGS其余設備協(xié)同運行處理碳質量的50%、80%、100%、120%、0%聯(lián)合對比分析VPP調配下系統(tǒng)下層經濟效益[27-28]，結果如表6所示。

表6 EGS配置對比規(guī)劃Table 6 Comparison of EGS configuration planning

EGS容量配置分析如圖4所示。由圖4可看出，隨著EGS設備配置容量逐漸增高，系統(tǒng)棄風光量與碳排放量減少，傳統(tǒng)電-熱-氣綜合能源系統(tǒng)(方案v)對于環(huán)境污染及能源浪費最為明顯，且VPP凈成本值居最高位，凸顯出該運行模式弊端。方案i、ii較方案v在系統(tǒng)棄風光量、碳排放量及VPP凈成本(1 359.25×103元、1 163.36×103元)方面下降明顯，說明提升EGS容量配置可促進系統(tǒng)經濟環(huán)保運行。

圖4 EGS容量配置分析Fig.4 Analysis of EGS capacity configuration

為探究EGS最佳配置，將方案iii、iv容量配置提高至具備完全消除系統(tǒng)棄風光量與碳排放量能力的冗余范圍，但方案iii運行模式較之方案iv在VPP凈成本上存在優(yōu)勢。且根據圖4擬合樣條插值曲線可知，方案iii中VPP凈成本減至極小值，較方案v成本降低399.38×103元，減幅為25.75%，符合系統(tǒng)最佳配置要求。方案iv中VPP凈成本略增，其原因在于EGS容量配置過大，導致設備空載運行[29]，增加系統(tǒng)運維費用。EGS最佳配置出力如圖5所示。

圖5 EGS設備容量最佳配置日內出力Fig.5 Intraday output for optimal capacity configuration of EGS equipment

3.5 VPP調度分析

電力、熱力子系統(tǒng)各單元產/耗能情況如圖6—7所示。從圖6—7看出，在第1—7時段，棄風、光及CHP機組、燃氣鍋爐產熱現(xiàn)象凸顯，是因該時段熱負荷需求偏大，VPP迅速調配P2G設備、蓄電池出力，緩解棄風光及負荷壓力。

廢氣處理裝置運行功率匯總如圖8所示，碳收集處理站運行功率匯總如圖9所示，碳處理/存儲/排放量匯總如圖10所示，EGS產能設備等效/凈出力如圖11所示。從圖8—11看出，第1—7時段風電、火電對EGS供電量逐漸增大，由于碳排放量較少，系統(tǒng)主要表現(xiàn)為VPP調控廢棄物處理設備出力，但第1—7時段EGS實際碳排放量不符合碳排放標準。

圖6 電力子系統(tǒng)各單元產/耗能功率Fig.6 Energy production or consumption of each unit of the power subsystem

從圖6—7看出，在第8—9時段，PS電負荷逐漸遞增，系統(tǒng)儲電量逐漸下降，同時TS熱負荷需求減少，儲熱罐熱能儲量開始增加。從圖6—10看出，在第8—9時段PS協(xié)同其他發(fā)電單元以滿足電負荷需求為目的降低對EGS各設備供應電能，導致碳排放量攀升，但該系統(tǒng)凈出力呈增長趨勢且初步符合碳排放標準。

在第10—17時段，從圖6—9看出光伏、碳收集處理站發(fā)電量劇增，但因電量供應不足且光伏發(fā)電不穩(wěn)定，因此第10—17時段VPP采取棄風光策略協(xié)同蓄電池電儲能出力及向上級電網購電調整電負荷需求平衡，同時控制P2G設備運行減少棄風光量，大幅度減少電能虧損。在第10—17時段熱負荷需求減至極小值，燃氣鍋爐暫停出力，VPP調控CHP機組協(xié)同儲熱罐靈活出力，在滿足熱負荷前提下實現(xiàn)削峰填谷，儲熱量在該時段增至峰值。

從圖6看出，電負荷需求到達峰值，PS為了更大程度實現(xiàn)電能供需平衡，對EGS電能供應減至最小。從圖8—9看出，在第10—17時段廢氣處理裝置有一半時間處于關閉狀態(tài)，且碳收集處理站電力供應達最低值，導致碳排放量達峰，VPP快速調控火力發(fā)電機組對EGS進行電能供應。從圖10看出，第10—17時段二氧化碳處理量明顯增加，實際碳排放量低于標準碳排放額度，符合碳排放標準，同時VPP及時調配P2G設備出力，以減少棄風光量和碳排放量。

圖8 廢氣處理裝置運行功率匯總Fig.8 Summary of operating energy consumption of exhaust gas treatment devices

圖9 碳收集處理站運行功率匯總Fig.9 Summary of operating energy consumption of carbon collection and processing stations

在第18—22時段，從圖6—7看出光伏發(fā)電量陡降，但風光總出力未滿足電負荷需求，VPP調配TS、EGS發(fā)電單元快速出力，確保電功率平衡。第18—22時段儲熱罐儲熱總功率逐漸增長，是因熱負荷需求已達全天峰值，為滿足熱力供需平衡VPP迅速調配儲熱罐、CHP機組、燃氣鍋爐出力，產熱余量以熱儲形式存在。第18—22時段電-熱負荷需求總量緩慢下降，風機、CHP機組產電功率逐漸增加，EGS電能供應隨之上升。從圖8—10看出，第18—22時段由于碳收集處理站和廢氣處理裝置運行功率相繼增加，表現(xiàn)為EGS二氧化碳處理總量劇增，但仍出現(xiàn)碳排放未達標現(xiàn)象。由于第10—17時段廢氣處理裝置出力極低，導致廢棄物堆積量驟增，當EGS電能供應提高時，VPP優(yōu)先選擇廢棄物集中處理站與廢氣處理裝置協(xié)同出力以減緩廢棄物堆積壓力。

圖10 碳處理/存儲/排放量匯總Fig.10 Summary of carbon treatment,storage and emissions

圖11 EGS產能設備等效/凈出力Fig.11 Equivalent/net output of EGS capacity equipment

在第23—24時段，棄風光量顯著增加，電負荷需求減至最低，VPP逐漸減少CHP機組與EGS電產能以避免發(fā)電過多造成浪費。為滿足熱負荷需求，VPP減少TS產熱量，同時靈活調配儲熱罐儲/放熱功率實現(xiàn)熱供需平衡。從圖6—9看出，第23—24時段電-熱系統(tǒng)負荷需求總量減少，風力機組與廢棄物集中處理站發(fā)電功率陡增，EGS的電能供應攀升，廢棄物處理量迅速提升，表現(xiàn)為廢氣存儲裝置儲碳質量增加，但第23—24時段碳排放未達標。

綜上所述，本文驗證了所建基于VPP多能源協(xié)同系統(tǒng)調度優(yōu)化模型的可行性，一方面VPP調節(jié)各設備有效出力，實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展，另一方面引入EGS與電-熱-氣子系統(tǒng)協(xié)同運行，提升了能源利用率，保障電-熱-氣負荷需求供應充足，各子系統(tǒng)內部單元協(xié)同配合靈活緊密，出力方式及時有效，且EGS具有提升系統(tǒng)削峰填谷能力，有效降低碳排放強度及棄風光量，為實現(xiàn)VPP調控優(yōu)化多能源系統(tǒng)資源配置，提高系統(tǒng)經濟、環(huán)境運行效益作出貢獻。

4 結 論

本文所提在傳統(tǒng)電-熱-氣綜合能源系統(tǒng)運行基礎上加入EGS運行模型，通過VPP調控豐富了能源系統(tǒng)內部出力設備多樣性，提升系統(tǒng)內外協(xié)同運行能力與能源利用率，削減棄風光量和二氧化碳排放量，實現(xiàn)系統(tǒng)經濟運行。通過算例仿真結果證明：

1)通過EGS與PS、TS、NGS協(xié)同運行實現(xiàn)了能源多模式供應，并對CO2和各類廢棄物進行回收再利用，解決了廢棄物堆積和碳排放過多造成資源浪費問題，為營造美好生態(tài)環(huán)境提供了發(fā)展空間。

2)VPP調控P2G出力，通過將大量棄風光電量作為P2G設備運行過程中所需能耗，并調配EGS其余設備以碳排放量發(fā)電，充分展現(xiàn)VPP迅速有效的控制方式。

3)電-熱儲能類設備調度出力響應快，有效降低負荷峰值期出現(xiàn)的電-熱能供應不足等，平抑系統(tǒng)供需波動，實現(xiàn)能源系統(tǒng)削峰填谷出力平穩(wěn)的局面。

下一步將在本文基礎上引入混合儲能子系統(tǒng)，深入研究VPP調控儲能與多能源協(xié)同系統(tǒng)深度耦合優(yōu)化以實現(xiàn)經濟高效運行。

致 謝

本文中實驗方案的制定和實驗數(shù)據的整理歸納工作是在西北工業(yè)大學公共政策與管理學院韓國英同志的大力支持下完成的，在此向她表示衷心的感謝。