徐思雨 應(yīng)雨龍 陳云龍雨

1.上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院；2.上海電機(jī)學(xué)院電子信息學(xué)院

關(guān)鍵字：綜合能源系統(tǒng)；設(shè)計(jì)優(yōu)化；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；運(yùn)行優(yōu)化

0 引言

在PPP和新電改條件下，區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)質(zhì)是在多能互補(bǔ)基礎(chǔ)上的綜合能源服務(wù)[1]。傳統(tǒng)能源系統(tǒng)規(guī)劃通常僅面對(duì)單一能源系統(tǒng)（如冷、熱、電、天燃?xì)猓荒軆?yōu)化配置各個(gè)能源系統(tǒng)的資源，因此，整體能源資源利用效率較低。針對(duì)這一問題，在解決分布式清潔能源的背景下，研究人員提出了綜合能源系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃的概念，即將冷、熱、電、熱水、天燃?xì)獾榷喾N能源耦合，形成一個(gè)多種能源綜合轉(zhuǎn)換利用的物理系統(tǒng)，以充分發(fā)揮不同形式能源的互補(bǔ)與協(xié)同效應(yīng)，在更大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)各個(gè)能源系統(tǒng)的資源優(yōu)化配置，提高系統(tǒng)運(yùn)行靈活性的同時(shí)，提高分布式清潔能源消納能力和系統(tǒng)綜合能效與可靠性。國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)、能源企業(yè)已經(jīng)開展了相關(guān)的項(xiàng)目探索，如歐盟ELECTRA示范項(xiàng)目[2-3]、歐盟E-De-Ma項(xiàng)目、英國(guó)曼徹斯特示范工程[4-5]、德國(guó)朗根費(fèi)爾德示范工程、日本柏葉智慧城市[6]和加拿大耶洛奈夫鎮(zhèn)示范項(xiàng)目[7]等與國(guó)內(nèi)的延慶縣示范工程[8]、上海迪士尼度假區(qū)示范[9]、崇明島示范工程[10]等。

1 綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化方法

能源綜合服務(wù)系統(tǒng)的優(yōu)化決策是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)問題，很大程度上取決于決策者偏好及其所確立的優(yōu)化目標(biāo)。從時(shí)間尺度上，能源綜合服務(wù)系統(tǒng)的優(yōu)化可以分為長(zhǎng)期戰(zhàn)略優(yōu)化（戰(zhàn)略規(guī)劃）、中期戰(zhàn)術(shù)優(yōu)化（戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃）和短期運(yùn)行優(yōu)化（運(yùn)行規(guī)劃）三個(gè)層次,如圖1所示。任一層次均需實(shí)現(xiàn)該層次所規(guī)定的特定目標(biāo)，同時(shí)該層次的決策將成為低層次的約束條件。

圖1 能源綜合系統(tǒng)的優(yōu)化決策過程

孔祥強(qiáng)等[11]采用模式搜索和懲罰函數(shù)兩種方法，以年運(yùn)行費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)分布式熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行策略進(jìn)行了優(yōu)化分析。Bischi等[12]基于混合整數(shù)線性規(guī)劃理論，以日運(yùn)行費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，考慮能源價(jià)格、運(yùn)維費(fèi)用、啟停損耗、外界溫度等相關(guān)因素，構(gòu)建了分布式熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)劃模型。Facci等[13]分析了分布式熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)常規(guī)“以熱定電”和“以電定熱”的模式，提出了系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化的動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型。黃子碩等[14]分析了多能互補(bǔ)分布式能源系統(tǒng)綜合能效的影響因素，并以夏季工況為例給出了幾種典型配置下的綜合能效水平。任洪波等[15]論述了分布式熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究進(jìn)展，提出了由結(jié)構(gòu)優(yōu)化、設(shè)計(jì)優(yōu)化和運(yùn)行優(yōu)化所構(gòu)成的系統(tǒng)優(yōu)化的層次型框架體系。相比于分布式熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，由于綜合能源系統(tǒng)固有的多元性與復(fù)雜性，其系統(tǒng)優(yōu)化研究將是當(dāng)前及未來能源系統(tǒng)工程研究的主要課題之一。此外，盡管大量文章討論了分布式熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化與運(yùn)行優(yōu)化研究，但很少有論文研究其標(biāo)準(zhǔn)化建模方法?；谡{(diào)度系數(shù)，Chicco等[16]提出了一種為小規(guī)模冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)自動(dòng)生成耦合矩陣的建模技術(shù)。由于涉及調(diào)度因子，所建立的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型是非線性的，該方法對(duì)于大型的綜合能源系統(tǒng)而言太過復(fù)雜。Almassalkhi等[17]提出了一種能量“輸入-存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)換-存儲(chǔ)-輸出”結(jié)構(gòu)的綜合能源系統(tǒng)線性建模方法。然而，該建模方法只能處理固定結(jié)構(gòu)形式的綜合能源系統(tǒng)。當(dāng)前，研究一種適用于各種結(jié)構(gòu)形式的，且靈活自動(dòng)的綜合能源系統(tǒng)計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化建模方法和適用于面向結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和運(yùn)行的綜合優(yōu)化方法具有重要意義。

采用傳統(tǒng)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃方法所建立的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃模型是非線性的，對(duì)于大型的綜合能源系統(tǒng)而言太過復(fù)雜，計(jì)算耗時(shí)長(zhǎng)。為了解決上述技術(shù)問題，提出一種基于標(biāo)準(zhǔn)化矩陣模型的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化方法，包括以下步驟：

步驟1：以綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化研究為目標(biāo)，提出一種綜合能源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣建模方法。從系統(tǒng)工程的視角出發(fā)，以能源轉(zhuǎn)換設(shè)備之間的能量流作為狀態(tài)變量來處理引入調(diào)度因子所導(dǎo)致的非線性問題，構(gòu)建了綜合能源系統(tǒng)線性規(guī)劃模型?；谒岢龅木C合能源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣模型，可用于開展包括結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和運(yùn)行的綜合能源系統(tǒng)的綜合優(yōu)化。

步驟2：綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的是決定系統(tǒng)組成單元及其相互聯(lián)系(能流結(jié)構(gòu)和設(shè)備類型)。以系統(tǒng)年綜合能效為優(yōu)化目標(biāo)，基于粒子群優(yōu)化算法，構(gòu)建了可用于開展區(qū)域綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)結(jié)構(gòu)規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型。

步驟3：綜合能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化，決定系統(tǒng)組成單元的技術(shù)特性(機(jī)型、容量和臺(tái)數(shù))。為提高綜合能源系統(tǒng)供能可靠性，設(shè)計(jì)成區(qū)域型分布式能源互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)形式，在滿足區(qū)域用戶的總冷、熱、電量需求基礎(chǔ)上，對(duì)于同類型能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，選擇2臺(tái)或2臺(tái)以上設(shè)備并聯(lián)運(yùn)行，以此進(jìn)一步提高系統(tǒng)綜合能效與供能可靠性，實(shí)現(xiàn)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)規(guī)劃。

步驟4：綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化決定系統(tǒng)組成單元的逐時(shí)運(yùn)行策略。以區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化研究為目標(biāo)，并以最小化運(yùn)維成本為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建可用于開展區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型，為指導(dǎo)綜合能源系統(tǒng)各設(shè)備單元最優(yōu)的逐時(shí)運(yùn)行策略提供理論依據(jù)。

1.1 綜合能源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣建模

綜合能源系統(tǒng)是一種集成多種能源輸入、多種能源輸出以及多種能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的系統(tǒng)。綜合能源系統(tǒng)是以堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)為基礎(chǔ)的區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)，如圖2所示。

圖2 綜合能源系統(tǒng)示意圖

從系統(tǒng)工程的視角看，綜合能源系統(tǒng)可由以下四個(gè)子系統(tǒng)組成：

①外部能源供應(yīng)子系統(tǒng)：外部能源供應(yīng)子系統(tǒng)支撐著整個(gè)綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)行，供應(yīng)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行需求的一次能源（天然氣、燃油、煤）和二次能源（主網(wǎng)架供電），為整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行提供能源保障。

②能源轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)：第一類是包括光伏發(fā)電、小型風(fēng)力和小水力發(fā)電等的小規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電系統(tǒng)；第二類是以內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、微燃機(jī)、燃料電池、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)等為原動(dòng)機(jī)的熱電聯(lián)產(chǎn)或冷、熱、電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。第三類是輔助型能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，如燃?xì)?油鍋爐、儲(chǔ)能設(shè)備等。通過各種方式將一次能源和二次能源高效轉(zhuǎn)化成終端用戶需要的多種能源形式。

③能源輸送網(wǎng)絡(luò)：能源輸送網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)能源轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)產(chǎn)生的能源高效合理地傳輸?shù)矫總€(gè)需要不同形式能源的終端用戶，包括電網(wǎng)、熱網(wǎng)和冷網(wǎng)等。

④用戶終端子系統(tǒng)：用戶終端子系統(tǒng)最終將能源轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)產(chǎn)生的能源消耗的系統(tǒng)。在需求側(cè)，將多個(gè)不同類型用戶(如居民用戶、工廠、商場(chǎng)、寫字樓、醫(yī)院等)融入同一供能體系，通過用戶間互補(bǔ)、互動(dòng)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷平均化。

電力系統(tǒng)計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化建模是電力系統(tǒng)自動(dòng)化的重要基礎(chǔ)，同樣，綜合能源系統(tǒng)計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化建模是未來多能源系統(tǒng)自動(dòng)化的重要基礎(chǔ)。

圖3 綜合能源系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣建模方法

其中耦合矩陣C用以描述不同類型能源轉(zhuǎn)換設(shè)備本身的轉(zhuǎn)換特性。

1.1.1能源轉(zhuǎn)換設(shè)備模型

各種能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的轉(zhuǎn)換特性如下：

以內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、微型燃機(jī)、燃料電池、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)等為原動(dòng)機(jī)的熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)系統(tǒng)：

燃?xì)?油鍋爐：

電制冷設(shè)備：

電制熱設(shè)備：

吸收式制冷設(shè)備：

儲(chǔ)能(Energy Storage)除了充放能行為外，還包括內(nèi)部?jī)?chǔ)能狀態(tài)(state of charge,SOC)的變化：

儲(chǔ)能設(shè)備第t時(shí)刻的儲(chǔ)能狀態(tài)為：

1.1.2綜合能源系統(tǒng)線性規(guī)劃模型

綜合能源系統(tǒng)的能源輸送網(wǎng)絡(luò)包括電網(wǎng)、熱網(wǎng)、冷網(wǎng)和天然氣網(wǎng)等，如圖2所示。本發(fā)明提出的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣建模方法通過以能源轉(zhuǎn)換設(shè)備之間的能量流作為狀態(tài)變量來處理引入調(diào)度因子所導(dǎo)致的非線性問題。由于任意兩個(gè)能量流之間的關(guān)系是線性的，因此不需要引入調(diào)度因子作為決策變量，如圖4所示。

圖4 綜合能源系統(tǒng)線性規(guī)劃模型的物理結(jié)構(gòu)

1.2 綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化

1.2.1綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的是決定系統(tǒng)組成單元及其相互聯(lián)系(能流結(jié)構(gòu)和設(shè)備類型)。以系統(tǒng)年綜合能效為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建了可用于開展區(qū)域綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)結(jié)構(gòu)規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型。

選取經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性和環(huán)保性三類指標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)。

1）經(jīng)濟(jì)性

選用系統(tǒng)年供熱、冷、電總量作為經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2）節(jié)能性

選取系統(tǒng)年一次能源消耗總量作為節(jié)能性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3）環(huán)保性

綜合能源系統(tǒng)的年CO2排放量包括從天然氣中CO2的排放量和系統(tǒng)電力的CO2排放量，計(jì)算式為：

因此，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性和環(huán)境性指標(biāo)，采用系統(tǒng)年綜合能效作為優(yōu)化目標(biāo)：

設(shè)通過電制冷設(shè)備提供的冷量與總冷量需求之比：

設(shè)通過電制熱設(shè)備（包括電加熱和各種形式的電驅(qū)動(dòng)熱泵）提供的熱量與總熱量需求之比：

設(shè)系統(tǒng)中燃?xì)?燃油鍋爐與CHP設(shè)備消耗燃料量的比值：

設(shè)系統(tǒng)總冷量需求與總電力需求的比值：

設(shè)系統(tǒng)總熱量需求與總電力需求的比值：

設(shè)系統(tǒng)當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)、光伏、風(fēng)電能源折合當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)煤后與系統(tǒng)總電力需求的比值：

此時(shí)，可以得到無量綱化的系統(tǒng)年綜合能效表達(dá)式：

表示通過CHP設(shè)備消耗的燃料量與系統(tǒng)總電力需求的比值。

最終，以系統(tǒng)年綜合能效為優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化函數(shù)為：

綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的是為了確定系統(tǒng)組成單元及其相互聯(lián)系（能流結(jié)構(gòu)和設(shè)備類型），如圖5所示。

圖5 綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖

其中優(yōu)化算法可以選取粒子群優(yōu)化算法、遺傳算法等全局優(yōu)化算法。

1.2.2綜合能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

綜合能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的目的是決定系統(tǒng)組成單元的技術(shù)特性(機(jī)型、容量和臺(tái)數(shù))。為提高綜合能源系統(tǒng)供能可靠性，可以設(shè)計(jì)成區(qū)域型分布式能源互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)形式(如圖6所示)，并且在滿足區(qū)域用戶的總冷、熱、電量需求基礎(chǔ)上，對(duì)于同類型能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，建議選擇2臺(tái)或2臺(tái)以上設(shè)備并聯(lián)運(yùn)行，以此進(jìn)一步提高系統(tǒng)綜合能效與供能可靠性，實(shí)現(xiàn)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)規(guī)劃。

圖6 區(qū)域型分布式能源互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)形式

1.2.3綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化

綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化的目的是決定系統(tǒng)組成單元的逐時(shí)運(yùn)行策略。以區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化研究為目標(biāo)，并以最小化運(yùn)維成本為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建了可用于開展區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型，來為指導(dǎo)綜合能源系統(tǒng)各設(shè)備單元最優(yōu)的逐時(shí)運(yùn)行策略提供理論依據(jù)，如圖7所示。

圖7 綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化示意圖

優(yōu)化目標(biāo)：最小化區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的運(yùn)維成本，如式(26)。

2 綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果與分析

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化案例研究

綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃與設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是根據(jù)用戶的總冷、熱、電量需求確定具有長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性、環(huán)保性的設(shè)備類型和構(gòu)成，構(gòu)建高能效系統(tǒng)，在實(shí)施系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)之前，做如下假設(shè)：

③由式(24)可知，當(dāng)?shù)乜稍偕茉蠢门c綜合能效的關(guān)系比較確定，且當(dāng)?shù)乜稍偕茉蠢们闆r通常受本地自然環(huán)境資源和能源政策條件限制，這里假設(shè)取；

④當(dāng)前能源轉(zhuǎn)換設(shè)備技術(shù)水平見表1；

表1 典型CHP系統(tǒng)發(fā)電與產(chǎn)熱參數(shù)

表2 PSO算法和GA算法的相關(guān)參數(shù)

由表3可知，相比GA算法，PSO算法可以在同樣種群規(guī)模和進(jìn)化代數(shù)下更有效地搜索到最優(yōu)目標(biāo)結(jié)果。當(dāng)區(qū)域用戶冷/熱/電需求、可再生能源資源利用情況和能源轉(zhuǎn)換設(shè)備技術(shù)水平確定（如上述假設(shè)條件所述）時(shí)，綜合能源服務(wù)系統(tǒng)配置方案為使用燃料電池為原動(dòng)機(jī)的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和吸收式制冷設(shè)備來供能，不使用電制冷/電制熱設(shè)備、燃?xì)?燃油鍋爐時(shí)系統(tǒng)年綜合能效最優(yōu)，綜合能效達(dá)83．5%。

基于區(qū)域用戶側(cè)冷熱電需求變化情況，結(jié)合系統(tǒng)綜合能效，綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 系統(tǒng)最佳綜合能效隨區(qū)域總冷量需求與總電力需求的比值y的變化情況

圖9 系統(tǒng)最佳綜合能效隨區(qū)域總熱量需求與總電力需求的比值z(mì)的變化情況

表3 系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果

圖10 系統(tǒng)最優(yōu)綜合能效隨區(qū)域總熱/冷量需求與總電力需求的比值的變化情況

由圖8所示，為當(dāng)u=0．15，z=0．1，y從0到1時(shí)，系統(tǒng)最優(yōu)綜合能效隨區(qū)域總冷量需求與總電力需求的比值y的變化情況；圖9所示，為當(dāng)u=0．15，y=0．1，z從0到1時(shí)，系統(tǒng)最優(yōu)綜合能效隨區(qū)域總熱量需求與總電力需求的比值z(mì)的變化情況；圖10所示，為當(dāng)u=0．15，y與z同時(shí)從0到1時(shí)，系統(tǒng)最優(yōu)綜合能效隨區(qū)域總熱/冷量需求與總電力需求的比值的變化情況。由上述三圖可知，隨著區(qū)域用戶總冷量和/或總熱量需求與總電力需求的比值增大，系統(tǒng)最優(yōu)綜合能效趨勢(shì)為逐漸增大。

2.2 運(yùn)行優(yōu)化案例研究

采用某一區(qū)域典型冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)的應(yīng)用案例來闡述。該系統(tǒng)由一個(gè)背壓運(yùn)行的CHP設(shè)備，一個(gè)輔助鍋爐(AB)，一個(gè)吸收式制冷設(shè)備(CERG)，及一個(gè)電制冷設(shè)備(WARG)構(gòu)成。采用本發(fā)明所提出的建模方法，其系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣模型的物理結(jié)構(gòu)描述如圖11所示。該系統(tǒng)各設(shè)備單元的轉(zhuǎn)換特性如表4所示。

圖11 某一區(qū)域典型冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)

表4 系統(tǒng)各設(shè)備單元的轉(zhuǎn)換特性

此時(shí)，綜合能源系統(tǒng)線性規(guī)劃矩陣模型(式(10))可縮放為：

其中，該區(qū)域終端用戶冷、熱、電等逐時(shí)需求如圖12所示。

圖12 區(qū)域終端用戶冷、熱、電等逐時(shí)需求

另外，天然氣的氣價(jià)為40 Euro/MWh且恒定。外購(gòu)電的逐時(shí)電價(jià)如圖13所示。

圖13 外購(gòu)電的逐時(shí)電價(jià)

區(qū)域能源供需平衡約束條件如下：

各設(shè)備單元轉(zhuǎn)換特性約束條件如下：

采用Matlab自帶的fmincon求解函數(shù)對(duì)該區(qū)域綜合能源系統(tǒng)線性規(guī)劃模型進(jìn)行求解，得到如圖14所示的系統(tǒng)各設(shè)備單元的最優(yōu)逐時(shí)運(yùn)行策略。

圖14為提出的綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化方法得到的區(qū)域系統(tǒng)各設(shè)備單元在24小時(shí)內(nèi)的最優(yōu)逐時(shí)運(yùn)行策略。在0∶00～6∶00小時(shí)階段，由于電價(jià)較低，區(qū)域終端用戶的電需求全部由外購(gòu)電供應(yīng)。此后，由于電價(jià)高于天然氣價(jià)，且為滿足區(qū)域終端用戶的冷、熱、電需求，CHP設(shè)備、輔助鍋爐(AB)、吸收式制冷設(shè)備(CERG)、電制冷設(shè)備(WARG)及外購(gòu)電方式協(xié)同運(yùn)行。在21∶00～24∶00小時(shí)階段，區(qū)域終端用戶只有電需求，且電價(jià)回落，該區(qū)域終端用戶的用電需求全部由外購(gòu)電供應(yīng)。最終得到的最小化區(qū)域系統(tǒng)的運(yùn)維成本為377．7725Euro，計(jì)算總耗時(shí)0．367053s(采用4．0 GHz雙處理器的筆記本電腦)。

圖14 區(qū)域系統(tǒng)各設(shè)備單元的最優(yōu)逐時(shí)運(yùn)行策略

3 結(jié)論

對(duì)綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),首先要以能量轉(zhuǎn)換裝置之間的能量流為狀態(tài)變量，對(duì)引入調(diào)度因子引起的非線性問題進(jìn)行處理，提出了集成能量系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣建模方法。綜合能源系統(tǒng)的總體優(yōu)化，即在提出的綜合能源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、設(shè)計(jì)優(yōu)化和運(yùn)行優(yōu)化。

綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的是確定系統(tǒng)組件及其相互連接（即，能量流結(jié)構(gòu)和設(shè)備類型）。以綜合能源效率為目標(biāo)函數(shù)，建立了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)區(qū)域綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化結(jié)構(gòu)規(guī)劃。設(shè)計(jì)優(yōu)化的目的是確定系統(tǒng)部件，為提高綜合能源系統(tǒng)的能源供應(yīng)可靠性和效率，建議將其設(shè)計(jì)為區(qū)域分布式能源互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，并在滿足區(qū)域用戶的總冷、熱、電量需求基礎(chǔ)上，對(duì)于同類型能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，建議選擇2臺(tái)或2臺(tái)以上設(shè)備并聯(lián)運(yùn)行。綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化的目的是決定系統(tǒng)組成單元的逐時(shí)運(yùn)行策略。以區(qū)域綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化研究為目標(biāo)，并以最小化運(yùn)維成本為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建了可用于開展區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行規(guī)劃之?dāng)?shù)學(xué)模型，來為指導(dǎo)綜合能源系統(tǒng)各設(shè)備單元最優(yōu)的逐時(shí)運(yùn)行策略提供理論依據(jù)。

實(shí)例研究表明，所提出的綜合能源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣建模方法和優(yōu)化方法簡(jiǎn)單有效，該方法能根據(jù)不同綜合能源系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景，通過縮放綜合能源系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣，快速建立相應(yīng)的優(yōu)化規(guī)劃模型，在確保計(jì)算準(zhǔn)確性的同時(shí)克服了以往非線性規(guī)劃模型計(jì)算耗時(shí)長(zhǎng)的缺點(diǎn)。有效地確定了系統(tǒng)組件及其相互連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組件的技術(shù)特性和日常運(yùn)行策略。