卜凡鵬，田世明，方 芳，尹 凱，杜偉強(qiáng)

（1.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192；2.國網(wǎng)北京市電力公司，北京 102200；3.天津求實智源科技有限公司，天津 300384）

基于能源集線器模型的園區(qū)混合能源系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度方法

卜凡鵬1，田世明1，方 芳2，尹 凱3，杜偉強(qiáng)3

（1.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192；2.國網(wǎng)北京市電力公司，北京 102200；3.天津求實智源科技有限公司，天津 300384）

分布式發(fā)電和冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)在用戶側(cè)的集成可構(gòu)成一個典型多能源園區(qū)混合能源系統(tǒng)，可實現(xiàn)包括電能、太陽能、天然氣等能源輸入，以及電能、熱能以及冷能等能源輸出形式，可有效提升能源的綜合利用效率，降低用戶綜合用能成本。本文以一個電力與天然氣構(gòu)成的多能源園區(qū)混合能源系統(tǒng)為研究對象，對園區(qū)混合能源系統(tǒng)中多能源混合資源進(jìn)行日前優(yōu)化調(diào)度，以降低園區(qū)混合能源系統(tǒng)用能成本。首先構(gòu)建了多能源園區(qū)混合能源系統(tǒng)模型；進(jìn)而，給出了基于能源集線器的多能源園區(qū)混合能源系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度方法；最后以一個典型的電力與天然氣多能源園區(qū)混合能源系統(tǒng)為例驗證了本文調(diào)度方法的有效性。

混合能源系統(tǒng)；分布式發(fā)電；冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)；日前優(yōu)化調(diào)度

隨著現(xiàn)代社會對能源需求的增加，能源與環(huán)境短缺問題日益嚴(yán)峻，對人類社會的可持續(xù)發(fā)展帶來極大的危害。以分布式電源、冷熱電聯(lián)供CCHP（combined cooling，heating and power）系統(tǒng)為主要供能單元的多能源園區(qū)混合能源系統(tǒng)HEP（hybrid energy park）[1-2]，由于具有清潔能源利用、提高能源利用效率、低碳環(huán)保的特性，近兩年獲得了飛速發(fā)展。該系統(tǒng)能夠有效地緩解能源消費增長與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾，在我國電力結(jié)構(gòu)調(diào)整中起著非常重要的作用，對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展意義重大[3]。

HEP從可將分布式發(fā)電單元、CCHP系統(tǒng)、負(fù)荷、儲能等裝置以及控制系統(tǒng)進(jìn)行有效集成，滿足用戶對于電能、熱能和制冷聯(lián)合供能的需要，并通過配電網(wǎng)并網(wǎng)運行，最終形成一個可以并網(wǎng)運行也可以單獨運行的靈活系統(tǒng)。根據(jù)HEP內(nèi)部各單元的運行特征來制定最優(yōu)調(diào)度方案，對HEP內(nèi)多能源進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，可實現(xiàn)多種能源互補(bǔ)和可再生能源的充分消納利用，降低系統(tǒng)運行成本。然而，HEP是一個含有多種能源輸入、多種產(chǎn)品輸出和多種能源轉(zhuǎn)換單元的非同性復(fù)雜體，涉及到電/氣/冷/熱環(huán)節(jié)的相互轉(zhuǎn)換與互補(bǔ)優(yōu)化，急需新的調(diào)度方法。

有關(guān)園區(qū)HEP優(yōu)化調(diào)度方法的研究已取得了一定的進(jìn)展。文獻(xiàn)[4-5]考慮風(fēng)、光、負(fù)荷等的隨機(jī)特性，建立了熱電聯(lián)供型園區(qū)混合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運行的隨機(jī)優(yōu)化模型；文獻(xiàn)[6]采用集中母線方式，提出了CCHP園區(qū)HEP優(yōu)化調(diào)度通用建模方法，并基于該方法構(gòu)建了園區(qū)HEP的動態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型框架；文獻(xiàn)[7]針對某個含有熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、光伏、空調(diào)、電儲能以及熱儲能的園區(qū)HEP，設(shè)計了一種分層能量管理系統(tǒng)架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)對園區(qū)HEP中供能單元的優(yōu)化管理；文獻(xiàn)[8]通過對蓄電池儲能系統(tǒng)進(jìn)行充放電優(yōu)化來降低不確定環(huán)境下園區(qū)HEP運行成本；文獻(xiàn)[9]引入碳排放權(quán)交易成本函數(shù)，建立了考慮碳交易成本、燃料成本、環(huán)境成本的CCHP系統(tǒng)低碳調(diào)度多目標(biāo)優(yōu)化模型；文獻(xiàn)[10-12]考慮樓宇用能單元的特征，提出了由CCHP、電制冷機(jī)、吸收式制冷機(jī)以及熱儲能系統(tǒng)組成的園區(qū)HEP的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度方法。

上述研究從不同角度提出園區(qū)HEP的優(yōu)化調(diào)度方法。與傳統(tǒng)電力型園區(qū)HEP相比，HEP存在通過多能源環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)調(diào)度來提高降低供能成本的迫切需求，當(dāng)前對HEP中電氣冷熱不同能源形式之間的轉(zhuǎn)換形式目前尚缺乏有效的模型進(jìn)行統(tǒng)一描述，導(dǎo)致調(diào)度方案的保守性。為此，本文提出一種基于能源集線器模型的多能源園區(qū)HEP日前優(yōu)化調(diào)度ODS（optimal day-ahead scheduling）方法，可充分挖掘電/冷/熱不同能源形式之間的相互支撐能力，有助于提高HEP運行的經(jīng)濟(jì)性。

1 園區(qū)混合能源系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

能源集線器是一個可以包含多種形式能量的轉(zhuǎn)化、傳輸以及存儲的控制單元，它是不同的能源設(shè)施與不同需求負(fù)荷之間的接口平臺。能源集線器從宏觀上看是連接微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的一個控制中心或控制平臺，可通過超短期負(fù)荷預(yù)測以及實時在線監(jiān)測分布式能源、配電網(wǎng)的各項狀態(tài)，對各發(fā)電側(cè)和受控負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化控制[13]。微觀層面上，很多類似于工廠、大建筑群、農(nóng)村、城市地區(qū)以及火車等等的基礎(chǔ)能源設(shè)施都可以看作是能源集線器[14-15]。

分布式能源的多樣性決定了HEP必然包括多種不同的供用能設(shè)備。本文以一個電力與天然氣構(gòu)成的HEP為例進(jìn)行建模。HEP中不同能量潮流的耦合作用以及由此產(chǎn)生的系統(tǒng)間的相互作用可以通過能源集線器的概念來描述。如圖1所示，一個典型的HEP系統(tǒng)可抽象為一個或多個能源集線器模型，包含輸入和輸出，轉(zhuǎn)換和存儲各種能源載體功能的單元組成。

圖1 一個典型能源集線器模型Fig.1 A typical energy hub model

1.1 能源集線器內(nèi)部的功率交換建模

對于一個單輸入單輸出的能量變換裝置來說，輸入與輸出的關(guān)系為

式中：Pα和Lβ分別為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的輸入和輸出；Cαβ為輸入和輸出之間的耦合系數(shù)。包含多個能量變換裝置和多種能源形式的HEP，可通過一個耦合矩陣C來描述輸入與輸出的耦合關(guān)系，即

向量P和L分別為HEP的輸入和輸出。由于一種形式的能源可能會進(jìn)入到不同的能量轉(zhuǎn)換裝置中，例如圖1中的HEP中電力同時進(jìn)入到微型燃?xì)廨啓C(jī)和中央空調(diào)中，耦合矩陣C中的耦合系數(shù)不僅與轉(zhuǎn)換裝置的轉(zhuǎn)換效率有關(guān)，還與能源在不同轉(zhuǎn)換裝置中的分配系數(shù)有關(guān)。這里引進(jìn)一個能源分配系數(shù)ν，0≤ν≤1，如，νPe表示直接供應(yīng)電力負(fù)荷的電能，(1-ν)Pe則表示供應(yīng)中央空調(diào)的電能。

式中：Pe和Pg分別為能源集線器與電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)的能源交互值；Le和Lh分別為能源集線器所供應(yīng)的電負(fù)荷和熱負(fù)荷。

寫成矩陣的形式為

1.2 能源集線器中儲能系統(tǒng)建模

本文HEP采用儲熱裝置來儲能。在k時刻，電與熱的交換功率Mh,i(k)和儲熱裝置中實際儲存的能量Eh,i(k)的關(guān)系為

將儲裝置考慮進(jìn)到式（5）中，可得

1.3 能源集線器間的功率交換建模

在能源集線器系統(tǒng)之間的潮流（即在連接不同能源集線器系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)線上的潮流）可通過穩(wěn)態(tài)方程來描述。對于電網(wǎng)和天然氣管道網(wǎng)絡(luò)，潮流模型是基于節(jié)點功率平衡來建立的。

1）電網(wǎng)

電力潮流模型由節(jié)點復(fù)功率平衡來建立。在節(jié)點m，節(jié)點復(fù)功率平衡可以表示為

式中：Sm為注入節(jié)點m的復(fù)功率；Smn為流向和節(jié)點m相關(guān)聯(lián)的所有節(jié)點的潮流。線路上的潮流由節(jié)點電壓幅值U、向量以及線路參數(shù)來表示，即

式中：ymn為線路mn的互導(dǎo)納；ym0為節(jié)點m的自導(dǎo)納。

2）天然氣管道網(wǎng)絡(luò)

管道網(wǎng)絡(luò)的潮流模型也是根據(jù)節(jié)點流量平衡來建立的。以下的潮流方程適用于所有類型的等溫管道的潮流計算。節(jié)點m的體積流量平衡公式為

式中：Qm為注入節(jié)點m的天然氣體積流量；Qmn為管道的體積流量，m3/h；pm和pn分別為管道上游和下游的壓力；kmn為表征管道和天然氣流體的參數(shù)；Tb為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的溫度，K；pb為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的壓力，kPa；Dmn為管道內(nèi)徑，mm；Tf為管道內(nèi)燃?xì)獾臏囟?，K；G為天然氣相對于空氣的比重；Z為燃?xì)獾膲嚎s因子；Lmm為氣體管道長度，km；fmn為氣體管道的摩擦系數(shù)（無量綱）。

smn表征管道中氣體流動的方向，其具體計算公式為

天然氣管道的壓縮機(jī)需要能量來驅(qū)動，如果由微型燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)，相應(yīng)的功耗可以視為流入管道的額外的能量，如圖2所示。壓縮機(jī)的能耗為

式中：pk為壓縮機(jī)入口側(cè)的壓力；pm為壓縮機(jī)出口側(cè)的壓力；kcom為壓縮機(jī)的壓縮比。

天然氣管道的體積流量Qmn對應(yīng)電力潮流Pmn，兩者之間的關(guān)系為

式中：k為天然氣熱值與電功率的轉(zhuǎn)換系數(shù)；GHV為天然氣的高熱值，MJ/（N·m3）；Pmn為電力潮流，kW；因為1 MJ=0.278 kW·h，所以式（16）中存在一個轉(zhuǎn)化系數(shù)0.278。

圖2 由天然氣壓縮機(jī)和管道組成的天然氣管道模型Fig.2 Natural gas pipeline model composed of natural gas compressor and pipelines

1.4 園區(qū)混合能源系統(tǒng)建模

本文含電力和天然氣的園區(qū)混合系統(tǒng)是基于幾個相互聯(lián)系的能源集線器系統(tǒng)來建模的。因此，能源集線器代表電力生產(chǎn)者，消費者和傳輸設(shè)施之間的接口。圖3是園區(qū)HEP的構(gòu)成，系統(tǒng)由3個相同配置的能源集線器組成。各個能源集線器由交流電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)絡(luò)連接。電力網(wǎng)絡(luò)由電網(wǎng)以及分布式的光伏發(fā)電為能源集線器的電力輸入端口Pe1、Pe2、Pe3供電；天然氣由一個天然氣網(wǎng)絡(luò)N供應(yīng)并送到能源集線器的天然氣輸入端口Pg1、Pg2、Pg3；節(jié)點1-2和1-3之間的天然氣聯(lián)絡(luò)管道上裝設(shè)了壓縮機(jī)C12、C13，為天然氣的流動提供壓力。

圖3 三互聯(lián)能源集線器構(gòu)成的園區(qū)混合能源系統(tǒng)Fig.3 Hybrid energy park composed of three interconnected energy hubs

2 日前優(yōu)化調(diào)度模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

由于本文建立的園區(qū)多能源HEP模型分別由電網(wǎng)、天然氣網(wǎng)絡(luò)和光伏提供能源，所以目標(biāo)函數(shù)采用總的購電成本與天然氣消耗成本的和最小為目標(biāo)函數(shù)，電價采用分時電價數(shù)據(jù)，其函數(shù)公式為

式中：Cph，i為第i小時的電價預(yù)測值；Pi為第i小時購入的電功率；Cgas，i為第i小時的天然氣價預(yù)測值；PMT，i為第i小時微燃機(jī)輸出電功率。本文通過式（16）將天然氣網(wǎng)絡(luò)的體積流量等效為電力網(wǎng)絡(luò)的潮流，因此將天然氣網(wǎng)絡(luò)的消耗特性等同于電力網(wǎng)絡(luò)來處理。

2.2 約束條件

日前優(yōu)化調(diào)度模型的等式約束為電力網(wǎng)絡(luò)的潮流方程（9）、天然氣網(wǎng)絡(luò)的流量方程（16）和能源集線器系統(tǒng)的平衡方程（5）組成的等式約束組成[16-17]。

不等式約束由能源集線器的輸入Pi，電力網(wǎng)絡(luò)和天然氣網(wǎng)絡(luò)的流量Fa、分配因子νi、發(fā)電機(jī)電壓幅值Um和相角θm、發(fā)電機(jī)有功出力Pei和無功出力Qei、天然氣管道壓力pm以及壓縮機(jī)出口壓力與入口壓力的比值kcp的限制組成。

3 算例分析

3.1 園區(qū)多能源混合系統(tǒng)參數(shù)

3.1.1 電力網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

本文采用模型的電力網(wǎng)絡(luò)共包括3個節(jié)點，節(jié)點1為電網(wǎng)與多能源混合系統(tǒng)的接口，設(shè)為平衡節(jié)點；節(jié)點2接入了分布式光伏發(fā)電，在光伏出力的時候為PV節(jié)點，在光伏不出力的時候為PQ節(jié)點；節(jié)點3為PQ節(jié)點，電網(wǎng)的電壓為10.5 kV。具體參數(shù)見表1與表2。

表1 電力節(jié)點參數(shù)Tab.1 Parameters of electric nodes

表2 電力線路參數(shù)Tab.2 Parameters of electric power lines

3.1.2 天然氣網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

天然氣管道參數(shù)見表3。

表3 天然氣管道參數(shù)Tab.3 Parameters of natural gas pipelines

本文選擇8 500 kcal/（N·m3）=35.56 MJ/（N·m3）作為天然氣熱值轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)。因此根據(jù)式（16）有Pmn=127.91Qmn。本文將天然氣網(wǎng)絡(luò)的流量通過天然氣熱值轉(zhuǎn)化為電力潮流去進(jìn)行優(yōu)化，整個系統(tǒng)的基準(zhǔn)功率為SB=1 MV·A，將Pmn轉(zhuǎn)換為標(biāo)幺值得

根據(jù)式（13）和表3可得具體天然氣網(wǎng)絡(luò)計算參數(shù)如表4所示；園區(qū)多能源混合系統(tǒng)的其他參數(shù)如表5所示。

表4 天然氣網(wǎng)絡(luò)計算參數(shù)Tab.4 Parameters used in the calculation of natural gas network

表5 園區(qū)混合能源系統(tǒng)的其他參數(shù)Tab.5 Other parameters of hybrid energy park

3.1.3 電價參數(shù)

本文電價數(shù)據(jù)參考[18]，在優(yōu)化計算中采用分時電價的模型，天然氣1月份的價格為0.042 5＄/（kW·h），8月份的價格為0.040 5＄/（kW·h），1月份和8月份的電價的具體數(shù)據(jù)見表6。天然氣的數(shù)據(jù)隨季節(jié)性有明顯的變化，和氣源的采集量有關(guān)，本文是綜合能源系統(tǒng)，可以通過燃?xì)獍l(fā)電，并將余熱利用，故包含了天然氣的價格，以與電一起進(jìn)行優(yōu)化。

表6 1月份和8月份的電價數(shù)據(jù)Tab.6 Power price data in January and August

3.1.4 負(fù)荷參數(shù)

本文中的多能源混合網(wǎng)絡(luò)共有3個能源集線器系統(tǒng)，圖3中能源集線器1的負(fù)荷為酒店負(fù)荷，能源集線器2的負(fù)荷為學(xué)校負(fù)荷，能源集線器3的負(fù)荷為商業(yè)中心負(fù)荷，3種負(fù)荷模型均為某一個典型日的負(fù)荷模型。酒店負(fù)荷1月份和8月份模型分別見圖4和圖5；學(xué)校負(fù)荷1月份和8月份模型分別見圖6和圖7；商業(yè)中心負(fù)荷1月份和8月份模型分別見圖8和圖9。

圖4 酒店1月份負(fù)荷模型Fig.4 Model of hotel load in January

圖5 酒店8月份負(fù)荷模型Fig.5 Model of hotel load in August

圖6 學(xué)校1月份負(fù)荷模型Fig.6 Model of school load in January

圖7 學(xué)校8月份負(fù)荷模型Fig.7 Model of school load in August

圖8 商業(yè)中心1月負(fù)荷模型Fig.8 Model of business center load in January

圖9 商業(yè)中心8月負(fù)荷模型Fig.9 Model of business center load in August

3.2 仿真結(jié)果

以圖3中三互聯(lián)能源集線器組成的園區(qū)混合能源系統(tǒng)為例對日前優(yōu)化調(diào)度算法進(jìn)行驗證。

3.2.1 1月份調(diào)度結(jié)果

1）只有電力供應(yīng)

此時能源集線器系統(tǒng)的能量供應(yīng)只有電力，沒有天然氣，調(diào)度結(jié)果如圖10所示。此時系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)值為2 411.2＄，從圖中可以看到系統(tǒng)中天然氣網(wǎng)絡(luò)沒有出力。

圖10 1月份只有電力供應(yīng)時調(diào)度方案Fig.10 Scheduling scheme with only power supply in January

2）電力、天然氣和光伏聯(lián)合供應(yīng)

系統(tǒng)包括電能、天然氣和光伏。如圖3所示，2節(jié)點接入了光伏電源，在光伏電源出力的時候?qū)⒃摴?jié)點視為PV節(jié)點，光伏不出力的時候?qū)⒃摴?jié)點視為PQ節(jié)點。通過優(yōu)化得到如圖11的調(diào)度方案。此時系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)值為2 308.4＄。

3.2.2 8月份調(diào)度結(jié)果

8月份只有電力供應(yīng)時的調(diào)度結(jié)果如圖12所示，系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)值為2 854.5＄。多能源聯(lián)合供應(yīng)調(diào)度方案如圖13所示，系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)值為2 467.6＄。

圖11 1月份混合能源供應(yīng)時調(diào)度方案Fig.11 Scheduling scheme with hybrid energy supplies in January

圖12 8月份只有電力供應(yīng)時調(diào)度方案Fig.12 Scheduling scheme with only power supply in August

圖13 電力、天然氣和光伏的混合能源系統(tǒng)Fig.13 Hybrid energy park composed of electric power，natural gas and photovoltaic power

3.2.3 調(diào)度方案對比

不同月份兩種供能模式下的調(diào)度成本對比如表7所示。

表7 不同月份兩種供能模式下的調(diào)度成本對比Tab.7 Comparison of scheduling cost between two supply modes in different months

可以看到，只有電力供應(yīng)時和多能源聯(lián)合供應(yīng)時相比，前者明顯的供能成本較高，可見園區(qū)HEP系統(tǒng)較單個形式的能源系統(tǒng)來講綜合供能成本得到明顯降低。

6 結(jié) 語

本文在能源集線器模型的基礎(chǔ)上，首先構(gòu)建了園區(qū)混合HEP，進(jìn)而基于能源集線器模型建立起電氣冷熱不同能源形式之間的互補(bǔ)耦合關(guān)系，提出一種多能源園區(qū)HEP的ODS方法，可充分挖掘電/氣/冷/熱不同能源形式之間的相互支撐能力，有效提升HEP運行的經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)過算例驗證表明，只有電力供應(yīng)時和多能源聯(lián)合供應(yīng)時相比，前者明顯的供能成本較高，可見園區(qū)混合HEP較單個形式的能源系統(tǒng)來講綜合供能成本得到明顯降低，是未來園區(qū)供用能系統(tǒng)供用能的主要解決方案，具有重要的工程應(yīng)用前景。

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Optimal Day-ahead Scheduling Method for Hybrid Energy Park Based on Energy Hub Model

BU Fanpeng1，TIAN Shiming1，F(xiàn)ANG Fang2，YIN Kai3，DU Weiqiang3
（1.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China；2.State Grid Beijing Electric Power Company，Beijing 102200，China；3.Tianjin Transenergy Technologies Ltd，Tianjin 300384，China）

A typical hybrid energy park（HEP）is composed of distributed generations（DGs）and combined cooling，heating and power（CCHP）system on the demand side，and it can realize input energies（e.g.，electric power，photovoltaic power，natural gas）and output energies（e.g.，electric power，heat and cooling），thus significantly improving the energy utilization efficiency and reducing the cost of consumers.In this paper，with an HEP composed of electric power and natural gas as research object，multi-energy resources are processed by optimal day-ahead scheduling（ODS）method to reduce the energy cost of HEP.First，an HEP model is established.Then，an ODS method is given based on energy hubs.At last，the effectiveness of the proposed method is verified by a typical HEP.

hybrid energy park（HEP）；distributed generation（DG）；combined cooling，heating and power（CCHP）；optimal day-ahead scheduling（ODS）

TM732

A

1003-8930（2017）10-0123-07

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.10.021

2017-03-08；

2017-07-13

國家重點研發(fā)計劃資助項目（2016YFB0901102）；國家電網(wǎng)公司科技項目《面向隨機(jī)性電源的多元負(fù)荷主動響應(yīng)及預(yù)測控制技術(shù)研究與應(yīng)用》

卜凡鵬（1986—），男，碩士，工程師，研究方向為智能用電、電力營銷。Email：bufanpeng@epri.sgcc.com.cn

田世明（1965—），男，碩士，教授級高級工程師，研究方向為智能用電、電力營銷。Email：laotian@epri.sgcc.com.cn

方 芳（1986—），女，碩士，工程師，研究方向為電力營銷。Email：411912023@qq.com