任榮榮，肖群，趙壯

（1.四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川廣元 628040；2.國網(wǎng)四川省電力公司廣元供電公司，四川廣元 628000；3.新疆大學(xué)，烏魯木齊 830000）

0 引言

近年來，由于化石能源的不斷開發(fā)利用，化石能源越來越少，并且嚴(yán)重污染了生態(tài)環(huán)境。因此，人們迫切需求一個可持續(xù)的清潔能源體系[1-5]。

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，可再生能源與儲能技術(shù)結(jié)合已經(jīng)成為當(dāng)下的研究熱點，能源互聯(lián)在分配和使用方面表現(xiàn)為微網(wǎng)系統(tǒng)[6-10]。微網(wǎng)系統(tǒng)將多種不同形式的能源聯(lián)系起來，實現(xiàn)能源之間的相互配合、相互轉(zhuǎn)化，使系統(tǒng)的靈活性變強。在先進的信息技術(shù)的支撐下，微網(wǎng)系統(tǒng)不但可以實時高效地傳輸能源，而且能實現(xiàn)能源的清潔利用和可持續(xù)發(fā)展[11-15]。

國內(nèi)外學(xué)者對多能源系統(tǒng)的運行優(yōu)化做了很多研究。以綜合能源自給率、綜合能源利用率和能量缺額期望為評價指標(biāo)，建立了園區(qū)微網(wǎng)系統(tǒng)雙層優(yōu)化配置模型。文獻[16-19]在配電網(wǎng)雙層能源管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立雙階段調(diào)度優(yōu)化模型，并利用改進的帝國競爭算法求解其模型。為解決微網(wǎng)系統(tǒng)中可再生能源的容納能力問題，提出了一種改進的深度強化學(xué)習(xí)算法，并通過仿真實例驗證了算法的可行性和有效性。結(jié)合熱電聯(lián)產(chǎn)機組和P2G 裝置，研究了電-氣聯(lián)合多能源耦合的能源系統(tǒng)協(xié)同規(guī)劃問題，通過算例分析證實了電-氣互聯(lián)的能源系統(tǒng)的優(yōu)越性。文獻[20-21]為提高可再生能源的消納能力，用場景分析法對可再生電源出力隨機性進行建模，研究含有冷熱電聯(lián)供的不同運行方式對優(yōu)化調(diào)度的影響。文獻[22]以可再生能源滲透率、運行成本、碳排放3 項指標(biāo)為綜合優(yōu)化目標(biāo)，建立可再生能源消納的多能源系統(tǒng)源荷協(xié)調(diào)調(diào)度模型。文獻[23-24]為提高能源利用率，減少能源浪費，以經(jīng)濟最優(yōu)為目標(biāo)，建立了微網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型。

目前已有研究大都集中在傳統(tǒng)微網(wǎng)能源系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化、微網(wǎng)系統(tǒng)的分層、分級優(yōu)化和電力能源系統(tǒng)的“源-網(wǎng)-荷-儲”多目標(biāo)優(yōu)化等方面，但關(guān)于電-氣互聯(lián)的微網(wǎng)系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化的研究較少。

本文在前人的研究基礎(chǔ)上，針對傳統(tǒng)微網(wǎng)系統(tǒng)存在的能源浪費和環(huán)境污染等問題，提出在傳統(tǒng)微網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入氣網(wǎng)、燃料電池、儲能和電轉(zhuǎn)氣機組等，構(gòu)建電-氣互聯(lián)的微網(wǎng)系統(tǒng)“源-網(wǎng)-荷-儲”多能耦合構(gòu)架；綜合考慮經(jīng)濟性和環(huán)保性2 個指標(biāo)，建立電-氣互聯(lián)的微網(wǎng)系統(tǒng)運行優(yōu)化的能量樞紐模型，并采用CPLex 求解器對多目標(biāo)日前調(diào)度優(yōu)化模型進行求解。最后，通過算例仿真來驗證本文模型的有效性和可靠性。

1 系統(tǒng)構(gòu)架

本文研究的多能互補能源系統(tǒng)的基本架構(gòu)見圖1。系統(tǒng)主要包含3 個部分，即上層能源網(wǎng)（電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)）；微網(wǎng)系統(tǒng)（各種能源轉(zhuǎn)換機組）；用戶側(cè)（電、熱、冷負(fù)荷），在本文中加入P2G 單元可實現(xiàn)電、氣互聯(lián)耦合的作用。

圖1 多能互補能源系統(tǒng)的基本架構(gòu)Fig.1 Basic architecture of multi energy complementary energy system

2 能源樞紐運行優(yōu)化模型

本文針對電-氣互聯(lián)的微網(wǎng)系統(tǒng)多能耦合能量樞紐進行優(yōu)化，通過以經(jīng)濟性、環(huán)保性為評價指標(biāo)，建立微網(wǎng)系統(tǒng)的源-網(wǎng)-荷-儲多目標(biāo)運行優(yōu)化模型。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

1）以經(jīng)濟性為指標(biāo)，建立數(shù)學(xué)模型，公式為

式中：F1表示系統(tǒng)整體運行成本；X1表示各種機組的建設(shè)成本；X2表示系統(tǒng)的運行成本；X3表示各個網(wǎng)絡(luò)之間的交互成本。

其中各種機組的建設(shè)成本公式為

式中：i表示需要建造機組的種類；Mi表示第i種建造機組的個數(shù)；Ci表示第i種單個機組的容量；r表示折現(xiàn)率；mi表示設(shè)備使用時間。系統(tǒng)的運行成本公式為

式中：t表示各種機組的運行周期；CFB表示燃料電池的燃料成本；PFB表示燃料電池的輸出功率；γi,t、ηi,t為0-1 變量，表示機組的啟停狀態(tài)；CSYN表示同步發(fā)電單元的運行成本；PSYN表示同步發(fā)電單元的輸出功率；COP表示機組的維護成本；POP表示各種機組的實時輸出功率。各個網(wǎng)絡(luò)之間的交互成本公式為

式中：h表示正整數(shù)離散變量；Pi,sh表示第i種網(wǎng)絡(luò)在時間h的購買能量總量；Ci,h表示第h種能源在時間h的價格；Pi,sh表示第i種網(wǎng)絡(luò)在時間h的售賣能量總量；αi,h、βi,h表示0-1 變量，且αi,h+βi,h=1。

2）以環(huán)保性為指標(biāo)，建立數(shù)學(xué)模型為

式中：Pe,t表示系統(tǒng)產(chǎn)生的總電量；Qg,t表示系統(tǒng)消耗的總氣量；?P→c、?Q→c分別表示單位電能、天然氣碳排放量系數(shù)；CP→c、CQ→c分別表示電能碳排放量的單位治理成本、天然氣碳排放量的單位治理成本。

本文綜合考慮經(jīng)濟性、環(huán)保性2 個指標(biāo)，建立其目標(biāo)函數(shù)為

式中，0 ≤ω1≤1、0 ≤ω2≤1，且ω1+ω2=1。

2.2 約束條件

1）電能平衡方程為

式中：Ei(t)表示第i臺供電機組在時間t的輸出功率；Es(t)表示光伏發(fā)電機組在時間t的輸出功率；Ew(t)表示風(fēng)電機組在時間t的輸出功率；Eb(t)表示蓄電池在時間t的輸出功率；Echange(t)表示在時間t與電網(wǎng)交換的功率；ERD(t)表示燃料電池在時間t的輸出功率；Etransfer(t)表示在時間t可以調(diào)用的電功率。

2）熱能平衡方程為

式中：Hrqlj,z(t)表示第z臺燃?xì)忮仩t在時間t產(chǎn)生的熱量；Htransfer(t)表示在時間t可以調(diào)用的熱量。

3）冷能平衡方程為

4）儲能容量約束為

5）儲能充電功率約束為

6）儲能放電功率約束為

7）供能機組功率

8）微網(wǎng)系統(tǒng)與電網(wǎng)和氣網(wǎng)交互功率約束為

式中：Pi(t)表示微網(wǎng)與第i種網(wǎng)絡(luò)之間實際交換的功率；Pi,min表示微網(wǎng)與第i種網(wǎng)絡(luò)之間功率交換的下限；Pi,max表示微網(wǎng)系統(tǒng)與第i種網(wǎng)絡(luò)之間功率交換的上限。

針對上述模型，首先，采用層次分析法計算權(quán)重；其次，采用基于Matlab 的CPLex 軟件對其進行求解。

3 算例驗證

3.1 算例系統(tǒng)

本文選取光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池、同步發(fā)電機組和P2G 轉(zhuǎn)換機組作為算例系統(tǒng)。微網(wǎng)系統(tǒng)與主電網(wǎng)、主氣網(wǎng)之間的最大傳輸容量分別為40 kW 和45 kW，天然氣的價格是3.5 元/m3，轉(zhuǎn)換成熱值為0.349 元/（kWh）。單位電能碳轉(zhuǎn)化系數(shù)為0.024 96 kg/kW，單位天然氣碳轉(zhuǎn)化系數(shù)為0.019 95 kg/kW，每千克碳治理費用為6.65 元[25-28]。各種同步發(fā)電單元的參數(shù)見表1。

表1 不同機組安裝成本Table 1 Installation costs of different units

3.2 算例結(jié)果分析

當(dāng)在平均電價下且在微網(wǎng)系統(tǒng)中加入氣網(wǎng)時，僅僅考慮經(jīng)濟性指標(biāo)，其日運行優(yōu)化出力結(jié)果見圖2-4。

圖2 蓄電池充放電功率Fig.2 Charging and discharging power of battery

圖3 交換功率Fig.3 Switching power

圖4 各機組運行功率Fig.4 Operation power of each unit

由上圖2-4 可知，在0：00～8：00 時間段，風(fēng)力發(fā)電和發(fā)電機在運行，產(chǎn)生的多余電量除了用于滿足部分用戶負(fù)荷的需求以外，其余一部分通過P2G轉(zhuǎn)化后，賣給氣網(wǎng)，另一部分賣給電網(wǎng)。在4：00～8：00時間段，用戶需求比較小，此時蓄電池進行充電；在10：00～14：00 時間段，用戶需求不斷增加，所以發(fā)電機運行的同時需要調(diào)用氣網(wǎng)、大電網(wǎng)、燃料電池來滿足用戶需求；在14：00～19：00 時間段，由于用戶需求過大，系統(tǒng)調(diào)用氣網(wǎng)、大電網(wǎng)、燃料電池和發(fā)電機遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足用戶需求，因此需要調(diào)用蓄電池補給系統(tǒng)。

綜合上述分析，加入P2G 技術(shù)和儲能單元不僅提高了系統(tǒng)的電能消納能力，而且使系統(tǒng)更加安全穩(wěn)定的運行；同時加入燃料電池、風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電機組，既減少了系統(tǒng)一次能源的使用，也保證了系統(tǒng)更加清潔、高效的運行，從而提高了系統(tǒng)的環(huán)保性。

3.3 系統(tǒng)模型有效性分析

為說明模型的有效性，本文將電-氣互聯(lián)的微網(wǎng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的微網(wǎng)系統(tǒng)日運行優(yōu)化結(jié)果進行了對比分析。在平均電價下，若僅僅考慮經(jīng)濟性指標(biāo)，微網(wǎng)系統(tǒng)日運行優(yōu)化出力結(jié)果見圖5-6所示。

圖5 微網(wǎng)系統(tǒng)各機組運行功率Fig.5 Operating power of each unit of the micro grid system

圖6 電網(wǎng)和天然氣出力Fig.6 Grid and natural gas output

由上圖5-6 可知，傳統(tǒng)微網(wǎng)系統(tǒng)只與電網(wǎng)進行能量交互，僅僅購買天然氣而不出售。

對比傳統(tǒng)微網(wǎng)系統(tǒng)與本文所提系統(tǒng)的日運行成本和環(huán)境成本，得到其結(jié)果見圖7。

圖7 日運行成本和環(huán)境成本Fig.7 Daily operation cost and environmental cost

2 種系統(tǒng)的日運行成本、環(huán)境治理成本見表2。

表2 不同系統(tǒng)成本Table 2 Different system costs

由圖7 及表2 可知，本文系統(tǒng)較傳統(tǒng)微網(wǎng)的日運行成本低270.36 元，環(huán)境治理成本較傳統(tǒng)微網(wǎng)環(huán)境成本高89.48 元。

因此，本文在微網(wǎng)系統(tǒng)中加入氣網(wǎng)使得系統(tǒng)的整體協(xié)作能力提升，且加入P2G 單元不僅可以實現(xiàn)電-氣能源的互聯(lián)互通，使得系統(tǒng)的靈活性增強，而且更有利于能源之間的相互轉(zhuǎn)化，進而提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

3.4 不同目標(biāo)對系統(tǒng)運行的分析

根據(jù)目標(biāo)的不同，將本文系統(tǒng)的優(yōu)化運行控制目標(biāo)劃分為以下3 種：

目標(biāo)1：單一考慮經(jīng)濟性的情況下，對電-氣互聯(lián)的微網(wǎng)系統(tǒng)進行優(yōu)化；

目標(biāo)2：單一考慮環(huán)保性的情況下，對電-氣互聯(lián)的微網(wǎng)系統(tǒng)進行優(yōu)化；

目標(biāo)3：綜合考慮經(jīng)濟性和環(huán)保性兩種指標(biāo)的情況下，對電-氣互聯(lián)的微網(wǎng)系統(tǒng)進行優(yōu)化。

由上圖4 可知，目標(biāo)1 的運行優(yōu)化結(jié)果已經(jīng)給出，因此本節(jié)只研究目標(biāo)2 和目標(biāo)3 對本文系統(tǒng)的影響。其運行優(yōu)化出力見圖8-9。

圖8 目標(biāo)2運行優(yōu)化結(jié)果Fig.8 Operation optimization results of target 2

對比圖8-9 可知，本文系統(tǒng)在單一考慮環(huán)保性時，在3：00～7：00 時間段，從氣網(wǎng)購買電量增加，而發(fā)電機提供電量減少，使得系統(tǒng)環(huán)境保護成本增加；在22：00～24：00 時間段，由于售賣給電網(wǎng)的電量減少，而發(fā)電機依然運行，增加了系統(tǒng)的運行成本；在綜合考慮經(jīng)濟性和環(huán)保性時，在3：00～7：00時間段，從氣網(wǎng)購買電量減少，而發(fā)電機提供電量增加，使得系統(tǒng)環(huán)境保護成本增加。不同目標(biāo)優(yōu)化成本結(jié)果見表3。

表3 不同目標(biāo)下的系統(tǒng)成本Table 3 System costs under different targets

由圖9 和表3 可知，在綜合考慮經(jīng)濟性和環(huán)保性的微網(wǎng)系統(tǒng)中，日運行總成本為2 847.15 元，比單一考慮經(jīng)濟性的微網(wǎng)系統(tǒng)的日運行總成本節(jié)約12.14%，相比較僅僅考慮環(huán)保性的微網(wǎng)系統(tǒng)的日運行總成本節(jié)約16.32%，且比傳統(tǒng)微網(wǎng)系統(tǒng)的日運行總成本節(jié)約16.79%。

圖9 目標(biāo)3運行優(yōu)化結(jié)果Fig.9 Operation optimization results of target 3

綜上可知，在平均電價下，綜合考慮經(jīng)濟性和環(huán)保性兩種指標(biāo)，更有利于節(jié)約成本。

3.5 考慮電價因素對系統(tǒng)的影響

上述分析均在平均電價下對本文所提模型進行優(yōu)化求解，為說明本文系統(tǒng)所建模型的運行成本在實時電價下效果更優(yōu)，因此在實時電價下，綜合考慮環(huán)保性和經(jīng)濟性2 個指標(biāo)，并對其進行求解，其結(jié)果如下圖10-11。

圖10 在實時電價下各機組輸出功率Fig.10 Output power of each unit under real-time electricity price

對比圖9-10 可知，在3：00～5：00 時間段，從電網(wǎng)購電量增加，同時發(fā)電機發(fā)電量減少，因此系統(tǒng)的環(huán)境治理成本下降；在5：00～7：00 時間段，售賣給氣網(wǎng)的電量減少，同時增加發(fā)電機的供電量，使得系統(tǒng)的運行成本下降。

由圖11 可知，實時電價下本系統(tǒng)的日運行總成本相比平均電價下本系統(tǒng)的日運行總成本節(jié)約7.55%。因此，其結(jié)果可表明，本文系統(tǒng)模型在實時電價下的日運行成本最優(yōu)。

圖11 不同電價下系統(tǒng)成本Fig.11 System cost under different electricity prices

4 結(jié)語

本文首先在傳統(tǒng)微網(wǎng)的基礎(chǔ)上，提出了電氣互聯(lián)的微網(wǎng)系統(tǒng)“源-網(wǎng)-荷-儲”多能源耦合架構(gòu)；其次將系統(tǒng)經(jīng)濟運行和環(huán)保運行2 個指標(biāo)考慮在內(nèi)，建立了微網(wǎng)系統(tǒng)“源-網(wǎng)-荷-儲”運行優(yōu)化的能量樞紐模型，并采用了基于Matlab 的CPLex 軟件對其進行求解；最后根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進行算例分析，通過對比分析傳統(tǒng)微網(wǎng)、不同目標(biāo)以及不同電價3 種因素，驗證了該模型具有更優(yōu)的經(jīng)濟效益。