刁天一，白曉清，劉廣

(廣西大學(xué)電力系統(tǒng)最優(yōu)化及節(jié)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西南寧530004)

0 引言

國(guó)務(wù)院印發(fā)的《國(guó)家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃(2014-2020年)》文件中提到，隨著綜合能源系統(tǒng)[1-2](integrated energy systems，IES)的出現(xiàn)與發(fā)展，要將實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明理念全面融入城鎮(zhèn)化進(jìn)程，著力推進(jìn)綠色、低碳、可循環(huán)發(fā)展[3]。由電、冷、熱、天然氣共同構(gòu)成的綜合能源系統(tǒng)中，能源耦合密切，協(xié)調(diào)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)能源的最大化利用，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、協(xié)同優(yōu)化。而園區(qū)綜合能源系統(tǒng)(park integrated energy system，PIES)作為IES的應(yīng)用場(chǎng)景之一，能夠?qū)崿F(xiàn)多能源間相互耦合，改善環(huán)境污染與能源流失、浪費(fèi)問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)IES從建模分析、算法應(yīng)用、經(jīng)濟(jì)調(diào)度等方面進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[4]介紹了能量樞紐(energy hub，EH)的基本理論與建模方法。文獻(xiàn)[5]構(gòu)建了IES集中母線式結(jié)構(gòu)，并在模型中考慮冷熱電聯(lián)供(combined cooling，heat and power，CCHP)，建立聯(lián)供型微網(wǎng)日前動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。文獻(xiàn)[6]考慮在生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)(combined heat and power，CHP)機(jī)組加入補(bǔ)燃裝置，構(gòu)建含光伏、生物質(zhì)和天然氣在內(nèi)的區(qū)域EH模型。文獻(xiàn)[7]結(jié)合電-熱聯(lián)合需求響應(yīng)建立了多能園區(qū)日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)了園區(qū)運(yùn)行成本的降低。文獻(xiàn)[8]將風(fēng)電作為隨機(jī)變量，考慮其不確定性基礎(chǔ)上構(gòu)建了可調(diào)節(jié)魯棒優(yōu)化調(diào)度模型，并運(yùn)用人工智能算法對(duì)模型進(jìn)行求解。上述研究模型中，對(duì)儲(chǔ)能裝置鮮有涉及。然而，儲(chǔ)能裝置的引入，對(duì)IES穩(wěn)定、可靠、持續(xù)運(yùn)行起到了至關(guān)重要的作用。

此外，隨著更多的新能源并入電網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)的靈活性及調(diào)節(jié)能力有了更高的要求。燃?xì)鈾C(jī)組能夠迅速響應(yīng)新能源波動(dòng)，電轉(zhuǎn)氣(power to gas，P2G)可以通過(guò)化學(xué)反應(yīng)合成大量的天然氣，因此加深I(lǐng)ES中電-氣間的耦合，有望在未來(lái)成為解決新能源大規(guī)模接入電網(wǎng)的重要橋梁。文獻(xiàn)[9-10]構(gòu)建了電力-天然氣系統(tǒng)聯(lián)合模型，將電力系統(tǒng)潮流的處理方法運(yùn)用到氣網(wǎng)中。文獻(xiàn)[11]將P2G過(guò)程細(xì)分為電轉(zhuǎn)氫和電轉(zhuǎn)氣2個(gè)部分，構(gòu)建了氫能-天然氣混合儲(chǔ)能系統(tǒng)(hydrogen-gas energy storage system，HGESS)，證明了在考慮氫能與天然氣混合儲(chǔ)能裝置下，電-氣綜合能源微網(wǎng)有更好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保效果。文獻(xiàn)[12]利用Weymouth方程表示流量與節(jié)點(diǎn)壓力關(guān)系，考慮分布式框架的基礎(chǔ)上建立電-氣綜合系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化調(diào)度模型，模型求解選用交替方向乘子法迭代處理。文獻(xiàn)[13]基于電轉(zhuǎn)氣運(yùn)行特性，構(gòu)建了考慮直流潮流含電-氣網(wǎng)絡(luò)約束的雙層經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。文獻(xiàn)[14]將環(huán)境約束與碳排放加以考慮，對(duì)新型城鎮(zhèn)與多能園區(qū)進(jìn)行雙層建模分析，從而滿(mǎn)足整體環(huán)境要求的指標(biāo)。上述模型中，大多采用電網(wǎng)直流潮流約束，且天然氣網(wǎng)絡(luò)潮流約束鮮有涉及，缺乏足夠的實(shí)際性、可行性。

綜合上述問(wèn)題，本文基于儲(chǔ)能、電-氣網(wǎng)絡(luò)約束構(gòu)建了PIES與新型城鎮(zhèn)雙層優(yōu)化調(diào)度模型。模型上層為新型城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)成本優(yōu)化，下層為考慮電-氣網(wǎng)絡(luò)約束的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度。上、下層通過(guò)聯(lián)絡(luò)線功率協(xié)調(diào)優(yōu)化，以新型城鎮(zhèn)為出發(fā)點(diǎn)，協(xié)調(diào)下層園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的多能源利用。最終實(shí)現(xiàn)綜合能源的合理利用，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，基于卡羅需-庫(kù)恩-塔克(Karush-Kuhn-Tucker，KKT)條件將模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使得模型求解高效、準(zhǔn)確。通過(guò)設(shè)置場(chǎng)景進(jìn)行算例分析，驗(yàn)證了本文所提雙層優(yōu)化模型的合理性和經(jīng)濟(jì)性，相較于傳統(tǒng)綜合能源系統(tǒng)，在可行性與穩(wěn)定性方面更具優(yōu)勢(shì)。

1 園區(qū)綜合能源系統(tǒng)與新型城鎮(zhèn)雙層優(yōu)化模型

園區(qū)綜合能源系統(tǒng)與新型城鎮(zhèn)雙層優(yōu)化模型的框架結(jié)構(gòu)如圖1所示，上層的新型城鎮(zhèn)主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)與聯(lián)絡(luò)線間交互功率，將新型城鎮(zhèn)內(nèi)可控分布式發(fā)電機(jī)組出力合理化利用，避免了不必要的浪費(fèi)。下層則為PIES經(jīng)濟(jì)調(diào)度，將儲(chǔ)能裝置、能源轉(zhuǎn)換設(shè)備、綜合能源和各類(lèi)負(fù)荷緊密聯(lián)系，并考慮電力和天然氣網(wǎng)絡(luò)約束，實(shí)現(xiàn)能源的階梯利用，滿(mǎn)足電、氣、熱、冷負(fù)荷需求。上、下層之間通過(guò)聯(lián)絡(luò)線功率實(shí)現(xiàn)電能的協(xié)調(diào)。當(dāng)下層園區(qū)內(nèi)電能缺額或供給不足時(shí)，上層新型城鎮(zhèn)通過(guò)聯(lián)絡(luò)線將電能傳遞給園區(qū)。同理，當(dāng)園區(qū)自身達(dá)到負(fù)荷供給要求的同時(shí)，多發(fā)的電能也可以通過(guò)聯(lián)絡(luò)線傳遞給城鎮(zhèn)，實(shí)現(xiàn)能源的合理利用與系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

圖1 園區(qū)綜合能源系統(tǒng)與新型城鎮(zhèn)雙層優(yōu)化模型Fig.1 Integrated energy system in park and bi-level optimization model of new town

1.1 電力系統(tǒng)模型

本文電力系統(tǒng)潮流為交流最優(yōu)潮流模型，考慮的系統(tǒng)約束條件有

①功率平衡約束

(1)

(2)

②安全運(yùn)行約束，

(3)

(4)

(5)

(6)

1.2 天然氣系統(tǒng)模型

天然氣系統(tǒng)主要由天然氣傳輸管道和天然氣負(fù)荷組成的。和電力系統(tǒng)潮流類(lèi)似，在運(yùn)行過(guò)程中同樣存在能量平衡、管道及壓強(qiáng)的約束條件。

①節(jié)點(diǎn)能量平衡約束，

(7)

②管道流量與節(jié)點(diǎn)壓強(qiáng)約束

(8)

(9)

(10)

1.3 上層新型城鎮(zhèn)優(yōu)化模型

1.3.1 上層目標(biāo)函數(shù)

上層模型中以新型城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行成本最小為目標(biāo)進(jìn)行調(diào)度，目標(biāo)函數(shù)如下

minFupp=CGT1+CGT2+CCW,

(11)

(12)

(13)

(14)

1.3.2 上層約束條件

①總功率平衡

(15)

②機(jī)組出力上下限約束

(16)

(17)

式中:PGm1,max、PGm1,min分別為燃煤機(jī)組的出力上、下限；PGm2,max、PGm2,min是柴油機(jī)組的出力上、下限。

1.4 下層園區(qū)優(yōu)化模型

PIES采用園區(qū)綜合能源系統(tǒng)母線式結(jié)構(gòu)[16]如圖2所示。在PIES內(nèi)包含風(fēng)電、光伏、微燃機(jī)組、燃?xì)忮仩t及各類(lèi)能源轉(zhuǎn)換設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備，以滿(mǎn)足各類(lèi)負(fù)荷的需求[17]。針對(duì)冷、熱兩種能源，僅考慮了能量平衡，并未考慮具體的熱力網(wǎng)與冷氣網(wǎng)，但是對(duì)于電、氣2種能源，考慮上述提到的電力系統(tǒng)和天然氣系統(tǒng)模型。天然氣系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的主要耦合部分是微燃機(jī)組。天然氣資源經(jīng)天然氣管道傳輸給微燃機(jī)組，微燃機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)，向系統(tǒng)供給電能，從而實(shí)現(xiàn)電、氣2種能源的耦合。同時(shí)考慮了電網(wǎng)與氣管網(wǎng)約束。圖2中園區(qū)綜合能源系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備符號(hào)定義見(jiàn)表1。

圖2 園區(qū)綜合能源系統(tǒng)母線式結(jié)構(gòu)Fig.2 Bus structure of integrated energy system in the park

表1 園區(qū)綜合能源系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備符號(hào)定義Tab.1 Symbol definition of equipment in integrated energy system of the park

1.4.1 下層目標(biāo)函數(shù)

下層模型將PIES運(yùn)行成本最小作為目標(biāo)函數(shù)，其中包含購(gòu)置天然氣成本、運(yùn)維成本、園區(qū)與城鎮(zhèn)間聯(lián)絡(luò)線交互功率成本3部分，目標(biāo)函數(shù)如下：

(18)

(19)

(20)

(21)

1.4.2 下層約束條件

①冷功率平衡，

(22)

②熱功率平衡，

(23)

③輔助煙氣母線功率約束，

(24)

④能量轉(zhuǎn)換設(shè)備約束。

電制冷裝置，

(25)

吸收式制冷裝置，

(26)

電鍋爐裝置，

(27)

熱轉(zhuǎn)換裝置，

(28)

余熱鍋爐裝置，

(29)

燃?xì)忮仩t裝置，

(30)

式中：COPER表示電制冷機(jī)的能效系數(shù)；COPEB表示電制熱機(jī)的能效系數(shù)；η代表能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的效率。

⑤儲(chǔ)能裝置約束，

(31)

(32)

(33)

式中：ρEES-C、ρCES-C、ρTES-C是儲(chǔ)能裝置的充電效率；ρEES-D、ρCES-C、ρTES-C是放電效率；σEES、σCES、σTES是自放電效率。

⑥光伏/風(fēng)力發(fā)電出力約束，

(34)

(35)

⑦與新型城鎮(zhèn)間聯(lián)絡(luò)線交互電功率約束，

(36)

⑧余熱鍋爐/燃?xì)忮仩t出力約束

(37)

(38)

⑨能量轉(zhuǎn)換裝置出力約束，

(39)

(40)

(41)

(42)

⑩儲(chǔ)能裝置容量約束，

(43)

(44)

(45)

s.t.式(1)-(6)。

s.t.式(7)-(10)。

2 模型轉(zhuǎn)化

2.1 二階錐規(guī)劃

上一章節(jié)公式(1)、(2)是電力系統(tǒng)最優(yōu)潮流模型中的等式約束，存在著非凸非線性問(wèn)題，難以得到全局最優(yōu)解，直接求解效率低。針對(duì)此問(wèn)題，采用二階錐規(guī)劃[18](second order cone programming，SOCP)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

①等式約束為

(46)

(47)

②線路安全運(yùn)行約束為

(48)

(49)

(50)

cij=cji，

(51)

sij=-sji，

(52)

(53)

(54)

2.2 KKT條件與big-M法

本文建立雙層優(yōu)化調(diào)度模型的目的是為了分別對(duì)新型城鎮(zhèn)與PIES的運(yùn)行穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行考慮；但是二者之間存在耦合關(guān)系，不能直接求解該模型，所以利用K-T法(KKT)寫(xiě)出下層模型對(duì)應(yīng)的KKT條件代入到上層，從而將原問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單層優(yōu)化問(wèn)題。

針對(duì)KKT條件的互補(bǔ)松弛非線性條件，本文利用大M法引入0-1整數(shù)變量加以輔助，將非線性約束轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)約束。

(55)

(56)

如公式(55)、(56)均為形如μπ=0的互補(bǔ)松弛條件，μ為拉格朗日系數(shù)；依據(jù)文獻(xiàn)[19]提供的公式(μ≤Mω，π≤M(1-ω))進(jìn)行線性化，M為一個(gè)非常大的常數(shù)，ω是0，1變量。線性化過(guò)程如下：

(57)

(58)

(59)

(60)

經(jīng)過(guò)上述轉(zhuǎn)換后，將非線性的互補(bǔ)約束轉(zhuǎn)換為線性混合整數(shù)約束。

2.3 可調(diào)魯棒優(yōu)化

針對(duì)風(fēng)力、光伏等高不確定性與強(qiáng)波動(dòng)性的可再生能源機(jī)組，考慮加入可調(diào)魯棒優(yōu)化(adjustable robust optimization，ARO)[20]進(jìn)行處理。魯棒優(yōu)化的優(yōu)點(diǎn)是能夠在最?lèi)毫忧闆r下進(jìn)行決策，從而使決策受參數(shù)的影響降到最低，但同時(shí)也存在著過(guò)于保守的弊端。而可調(diào)魯棒優(yōu)化模型方便處理，在模型解的保守性上也有較大的改善。

定義光伏、風(fēng)電的不確定集合：

(61)

(62)

(63)

(64)

式中:NPV、NWT為光伏、風(fēng)電節(jié)點(diǎn)集;ΓPV，ΓWT代表光伏，風(fēng)電不確定性水平。若ζi=0，τi=0時(shí)，表示此時(shí)光伏、風(fēng)電出力誤差均為0，模型變成確定性模型。隨著ζi、τi的增大，不確定預(yù)測(cè)誤差進(jìn)一步變大，此時(shí)魯棒性增強(qiáng)，抗干擾能力增強(qiáng)。

3 算例分析

3.1 算例參數(shù)說(shuō)明

本文建立了PIES與新型城鎮(zhèn)雙層組合優(yōu)化經(jīng)濟(jì)調(diào)度。將該模型在MATLAB 2020a環(huán)境下通過(guò)采用Yalmip優(yōu)化工具箱建模，并調(diào)用Gurobi求解器對(duì)上述混合整數(shù)二階錐規(guī)劃問(wèn)題及ARO魯棒優(yōu)化模型進(jìn)行求解，并在CPU為I7-7700，RAM 16G的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。

本文下層園區(qū)內(nèi)針對(duì)電-氣部分采用IEEE-30節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)與20節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)進(jìn)行算例分析。以每天24 h為調(diào)度周期，單位調(diào)度時(shí)長(zhǎng)為1 h。其中，在IEEE-30系統(tǒng)中，1、2節(jié)點(diǎn)接入風(fēng)電場(chǎng)，5、8節(jié)點(diǎn)為光伏電站，11、13節(jié)點(diǎn)接入微燃機(jī)組。燃?xì)鈾C(jī)組位于天然氣節(jié)點(diǎn)2、5，燃?xì)忮仩t位于天然氣節(jié)點(diǎn)10、11。光伏、風(fēng)電預(yù)測(cè)出力及各負(fù)荷需求如圖3所示，某地購(gòu)電與售電分時(shí)電價(jià)見(jiàn)表2，PIES設(shè)備組成及參數(shù)見(jiàn)表3。

圖3 光伏、風(fēng)電預(yù)測(cè)出力及各負(fù)荷需求Fig.3 Forecast output and load demand of photovoltaic and wind power

表2 購(gòu)電與售電分時(shí)電價(jià)Tab.2 Time of use price for purchasing and selling electricity

表3 PIES設(shè)備組成及參數(shù)Tab.3 Device composition and parameters of PIES

3.2 算例結(jié)果分析

通過(guò)構(gòu)建雙層優(yōu)化調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)了城鎮(zhèn)和園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本最優(yōu)，促進(jìn)二者良性循環(huán)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性。具體優(yōu)化結(jié)果如下文所述。

3.2.1 上層優(yōu)化結(jié)果

本文所提出的雙層綜合能源系統(tǒng)中，上層優(yōu)化時(shí)新型城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)調(diào)度，新型城鎮(zhèn)的功率優(yōu)化調(diào)度結(jié)果如圖4所示。由圖可見(jiàn)，燃煤、柴油機(jī)組的發(fā)電量在早上8:30進(jìn)入峰時(shí)段后逐漸上升，15:00-17:00滿(mǎn)功率運(yùn)行，在21:00后的平、谷時(shí)段燃煤機(jī)組出力逐漸下降，柴油機(jī)組也出現(xiàn)了相似的趨勢(shì)。

圖4 新型城鎮(zhèn)的功率優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Fig.4 Power optimization dispatching results of new town

3.2.2 下層優(yōu)化結(jié)果

下層優(yōu)化是園區(qū)綜合能源系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備優(yōu)化運(yùn)行出力結(jié)果，其中圖5是PIES電能優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，圖6是PIES冷能優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，圖7是PIES煙氣母線優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，圖8是PIES熱能優(yōu)化調(diào)度結(jié)果。園區(qū)綜合能源系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備組成和負(fù)荷特性詳細(xì)見(jiàn)圖2。設(shè)備名稱(chēng)及參數(shù)詳見(jiàn)3.1算例參數(shù)說(shuō)明。

由圖5可見(jiàn)，在峰時(shí)段用電量急劇增加時(shí)，風(fēng)、光出力按照預(yù)測(cè)值進(jìn)行滿(mǎn)發(fā)，微燃機(jī)組在早晨至中午出力呈上升趨勢(shì)，在正午達(dá)到峰值，夜間至凌晨出力明顯下降。儲(chǔ)能裝置受電價(jià)變化影響且自身容量有限，但基本實(shí)現(xiàn)在峰時(shí)段放能，在谷、平時(shí)段充能。

由圖6可見(jiàn)，吸收式制冷的出力主要受限于廢棄余熱，因此在白天工作時(shí)段出力達(dá)到高峰，夜間出力較少。電制冷裝置出力主要受電價(jià)和微燃機(jī)出力影響。由圖7可見(jiàn)，余熱鍋爐在峰時(shí)段滿(mǎn)額出力，在其他時(shí)段基本由燃?xì)忮仩t來(lái)協(xié)調(diào)配合熱交換設(shè)備達(dá)到出力要求。由圖8可見(jiàn)，電制熱裝置根據(jù)用戶(hù)需求輔助供熱，且制熱效率比較高，是提供熱能的主要設(shè)備之一，熱轉(zhuǎn)換裝置出力受燃?xì)忮仩t和余熱鍋爐影響較大，所以其出力波動(dòng)起伏也較大。熱儲(chǔ)能裝置在其中整體起到削峰填谷的作用。

圖5 PIES電能優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Fig.5 Optimal dispatching results of PIES electrical energy

圖6 PIES冷能優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Fig.6 Optimal dispatching results of PIES cold energy

圖7 PIES煙氣母線優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Fig.7 Optimal dispatching results of PIES flue gas bus

圖8 PIES熱能優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Fig.8 Optimal dispatching results of PIES thermal energy

3.3 不同場(chǎng)景下結(jié)果對(duì)比分析

為了體現(xiàn)本文模型的可靠性、魯棒性和經(jīng)濟(jì)性，分別通過(guò)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、極端天氣和傳統(tǒng)模型展開(kāi)對(duì)比分析，設(shè)置以下幾個(gè)場(chǎng)景：

場(chǎng)景0：不考慮電-氣網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的雙層綜合能源系統(tǒng)；

場(chǎng)景1：本文所提出的雙層綜合能源系統(tǒng)；

場(chǎng)景2：本文所提出的雙層綜合能源系統(tǒng)在無(wú)風(fēng)無(wú)光極端天氣條件下，即PWT、PPV出力為0；

場(chǎng)景3：傳統(tǒng)單層綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化模型；

3.3.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對(duì)PIES可行性影響

為研究電-氣網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對(duì)PIES的影響，選取場(chǎng)景0和場(chǎng)景1進(jìn)行對(duì)比分析：

兩種場(chǎng)景下各線路功率和管道流量仿真結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表4、表5。

表4 各線路功率對(duì)比結(jié)果Tab.4 Comparison results of pawer of each line p.u.

表5 各管道流量對(duì)比結(jié)果Tab.5 Comparison results of flow rate of each pipeline p.u.

場(chǎng)景1考慮了電力系統(tǒng)的線路傳輸功率約束與氣管網(wǎng)的流量約束，每條線路的電功率以及管道流量都在合理的運(yùn)行范圍內(nèi)。反觀場(chǎng)景0，由于未考慮線路約束與管道網(wǎng)絡(luò)約束，對(duì)比結(jié)果中出現(xiàn)了2—4、8—28線路功率過(guò)載，1—2、5—6管道流量過(guò)載。這樣的過(guò)載問(wèn)題若在實(shí)際問(wèn)題中出現(xiàn)，將會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)不必要的損失，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致調(diào)度計(jì)劃不可行。因此，考慮電-氣網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的綜合能源系統(tǒng)可行性更好，更具現(xiàn)實(shí)意義。

3.3.2 極端天氣對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響

在場(chǎng)景2中，風(fēng)力與光伏的出力為0，雙層綜合能源優(yōu)化系統(tǒng)依然能夠保持正常穩(wěn)定地運(yùn)作。如圖9所示，對(duì)比場(chǎng)景1、2中PIES內(nèi)微燃機(jī)組出力顯著增加，從而保證系統(tǒng)在極端天氣下依舊供應(yīng)平衡，維持系統(tǒng)正常運(yùn)行。因此，該系統(tǒng)在極度惡劣天氣情況下也能夠通過(guò)內(nèi)部調(diào)節(jié)繼續(xù)可靠穩(wěn)定地運(yùn)行。

圖9 2種場(chǎng)景下微燃機(jī)組出力結(jié)果Fig.9 Output results of micro gas turbine in two scenarios

3.3.3 雙層模型與單層模型對(duì)比

將場(chǎng)景1與合并后的單層模型場(chǎng)景3進(jìn)行對(duì)比，以此證明本文所構(gòu)建的雙層優(yōu)化調(diào)度模型的合理性與經(jīng)濟(jì)性。上下層模型目標(biāo)函數(shù)加和即為場(chǎng)景3的目標(biāo)函數(shù)，約束條件則為雙層模型的所有涉及到的約束。單層模型具體如下：

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2種模型下燃煤與柴油機(jī)組調(diào)度出力對(duì)比如圖10所示，雙層模型與單層模型調(diào)度結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表6。

圖10 2種模型下燃煤與柴油機(jī)組調(diào)度出力對(duì)比Fig.10 Comparison of scheduling output between coal and diesel units under two models

表6 雙層模型與單層模型調(diào)度結(jié)果對(duì)比Tab.6 Comparison of scheduling results between two-layer model and single-layer model

場(chǎng)景3與場(chǎng)景1的主要區(qū)別在于目標(biāo)函數(shù)，場(chǎng)景1中新型城鎮(zhèn)成本與園區(qū)綜合能源系統(tǒng)成本分開(kāi)考慮，而在場(chǎng)景3中則是將二者直接相加。2種模型下新型城鎮(zhèn)的燃煤機(jī)組和柴油機(jī)組出力如圖10所示。圖中，無(wú)論是柴油機(jī)組還是燃煤機(jī)組，雙層模型的出力都是小于單層模型，所以在考慮了機(jī)組發(fā)電成本后，雙層模型的新型城鎮(zhèn)成本更低一些。在園區(qū)中，雙層模型微燃機(jī)組的出力要略高于單層模型，使得燃?xì)赓?gòu)置成本與維護(hù)成本較高于單層，繼而園區(qū)的成本也是略高于單層。但即便如此，由于雙層模型是全局考慮，綜合了上、下層成本之間的衡量，使得總的成本更小，經(jīng)濟(jì)性更好。

3.3.4 考慮ARO模型后，魯棒優(yōu)化不確定度對(duì)模型目標(biāo)函數(shù)值的影響

表7 可調(diào)魯棒優(yōu)化下園區(qū)綜合能源系統(tǒng)利益Tab.7 Integrated energy system benefits of the park under adjustable robust optimization

可調(diào)魯棒優(yōu)化下園區(qū)綜合能源系統(tǒng)利益見(jiàn)表7，由表7可知，當(dāng)ΓPV=ΓWT=0時(shí)，模型為確定性模型，此時(shí)PIES收益最高，但系統(tǒng)安全性較差，抗干擾能力弱。隨著不確定度的提高，不確定因素逐漸增加，系統(tǒng)面臨的場(chǎng)景更加嚴(yán)峻、惡劣，風(fēng)電、光伏等可再生能源機(jī)組出力范圍變大，魯棒性得到增強(qiáng)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更加安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。但是系統(tǒng)的損耗增加，成本提高，經(jīng)濟(jì)性變差。 其中 等于ΓPV=ΓWT=1代表考慮到系統(tǒng)全部可再生能源機(jī)組的不確定性，此時(shí)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最差。

4 結(jié)論

本文提出的PIES與新型城鎮(zhèn)雙層優(yōu)化模型，在PIES中考慮能源階梯利用的基礎(chǔ)上，涉及到多能源儲(chǔ)能及轉(zhuǎn)換設(shè)備。該模型的上層為新型城鎮(zhèn)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，下層考慮電網(wǎng)與氣網(wǎng)約束的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度?；谙聦幽Ｐ蚄KT條件將其轉(zhuǎn)化為上層的附加約束條件，并運(yùn)用二階錐規(guī)劃與泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)將對(duì)應(yīng)的電網(wǎng)與氣網(wǎng)非線性約束線性化，同時(shí)針對(duì)可再生能源機(jī)組，考慮可調(diào)魯棒優(yōu)化。通過(guò)算例分析，得出以下結(jié)論：

①基于網(wǎng)絡(luò)約束及儲(chǔ)能設(shè)備構(gòu)建的雙層優(yōu)化模型，更加嚴(yán)謹(jǐn)，貼切實(shí)際，可以避免線路過(guò)載等一系列不必要的問(wèn)題發(fā)生，從而有效提高系統(tǒng)運(yùn)行可行性。

②針對(duì)含風(fēng)、光等分布式電源的下層優(yōu)化模型，可以有效應(yīng)對(duì)和處理極端天氣給系統(tǒng)帶來(lái)的影響，維持整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

③所提出的雙層優(yōu)化模型相較于傳統(tǒng)模型，在成本經(jīng)濟(jì)性、結(jié)果合理性上更具優(yōu)勢(shì)。

④考慮ARO模型后，改善了傳統(tǒng)魯棒模型過(guò)于保守的特性，建立了可調(diào)魯棒最優(yōu)潮流。

在后續(xù)研究工作進(jìn)程中，將引入電價(jià)自由交易，建立主從博弈模型，并加以考慮P2G裝置以及棄風(fēng)棄光成本變化給系統(tǒng)帶來(lái)的影響，對(duì)綜合能源系統(tǒng)可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行進(jìn)一步深入探索與研究。