邱發(fā)祥，王明遠，潘廣旭，馮媛媛，亓新宏

（1.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590；2.山東建筑大學(xué)，山東 濟南 250102；3.國網(wǎng)山東省電力公司日照供電公司，山東 日照 276826；4.國網(wǎng)山東省電力公司東營供電公司，山東 東營 257000；5.國網(wǎng)山東綜合能源服務(wù)有限公司，山東 濟南 250021）

0 引言

由于傳統(tǒng)石化資源的大量開發(fā)和利用，環(huán)境污染問題日益加劇，清潔、低碳、高效的能源供應(yīng)體系成為近年來研究的熱點［1］。綜合能源系統(tǒng)（Integrated Energy System，IES）作為能源互聯(lián)網(wǎng)的重要物理載體，可充分利用各種能源子系統(tǒng)在時間和空間上的耦合特性，實現(xiàn)多種能源優(yōu)勢互補，有效提高能源的綜合利用水平［2］，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

園區(qū)綜合能源系統(tǒng)（Park Integrated Energy System，PIES）作為IES 的典型應(yīng)用，具有負(fù)荷利用率高、可再生能源接入比例大、產(chǎn)用能形式多元化等特點［3］。與傳統(tǒng)電網(wǎng)不同，PIES 具有冷、熱、電等多種能源，各種能源之間相互耦合，能流過程更為復(fù)雜，運行過程涉及的范圍更廣。同時，PIES 距離用戶側(cè)較近，系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的運行性能對系統(tǒng)的能源供應(yīng)影響較大。因此，開展PIES 優(yōu)化運行研究對消納可再生能源、提高能源綜合利用效率以及降低供能成本等具有重要意義［4］。

目前，對能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的多能協(xié)同優(yōu)化運行問題已有較多研究。文獻［5］基于冷、熱、電的多能流耦合關(guān)系以及多種儲能形式，建立最小化系統(tǒng)運行成本的多能優(yōu)化模型。文獻［6-10］建立考慮風(fēng)光出力等多種不確定性因素對系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的影響的IES 優(yōu)化模型。文獻［11］考慮系統(tǒng)之間的耦合特性，建立運行成本最低的IES 優(yōu)化運行模型。文獻［12-14］利用冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的多能互補特性，實現(xiàn)系統(tǒng)能量的優(yōu)化調(diào)度。文獻［15］提出考慮能源價格的IES優(yōu)化模型，同時根據(jù)IES 的能耗和運行特點，建立了完整的調(diào)度方案。文獻［16］考慮綜合能源系統(tǒng)收益分配問題，建立了不同運營模式下各市場主體的收益計算模型。上述文獻從系統(tǒng)的耦合特性、可再生能源及需求響應(yīng)的不確定性等多方面，對IES的優(yōu)化運行過程進行了研究，但大多只考慮了經(jīng)濟性目標(biāo)，缺少對于環(huán)保性要求的考慮；同時，上述文獻缺少針對PIES運行過程的研究分析。

針對上述問題，首先分析典型PIES 的能源結(jié)構(gòu)，研究PIES 的運行機理；然后基于上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)內(nèi)的關(guān)鍵設(shè)備進行穩(wěn)態(tài)建模；隨后，鑒于目前對于環(huán)保問題的重視，建立考慮系統(tǒng)運行成本最低和碳排放量最少的多目標(biāo)日前優(yōu)化模型；通過引入碳排放懲罰因子，將多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化成單目標(biāo)問題進行優(yōu)化求解；最后，通過算例對比分析了PIES 在不同優(yōu)化目標(biāo)下的碳排放情況和運行成本。

1 PIES架構(gòu)分析及運行機理

1.1 典型架構(gòu)

園區(qū)綜合能源系統(tǒng)依靠系統(tǒng)的管控中心實現(xiàn)各能源子系統(tǒng)的優(yōu)化控制運行。管控中心通過信息采集裝置獲取系統(tǒng)的供給側(cè)、多能耦合側(cè)、能源存儲側(cè)和用戶側(cè)的能流信息，由操作員根據(jù)采集到的能流信息和預(yù)先設(shè)定的運行計劃，通過管控中心對系統(tǒng)各部分進行統(tǒng)一管控調(diào)度，形成了生產(chǎn)、輸送、分配、存儲和使用的完整供能架構(gòu)［17］，如圖1所示。

圖1 園區(qū)綜合能源系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

PIES 涉及電、熱、冷、氣等多種能源的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、存儲及使用，打破了傳統(tǒng)能源子系統(tǒng)之間相互割裂的狀態(tài)，通過對多能源子系統(tǒng)的優(yōu)化控制，可以充分發(fā)揮各能源之間的互補優(yōu)勢，降低對環(huán)境的污染，有效提升系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和環(huán)保性［18］。

1.2 運行機理

PIES 的運行過程受多種因素的影響，例如當(dāng)日的天氣情況、用戶側(cè)的能源需求情況、當(dāng)?shù)乜稍偕茉吹墓?yīng)情況。選取青島某園區(qū)作為研究對象，其供能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 青島某園區(qū)供能結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以燃?xì)廨啓C作為主要供能設(shè)備，通過燃燒天然氣，產(chǎn)出高質(zhì)量的電能供給系統(tǒng)內(nèi)的電負(fù)荷和用電設(shè)備；燃?xì)廨啓C在發(fā)電的同時產(chǎn)生大量的高溫余熱，通過利用余熱鍋爐將其轉(zhuǎn)化為可直接利用的熱能供給吸收式制冷機或系統(tǒng)部分熱負(fù)荷需求。

當(dāng)系統(tǒng)的電負(fù)荷需求已滿足，而冷、熱負(fù)荷需求供應(yīng)不足時，可采用燃?xì)忮仩t或電制冷機進行輔助供能。同時，系統(tǒng)中加入了冷、熱、電3 類儲能設(shè)備，使系統(tǒng)可在平抑功率波動的同時，實現(xiàn)削峰填谷的經(jīng)濟可靠運行。另外，系統(tǒng)接入了部分光伏發(fā)電設(shè)備，提高了可再生能源的消納率。

當(dāng)電負(fù)荷需求較大時，系統(tǒng)可通過外部電網(wǎng)進行購電，使系統(tǒng)的電功率達到動態(tài)平衡。同時，考慮到供能系統(tǒng)與外部電網(wǎng)之間的信息通道的建設(shè)費用問題，本系統(tǒng)采用“并網(wǎng)不上網(wǎng)”運行模式。

不同類型的儲能裝置特點各異，如電儲能裝置具有能量密度高、功率密度小等特點。而冷儲能和熱儲能在本質(zhì)上都屬于儲熱，具有蓄能密度低，占地面積大，冷、熱損耗大等特點。在系統(tǒng)的運行過程中，各類儲能裝置被用來補充用能高峰時相應(yīng)負(fù)荷的缺額或吸收多余能量。如冷負(fù)荷需求高峰時，在基本供冷方式的基礎(chǔ)上，優(yōu)先采用儲冷裝置供冷，此時若采用電儲能裝置進行電—冷轉(zhuǎn)化，會增加相應(yīng)電制冷設(shè)備的運維費用。3 種儲能裝置之間不直接進行轉(zhuǎn)化，優(yōu)先利用方式根據(jù)各類負(fù)荷供能的經(jīng)濟性進行選擇。

2 PIES能源設(shè)備建模

PIES 的負(fù)荷需求具有一定的季節(jié)性，夏季側(cè)重于冷負(fù)荷需求，冬季側(cè)重于采暖需求。系統(tǒng)的冷負(fù)荷需求可由電制冷機、吸熱制冷等設(shè)備供應(yīng)；熱/熱水供應(yīng)可來自余熱鍋爐、燃?xì)忮仩t等設(shè)備。同時，系統(tǒng)通常會配置一定容量的儲能設(shè)備，通過分時儲放能控制，進一步提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和靈活可靠性［19］。按照能量流轉(zhuǎn)的環(huán)節(jié)將設(shè)備分為能源生產(chǎn)單位、能源轉(zhuǎn)換單元和能源存儲單元，其中能源生產(chǎn)單位主要設(shè)備包括光伏系統(tǒng)（Photovoltaic System，PV）、燃?xì)廨啓C（Gas Turbine，GT）和燃?xì)忮仩t（Gas-fired Boiler，GB）；能源轉(zhuǎn)換單元主要設(shè)備包括余熱鍋爐（Heat Recovery Boiler，HRB）、吸收式制冷機（Absorption Chiller，AC）和電制 冷 機（Electrical Chiller，EC）；能源存儲單元主要設(shè)備為蓄電池、儲熱罐和蓄冷槽。建立相應(yīng)設(shè)備的穩(wěn)態(tài)功率模型如下。

2.1 能源生產(chǎn)單元

2.1.1 PV

PV的穩(wěn)態(tài)功率模型為

式中：t為一個調(diào)度周期內(nèi)設(shè)備的運行時段；PPV(t)、PSTC(t)分別為PV 實際情況下的出力和標(biāo)況下的出力；GAC(t)、GSTC(t)分別為PV實際情況下和標(biāo)況下的光照強度；Tc(t)、Tr(t)分別為PV 組件的實際溫度和標(biāo)況溫度；k0為功率溫度系數(shù)。

2.1.2 GT

GT的穩(wěn)態(tài)功率模型為

式中：PGT(t)、QGT(t)分別為GT 輸出的電功率和熱功率；、分別為GT 的發(fā)電效率和產(chǎn)熱效率；VGT(t)為GT 的天然氣使用量；HG為天然氣的低位發(fā)熱值，取9.7 kWh/m3；Δt為單位時段，取1h。

2.1.3 GB

GB的穩(wěn)態(tài)功率模型為

式中：QGB(t)為GB 的輸出熱功率；VGB(t)為GB 的天然氣耗量；HG為天然氣的低位發(fā)熱值；ηGB為GB的氣熱轉(zhuǎn)化效率。

2.2 能源轉(zhuǎn)換單元

2.2.1 HRB

HRB的穩(wěn)態(tài)功率模型為

式中：(t)、(t)分別為HRB 的輸出和輸入熱功率；ηHRB為HRB的轉(zhuǎn)化效率。

2.2.2 AC

AC的穩(wěn)態(tài)功率模型為

式中：CCOP，AC為AC 的性能系數(shù)；(t)、(t)分別為AC的輸出冷功率和輸入熱功率。

2.2.3 EC

EC的穩(wěn)態(tài)功率模型為

式中：CCOP，EC為EC的制冷能效比；QEC(t)、PEC(t)分別為EC的輸出冷功率和輸入電功率。

2.3 能源存儲單元

由于電、冷、熱儲能模型類似，此處用統(tǒng)一的儲能模型表示。PIES儲能單元的充、放能狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型為

式中：下標(biāo)j表示儲能單元的類型，通常情況下，儲電可用E 表示，儲熱用H 表示，儲冷用C 表示；δj為儲能單元自身的儲能消耗率分別為儲能單元的充、放能功率分別為儲能裝置的充、放能效率。

3 PIES日前優(yōu)化模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

3.1.1 經(jīng)濟性目標(biāo)

針對PIES 日前優(yōu)化運行過程，主要考慮將系統(tǒng)的運維費用、購電費用和購氣費用最少作為系統(tǒng)的運行成本，建立經(jīng)濟性目標(biāo)函數(shù)為

式中：F1為系統(tǒng)的總經(jīng)濟成本；Cop、Cgrid、Cgas分別為系統(tǒng)的運維成本、購電成本和購氣費用。

式中：N為設(shè)備種類，本文中1～N分別為光伏、燃?xì)廨啓C、燃?xì)忮仩t、余熱鍋爐、吸收式制冷機、電制冷機以及冷、熱、電3 類儲能設(shè)備；M為同類設(shè)備的臺數(shù)；Qk，i(t)為第k類設(shè)備第i臺的實際出力；ck，i為第k類設(shè)備第i臺的單位出力運維費用。

式中：Pgrid(t)為系統(tǒng)的實際購電功率；cele為電網(wǎng)的單位購電成本。

式中：Vgas(t)為系統(tǒng)實際天然氣購氣量；cgas為天然氣的單位價格。由于系統(tǒng)內(nèi)使用天然氣的設(shè)備僅有燃?xì)廨啓C和燃?xì)忮仩t，因此有

式中：VGT(t)、VGB(t)分別為燃?xì)廨啓C和燃?xì)忮仩t的天然氣使用量。

3.1.2 環(huán)保性目標(biāo)

主要考慮電網(wǎng)購電和使用天然氣所產(chǎn)生的CO2對環(huán)境的污染，以碳排放量最小作為環(huán)保性指標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)為

式中：F2為系統(tǒng)總的碳排放量；γgrid為電網(wǎng)的碳排放系數(shù)；γgas為天然氣的碳排放系數(shù)。

3.2 約束條件

3.2.1 功率平衡約束

功率平衡約束條件為

3.2.2 設(shè)備的運行約束系統(tǒng)的設(shè)備需要滿足出力約束，即

3.2.3 儲能裝置的相關(guān)約束

儲能裝置的相關(guān)約束為

3.2.4 能源網(wǎng)絡(luò)約束

能源網(wǎng)絡(luò)的約束條件為

式中：Pmax(t)為電網(wǎng)與系統(tǒng)之間的最大交換功率；Gmax(t)為單位時段內(nèi)系統(tǒng)購入天然氣的上限。

3.3 模型求解

建立多目標(biāo)優(yōu)化模型可表示為

式中：F1(x)為系統(tǒng)的總經(jīng)濟成本；F2(x)為系統(tǒng)的碳排放量；h(x)、g(x)分別為系統(tǒng)的能量平衡約束和設(shè)備運行約束；x為系統(tǒng)各時刻設(shè)備的出力、系統(tǒng)購電量和天然氣的購氣量。

多目標(biāo)優(yōu)化問題相較于單目標(biāo)優(yōu)化問題而言，求解難度大大增加，對于此類問題的處理方式大多是將多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問題，然后選擇合適的單目標(biāo)優(yōu)化算法或求解器進行求解。

為實現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化問題到單目標(biāo)優(yōu)化問題的轉(zhuǎn)化，引入碳排放懲罰因子，將碳排放量轉(zhuǎn)化為碳排放懲罰費用，將其加入經(jīng)濟性目標(biāo)中。其中，碳排放懲罰費用可表示為

式中：Cenv為系統(tǒng)的碳排放懲罰費用；GCO2(t)為t時段系統(tǒng)的碳排放量；cCO2為碳排放懲罰因子。

因此，系統(tǒng)總的經(jīng)濟成本Ctotal可表示為

CPLEX 求解器具有編程語言多樣化、求解效率高等優(yōu)點。在MATLAB R2019a 平臺中利用集成在MATLAB 中的Yalmip優(yōu)化求解軟件包對問題進行建模，并調(diào)用CPLEX求解器進行求解。

4 算例分析

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

選擇青島某園區(qū)夏季典型日為一個完整的優(yōu)化運行周期，以每小時作為一個優(yōu)化時段，共計24 個時段，該夏季典型日負(fù)荷需求及光伏出力曲線如圖3所示，其他相關(guān)參數(shù)如表1—表4所示。

圖3 夏季典型日負(fù)荷需求及光伏出力曲線

表1 各設(shè)備的運維成本及輸出功率范圍

表2 儲能設(shè)備相關(guān)參數(shù)

表3 分時電價及氣價

表4 其他參數(shù)

4.2 仿真分析

分別以經(jīng)濟性最優(yōu)、環(huán)保性最優(yōu)和考慮系統(tǒng)經(jīng)濟性和環(huán)保性的綜合目標(biāo)最優(yōu)3 種優(yōu)化目標(biāo)對模型進行仿真分析，具體結(jié)果如表5所示。

表5 不同優(yōu)化目標(biāo)下PIES的優(yōu)化指標(biāo)對比

由表5 可知，在綜合目標(biāo)最優(yōu)模型下，系統(tǒng)的購氣量相比于環(huán)保性最優(yōu)運行時減少了3 013.4 m3，但購電量卻增加了13 564.2 kWh，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的碳排放量增加了1 976 kg，但總經(jīng)濟成本卻減少了5 265元；而相比于經(jīng)濟性最優(yōu)運行時，系統(tǒng)的購電量下降了1 291 kWh，購氣量增加了199.6 m3，系統(tǒng)的總經(jīng)濟成本相比于經(jīng)濟性最優(yōu)運行時增加了939元。通過對比分析可以發(fā)現(xiàn)，在綜合優(yōu)化目標(biāo)下，通過優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)內(nèi)的各設(shè)備的運行方式和出力，可有效降低系統(tǒng)的運行費用，平衡經(jīng)濟與環(huán)境之間的效益，實現(xiàn)系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟運行。

因此，重點對綜合優(yōu)化目標(biāo)下的設(shè)備運行情況進行詳細(xì)分析，以便進一步明確各設(shè)備的運行情況，指導(dǎo)實際園區(qū)系統(tǒng)進行優(yōu)化調(diào)度安排。系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的出力情況如圖4—圖6所示。

圖4 電平衡優(yōu)化調(diào)度

圖5 冷平衡優(yōu)化調(diào)度

圖6 熱平衡優(yōu)化調(diào)度

由圖4—圖6 可知，系統(tǒng)的電、冷、熱能源通過相互耦合、協(xié)同互補，完成了整個調(diào)度周期的負(fù)荷供給。在23：00—07：00 時段，系統(tǒng)優(yōu)先利用低谷電能為電制冷機和電負(fù)荷供電，同時補充電儲能裝置的部分電能缺額。此時段系統(tǒng)的熱負(fù)荷需求主要靠燃?xì)忮仩t提供。在07：00—11：00 和17：00—22：00 時段，處于用電高峰，電價相對較高，因此采用燃?xì)廨啓C供電，同時采用電儲能裝置進行補充供電，以提高經(jīng)濟性；燃?xì)廨啓C為余熱鍋爐提供了大量可用余熱，余熱鍋爐將余熱轉(zhuǎn)化為可直接利用的熱能供給系統(tǒng)熱負(fù)荷需求和吸收式制冷機制冷，同時利用蓄熱裝置儲能。在11：00—17：00 和22：00—23：00 時段，此時電價處于平價時段，電負(fù)荷需求相對降低，此時用電的經(jīng)濟性高于使用燃?xì)廨啓C，特別是在11：00—17：00 時段，冷負(fù)荷需求達到高峰，系統(tǒng)在優(yōu)先利用光伏出力的基礎(chǔ)上，采用電網(wǎng)購電的方式滿足電負(fù)荷和冷負(fù)荷需求，同時補充儲電和儲冷裝置的能量，但由于購電功率的限制，不足負(fù)荷需求由燃?xì)廨啓C提供。

在綜合最優(yōu)目標(biāo)下，系統(tǒng)儲能裝置的功率變化如圖7 所示。在低電價和平電價區(qū)間時，系統(tǒng)優(yōu)先利用低價電能補充電儲能裝置電能缺額。低電價時段由于沒有余熱產(chǎn)生，熱負(fù)荷需求優(yōu)先由熱儲能裝置提供，儲熱容量達到最小值后采用燃?xì)忮仩t供熱。在07：00—11：00 和17：00—22：00 用電高峰時段，電儲能裝置開始出力，補充部分電能缺額，直至電儲能容量達到最小值；由于此時段主要采用燃?xì)廨啓C供能，因此產(chǎn)生大量余熱，經(jīng)余熱鍋爐轉(zhuǎn)化后供給吸收式制冷機和熱負(fù)荷需求，同時補充儲冷和儲熱裝置的能量缺額。在11：00—17：00 時段，冷負(fù)荷需求達到高峰，儲冷裝置開始供能，其儲冷容量快速下降，達到最小容量值后，由吸收式制冷機補充部分冷負(fù)荷缺額。在12：00—15：00 時段，出于經(jīng)濟性考慮，熱負(fù)荷需求優(yōu)先由儲熱裝置提供。根據(jù)相關(guān)約束條件，始末儲能容量須相同，因此在22：00—23：00 平電價區(qū)間，系統(tǒng)補充電儲能容量，在18：00—24：00 時段，系統(tǒng)逐漸補充儲冷和儲熱裝置的儲能容量，使其達到初始容量值。

圖7 儲能裝置的容量變化

PIES 根據(jù)分時電價和光伏出力情況，合理調(diào)整購電量和天然氣購氣量，在滿足系統(tǒng)多元負(fù)荷需求和設(shè)備運行約束的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)內(nèi)各種供儲能設(shè)備進行優(yōu)化調(diào)度，實現(xiàn)了冷、熱、電多元負(fù)荷的供需平衡，在兼顧環(huán)保性的同時，最大限度降低了系統(tǒng)的日運行經(jīng)濟成本，實現(xiàn)了系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟運行。

5 結(jié)語

通過引入碳排放懲罰因子，將考慮經(jīng)濟性和環(huán)保性的多目標(biāo)日前優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化成單目標(biāo)問題進行求解。通過算例對比分析可以發(fā)現(xiàn)：相對于單一經(jīng)濟性目標(biāo)，在綜合目標(biāo)下系統(tǒng)的經(jīng)濟成本略有增加，但碳排放量有所減少，對環(huán)境更加友好；而對比單一的環(huán)保性目標(biāo)來講，系統(tǒng)的碳排放量增加16.2%，但經(jīng)濟性成本下降19.4%。由此可見，所建模型在綜合最優(yōu)目標(biāo)下，可以充分發(fā)揮系統(tǒng)的多能互補優(yōu)勢，減少能源浪費，平衡經(jīng)濟與環(huán)境之間的效益，實現(xiàn)系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟運行。

研究中采用光伏設(shè)備作為新能源的代表，沒有考慮風(fēng)電等可再生能源的優(yōu)化調(diào)度，同時忽略了新能源出力的間歇性和波動性對系統(tǒng)運行的影響。因此，在后續(xù)研究中，可以分析風(fēng)電等可再生能源的加入對系統(tǒng)設(shè)備出力的影響，進一步研究其功率波動對系統(tǒng)優(yōu)化運行造成的影響。